起動機保險器的開發與應用

吳子喬，趙 輝

(1.廣西玉柴機器股份有限公司，2中國電子科技集團公司第四十研究所)

1 引言

內燃機的起動分為電力起動和非電力起動兩大類，本文僅探討電力起動問題。目前，內燃機起動電機多采用直驅式，但直驅式起動機比較笨重且起動時故障率較高。因此，內燃機起動電機由直驅式向減速式發展過渡已成為整個行業的大趨勢。減速起動電機相比于直驅式起動電機有小巧輕便、節省材料、有優良的起動性能和較低的故障率等特點。但由此帶來的問題也是明顯的:減速式起動電機因為體積重量減小后，熱容量大幅度降低從而導致的過熱問題，電樞轉速大幅度提高后的耐超速能力因工藝、材料等原因而受到的限制問題，以及起動機嚙合時打齒問題。

以美國某品牌電機為例，直驅電機41MT的重量為22.7Kg，而減速電機38MT的重量僅10Kg。

目前，為解決起動機的嚙合時打齒難題，提高嚙合可靠性，減速起動機有向兩級緩嚙合式方向發展的趨勢，但這種技術普遍要求自帶起動繼電器。

2 起動機的功能特點、國內使用情況及外部環境

起動機的功能是將蓄電池電能轉化為機械能，把內燃機從靜止狀態拖動到自行穩定運行，此后即退出工作。

起動機的工作電壓一般為12Vdc或24Vdc制，其起動功率高達數千瓦。因此，耗電都在數百安培至千安培級別。起動機的設計效率最高點一般在60%～68%，工作時的發熱功率也高達數千瓦，受限于車輛的空間和自重要求，起動機的體積和重量通常只有常規電機的1/5左右，因此發熱是極快的;

由起動機的上述特點決定了起動機只能是短時工作制。行業標準規定工作時間5S。最長30S，間歇30S…。

2.1 起動機的國內使用狀況

目前，起動機的主要生產廠家在國內使用的情況介紹如下:

☆國內某合資品牌起動機，客戶主要集中在城市公交或旅游大巴上，其配套起動機的故障率一直較低;

☆國內某起動機配套特定工程機械的減速電機故障率大大低于其他類型客戶;

☆德國某起動機配套國內各發動機廠，故障率驚人，逐漸淡出了國內市場;

☆美國某起動機配套國內某發動機的故障率遠高于北美市場。

2.2 國內起動機應用的外部環境

在國內，部分高端的工程車輛和客車，其配套的相關電器件如點火鎖起動繼電器等質量相對較穩定，并且為提高使用安全性，有些車輛 (如宇通)的豪華大巴車還配備了起動保護電路。

但是，大量的低端車輛如農用車、簡易的工程車等，其配套的相關電器件質量極不穩定，包括工藝布線設計不合理，更沒有考慮起動保護措施。

因此，可以得出結論是:車輛狀況好的配套起動機故障率就低，反之就高。目前，國內絕大部分車輛的起動機故障率居高不下。

3 導致起動機失效的各種原因和機理

導致起動機失效的原因很多，下面列舉一些常見的原因和失效機理。圖1給出比較常見的錯誤操作:

☆濫起動－操作者人為的操作失誤造成;

☆長時拖動－進行發動機燃油系統排氣、氣門調整操作，發動機不點火故障時發生;

☆拖車行駛－車輛下線，發動機故障發生后車輛的移動操作;

☆過載起動－配置公路車輛用的起動機使用在帶有附加液壓系統的工程機械設備，尤其是液壓系統液壓油在低溫環境下油脂變化的影響;

☆長時超越－操作人員人為操作技能差異;

☆點火鎖卡滯;

☆起動繼電器不斷電;

☆外接負載連接到起動機電磁開關控制端，造成電磁開關電磁不平衡，致使開關不易斷電;

☆行駛中誤起動－操作者誤操作;

☆起動繼電器安裝方位錯誤在振動條件下觸點閉合;

☆使用的起動繼電器不適合為車輛應用;

☆控制線路短路，在起動機之外接通了電源。

4 起動機最主要的幾種失效模式

目前的起動機的失效模式主要有以下幾種:☆換向器超速甩排飛散35%;

☆電樞及定子線圈過熱燒毀25%;

☆單向器失效20%;

☆開關線圈燒毀5%;

☆其他 (如各類機械磨損或斷線等)15%。

這里需要特別指出，在以上故障分析中，對于帶繼電器的兩級嚙合式起動機，繼續解剖繼電器，其線圈燒糊的比例高達70%，如圖2所示。

圖2 通電時常與線圈發糊程度的關系圖片

5 應對措施

5.1 起動機的過載和超速能力狀況

為了盡量降低起動機使用時的故障率，適應用戶的過度使用情況，起動機廠家在設計起動機時都留有足夠的富裕度。但是，由于熱容量的問題，減速起動電機的富裕度相比直驅起動電機的富裕度是下降的。

