車輛低溫起動試驗數(shù)據(jù)分析及處理方法

劉立盟，緱宇翔，李爽，朱汗青，賈子永

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072； 2. 32184部隊，北京 100072）

引言

低溫環(huán)境試驗室氣候環(huán)境模擬試驗是檢驗車輛環(huán)境適應(yīng)性的有效手段之一，其可以不受自然環(huán)境條件的制約，極大地縮短試驗周期并且試驗環(huán)境條件具有可重復(fù)性。車輛動力艙內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小，難以布置傳感器。因此冷起動過程中車輛狀態(tài)不易檢測。通過對以往的試驗過程中，起動電流的數(shù)據(jù)整理分析，可以得出起動電流與車載電池性能、發(fā)動機(jī)各氣缸磨損狀態(tài)、起動電機(jī)性能等的對應(yīng)關(guān)系。以間接測量的方式獲取車輛起動過程中車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)。本文通過分析起動電流波形數(shù)據(jù)，得出起動電流能夠反映出的車輛狀態(tài)，從而分辨出試驗過程中車輛冷起動失敗的主要因素。

1 車輛低溫起動性能影響因素分析

車輛在嚴(yán)寒條件下起動性能下降主要原因是由起動阻力增大、低溫狀態(tài)下柴油機(jī)燃燒不充分和起動力矩下降三方面構(gòu)成，如圖1所示。

起動阻力方面，由于溫度降低會導(dǎo)致潤滑油粘度增大、流動性差，易造成各摩擦面之間供油不足，摩擦阻力增大，曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩也增加，最終導(dǎo)致柴油機(jī)無法達(dá)到最低起動轉(zhuǎn)速，降低起動性能。

柴油機(jī)燃燒狀態(tài)方面，在起動過程中，需要缸內(nèi)氣體達(dá)到一定的壓力和溫度后，才能壓縮自燃。發(fā)動機(jī)在低溫環(huán)境中，進(jìn)氣溫度低，并且缸內(nèi)氣體與缸壁通過熱交換造成大量熱損失，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)溫度和壓力均無法到達(dá)起動的必要條件。柴油機(jī)的壓縮過程為多變壓縮過程，其前后的空氣溫度基本符合以下公式：

式中：

Tca—壓縮始點(diǎn)溫度，K；

Tco—壓縮終點(diǎn)溫度，K；

εcc—有效壓縮比，εcc=（0.8-0.9）εc；

εc—壓縮比；

同時，發(fā)動機(jī)在低溫狀態(tài)下起動時轉(zhuǎn)速低，難以形成活塞環(huán)與汽缸壁之間的密封油膜，壓縮過程中的漏氣量增大、壓縮比下降，降低起動性能。因此需要提高柴油機(jī)冷起動轉(zhuǎn)速，縮短冷起動時的有效壓縮時間，減少柴油機(jī)漏氣和熱損失[1]。

起動力矩方面，起動電機(jī)是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)。起動力矩與電流之間的關(guān)系為：

式中：

Tem—起動力矩；

CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ—電機(jī)磁通，在電機(jī)工作時可以近似看做不變；

Ia—起動電流。

可以得出起動力矩Tem與起動電流Ia，起動電流Ia與蓄電池容量SGB有關(guān)。根據(jù)以往經(jīng)驗推算，鉛酸蓄電池容量SGB在低溫-20 ℃條件下為常溫條件下的70 %。因此極寒條件下的蓄電池容量衰減可能會導(dǎo)致起動力矩不足以將柴油機(jī)拖動至最低起動轉(zhuǎn)速[2]。

2 起動電流參數(shù)分析和數(shù)據(jù)采集

2.1起動電流波形的本質(zhì)

柴油機(jī)冷起動過程中，首先需要由起動電機(jī)拖動發(fā)動機(jī)至最低起動轉(zhuǎn)速。隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升，柴油機(jī)開始間斷發(fā)火。當(dāng)發(fā)動機(jī)做功超過發(fā)動機(jī)及車輛內(nèi)部阻力后，起動電機(jī)逐步停止工作，由發(fā)動機(jī)自身繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，最終完成低溫起動。就單個氣缸而言，壓縮沖程的阻力明顯增大，起動電流增大；過了壓縮行程上止點(diǎn)后氣體膨脹做功，起動電流減小。因此對于四沖程柴油機(jī)，起動過程中發(fā)動機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)兩周，起動電流出現(xiàn)與氣缸數(shù)相同的波峰和波谷。

