魏亞玲，付德元

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

SC27G柴油機(jī)減速起動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

魏亞玲，付德元

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了SC27G柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)匹配。通過(guò)優(yōu)化起動(dòng)機(jī)匹配，完成了改善柴油機(jī)冷起動(dòng)性能、起動(dòng)機(jī)輕量化及高性價(jià)比的設(shè)計(jì)目標(biāo)，保證了柴油機(jī)良好的起動(dòng)性能，解決了生產(chǎn)上的實(shí)際問(wèn)題。

柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)速匹配

1 引言

柴油機(jī)的起動(dòng)性能是柴油機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。目前國(guó)內(nèi)起動(dòng)系統(tǒng)各部件的選型基本靠?jī)煞N途徑完成，一是參考國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)定型，二是借鑒引進(jìn)國(guó)外排量相同或接近的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件使用狀態(tài)。起動(dòng)機(jī)是起動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件，對(duì)柴油機(jī)起動(dòng)性能起決定性作用，因此起動(dòng)機(jī)的合理匹配尤其重要。

SC27G柴油機(jī)是在12V135柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在質(zhì)量、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪音和外形上的升級(jí)，進(jìn)行改進(jìn)的電站用柴油機(jī)。SC27G柴油機(jī)重大改進(jìn)項(xiàng)目在原機(jī)基礎(chǔ)上提升了功率、增強(qiáng)了柴油機(jī)的冷卻、潤(rùn)滑能力，同時(shí)解決原機(jī)存在的質(zhì)量問(wèn)題，其基本參數(shù)參見(jiàn)表1。

原柴油機(jī)所配的起動(dòng)機(jī)為直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，重量達(dá)到36 kg，在新的流水生產(chǎn)線上一個(gè)人難以按照既定生產(chǎn)節(jié)拍完成裝配，需要增加設(shè)備來(lái)輔助裝配。減速起動(dòng)機(jī)因其體積小、重量輕、節(jié)約用材、適配性好等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。因此在柴油機(jī)的改進(jìn)項(xiàng)目中，應(yīng)用減速起動(dòng)機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)、提高減速起動(dòng)機(jī)匹配性是本子項(xiàng)目的重要開(kāi)發(fā)內(nèi)容。

鑒于試驗(yàn)室條件與實(shí)際使用條件不完全相同，在應(yīng)用減速起動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)匹配時(shí)，柴油機(jī)的冷起動(dòng)設(shè)計(jì)溫度為-10℃。

表1 SC27G發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2 SC27G柴油機(jī)與起動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)

起動(dòng)機(jī)要有足夠大的轉(zhuǎn)矩來(lái)克服柴油機(jī)初始點(diǎn)火轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的各種阻力矩。影響起動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)匹配的因素很多，包括柴油機(jī)類型、氣缸數(shù)、缸徑、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比等等。由于柴油機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)具有高度的不均勻特性，起動(dòng)時(shí)起動(dòng)阻力矩是反復(fù)沖擊的力矩，當(dāng)柴油機(jī)活塞壓縮近于上死點(diǎn)位置時(shí)阻力矩最大，稱為最大起動(dòng)阻力矩。柴油機(jī)的起動(dòng)阻力矩由三部分組成：摩擦阻力、壓縮阻力和輔助機(jī)構(gòu)阻力。

（1）摩擦阻力：主要是活塞與氣缸壁、凸輪軸與軸襯、曲軸與軸承、以及齒輪系的摩擦等，其大小取決于潤(rùn)滑油黏度、柴油機(jī)溫度、曲軸轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)型式及其摩損程度。在0℃時(shí)，摩擦阻力占柴油機(jī)全部起動(dòng)阻力的60%左右，在-10～-20℃時(shí)則可以達(dá)到80%～90%。

（2）壓縮阻力：指活塞壓縮氣體時(shí)所受到的阻力。主要與氣缸工作容積和壓縮比有關(guān)，它隨著曲軸轉(zhuǎn)速的升高而降低。在0℃時(shí)，壓縮阻力占柴油機(jī)全部起動(dòng)阻力的25%左右。

