不同温度和机油牌号对柴油机起动的影响

刘名 王保栋 张坦志 高仲凯 宋国华

摘 要：文章介绍了起动总阻力距、蓄电池容量对起动的影响，根据经验曲线对某一排量柴油机的标准阻力距进行估算，并对该阻力距值进行了不同温度不同机油牌号下的系数修正。结果表明，温度不同机油牌号不同，对柴油机起动总阻力距都有较大影响，机油黏度越大对在低温下对阻力距影响越大。在缺少柴油机阻力距及最低起动转速试验数据的情况下，利用文章中的匹配方法可以为起动机初步设计选型提供参考。但文章是在假定蓄电池容量、线阻等参数恒定的情况下进行的分析，在实际阻力距试验时，这些设计参数需要与整车状态一致。

关键词：起动性能;阻力距;起动机;温度;机油牌号;设计选型

中图分类号：U262.11  文献标识码：A  文章编号：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

起动机驱动飞轮旋转到点火转速，实现发动机的起动。电起动机由蓄电池供电，将电能转化为机械能[1]。为了保证发动机起动成功，起动机的起动转矩必须大于发动机的起动总阻力距，起动总阻力距由摩擦阻力距、初始压缩阻力距及转动惯量阻力距组成[2-3]。摩擦阻力矩在0℃时占全部柴油机起动阻力距的60%左右，在-10℃～-20℃时达到80%～90%[3]。

本文通过一定估算方法对不同温度不同机油牌号对起动总阻力距的影响进行了分析研究。

1 起动的影响因素

在低温环境下，对起动的影响因素较多，主要有起动阻力距、压缩温度、缸内压力、燃油的黏度和密度、燃油系統及控制、进气系统及控制、蓄电池电量及内阻、线阻等。本文主要为不同温度不同牌号对柴油机起动的研究，仅对起动总阻力距、蓄电池容量对起动的影响进行简要分析。

1.1 起动总阻力距对起动的影响

起动机输出转速大于柴油机最低起动转速、起动机输出扭矩大于柴油机低温起动最大阻力距时，柴油机会顺利起动。起动总阻力矩分为静态阻力矩和动态阻力矩，两者的不同在于前者是起动运行前的瞬时情况，后者为曲轴旋转后的阻力矩。相对于前者，后者与发动机转速密切相关。

（1）静态阻力距

影响静态阻力矩的主要因素为发动机工作环境温度（包括水温、气温和油温等）、曲轴的位置、机油的粘度等级、发动机的预润滑情况及附件驱动转换的转动惯量（包括风扇、空压机、油泵以及其他负载）。环境温度越低，静态阻力矩越大。不同曲轴位置，配气机构位置的不同，起动阻力也相差很大。

（2）动态阻力距

影响动态阻力矩的主要因素基本和静态阻力矩相同，同时还有发动机的排量、压缩比和发动机转速[4]。

柴油机曲轴旋转阻力距和起动转速在低温条件下主要受润滑油的黏度的影响。发动机低温情况起动时，润滑油分子运动能量较小，且将石蜡结晶逐步析出，使粘度增大。曲轴自静止状态开始旋转时，摩擦面从原有位置开始进行相对滑动，达到发动机起动所具备的最低曲轴转速过程中，由于润滑油粘度增加其转动阻力增大，发动机不易着火，导致低温起动困难[5]。

1.2 蓄电池容量及内阻对起动的影响

启动型蓄电池目前几乎都使用铅蓄电池。蓄电池容量主要取决于蓄电池极板的大小。起动时，起动功率取决于蓄电池功率，即取决于蓄电池的放电电流和蓄电池端子上的电压的乘积。端子电压随负荷电流增大而降低[6]。蓄电池的内阻跟电池的额定容量有关，大容量电池的内阻低，小容量电池的内阻高[7]。蓄电池的内阻也影响蓄电池的端电压。

在低温条件下，蓄电池电动势变化不大，但随着温度的降低，蓄电池的电解液粘度增大，内阻增加。起动时，蓄电池的放电电流很大，甚至超过1000A，蓄电池的容量及端电压明显下降，更加大幅降低了蓄电池的输出功率，使得起动机的拖动转速达不到最低起动转速，因此需要使蓄电池工作在最佳温度区。

2 起动阻力距估算方法

起动机阻力距的估算方法除了常规理论公式计算以外，可还以采用经验曲线进行评估。本文中进行估算的某机型排量为7.7L。

2.1 标准阻力距估算方法

标准阻力距评估经验曲线如下图1所示。从图1可以看出，标准阻力距随着排量增加呈线性正增加，但根据柴油机设计特征的不同，比如不同的压缩比、气缸直径、曲柄半径、不同的运动构件组成的转动惯量及排气门正时设计等，均会使得起动阻力距有所不同。

根据图1曲线提取典型值，可以绘制成评估曲线如图2所示及计算公式（1）为：

根据计算公式（1），算得某7.7L柴油机的标准阻力距为374N.m。

2.2 阻力距修正系数计算方法

3 对比分析

如前所述，因蓄电池容量、蓄电池端电压随温度降低而减少且其内阻随温度降低而增大，为着重突出不同温度不同机油牌号对起动阻力距的影响，本文假定在不同低温环境下蓄电池开路电压、内阻、容量、冷起动电流、线路电阻等参数保持不变，并假定机油密度恒定为0.9g/cm3。可以得出不同温度不同机油牌号下的起动阻力距值及对比如表1。

表1进一步从数据上说明，温度越低，0W30、5W30/40机油黏度增大，起动阻力距也增大;0W30、5W30/40在相同低温环境下，采用5W30/40的柴油机比采用0W30的柴油机起动阻力距大，且温度越低起动阻力距差距越大。

4 结论

（1）不同温度不同机油牌号对发动机起动阻力距影响较大;温度越低，机油黏度增大，起动阻力距也增大。发动机气缸壁预热升温到 40℃～60℃，曲軸颈常温为 0℃～20℃，曲轴旋转阻力矩明显减小，发动机润滑条件开始形成，起动磨损可得到减少[8]。

（2）在相同温度下，机油黏度较大的机油，相较于机油黏度较小的机油，温度越低对起动阻力距的影响越大。

（3）本文是基于蓄电池容量、线阻等随着温度恒定的情况下作出的分析，虽然在缺少起动机阻力距及起动转速数据的情况下，可以作为起动机功率匹配的一种方法，但仍需要注意在不同温度下，蓄电池容量、线阻的变化会对起动机功率造成一定影响。

参考文献

[1] 李芸芸，田生虎，卢振东等.起动机的匹配[J].汽车零部件，2015（07）： 73-74.

[2] 刘名，王保栋等.柴油机起动机匹配研究[J].汽车实用技术，2020， 312（9）：88-89.

[3] 葛朝阳，吴志锋.柴油发动机的起动性能研究[J].内燃机与配件2010（11）：5-6.

[4] 丛孟营.电控柴油机低温起动性能关键影响因素研究[D].天津：天津大学，2015.

[5] 金巧兰.起动机与发动机的性能匹配[J].重庆理工大学学报（自然科学），2010，24（12）：127-128.

[6] 魏春源.汽车电气与电子[M].北京：北京理工大学出版社，2004：207.

[7] 桂长清，柳瑞华.蓄电池内阻与容量的关系[J].通讯电源技术，2011， 28（1）：34.

[8] 鄂加强，彭亮龚，金科，等.一种改进的柴油机冷启动热力参数计算模型[J].湖南大学学报（自然科学版），2008，35（3）：32-36.