V80轻型客车冷起动性能的改善

顾玥晟，魏亚玲

（1.上汽大通汽车有限公司，上海200438；2.上海柴油机有限公司，上海200438）

V80轻型客车冷起动性能的改善

顾玥晟1，魏亚玲2

（1.上汽大通汽车有限公司，上海200438；2.上海柴油机有限公司，上海200438）

介绍了整车起动系统的组成，分析了影响整车起动性能的各个重要因素。通过优化整车起动系统的零部件匹配，解决了某宽体轻客车辆初期推向市场后在寒区发生冷起动困难的问题。验证表明，改进后冷起动性能得到提升。

柴油机起动系统起动机蓄电池线阻

1　引言

V80是一款由上汽大通汽车有限公司引进的宽体轻客车，其动力装置采用上柴公司的2.5 L国Ⅳ柴油机，大气的外观、充沛的空间、加之低油耗的优异表现，一推向市场即受到用户欢迎，市场占有率迅速攀升。除了国内市场外，产品还远销欧洲、大洋洲、中南美洲、中东、非洲等42个国家和地区。随着销量的不断递增，全球市场对整车性能也提出了更高的要求。我国本身也是幅员辽阔，气候随区域和季节的差别很大，1月份平均气温-10℃以下的省市有13个，-20℃以下的省市有4个，部分北方寒冷地区用户在使用过程中，反馈冷发动机起动能力不佳。为进一步拓展整车市场使用范围，解决北方及部分海外寒冷地区市场对整车冷起动性能的抱怨，我们和相关零部件单位一起开展了提升冷起动能力的改进工作。本文着重介绍了整车起动系统的优化，起动性能的提升相关工作。

2　冷起动存在的问题

2.1整车起动系统组成

整车起动系统由蓄电池、起动机、起动继电器、钥匙开关、连接电缆五部分组成，如图1所示。打开钥匙开关，接通起动档，起动继电器线圈通电，触点接通，起动机电磁开关得电，起动机电磁开关吸引线圈、保持线圈产生一定电磁力，电磁开关衔铁在吸力下运动，带动起动机拨叉将小齿轮推进飞轮齿圈与之啮合，同时开关接触盘与主触点接通，大电流经起动机磁场绕组和电枢，起动机旋转，产生较大的转矩，带动飞轮齿圈克服柴油机起动阻力矩起动柴油机。与此同时，吸引线圈被短路，齿轮的啮合位置由保持线圈的吸力来保持。当柴油机成功起动，松开钥匙开关的瞬间，由于保持线圈与吸引线圈这两个线圈的绕向、匝数相同，此时两个线圈所产生的磁通方向相反而相互抵消，于是活动铁芯在复位弹簧的作用下回至原位，单向离合器小齿轮退出啮合，接触盘脱离与主触点的接触，切断主回路，起动机停止运转。

图1　整车起动系统组成

柴油机进气加热辅助预热起动装置是利用整车电源对柴油机进气进行加热，提高进气温度，提升低温起动能力。

所以决定整车冷起动性能的因素有起动机、蓄电池、柴油机辅助预热装置及起动主回路电缆。

2.2整车冷起动性能现状

通过对-20℃以下主要省市售后系统反馈的数据分析，并针对2辆整车寒区标定采集的数据进行分析统计，整车在-20℃环境下，存在起动时间偏长，发动机怠速波动偏大的问题，见表1。

表1　冷起动试验数据

3　改进措施及效果

起动系统冷起动能力的提升，归根结底是围绕起动机降低起动回路的内阻，使低温下有利于起动机起动性能的有效输出。因此从起动系统决定起动性能的各个因素入手改进，改善整车冷起动性能。

3.1起动机性能改进

起动机是起动系统中的核心部件，柴油机能否顺利起动主要取决于起动机的功率特性、转矩特性、转速特性与柴油机起动性能是否匹配［1］。在起动机功率、起动转矩及匹配工作点都能满足柴油机起动要求的前提下，拖动转速高的起动机起动能力强，匹配性能好。

从表1可以看出，在-18℃时，起动机拖动转速相差7 r/min，起动时间相差2倍以上。在-25℃时，柴油机拖动转速N为95～100 r/min，由于n= N（Z1/Z2）。其中，Z1为飞轮齿圈齿数，为119；Z2为起动机单向器齿数9；N为柴油机拖动转速；n为起动机驱动轴输出转速，1 256～1 322 r/min。为了发动机在低温下具备良好的起动性能，如果提高起动机拖动转速10 r/min，无疑会为-25℃条件下发动机的起动做出巨大贡献。为此，需对现有起动机A的转速特性进行提升。对同等输出功率的起动机，对刷架换向器角度、内部减速比等设计参数进行调整，并对起动机输出转速、扭矩也进行了分配，改进后方案为起动机B。

图2为改进前后起动机输出性能的对比曲线，可见在相同的测试条件下，350 A到500 A负载下起动机B的输出功率及扭矩均高于起动机A。从图3起动机扭矩-转速曲线可以看出，在大于14 N· m的有效负载扭矩时，起动机B的负载转速性能明显优于起动机A。

图2　起动机输出特性曲线

图3　起动机扭矩-转速输出特性

在-25℃环境温度时，相同的试验条件下，进行柴油机断油拖动试验。通过电流频率与时间的关系，可以计算出起动机B拖动转速达到100～126 r/min，原起动机A拖动转速95～100 r/min，起动机B转速特性表现优越，如图4所示。

