劉立盟，緱宇翔，李爽，朱汗青，賈子永

（1.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072； 2. 32184部隊(duì)，北京 100072）

引言

低溫環(huán)境試驗(yàn)室氣候環(huán)境模擬試驗(yàn)是檢驗(yàn)車輛環(huán)境適應(yīng)性的有效手段之一，其可以不受自然環(huán)境條件的制約，極大地縮短試驗(yàn)周期并且試驗(yàn)環(huán)境條件具有可重復(fù)性。車輛動(dòng)力艙內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小，難以布置傳感器。因此冷起動(dòng)過(guò)程中車輛狀態(tài)不易檢測(cè)。通過(guò)對(duì)以往的試驗(yàn)過(guò)程中，起動(dòng)電流的數(shù)據(jù)整理分析，可以得出起動(dòng)電流與車載電池性能、發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸磨損狀態(tài)、起動(dòng)電機(jī)性能等的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以間接測(cè)量的方式獲取車輛起動(dòng)過(guò)程中車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)。本文通過(guò)分析起動(dòng)電流波形數(shù)據(jù)，得出起動(dòng)電流能夠反映出的車輛狀態(tài)，從而分辨出試驗(yàn)過(guò)程中車輛冷起動(dòng)失敗的主要因素。

1 車輛低溫起動(dòng)性能影響因素分析

車輛在嚴(yán)寒條件下起動(dòng)性能下降主要原因是由起動(dòng)阻力增大、低溫狀態(tài)下柴油機(jī)燃燒不充分和起動(dòng)力矩下降三方面構(gòu)成，如圖1所示。

起動(dòng)阻力方面，由于溫度降低會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度增大、流動(dòng)性差，易造成各摩擦面之間供油不足，摩擦阻力增大，曲軸旋轉(zhuǎn)阻力矩也增加，最終導(dǎo)致柴油機(jī)無(wú)法達(dá)到最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速，降低起動(dòng)性能。

柴油機(jī)燃燒狀態(tài)方面，在起動(dòng)過(guò)程中，需要缸內(nèi)氣體達(dá)到一定的壓力和溫度后，才能壓縮自燃。發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境中，進(jìn)氣溫度低，并且缸內(nèi)氣體與缸壁通過(guò)熱交換造成大量熱損失，導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)溫度和壓力均無(wú)法到達(dá)起動(dòng)的必要條件。柴油機(jī)的壓縮過(guò)程為多變壓縮過(guò)程，其前后的空氣溫度基本符合以下公式：

式中：

Tca—壓縮始點(diǎn)溫度，K；

Tco—壓縮終點(diǎn)溫度，K；

εcc—有效壓縮比，εcc=（0.8-0.9）εc；

εc—壓縮比；

同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫狀態(tài)下起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速低，難以形成活塞環(huán)與汽缸壁之間的密封油膜，壓縮過(guò)程中的漏氣量增大、壓縮比下降，降低起動(dòng)性能。因此需要提高柴油機(jī)冷起動(dòng)轉(zhuǎn)速，縮短冷起動(dòng)時(shí)的有效壓縮時(shí)間，減少柴油機(jī)漏氣和熱損失[1]。

起動(dòng)力矩方面，起動(dòng)電機(jī)是將蓄電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)。起動(dòng)力矩與電流之間的關(guān)系為：

式中：

Tem—起動(dòng)力矩；

CT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Φ—電機(jī)磁通，在電機(jī)工作時(shí)可以近似看做不變；

Ia—起動(dòng)電流。

可以得出起動(dòng)力矩Tem與起動(dòng)電流Ia，起動(dòng)電流Ia與蓄電池容量SGB有關(guān)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)推算，鉛酸蓄電池容量SGB在低溫-20 ℃條件下為常溫條件下的70 %。因此極寒條件下的蓄電池容量衰減可能會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)力矩不足以將柴油機(jī)拖動(dòng)至最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速[2]。

2 起動(dòng)電流參數(shù)分析和數(shù)據(jù)采集

2.1起動(dòng)電流波形的本質(zhì)

柴油機(jī)冷起動(dòng)過(guò)程中，首先需要由起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速。隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升，柴油機(jī)開(kāi)始間斷發(fā)火。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛內(nèi)部阻力后，起動(dòng)電機(jī)逐步停止工作，由發(fā)動(dòng)機(jī)自身繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，最終完成低溫起動(dòng)。就單個(gè)氣缸而言，壓縮沖程的阻力明顯增大，起動(dòng)電流增大；過(guò)了壓縮行程上止點(diǎn)后氣體膨脹做功，起動(dòng)電流減小。因此對(duì)于四沖程柴油機(jī)，起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)兩周，起動(dòng)電流出現(xiàn)與氣缸數(shù)相同的波峰和波谷。

