車輛低溫起動試驗數據分析及處理方法

劉立盟，緱宇翔，李爽，朱汗青，賈子永

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072； 2. 32184部隊，北京 100072）

引言

低溫環境試驗室氣候環境模擬試驗是檢驗車輛環境適應性的有效手段之一，其可以不受自然環境條件的制約，極大地縮短試驗周期并且試驗環境條件具有可重復性。車輛動力艙內結構緊湊、空間狹小，難以布置傳感器。因此冷起動過程中車輛狀態不易檢測。通過對以往的試驗過程中，起動電流的數據整理分析，可以得出起動電流與車載電池性能、發動機各氣缸磨損狀態、起動電機性能等的對應關系。以間接測量的方式獲取車輛起動過程中車輛狀態數據。本文通過分析起動電流波形數據，得出起動電流能夠反映出的車輛狀態，從而分辨出試驗過程中車輛冷起動失敗的主要因素。

1 車輛低溫起動性能影響因素分析

車輛在嚴寒條件下起動性能下降主要原因是由起動阻力增大、低溫狀態下柴油機燃燒不充分和起動力矩下降三方面構成，如圖1所示。

起動阻力方面，由于溫度降低會導致潤滑油粘度增大、流動性差，易造成各摩擦面之間供油不足，摩擦阻力增大，曲軸旋轉阻力矩也增加，最終導致柴油機無法達到最低起動轉速，降低起動性能。

柴油機燃燒狀態方面，在起動過程中，需要缸內氣體達到一定的壓力和溫度后，才能壓縮自燃。發動機在低溫環境中，進氣溫度低，并且缸內氣體與缸壁通過熱交換造成大量熱損失，導致壓縮終點溫度和壓力均無法到達起動的必要條件。柴油機的壓縮過程為多變壓縮過程，其前后的空氣溫度基本符合以下公式：

式中：

Tca—壓縮始點溫度，K；

Tco—壓縮終點溫度，K；

εcc—有效壓縮比，εcc=（0.8-0.9）εc；

εc—壓縮比；

同時，發動機在低溫狀態下起動時轉速低，難以形成活塞環與汽缸壁之間的密封油膜，壓縮過程中的漏氣量增大、壓縮比下降，降低起動性能。因此需要提高柴油機冷起動轉速，縮短冷起動時的有效壓縮時間，減少柴油機漏氣和熱損失[1]。

起動力矩方面，起動電機是將蓄電池的電能轉化為機械能驅動飛輪旋轉。起動力矩與電流之間的關系為：

式中：

Tem—起動力矩；

CT—轉矩常數；

Φ—電機磁通，在電機工作時可以近似看做不變；

Ia—起動電流。

可以得出起動力矩Tem與起動電流Ia，起動電流Ia與蓄電池容量SGB有關。根據以往經驗推算，鉛酸蓄電池容量SGB在低溫-20 ℃條件下為常溫條件下的70 %。因此極寒條件下的蓄電池容量衰減可能會導致起動力矩不足以將柴油機拖動至最低起動轉速[2]。

2 起動電流參數分析和數據采集

2.1起動電流波形的本質

柴油機冷起動過程中，首先需要由起動電機拖動發動機至最低起動轉速。隨發動機轉速不斷上升，柴油機開始間斷發火。當發動機做功超過發動機及車輛內部阻力后，起動電機逐步停止工作，由發動機自身繼續提高轉速，最終完成低溫起動。就單個氣缸而言，壓縮沖程的阻力明顯增大，起動電流增大；過了壓縮行程上止點后氣體膨脹做功，起動電流減小。因此對于四沖程柴油機，起動過程中發動機曲軸每轉兩周，起動電流出現與氣缸數相同的波峰和波谷。

2.2起動電流與車輛狀態的關系

由之前的分析可知，車輛低溫狀態下蓄電池性能下降。車輛低溫起動試驗開始時，起動電流的峰值和蓄電池電壓壓降可以直接反映出電池在該環境溫度下的性能。

起動電機拖動過程中，電機與發動機曲軸直連，在不考慮連接打滑的情況下，起動電流的波形周期可以間接反映出柴油機轉速。通過與常溫試驗發動機起動轉速和發動機廠提供的最低低溫起動轉速數據，可以評判低溫狀態下起動電機的能力是否滿足要求。

起動過程中，壓縮沖程阻力明顯增大，導致起動電流增大。由于發動機各氣缸磨損程度不同，因此起動電流相鄰波波峰值不同。相鄰電流波峰值的偏差可以間接平均發動機各氣缸磨損均勻性。發動機磨損后，壓縮沖程漏氣量增大，降低發動機起動性能。

2.3 試驗數據采集與試驗方案

2.3.1 試驗車輛參數

試驗用車輛發動機為電控柴油機，最大功率420 kW。車輛技術指標見表1。

表1 試驗車輛參數

2.3.2 試驗方案

1）試驗前檢查車輛各系統，確保車輛各系統處于正常狀態，停放至低溫試驗室內，記錄行駛里程、行駛時間、蓄電池電壓等狀態參數；

2）將試驗時將環境溫度降溫至（-43±2） ℃穩定后，開始保溫24 h；測量發動機冷卻液、發動機機油、蓄電池外殼溫度為（-43±2）℃時開始車輛低溫起動試驗，記錄起動電流及起動電壓。

