顧玥晟，魏亞玲

（1.上汽大通汽車有限公司，上海200438；2.上海柴油機(jī)有限公司，上海200438）

V80輕型客車?yán)淦饎?dòng)性能的改善

顧玥晟1，魏亞玲2

（1.上汽大通汽車有限公司，上海200438；2.上海柴油機(jī)有限公司，上海200438）

介紹了整車起動(dòng)系統(tǒng)的組成，分析了影響整車起動(dòng)性能的各個(gè)重要因素。通過(guò)優(yōu)化整車起動(dòng)系統(tǒng)的零部件匹配，解決了某寬體輕客車輛初期推向市場(chǎng)后在寒區(qū)發(fā)生冷起動(dòng)困難的問(wèn)題。驗(yàn)證表明，改進(jìn)后冷起動(dòng)性能得到提升。

柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)起動(dòng)機(jī)蓄電池線阻

1　引言

V80是一款由上汽大通汽車有限公司引進(jìn)的寬體輕客車，其動(dòng)力裝置采用上柴公司的2.5 L國(guó)Ⅳ柴油機(jī)，大氣的外觀、充沛的空間、加之低油耗的優(yōu)異表現(xiàn)，一推向市場(chǎng)即受到用戶歡迎，市場(chǎng)占有率迅速攀升。除了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)外，產(chǎn)品還遠(yuǎn)銷歐洲、大洋洲、中南美洲、中東、非洲等42個(gè)國(guó)家和地區(qū)。隨著銷量的不斷遞增，全球市場(chǎng)對(duì)整車性能也提出了更高的要求。我國(guó)本身也是幅員遼闊，氣候隨區(qū)域和季節(jié)的差別很大，1月份平均氣溫-10℃以下的省市有13個(gè)，-20℃以下的省市有4個(gè)，部分北方寒冷地區(qū)用戶在使用過(guò)程中，反饋冷發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)能力不佳。為進(jìn)一步拓展整車市場(chǎng)使用范圍，解決北方及部分海外寒冷地區(qū)市場(chǎng)對(duì)整車?yán)淦饎?dòng)性能的抱怨，我們和相關(guān)零部件單位一起開(kāi)展了提升冷起動(dòng)能力的改進(jìn)工作。本文著重介紹了整車起動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，起動(dòng)性能的提升相關(guān)工作。

2　冷起動(dòng)存在的問(wèn)題

2.1整車起動(dòng)系統(tǒng)組成

整車起動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、起動(dòng)機(jī)、起動(dòng)繼電器、鑰匙開(kāi)關(guān)、連接電纜五部分組成，如圖1所示。打開(kāi)鑰匙開(kāi)關(guān)，接通起動(dòng)檔，起動(dòng)繼電器線圈通電，觸點(diǎn)接通，起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)得電，起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)吸引線圈、保持線圈產(chǎn)生一定電磁力，電磁開(kāi)關(guān)銜鐵在吸力下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)起動(dòng)機(jī)撥叉將小齒輪推進(jìn)飛輪齒圈與之嚙合，同時(shí)開(kāi)關(guān)接觸盤與主觸點(diǎn)接通，大電流經(jīng)起動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)繞組和電樞，起動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)飛輪齒圈克服柴油機(jī)起動(dòng)阻力矩起動(dòng)柴油機(jī)。與此同時(shí)，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈的吸力來(lái)保持。當(dāng)柴油機(jī)成功起動(dòng)，松開(kāi)鑰匙開(kāi)關(guān)的瞬間，由于保持線圈與吸引線圈這兩個(gè)線圈的繞向、匝數(shù)相同，此時(shí)兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁通方向相反而相互抵消，于是活動(dòng)鐵芯在復(fù)位彈簧的作用下回至原位，單向離合器小齒輪退出嚙合，接觸盤脫離與主觸點(diǎn)的接觸，切斷主回路，起動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1　整車起動(dòng)系統(tǒng)組成

