发动机低温阻力矩研究

陈 东

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438）

本文的研究对象是发动机的低温阻力矩。在起动机功率设计中，功率等于阻力矩乘以转速，再除以常数，低温阻力矩是最关键的参数。但也是一个很难给出的参数，行业内极少有主机厂或者发动机厂能给出这个参数，没有这个参数，起动机功率只能凭经验进行设计，很容易出现功率过高或者过低的情况，过高导致起动机和蓄电池成本增加，过低会导致低温启动困难。本文以上汽大通VM2.8L柴油机为基础，进行低温阻力矩的研究，计算出低温阻力矩及总结出低温阻力矩的计算公式。

1 发动机低温阻力矩计算思路

在进行这项研究时，最开始以发动机低温阻力矩反算进行。因此，思路是从低温冷启动入手，通过冷启动的数据，结合起动机的功率曲线，进行发动机低温阻力矩反算。主要步骤如下。

1）对整车进行冷启动拖动试验 （也可选取起动前拖动部分数据），采集蓄电池两端电压、起动机两端电压、起动电流、发动机转速。

2）数据整理分析，得出蓄电池开路电压U和起动回路总的内阻R，发动机平均拖动转速n，拖动平均电流I。

3）通过U和R模拟出起动机的性能曲线，通过平均电流I查找到对应起动机扭矩Ts，通过起动机速比i反算出发动机阻力矩T。

2 基于VM2.8发动机低温阻力矩计算过程

基于VM2.8发动机，进行了多次冷启动实验，通过实验数据进行低温阻力矩的计算。

2.1 数据采集布点

首先要进行冷启动实验，实验中需要采集相关的参数，实验布点图见图1。

2.2 数据处理及分析

1）低温平均拖动电流 将蓄电池电压、起动机B+电压、电流做出曲线，在曲线上选取一段数据进行分析，计算出这一段的平均拖动电流IAVG=511A。如图2所示。

2）蓄电池开路电压 选取计算平均电流的一段数据对应的蓄电池电压和起动电流做一个散点图，添加趋势曲线，得出电压与电流的关系，如图3所示。

通过图3得出：蓄电池开路电压U=11.1V。

3）起动回路内阻 选取计算平均电流的一段数据对应的起动机B+电压和起动电流做一个散点图，添加趋势曲线，得出电压与电流的关系，斜率为起动回路总内阻，如图4所示。

图1 冷启动实验数据采集布点图

图2 冷启动数据

图3 蓄电池电压与电流线性关系

图4 起动机端电压与起动电流线性关系

通过图4得出，起动回路电阻R=6.4mΩ。

4）起动阻力矩 通过计算出的开路电压和整个回路线阻模拟出性能曲线或者在台架上实测性能曲线，从中找出IAVG对应起动机扭矩Ts，图5为11.1V／6.4mΩ对应起动机性能曲线，通过曲线得出511A电流对应的起动机扭矩Ts为14.98Nm。

图5 起动机功率曲线图

这里需要说明一下为什么不直接用起动机图纸中的功率曲线。其中不同的开路电压及回路内阻起动机的功率曲线图是不一样的。例如11V／6.4mΩ对应的曲线和12V／6.7mΩ对应的曲线都是不一样的，因此我们需要在与实际起动情况对应的图上找到所需要的需求。

5）发动机阻力矩计算 有了以上冷启动数据，对应的起动机扭矩，发动机阻力矩就很好得出了，乘以速比即为发动机阻力矩。T=14.98×110／9=182.97Nm。

以上为典型的发动机低温阻力矩计算案例及计算过程。

2.3 发动机低温阻力矩散点分析

进行一项研究时，只做一次实验肯定不行，因此进行了多次冷启动实验，进行低温阻力矩散点分析。同样方法进行了多次冷启动后计算出的发动机低温阻力矩散点图如图6所示，可以看出还是比较集中。

图6 发动机低温阻力矩散点图

2.4 发动机低温阻力矩与输入条件之间的关系

以上的计算，获取了很多参数作为输入条件进行低温阻力矩计算，有了大量数据，看看发动机低温阻力矩与输入条件的关系，看看能否总结出规律。

为了找出在低温冷启动系统中阻力矩与输入条件的关系，选取了开路电压、平均拖动电流、总内阻3个因素进行了分析。如图7～图9所示。

图7 阻力矩与电流关系

图8 阻力矩与总内阻的关系

图9 阻力矩和开路电压的关系

通过以上分析，发动机低温阻力矩与拖动电流线性关系，R2=1，说明相关性100%。为何如此线性，笔者进行了资料查阅及研究。

线性关系的原因为：起动机输出扭矩T=转矩常数×电流，起动机输出扭矩只与电流相关。

因此针对于VM2.8发动机阻力矩，简易算法为：Y=0.5483X-97.079。

式中：Y——发动机阻力矩；X——平均拖动电流。

注：此公式只适用于VM2.8发动机，并且配法雷奥TS24-25起动机情况，因为不同的起动机，扭矩与电流的线性关系公式不同。

2.5 低温阻力矩计算公式总结

通过起动机反算发动机阻力矩，可以通过起动机扭矩和电流关系再乘以速比得出所配发动机阻力矩计算公式：Y=（k×X+b）×n，再通过冷启动试验得出X值，即可计算出发动机阻力矩。

式中：Y——发动机阻力矩；k——起动机扭矩与电流关系系数；b——起动机扭矩与电流关系常数；n——发动机与起动机速比；X——冷启动试验平均拖动电流。

例：VM2.8发动机阻力矩计算公式：Y=（0.0449×X-7.9428）×12.2。

2.6 低温阻力矩计算公式应用情况

笔者将总结出的计算公式及方法应用至了笔者公司开发的D20柴油机项目上，V90 D20项目实车首次冬标一次启动成功，并且在T70项目上，对蓄电池容量进行了优化，将蓄电池容量由110Ah降低至90Ah。经过冷启动实验及冬标实验，均无冷启动问题，解决了设计冗余，节省了整车开发成本。

3 结论

本文通过冷启动实验，进行发动机低温阻力矩计算研究，总结出了低温阻力矩计算公式。但是此方法为反算，需要有先行条件，必须先有发动机，然后再进行冷启动实验，即可获得发动机阻力矩。但是行业内发动机开发比整车开发早，一般在有了发动机台架后，便可按此方法进行计算。然后根据此方法得出发动机低温阻力矩，用于整车起动机和蓄电池设计，可以大大提高设计准确性，提升冷启动性能以及节省不必要的冗余成本。