機車自動怠速熄火零件耐久試驗

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機車自動怠速熄火零件耐久試驗

葉信甫

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、吳澤松

¹

、吳至詠

³

、潘俊皓

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、蔡宗憲

³

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崑山科技大學機械工程系(教授)

2

崑山科技大學能源與機械工程系(博士生)

3

崑山科技大學機械工程系(碩士生)

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E-mail: tiger72f@hotmail.com

環保署/國科會空污防制科研合作計畫編號: NSC 99-EPA-M-007-001

摘要

本研究以實動機車引擎在實驗機台上反覆重覆啟動的測試方式，分析探討機車實施怠速熄火之啟動相關零件的耐久性測試，以提出零件可靠度之分析。測試重點零件為啟動馬達、啟動盤、電瓶，研究其耐久性及是否有其它相關零件在此試驗下會有影響。

結果顯示機車啟動零件若長期反覆啟動下，主要會損壞的部份為啟動馬達，因啟動馬達的碳刷磨耗情況呈線性磨耗，故其使用壽命為可預測且有一定的可靠性範圍。本次使用之實動機車引擎其啟動盤之設計為濕式離合器，經實驗反覆啟動引擎 160,000 次後，並無明顯損壞及磨耗情況，而電瓶在經實驗後，結果顯示若應用在實際機車使用情況下，可能反而有助電瓶壽命的增長。

關鍵詞：耐久性測試、怠速熄火、啟動馬達

1.前言

因應近來推動汽、機車反怠速的政策，禁止汽、機車長時間怠速，甚至機車六期環保法規可能會強制導入機車自動怠速熄火裝置，未來機車引擎啟動相關零件的使用形態勢必會與過去完全不同。

過去機車在發動後以至到達目的地，機車大多只執行一次啟動引擎的動作，而在禁止長時間怠速的策略下，機車在第一次發動引擎以至目的地前，會增加多次的引擎熄火、重新啟動引擎的動作，次數視路程長遠及中間遇到車輛暫停行駛的機會而定，如在都市，大大小小的交通號誌或交通顛峰時段的塞車，都可能是車輛暫停行駛的原因，一趟短短的路程即可能讓引擎重覆啟動多次，機車啟動零件使用頻率將以多倍數的增加。

故未來引擎啟動的相關零件之可靠性著實重要，若其耐久性不足勢必要有所改進提升，本實驗主要研究測試未來加裝機車怠速熄火裝置後，機車長期反覆重新啟動引擎對啟動馬達、啟動盤、電瓶及週邊零件的影響，

將可進一步瞭解機車怠速熄火對機車啟動裝置耐久性問題，同時也希望可以進一步提出增加零件可靠度之改善策略，以協助未來環保署推動機車怠速熄火，改善市區空氣汙染等問題。

2. 研究動機與目的

科技的進步給人類帶來很大的便利，交通也從步行、獸力…等，到現在的汽、機車。人類移動的速度愈來愈快，距離愈來愈遠，但隨即而來的卻是對地球環境嚴重的傷害。

近年來，溫室效應驟日嚴重，地球生態與氣候的異常變化，已經不是地球的自淨能力所能負荷的。如今大自然所有的生物都面臨到威脅，而空氣汙染更是造成全球氣候異變的主要元兇。除了研究以科學的方式來彌補已造成的傷害，找出各種替代科技或是改變行為，以能儘量不影響現今科技帶來的方便又能有效率的減少汙染量，應是我們現今研發討論的重點。

台灣地狹人稠，汽機車密度高居世界第一，是造成都會區空氣品質不良主因。機動性極高的機車是最目前最普及的交通工具，在台灣超過一千萬輛的機車，密度每平方公里高達三百卅輛以上，過去的研究發現，機車排放廢氣，騎士 30 秒內就得吸入一氧化碳 400ppm，如是正對著前方機車排氣管，十秒內就吸入高達 750ppm 的一氧化碳[1][2][3][4]。一氧化碳無色無味，常期過量吸入可能造成人體血液和組織中氧氣過低而中毒，除騎士外，也嚴重影響到行人、單車騎士及其他用路人。推行反怠速，怠速時熄火是可以讓我們在享受便利的同時也減少對環境的一些傷害。