柴油機(jī)進(jìn)氣加熱輔助預(yù)熱起動(dòng)裝置是利用整車電源對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行加熱，提高進(jìn)氣溫度，提升低溫起動(dòng)能力。

所以決定整車?yán)淦饎?dòng)性能的因素有起動(dòng)機(jī)、蓄電池、柴油機(jī)輔助預(yù)熱裝置及起動(dòng)主回路電纜。

2.2整車?yán)淦饎?dòng)性能現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)-20℃以下主要省市售后系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)分析，并針對(duì)2輛整車寒區(qū)標(biāo)定采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，整車在-20℃環(huán)境下，存在起動(dòng)時(shí)間偏長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速波動(dòng)偏大的問(wèn)題，見(jiàn)表1。

表1　冷起動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3　改進(jìn)措施及效果

起動(dòng)系統(tǒng)冷起動(dòng)能力的提升，歸根結(jié)底是圍繞起動(dòng)機(jī)降低起動(dòng)回路的內(nèi)阻，使低溫下有利于起動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的有效輸出。因此從起動(dòng)系統(tǒng)決定起動(dòng)性能的各個(gè)因素入手改進(jìn)，改善整車?yán)淦饎?dòng)性能。

3.1起動(dòng)機(jī)性能改進(jìn)

起動(dòng)機(jī)是起動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，柴油機(jī)能否順利起動(dòng)主要取決于起動(dòng)機(jī)的功率特性、轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速特性與柴油機(jī)起動(dòng)性能是否匹配［1］。在起動(dòng)機(jī)功率、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及匹配工作點(diǎn)都能滿足柴油機(jī)起動(dòng)要求的前提下，拖動(dòng)轉(zhuǎn)速高的起動(dòng)機(jī)起動(dòng)能力強(qiáng)，匹配性能好。

從表1可以看出，在-18℃時(shí)，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速相差7 r/min，起動(dòng)時(shí)間相差2倍以上。在-25℃時(shí)，柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速N為95～100 r/min，由于n= N（Z1/Z2）。其中，Z1為飛輪齒圈齒數(shù)，為119；Z2為起動(dòng)機(jī)單向器齒數(shù)9；N為柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速；n為起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)速，1 256～1 322 r/min。為了發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下具備良好的起動(dòng)性能，如果提高起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速10 r/min，無(wú)疑會(huì)為-25℃條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)做出巨大貢獻(xiàn)。為此，需對(duì)現(xiàn)有起動(dòng)機(jī)A的轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行提升。對(duì)同等輸出功率的起動(dòng)機(jī)，對(duì)刷架換向器角度、內(nèi)部減速比等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)起動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩也進(jìn)行了分配，改進(jìn)后方案為起動(dòng)機(jī)B。

圖2為改進(jìn)前后起動(dòng)機(jī)輸出性能的對(duì)比曲線，可見(jiàn)在相同的測(cè)試條件下，350 A到500 A負(fù)載下起動(dòng)機(jī)B的輸出功率及扭矩均高于起動(dòng)機(jī)A。從圖3起動(dòng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速曲線可以看出，在大于14 N· m的有效負(fù)載扭矩時(shí)，起動(dòng)機(jī)B的負(fù)載轉(zhuǎn)速性能明顯優(yōu)于起動(dòng)機(jī)A。

圖2　起動(dòng)機(jī)輸出特性曲線

圖3　起動(dòng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速輸出特性

在-25℃環(huán)境溫度時(shí)，相同的試驗(yàn)條件下，進(jìn)行柴油機(jī)斷油拖動(dòng)試驗(yàn)。通過(guò)電流頻率與時(shí)間的關(guān)系，可以計(jì)算出起動(dòng)機(jī)B拖動(dòng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100～126 r/min，原起動(dòng)機(jī)A拖動(dòng)轉(zhuǎn)速95～100 r/min，起動(dòng)機(jī)B轉(zhuǎn)速特性表現(xiàn)優(yōu)越，如圖4所示。

