Parameters of engine’s electrical starting system with alternative supply sources

Abstract

The paper proposes to use capacitive energy storage in electrical starting system of an engine. The paper presents the results of numerical studies on the effect of revolutions on the basic characteristics of electrical starting system for internal combustion engine with capacitive energy storage.

Full Text

Одной из основных характеристик, оказывающих значительное влияние на параметры системы электростартерного пуска (СЭП) с аккумуляторными батареями (АБ) является пусковая характеристика двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с помощью которой определяется минимальная пусковая частота вращения. Пусковые характеристики ДВС при различных температурах определяются экспериментально и представляют собой зависимость времени пуска tп от средней частоты вращения коленчатого вала ДВС. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса прокручивания ДВС СЭП с емкостными накопителями энергии (НЭ) показывают, что время пуска может быть существенно уменьшено (особенно при питании от высоковольтных НЭ), чем при питании от АБ. Однако до настоящего времени отсутствуют пусковые характеристики ДВС СЭП с НЭ. Поэтому для расчетов СЭП с НЭ необходимо использовать пусковые характеристики ДВС СЭП с АБ. При установке на ДВС СЭП с НЭ пуск может произойти на начальной стадии прокручивания коленчатого вала, когда частота вращения превышает расчетное среднее значение nср, что является одним из возможных преимуществ СЭП с НЭ. Однако для обеспечения необходимого уровня частоты вращения в начальной стадии пуска ДВС СЭП с НЭ должна быть рассчитана на прокручивание коленчатого вала в течение времени tпр, которое может превышать время пуска tт. Если запуск ДВС не осуществлен за одну попытку, то общее время пуска будет зависеть от числа попыток прокручивания Zп. При этом можно уменьшать время одной попытки tпр, увеличивая число попыток пуска Zп. Тогда по пусковым характеристикам ДВС tп = f(nср) для каждого значения средней пусковой частоты вращения nср может быть определено время одной попытки прокручивания: tпр = . Таким образом, увеличение числа попыток пуска Zп, при общем времени прокручивания tп позволяет уменьшить время одной попытки прокручивания tпр. При этом уменьшается требуемая для запуска ДВС механическая энергия, что должно позволить уменьшить габаритно-массовые показатели СЭП. Однако этот вопрос до настоящего времени ни экспериментально, ни теоретически не изучен, поэтому в данной статье представлены результаты теоретического исследования по влиянию числа попыток пуска на основные параметры СЭП с НЭ для ДВС со штатным стартерным электродвигателем (СЭ). В этом случае исходными данными являются пусковые и механические характеристики ДВС при пусковой температуре, тип СЭ, суммарное активное сопротивление СЭ Rcm, номинальные рабочие характеристики СЭ, передаточное число редуктора привода U. Процесс пуска ДВС при питании от емкостных накопителей энергии (НЭ) существенно отличается от процесса пуска при питании от АБ и характеризуется прежде всего отсутствием этапов прокручивания с постоянной средней частотой вращения вследствие снижения напряжения НЭ по мере его разряда. При пуске ДВС от НЭ в большинстве случаев время разгона существенно меньше общего времени прокручивания. Поэтому в первом приближении для упрощения можно сделать предположение о том, что вал ДВС нагружен средним статическим моментом сопротивления Мс. Проведенные исследования показывают, что в этом случае расчетные значения мгновенных параметров СЭП будут существенно отличаться в некоторых режимах от экспериментальных значений. Однако если исходить из баланса энергии, то средние значения основных параметров СЭП (частота вращения, время прокручивания, механическая энергия, КПД СЭП и т.