某柴油機(jī)起動延時故障分析

李一存， 張鈺

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200092；2.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

起動電機(jī)是發(fā)動機(jī)主要零部件之一，其功能是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)動機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的起動。為使發(fā)動機(jī)能夠順利起動，起動系統(tǒng)中各主要零部件的設(shè)計及匹配非常重要。為了實現(xiàn)整車的經(jīng)濟(jì)性和緊湊性，在滿足整車起動的前提下，不宜采用過大的蓄電池及起動電機(jī)，否則將會引起整車的重量過重，成本上升，油耗增大。選擇規(guī)格合適的起動電機(jī)及蓄電池對于整車的意義不言而喻。

起動電機(jī)不僅要滿足常溫下發(fā)動機(jī)起動需求，也要滿足低溫下發(fā)動機(jī)起動要求。由于在低溫條件下，無論是起動電機(jī)潤滑脂、蓄電池、電路還是發(fā)動機(jī)潤滑油都會對起動電機(jī)的起動性能帶來不利影響，所以低溫時起動電機(jī)的性能顯得更加重要，在設(shè)計開發(fā)起動電機(jī)時需要重點考慮。

本文針對某柴油機(jī)出現(xiàn)低溫起動延時問題，著重介紹整車排除冷起動過程中的相關(guān)事項，最終達(dá)到改善冷起動性能的目的。

1 發(fā)動機(jī)和整車起動系統(tǒng)簡介

公司某柴油機(jī)是根據(jù)國家排放法規(guī)要求，在國V發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)的全新國六發(fā)動機(jī)，采用改進(jìn)的增壓器、燃燒室、活塞連桿機(jī)構(gòu)、燃油系統(tǒng)、廢氣再循環(huán) （EGR）及后處理系統(tǒng)等，以滿足車用柴油機(jī)第六階段排放法規(guī)要求，其他系統(tǒng)則沿用原國V發(fā)動機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)。

整車起動系統(tǒng)主要由蓄電池、點火開關(guān)、起動繼電器、起動電機(jī)等零部件組成。為了改善低溫起動能力，在發(fā)動機(jī)設(shè)計時，在進(jìn)氣管上安裝了進(jìn)氣預(yù)熱裝置。根據(jù)環(huán)境溫度和冷卻液溫度，在適當(dāng)?shù)臅r候起動進(jìn)氣預(yù)熱功能，該功能由整車電子控制單元 （ECU）控制。

搭載該柴油機(jī)的車型在常溫下首次起動基本上均能成功，并且起動時間基本維持在2 s內(nèi)。為了拓展整車市場應(yīng)用范圍，整車廠要求配套的柴油機(jī)具備在寒冷地區(qū)有良好的起動性能；同時，整車廠對配套該柴油機(jī)的車型進(jìn)行了大量的冷起動試驗，以驗證低溫起動性能。

2 故障現(xiàn)象

在冷起動試驗驗證過程中，當(dāng)車輛在環(huán)境溫度低于-25℃時，就先后出現(xiàn)了滑齒、起動延時等一系列故障現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在黑河冬試車輛首次起動時出現(xiàn)。當(dāng)時環(huán)境溫度為-27℃，起動時的前1.9 s出現(xiàn)發(fā)動機(jī)不轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，直到3.5 s時才起動成功，并先后發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)有滑齒及延時起動的現(xiàn)象。

在發(fā)動機(jī)起動開始時，監(jiān)控到蓄電池電壓有所下降，但此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為零。據(jù)此分析，發(fā)動機(jī)開始起動時，起動電機(jī)是在運(yùn)轉(zhuǎn)，但沒有給飛輪足夠扭矩來克服發(fā)動機(jī)的阻力，即起動電機(jī)出現(xiàn)了打滑。對故障起動電機(jī)進(jìn)行拆解和檢查，拆解情況如圖1所示。經(jīng)檢查，起動電機(jī)各主要零部件沒有發(fā)現(xiàn)異常磨損或卡滯現(xiàn)象，運(yùn)動件的相對運(yùn)動比較靈活，但起動電機(jī)復(fù)原后故障復(fù)現(xiàn)。