圖4　-25℃起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速

因此柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、合理、可靠的匹配，起動(dòng)機(jī)匹配是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

3.2蓄電池

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是以蓄電池為電源，因此蓄電池容量的大小對(duì)起動(dòng)機(jī)輸出性能有著直接的影響。本整車采用12 V電氣系統(tǒng)，原蓄電池為80 A.h，700 CCA，從圖5看出，蓄電池容量和放電電壓隨溫度的升高而增大。這是因?yàn)闇囟壬吆螅娊庖赫扯冉档投剐铍姵貎?nèi)阻減小。若蓄電池容量偏小，低溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)就無(wú)法達(dá)到一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)速，即維持足夠的拖動(dòng)時(shí)間。

蓄電池另一個(gè)重要參數(shù)為冷起動(dòng)電流ICCA，CCA值是蓄電池提供高驅(qū)動(dòng)電流值的能力，即低溫下的放電能力。是指蓄電池在-18℃溫度下，放電時(shí)間為10 s，端子最低電壓為7.5 V（單格1.25×6）時(shí)的放電電流。影響蓄電池低溫短時(shí)放電性能的主要因素有極板數(shù)量、極板面積、極板距離和隔板材料等，衡量蓄電池低溫放電特性的重要參數(shù)是蓄電池內(nèi)阻Ri。相同容量的蓄電池，在-18℃條件下的內(nèi)阻小，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)。

如果蓄電池容量太大，會(huì)增加整車成本；若容量太小，則會(huì)影響起動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)速。同一起動(dòng)機(jī)使用不同容量的蓄電池，則有不同的輸出功率。為起動(dòng)機(jī)B性能在冷起動(dòng)過(guò)程中得以表現(xiàn)，將蓄電池額定容量擴(kuò)大到110 A·h，冷啟動(dòng)電流CCA為850 A。從圖6可以看出，改進(jìn)后的蓄電池內(nèi)阻3.1 mΩ，較原蓄電池7 mΩ，蓄電池內(nèi)阻降低了3.9 mΩ，對(duì)起動(dòng)系統(tǒng)回路電阻的降低有很大的貢獻(xiàn)。

圖5　蓄電池可用容量與溫度和放電電流的關(guān)系

3.3預(yù)熱塞改進(jìn)

柴油機(jī)輔助預(yù)熱冷起動(dòng)裝置的預(yù)熱過(guò)程分為前預(yù)熱和后預(yù)熱，本文所述國(guó)Ⅳ柴油機(jī)采用缸內(nèi)預(yù)熱的方式。預(yù)熱塞安裝在氣缸蓋上，發(fā)熱頭部深入燃燒室，高溫區(qū)域與噴油器有嚴(yán)格的匹配要求。本發(fā)動(dòng)機(jī)采用金屬預(yù)熱塞，6.5 s即可達(dá)到850℃以上；在20 s時(shí)，即可達(dá)到950℃～1 200℃的穩(wěn)定溫度。從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)熱塞性能進(jìn)行優(yōu)化，提高溫升速度，6.5 s最高溫度可達(dá)1 050℃。發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，噴油器按照預(yù)定起動(dòng)油量噴油，霧化的燃油與局部熱空氣充分混合，柴油機(jī)點(diǎn)火起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)速迅速升高，柴油機(jī)進(jìn)入怠速狀態(tài)。改進(jìn)后的預(yù)熱塞具有更快的溫升速度，穩(wěn)定溫度鉗制在一定范圍內(nèi)，以保證較高的可靠性。

