發動機低溫阻力矩研究

陳 東

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438）

本文的研究對象是發動機的低溫阻力矩。在起動機功率設計中，功率等于阻力矩乘以轉速，再除以常數，低溫阻力矩是最關鍵的參數。但也是一個很難給出的參數，行業內極少有主機廠或者發動機廠能給出這個參數，沒有這個參數，起動機功率只能憑經驗進行設計，很容易出現功率過高或者過低的情況，過高導致起動機和蓄電池成本增加，過低會導致低溫啟動困難。本文以上汽大通VM2.8L柴油機為基礎，進行低溫阻力矩的研究，計算出低溫阻力矩及總結出低溫阻力矩的計算公式。

1 發動機低溫阻力矩計算思路

在進行這項研究時，最開始以發動機低溫阻力矩反算進行。因此，思路是從低溫冷啟動入手，通過冷啟動的數據，結合起動機的功率曲線，進行發動機低溫阻力矩反算。主要步驟如下。

1）對整車進行冷啟動拖動試驗 （也可選取起動前拖動部分數據），采集蓄電池兩端電壓、起動機兩端電壓、起動電流、發動機轉速。

2）數據整理分析，得出蓄電池開路電壓U和起動回路總的內阻R，發動機平均拖動轉速n，拖動平均電流I。

3）通過U和R模擬出起動機的性能曲線，通過平均電流I查找到對應起動機扭矩Ts，通過起動機速比i反算出發動機阻力矩T。

2 基于VM2.8發動機低溫阻力矩計算過程

基于VM2.8發動機，進行了多次冷啟動實驗，通過實驗數據進行低溫阻力矩的計算。

2.1 數據采集布點

首先要進行冷啟動實驗，實驗中需要采集相關的參數，實驗布點圖見圖1。

2.2 數據處理及分析

1）低溫平均拖動電流 將蓄電池電壓、起動機B+電壓、電流做出曲線，在曲線上選取一段數據進行分析，計算出這一段的平均拖動電流IAVG=511A。如圖2所示。

2）蓄電池開路電壓 選取計算平均電流的一段數據對應的蓄電池電壓和起動電流做一個散點圖，添加趨勢曲線，得出電壓與電流的關系，如圖3所示。

通過圖3得出：蓄電池開路電壓U=11.1V。

3）起動回路內阻 選取計算平均電流的一段數據對應的起動機B+電壓和起動電流做一個散點圖，添加趨勢曲線，得出電壓與電流的關系，斜率為起動回路總內阻，如圖4所示。

圖1 冷啟動實驗數據采集布點圖

圖2 冷啟動數據

圖3 蓄電池電壓與電流線性關系

圖4 起動機端電壓與起動電流線性關系

通過圖4得出，起動回路電阻R=6.4mΩ。

4）起動阻力矩 通過計算出的開路電壓和整個回路線阻模擬出性能曲線或者在臺架上實測性能曲線，從中找出IAVG對應起動機扭矩Ts，圖5為11.1V／6.4mΩ對應起動機性能曲線，通過曲線得出511A電流對應的起動機扭矩Ts為14.98Nm。

圖5 起動機功率曲線圖

這里需要說明一下為什么不直接用起動機圖紙中的功率曲線。其中不同的開路電壓及回路內阻起動機的功率曲線圖是不一樣的。例如11V／6.4mΩ對應的曲線和12V／6.7mΩ對應的曲線都是不一樣的，因此我們需要在與實際起動情況對應的圖上找到所需要的需求。

5）發動機阻力矩計算 有了以上冷啟動數據，對應的起動機扭矩，發動機阻力矩就很好得出了，乘以速比即為發動機阻力矩。T=14.98×110／9=182.97Nm。

以上為典型的發動機低溫阻力矩計算案例及計算過程。

2.3 發動機低溫阻力矩散點分析

進行一項研究時，只做一次實驗肯定不行，因此進行了多次冷啟動實驗，進行低溫阻力矩散點分析。同樣方法進行了多次冷啟動后計算出的發動機低溫阻力矩散點圖如圖6所示，可以看出還是比較集中。

圖6 發動機低溫阻力矩散點圖

2.4 發動機低溫阻力矩與輸入條件之間的關系

以上的計算，獲取了很多參數作為輸入條件進行低溫阻力矩計算，有了大量數據，看看發動機低溫阻力矩與輸入條件的關系，看看能否總結出規律。

為了找出在低溫冷啟動系統中阻力矩與輸入條件的關系，選取了開路電壓、平均拖動電流、總內阻3個因素進行了分析。如圖7～圖9所示。

圖7 阻力矩與電流關系

圖8 阻力矩與總內阻的關系

圖9 阻力矩和開路電壓的關系

通過以上分析，發動機低溫阻力矩與拖動電流線性關系，R2=1，說明相關性100%。為何如此線性，筆者進行了資料查閱及研究。

線性關系的原因為：起動機輸出扭矩T=轉矩常數×電流，起動機輸出扭矩只與電流相關。

因此針對于VM2.8發動機阻力矩，簡易算法為：Y=0.5483X-97.079。

式中：Y——發動機阻力矩；X——平均拖動電流。

注：此公式只適用于VM2.8發動機，并且配法雷奧TS24-25起動機情況，因為不同的起動機，扭矩與電流的線性關系公式不同。

2.5 低溫阻力矩計算公式總結

通過起動機反算發動機阻力矩，可以通過起動機扭矩和電流關系再乘以速比得出所配發動機阻力矩計算公式：Y=（k×X+b）×n，再通過冷啟動試驗得出X值，即可計算出發動機阻力矩。

式中：Y——發動機阻力矩；k——起動機扭矩與電流關系系數；b——起動機扭矩與電流關系常數；n——發動機與起動機速比；X——冷啟動試驗平均拖動電流。

例：VM2.8發動機阻力矩計算公式：Y=（0.0449×X-7.9428）×12.2。

2.6 低溫阻力矩計算公式應用情況

筆者將總結出的計算公式及方法應用至了筆者公司開發的D20柴油機項目上，V90 D20項目實車首次冬標一次啟動成功，并且在T70項目上，對蓄電池容量進行了優化，將蓄電池容量由110Ah降低至90Ah。經過冷啟動實驗及冬標實驗，均無冷啟動問題，解決了設計冗余，節省了整車開發成本。

3 結論

本文通過冷啟動實驗，進行發動機低溫阻力矩計算研究，總結出了低溫阻力矩計算公式。但是此方法為反算，需要有先行條件，必須先有發動機，然后再進行冷啟動實驗，即可獲得發動機阻力矩。但是行業內發動機開發比整車開發早，一般在有了發動機臺架后，便可按此方法進行計算。然后根據此方法得出發動機低溫阻力矩，用于整車起動機和蓄電池設計，可以大大提高設計準確性，提升冷啟動性能以及節省不必要的冗余成本。