不同溫度和機油牌號對柴油機起動的影響

劉名 王保棟 張坦志 高仲凱 宋國華

摘 要：文章介紹了起動總阻力距、蓄電池容量對起動的影響，根據經驗曲線對某一排量柴油機的標準阻力距進行估算，并對該阻力距值進行了不同溫度不同機油牌號下的系數修正。結果表明，溫度不同機油牌號不同，對柴油機起動總阻力距都有較大影響，機油黏度越大對在低溫下對阻力距影響越大。在缺少柴油機阻力距及最低起動轉速試驗數據的情況下，利用文章中的匹配方法可以為起動機初步設計選型提供參考。但文章是在假定蓄電池容量、線阻等參數恒定的情況下進行的分析，在實際阻力距試驗時，這些設計參數需要與整車狀態一致。

關鍵詞：起動性能;阻力距;起動機;溫度;機油牌號;設計選型

中圖分類號：U262.11? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-161-03

Abstract： Influence on engine ignition caused by cranking torque and battery capacity is introduced in this paper. Standard cranking torque of 7.7L engine is calculated according to experiential curve and multiplied by correction factor in different temperature and using different engine oil. It turns out different temperature especially low temperature and different oil could generate great impact on engine cranking torque， and greater viscosity， greater influence. The method mentioned in this paper could be adopted in matching between engine and starter under the condition of lacking data of cranking torque and lowest start speed， however， different battery capacity and wire resistance also have influence on starter power， it is important to make these design parameters in consistent with vehicle when taking cranking torque test.

Keywords： Start performance; Cranking torque; Starter; Temperature; Engine oil; Design matching

CLC NO.： U262.11? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-161-03

引言

起動機驅動飛輪旋轉到點火轉速，實現發動機的起動。電起動機由蓄電池供電，將電能轉化為機械能[1]。為了保證發動機起動成功，起動機的起動轉矩必須大于發動機的起動總阻力距，起動總阻力距由摩擦阻力距、初始壓縮阻力距及轉動慣量阻力距組成[2-3]。摩擦阻力矩在0℃時占全部柴油機起動阻力距的60%左右，在-10℃～-20℃時達到80%～90%[3]。

本文通過一定估算方法對不同溫度不同機油牌號對起動總阻力距的影響進行了分析研究。

1 起動的影響因素

在低溫環境下，對起動的影響因素較多，主要有起動阻力距、壓縮溫度、缸內壓力、燃油的黏度和密度、燃油系統及控制、進氣系統及控制、蓄電池電量及內阻、線阻等。本文主要為不同溫度不同牌號對柴油機起動的研究，僅對起動總阻力距、蓄電池容量對起動的影響進行簡要分析。

1.1 起動總阻力距對起動的影響

起動機輸出轉速大于柴油機最低起動轉速、起動機輸出扭矩大于柴油機低溫起動最大阻力距時，柴油機會順利起動。起動總阻力矩分為靜態阻力矩和動態阻力矩，兩者的不同在于前者是起動運行前的瞬時情況，后者為曲軸旋轉后的阻力矩。相對于前者，后者與發動機轉速密切相關。

（1）靜態阻力距

影響靜態阻力矩的主要因素為發動機工作環境溫度（包括水溫、氣溫和油溫等）、曲軸的位置、機油的粘度等級、發動機的預潤滑情況及附件驅動轉換的轉動慣量（包括風扇、空壓機、油泵以及其他負載）。環境溫度越低，靜態阻力矩越大。不同曲軸位置，配氣機構位置的不同，起動阻力也相差很大。

（2）動態阻力距

影響動態阻力矩的主要因素基本和靜態阻力矩相同，同時還有發動機的排量、壓縮比和發動機轉速[4]。

柴油機曲軸旋轉阻力距和起動轉速在低溫條件下主要受潤滑油的黏度的影響。發動機低溫情況起動時，潤滑油分子運動能量較小，且將石蠟結晶逐步析出，使粘度增大。曲軸自靜止狀態開始旋轉時，摩擦面從原有位置開始進行相對滑動，達到發動機起動所具備的最低曲軸轉速過程中，由于潤滑油粘度增加其轉動阻力增大，發動機不易著火，導致低溫起動困難[5]。

