Study of the modes of operation of capacitive energy storage in the automobile engine start systems

Full Text

Введение При запуске двигателя автомобиля система электростартерного пуска (СЭП) должна обеспечивать вращение коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с пусковой частотой, при которой создаются условия для воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах. Вид используемой энергии и конструкция основного пускового устройства определяют систему электростартерного пуска. Система электростартерного пуска должна удовлетворять следующим требования: обеспечивать надежный пуск автомобильных двигателей и необходимость их быстродействия, иметь минимальную массу, размер и стоимость, удобства управления и обслуживания. В традиционной СЭП основным источником энергии является аккумуляторная батарея (АБ), которая имеет относительную большую массу и подвержена влиянию эксплуатационных факторов. Например, при низких температурах АБ становится практически не работоспособной. Стремление обеспечить работоспособность системы электростартерного пуска при низких температурах уже привело к тому, что на 1000 см3 рабочего объема двигателя автомобиля приходится от 8 до 34 кг массы СЭП, из которых 60-80% составляет АБ, изготовляемая из дефицитного свинца. Суммарная масса АБ и электростартера составляет 1-3% от массы автомобиля. Доля стартера в массе автомобильного двигателя составляет 2-6%. Поэтому стремления разработчиков направлены на снижение массы АБ как за счет оптимизации конструкции, так и за счет применения в СЭП других источников электроэнергии. Возможным путем для улучшения массо-габаритных показателей СЭП автомобильных двигателей является применение в них в качестве промежуточного источника питания электростартера емкостных накопителей энергии (НЭ). При правильном согласовании характеристик АБ (как источника энергии для заряда НЭ), оптимизации конструкции и грамотном выборе схемных решений, НЭ и стартерного электродвигателя СЭП с НЭ по своим габаритно-массовым, мощностным и энергетическим показателям могут конкурировать с традиционными СЭП с АБ. При этом также необходимо обеспечить правильное согласование характеристик элементов СЭП с НЭ. Это важно когда АБ используется не только для заряда НЭ до начала пуска двигателя и в промежутках между отдельными попытками пуска, но и для совместной работы с НЭ при питании электростартера. Цель исследований Исследование режимов работы емкостных накопителей энергии в системах пуска современного автомобильного двигателя. Средства проведения исследований На современных автотранспортных средствах основное применение находят СЭП, в которых источником энергии являются стартерные свинцовые АБ, обеспечивают надежный пуск ДВС без предварительного подогрева до температур -(20-30)°С. При температурах ниже -(30-35)°С они становятся практически не работоспособными. Это связано со значительным увеличением внутреннего сопротивления, снижением вызываемой мощности АБ, а также их отдачи по емкости и энергии с понижением температуры [1]. АБ занимают одно из первых мест среди других накопителей энергии (более 200 Дж/см3), однако имеют сравнительно большое внутренние сопротивление [2]. Из-за резкого увеличения внутреннего сопротивления и уменьшения отдачи энергии (до 5-10%) как с понижением температуры, так и с увлечением силы разрядного тока, на автомобилях используют стартерные АБ с энергией в 20-ти часовом режиме разряда, в сотни раз превышающей энергию, необходимую для осуществления пуска ДВС [3]. Анализ различных накопителей энергии показал [4], что при сравнительно небольшой удельной энергии по удельной мощности высокими показателями обладают НЭ. Благодаря значительно меньшему внутреннему сопротивлению НЭ способны быстро накапливать и отдавать накопленную энергию. Время заряда и разряда НЭ в основном определяется параметрами соответственно зарядной цепи и потребители энергии, т.