以美國某起動機為例:700A重載冷啟動30S的循環試驗，對于直驅起動機41MT可以輕松超過7次，而減速起動機38MT僅能通過3～5次就燒毀了。

以國內某起動機為例:發動機1500rpm超越試驗，QD2618直驅起動機對陣QDJ2762，前者可持續15min以上，而后者僅能維持5min左右。

因此，有用戶抱怨說現在的減速起動機還沒有原先的老式起動機耐用，就是這個原因。但與上述行業標準相比其富裕度也是相當大的。

5.2 起動機的各種保護措施

☆車輛廠－－加裝各種形式的保護電路。其中，最為經典的是英國某公司最早提出的由發電機中心點引出信號以控制一個常閉觸點的繼電器。發動機著車后，繼電器斷電，切斷點火回路，如圖3所示。

圖3 發電機中性點并接常閉觸點繼電器

當然還有很多其他類似的繼電器保護線路都是利用發動機著車后的各種信號來控制切斷起動機的點火回路。

☆發動機廠或車輛廠的ECU－－激活原有的點火控制功能，外加相應的保護繼電器。如某發動機廠增加的保護電路，如圖4所示。

圖4 某一發動機繼電器保護線路

☆起動機廠自帶保護措施－－熱保護。如美國某公司的起動機;

☆起動機廠自帶保護電路－－電子保護。

以及各類形式的保護方案，綜合比較優缺點如表1所示。

表1 各類保護方案優缺點綜合比較

6 模擬實驗結果及最適合的起動保護形式

6.1 模擬實驗結果

通過繼電器線圈發糊程度與通電時長的比對情況看，反推實際燒糊的線圈至少連續通電在5min以上，我們不難理解，起動機其他部位會因當時發動機的狀態而導致各種不同的失效后果。

根據模擬試驗和市場調研的結果我們得出的結論是:至少60%以上的起動機失效是由于點火鎖或點火繼電器等前端相關器件沒有及時斷電造成的。我們歸納為單次起動時間超長后導致的失效。

6.2 最適合需要的起動保護形勢

針對此種現象，我們認為僅在起動機上加裝限時起動保護器就可以達到較好的保護效果。因此，我們推出了僅有限時功能的起動保護器，限時時間為20～30S。

7 限時保護器的特點及加裝前后的效果對比

7.1 限時保護器的特點

該限時型的起動保護器有如下幾大優點:

⑴主動限時保護。遇到單次長時間起動操作，保護器可在20～30S(可調整)內自動斷開繼電器電源;

⑵正常的短時起動操作與未加裝保護器時無異;

⑶再次起動無時間間隔限制，多次起動也無次數限制，因此可滿足緊急情況下必須的起動需求;

⑷接線方便，外觀無變化。因保護器僅僅是串接在繼電器線圈的搭鐵端，是起動機廠家內部的改變。對于用戶而言，原接線方式沒有任何改變。

該限時型的起動保護器結構簡單，性能可靠，安裝使用方便，成本相對較低，所以一經推出，即受到廣大整車用戶和終端客戶的普遍歡迎。

雖然僅僅只有簡單的限制單次起動時間的保護作用，但對于大多數燒毀或超速甩排等失效模式系由起動回路未及時斷電這一引發因素而言，這個功能已經足夠起到防火墻的作用了。

7.2 加裝限時型起動保護的效果對比

2011年9月，玉柴選擇了一款質量相對穩定的B7617－3708100起動機作為試點。跟蹤統計結果如圖5。

以2011年9月為界，此前32個月的綜合故障率為12474ppm，而此后至今的綜合故障率將為了6084ppm，降低了一半多。

圖5 B7617－3708100起動機跟蹤統計結果

8 結束語

本文介紹了起動機的功能特點、國內使用情況及外部環境，起動機失效及解決措施，限時保護器的特點及加裝前后的效果對比，得出起動機加裝起動保險器的必要性，經一段時間使用，加裝限時保護器的起動機故障率明顯降低。

［1］吳子喬、孔令鑫、趙輝.限時保護器在內燃機電起動中的應用［M］.機電元件，2012.2

［2］查小凈、李俊、吳東盛.起動機直接溫控的過熱保護電路設計［J］.制造業自動化，2011.5

［3］高雪峰.汽車起動機［J］.汽車知識，2003.5

［4］邊煥鶴.汽車電器與電子設備［M］.北京:人們交通出版社，2006.

［5］QC/T 413－2002，汽車電氣設備基本技術條件