某柴油机起动延时故障分析

李一存， 张钰

（1.同济大学，上海200092；2.上海柴油机股份有限公司，上海200438）

0 引言

起动电机是发动机主要零部件之一，其功能是将蓄电池的电能转换成机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的起动。为使发动机能够顺利起动，起动系统中各主要零部件的设计及匹配非常重要。为了实现整车的经济性和紧凑性，在满足整车起动的前提下，不宜采用过大的蓄电池及起动电机，否则将会引起整车的重量过重，成本上升，油耗增大。选择规格合适的起动电机及蓄电池对于整车的意义不言而喻。

起动电机不仅要满足常温下发动机起动需求，也要满足低温下发动机起动要求。由于在低温条件下，无论是起动电机润滑脂、蓄电池、电路还是发动机润滑油都会对起动电机的起动性能带来不利影响，所以低温时起动电机的性能显得更加重要，在设计开发起动电机时需要重点考虑。

本文针对某柴油机出现低温起动延时问题，着重介绍整车排除冷起动过程中的相关事项，最终达到改善冷起动性能的目的。

1 发动机和整车起动系统简介

公司某柴油机是根据国家排放法规要求，在国V发动机基础上设计开发的全新国六发动机，采用改进的增压器、燃烧室、活塞连杆机构、燃油系统、废气再循环 （EGR）及后处理系统等，以满足车用柴油机第六阶段排放法规要求，其他系统则沿用原国V发动机机型结构。

整车起动系统主要由蓄电池、点火开关、起动继电器、起动电机等零部件组成。为了改善低温起动能力，在发动机设计时，在进气管上安装了进气预热装置。根据环境温度和冷却液温度，在适当的时候起动进气预热功能，该功能由整车电子控制单元 （ECU）控制。

搭载该柴油机的车型在常温下首次起动基本上均能成功，并且起动时间基本维持在2 s内。为了拓展整车市场应用范围，整车厂要求配套的柴油机具备在寒冷地区有良好的起动性能；同时，整车厂对配套该柴油机的车型进行了大量的冷起动试验，以验证低温起动性能。

2 故障现象

在冷起动试验验证过程中，当车辆在环境温度低于-25℃时，就先后出现了滑齿、起动延时等一系列故障现象。这些现象在黑河冬试车辆首次起动时出现。当时环境温度为-27℃，起动时的前1.9 s出现发动机不转动的现象，直到3.5 s时才起动成功，并先后发现发动机有滑齿及延时起动的现象。

在发动机起动开始时，监控到蓄电池电压有所下降，但此时发动机转速为零。据此分析，发动机开始起动时，起动电机是在运转，但没有给飞轮足够扭矩来克服发动机的阻力，即起动电机出现了打滑。对故障起动电机进行拆解和检查，拆解情况如图1所示。经检查，起动电机各主要零部件没有发现异常磨损或卡滞现象，运动件的相对运动比较灵活，但起动电机复原后故障复现。

图1 故障起动电机拆解后相关零部件

3 故障原因排查及分析

为了排除这个故障，着手开始排查以下因素：起动电机功率设计、起动电机使用条件和环境、蓄电池容量、起动机自身结构等。

3.1 起动电机功率选择

采用类比法。该款发动机沿用原国V发动机的主要配置，如水泵、机油泵、空气压缩机等辅助机构，发动机的压缩比也维持原机型，即发动机起动阻力矩与国V发动机的基本上一致，故起动电机的功率可参照国V发动机的起动电机功率设计。为了使该系列零部件通用化，国六发动机的起动电机初步选配国V机型的起动电机。

3.2 起动电机使用条件和环境

首先，确认离合器与发动机动力是否断开。车辆在起动过程中，需要将发动机与离合器脱开，这样起动电机仅需要克服发动机摩擦阻力、压缩阻力和辅助机构的阻力即可，需要的起动能量不是很大。如果发动机与离合器没有脱开，起动电机还要克服传动系统的阻力，这样就需要比较大的能量才能起动发动机。搭载此发动机的车辆，其起动要求是踩下离合器后，再起动发动机。在踩下离合器过程中，发现离合器难以踩到底，经排查，气压管路存在漏气现象。然后对整个气压管路进行排查，紧固相关零件后，气罐的压力可维持在工作压力点附近。再次踩下离合器，起动发动机，起动延迟的现象仍然存在。

其次，确认起动电机的继电器及电磁开关是否能正常吸合。起动电机的工作电气原理如图2所示。50c端开关端子通电后，在电磁力的作用下，先后接通起动继电器电路和电磁开关电路，最终实现起动电机的起动。