（3）輔助機(jī)構(gòu)阻力：輔助機(jī)構(gòu)包括供油系統(tǒng)、機(jī)油泵、水泵、配氣機(jī)構(gòu)、空壓泵和發(fā)電機(jī)等。在0℃時(shí)，輔助機(jī)構(gòu)阻力占全部柴油機(jī)起動(dòng)阻力的15%左右。

柴油機(jī)能否順利起動(dòng)主要取決于起動(dòng)機(jī)的功率特性、轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速特性與柴油機(jī)的匹配性。

2.1 SC27G柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)功率匹配

為使柴油機(jī)起動(dòng)可靠，起動(dòng)機(jī)功率必須適當(dāng)大于柴油機(jī)起動(dòng)功率，通常起動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)位于起動(dòng)機(jī)功率特性曲線最大值的左側(cè)70%～80%附近［1］。因?yàn)槠饎?dòng)機(jī)在該點(diǎn)附近工作，工作效率高，加上磁路飽和，起動(dòng)機(jī)工作較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速上升快，加速度大，起動(dòng)時(shí)間短。

在柴油機(jī)新品設(shè)計(jì)階段，不可能提供柴油機(jī)比較準(zhǔn)確的最大起動(dòng)阻力矩和最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速數(shù)值，一般可通過(guò)倒拖柴油機(jī)進(jìn)行反推估算。將柴油機(jī)在-10℃環(huán)境溫度條件下冷凍保溫24 h后，進(jìn)行SC27G柴油機(jī)的拖動(dòng)試驗(yàn)，即用起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)，見(jiàn)表2。蓄電池容量為180 A·h。從表2中可以推算出，平均拖動(dòng)轉(zhuǎn)速為156 r/min。

由于N=n/（Z1/Z2）

Z1——飛輪齒圈齒數(shù)為137；

Z2——起動(dòng)機(jī)單向器齒數(shù)為12；

N——柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速；

n——起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)速。

表2 -10℃時(shí)SC27G柴油機(jī)拖動(dòng)試驗(yàn)

傳動(dòng)比：Z1/Z2=137/12=11.42，則起動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為156×11.42=1 781.5 r/min，從直驅(qū)起動(dòng)機(jī)特性曲線（圖1）中可以查到起動(dòng)機(jī)輸出扭矩為35 N·m。

圖1 -10℃直驅(qū)式起動(dòng)機(jī)的特性曲線

因此，所需起動(dòng)機(jī)功率約為

其中，η為起動(dòng)機(jī)小齒輪與飛輪齒圈的傳動(dòng)效率，此處取0.85。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，直驅(qū)起動(dòng)機(jī)的最大功率P為7.82 kW，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)功率的要求。在不降低起動(dòng)功率的前提下，為達(dá)到起動(dòng)機(jī)輕量化的目的，結(jié)合國(guó)內(nèi)起動(dòng)機(jī)供應(yīng)商的實(shí)際情況，初步確定采用定子直徑為115 mm，常溫23℃時(shí)功率為9 kW的減速起動(dòng)機(jī)作為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，即減速起動(dòng)機(jī)方案A。其在-10℃時(shí)的特性曲線參見(jiàn)圖2，最大功率P為7.77 kW，亦滿足初步計(jì)算結(jié)果。

圖2 -10℃減速起動(dòng)機(jī)A的特性曲線

2.2 SC27G柴油機(jī)起動(dòng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速匹配

起動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)的匹配，扭矩特性是否匹配是關(guān)鍵。圖3為直驅(qū)起動(dòng)機(jī)與減速起動(dòng)機(jī)A的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線。從圖3上看，直驅(qū)起動(dòng)機(jī)在扭矩小于100 N·m時(shí)，其轉(zhuǎn)速優(yōu)于減速起動(dòng)機(jī)A。但從起動(dòng)機(jī)輕量化及匹配的性價(jià)比的角度出發(fā)，減速起動(dòng)機(jī)具有匹配優(yōu)勢(shì)。所以，減速起動(dòng)機(jī)A的機(jī)械特性還需作進(jìn)一步的優(yōu)化和提升。

