带有保护器的汽车起动机耐久实验平台的系统设计

刘广达，李嘉贤，吴英男，徐治强

（辽东学院机械电子工程学院，辽宁丹东118003）

【机械与电子工程】

带有保护器的汽车起动机耐久实验平台的系统设计

刘广达，李嘉贤，吴英男，徐治强

（辽东学院机械电子工程学院，辽宁丹东118003）

针对带有保护器的汽车起动机的特点设计了一种节能型耐久实验平台，首先分析起动机保护器功能的具体需求，对起动机耐久实验平台的硬件结构和启动逻辑进行了优化，分析了测试程序中的典型故障逻辑，在实施了起动机的有效耐久测试的同时，通过发电机回收了发动机能源，最后通过实践证明了系统设计的有效性。

起动机；保护器；耐久测试

汽车起动机是汽车点火的核心装置，容易因为人们的使用不当而发生故障，尤其是发动机启动后对起动机的反拖，会加速单向器、转子、电刷和齿轮的磨损，极大缩短了起动机的寿命。为了降低发动机的故障率，发动机制造商要求起动机必须配备智能保护器，它的作用是防止二次启动及反拖的发生从而更好的保护起动机［1］。验证起动机保护器的有效性，评价起动机的运行状态，评估保护器对起动机耐久性的影响等是发动机制造商重点关心的问题，需要对新型起动机进行能力评估和寿命预测［2］。而传统的起动机耐久实验主要存在以下问题：（1）按照耐久标准要求，起动机给电需要超过4 s，在没有保护器的系统中必须采用开关电源作为能源装置以确保能量供应，因此无法激活起动机保护逻辑，也就无法对其耐久性进行验证；（2）由于采用开关电源，发动机将空转6 s，没有任何能量回收，造成了大量的能源浪费；（3）起动机测试平台没有保护器的逻辑判断，无法对保护器的保护作用进行评价［3-5］。为此文章首先分析了保护器的工作逻辑，在起动机测试标准的基础上，设计了能够满足保护器测试的时序逻辑，并根据时序逻辑的需求设计了基于PLC的分散式控制系统，并结合起动机的需求对典型的判断逻辑进行了分析和表达。设计了新的能量供给系统，以回收由于发动机空转所带来的能量消耗。

1 保护器原理和测试系统状态需求

耐久测试装置控制系统要首先满足保护器工作的具体逻辑和特点。如图1所示为起动机工作时的汽车电瓶电压状态，在起动机工作后电压首先出现波动，约1.1 s以后发动机点火成功，则电瓶两端电压回升超过20 V以后认为起动机启动完成，保护器断开供电，启动完成。

图1 启动过程的电压状态

根据起动机耐久测试标准，汽车起动机要启动汽车发动机，需要经过“死启动”、“活启动”和“超越”三个阶段［6］。汽车起动机耐久测试要模拟汽车启动的整个过程。耐久测试的时序逻辑如图2所示，其中油门和点火逻辑是耐久测试要求的测试过程［7］。其中，T1：充电器接触器断开至起动机继电器开始通电间的时间，防止充电电压对试验系统的影响，约0.2～0.5 s；T2：起动机继电器通电后，发动机不给油时间，即起动机死拖时间，0～5 s；T3：起动机继电器总通电时间，约3～5 s；T4：发动机总给油时间，约6～10 s；T5：发动机断油熄火至充电器接触器再次闭合时间，约0.2～0.5 s；T6：循环周期时间，约30 s。

在未使用保护器的时候，起动机会在发动机启动后被发动机反拖，起动机至少要有6 s的带电状态，消耗的电能大，所以需要使用开关电源拖动起动机。而采用保护器之后，在正常状态下给定油门1 s之内发动机就会启动完成，起动机停止工作，电能消耗被终止，所以整体消耗的电能和发动机所产生的电能基本平衡，系统需要检测电瓶两端的电压，当电瓶电压低于23 V时候才利用发动机空闲时间对电瓶进行充电［8］。为此，在新系统设计过程中需要充分考虑电能的回收和利用。

图2 起动机耐久实验平台的时序逻辑

2 控制系统硬件设计

结合起动机耐久测试的标准逻辑和时序构建的控制系统硬件系统如图3所示，其中开关电源柜为28 V充电电路，负责为电瓶充电，单个开关电源柜可以负责多个耐久测试单元的充电；分散式控制系统采用PLC对某个耐久测试单元进行控制；汽车发动机为起动机的耐久提供基础平台，发电机则用于对电瓶充电，同时模拟真实汽车电瓶的工作状态，以激活保护器的保护功能。起动机、发电机和发动机构成了测试平台的汽车动力系统的基本单元。

主要的信号检测及逻辑如表1所示，1#、4#、5#、6#、7#用于电瓶状态的控制和检测，其中6#和7#用于检测电瓶的电量；2#、3#、8#、9#、10#、11#、12#、13#用于对汽车动力系统的基本状态进行控制和检测，发动机和起动机的检测信号采用接近开关将齿轮的转动转换为电脉冲信号。

