Starting device with a molecular energy store

Abstract

The article presents the classification of auxiliary power sources and starters, sets out the basic requirements for them. The authors revealed the possibilities and prospects for use of molecular energy storage as a part of starters. Described are the developed portable starting device PPU-14 and test results.

Full Text

Пуск автомобильных двигателей вызывает особые затруднения в зимний период, осо- бенно в холодных климатических зонах, когда требуются значительные трудовые и энерге- тические затраты, которые весьма продолжительны по времени и могут быть причиной больших простоев автомобиля. Для нормального функционирования автотранспорта в се- верных районах идут по пути улучшения пусковых качеств двигателей внутреннего сгорания (ДВС) за счет технических характеристик систем электростартерного пуска (СЭП). Применяемые на автомобилях СЭП постоянно совершенствуются за счет оптимизации конструкций стартеров и применения новых типов необслуживаемых стартерных свинцовых аккумуляторных батарей (АБ) [1 - 4]. В стационарных условиях хранения военной автомо- бильной техники (ВАТ) для пуска ДВС применяют различные пусковые устройства. Все это позволяет повысить надежность пуска автомобильных двигателей. Однако в связи с наличием определенных недостатков у стартерных свинцовых АБ проявляется интерес к использованию в СЭП и в составе вспомогательных пусковых устройств (ПУ) альтернативных источников энергии, в частности молекулярных накопите- лей энергии (МНЭ). Применение МНЭ позволяет снизить емкость АБ, их размеры, массу и стоимость. СЭП и ПУ с МНЭ могут обеспечить пуск двигателя при значительной степени разряженности АБ, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля, особенно в условиях низких температур. Перспективные химические источники тока (ХИТ) должны удовлетворять требованиям высокой эффективности, малого веса, небольших габаритных размеров и безопасности. Они также должны быть гибкими для возможного в будущем усовершенствования при увеличе- нии потребной электрической мощности. В этой связи весьма актуальной является задача разработки для объектов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ) источников электрической энергии с высокими тех- нико-экономическими показателями. Вспомогательные источники энергии для СЭП ДВС или ПУ предназначены для ис- пользования в качестве внешних источников электрической энергии при пуске двигателей внутреннего сгорания военной автомобильной техники с номинальным напряжением систе- мы электростартерного пуска 12 и 24 В, для бронетанковой техники с номинальным напря- жением 24 и 48 В в полевых условиях и в условиях паркового хранения. К ПУ можно отне- сти переносные и передвижные пусковые устройства (ППУ), а также пуско-зарядные устройства (ПЗУ). Как правило, ПУ подключаются параллельно штатной аккумуляторной батарее авто- мобиля и обеспечивают запуск двигателей в случаях, когда АБ разряжена, не может обеспе- чить СЭП требуемым количеством энергии и когда АБ неисправна или вообще отсутствует. Применение ПУ в воинских частях, где остро стоит вопрос с обеспечением АБ техники, позволит частично решить эту проблему в случае экстренного одновременного выхода тех- ники (например, по тревоге). Наиболее востребованы ПУ в частях, где техника в больших количествах находится на хранении (на базах хранения), а также где техника хранится и эксплуатируется при низких температурах (ниже минус 30 оС). Производя пуски ДВС после пе- рерыва в эксплуатации или после хранения от ПУ, штатные АБ освобождаются от пиковой нагрузки. Тем самым обеспечивается надежность пуска и продлевается