Performance test of electric starter systems with capacitive energy storage in cars

Abstract

The article deals with the results of experimental studies of electric starter with batteries and capacitive energy storage. Estimation of efficiency of electric starter by using energy storage at low temperatures is conducted.

Full Text

В связи с наличием определенных недостатков у стартерных свинцовых аккумуляторных батарей (АБ) [1 - 4] проявляется интерес к использованию в системах электростартерного пуска (СЭП) альтернативных источников энергии, в частности емкостных накопителей энергии (НЭ). Впервые СЭП с НЭ, которые в ряде случаев могут заменить или комбинироваться с традиционной СЭП с АБ, были предложены специалистами Университета машиностроения (МАМИ) и ФГУП НИИАЭ [2, 3]. Применение в СЭП с НЭ позволяет снизить емкость АБ, их размеры, массу и стоимость. СЭП с НЭ могут обеспечить пуск двигателя при значительной степени разряженности АБ, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля, особенно в условиях низких температур. Перспективная автомобильная система пуска должна удовлетворять требованиям высокой эффективности, малого веса, небольших габаритных размеров и безопасности. Она также должна быть гибкой для возможного в будущем усовершенствования при увеличении необходимой электрической мощности. С учетом вышеизложенного необходимо создание физической модели СЭП с НЭ и АБ, исследование возможности применения НЭ в системе пуска ДВС, разработка методики расчета, экспериментальных исследований и испытаний СЭП с НЭ для ДВС автомобиля на стендах, в холодильных камерах, в условиях гаража и транспортного потока. Для решения этой задачи были проведены испытания СЭП с НЭ на автомобилях ЗИЛ-433100 и ГАЗ-6640. СЭП автомобиля ЗИЛ-433100 включает одну штатную аккумуляторную батарею 6СТ-190ТР (вместо двух), четыре накопителя энергии типа 12ПП-4/0.003, коммутационную аппаратуру и пульт управления. Накопители энергии, соединенные параллельно, и коммутационная аппаратура (три контактора, реле и ограничительный резистор сопротивлением 0,05 Ом) были смонтированы в корпусе АБ 6СТ-190ТР и составили единый энергоблок, удобно размещаемый в штатном аккумуляторном ящике автомобиля (рисунок 1). Рисунок 1. СЭП для автомобиля ЗИЛ- 433100 Пульт управления, расположенный в кабине справа от сиденья водителя, состоит из двух кнопок, вольтамперметра и счетчика числа включений стартера. Перед установкой на автомобиль макетный образец СЭП с НЭ был опробован при положительной температуре на двигателе КАМАЗ-740. При использовании одной щелочной батареи 10НКП-90 и четырех НЭ типа 12ПП-4/0.003 СЭП обеспечила прокрутку двигателя с частотой 214 мин-1 в начале 1-й секунды и 140 мин-1 в конце 5-й секунды. Однократный заряд НЭ позволил осуществить пуск двигателя четыре раза. На автомобиле заряд НЭ осуществляется от одной батареи типа 6СТ-190 путем нажатия кнопки на пульте управления. Заряд НЭ контролируется по вольтметру пульта управления. По достижении напряжения 12+0,5 В или снижении тока заряда до нуля кнопка отпускается и СЭП готова к работе. При нажатии второй кнопки пульта управления НЭ переключается на последовательное соединение с АБ и стартером. С этого момента стартер начинает работать до тех пор, пока напряжение на НЭ не понизится до 4 В. Процессы, происходящие в СЭП при прокручивании двигателя ЗИЛ-645, показаны на рисунке 2, а при пуске - на рисунке 3. В конце прокрутки стартер автоматически отключается. Применение в СЭП автомобиля 4-х НЭ типа 12ПП-4/0,003 и специальной схемы их включения позволило исключить одну штатную аккумуляторную батарею. Несмотря на уменьшение количества батарей в два раза, работоспособность СЭП сохранилась и двигатель автомобиля пускается с одной-двух попыток при температурах до минус 190С. Одного заряда НЭ до 12 В достаточно на три пуска прогретого двигателя. При более низких температурах пуски двигателя не производились. Рисунок 2. Прокрутка двигателя ЗИЛ-645 