V80輕型客車冷起動性能的改善

顧玥晟，魏亞玲

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

V80輕型客車冷起動性能的改善

顧玥晟1，魏亞玲2

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

介紹了整車起動系統的組成，分析了影響整車起動性能的各個重要因素。通過優化整車起動系統的零部件匹配，解決了某寬體輕客車輛初期推向市場后在寒區發生冷起動困難的問題。驗證表明，改進后冷起動性能得到提升。

柴油機起動系統起動機蓄電池線阻

1　引言

V80是一款由上汽大通汽車有限公司引進的寬體輕客車，其動力裝置采用上柴公司的2.5 L國Ⅳ柴油機，大氣的外觀、充沛的空間、加之低油耗的優異表現，一推向市場即受到用戶歡迎，市場占有率迅速攀升。除了國內市場外，產品還遠銷歐洲、大洋洲、中南美洲、中東、非洲等42個國家和地區。隨著銷量的不斷遞增，全球市場對整車性能也提出了更高的要求。我國本身也是幅員遼闊，氣候隨區域和季節的差別很大，1月份平均氣溫-10℃以下的省市有13個，-20℃以下的省市有4個，部分北方寒冷地區用戶在使用過程中，反饋冷發動機起動能力不佳。為進一步拓展整車市場使用范圍，解決北方及部分海外寒冷地區市場對整車冷起動性能的抱怨，我們和相關零部件單位一起開展了提升冷起動能力的改進工作。本文著重介紹了整車起動系統的優化，起動性能的提升相關工作。

2　冷起動存在的問題

2.1整車起動系統組成

整車起動系統由蓄電池、起動機、起動繼電器、鑰匙開關、連接電纜五部分組成，如圖1所示。打開鑰匙開關，接通起動檔，起動繼電器線圈通電，觸點接通，起動機電磁開關得電，起動機電磁開關吸引線圈、保持線圈產生一定電磁力，電磁開關銜鐵在吸力下運動，帶動起動機撥叉將小齒輪推進飛輪齒圈與之嚙合，同時開關接觸盤與主觸點接通，大電流經起動機磁場繞組和電樞，起動機旋轉，產生較大的轉矩，帶動飛輪齒圈克服柴油機起動阻力矩起動柴油機。與此同時，吸引線圈被短路，齒輪的嚙合位置由保持線圈的吸力來保持。當柴油機成功起動，松開鑰匙開關的瞬間，由于保持線圈與吸引線圈這兩個線圈的繞向、匝數相同，此時兩個線圈所產生的磁通方向相反而相互抵消，于是活動鐵芯在復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的接觸，切斷主回路，起動機停止運轉。

圖1　整車起動系統組成

柴油機進氣加熱輔助預熱起動裝置是利用整車電源對柴油機進氣進行加熱，提高進氣溫度，提升低溫起動能力。

所以決定整車冷起動性能的因素有起動機、蓄電池、柴油機輔助預熱裝置及起動主回路電纜。

2.2整車冷起動性能現狀

通過對-20℃以下主要省市售后系統反饋的數據分析，并針對2輛整車寒區標定采集的數據進行分析統計，整車在-20℃環境下，存在起動時間偏長，發動機怠速波動偏大的問題，見表1。

表1　冷起動試驗數據

3　改進措施及效果

起動系統冷起動能力的提升，歸根結底是圍繞起動機降低起動回路的內阻，使低溫下有利于起動機起動性能的有效輸出。因此從起動系統決定起動性能的各個因素入手改進，改善整車冷起動性能。

3.1起動機性能改進

起動機是起動系統中的核心部件，柴油機能否順利起動主要取決于起動機的功率特性、轉矩特性、轉速特性與柴油機起動性能是否匹配［1］。在起動機功率、起動轉矩及匹配工作點都能滿足柴油機起動要求的前提下，拖動轉速高的起動機起動能力強，匹配性能好。

從表1可以看出，在-18℃時，起動機拖動轉速相差7 r/min，起動時間相差2倍以上。在-25℃時，柴油機拖動轉速N為95～100 r/min，由于n= N（Z1/Z2）。其中，Z1為飛輪齒圈齒數，為119；Z2為起動機單向器齒數9；N為柴油機拖動轉速；n為起動機驅動軸輸出轉速，1 256～1 322 r/min。為了發動機在低溫下具備良好的起動性能，如果提高起動機拖動轉速10 r/min，無疑會為-25℃條件下發動機的起動做出巨大貢獻。為此，需對現有起動機A的轉速特性進行提升。對同等輸出功率的起動機，對刷架換向器角度、內部減速比等設計參數進行調整，并對起動機輸出轉速、扭矩也進行了分配，改進后方案為起動機B。

圖2為改進前后起動機輸出性能的對比曲線，可見在相同的測試條件下，350 A到500 A負載下起動機B的輸出功率及扭矩均高于起動機A。從圖3起動機扭矩-轉速曲線可以看出，在大于14 N· m的有效負載扭矩時，起動機B的負載轉速性能明顯優于起動機A。