環保署委託屏東科技大學所作的研究顯示，估計如全國實施怠速熄火，每年汙染物可減少排放一氧化碳兩千七百噸、碳氫化合物一百七十噸、二氧化碳三萬四千噸。[5]可見怠速時所造成的環境汙染與無效利用的能源粍損不容小覷，為了人們的生長環境不被遭到破壞，進一步的影響生活品質，我們應該想盡辦法來保護地球，

減少它的負擔也等於減少人類的負擔。

在國外，許多先進國家怠速熄火的相關法規已行之有年，在日本，早在 2005 年，在巴士上就安裝引擎怠速熄火裝置，也鼓勵人民購買裝有怠速熄火裝置的汽機車。香港更是從 2001 年九月起便推動停車熄火，並製作停車熄火指南給民眾參考，請民眾配合停車時關掉引擎，減少排放廢氣。國外有些城市甚至規定，特別需要安寧的住宅區、醫院、學校等，禁止任何車輛怠速。

反觀國內，如要強制推行此計畫，一定引起大眾相

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--- 當大的反彈。因這些為了環保所做的舉手之勞，與過去

的用車習慣有相當大的不同。未來所衍生的零件耗損問題也讓人有所疑慮，且相關的研究也尚未周全，不足以說服民眾接受此環保計畫的新運動。

本研究重點在於協助評估機車怠速自動熄火裝置的可行性，並經實驗分析及預測後續在未來此裝置對使用者或車體零件可能產生的影響，並希望提出可能的改善方法及規畫未來實行的策略

3.研究方法

本研究工作重點為完成機車啟動裝置耐久測試機台，以耐久測試實驗分析零件可靠度，並希望提出增加零件可靠度之可能改善對策、熄火後無法順利啟動之可能性與安全機制，並提供未來機車怠速熄火之管制方法或建議。

探討機車實施怠速熄火後之車體零件的耐久性分析，並提出改善方法，首要研究方向為研究分析機車怠速熄火裝置對啟動馬達的影響，將可進一步瞭解機車怠速熄火對機車啟動裝置耐久性問題，同時也可以進一步提出增加零件可靠度之改善對策，以協助環保署推行 機車怠速熄火，改善市區空氣汙染等問題。

研究方向之研究方法及實驗方法如下:

3.1 研究方法：

機車怠速熄火裝置實際使用上，在台灣行駛間停停走走的用車環境，對於機車啟動馬達及電瓶壽命影響極大，雖然啟動馬達在原本使用上是不容易損壞之零件，

但因為實施機車怠速熄火，或加裝機車自動怠速熄火裝置後，機車長期反覆熄火後又啟動，原本啟動馬動作動時間暫用車時間比例微乎其微的使用環境，隨著配合機車怠速熄火策略，車輛熄火後，必頇重新啟動的動作，

啟動馬達作動次數大量增加，啟動馬達壽命更是快速縮短，電瓶充放電的次數也跟著增加，尤其啟動馬達作動時的瞬間大電流對電瓶壽命更是一大的致命傷[6]。

故本研究針對馬達啟動裝置耐久試驗，設計實驗機台，如圖 3-1 所示，並將引擎運轉情況依行車型態模擬實際行車模式。

以機車實動引擎經本試驗在實驗機台耐久測試後，因模擬行車型態，可增加實驗數據之可靠性，並在未來相關法規推動以及自動熄火裝置研發上，提供可靠的參考。模擬實驗流程圖如圖 3-2 所示。

圖 3-1 機車啟動裝置圖

選定市售車輛啟動裝置

將啟動裝置安裝於建構測試平台

反覆啟動5000次為一週期

量測啟動馬達損耗程度量測電瓶效能檢查周邊零件是否良好

引擎啟動周邊零件不良

引擎啟動周邊零件良好

記錄數據並分析

圖 3-2 模擬實驗流程圖

3.2 實驗方法

本研究參考數種市售機車，建立實驗機台，針對市售 125cc 噴射機車引擎及所使用的啟動馬達及電瓶做反覆啟動耐久實驗，最後採三陽 GR-125 噴射機車引擎做為本次實驗的實動引擎，將實動引擎架上實驗機台，反覆啟動引擎，以測試啟動馬達及啟動盤等，機車啟動零件於機車自動怠速熄火策略下的耐久性馬達及電瓶需以新品做為研究標準

進行步驟:

