燃氣發動機用起動機適配性研究

段振濤

（廣西玉柴機器股份有限公司， 廣西 南寧 530007）

0 引言

隨著汽車排放法規的越來越嚴格，在2019 年7 月1日燃氣機已率先實施國六a 階段排放法規，在2021 年7月1 日起全面開始實施的國六a 排放法規要求， 以及2019 年7 月1 日實施3 階段油耗標準（相比二階段整車油耗降低約15%）。而燃氣發動機在排放方面具有明顯的優越性和有較高的經濟效益， 使得燃氣發動機每年都在2%～5%的增長量。 而燃氣發動機用起動機，為與同排量柴油機通用，往往都是與柴油機公用同款起動機，但燃氣發動機由于工作方式不同，點火時間與柴油機有差異，這就導致同一個起動機， 在燃氣發動機上早期失效故障比在柴油機上要高。

本文通過對故障的分析總結， 理論與試驗相結合進行闡述燃氣用起動機與柴油機匹配性的不同。

1 故障分析

1.1 故障里程統計

根據對2020 年1-5 月燃氣發動機起動機故障統計，在短短5 個月內， 燃氣用起動機故障率高達150000ppm，見圖1。

圖1 故障趨勢圖

1.2 故障里程分析

根據統計，其發生故障基本都是短里程，平均里程都小于20000km 以內，見圖2。

圖2 里程統計

1.3 故障分布分析

燃氣發動機表現的故障為發動機起動困難， 起動機表現為打滑、空轉，見圖3。

圖3 故障分布圖

2 起動機分析

2.1 起動機拆解分析

通過對起動機故障返廠拆解分析，發現起動機單向器彈簧被壓縮失效，無法恢復到工作狀態。 如圖4、圖5 彈簧失效狀態，圖6 為測量長度，正常工作長度為大于10mm。

圖4 彈簧在單向器內部情況

圖5 彈簧壓饋

圖6 彈簧長度測量

2.2 失效機理分析

單向器工作原理： 單向器彈簧自由狀態時滾柱處于楔緊狀態，當起動機轉速高于發動機轉速時， 滑座轉速高于套管轉速，帶動滾柱楔緊，滑座和套管卡死，實現力矩的傳遞；當發動機轉速超過起動機時，套管轉速高于滑座轉速，帶動滾柱進入打滑區域，滾柱壓縮彈簧，滑座和套管間的間隙大于滾柱直徑，套管和滑座解耦，實現單向功能，見圖7、圖8。

圖7 單向器裝配圖

圖8 單向器工作原理簡圖

單向器打滑失效機理：在起動機盤動發動機齒圈時，由于單向器滾柱無法順利的進入楔死區域， 起動機的軸套和滑座傳遞力矩降低，單向器發生相對轉動，發生單向器打滑。

2.3 起動工況調查

（1）第一種情況，發動機著火點轉速高，達到了280r/min以上，與柴油機著火點轉速120r/min 要高一倍多，見圖9。

圖9 起動轉速曲線

（2） 發動機在點火成功后，轉速提升的過程中，發動機轉速出現一段時間轉速有下降趨勢的狀況，出現“二次點火”，見圖10。

圖10 二次點火

（3） 數據分析。 燃氣發動機點火轉速高， 持續時間長， 起動機拖動燃氣發動機過程中伴隨著燃燒室的氣體持續燃爆， 起動過程中發生多次兩者轉速差的正反方向交替變化，即發生多次正反方向的交變沖擊，本測試數據為12 次，見圖11。

圖11 燃氣發動機起動過程單向器交變次數

柴油機點火轉速低，持續時間短、起動過程中，起動機在點火之前一直處于拖動發動機狀態， 只有點火成功瞬間，兩者轉速差第一次且僅此一次發生方向變化，即此過程中只有1 次交變沖擊，見圖12。

（4）結論。 由上述數據可知，氣體機的點火拖動轉速達到280r/min 以上，點火持續時間長，起動機單向器處在正向拖動和反向反拖（正向楔緊和反向解楔）反復沖擊；柴油機的拖動轉速為120 r/min，點火持續時間短，無反復沖擊。 根據公式P=mv（P-沖擊力，m-質量，v-速度），可以得出氣體機起動機單向器承受的沖擊力大約是柴油機的2.3 倍。 在單向器解楔的時候彈簧受到的沖擊次數多，沖擊力超出了設計承受范圍， 且由于氣體機啟動工況會對單向器造成多次交變沖擊，所以短時間內，單向器彈簧發生了壓并圈失效故障。

3 優化改進

3.1 降低起動機輸出轉速

根據上述公式P=mv， 降低沖擊力的辦法有2 種，一種是降低單向器的質量，二是降低單向器的旋轉轉速。單向器質量與強度、可靠性有關，最快捷的辦法就是降低單向器旋轉轉速，使起動機工作在正向拖動區域，以降低單向器的沖擊力，降低單向器彈簧發生壓并圈失效故障。如圖12，起動機工作區域大部分在0 點以上。

3.2 方案

氣體機起動與拖動轉速弱相關， 只要拖動轉速高于50r/min 以上就能點火，故降低拖動轉速有2 種方法：

（1）起動機內部行星輪降提高速比。該方案改起動機機構，需要做內部耐久試驗，驗證時間長。

（2）改齒輪速比，即改變起動機驅動齒輪與發動機齒圈速比。 該方案改動小，起動機為現成方案。

3.3 驗證

通過降速比驗證與不降速比對比驗證， 降速比通過了耐久試驗。

表1 對比驗證

4 結論

綜述， 燃氣發動機由于工作方式不同，燃氣發動機著火時間長，但轉速高特點，如采用共用柴油機用起動機，由于匹配點不同，會導致燃氣發動機用起動機早期失效故障高，故燃氣用起動機要經過嚴格的匹配，找到最佳匹配點，才能使燃氣發動機用起動機故障降至最低。