刘名 王保栋 张坦志 高仲凯 宋国华

摘 要：目前对于起动机的匹配大多数公司均在摸索阶段，尤其在缺少低温起动阻力距及最低点火转速数据的情况下，起动机的匹配更加模糊，而良好的起动机匹配对于整机的起动性能起着非常重要的作用，特别是在极限低温环境下，良好的匹配能降低起动机的故障。文章通过对柴油机阻力距的介绍，讨论了起动机与柴油机之间的匹配，其中包括性能匹配、速比匹配及齿轮匹配，同时提出相应的功率校核及保护控制措施，为后续起动机的匹配工作提供充分的理论基础和实践借鉴。

关键词：柴油机;起动机;匹配

中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-88-04

Starter Matching Research of Diesel Engine

Liu Ming^1，2， Wang Baodong²， Zhang Tanzhi^1，2， Gao Zhongkai^1，2， Song Guohua^1，2

（ 1. State Key Laboratory of Internal Combustion Engine Reliability， Shandong Weifang 261061;2.Engine Research Institute， Shandong Weifang 261061 ）

Abstract： At present the most engine companies are exploring how to match the engine starter， especially for lack of data of engine resistant torque in low temperature and lowest ignition speed which make starter matching more vague. However， a good match between starter and engine is very important for engine start performance， which could effectively decrease the starter fault in the extreme environment. The factors which influence an engine start performance are introduced in this article and the match between starter and engine are discussed， including performance match， speed ratio match and gear match. At the meantime， power check and starter protection measures are presented. It can solve the match theory problem between starter and engine and improve the match level.

Keywords： Diesel engine; Starter; Matching

CLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）09-88-04

引言

起動机能够顺利的起动，必须包含以下条件：

（1）起动机有足够的起动力矩，用于克服柴油机的低温阻力距，实现柴油机从静止到转动。

（2）起动机有足够的起动转速，用于拖动起动机到最低启动点火转速，实现顺利点火起车。

不同发动机不同转速下的低温启动阻力距及最低点火转速均需要进行试验测量获取，在没有试验数据支撑的情况下，需要对起动机的匹配进行理论上的估算。

为了使得起动机齿轮与发动机齿圈顺利啮合，避免出现铣齿、根切、噪音等故障，起动机齿轮也需要正确的匹配设计，本文对实际应用中的选型原则进行了进一步阐述。

同时，目前使用的起动机基本为电起动机，因外部环境及操作规范性的不同，导致起动机的故障频发，本文从控制策略的角度提出对起动机的控制保护。

1 起动机匹配

为了保证发动机起动成功，起动机的起动转矩必须大于发动机的起动总阻力距。因此起动发动机必须有足够的起动功率，计算公式（1）如下：

P_F=M_F×w= M_F×n_s/9550                       （1）

式中，M_F-发动机在最低起动转速下的阻力距（N.m）;P_F-发动机所需的起动功率（kW）;w-发动机的角速度;n_s-发动机的最低起动转速（r/min）。

起动总阻力矩分为静态阻力矩和动态阻力矩，两者的不同在于前者是起动运行前的瞬时情况，后者为曲轴旋转后的阻力矩。相对于前者，后者与发动机转速密切相关。在发动机处于开始运转的瞬间，产生的是瞬态静摩擦阻力距，转速越低，产生的瞬态静摩擦力矩越大，发动机越不容易被拖动^[1-3]。柴油机的起动转速在200r/min以下^[4]，由此可见起动机的起动力矩基本用于克服静态阻力距。因此需要匹配合理的速比使得起动机有足够的力矩克服阻力距。

1.1 性能匹配

发动机起动阻力距M_F基本包括以下三项：

1.1.1 摩擦阻力距

来自活塞与气缸壁，轴承中的摩擦阻力，其大小与摩擦表面积和润滑的粘度有关。估算公式见（2）。

M_fmax=7.803×p_fmax×V_h×i N.m                     （2）

式中Vh-柴油机的气缸总容积，L;i-柴油机的气缸数目;p_fmax–克服柴油机内摩擦的平均压力最大值，N/cm?。对于四冲程发动机的pfmax可按下列经验公式（3）确定：

p_fmax= 186.3×v^1/4 N/cm?                        （3）

式中 v-机油运动粘度，m?/s。

1.1.2 压缩损失阻力距

进入气缸的空气在压缩和膨胀行程的散热和漏气损失，以及进气和排气行程的消耗功。

可按下式（4）确定：

Mc= L_cmax/α N.m                               （4）

式中 L_cmax-克服空气在气缸内受压缩产生的阻力所需功的最大值;α-曲轴由开始转动至达到起动转速时，曲轴所转过的角度，弧度。

对于四冲程六缸以上的柴油机可取α=2π。

四冲程柴油机的L_cmax值可按下式（5）计算：

L_cmax=403×V_h/i N.m                            （5）

式中i-柴油机的气缸数目;Vh-柴油机气缸总容积，L。

对于该阻力距的计算，有的经验公式（6）如下：

Mc=p0×ε×（πD?/4） ×R  N.m                     （6）

式中 p0為进气终了压力，Mpa;ε为发动机最大压缩比;D为气缸直径（mm）;R为曲柄半径（mm）。

1.1.3克服柴油机运动机件的转动惯量所需的阻力距（发动机加速度造成的惯性阻力距），估算公式（7）。

M_j=I×dw/dt=I×（π/30）×（dn_s/dt）N.m               （7）

式中I为发动机所有运动构件换算到曲轴上的转动惯量，kg.m?;n_s为起动转速（点火转速），r/min，一般选择最低环境温度条件下的最低起动转速;t为转速从零加速到n_s所需时间，s。