(1) 量測並記錄馬達碳刷、換向片及齒輪的新品狀況，

(2) 量測並記錄新電瓶的內阻

(3) 確認油箱油量及引擎是否可正常運轉 (4) 模擬機車行車型態運轉引擎，怠時區域引擎

熄火，起步時引擎重新啟動

(5) 其間因使用行車行態方法故電瓶同時模擬日常使用充放電情況

(6) 反覆實驗累紀達五千次時，量測並記錄馬達碳刷及齒輪的狀況

(7) 量測並記錄電瓶的內阻

(8) 反覆進行步驟(3)(4)(5)(6)(7)，每達累積次數便量測並紀錄啟動馬達及電瓶狀況

(9) 預估啟動馬達及電瓶壽命

(10) 在達啟動馬達不良及電瓶效率不佳時記錄實驗次數

(11) 進行下一組啟動馬達及電瓶實驗 (12) 紀錄實驗結果及分析

(13) 提出改善機車啟動效能之方法

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4. 結果與討論 4.1 零件損壞原因調查

本研究工作目前已完成搜集並探討機車啟動周邊零件的損壞原因，機車的啟動週邊零件主要分別為電瓶、線路、繼電器、啟動馬達、啟動盤，及傳動齒輪，

除查訪民眾日常維修最直接的民間機車行，另外也搜集並拆解各項損壞的啟動相關零件，經搜集資料及拆解已損壞零件後，分別得到以下幾項損壞原因：

1.電瓶(圖 4-1)的損壞原因主要為，不當的使用方式造成過度放電，或因零件損壞造度充電，有以下幾種:

(1) 使用者在熄火後，電門開關長時間誤開 (2) 長時間做短程代步車，造成電瓶長期充電不足 (3) 引擎啟動不良

(4) 整流器損壞，造成過充，或充電不足

圖 4-1 電瓶

2.啟動馬達(圖 4-2~4-3)除因引擎經改裝壓縮比，造成啟動馬達負荷過大，減短使用壽命外，通常正常使用下的馬達不易損壞，都是正常磨耗致壽命終止，啟動馬達不良有以下幾點：

(1) 馬達碳刷磨損，如圖 4-4 所示 (2) 馬達換向器過度磨損，如圖 4-5 所示 (3) 線圈短路，如圖 4-5 所示

(4) 齒輪磨耗，如圖 4-5 所示

圖 4-2 啟動馬達

圖 4-3 啟動馬達分解圖

圖 4-4 啟動馬達碳刷磨損

圖 4-5 啟動馬達線圈短路及換向器過度磨損、齒輪磨耗 3.啟動盤(圖 4-6~圖 4-7)分為乾式跟溼式，損壞有以下幾種，乾式啟動盤常見有不正常的偏磨耗，乾式啟動盤因置於變速箱內，傳動系統磨耗所產生的粉塵及由外界進入的塵土，都會加速啟動盤的磨耗，溼式因在曲軸箱內則無此問題，通常是經使用十萬公里以上才有彈簧不良以致啟動不良的問題。

(1) 單向軸承的滾柱磨損 (圖 4-7)

(2) 彈簧彈性疲乏，或金屬疲乏造成斷裂(圖 4-8) (3) 啟動盤上的螺絲損壞鬆脫 (圖 4-9)

(4) 熄火時，因 CDI 不良造成多放一次電，引擎反轉對啟動馬達造成傷害

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圖 4-6 啟動盤分解圖

圖 4-7 啟動盤滾柱磨損

圖 4-8 啟動盤彈簧損壞

圖 4-9 啟動盤螺絲損壞鬆脫

4.2 維修成本調查

表 4-1 維修成本調查

零件項目 使用里程及年限 維修成本 啟動馬達

25000km 以上 1200-2200 元

啟動盤

20000-30000km(乾式) 700-1200 元

電瓶

2 年 700-1200 元

4.3 啟動馬達測試結果

本次測試啟動馬達 A 與啟動馬達 B，測試過程紀録其啟動電流，於啟動次數累記達五千次時為一檢查點，

檢查及量測啟動馬達各項數據是否超出原廠指定標準。

實驗結果如下：

圖 4-10 為啟動馬達 A 碳刷磨耗曲線，啟動馬達 A 總啟動次數為 61240 下，由此圖得知碳刷磨耗為線性磨耗，初期因磨合的關係磨耗程度會較大，之後正常磨耗為 5000 公里磨耗 0.08-0.12mm 碳刷厚度，啟動馬達 A 在碳刷尚未耗盡即損壞，損壞原因為線圈燒毀(圖 4-15) ，判斷由於啟動馬達之油封在使用次數達 55000 次之檢查點時即出現損壞，造成引擎機油滲入啟動馬達，使得馬達換向片與碳刷接觸面持續接觸機油，形成積碳，當積碳過多以至積於換向片之間的溝槽時，線圈持續短路，造成啟動馬達不良，減短使用壽命。