图2 起动电机电器原理

根据行业标准规定，24V系统的起动继电器及电磁开关的吸合电压须＜16.8V。出于成本考虑，供应商设计的起动继电器及电磁开关的吸合电压一般控制在13～16V。对同一批次的起动继电器及电磁开关进行了电压测试，测得的起动电机吸合电压分别为12.45V、 11.88V、 11.51V、 11.66V、11.78V和11.33V。因此，可确认起动电机继电器及电磁开关能够正常吸合。

蓄电池在低温环境下亏电或放电能力不足易引起起动电机的吸合电压过低。该车辆起动系统在低温环境下，起动前，一般先要对预热器通电，随着温度迅速上升，预热电流会逐渐减低，蓄电池电压是先降低后升高。如果蓄电池亏电，起动电机端电压过低，起动继电器及电磁开关就有可能不吸合，当蓄电池端电压升高到起动继电器及电磁开关吸合电压时，起动电机才能开始工作。对照相关的起动电机标准，确认起动继电器、蓄电池、电路等能够满足起动要求。

3.3 蓄电池容量

发动机起动是以蓄电池为动力源，蓄电池容量的大小对起动电机输出性能有直接影响。该车型采用的电气系统是24V，蓄电池没有采取保温装置，蓄电池的容量按照-18℃时满足起动电机功率输出的边界进行设计。由于蓄电池的实际容量会随温度的变化而变化，且蓄电池实际容量与蓄电池的内阻有关，通过计算和类比设计，最终确认该车型须采用120 AH规格的蓄电池。但在试验过程中，发现该车型的蓄电池规格为80 AH，随后调整为120 AH的蓄电池再进行相同试验，起动延迟的现象仍然存在。

3.4 起动电机结构

发动机使用的起动电机，其结构如图3所示。

图3 起动电机结构示意

如图3所示，起动电机上的电枢和起动齿轮之间安装有滚柱式单向离合器。其主要作用是在起动电机起动发动机时将电枢扭矩传递到飞轮上，而当发动机起动后就开始打滑，以防止起动电枢超速旋转而损坏。

滚柱式单向离合器的工作原理为：起动电机在起动发动机时，滚柱在传动轴外圆摩擦力和弹簧弹力的共同作用下，被压向锲型腔室较窄的一端，由花键套筒和起动齿轮尾部卡紧，起动齿轮随输出轴一起转动并带动飞轮旋转，起动发动机；当发动机起动后、起动电机未完成与飞轮齿圈脱离之前，滚柱在弹簧力和摩擦力的共同作用下滚向锲型腔较宽的一端，发动机上的动力不再传给电枢轴，起到分离作用，电枢轴只按自己的转速空转，直到起动齿轮成功脱离飞轮齿圈为止。

结合起动电机单向离合器的工作原理，考虑到该起动电机在常温下能够顺利起动，低温下出现起动延迟的现象，说明是起动电机内部与温度有关的因素导致了起动延时，故对起动电机内部因素进行逐一排查，发现与温度有关的因素主要是润滑脂性能。对润滑脂进行了分析，发现该起动电机使用的润滑脂在低温下黏度过大，影响单向离合器的花键套筒与起动电机输出轴之间的啮合速度，导致前期输出轴打滑，未能及时传递扭矩，发生起动延时；而在常温时，润滑脂黏度较低，输出轴与花键套筒可以顺利啮合，发动机能够正常起动。

针对这一情况，该款起动机改用低温黏度小的润滑脂 （见表1），并在环境温度分别为-25℃、-28℃和-30℃环境下进行多次发动机低温起动试验，均能起动成功，没有出现之前的起动延迟故障。最终确认改进后的起动机可以满足寒冷地区用户对该款车型的使用要求。

表1 润滑脂更改前后的物理性能对比

4 结论

如果低温下发动机不能正常起动，通常先要确认发动机的机油是否采用的是低温机油，机油采用不合适的话，将直接影响发动机的摩擦阻力；然后，确认起动电机的功率特性、转矩特性、转速特性是否与发动机相匹配；确认蓄电池的规格选择是否正确，蓄电池的端电压不得低于起动继电器要求的电压，放电能力必须满足起动电机的要求；检查起动回路是否正常连接，回路电阻是否满足设计要求，搭铁端子和汽车大梁是否可靠连接。本文在上述这些故障排查方法的基础上，提出还需要考虑从起动电机单向离合器润滑脂黏度方面进行排查，为今后排查冷起动故障提供借鉴和参考。