內燃機起動過程及其機械負載匹配的試驗方法研究

　　摘要:針對內燃機在起動過程實需外加驅來進入自循環怠速，其能量來自蓄電池，因此需要研究電機和內燃機及蓄電池之間的匹配的問題。基于對內燃機起動過程的研究及采用現代測量技術，可以實現通過試驗的方法來測定內燃機的機械負載從而實現起動電機輸出的精確匹配。
　　關鍵詞:4沖程內燃機 起動電機 脈動負載 拖動轉速 低溫放電電流
　　中圖分類號:TK4 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2011)04(a)-0000-00
　　
　　1 引言
　　內燃機在起動過程中需要通過外加驅動力來幫助進入自循環怠速的狀態，而目前通常的做法是在內燃機曲軸端連接飛輪通過和外加直流電動機（起動電機）齒輪的嚙合接受外加驅動力。而起動電機的能量來自蓄電池儲存的電能，這樣就涉及起動電機和內燃機及蓄電池之間的匹配的問題。故為了實現起動電機針對不同內燃機輸出的匹配，通常的方法是基于對內燃機機械負載的理論計算來作為匹配的輸入參數，而由于工作環境變化的因素對內燃機參數影響往往不能做出準確的計算而影響了匹配的精度。而基于現代測量技術可以幫助我們對內燃機可變負載的精確測量而提供準確的起動電機匹配參數。這就是本論文研究的主要目的。
　　
　　2 內燃機起動過程
　　目前主流的內燃機是4沖程內燃機，主要包括汽油和柴油兩種，而其工作的過程相似，區別僅點火的方式不同。而主要工作過程分成：進氣-壓縮-點火（汽油機）或爆震自燃（柴油機）-排氣循環往復。見圖1：
　　
　　4缸4沖程內燃機每經過兩個壓縮沖程發動機旋轉一周。而在內燃機進入自循環運轉前，即起動過程中，壓縮沖程需要的外加驅動力由起動電機提供，起動電機從蓄電池吸收電能轉換成機械轉距輸出到內燃機飛輪曲軸上，起動電機對內燃機做功。而在燃燒沖程中內燃機通過燃燒產生的能量推動活塞，起動電機這時通過特殊的機械機構不再對飛輪曲軸輸出力矩，起動電機不做功。另兩個沖程中起動電機僅需要克服曲軸的轉動慣量和活塞和內燃機缸體之間的摩擦力這樣較輕的機械負載，起DCd9oQLp8voz6bfLvFVd5MUzQFmEKhli2wjoOgHnr6w=動電機輕載工作。這樣就造成在整個起動過程中起動電機負載的脈動變化，而相應的在輸入端-蓄電池吸收了電功率后，就產生了相應的電壓脈動。脈動的負載示意如圖2：
　　
　　
　　負載脈動的幅值就和摩擦力距和轉動慣量及內燃機壓縮比密切相關，其中摩擦力距的大小隨著潤滑狀態的改變而改變，潤滑油黏度牌號和溫度不同都影響著摩擦阻力的大小。溫度越低，潤滑油的年度越高，而阻力就越大。
　　在通常的起動條件下，第一次燃燒出現在第三到第六次壓縮之間，這必需的延時是為了使混合氣體均勻的分布并達到一定的量。而起動電機輸出足夠拖動轉速后，內燃機可以進入自循環怠速的狀態。根據經驗，在低溫下點火的最小平均速度是：汽油發動機80 to 120 rpm.、柴油發動機100 to 150 rpm.。轉速的范圍主要是滿足不同缸數內燃機的需要，缸數越多需要的轉速越低，反之亦然。
　　
　　3 內燃機的機械負載力矩
　　3.1 試驗技術方案
　　由于起動時內燃機的負載力矩是脈動的，且起動過程非常短暫，給測量帶來很大的難度，目前沒有很好的方法能準確進行測量。我們是通過對起動電機拖動內燃機時從電瓶吸收的電功率的進行測定來推算內燃機機械負載力矩，這樣可以大大簡化測量工作并提高了測量的精確度。
　　3.2 內燃機起動時電壓和電流值
　　⑴根據我們需要測定的相應內燃機機械負載的要求固化試驗條件和必要的準備工作：①準備需要測定的內燃機或車輛；②確定相應的試驗溫度；③確定對應的電瓶；④更換符合要求的潤滑油；⑤數據采集的儀器，數據采集儀和鉗式電流表等；⑥帶網卡的筆記本電腦，用于記錄數據采集儀采集的數據。
　　⑵數據采集過程：①將內燃機或車輛置與滿足試驗條件環境室；②將蓄電池兩端的電壓和電機輸入線上鉗式電流表的輸出連接到數據采集儀；③預采集數據看接線是否準確，采樣信號是否正常；④啟動采樣程序；⑤發動內燃機或車輛；⑥采集足夠的數據后停止發動；⑦處理數據；⑧進行下一個溫度點的測量。
　　
　　4 試驗數據的處理方法
　　通過數據采集儀采集的數據將輸出到符合excel軟件的要求的.xls文件，通過excel的圖表工具繪制起動曲線，即可得到某1.8T 4缸汽油發動機的負載采集曲線。
　　4.1 發動機負載采集曲線
　　
　　
　　紅色的曲線即起動電機拖動內燃機時的電流曲線，我們計算在起動的0-5s內的平均電流值為195A。而黃色的曲線即蓄電池的端電壓，由電壓和電流的關系計算出蓄電池內阻，計算的內阻為10mΩ。拖動的轉速我們可以利用之前討論的內燃機工作原理獲知4缸4沖程內燃機每2個壓縮壓縮波形內燃機旋轉1周的原理來計算。
　　我們測得起動的0-5秒內有34個波形，并根據公式：波形數/2/拖動時間*60 計算得內燃機拖動轉速為 34/2/5*60=204轉。這樣我們就獲得了后續試驗和計算的輸入數據：蓄電池內阻為10mΩ，拖動電流1