2.2起動(dòng)電流與車輛狀態(tài)的關(guān)系

由之前的分析可知，車輛低溫狀態(tài)下蓄電池性能下降。車輛低溫起動(dòng)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，起動(dòng)電流的峰值和蓄電池電壓壓降可以直接反映出電池在該環(huán)境溫度下的性能。

起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直連，在不考慮連接打滑的情況下，起動(dòng)電流的波形周期可以間接反映出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)與常溫試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)廠提供的最低低溫起動(dòng)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，可以評(píng)判低溫狀態(tài)下起動(dòng)電機(jī)的能力是否滿足要求。

起動(dòng)過(guò)程中，壓縮沖程阻力明顯增大，導(dǎo)致起動(dòng)電流增大。由于發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸磨損程度不同，因此起動(dòng)電流相鄰波波峰值不同。相鄰電流波峰值的偏差可以間接平均發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸磨損均勻性。發(fā)動(dòng)機(jī)磨損后，壓縮沖程漏氣量增大，降低發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與試驗(yàn)方案

2.3.1 試驗(yàn)車輛參數(shù)

試驗(yàn)用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)為電控柴油機(jī)，最大功率420 kW。車輛技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)車輛參數(shù)

2.3.2 試驗(yàn)方案

1）試驗(yàn)前檢查車輛各系統(tǒng)，確保車輛各系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，停放至低溫試驗(yàn)室內(nèi)，記錄行駛里程、行駛時(shí)間、蓄電池電壓等狀態(tài)參數(shù)；

2）將試驗(yàn)時(shí)將環(huán)境溫度降溫至（-43±2） ℃穩(wěn)定后，開(kāi)始保溫24 h；測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、蓄電池外殼溫度為（-43±2）℃時(shí)開(kāi)始車輛低溫起動(dòng)試驗(yàn)，記錄起動(dòng)電流及起動(dòng)電壓。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由于試驗(yàn)過(guò)程中存在干擾問(wèn)題，得到的起動(dòng)電流數(shù)據(jù)存在奇點(diǎn)和毛刺。因此通過(guò)去除奇點(diǎn)和Butterworth低通濾波器去噪的方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3.1 去除奇點(diǎn)

起動(dòng)電流數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，由于存在干擾，導(dǎo)致某些數(shù)據(jù)點(diǎn)突變，如圖2所示。首先對(duì)于信號(hào)序列進(jìn)行差分運(yùn)算，然后將差分值過(guò)大的點(diǎn)按如下方式處理?？梢钥吹狡纥c(diǎn)被剔除。

圖2 起動(dòng)電流信序列的差分

3.2 Butterworth低通濾波器濾波去噪

去除奇點(diǎn)后，起動(dòng)電流波形中仍含有較多毛刺，繼續(xù)利用Butterworth低通濾波器進(jìn)行濾波，以得到較為平滑的起動(dòng)電流波形曲線。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。

Butterworth濾波器公式：

式中：

n—濾波器的階數(shù)；

ωc—截止頻率=振幅下降為-3分貝時(shí)的頻率；

ωp—通頻帶邊緣頻率；

處理后的起動(dòng)電流波形圖如圖3所示。

圖3 濾波去噪后起動(dòng)電流曲線

4 .試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 鉛酸蓄電池低溫性能分析

鉛酸電池的容量與電解液粘度和電阻有密切關(guān)系。低溫環(huán)境中，電解液粘度增大，離子運(yùn)動(dòng)受到較大阻力，擴(kuò)散能力降低，導(dǎo)致持續(xù)放電能力下降；電解液的電阻增大，電化學(xué)反應(yīng)阻力增加，導(dǎo)致蓄電池容量下降。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，硫酸粘度在-40 ℃時(shí)為常溫狀態(tài)下上千倍，電阻率為常溫狀態(tài)下的7倍[3]。因此統(tǒng)計(jì)起動(dòng)過(guò)程中，電池的初始電壓，最低電壓和最大電流、作為低溫狀態(tài)下蓄電池性能的參考數(shù)據(jù)。