е. стартерного электродвигателя соответственно [5]. Указанные преимущества (малое внутреннее сопротивление и высокая удельная мощность) позволяют использовать их в СЭП в качестве промежуточных источников тока. Накопитель энергии размещают между АБ и электростартером. Во время работы автомобильного двигателя НЭ вместе с АБ подзаряжается от генераторной установки, что обеспечивает возможность пуска ДВС после непродолжительной остановки. Перед пуском холодного двигателя батареи НЭ в течение 30-90 с заряжается от АБ (или другого источника тока), а затем в течение 1-5 с разряжается на электростартер, вращающий коленчатый вал ДВС. Выделенная энергия НЭ за короткий промежуток времени позволяет электростартеру развить значительную мощность, вращать коленчатый вал с высокой пусковой частотой и тем самым повысить надежность пуска. Так как АБ при этом разряжается на НЭ в течение более длительного времени по сравнению с продолжительностью процесса пуска, ее номинальную емкость можно существенно уменьшить [6]. В настоящее время прорабатывается возможность использования в СЭП НЭ низкого (12 В, 24 В) и высокого напряжения (до 300 В) [7]. Преимущества СЭП низкого напряжения - полная электробезопасность, лучшие согласование с существующей низковольтной системой электрооборудования и, как следствие, возможность более раннего внедрение ее не только на серийно выпускаемых и проектируемых транспортных средствах, и стационарных двигателях, но и уже находящихся в эксплуатации [8]. Преимущества конденсаторных СЭП высокого напряжения - это близкие к нулю внутренние сопротивления, небольшой величины сила тока стартера, что позволяет экономить медь стартерного провода и снизить потери мощности стартерной сети, а также возможность использования для пуска ДВС энергии электрических сетей [9]. В слаботочных цепях высоковольтных СЭП можно широко применить современные средства микроэлектроники [10]. Однако внедрение таких систем связано с заменой традиционного низковольтного электростартера на высоковольтный, создание системы преобразования низкого напряжения АБ в высокое напряжение и необходимости разработки мероприятий по обеспечению электробезопасности [11]. В лаборатории холодного пуска ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования» совместно с кафедрой «Электрооборудование и промышленная электроника» ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет» была проведена экспериментальная оценка возможности пуска автомобильных бензиновых двигателей при низких температурах СЭП с НЭ высокого напряжения (конденсаторы с напряжением 200-290 В) и низковольтных НЭ с напряжением 12-16 В [12]. Рис. 1. Зависимость мгновенных и средних параметров СЭП от времени прокручивания двигателя Программа испытаний включила прокручивание двигателя в интервале температур от 0°С до -30°С и пробные пуски при испытании электродвигателя от НЭ различной емкости. В качестве рабочего образца для данного типа исследований использовался рядный, 4-х цилиндровый двигатель, объемом 1294 см3 и максимальной мощностью 64 л.с. Энергия НЭ ограничена, поэтому после достижения максимального значения частота вращения коленчатого вала стартером nст уменьшается до нуля вследствие расходования накопленной при заряде энергия (рис. 1). При использовании в СЭП НЭ нет установившегося режима прокручивания коленчатого вала двигатели с относительно постоянной частотой вращения. На рис. 1 показано изменения мгновенных и средних значений частоты вращения коленчатого вала n и nср, вращающих моментов стартера M*ст и M*ст.ср, а также напряжение на НЭ Uс. в зависимости от времени прокручивания коленчатого вала t. В начальный момент частота вращения коленчатого вала от НЭ, с запасенной энергией 5370 Дж (емкость батареи CНЭ = 0,1277 Ф, напряжением заряда UНЭ0 = 290 В) быстро возрастает (0,3 с), после достижения максимума в течение примерно 1 с линейно уменьшается и в конце прокручивания резко снижается до 0. Стартер в начале прокручивания развивает большой вращающий момент (M*ст = 280 Н·м), необходимый для преодоления момента сопротивления и динамического момента. Затем по мере прокручивания вследствие уменьшения вязкости масла в трущихся парах двигателя момент сопротивления вращению и вращающий момент стартера уменьшаются. Напряжение на зажимах НЭ UНЭ быстрее уменьшается в начале прокручивания, когда выше момент сопротивления, вращающий момент и необходимая для обеспечения этого вращающего момента сила тока от НЭ. Частота вращения коленчатого вала n и напряжение на зажимах НЭ UНЭ снижаются линейно в конце процесса прокручивания, когда имеет место относительная стабилизация момента сопротивления, а следовательно, вращающегося момента стартера M*ст.