圖1 故障起動電機(jī)拆解后相關(guān)零部件

3 故障原因排查及分析

為了排除這個故障，著手開始排查以下因素：起動電機(jī)功率設(shè)計、起動電機(jī)使用條件和環(huán)境、蓄電池容量、起動機(jī)自身結(jié)構(gòu)等。

3.1 起動電機(jī)功率選擇

采用類比法。該款發(fā)動機(jī)沿用原國V發(fā)動機(jī)的主要配置，如水泵、機(jī)油泵、空氣壓縮機(jī)等輔助機(jī)構(gòu)，發(fā)動機(jī)的壓縮比也維持原機(jī)型，即發(fā)動機(jī)起動阻力矩與國V發(fā)動機(jī)的基本上一致，故起動電機(jī)的功率可參照國V發(fā)動機(jī)的起動電機(jī)功率設(shè)計。為了使該系列零部件通用化，國六發(fā)動機(jī)的起動電機(jī)初步選配國V機(jī)型的起動電機(jī)。

3.2 起動電機(jī)使用條件和環(huán)境

首先，確認(rèn)離合器與發(fā)動機(jī)動力是否斷開。車輛在起動過程中，需要將發(fā)動機(jī)與離合器脫開，這樣起動電機(jī)僅需要克服發(fā)動機(jī)摩擦阻力、壓縮阻力和輔助機(jī)構(gòu)的阻力即可，需要的起動能量不是很大。如果發(fā)動機(jī)與離合器沒有脫開，起動電機(jī)還要克服傳動系統(tǒng)的阻力，這樣就需要比較大的能量才能起動發(fā)動機(jī)。搭載此發(fā)動機(jī)的車輛，其起動要求是踩下離合器后，再起動發(fā)動機(jī)。在踩下離合器過程中，發(fā)現(xiàn)離合器難以踩到底，經(jīng)排查，氣壓管路存在漏氣現(xiàn)象。然后對整個氣壓管路進(jìn)行排查，緊固相關(guān)零件后，氣罐的壓力可維持在工作壓力點附近。再次踩下離合器，起動發(fā)動機(jī)，起動延遲的現(xiàn)象仍然存在。

其次，確認(rèn)起動電機(jī)的繼電器及電磁開關(guān)是否能正常吸合。起動電機(jī)的工作電氣原理如圖2所示。50c端開關(guān)端子通電后，在電磁力的作用下，先后接通起動繼電器電路和電磁開關(guān)電路，最終實現(xiàn)起動電機(jī)的起動。

圖2 起動電機(jī)電器原理

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，24V系統(tǒng)的起動繼電器及電磁開關(guān)的吸合電壓須＜16.8V。出于成本考慮，供應(yīng)商設(shè)計的起動繼電器及電磁開關(guān)的吸合電壓一般控制在13～16V。對同一批次的起動繼電器及電磁開關(guān)進(jìn)行了電壓測試，測得的起動電機(jī)吸合電壓分別為12.45V、 11.88V、 11.51V、 11.66V、11.78V和11.33V。因此，可確認(rèn)起動電機(jī)繼電器及電磁開關(guān)能夠正常吸合。

蓄電池在低溫環(huán)境下虧電或放電能力不足易引起起動電機(jī)的吸合電壓過低。該車輛起動系統(tǒng)在低溫環(huán)境下，起動前，一般先要對預(yù)熱器通電，隨著溫度迅速上升，預(yù)熱電流會逐漸減低，蓄電池電壓是先降低后升高。如果蓄電池虧電，起動電機(jī)端電壓過低，起動繼電器及電磁開關(guān)就有可能不吸合，當(dāng)蓄電池端電壓升高到起動繼電器及電磁開關(guān)吸合電壓時，起動電機(jī)才能開始工作。對照相關(guān)的起動電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)起動繼電器、蓄電池、電路等能夠滿足起動要求。