1.2 蓄電池容量及內阻對起動的影響

啟動型蓄電池目前幾乎都使用鉛蓄電池。蓄電池容量主要取決于蓄電池極板的大小。起動時，起動功率取決于蓄電池功率，即取決于蓄電池的放電電流和蓄電池端子上的電壓的乘積。端子電壓隨負荷電流增大而降低[6]。蓄電池的內阻跟電池的額定容量有關，大容量電池的內阻低，小容量電池的內阻高[7]。蓄電池的內阻也影響蓄電池的端電壓。

在低溫條件下，蓄電池電動勢變化不大，但隨著溫度的降低，蓄電池的電解液粘度增大，內阻增加。起動時，蓄電池的放電電流很大，甚至超過1000A，蓄電池的容量及端電壓明顯下降，更加大幅降低了蓄電池的輸出功率，使得起動機的拖動轉速達不到最低起動轉速，因此需要使蓄電池工作在最佳溫度區。

2 起動阻力距估算方法

起動機阻力距的估算方法除了常規理論公式計算以外，可還以采用經驗曲線進行評估。本文中進行估算的某機型排量為7.7L。

2.1 標準阻力距估算方法

標準阻力距評估經驗曲線如下圖1所示。從圖1可以看出，標準阻力距隨著排量增加呈線性正增加，但根據柴油機設計特征的不同，比如不同的壓縮比、氣缸直徑、曲柄半徑、不同的運動構件組成的轉動慣量及排氣門正時設計等，均會使得起動阻力距有所不同。

根據圖1曲線提取典型值，可以繪制成評估曲線如圖2所示及計算公式（1）為：

根據計算公式（1），算得某7.7L柴油機的標準阻力距為374N.m。

2.2 阻力距修正系數計算方法

3 對比分析

如前所述，因蓄電池容量、蓄電池端電壓隨溫度降低而減少且其內阻隨溫度降低而增大，為著重突出不同溫度不同機油牌號對起動阻力距的影響，本文假定在不同低溫環境下蓄電池開路電壓、內阻、容量、冷起動電流、線路電阻等參數保持不變，并假定機油密度恒定為0.9g/cm3。可以得出不同溫度不同機油牌號下的起動阻力距值及對比如表1。

表1進一步從數據上說明，溫度越低，0W30、5W30/40機油黏度增大，起動阻力距也增大;0W30、5W30/40在相同低溫環境下，采用5W30/40的柴油機比采用0W30的柴油機起動阻力距大，且溫度越低起動阻力距差距越大。

4 結論

（1）不同溫度不同機油牌號對發動機起動阻力距影響較大;溫度越低，機油黏度增大，起動阻力距也增大。發動機氣缸壁預熱升溫到 40℃～60℃，曲軸頸常溫為 0℃～20℃，曲軸旋轉阻力矩明顯減小，發動機潤滑條件開始形成，起動磨損可得到減少[8]。

（2）在相同溫度下，機油黏度較大的機油，相較于機油黏度較小的機油，溫度越低對起動阻力距的影響越大。

（3）本文是基于蓄電池容量、線阻等隨著溫度恒定的情況下作出的分析，雖然在缺少起動機阻力距及起動轉速數據的情況下，可以作為起動機功率匹配的一種方法，但仍需要注意在不同溫度下，蓄電池容量、線阻的變化會對起動機功率造成一定影響。

參考文獻

[1] 李蕓蕓，田生虎，盧振東等.起動機的匹配[J].汽車零部件，2015（07）： 73-74.

[2] 劉名，王保棟等.柴油機起動機匹配研究[J].汽車實用技術，2020， 312（9）：88-89.

[3] 葛朝陽，吳志鋒.柴油發動機的起動性能研究[J].內燃機與配件2010（11）：5-6.

[4] 叢孟營.電控柴油機低溫起動性能關鍵影響因素研究[D].天津：天津大學，2015.

[5] 金巧蘭.起動機與發動機的性能匹配[J].重慶理工大學學報（自然科學），2010，24（12）：127-128.

[6] 魏春源.汽車電氣與電子[M].北京：北京理工大學出版社，2004：207.

[7] 桂長清，柳瑞華.蓄電池內阻與容量的關系[J].通訊電源技術，2011， 28（1）：34.

[8] 鄂加強，彭亮龔，金科，等.一種改進的柴油機冷啟動熱力參數計算模型[J].湖南大學學報（自然科學版），2008，35（3）：32-36.