圖2　起動機輸出特性曲線

圖3　起動機扭矩-轉速輸出特性

在-25℃環境溫度時，相同的試驗條件下，進行柴油機斷油拖動試驗。通過電流頻率與時間的關系，可以計算出起動機B拖動轉速達到100～126 r/min，原起動機A拖動轉速95～100 r/min，起動機B轉速特性表現優越，如圖4所示。

圖4　-25℃起動機拖動轉速

因此柴油機起動系統經濟、合理、可靠的匹配，起動機匹配是整個系統的關鍵部件。

3.2蓄電池

發動機起動是以蓄電池為電源，因此蓄電池容量的大小對起動機輸出性能有著直接的影響。本整車采用12 V電氣系統，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。這是因為溫度升高后，電解液粘度降低而使蓄電池內阻減小。若蓄電池容量偏小，低溫條件下發動機就無法達到一定的起動轉速，即維持足夠的拖動時間。

蓄電池另一個重要參數為冷起動電流ICCA，CCA值是蓄電池提供高驅動電流值的能力，即低溫下的放電能力。是指蓄電池在-18℃溫度下，放電時間為10 s，端子最低電壓為7.5 V（單格1.25×6）時的放電電流。影響蓄電池低溫短時放電性能的主要因素有極板數量、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是蓄電池內阻Ri。相同容量的蓄電池，在-18℃條件下的內阻小，有利于發動機低溫起動。

如果蓄電池容量太大，會增加整車成本；若容量太小，則會影響起動機起動轉矩和起動轉速。同一起動機使用不同容量的蓄電池，則有不同的輸出功率。為起動機B性能在冷起動過程中得以表現，將蓄電池額定容量擴大到110 A·h，冷啟動電流CCA為850 A。從圖6可以看出，改進后的蓄電池內阻3.1 mΩ，較原蓄電池7 mΩ，蓄電池內阻降低了3.9 mΩ，對起動系統回路電阻的降低有很大的貢獻。

圖5　蓄電池可用容量與溫度和放電電流的關系

3.3預熱塞改進

柴油機輔助預熱冷起動裝置的預熱過程分為前預熱和后預熱，本文所述國Ⅳ柴油機采用缸內預熱的方式。預熱塞安裝在氣缸蓋上，發熱頭部深入燃燒室，高溫區域與噴油器有嚴格的匹配要求。本發動機采用金屬預熱塞，6.5 s即可達到850℃以上；在20 s時，即可達到950℃～1 200℃的穩定溫度。從圖7可以看出，經過對預熱塞性能進行優化，提高溫升速度，6.5 s最高溫度可達1 050℃。發動機冷起動時，噴油器按照預定起動油量噴油，霧化的燃油與局部熱空氣充分混合，柴油機點火起動，起動轉速迅速升高，柴油機進入怠速狀態。改進后的預熱塞具有更快的溫升速度，穩定溫度鉗制在一定范圍內，以保證較高的可靠性。

圖7　預熱塞性能特性曲線

在-20℃環境溫度下，1號預熱塞可在6.5 s時間內達到950℃，而2號預熱塞在6.5 s可達到1 050℃。從圖8中可看出，在相同的試驗條件及預熱標定數據下，溫升快的預熱塞，起動及怠速狀況下有效改善發動機轉速波動［2］，從而有效解決了發動機怠速轉速波動較大的問題。

圖8　預熱塞溫升對柴油機轉速的影響

3.4起動回路電纜

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

通過大量試驗，起動回路電纜的截面積以20℃時的最大起動電流Imax來計算較合理。應盡量縮短起動回路電纜長度，以保證起動回路電纜的電阻盡可能小，原起動機主回路電纜截面積為35 mm2，為進一步提高發動機低溫起動回路電阻，將起動主回路線纜截面積增加到50 mm2。

圖9　整車起動回路

從圖10起動系統線阻測試結果可以計算出改進后的起動系統回路線阻為

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　起動系統線阻測試

4　試驗驗證

待以上所有整車起動系統改進措施到位后，在-25℃環境溫度下進行發動機斷油拖動試驗和發動機冷起動試驗。從圖11可以看出，起動機拖動轉速由原來90 r/min提高到118 r/min。從圖12可以看出，柴油機冷起動試驗監控到發動機1.38 s順利起動成功。

5　結論

整車起動系統的設計與匹配是系統性工作，需要整車廠與核心動力的柴油機設計工程師通力協作。

本車型通過起動機、蓄電池、柴油機輔助冷起動裝置、起動回路線纜的優化改進，整車冷起動能力得到了大幅度提升，解決了寒區市場客戶反應的-25℃起動時間長及怠速波動問題。起動系統優化后的V80寬體輕客系列產品已投放市場三年多，以優越的動力性和良好的冷起動性能得到廣大用戶的肯定。

圖11　-25℃時發動機拖動轉速

圖12　整車冷起動

［1］王麗萍.柴油機對匹配起動機的技術要求［J］.陜西煤炭，2008（6）.

［2］魏亞玲.滿足輕型國V電控柴油機預熱系統性能研究［J］.柴油機設計與制造，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

來稿日期：2016-04-18

顧玥晟（1991-），男，助理工程師，主要研究方向為整車性能優化。