圖3 扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線

2.3 減速起動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)化

起動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)性能最終是表現(xiàn)在起動(dòng)機(jī)對(duì)柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速上。因此改善起動(dòng)機(jī)方案A的性能可以從二個(gè)方面著手，一是提高起動(dòng)機(jī)輸出功率來(lái)提高拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，二是通過(guò)改變傳動(dòng)比提高拖動(dòng)轉(zhuǎn)速。

2.3.1 提高減速起動(dòng)機(jī)方案A的輸出功率

由于起動(dòng)機(jī)為串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)，根據(jù)串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性，則起動(dòng)機(jī)功率P與扭矩Tm和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如下

其中，Ks、CT、Ce為電機(jī)常數(shù)，Ra、Rf、Rr分別為電樞、勵(lì)磁線圈、蓄電池及連接線電阻。

因減速起動(dòng)機(jī)是在低電壓、大電流狀態(tài)下工作，其磁路已經(jīng)飽和，因此電流Ia增加，而磁通Φ基本變化不大。

由式（1）可知，扭矩Tm和電流Ia為線性關(guān)系，串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)能很好地滿足柴油機(jī)起動(dòng)要求。由式（2）可知，減小起動(dòng)機(jī)內(nèi)阻可明顯提高起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)功率也提高。因此采取減少定子勵(lì)磁線圈匝數(shù)的方法，由6匝調(diào)整為5匝，來(lái)調(diào)整起動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能曲線，使電機(jī)轉(zhuǎn)速提高。同時(shí)增加勵(lì)磁線圈線規(guī)的截面積，由2.5×6.4調(diào)整為2.7×6.4。對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行上述調(diào)整后，成為減速起動(dòng)機(jī)改進(jìn)方案B。圖4為減速起動(dòng)機(jī)B在-10℃時(shí)的輸出特性曲線，可以看出最大功率提高到8.01 kW。低扭矩段的扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線見(jiàn)圖5，可見(jiàn)起動(dòng)機(jī)方案B的轉(zhuǎn)速比方案A有明顯的提高，改進(jìn)達(dá)到了預(yù)期目的。

圖4 -10℃減速起動(dòng)機(jī)B的特性曲線

2.3.2 減速起動(dòng)機(jī)方案B與柴油機(jī)匹配性優(yōu)化

根據(jù)-10℃的拖動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及兩個(gè)起動(dòng)機(jī)的特性曲線參數(shù)，起動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)在功率特性曲線左側(cè)L1及L2，功率上有一定的富裕量，見(jiàn)圖1及圖2。圖6為直驅(qū)式起動(dòng)機(jī)和減速起動(dòng)機(jī)B的扭矩-功率曲線，可以看出，兩個(gè)起動(dòng)機(jī)相同的扭矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率點(diǎn)是不同的。

在發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩一定的條件下，如果右移起動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，則起動(dòng)機(jī)輸出功率增大，發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速將上升。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩隨之下降，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)進(jìn)一步提高，起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速到達(dá)一個(gè)新的平衡。因此，在起動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)左邊時(shí)，可適當(dāng)增加起動(dòng)機(jī)單向器齒數(shù)，降低傳動(dòng)比，可提高柴油機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速。

將12齒起動(dòng)機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速特性，等效為單向器增加1齒后的13齒起動(dòng)機(jī)，而等效后的起動(dòng)機(jī)在性能曲線上其轉(zhuǎn)速曲線上移。圖7為減速起動(dòng)機(jī)B驅(qū)動(dòng)齒輪的齒數(shù)12齒與13齒的扭矩-轉(zhuǎn)速擬合曲線。從圖中可見(jiàn)，增加1個(gè)齒，即可抬高起動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