срок службы штат- ных АБ. Таким образом, можно сформулировать основные требования к пусковым устройствам: энергоемкость ПУ должна быть таковой, чтобы обеспечить возможность повторных пус- ков ДВС в соответствии с требованиями к СЭП (ОСТ 37.001.052-87); обеспечение электрической энергией СЭП ВАТ и БТТ с номинальными напряжениями 12, 24 и 48 В; возможность подключения к бортовой электрической сети всех образцов ВВСТ; обеспечение работоспособности при температуре окружающего воздуха от минус 50 до плюс 50 оС; возможность подключения к внешней электрической сети; обеспечение подвижности; простота в эксплуатации; масса и размеры должны быть минимальными; ресурс работы (срок службы) должен быть равен или больше ресурса работы штатных источников электрической энергии. Классифицировать ПУ можно по следующим признакам: напряжению питания (12 В, 24 В, 48 В, 12 и 24 В, 24 и 48 В); способу применения (стационарные, переносные, передвижные); типу источника электрической энергии (от внешней электрической сети 220 или 380 В, химических источников тока, автономных генераторов, комбинированных источников тока); способу управления (механическое, электрическое, электронное). Тип и мощность применяемого ПУ зависит от состава и численности автомобильного парка. При индивидуальном использовании в гаражах с малым числом машин наибольшее применение получили переносные компактные зарядно-пусковые устройства с номинальным напряжением 12 и 24 В. Их основное назначение - подзаряд АБ и облегчение пуска ДВС ав- томобиля от штатной АБ. В автопарках с большим количеством техники, на базах хранения и тому подобное ши- роко используются передвижные автономные ПУ с ХИТ (химическими источниками тока) или автономными генераторами. Данные ПУ позволяют производить пуск двигателей не- скольких машин, расположенных на открытых стоянках без использования электроэнергии внешней сети. В настоящее время предприятиями ЗАО «ЭЛИТ» г. Курск (таблица 1) и ЗАО «НПО «ТехноКор» г. Москва (таблица 2) (рисунок 1) освоено производство ПУ, ППУ и передвиж- ных автономных агрегатов с применением молекулярных накопителей энергии. Таблица 1 Технические характеристики пусковых устройств двигателей внутреннего сгорания ЗАО «ЭЛИТ» Переносное пусковое устройство Старт-03.4: напряжение бортовой сети 12 В; максимальное напря- жение заряда 14,5 В; энергозапас 4 кДж; электрическая емкость 55 Ф; номинальный ток раз- ряда 600 А; масса 6 кг; продолжительность заряда 1-2 мин. Гаражная пусковая универсальная установка Гарпун-Миди: напряжение бортовой сети 24/12 В; максимальное напря- жение заряда 28/14,5В; энергозапас 60 кДж; электрическая емкость 210/830 Ф; номинальный ток раз- ряда 3 000-6 000 А; масса 95 кг; продолжительность заряда 1-2 мин. Переносное пусковое устройствоГарпун-Мини: напряжение бортовой сети 12 В; максимальное напря- жение заряда 14,5 В; энергозапас 10 кДж; электрическая емкость 140 Ф; номинальный ток раз- ряда 1 500 А; масса 15 кг; продолжительность заряда 1-2 мин. Гаражная пусковая универсальная установка Гарпун-М: напряжение бортовой сети 24/12 В; максимальное напря- жение заряда 28/14,5В; энергозапас 200 кДж; электрическая емкость 700/2 800 Ф; номинальный ток раз- ряда 10 000 А; масса 150 кг. Рассмотрим основные преимущества данных ПУ. Основным отличием является то, что источником электрической энергии в данных ПУ служат молекулярные накопители энергии (МНЭ). МНЭ для систем пуска двигателей внутреннего сгорания - сверхвысокоемкие конден- саторы, оптимизированные для разряда высокими плотностями тока. Применение МНЭ обеспечивает гарантированный запуск ДВС при отрицательных тем- пературах до минус 50 °С, что важно для