3 試驗數據處理

由于試驗過程中存在干擾問題，得到的起動電流數據存在奇點和毛刺。因此通過去除奇點和Butterworth低通濾波器去噪的方法對試驗數據進行預處理。

3.1 去除奇點

起動電流數據采集過程中，由于存在干擾，導致某些數據點突變，如圖2所示。首先對于信號序列進行差分運算，然后將差分值過大的點按如下方式處理。可以看到奇點被剔除。

圖2 起動電流信序列的差分

3.2 Butterworth低通濾波器濾波去噪

去除奇點后，起動電流波形中仍含有較多毛刺，繼續利用Butterworth低通濾波器進行濾波，以得到較為平滑的起動電流波形曲線。巴特沃斯濾波器的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。

Butterworth濾波器公式：

式中：

n—濾波器的階數；

ωc—截止頻率=振幅下降為-3分貝時的頻率；

ωp—通頻帶邊緣頻率；

處理后的起動電流波形圖如圖3所示。

圖3 濾波去噪后起動電流曲線

4 .試驗數據處理及分析

4.1 鉛酸蓄電池低溫性能分析

鉛酸電池的容量與電解液粘度和電阻有密切關系。低溫環境中，電解液粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低，導致持續放電能力下降；電解液的電阻增大，電化學反應阻力增加，導致蓄電池容量下降。經過實測，硫酸粘度在-40 ℃時為常溫狀態下上千倍，電阻率為常溫狀態下的7倍[3]。因此統計起動過程中，電池的初始電壓，最低電壓和最大電流、作為低溫狀態下蓄電池性能的參考數據。

分別對-43 ℃和-20 ℃進行低溫起動試驗的起動電流進行處理。得到曲線圖如圖4所示。試驗車輛蓄電池狀態數據如表2所示。隨溫度下降車輛內部阻力上升，應該由更大的驅動力矩才能使車輛順利起動。但實際測試過程中-43 ℃起動試驗拖動過程中，電機平均拖動功率小于-20 ℃試驗工況。可以得出隨溫度下降，車載蓄電池性能下降明顯。

圖4 試驗起動電流、電壓曲線圖

表2 試驗車輛蓄電池狀態數據

4.2 拖動過程中起動電機總做功及平均功率計算

根據電工學原理，起動電機拖動過程中做功等于

對總起動過程中功率P時間t積分，得到該時間段的起動電機做功，用W·h表示。得出結果后進一步計算平均功率如圖5所示。

圖5 起動電流做功曲線

得到本次試驗拖動時長26.67 s，總做功1.5 W·h，平均功率5.41 kW，沒有到達起動電機最大功率。

4.3起動轉速分析

由于被試車輛搭載的是六缸柴油機，發動機一個完整工作循環會出現六個電流峰值，發動機曲軸旋轉兩圈。因此通過計算每3個波峰值間距時間可計算得出發動機此時轉速。為減小誤差，利用多次測量求平均的方法測量起動電機拖動末期的波形周期，得到此狀態下起動電機能夠給發動機提供的轉速，如圖6所示。試驗選取一次成功起動和一次未成功起動起動電流數據，通過計算兩次試驗波形周期分別為0.39 s和0.17 s，對應發動機起動轉速為51.28 r/min和120.0 r/min。第二次試驗拖動轉速明顯高于第一次。由此可見起動電機未能拖動發動機至最低起動轉速為第一次起動失敗的原因。

圖6 起動電機不同拖動速度起動電流曲線

4.4發動機磨損程度分析

柴油機隨著使用時間的增加，氣缸磨損程度隨之增加。磨損程度較大的氣缸在冷起動試驗中，壓縮沖程所需起動力矩低。因此柴油機一個工作循環內，各起動電流峰值差可以估算柴油機磨損程度。試驗被試車輛搭載的柴油機使用保險期為350 h。分別選取兩臺行駛時間不同的車輛進行低溫冷起動試驗，所得起動電流波形如圖7所示。可以看出行駛時間長的車輛起動電流峰值差明顯大于行駛時間短的車輛，進而可以推斷氣缸磨損程度大[4]。如圖7所示，試驗1車輛行駛時間為50摩托小時，試驗2車輛行駛時間為300摩托小時。試驗1車輛柴油機氣缸磨損程度明顯低于試驗2車輛。

圖7 不同磨損程度柴油機起動電流曲線

5 結論

1）起動電流的電流峰值與電壓壓降可以判斷出蓄電池在低溫條件下的性能；

2）起動電流的波形周期可以大致判斷出起動電機拖動柴油機的轉速；

3）起動電流相鄰峰值差可以判斷柴油機各個氣缸間的磨損程度和壓縮漏氣量；

4）通過以往歷史數據總結和零部件廠家提供的最低起動轉速、蓄電池設計壓降范圍等數據可以初步判斷車輛低溫起動失敗的原因。