图4　-25℃起动机拖动转速

因此柴油机起动系统经济、合理、可靠的匹配，起动机匹配是整个系统的关键部件。

3.2蓄电池

发动机起动是以蓄电池为电源，因此蓄电池容量的大小对起动机输出性能有着直接的影响。本整车采用12 V电气系统，原蓄电池为80 A.h，700 CCA，从图5看出，蓄电池容量和放电电压随温度的升高而增大。这是因为温度升高后，电解液粘度降低而使蓄电池内阻减小。若蓄电池容量偏小，低温条件下发动机就无法达到一定的起动转速，即维持足够的拖动时间。

蓄电池另一个重要参数为冷起动电流ICCA，CCA值是蓄电池提供高驱动电流值的能力，即低温下的放电能力。是指蓄电池在-18℃温度下，放电时间为10 s，端子最低电压为7.5 V（单格1.25×6）时的放电电流。影响蓄电池低温短时放电性能的主要因素有极板数量、极板面积、极板距离和隔板材料等，衡量蓄电池低温放电特性的重要参数是蓄电池内阻Ri。相同容量的蓄电池，在-18℃条件下的内阻小，有利于发动机低温起动。

如果蓄电池容量太大，会增加整车成本；若容量太小，则会影响起动机起动转矩和起动转速。同一起动机使用不同容量的蓄电池，则有不同的输出功率。为起动机B性能在冷起动过程中得以表现，将蓄电池额定容量扩大到110 A·h，冷启动电流CCA为850 A。从图6可以看出，改进后的蓄电池内阻3.1 mΩ，较原蓄电池7 mΩ，蓄电池内阻降低了3.9 mΩ，对起动系统回路电阻的降低有很大的贡献。

图5　蓄电池可用容量与温度和放电电流的关系

3.3预热塞改进

柴油机辅助预热冷起动装置的预热过程分为前预热和后预热，本文所述国Ⅳ柴油机采用缸内预热的方式。预热塞安装在气缸盖上，发热头部深入燃烧室，高温区域与喷油器有严格的匹配要求。本发动机采用金属预热塞，6.5 s即可达到850℃以上；在20 s时，即可达到950℃～1 200℃的稳定温度。从图7可以看出，经过对预热塞性能进行优化，提高温升速度，6.5 s最高温度可达1 050℃。发动机冷起动时，喷油器按照预定起动油量喷油，雾化的燃油与局部热空气充分混合，柴油机点火起动，起动转速迅速升高，柴油机进入怠速状态。改进后的预热塞具有更快的温升速度，稳定温度钳制在一定范围内，以保证较高的可靠性。

图7　预热塞性能特性曲线

在-20℃环境温度下，1号预热塞可在6.5 s时间内达到950℃，而2号预热塞在6.5 s可达到1 050℃。从图8中可看出，在相同的试验条件及预热标定数据下，温升快的预热塞，起动及怠速状况下有效改善发动机转速波动［2］，从而有效解决了发动机怠速转速波动较大的问题。

图8　预热塞温升对柴油机转速的影响

3.4起动回路电缆

如图9所示，起动回路线缆包括蓄电池B+与起动机30端相接的正极电缆及起动机接地端到蓄电池负极（包括车架）线缆两部分。

通过大量试验，起动回路电缆的截面积以20℃时的最大起动电流Imax来计算较合理。应尽量缩短起动回路电缆长度，以保证起动回路电缆的电阻尽可能小，原起动机主回路电缆截面积为35 mm2，为进一步提高发动机低温起动回路电阻，将起动主回路线缆截面积增加到50 mm2。

图9　整车起动回路

从图10起动系统线阻测试结果可以计算出改进后的起动系统回路线阻为

0.0057-0.0031+0.0013=0.0039（Ω）=3.9（mΩ）

受整车布局限制，距规定线路电阻不大于1 mΩ的要求还有差距。但较之前，已有明显改善。

图10　起动系统线阻测试

4　试验验证

待以上所有整车起动系统改进措施到位后，在-25℃环境温度下进行发动机断油拖动试验和发动机冷起动试验。从图11可以看出，起动机拖动转速由原来90 r/min提高到118 r/min。从图12可以看出，柴油机冷起动试验监控到发动机1.38 s顺利起动成功。

5　结论

整车起动系统的设计与匹配是系统性工作，需要整车厂与核心动力的柴油机设计工程师通力协作。

本车型通过起动机、蓄电池、柴油机辅助冷起动装置、起动回路线缆的优化改进，整车冷起动能力得到了大幅度提升，解决了寒区市场客户反应的-25℃起动时间长及怠速波动问题。起动系统优化后的V80宽体轻客系列产品已投放市场三年多，以优越的动力性和良好的冷起动性能得到广大用户的肯定。

图11　-25℃时发动机拖动转速

图12　整车冷起动

［1］王丽萍.柴油机对匹配起动机的技术要求［J］.陕西煤炭，2008（6）.

［2］魏亚玲.满足轻型国V电控柴油机预热系统性能研究［J］.柴油机设计与制造，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

来稿日期：2016-04-18

顾玥晟（1991-），男，助理工程师，主要研究方向为整车性能优化。