2.2起動電流與車輛狀態(tài)的關(guān)系

由之前的分析可知，車輛低溫狀態(tài)下蓄電池性能下降。車輛低溫起動試驗開始時，起動電流的峰值和蓄電池電壓壓降可以直接反映出電池在該環(huán)境溫度下的性能。

起動電機(jī)拖動過程中，電機(jī)與發(fā)動機(jī)曲軸直連，在不考慮連接打滑的情況下，起動電流的波形周期可以間接反映出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。通過與常溫試驗發(fā)動機(jī)起動轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)廠提供的最低低溫起動轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，可以評判低溫狀態(tài)下起動電機(jī)的能力是否滿足要求。

起動過程中，壓縮沖程阻力明顯增大，導(dǎo)致起動電流增大。由于發(fā)動機(jī)各氣缸磨損程度不同，因此起動電流相鄰波波峰值不同。相鄰電流波峰值的偏差可以間接平均發(fā)動機(jī)各氣缸磨損均勻性。發(fā)動機(jī)磨損后，壓縮沖程漏氣量增大，降低發(fā)動機(jī)起動性能。

2.3 試驗數(shù)據(jù)采集與試驗方案

2.3.1 試驗車輛參數(shù)

試驗用車輛發(fā)動機(jī)為電控柴油機(jī)，最大功率420 kW。車輛技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 試驗車輛參數(shù)

2.3.2 試驗方案

1）試驗前檢查車輛各系統(tǒng)，確保車輛各系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，停放至低溫試驗室內(nèi)，記錄行駛里程、行駛時間、蓄電池電壓等狀態(tài)參數(shù)；

2）將試驗時將環(huán)境溫度降溫至（-43±2） ℃穩(wěn)定后，開始保溫24 h；測量發(fā)動機(jī)冷卻液、發(fā)動機(jī)機(jī)油、蓄電池外殼溫度為（-43±2）℃時開始車輛低溫起動試驗，記錄起動電流及起動電壓。

3 試驗數(shù)據(jù)處理

由于試驗過程中存在干擾問題，得到的起動電流數(shù)據(jù)存在奇點(diǎn)和毛刺。因此通過去除奇點(diǎn)和Butterworth低通濾波器去噪的方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3.1 去除奇點(diǎn)

起動電流數(shù)據(jù)采集過程中，由于存在干擾，導(dǎo)致某些數(shù)據(jù)點(diǎn)突變，如圖2所示。首先對于信號序列進(jìn)行差分運(yùn)算，然后將差分值過大的點(diǎn)按如下方式處理?？梢钥吹狡纥c(diǎn)被剔除。

圖2 起動電流信序列的差分

3.2 Butterworth低通濾波器濾波去噪

去除奇點(diǎn)后，起動電流波形中仍含有較多毛刺，繼續(xù)利用Butterworth低通濾波器進(jìn)行濾波，以得到較為平滑的起動電流波形曲線。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。

Butterworth濾波器公式：

式中：

n—濾波器的階數(shù)；

ωc—截止頻率=振幅下降為-3分貝時的頻率；

ωp—通頻帶邊緣頻率；

處理后的起動電流波形圖如圖3所示。

圖3 濾波去噪后起動電流曲線

4 .試驗數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 鉛酸蓄電池低溫性能分析

鉛酸電池的容量與電解液粘度和電阻有密切關(guān)系。低溫環(huán)境中，電解液粘度增大，離子運(yùn)動受到較大阻力，擴(kuò)散能力降低，導(dǎo)致持續(xù)放電能力下降；電解液的電阻增大，電化學(xué)反應(yīng)阻力增加，導(dǎo)致蓄電池容量下降。經(jīng)過實測，硫酸粘度在-40 ℃時為常溫狀態(tài)下上千倍，電阻率為常溫狀態(tài)下的7倍[3]。因此統(tǒng)計起動過程中，電池的初始電壓，最低電壓和最大電流、作為低溫狀態(tài)下蓄電池性能的參考數(shù)據(jù)。

