淺談低溫環(huán)境下柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能特性

收稿日期：2023-12-05

【摘 要】文章以東康6CT 3階段發(fā)動(dòng)機(jī)（配裝24V 7.5kW起動(dòng)電機(jī)）為分析對(duì)象，對(duì)低溫環(huán)境下的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性進(jìn)行初步研究分析，便于后續(xù)在低溫環(huán)境下正確選型蓄電池和計(jì)算起動(dòng)電流提供參考。

【關(guān)鍵詞】低溫；嚙合電壓；峰值電壓；起動(dòng)電流

中圖分類號(hào)：U463.61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）07-0049-02

Discussion on Starting Performance Characteristics of Diesel Engine in Low Temperature Environment

LIU Chuang1，2，SUN Bin1，DONG Cuifen1

（1.School of Vehicle and Traffic Engineering，Zhengzhou University of Science and Technology，Zhengzhou 450064，China；2.Zhengzhou Key Laboratory of Special Vehicle Power and Control Technology，Zhengzhou 450064，China）

【Abstract】Taking Dongkang 6CT 3-stage engine（equipped with 24V 7.5kW starter motor） as the analysis object，this paper makes a preliminary research and analysis on the starting characteristics of diesel engine under low temperature environment，which is convenient for the correct selection of battery and calculation of starting current under low temperature environment.

【Key words】low temperature；meshing voltage；peak voltage；starting current

目前國(guó)內(nèi)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家在出廠時(shí)一般僅提供-25℃溫度下起動(dòng)特性曲線，同時(shí)蓄電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5008.1—2013《起動(dòng)用鉛酸蓄電池第1部分：技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》也是在-25℃進(jìn)行容量、起動(dòng)電流等參數(shù)試驗(yàn)，無論是發(fā)動(dòng)機(jī)還是起動(dòng)蓄電池在-30℃以下極寒溫度條件的特性研究較少。本文選定以25℃、-30℃、-40℃環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性曲線測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)比淺析在極寒溫度條件下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性，為低溫環(huán)境下正確選型蓄電池和計(jì)算起動(dòng)電流提供參考。

1 不同溫度下起動(dòng)特性曲線

1.1 常溫下起動(dòng)特性

在25℃環(huán)境下，蓄電池電壓26V，起動(dòng)電機(jī)從通電到完成起動(dòng)持續(xù)工作1.4s，其中起動(dòng)電機(jī)齒圈與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸嚙合時(shí)間0.03s，軟起動(dòng)電流260A，隨后初始停轉(zhuǎn)電流（第1個(gè)高波峰）1947A，此時(shí)停轉(zhuǎn)時(shí)電壓降至16.78V，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩電流（第2個(gè)高峰）1932A，第1高峰和第2高峰之間的時(shí)間0.01s，隨后起動(dòng)電流迅速減小，以平均電流292A完成起動(dòng)操作。

25℃常溫環(huán)境下起動(dòng)特性曲線如圖1所示。從圖1起動(dòng)特性曲線可以看出，起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，最大電流出現(xiàn)在起動(dòng)電機(jī)嚙合后帶動(dòng)齒圈從靜止至轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間（0.01s），這個(gè)時(shí)間很短，但由于電流過大（接通瞬間，近似于短路），造成工作電壓急劇降低至16.78V。隨著第1個(gè)起動(dòng)峰值過后，電流逐漸降低，系統(tǒng)電壓逐漸升高，在0.5s之后電流基本趨于穩(wěn)定。

1.2 -30℃低溫環(huán)境下起動(dòng)特性

在-30℃環(huán)境下，低溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自身和蓄電池的放電能力均產(chǎn)生影響，按照發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)說明書要求，將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油和燃油更換為與工作環(huán)境溫度相匹配油品標(biāo)號(hào)，同時(shí)啟用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)。

從圖2起動(dòng)特性曲線可以看出：起動(dòng)峰值電流1324A，電機(jī)拖動(dòng)平均電流第1圈837A，第2圈534A，第3圈432A，第4圈378A。其中，瞬時(shí)最低電壓15.83V，平均拖動(dòng)電壓第1圈19.2V，第2圈20.4V，第3圈20.93V，第4圈21.08V。與圖1常溫下起動(dòng)曲線相比：①起動(dòng)峰值電流變小，說明蓄電池在低溫環(huán)境下，容量降低，瞬間放電電流同步減??；②起動(dòng)時(shí)間接近，常溫下起動(dòng)用時(shí)1.3s，在-30℃環(huán)境下，起動(dòng)用時(shí)1.4s；③剔除起動(dòng)瞬間的2個(gè)峰值電流，后續(xù)工作電流與常溫工作電流接近。

1.3 -40℃低溫環(huán)境下起動(dòng)特性

在-40℃低溫環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油和燃油同樣需要采用與環(huán)境溫度相適應(yīng)的標(biāo)號(hào)油品，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加裝鍋爐預(yù)熱裝置。

從圖3起動(dòng)特性曲線圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬時(shí)峰值電流1150A，平均拖動(dòng)電流第1圈650A，第2圈500A，第3圈370A，第4圈340A，瞬時(shí)最低電壓13.12V，平均拖動(dòng)電壓第1圈17.74V，第2圈18.79V，第3圈19.35V，第4圈19.43V。