圖7　預(yù)熱塞性能特性曲線

在-20℃環(huán)境溫度下，1號(hào)預(yù)熱塞可在6.5 s時(shí)間內(nèi)達(dá)到950℃，而2號(hào)預(yù)熱塞在6.5 s可達(dá)到1 050℃。從圖8中可看出，在相同的試驗(yàn)條件及預(yù)熱標(biāo)定數(shù)據(jù)下，溫升快的預(yù)熱塞，起動(dòng)及怠速狀況下有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)［2］，從而有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大的問(wèn)題。

圖8　預(yù)熱塞溫升對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

3.4起動(dòng)回路電纜

如圖9所示，起動(dòng)回路線纜包括蓄電池B+與起動(dòng)機(jī)30端相接的正極電纜及起動(dòng)機(jī)接地端到蓄電池負(fù)極（包括車架）線纜兩部分。

通過(guò)大量試驗(yàn)，起動(dòng)回路電纜的截面積以20℃時(shí)的最大起動(dòng)電流Imax來(lái)計(jì)算較合理。應(yīng)盡量縮短起動(dòng)回路電纜長(zhǎng)度，以保證起動(dòng)回路電纜的電阻盡可能小，原起動(dòng)機(jī)主回路電纜截面積為35 mm2，為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)回路電阻，將起動(dòng)主回路線纜截面積增加到50 mm2。

圖9　整車起動(dòng)回路

從圖10起動(dòng)系統(tǒng)線阻測(cè)試結(jié)果可以計(jì)算出改進(jìn)后的起動(dòng)系統(tǒng)回路線阻為

0.0057-0.0031+0.0013=0.0039（Ω）=3.9（mΩ）

受整車布局限制，距規(guī)定線路電阻不大于1 mΩ的要求還有差距。但較之前，已有明顯改善。

圖10　起動(dòng)系統(tǒng)線阻測(cè)試

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

待以上所有整車起動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)措施到位后，在-25℃環(huán)境溫度下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)斷油拖動(dòng)試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)試驗(yàn)。從圖11可以看出，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速由原來(lái)90 r/min提高到118 r/min。從圖12可以看出，柴油機(jī)冷起動(dòng)試驗(yàn)監(jiān)控到發(fā)動(dòng)機(jī)1.38 s順利起動(dòng)成功。

5　結(jié)論

整車起動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配是系統(tǒng)性工作，需要整車廠與核心動(dòng)力的柴油機(jī)設(shè)計(jì)工程師通力協(xié)作。

本車型通過(guò)起動(dòng)機(jī)、蓄電池、柴油機(jī)輔助冷起動(dòng)裝置、起動(dòng)回路線纜的優(yōu)化改進(jìn)，整車?yán)淦饎?dòng)能力得到了大幅度提升，解決了寒區(qū)市場(chǎng)客戶反應(yīng)的-25℃起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)及怠速波動(dòng)問(wèn)題。起動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化后的V80寬體輕客系列產(chǎn)品已投放市場(chǎng)三年多，以優(yōu)越的動(dòng)力性和良好的冷起動(dòng)性能得到廣大用戶的肯定。

圖11　-25℃時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速

圖12　整車?yán)淦饎?dòng)

［1］王麗萍.柴油機(jī)對(duì)匹配起動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求［J］.陜西煤炭，2008（6）.

［2］魏亞玲.滿足輕型國(guó)V電控柴油機(jī)預(yù)熱系統(tǒng)性能研究［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2014（4）.

The Improvement of the Cold Starting Performance of A Light Commercial Vehicle

Gu Yuesheng1，Wei Yaling2
（1.SAIC MAXUS Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 200438，China；2.Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd.Shanghai 200438，China）

This paper introduced the structure of the vehicle starting system，analysis various important factor which affects the whole vehicle the starting performance.By optimize the matching of relevant parts in starting system，Solves a wide body of light commercial vehicle market in the early in cold regions cold start problems，has now been proved improved.

diesel，Starting system，starter，battery，harness resistance

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.006

來(lái)稿日期：2016-04-18

顧玥晟（1991-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)檎囆阅軆?yōu)化。