2.3.3 優(yōu)化后減速起動(dòng)機(jī)B的機(jī)械特性

通過(guò)提高起動(dòng)機(jī)本身的輸出性能，優(yōu)化減速起動(dòng)機(jī)匹配性，圖8給出了直驅(qū)式和減速式方案B起動(dòng)機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速特性對(duì)比曲線。從圖中可以看出，在扭矩為35 N·m時(shí)，原直驅(qū)式起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速為165 r/min，而性能及匹配性優(yōu)化后的減速起動(dòng)機(jī)B樣，提高了其在低扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而提高了起動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速156 r/min，減速起動(dòng)機(jī)B樣與原直驅(qū)起動(dòng)機(jī)的扭矩-轉(zhuǎn)速特性曲線已經(jīng)非常接近。

圖5 減速起動(dòng)機(jī)A和B的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線

圖6 直驅(qū)式和減速起動(dòng)機(jī)B的扭矩-功率特性曲線

圖7 13齒等效為12齒的扭矩-轉(zhuǎn)速擬合特性曲線

圖8 直驅(qū)式和減速起動(dòng)機(jī)B的扭矩-轉(zhuǎn)速曲線

2.4 優(yōu)化后減速起動(dòng)機(jī)B樣冷起動(dòng)試驗(yàn)

拖動(dòng)試驗(yàn)完成之后，在-10℃環(huán)境中繼續(xù)保溫8 h，進(jìn)行正常起動(dòng)，電壓、電流、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速如圖9所示，-10℃起動(dòng)成功。

從圖中可以看出，在-10℃溫度下起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)到133 r/min，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)著火轉(zhuǎn)速。柴油機(jī)第一次起動(dòng)時(shí)間為8.6 s，保溫半小時(shí)后第二次0.9 s起動(dòng)成功。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，在某溫度條件下連續(xù)起動(dòng)3次，有2次成功起動(dòng)，即柴油機(jī)成功起動(dòng)。

圖9 -10℃起動(dòng)過(guò)程

由于減速起動(dòng)機(jī)具有軟嚙合功能，起動(dòng)鑰匙開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，起動(dòng)機(jī)單向器在伸出的同時(shí)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)其以200 r/min低速旋轉(zhuǎn)，在低速旋轉(zhuǎn)中尋找合適的嚙合位置，逐漸克服頂齒摩擦力，與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈嚙合。嚙合到位后，起動(dòng)機(jī)再通過(guò)大電流旋轉(zhuǎn)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。即便在頂齒狀態(tài)下，保證電磁開(kāi)關(guān)主觸點(diǎn)不會(huì)接通，可有效解決銑齒問(wèn)題，相對(duì)直驅(qū)式強(qiáng)制嚙合起動(dòng)機(jī)，起動(dòng)更加柔和。

3 結(jié)論

起動(dòng)機(jī)盡量選用已經(jīng)量產(chǎn)的起動(dòng)機(jī)，這樣既可以保證起動(dòng)機(jī)的可靠性，又能降低新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成本及交樣周期。減速起動(dòng)機(jī)機(jī)械特性軟，轉(zhuǎn)速較低是其缺點(diǎn)，可通過(guò)試驗(yàn)、分析、優(yōu)化，提高減速起動(dòng)機(jī)的匹配性。定子直徑為115 mm的減速起動(dòng)機(jī)與SC27G大功率柴油機(jī)的匹配，達(dá)到了冷起動(dòng)溫度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，完成了起動(dòng)機(jī)輕量化、降低成本的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，完全滿足用戶的使用要求。現(xiàn)已推向市場(chǎng)2年，根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況起動(dòng)機(jī)故障率得到明顯降低。

［1］閔躍進(jìn).起動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的探討［J］.汽車電器，2004（9）.

Optimization of Decelerate Starter for SC27G Diesel Engine

Wei Yaling，F(xiàn)u Deyuan
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，Shanghai 200438，China）

Optimization of starter match for SC27G diesel engine is introduced.By optimization matching scheme，complete the design targets of improve cold starting performance，light-weight design and high cost-effective，to ensure starting performance and solve manufacture practical problems.

diesel engine，starter，starting resistance moment，cranking speed，，match

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.004

來(lái)稿日期：2015-09-02

魏亞玲（1976-），女，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。