與常溫和-30℃低溫環(huán)境起動(dòng)曲線對(duì)比可以看出：①起動(dòng)峰值電流變得更小，說明蓄電池在低溫環(huán)境下，放電電流與溫度成正比；②起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，常溫下起動(dòng)用時(shí)1.3s，在-30℃環(huán)境下，起動(dòng)用時(shí)1.4s，而在-40℃起動(dòng)用時(shí)2.6s；③工作電流在前5圈明顯大于常溫和-30℃電流，后續(xù)工作電流3種工況比較接近。

2 3種溫度下起動(dòng)特性分析

1）瞬時(shí)最大電流變化：3種溫度環(huán)境下，起動(dòng)電機(jī)通電工作時(shí)蓄電池瞬時(shí)最大電流隨溫度的降低而減小。本文所用的蓄電池瞬間峰值電流，在-40℃環(huán)境下僅有常溫環(huán)境下的60%。

2）起動(dòng)時(shí)間：在3種不同溫度環(huán)境下，起動(dòng)時(shí)間隨溫度降低而延長(zhǎng)，-40℃起動(dòng)時(shí)間與25℃常溫相比，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)1倍。

3）工作電流：起動(dòng)電機(jī)的工作電流是一種逐步減小的波浪形曲線，最大電流出現(xiàn)在起動(dòng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的早期最大扭矩負(fù)載階段，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)跟隨起動(dòng)機(jī)盤動(dòng)起來后，起動(dòng)電流迅速降低，3種溫度工況下，起動(dòng)后半程工作電流隨溫度降低略有增加。

4）嚙合電壓：盡管起動(dòng)瞬間電流比較大，但持續(xù)時(shí)間很短屬于毫秒級(jí)，在這段時(shí)間內(nèi)，起動(dòng)機(jī)能否正常工作起決定作用的是起動(dòng)電機(jī)的嚙合電壓和保持電壓。起動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)嚙合的工作中存在嚙合和保持2個(gè)工作段，嚙合電壓不能低于16V，嚙合后保持電壓不能低于12V。低溫環(huán)境使蓄電池容量降低，放電電流減小，同時(shí)電池內(nèi)阻同樣發(fā)生變化，進(jìn)而造成工作電壓同步降低，當(dāng)電壓低于起動(dòng)電機(jī)嚙合或保持電壓時(shí)，就會(huì)造成起動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開，起動(dòng)失敗。

3 結(jié)論及應(yīng)用

通過上述幾個(gè)溫度環(huán)境下的起動(dòng)測(cè)試，經(jīng)數(shù)據(jù)整理分析，初步可以得到以下結(jié)論。

1）隨著溫度的降低，蓄電池放電電流降低，在起動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈嚙合瞬間的峰值電流受蓄電池放電能力影響有所下降；當(dāng)起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過第1圈盤動(dòng)后，起動(dòng)電流迅速降低，與常溫電流曲線接近。

2）低溫環(huán)境下，發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功起動(dòng)的關(guān)鍵在于起動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)嚙合的瞬間，放電電流達(dá)到峰值，系統(tǒng)電壓降至最低，此時(shí)，嚙合電壓不能低于16V，隨后在起動(dòng)機(jī)連續(xù)工作過程中，保持電壓不能低于12V，若出現(xiàn)低于此值的系統(tǒng)電壓，起動(dòng)電機(jī)就會(huì)斷電脫開，造成起動(dòng)失敗。

3）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中起動(dòng)電機(jī)工作電流是一條逐步減小的波浪線，采用GB/T 5008.1—2013《起動(dòng)用鉛酸蓄電池第1部分：技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》歸整為恒流放電模擬試驗(yàn)不太精確，尤其是起動(dòng)初期的峰值電流和伴隨的最低電壓對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功起動(dòng)起決定性作用，因此在選型蓄電池時(shí)，要考慮相應(yīng)低溫環(huán)境下峰值電流和對(duì)應(yīng)的最低電壓同時(shí)滿足起動(dòng)電機(jī)需求。

通過上述得出的初步結(jié)論，在實(shí)際設(shè)計(jì)選型中，發(fā)動(dòng)機(jī)滿足低溫環(huán)境下正常起動(dòng)需求，需重點(diǎn)考慮：①發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、柴油、防凍液等標(biāo)號(hào)需滿足相應(yīng)低溫環(huán)境要求，同時(shí)增加進(jìn)氣預(yù)熱和鍋爐加熱等輔助起動(dòng)裝置；②在常溫環(huán)境下采集發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流曲線，在此曲線上適當(dāng)做出1.2～1.3倍的放大，以放大后的電流曲線選型滿足此要求的低溫電池；③蓄電池在目前GB/T 5008.1—2013《起動(dòng)用鉛酸蓄電池第1部分：技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》恒流持續(xù)放電的基礎(chǔ)上，增加低溫環(huán)境下瞬間峰值電流和伴隨最低電壓的要求，在保證峰值電流出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的最低電壓不能低于起動(dòng)電機(jī)工作的嚙合和保持電壓。

（編輯 凌 波）