耐久系统采用分散式控制系统模式，由测试平台模块和监控系统构成，系统最多支持10个测试平台同时工作，主通讯采用西门子的ProfiBus现场总线。其中测试平台由分散式控制单元进行具体控制和监视；监控系统则负责整体测试平台的状态数据监控、保存、分析和记录。

图3 起动机耐久测试系统硬件结构

表1 信号功能及名称

续表1信号功能及名称

3 测试系统的程序设计和评价逻辑

除了主程序外还需要对整个系统的状态进行判断，主要逻辑描述如下：

(1)起动成功：起动机断电1 s后，如果发动机转速超过设定值则启动成功。

(2)起动失败：起动机断电1 s后，若发动机没有转速则判定为起动失败。

（3）顶齿：起动机通电后1 s，电瓶电压大于22 V，继电器线圈有电压，起动机开关无电压，开关触点不通。

（4）铣齿：起动机通电后1 s，电瓶电压大于22 V，继电器线圈有电压，起动机有转速信号，发动机无转速。

图4 测试平台的控制系统逻辑图

（5）保护器不通电：通电1 s，电瓶电压大于22 V，继电器线圈无电压。起动继电器触点不通。

（6）保护器提前断电：通电后，电瓶电压大于22 V，继电器线圈有电压，起动机开关有电压，发动机有转速，但在起动机断电前0.2～0.3 s测不到发动机转速。

（7）开关触点粘连：起动机停止供电信号给出后1 s，继电器线圈无电压，起动机开关有电压，发动机有转速。

（8）起动继电器触点粘连：起动机停止供电信号给出后1 s，继电器线圈有电压，起动机开关有电压，发动机有转速。

（9）保护器直通：发动机断油后5 s，给起动继电器线圈输出端5 V电压0.5 s，若起动继电器线圈输出端对B-直通，则保护器内部直通，保护器损坏。

（10）发电机不发电：起动机断电后，发动机断油前，发动机转速超过设定值，若B+端电压持续升高超过25.8 V，判定为发电机发电；B+端电压不持续升高，在发动机断油前0.5 s，B+电压上升不到25.8 V，判定为发电机不发电。

（11）充电逻辑：发电机停止供电后，电瓶两端电压低于23 V则开始使用开关电源充电，并记录充电的次数。

4系统实现测试系统的实现及节能对比

根据以上方案设计了某型6缸发动机起动机的测试平台，如图5所示为实现该平台的硬件结构，及分布式控制单元；图6为分布式控制单元的触摸屏截图。

图5 耐久测试系统的实现

在改测试平台上配置400 A的起动机，并配备75A的发电机进行10万次耐久测试过程中所得的详细输入如表2所示，实践表明带有保护器的启动电机可以承受4万次的耐久测试而基本保持良好的状态，而且启动成功和保护成功的比率很高，而保护器从给油门到断开平均时间小于1 s。经过对比测试，整体实现能量回收70%，整体能源需要很少的补充就能完成系统测试。

图6 耐久测试系统的上位机截图

表2 实验结果

5 结论

文章对带有保护器的起动机耐久测试系统的时序逻辑进行了分析，并搭建了耐久系统的硬件结构并设计了典型故障的判断逻辑。实践结果表明，本设计可以用于评估保护器对起动机的保护状态，评价带有保护器之后起动机的耐久性，并且整个系统充分利用了发动机的能源进行充电，减少了额外充电次数，大量的节省了能源。

［1］黄正午，王昕利.汽车起动机保护电路的设计［J］.装备制造技术，2016（8）：92-98.

［2］张军.汽车用起动机台架耐久试验标准解读［J］.汽车电器，2012（7）：63-65.

［3］管功湖，赵小明.基于PLC的汽车起动机耐久性试验系统［J］.微特电机，2009（7）：26-28.

［4］张宗法.汽车起动机性能测试系统设计［D］.东北大学硕士论文，2010（6）：7-21.

［5］董卫方.车辆起动机性能自动测试平台的设计［D］.东北大学硕士论文，2012：9-25.

［6］王文林.新型汽车起动机综合测试设备的研制［J］.工程设计学报，2003，10（4）：183-186.

［7］杨亭、李民锋.汽车起动机性能自动测试系统研究与应用，2005（6）：89-92.

［8］金巧兰.起动机与发动机的性能匹配［J］.重庆理工大学学报（自然科学版），2010，12（24）：127-152.

（责任编辑：龙海波）

Durability experiment platform system design of auto starter with protector

LIU Guang-da，LI Jia-xian，WU Ying-nan，XU Zhi-qiang
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Eastern Liaoning University，Dandong 118003，Chin）

An energy-saving durability experimental platform was designed according to the characteristics of the automobile starter with protector.The requirements for the starter protector to realize its function was analyzed.The hardware structure and enable logic of the starter durability experiment platform were optimized. The typical fault logic in the test program was analyzed.As ensuring the durability test of the starter，the energy of the engine was recycled with an electric generator.Finally，the practical results show that the design is effective.

auto starter；protector；durability experiment

TM33

A

1673-4939（2017）03-0164-04

10.14168/j.issn.1673-4939.2017.03.03

2017-04-05

刘广达（1980—），男，辽宁葫芦岛人，博士，讲师，研究方向：机械电子。