ср и силы тока, потребляемого от НЭ. Как показали испытания, мгновенные и средние значения частот вращения коленчатого вала, время прикручивания и число рабочих ходов Nрх (угол поворота коленчатого вала до полной остановки) зависят от емкости и напряжения заряда НЭ (рис. 2-5), то есть от запасенной в нем при заряде электрической энергии. Рис. 2. Зависимость средней частоты вращения двигателя от величины емкости НЭ при различных начальных напряжениях НЭ Рис. 3. Зависимость максимальной частоты вращения двигателя от величины емкости НЭ при различных начальных напряжениях НЭ Рис. 4. Зависимость времени прокручивания от величины емкости НЭ при различных начальных напряжениях НЭ Длительность прокручивания ДВС СЭП с НЭ зависит также от температуры. Так, при наибольшей энергия конденсаторной батареи 5370 Дж понижение температуры от 0°С до -30°С приводит к снижению средней частоты вращения с 372 до 169 мин-1, количество рабочих ходов уменьшается с 24 до 4, время прокручивания с 2,32 до 0,67 сек. При накоплении НЭ энергии 2545 Дж со снижением температуры от 0°С до -30°С средняя частота вращения коленчатого вала ДВС уменьшается с 270 до 56 мин-1, количество рабочих ходов с 9 до 1, а время прокручивания с 1,1 до 0,54 с. Рис. 5. Зависимость количества рабочих ходов двигателя от величины емкости НЭ при различных начальных напряжениях НЭ Несмотря на различия в динамике процесса прокручивания коленчатого вала поршневых двигателей электростартерами при питании от АБ и НЭ, в обоих случаях механическую работу прокручивания коленчатого вала при каждой расчетной чистоте вращения следует определять по среднему значению момента сопротивления Mс на расчетных или экспериментальных зависимостях Mс = f(nср) и по времени пуска tп на экспериментальных зависимостях tп = f(nср). Сравнительную оценку СЭП с НЭ и СЭП с АБ, обеспечивающих заданные режимы вращения ДВС (nср и tп), можно проводить по параметрам НЭ и АБ, если в обоих СЭП используется один и тот же стартерный электродвигатель. Идентичность стартерного электродвигателя в СЭП как с НЭ, так и с АБ будет обеспечена при наличии одной и той же характеристики электромагнитного вращающего момента M = f(Ia) и равенстве сопротивлений стартерного электродвигателя. Характеристика M = f(Ia) для стартерного электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов будет одна и та же в СЭП с НЭ и с АБ, т.е. для обеих СЭП, при заданном номинальном напряжении Uн выбрана одинаковая частота вращения nm в режиме максимальной электромагнитной мощности. При использовании стартерного электродвигателя частота вращения в режиме максимальный электромагнитной мощности для СЭП с НЭ (nмНЭ) и СЭП с АБ(nмАБ), обеспечивающих одинаковую эффективность прокручивания ДВС, отличаются. При неизменной характеристике электромагнитного момента стартерный электродвигатель независимо от типа источника питания будет преодолевать средний момент сопротивления при том же рабочем токе якоря Ia. Выводы В результате проведения исследований режимов работы НЭ были получены экспериментальные данные, которые будут использованы при разработке СЭП с альтернативными источниками тока для различных типов ДВС в условиях низких температур, которые показали, что при достаточно высоких удельных энергиях применение НЭ позволяет повысить надежность пуска и улучшить технико-экономические показатели СЭП.

About the authors

R. A Maleev

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
PhD in Engineering

S. M Zuev

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
PhD in Physics and Mathematics

A. A Lavrikov

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
PhD in Engineering

N. P Grebenchikov

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru

References

Supplementary files