圖 4-10 啟動馬達 A 測試結果圖

圖 4-11 為啟動馬達 A 馬達線圈各項的磨耗情況，

分別為換向器外徑、啟動馬達外蓋軸承內徑，線圈主軸外徑，由圖 4-11 可知，換向器磨耗在 5000 次檢查點時，即過磨合期之後直至馬達損壞皆無明顯磨耗，而外蓋內徑在 25000 次的檢查點才磨合完畢，與外蓋軸承配合的線圈主軸則是在 10000 次的檢查點即完成磨合。

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圖 4-11 為啟動馬達 A 馬達線圈磨耗圖

圖 4-12 為啟動馬達 A 齒輪破壞寬度，因啟動馬達 A 為第一顆測試馬達，在啟動次數達 20,000 次檢查點時，發現齒輪有破壞現象，如圖 4-14 所示，且其破壞的程度有隨啟動次數而漸長，但直至啟動馬達 A 壽命終止前並無影響引擎的啟動，啟動馬達作動也一切正常

圖 4-12 為啟動馬達 A 齒輪破壞寬度

圖 4-13 馬達線圈燒毀

圖 4-14 齒輪磨耗

圖 4-15 油封損壞滲油

圖 4-16 為啟動馬達 B 碳刷磨耗曲線，啟動馬達總啟動次數為 115000 次，由此圖得知碳刷磨耗情況與啟動馬達 A 相同為線性磨耗，初期因磨合的關係磨耗程度會較大，之後正常磨耗一樣為每 5000 公里磨耗 0.08-0.12mm 碳刷長度，啟動馬達 B 在啟動次數達 115000 次後，尚未有油封損壞的情形，除了碳刷正常磨耗外，馬達其餘規格尚無明顯變化，但齒輪有明顯破壞痕跡，如圖 4-14 但不足以影響啟動馬達使用壽命，

且碳刷長度離規定長度尚餘 1mm 之上，估計至少還可使用四萬次

圖 4-16 啟動馬達 B 測試結果圖

圖 4-17 為啟動馬達 B 馬達線圈各項的磨耗情況，

由圖可知，啟動馬達 B 之換向器磨耗直至 15000 次檢查點時才完全磨合，過磨合期之後直至馬達損壞皆無明顯磨耗，而外蓋內徑在 15000 次的檢查點時磨合完畢，與外蓋軸承配合的線圈主軸則是在 10000 次的檢查點即完成磨合。

圖 4-17 為啟動馬達 B 馬達線圈各項的磨耗情況圖

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--- 圖 4-18 為啟動馬達 B 齒輪破壞寬度，由圖我們可

以知道啟動馬達 B 齒輪破壞情況，如圖 4-14 所示，破壞的程度隨啟動次數而漸長，但直至啟動馬達 B 壽命終止前並無影響引擎的啟動，啟動馬達作動也一切正常

圖 4-18 為啟動馬達 B 齒輪破壞寬度

4.4 電瓶測試結果

圖 4-19 為電瓶內阻與 CCA 經啟動測試 110000 的測試結果，結果顯示電瓶內阻在啟動次數達 75000 次後，內阻值才開始有明顯的上升，最大內阻為

11.36mΩ，一顆損壞的電瓶，內阻會高達 30mΩ 以上，

電瓶正常使用下，壽命約為兩年，正常壽命應比啟動馬達短，但由於使用形態的改變，估計反而有助電瓶壽命的增長，因為過去電瓶除了啟動引擎時的耗電量較大外，其餘時間都是在充電或自然放電的狀態，長期下來電瓶活性物質劣化，內阻升高以至壽命減短，所以引擎啟動頻率的增加，電瓶的放電次數也跟著增加反而增長的電瓶的使用壽命。

圖 4-19 電瓶內阻紀錄

4.5 啟動盤測試結果

此次測式之實動引擎 SYM GR125 引擎所使用的啟動盤為溼式單向離合器式啟動離合器，正常使用壽命皆有 8~10 萬使用里程以上，故截至實驗停止十六萬次啟動測試後，除彈簧 K 值略有衰退的現象外，其餘零件皆無明顯耗損如圖 4-21~25