районов Крайнего Севера, а также для решения за- дач приведения в готовность специальной техники в любых погодных условиях. Применение МНЭ позволяет произвести гарантированный пуск ДВС даже при наличии старой, неисправной или глубоко разряженной батареи, не способной давать требуемый ток прокрутки стартера, но способной зарядить малым током МНЭ. МНЭ экологически чистый источник тока. Во время хранения и эксплуатации он не выделяет в окружающую среду никаких веществ. МНЭ полностью безуходен и не требует обслуживания в течение всего срока эксплуатации. Нет также проблем с утилизацией отра- ботанных МНЭ, так как они не содержат токсичных компонентов. Таблица 2 Технические характеристики энергоагрегатов серии АЭ-1 «НПО «ТехноКор» Модель агрегата АЭ-1-3 АЭ-1-4 АЭ-1-6 Тип МНЭ МНЭ-180/28 МНЭ-180/28 МНЭ-210/28 Количество МНЭ, шт. 2 4 6 Электрическая емкость батареи МНЭ, Ф 360 720 1 260 Ток/время заряда батареи МНЭ 65 А / 4 мин 65 А / 6 мин 65 А / 15 мин Мощность пускаемых двигателей, кВт (л.с.) до 368(500) до 735(1 000) до 1 103(1 500) Напряжение системы пуска, В 12 и 24 12 и 24/48 24/48 Максимальный ток разряда, А 2 000 2 500 3 000 Тип пускаемых двигателей бенз./диз. бенз./диз. диз./ГТД Полная масса, кг 290 403 544 Габаритные размеры, мм: 1 600 1 800 1 800 длина с ручкой ширина 900 900 900 высота 1 300 1 300 1 300 Рисунок 1. Автономный энергоагрегат АЭ-1-3 МНЭ не боится глубоких разрядов, переполюсовок, короткого замыкания. Заряд батареи МНЭ производится от автономного бензогенераторного агрегата питания или любого внешнего источника постоянного тока (АБ, выпрямителя, сварочного аппарата), а разряд на СЭП производится в режиме штатного пуска. В Рязанском высшем воздушно-десантном командном училище (РВВДКУ) разработано переносное пусковое устройство ППУ-14, предназначенное для использования в качестве вспомогательного внешнего источника электрической энергии при пуске ДВС ВАТ с номи- нальным напряжением бортовой сети 12 В в полевых условиях и в условиях паркового (га- ражного) хранения, а также в условиях, усложняющих пуск ДВС, например в зимний период эксплуатации ВАТ. В качестве источника электрической энергии в ППУ-14 использован молекулярный накопитель энергии типа МНЭ-40/14 (ЗАО «НПО «ТехноКор»). ППУ-14 конструктивно выполнено в виде контейнера (сварного корпуса из стального профиля). Для работы контейнер имеет одно положение: вертикальное. Общий вид устрой- ства показан на рисунке 2. С тыльной стороны контейнера крепится розетка внешнего запуска типа ПС-315. На крышке контейнера размещаются приборы управления: контрольно-разрядная лампа, вы- ключатель накопителя энергии, вольтметр, выключатель вольтметра и контрольно-разрядной лампы. Рисунок 2. Общий вид переносного пускового устройства ППУ-14 ППУ-14 укомплектован пусковым проводом длиной 1,5 м (рисунок 3), обеспечиваю- щим его подключение к бортовой сети автомобиля. Пусковой провод оснащен двумя кабель- ными вилками (типа ПС-315) для подключения ППУ-14 к образцу ВАТ, имеющему розетку внешнего запуска ПС-315, а также двумя зажимами типа «крокодил» для подключения ППУ- 14 к выводам аккумуляторной батареи образца ВАТ, не имеющего розетку внешнего запуска ПС-315. Рисунок 3. Пусковой провод для ППУ-14 Перед подключением пускового провода ППУ-14 к розетке внешнего пуска образца ВАТ или к его аккумуляторной батарее переносное пусковое устройство необходимо заря- дить от внешнего источника тока. О режиме разряда и заряда накопителя энергии свидетель- ствуют показания вольтметра и яркость горения контрольно-разрядной лампы. Также кон- трольно-разрядная лампа подключается к накопителю энергии с помощью выключателя пе- ред постановкой