分別對-43 ℃和-20 ℃進(jìn)行低溫起動試驗的起動電流進(jìn)行處理。得到曲線圖如圖4所示。試驗車輛蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示。隨溫度下降車輛內(nèi)部阻力上升，應(yīng)該由更大的驅(qū)動力矩才能使車輛順利起動。但實際測試過程中-43 ℃起動試驗拖動過程中，電機(jī)平均拖動功率小于-20 ℃試驗工況?？梢缘贸鲭S溫度下降，車載蓄電池性能下降明顯。

圖4 試驗起動電流、電壓曲線圖

表2 試驗車輛蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)

4.2 拖動過程中起動電機(jī)總做功及平均功率計算

根據(jù)電工學(xué)原理，起動電機(jī)拖動過程中做功等于

對總起動過程中功率P時間t積分，得到該時間段的起動電機(jī)做功，用W·h表示。得出結(jié)果后進(jìn)一步計算平均功率如圖5所示。

圖5 起動電流做功曲線

得到本次試驗拖動時長26.67 s，總做功1.5 W·h，平均功率5.41 kW，沒有到達(dá)起動電機(jī)最大功率。

4.3起動轉(zhuǎn)速分析

由于被試車輛搭載的是六缸柴油機(jī)，發(fā)動機(jī)一個完整工作循環(huán)會出現(xiàn)六個電流峰值，發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈。因此通過計算每3個波峰值間距時間可計算得出發(fā)動機(jī)此時轉(zhuǎn)速。為減小誤差，利用多次測量求平均的方法測量起動電機(jī)拖動末期的波形周期，得到此狀態(tài)下起動電機(jī)能夠給發(fā)動機(jī)提供的轉(zhuǎn)速，如圖6所示。試驗選取一次成功起動和一次未成功起動起動電流數(shù)據(jù)，通過計算兩次試驗波形周期分別為0.39 s和0.17 s，對應(yīng)發(fā)動機(jī)起動轉(zhuǎn)速為51.28 r/min和120.0 r/min。第二次試驗拖動轉(zhuǎn)速明顯高于第一次。由此可見起動電機(jī)未能拖動發(fā)動機(jī)至最低起動轉(zhuǎn)速為第一次起動失敗的原因。

圖6 起動電機(jī)不同拖動速度起動電流曲線

4.4發(fā)動機(jī)磨損程度分析

柴油機(jī)隨著使用時間的增加，氣缸磨損程度隨之增加。磨損程度較大的氣缸在冷起動試驗中，壓縮沖程所需起動力矩低。因此柴油機(jī)一個工作循環(huán)內(nèi)，各起動電流峰值差可以估算柴油機(jī)磨損程度。試驗被試車輛搭載的柴油機(jī)使用保險期為350 h。分別選取兩臺行駛時間不同的車輛進(jìn)行低溫冷起動試驗，所得起動電流波形如圖7所示?？梢钥闯鲂旭倳r間長的車輛起動電流峰值差明顯大于行駛時間短的車輛，進(jìn)而可以推斷氣缸磨損程度大[4]。如圖7所示，試驗1車輛行駛時間為50摩托小時，試驗2車輛行駛時間為300摩托小時。試驗1車輛柴油機(jī)氣缸磨損程度明顯低于試驗2車輛。

圖7 不同磨損程度柴油機(jī)起動電流曲線

5 結(jié)論

1）起動電流的電流峰值與電壓壓降可以判斷出蓄電池在低溫條件下的性能；

2）起動電流的波形周期可以大致判斷出起動電機(jī)拖動柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速；

3）起動電流相鄰峰值差可以判斷柴油機(jī)各個氣缸間的磨損程度和壓縮漏氣量；

4）通過以往歷史數(shù)據(jù)總結(jié)和零部件廠家提供的最低起動轉(zhuǎn)速、蓄電池設(shè)計壓降范圍等數(shù)據(jù)可以初步判斷車輛低溫起動失敗的原因。