圖 4-20 為啟動盤經 140000 次的啟動測試後，止堆彈簧的彈力變化，彈簧 A 在初期彈簧 k 值為 2.7g/mm

在 12 萬次的啟動測試後 k 值降至 2.6g/mm 並持平，彈簧 B 在初期彈簧 k 值為 2.8g/mm，在四萬次測試檢查點後，彈簧 k 值曲線與彈簧 A 相同，在 12 萬次的啟動測試後 k 值降至 2.6g/mm 並持平，彈簧 C 初期 k 值為 3g/mm 略高於彈簧 A 與彈簧 B，之後等差下降，四萬次為 2.9g/mm,八萬次為 2.8g/mm 十二萬次為 2.7g/mm，

最後十六萬次時 2.6g/mm 與彈簧 A、B 相等。

圖 4-20 彈簧 K 值變化

圖 4-21 啟動離合器外蓋

圖 4-22 啟動離合器啟動齒輪盤

圖 4-23 啟動離合器惰輪

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圖 4-24 啟動離合器滾柱溝槽

圖 4-25 啟動離合器滾柱及彈簧

4.6 其他實驗結果

如圖 4-26 所示，在測試期中，我們發現多次的引擎啟動失敗，或是啟動後熄火的原因是由於火星塞因積碳而點火不良所造成的，此現象發生在啟動次數 15,000~25,000 間，推估是因為引擎在加速階段是開迴路設計會有油氣過濃的情形，在加速後即熄火，多餘的油氣會來不及燃燒完全，且引擎執行啟動動作時，也會增加噴油量，燃燒不完全是積碳的主因。因為長期累積的積碳，而使火星塞點火不良是實驗期間造成引擎啟動不良的主要原因。

圖 4-26 火星塞積碳

5.結論與建議

5.1 結論

經本次研究工作測試結果，我們可以得知，啟動馬達損壞主要原因為碳刷正常磨損，磨損速度會因引擎啟動時間的長短累積而定，而其他損壞原因如線圈燒毀，

是因不正常積碳，或是引擎啟動方式不當所造成的，油封的使用壽命也有可能因啟動馬達不正常使用所造成的高溫而減短。

而電瓶的使用，因怠速自動熄火的實施而改變其使用型態，以測試結果來說，電瓶壽命反而有增無減。因電瓶除了啟動時會有大放電量外，其他時間都在充電。

過去放電次數甚少，電瓶都是在接近充飽電的情怳下浮充，而現在充放電的頻率增加，反而使得電瓶可以長時間保持活性，減緩劣化速度。啟動盤因本次測試的啟動盤為溼式離合器式，故無明顯磨損情形，彈簧劣化的速度也甚緩，故溼式離合器為一不易損壞之啟動零件

未來如實施機車自動怠速熄火，以屏東市的行車型態來說，如每日行駛 6.79KM，時間八分多鐘的機車使用型態來說，啟動馬達維修成本為一萬公里約新台幣 1200~2200 元的維修成本，但電瓶壽命的增長，也相對減少了同樣使用條件的維修成本

5.2 建議

一顆健康狀況良好的引擎會有啟動不良的原因有很多，如電瓶損壞，充電系統故障或電瓶不正常放電所造成的啟動電力不足，實驗測試期間，出現幾次火星塞因積碳所造成的點火不良，而使引擎啟動不易或是啟動失敗，甚至啟動後熄火的情況，由此知道引擎的噴油量控制尚有改善的空間

此次研究工作發現，引擎啟動相關零件壽命已有相當的可靠度，但啟動馬達若能增加碳刷使用長度，必能使啟動馬達使用壽命大為成長，減少民眾維修成本，而乾式啟動離合器的磨耗問題，主要由乾式啟動離合器置於傳動箱與傳動系統一起，故有傳動系統粉塵，及散熱對流所帶進的灰塵所造成的不正常磨損，未來若能改用溼式離合器，或加強防塵，必能增加其效益

機車啟動系統的使用壽命終究歸於引擎啟動時間的長短及是否正確的使用啟動系統，一顆健康狀況良好的引擎，熱車後的啟動時間極短，未來如果民眾能有妥善保養的觀念，及了解啟動系統的使用方法，減少不當使用，未來維修成本的疑慮便迎刃而解

參考文獻

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碩士論文，朝陽科技大學環境工程與管理系，台中市，台灣，2007。

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