3.3 蓄電池容量

發(fā)動機(jī)起動是以蓄電池為動力源，蓄電池容量的大小對起動電機(jī)輸出性能有直接影響。該車型采用的電氣系統(tǒng)是24V，蓄電池沒有采取保溫裝置，蓄電池的容量按照-18℃時滿足起動電機(jī)功率輸出的邊界進(jìn)行設(shè)計。由于蓄電池的實際容量會隨溫度的變化而變化，且蓄電池實際容量與蓄電池的內(nèi)阻有關(guān)，通過計算和類比設(shè)計，最終確認(rèn)該車型須采用120 AH規(guī)格的蓄電池。但在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)該車型的蓄電池規(guī)格為80 AH，隨后調(diào)整為120 AH的蓄電池再進(jìn)行相同試驗，起動延遲的現(xiàn)象仍然存在。

3.4 起動電機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)使用的起動電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 起動電機(jī)結(jié)構(gòu)示意

如圖3所示，起動電機(jī)上的電樞和起動齒輪之間安裝有滾柱式單向離合器。其主要作用是在起動電機(jī)起動發(fā)動機(jī)時將電樞扭矩傳遞到飛輪上，而當(dāng)發(fā)動機(jī)起動后就開始打滑，以防止起動電樞超速旋轉(zhuǎn)而損壞。

滾柱式單向離合器的工作原理為：起動電機(jī)在起動發(fā)動機(jī)時，滾柱在傳動軸外圓摩擦力和彈簧彈力的共同作用下，被壓向鍥型腔室較窄的一端，由花鍵套筒和起動齒輪尾部卡緊，起動齒輪隨輸出軸一起轉(zhuǎn)動并帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，起動發(fā)動機(jī)；當(dāng)發(fā)動機(jī)起動后、起動電機(jī)未完成與飛輪齒圈脫離之前，滾柱在彈簧力和摩擦力的共同作用下滾向鍥型腔較寬的一端，發(fā)動機(jī)上的動力不再傳給電樞軸，起到分離作用，電樞軸只按自己的轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)，直到起動齒輪成功脫離飛輪齒圈為止。

結(jié)合起動電機(jī)單向離合器的工作原理，考慮到該起動電機(jī)在常溫下能夠順利起動，低溫下出現(xiàn)起動延遲的現(xiàn)象，說明是起動電機(jī)內(nèi)部與溫度有關(guān)的因素導(dǎo)致了起動延時，故對起動電機(jī)內(nèi)部因素進(jìn)行逐一排查，發(fā)現(xiàn)與溫度有關(guān)的因素主要是潤滑脂性能。對潤滑脂進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該起動電機(jī)使用的潤滑脂在低溫下黏度過大，影響單向離合器的花鍵套筒與起動電機(jī)輸出軸之間的嚙合速度，導(dǎo)致前期輸出軸打滑，未能及時傳遞扭矩，發(fā)生起動延時；而在常溫時，潤滑脂黏度較低，輸出軸與花鍵套筒可以順利嚙合，發(fā)動機(jī)能夠正常起動。

針對這一情況，該款起動機(jī)改用低溫黏度小的潤滑脂 （見表1），并在環(huán)境溫度分別為-25℃、-28℃和-30℃環(huán)境下進(jìn)行多次發(fā)動機(jī)低溫起動試驗，均能起動成功，沒有出現(xiàn)之前的起動延遲故障。最終確認(rèn)改進(jìn)后的起動機(jī)可以滿足寒冷地區(qū)用戶對該款車型的使用要求。

表1 潤滑脂更改前后的物理性能對比

4 結(jié)論

如果低溫下發(fā)動機(jī)不能正常起動，通常先要確認(rèn)發(fā)動機(jī)的機(jī)油是否采用的是低溫機(jī)油，機(jī)油采用不合適的話，將直接影響發(fā)動機(jī)的摩擦阻力；然后，確認(rèn)起動電機(jī)的功率特性、轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速特性是否與發(fā)動機(jī)相匹配；確認(rèn)蓄電池的規(guī)格選擇是否正確，蓄電池的端電壓不得低于起動繼電器要求的電壓，放電能力必須滿足起動電機(jī)的要求；檢查起動回路是否正常連接，回路電阻是否滿足設(shè)計要求，搭鐵端子和汽車大梁是否可靠連接。本文在上述這些故障排查方法的基礎(chǔ)上，提出還需要考慮從起動電機(jī)單向離合器潤滑脂黏度方面進(jìn)行排查，為今后排查冷起動故障提供借鑒和參考。