от НЭ и АБ: 1 - ток стартера ; 2 - напряжение стартера ; 3 - напряжение АБ ; 4 - напряжение НЭ Рисунок 3. Пуск двигателя ЗИЛ- 645 от НЭ и АБ: 1 - ток стартера ; 2 - напряжение стартера ; 3 - напряжение АБ ; 4 - напряжение НЭ Перед пуском автомобиль находился на открытой площадке не менее 18 часов. Перед каждой попыткой пуска НЭ заряжались от батареи, установленной на автомобиле, в течение 60 с. Холодный пуск двигателя без использования средств облегчения удалось осуществить с первой попытки при температуре минус 60С. При температуре минус 80С четыре попытки пуска оказались неудачными. При температуре минус 10С одного заряда НЭ до 12 В достаточно на три пуска двигателя. После трех пусков напряжение НЭ упало до 8 В и на 4-й попытке пуска стартер не включился. Холодный пуск с использованием электрофакельного устройства (ЭФУ) удалось осуществить при снижении температуры до минус 110С. Время разогрева свечей ЭФУ до загорания контрольной лампы при их первом включении составило 90 - 100 с. Перед второй попыткой пуска при повторном включении свечей продолжительность их разогрева снижалась до 60 - 70 с. Пуск разогретого предпусковым подогревателем двигателя происходил на первой попытке. Пуски производились при температурах минус 16 и 190С после разогрева двигателя в течение 22 мин. Как правило, пуск двигателя при непредельных температурах осуществлялся с первой попытки. Отказов в работе СЭП с НЭ за весь период испытаний не происходило. На автомобиле ГАЗ-6640 установлен дизельный двигатель ГАЗ-542. Штатная СЭП включала стартер 30.3708 и четыре аккумуляторные батареи 6СТ-55, В состав опытной СЭП входили две батареи 6СТ-55 и один НЭ типа 24ПП-30/0.003. Батареи, установленные на автомобиле, были соединены последовательно и обслуживали бортовую сеть. Накопитель использовался только при пуске двигателя. Остальное время он был отключен от бортовой сети. Перед каждым пуском НЭ с помощью контактора подключался через ограничительный резистор к АБ и заряжался. Степень заряда НЭ оценивалась по яркости свечения контрольной лампочки, подключенной параллельно НЭ. Контактор и ограничительный резистор были закреплены непосредственно на НЭ. Управление контактором осуществлялось из кабины водителя. Характер протекания процессов при прокрутке двигателя ГАЗ-542 отражен на рисунке 4. Накопитель, предварительно заряженный до 22,2 В обеспечил прокрутку разогретого на холостом ходу двигателя в течение 3,7 с при снижении напряжения до 12 В и в течение 6,5 с до отключения стартера при напряжении 4 В. Среднее значение тока составило при этом 200 А, а энергия отданная накопителем при разряде до 12 В составила 200 А 3,7 с (20+12)/2=11840 Дж. НЭ типа 24ПП-30/0.003 при температуре 200С разряжается током 200 А до напряжения 12 В в течение 4 с и отдает при этом 15,6 кДж. Учитывая, что температура НЭ на автомобиле составляла минус 60С и что он был заряжен только до 22 В, то можно говорить о хорошем совпадении результатов. Рисунок 4. Прокрутка прогретого на х.х. двигателя ГАЗ-542 от накопителя энергии 24ПП-30/0.003 при температуре 6 ( Для сравнения на рисунке 5 показаны прокрутки двигателя ГАЗ-542 от 4-х АБ типа бСТ-55 при разных температурах. Сравнение показывает, что НЭ обеспечивает такую же частоту прокручивания на 1-й - 2-й секундах, как и четыре АБ 6СТ-55 при положительной температуре. Рисунок 5. Прокрутка двигателя ГАЗ-542 от 4х АБ типа 6СТ-55 при разных температурах (1 - -15 ; 2- -10 ; 3- -5 Таким образом, можно сделать вывод о том, что один НЭ типа 24ПП-30/0.003 может обеспечить надежный пуск двигателя ГАЗ-542 при температуре минус 60С. При более низких температурах пуски не производились. Испытания показали, что для автомобильной техники в целях упрощения схемы коммутации наиболее рациональной является схема СЭП с постоянным параллельным подключением НЭ и АБ. Применение НЭ в СЭП позволяет обеспечить более надежный пуск двигателя при низких температурах в сравнении со штатными аккумуляторными батареями.