分別對(duì)-43 ℃和-20 ℃進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)的起動(dòng)電流進(jìn)行處理。得到曲線圖如圖4所示。試驗(yàn)車輛蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示。隨溫度下降車輛內(nèi)部阻力上升，應(yīng)該由更大的驅(qū)動(dòng)力矩才能使車輛順利起動(dòng)。但實(shí)際測(cè)試過(guò)程中-43 ℃起動(dòng)試驗(yàn)拖動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)平均拖動(dòng)功率小于-20 ℃試驗(yàn)工況。可以得出隨溫度下降，車載蓄電池性能下降明顯。

圖4 試驗(yàn)起動(dòng)電流、電壓曲線圖

表2 試驗(yàn)車輛蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)

4.2 拖動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)電機(jī)總做功及平均功率計(jì)算

根據(jù)電工學(xué)原理，起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)過(guò)程中做功等于

對(duì)總起動(dòng)過(guò)程中功率P時(shí)間t積分，得到該時(shí)間段的起動(dòng)電機(jī)做功，用W·h表示。得出結(jié)果后進(jìn)一步計(jì)算平均功率如圖5所示。

圖5 起動(dòng)電流做功曲線

得到本次試驗(yàn)拖動(dòng)時(shí)長(zhǎng)26.67 s，總做功1.5 W·h，平均功率5.41 kW，沒(méi)有到達(dá)起動(dòng)電機(jī)最大功率。

4.3起動(dòng)轉(zhuǎn)速分析

由于被試車輛搭載的是六缸柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)完整工作循環(huán)會(huì)出現(xiàn)六個(gè)電流峰值，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈。因此通過(guò)計(jì)算每3個(gè)波峰值間距時(shí)間可計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)轉(zhuǎn)速。為減小誤差，利用多次測(cè)量求平均的方法測(cè)量起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)末期的波形周期，得到此狀態(tài)下起動(dòng)電機(jī)能夠給發(fā)動(dòng)機(jī)提供的轉(zhuǎn)速，如圖6所示。試驗(yàn)選取一次成功起動(dòng)和一次未成功起動(dòng)起動(dòng)電流數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算兩次試驗(yàn)波形周期分別為0.39 s和0.17 s，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速為51.28 r/min和120.0 r/min。第二次試驗(yàn)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速明顯高于第一次。由此可見(jiàn)起動(dòng)電機(jī)未能拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)至最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速為第一次起動(dòng)失敗的原因。

圖6 起動(dòng)電機(jī)不同拖動(dòng)速度起動(dòng)電流曲線

4.4發(fā)動(dòng)機(jī)磨損程度分析

柴油機(jī)隨著使用時(shí)間的增加，氣缸磨損程度隨之增加。磨損程度較大的氣缸在冷起動(dòng)試驗(yàn)中，壓縮沖程所需起動(dòng)力矩低。因此柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，各起動(dòng)電流峰值差可以估算柴油機(jī)磨損程度。試驗(yàn)被試車輛搭載的柴油機(jī)使用保險(xiǎn)期為350 h。分別選取兩臺(tái)行駛時(shí)間不同的車輛進(jìn)行低溫冷起動(dòng)試驗(yàn)，所得起動(dòng)電流波形如圖7所示?？梢钥闯鲂旭倳r(shí)間長(zhǎng)的車輛起動(dòng)電流峰值差明顯大于行駛時(shí)間短的車輛，進(jìn)而可以推斷氣缸磨損程度大[4]。如圖7所示，試驗(yàn)1車輛行駛時(shí)間為50摩托小時(shí)，試驗(yàn)2車輛行駛時(shí)間為300摩托小時(shí)。試驗(yàn)1車輛柴油機(jī)氣缸磨損程度明顯低于試驗(yàn)2車輛。

圖7 不同磨損程度柴油機(jī)起動(dòng)電流曲線

5 結(jié)論

1）起動(dòng)電流的電流峰值與電壓壓降可以判斷出蓄電池在低溫條件下的性能；

2）起動(dòng)電流的波形周期可以大致判斷出起動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速；

3）起動(dòng)電流相鄰峰值差可以判斷柴油機(jī)各個(gè)氣缸間的磨損程度和壓縮漏氣量；

4）通過(guò)以往歷史數(shù)據(jù)總結(jié)和零部件廠家提供的最低起動(dòng)轉(zhuǎn)速、蓄電池設(shè)計(jì)壓降范圍等數(shù)據(jù)可以初步判斷車輛低溫起動(dòng)失敗的原因。