переносного пускового устройства ППУ-14 на хранение для разряда нако- пителя энергии. В лаборатории кафедры автотехнического обеспечения и парке РВВДКУ были произ- ведены испытания переносного пускового устройства ППУ-14 с целью проверки произве- денных расчетов, работоспособности ППУ-14 и определения оптимальных режимов работы. Результаты испытаний показали, что продолжительность зарядки накопителя энергии зависит от начального (остаточного) напряжения. Так, например, продолжительность зарядки практически разряженного накопителя энергии типа МНЭ-40/14 до напряжения 14 В со- ставляла 43-69 с. В реальных условиях эксплуатации случаи полной разрядки МНЭ будут достаточно редки. Обычно же, судя по результатам пусковых испытаний двигателей [4], остаточное напряжение составляет 7-9 В (для СЭП с номинальным напряжением 12 В). В этом случае время зарядки МНЭ не превышало 30 с. Интересно отметить, что по результатам испытаний изменение температуры МНЭ практически не влияет на продолжительность его зарядки. На следующем этапе испытаний с помощью диагностического оборудования были произведены измерения силы стартерного тока при пуске двигателя ЗМЗ-414 от различных источников электроэнергии. Результаты испытаний обработаны и представлены в виде графиков на рисунках 4 и 5. На рисунке 4 представлены зависимости пусковых токов от МНЭ, заряженного до различных значений напряжения. Максимальное значение силы стартерного тока получено по- сле заряда МНЭ до U = 14 В от генераторной установки автомобиля и составило I = 460 А. Минимальное значение силы стартерного тока, при котором двигатель пустился, составило I = 290 А, при этом МНЭ был заряжен от АБ до U = 8,5 В. При заряде МНЭ до 6,5 В - двига- тель не пустился. 1 1 2 3 4 2 3 Рисунок 4. Зависимости силы тока МНЭ- 40/14 от степени его заряда: 1 - сила тока МНЭ-40/14 при заряде до U=14 В; 2 - сила тока МНЭ-40/14 при заряде до U=11 В; 3 - сила тока МНЭ-40/14 при заряде до U=10 В; 4 - сила тока МНЭ-40/14 при заряде до U=8,5 В Рисунок 5. Зависимости силы тока от различных источников энергии: 1 - сила тока МНЭ-40/14 и АБ 6СТ-55; 2 - сила тока МНЭ-40/14; 3 - сила тока АБ 6СТ-55 На рисунке 5 представлены зависимости пусковых токов при пуске двигателя от раз- личных источников электрической энергии. Полученные графики ярко показывают преиму- щества использования в качестве источника электрической энергии для СЭП МНЭ. На гра- фиках видно, что максимальная сила стартерного тока от энергоблока, включающего АБ и МНЭ, более чем в 2 раза превышает пусковой ток от АБ. Так же ток нарастает до своего мак- симального значения на 25 мс раньше, а пуск двигателя происходит на 0,5 с быстрее. При заряде МНЭ до напряжения 14 В в начальный момент нагрузку при проворачива- нии коленчатого вала при пуске двигателя берет на себя накопитель энергии, тем самым раз- гружая АБ. Участие в проворачивании коленчатого вала АБ принимает меньше. Большую часть времени при пуске двигателя коленчатый вал вращается за счет МНЭ. Это обеспечива- ется за счет того, что МНЭ имеет малое внутреннее сопротивление и благодаря этому имеет способность в короткий промежуток времени отдавать накопленную энергию. Анализируя полученные результаты и подводя итог, можно сделать заключение, что применение МНЭ повышает электрические и эксплуатационные показатели источников тока для СЭП [6, 7]. Причём эффективность использования МНЭ зависит от их заряженности. В качестве рекомендаций предлагается при пуске ДВС подряд нескольких автомобилей заряд МНЭ производить от генераторной установки пущенного двигателя, что обеспечит макси- мальный заряд МНЭ и разгрузит АБ автомобиля от режима заряда МНЭ.