д) не будут существенно отличается, так как механическая и электрическая энергии, накопленные в период разгона систем, затем практически полностью возвращаются в систему. Теоретические исследования физических процессов, происходящих в СЭП с НЭ, нагруженным постоянным моментом сопротивления Мс, без учета индуктивности стартерной цепи и изменения магнитного потока возбуждения, показали, что основные параметры СЭП за время прокручивания до полной остановки СЭ будут линейно уменьшаться от времени. В этом случае в начальный момент прокручивания основные параметры СЭП (напряжение НЭ Uнэ, частота вращения якоря СЭ nа, ЭДС в обмотке якоря СЭ Еа, электромагнитная мощность Р) в два раза выше средних значений. Одной и основных задач при подборе СЭП с НЭ является определение такой пусковой частоты вращения, при которой СЭП будет иметь максимальные технико-экономические показатели. Однако необходимо учитывать, что если тип НЭ задан, то есть известна постоянная времени НЭ τнэ при определенной температуре, то данный НЭ может обеспечить запуск ДВС только с одной средней пусковой частотой вращения nср, которая и будет в данном случае оптимальной. Поэтому при подборе СЭП с НЭ необходимо производить расчет нескольких вариантов СЭП с различными пусковыми частотами вращения. Расчет параметров СЭП осуществляется в следующей последовательности. По исходным данным для данного ДВС, задаваясь средней пусковой частотой вращения nср в диапазоне от 30…40 мин-1 до 200 мин-1 с интервалами в 20 мин-1, для всех значений nср по пусковой характеристике определяется время прокручивания tп, а по механическим характеристикам - средний момент сопротивления Мс. Далее определяется время одной попытки прокручивания tпр = . Максимальная частота вращения коленчатого вала ДВС в начале прокручивания в два раза выше средней пусковой частоты, то есть nmax=2nср. На рисунках 1-4 представлены результаты расчетов по известной методике параметров СЭП с НЭ для ДВС ВАЗ 2118 (Лада Калина) с инжекторной системой впрыска топлива и моторным маслом SAE 5W-30 при расчетной температуре пуска -200С. ДВС был оборудован штатным стартером 35.3718 с номинальным напряжением 12В и передаточным числом редуктора СЭ к ДВС U=11,62. Увеличение числа попыток пуска Zп при общем времени прокручивания tп позволяет уменьшить время одной попытки прокручивания tпр = , что приводит к уменьшению необходимой как полной Wмех, так и полезной механической энергии Wп (рисунок 1), которая определяется выражением: Wп = Рпtпр = tпр, где: Pп = - мощность сопротивления на валу ДВС. Рисунок 1. Зависимость Wп = f(nср) при различном числе попыток пуска Zп и uне=12В Рисунок 2. Зависимость Wнео = f(nср) при различном числе попыток пуска Zп и uне=12В Рисунок 3. Зависимость τнэ = f(nср) при различном числе попыток пуска Zп и uне=12В Рисунок 4. Зависимость Wнео = f(nср) при различном числе попыток пуска Zп и uне=12В Требуемая начальная энергия: Wнео = , где: - электромагнитный КПД, P2 = - полезная мощность СЭ, M2 = - полезный вращательный момент СЭ, Sp - КПД передачи от СЭ к ДВС (Sp = 0.85), P = Ea Ia - электромагнитная мощность СЭ, K = - кратность рабочего тока СЭ Ia току короткого замыкания Ik. Частота вращения якоря СЭ равна: na = nmax u, и, следовательно, определяется только средний пусковой частотой вращения nср. Полезный вращательный момент М2 зависит от среднего момента сопротивления, который определяется nср и не зависит от числа попыток пуска Zп. Таким образом, СЭ Р2 не зависит от Zп. Результаты расчетов показывают, что уменьшение времени одной попытки прокручивания tпр (увеличение числа попыток пуска Zп). КПД СЭП не изменяется с увеличением числа попыток пуска Zп, так как пропорционально уменьшаются как полная, так и остаточная энергия НЭ: Sсэп = . При заданной постоянной времени НЭ τнэ увеличение числа попыток пуска Zп позволяет уменьшить среднюю пусковую частоту вращения nср и требуемую емкость НЭ. Таким образом, увеличение числа попыток пуска Zп при неизменном общем времени прокручивания tп позволяет уменьшить габаритно-массовые показатели СЭП, повысить надежность пуска и увеличить срок службы элементов СЭП.