内燃机在起动过程中需要通过外加驱动力来帮助进入自循环怠速的状态, 而目前通常的做法是在内燃机曲轴端连接飞轮通过和外加直流电动机 (起动电机) 齿轮的啮合接受外加驱动力。而起动电机的能量来自蓄电池储存的电能, 这样就涉及起动电机和内燃机及蓄电池之间的匹配的问题。故为了实现起动电机针对不同内燃机输出的匹配, 通常的方法是基于对内燃机机械负载的理论计算来作为匹配的输入参数, 而由于工作环境变化的因素对内燃机参数影响往往不能做出准确的计算而影响了匹配的精度。而基于现代测量技术可以帮助我们对内燃机可变负载的精确测量而提供准确的起动电机匹配参数。这就是本论文研究的主要目的。
1 内燃机起动过程
目前主流的内燃机是4冲程内燃机, 主要包括汽油和柴油两种, 而其工作的过程相似, 区别仅点火的方式不同。而主要工作过程分成:进气-压缩-点火 (汽油机) 或爆震自燃 (柴油机) -排气循环往复。见图1。
4缸4冲程内燃机每经过两个压缩冲程发动机旋转一周。而在内燃机进入自循环运转前, 即起动过程中, 压缩冲程需要的外加驱动力由起动电机提供, 起动电机从蓄电池吸收电能转换成机械转距输出到内燃机飞轮曲轴上, 起动电机对内燃机做功。而在燃烧冲程中内燃机通过燃烧产生的能量推动活塞, 起动电机这时通过特殊的机械机构不再对飞轮曲轴输出力矩, 起动电机不做功。另两个冲程中起动电机仅需要克服曲轴的转动惯量和活塞和内燃机缸体之间的摩擦力这样较轻的机械负载, 起动电机轻载工作。这样就造成在整个起动过程中起动电机负载的脉动变化, 而相应的在输入端-蓄电池吸收了电功率后, 就产生了相应的电压脉动。脉动的负载示意如图2。
负载脉动的幅值就和摩擦力距和转动惯量及内燃机压缩比密切相关, 其中摩擦力距的大小随着润滑状态的改变而改变, 润滑油黏度牌号和温度不同都影响着摩擦阻力的大小。温度越低, 润滑油的年度越高, 而阻力就越大。
在通常的起动条件下, 第一次燃烧出现在第三到第六次压缩之间, 这必需的延时是为了使混合气体均匀的分布并达到一定的量。而起动电机输出足够拖动转速后, 内燃机可以进入自循环怠速的状态。根据经验, 在低温下点火的最小平均速度是:汽油发动机8 0 r p m~1 2 0 r p m、柴油发动机100rpm~150rpm。转速的范围主要是满足不同缸数内燃机的需要, 缸数越多需要的转速越低, 反之亦然。
2 内燃机的机械负载力矩
2.1 试验技术方案
由于起动时内燃机的负载力矩是脉动的, 且起动过程非常短暂, 给测量带来很大的难度, 目前没有很好的方法能准确进行测量。我们是通过对起动电机拖动内燃机时从电瓶吸收的电功率的进行测定来推算内燃机机械负载力矩, 这样可以大大简化测量工作并提高了测量的精确度。
2.2 内燃机起动时电压和电流值
(1) 根据我们需要测定的相应内燃机机械负载的要求固化试验条件和必要的准备工作: (1) 准备需要测定的内燃机或车辆; (2) 确定相应的试验温度; (3) 确定对应的电瓶; (4) 更换符合要求的润滑油; (5) 数据采集的仪器, 数据采集仪和钳式电流表等; (6) 带网卡的笔记本电脑, 用于记录数据采集仪采集的数据。
(2) 数据采集过程: (1) 将内燃机或车辆置与满足试验条件环境室; (2) 将蓄电池两端的电压和电机输入线上钳式电流表的输出连接到数据采集仪; (3) 预采集数据看接线是否准确, 采样信号是否正常; (4) 启动采样程序; (5) 发动内燃机或车辆; (6) 采集足够的数据后停止发动; (7) 处理数据; (8) 进行下一个温度点的测量。
3 试验数据的处理方法
通过数据采集仪采集的数据将输出到符合excel软件的要求的.xls文件, 通过excel的图表工具绘制起动曲线, 即可得到某1.8T4缸汽油发动机的负载采集曲线。
3.1 发动机负载采集曲线
红色的曲线即起动电机拖动内燃机时的电流曲线, 我们计算在起动的0~5s内的平均电流值为195A。而黄色的曲线即蓄电池的端电压, 由电压和电流的关系计算出蓄电池内阻, 计算的内阻为10mΩ。拖动的转速我们可以利用之前讨论的内燃机工作原理获知4缸4冲程内燃机每2个压缩压缩波形内燃机旋转1周的原理来计算。
我们测得起动的0~5秒内有34个波形, 并根据公式:波形数/2/拖动时间×60计算得内燃机拖动转速为34/2/5×60=204转。这样我们就获得了后续试验和计算的输入数据:蓄电池内阻为10mΩ, 拖动电流195A, 拖动转速204转, 测试温度为-5℃。
3.2 起动电机输出曲线
根据之前采集的数据如平均电流值, 蓄电池内阻及试验温度为条件在专用的起动电机性能测试台上测定起动电机的功率曲线图。起动电机性能测试台型号如加拿大制造商DV的ST64起动电机性能测试台。
3.3 计算内燃机负载
这样我们由曲线可以读取相关数据:依据实际采样的数据195A读取起动电机转速2160转, 通过起动电机和内燃机之间齿轮的速比110/10=11转换为内燃机的转速为2160/11=196.4转。这样和实际测得的转速仅相差3.7%, 说明测量和实际采样的数据之间误差极小, 可以反映实际起动电机拖动内燃机的数据。而同样通过电流读取扭矩为5.2Nm, 转换为内燃机侧的扭矩为5.2×11=57.2Nm, 这样我们就通过对起动电机数据的分析获得了内燃机在-5℃时拖动的负载扭矩为57.2Nm。而后我们就可以根据此扭矩值作为内燃机的负载扭矩而对起动电机再进行精确调整, 以优化匹配。
4 结语
通过对起动电机数据的分析来获取内燃机的负载扭矩的方法简单且准确, 使用于所有类型内燃机适应性强, 这对起动电机和内燃机之间的匹配有很大的帮助, 大大改善内燃机的起动性能。
摘要：针对内燃机在起动过程实需外加驱来进入自循环怠速, 其能量来自蓄电池, 因此需要研究电机和内燃机及蓄电池之间的匹配的问题。基于对内燃机起动过程的研究及采用现代测量技术, 可以实现通过试验的方法来测定内燃机的机械负载从而实现起动电机输出的精确匹配。
关键词：4冲程内燃机,起动电机,脉动负载,拖动转速,低温放电电流