一般转动惯量I是由试验测得的。如在设计新机型时，可按下列经验公式（8）近似估算：

I=150Pe/w?×μ                                 （8）

式中Pe-柴油机的额定功率;μ-为柴油机全部运动机件质量的动能与柴油机每秒所作最大功的比值，此值可根据柴油机的型式和它在车上总布置方案来选取，一般μ=0.5～1;w-柴油机在额定功率转速时，曲轴的角速度，rad/s;

w =πn_N/30 rad/s                                （9）

式（9）中n_N-柴油机的额定功率时转速，转/分。

如无低温起动阻力距及最低起动转速数据，当环境温度为0℃时，发动机起动所需的功率可按照如下公式（10）进行估算^[5]：

P_F=（0.74～1.1）V_h（10）

式中Vh-柴油机气缸总容积，L。

起动机的额定功率应与起动发动机所需的起动功率相匹配。发动机所需起动功率确定后，考虑到从起动机电枢到发动机曲轴的传动效率，起动机的起动功率可由下式（11）确定。

P_qd=P_F/η                                     （11）

式中η-从起动机电枢到发动机曲轴的传动效率，通常为0.85。

当蓄电池容量较大时，尤其起动温度不是很低时，起动机的最大实际功率会明显高于额定功率。在这种情况下，必须根据起动机特性曲线对起动性能进行验算。

1.2 速比匹配

传动比的选择应在起动机输出功率最大时才会使起动机输出功率能在低温条件下被完全利用而工作电流较小。起动机与发动机最佳传动比可以按下式（12）进行计算：

k=n_Pmax/n_s≈Z₂/Z₁（12）

式中 n_Pmax-起动机功率最大时的起动机工作转速，r/min;n_s-发动机最低起动转速，r/min;Z₂-发动机飞轮齿圈的齿数;Z₁-起动机驱动齿轮的齿数。

起动机传输给发动机的起动转矩及起动转速必须大于发动机的起动阻力矩M_F（N.m）与最低起动转速n_s。选定传动比k后，应算出所需起动机的起动转矩与起动转速。

起动机功率最大时的起动转矩为式（13）：

M_Pmax≥M_F/（k×η）                             （13）

式中，η-从起动机电枢到发动机曲轴的传动效率，通常为0.85。

起动机功率最大时的起动机工作转速为式（14）：

n_Pmax≥k×n_s（r/min）                           （14）

1.3 齒轮匹配

起动机的驱动齿轮为渐开线齿形，驱动齿数一般为9-14齿^[6]，有的特殊大排量发动机匹配的起动机齿轮匹配到15齿。起动机齿轮要素匹配见表1，在新设计匹配时，不建议用带括号的参数。

为了顺利与发动机飞轮齿圈啮合，起动机驱动齿轮和飞轮齿圈的开始啮合端应有45°倒角。倒角位置与尺寸的关系参照图1及表2。

为避免齿轮啮合时因轮齿摩擦发热膨胀而卡死，齿廓之间必须留有侧隙，形成润滑油膜。侧隙过大容易有噪音，过小影响齿轮顺利啮合，根据生产实际经验，侧隙的选择可根据表3确定。

1.4 起动机功率校核

在低温下，进行如下功率校核：

（1）发动机在点火转速n_s下，按照式（15）进行校核：

M_qd×k>M_F（15）

式中M_qd-起动机起动转矩;k-起动机与发动机传动比;M_F-发动机阻力距。

（2）在起动机输出M_F转矩下，按照式（16）进行校核：

N/k>Ns                                    （16）

式中N-起动机转速;k-起动机与发动机传动比;Ns-发动机点火转速。

2 起动机的保护控制

因安装位置不同，大部分情况下不能靠人耳辨别车辆是否起动成功，除了要在设定条件下进行起动控制外，还要在起动成功后进行起动机的保护，防止异常起动造成起动机的失效或其他损失。对于电控柴油机，可从以下几个方面进行保护控制：

（1）发动机正常起动后需切断起动机电源连接，防止起动机继续运转被发动机反拖：起动机工作后，ECU检测到发动机的转速大于某一转速值，则切断电源连接。

（2）发动机已经开始运转或者发动机停机尚在转动时，防止重复起动保护：当发动机转速小于某一转速时，才允许起动机工作。

（3）起動不成功，发动机因异常而不能自转，防止强行起动：起动机工作一段时间后，ECU检测发动机转速小于某一转速，则停止起动。

（4）防止长时间起动导致起动机过热引起的损失：设置最大持续起动时间小于某一时间。

（5）防止连续多次起动导致起动机累积过热：通过ECU设置两次起动的时间间隔。

3 结论

本文主要从理论上研究起动机的匹配：

（1）起动机传输给发动机的起动转矩必须大于发动机的起动阻力矩;根据起动机在最大功率时对应的转速，确定与发动机最低起动转速的比值;起动机齿轮参数应满足一定的要求，确保顺利啮合与脱离。

需要注意的是，本文中提及的计算均为理想公式，并未考虑到在柴油机实际启动过程中的复杂工况。实际上，摩擦阻力矩和压缩阻力矩与环境温度有很大关系：温度越低，机油黏度越大，从而使发动机的摩擦阻力矩增大;温度越低，燃油黏度变大，使燃油汽化困难，不利于燃油和空气的混合，从而压燃困难;并且当温度较低时，蓄电池的容量会变低，内阻会增加，致使输入起动机的功率降低。

因此低温起动阻力距及最低起动转速的测量在起动机选型匹配中极为重要，在测量过程中，需要保证机油、燃油、摩擦副、蓄电池、线阻等与整车状态保持一致。

（2）起动机在实际应用中，因操作规范不同、驾驶员驾驶习惯不同，会导致起动机的失效。本文针对电控柴油机匹配的起动机提出多个控制方式，实现对起动机的软保护。

参考文献

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