Selection of electric starting system with capacitive energy storage and battery

Abstract

The paper presents various ways and tasks for selection of electric starting systems with capacitive energy storage and battery for specific engines developed at the “Automotive and Tractor Electrical Equipment” Department of Moscow State University of Mechanical Engineering and their analysis.

Full Text

Традиционные системы электростартерного пуска (СЭП) с аккумуляторными батареями (АБ) обычно рассчитывают на минимальные пусковые частоты вращения и соответствующие им моменты сопротивления, которые определяют при экспериментальных исследованиях двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в холодильных камерах или по рекомендациям ОСТ и ГОСТ, соответствующим данному типу двигателя и заданным условиям пуска. Рекомендации по минимальной пусковой частоте и моменту сопротивления в отраслевом стандарте даны на основании материалов экспериментального исследования большого числа как отечественных, так и зарубежных двигателей. Поскольку испытания обычно проводились с целью исследования их материалов при последующем проектировании или подборе СЭП с АБ, то прокручивания валов двигателей при определении моментов сопротивления и для построения пусковых характеристик при различных условиях пуска проводились при установке на испытуемый ДВС электростартера, мощность которого близка к мощности электростартера, установка которого предполагается на данный ДВС. При этом питание электростартера осуществляется от стартерной АБ или низковольтного агрегата. При использовании в СЭП емкостного накопителя энергии (НЭ) (либо без АБ в разрядной цепи на СЭ, либо в комбинации с АБ при их параллельном соединении) наивыгоднейший вариант СЭП по выбранному показателю качества (минимум массы всей СЭП, минимум массы источника тока СЭП, минимум объема, стоимости и т.д.) может оказаться при частоте вращения коленчатого вала ДВС большей минимальной пусковой частоты, что может привести к необходимости определения параметров СЭП с НЭ и СЭП с комбинированным источником тока (КИТ) во всем диапазоне пусковых частот вращения вала ДВС. Следовательно, желательно во всем диапазоне пусковых частот сравнить параметры указанных систем пуска между собой и с традиционной СЭП с АБ. Здесь следует отметить, что при выборе минимальной пусковой частоты вращения nmin для всех автомобильных ДВС и при всех условиях пуска оговаривается допустимое время пуска (две попытки по 10 с для бензиновых двигателей и одна или две попытки по 15с для дизелей). Кроме того, указывается, что nmin СЭП с АБ должна развивать при 75% заряженности АБ и в начале 3-й попытки пуска. Все это позволяет обеспечить необходимый запас по попыткам пуска ДВС, который обеспечит достаточную в предельных условиях надежность пуска ДВС. В соответствии с типовыми пусковыми характеристиками ДВС tп = f(nср) с увеличением расчетной частоты вращения nср по отношению к минимальной частоте вращения nmin возрастают момент сопротивления и требуемая мощность электростартера, что неизбежно ведет к увеличению номинальной емкости АБ, объема и массы системы пуска в целом. В то же время продолжительность пуска ДВС с увеличением nср уменьшается. С другой стороны время пуска имеет существенное значение для СЭП, где в качестве самостоятельного источника тока или в комбинации с АБ используется НЭ с ограниченным запасом энергии. Именно поэтому с увеличением nср благодаря уменьшению времени пуска, несмотря на увеличение момента сопротивления Мс, могут быть улучшены показатели как СЭП с НЭ, так и СЭП с КИТ. Все это требует тщательного изучения, прежде чем можно будет приступить к проектированию новых систем пуска с НЭ, которые могли бы стать конкурентоспособными СЭП с АБ. Решения задачи подбора СЭП с КИТ и определения параметров КИТ могут быть самыми разнообразными в зависимости от постановки задачи и наличия необходимых исходных данных. Существует несколько вариантов таких задач. 1. Задан конкретный ДВС с определенными известными параметрами и пусковыми качествами при различных температурах и СЭП с АБ (штатная или рекомендуемая для установки) также со всеми необходимыми параметрами и характеристиками для проведения расчета. Требуется из существующих НЭ подобрать такой (или найти параметры такого НЭ), который в заданных условиях пуска обеспечит вращение коленчатого вала ДВС с заданной средней частотой вращения в течение заданного промежутка времени. При такой постановке задачи СЭП с КИТ должна совершить вполне определенную работу по вращению коленчатого вала (или СЭ должен совершить вполне определенную полную механическую работу Wмехп) за время пуска tп , т.е. по пусковой характеристике tп=f(nср) ДВС, даже если СЭП с КИТ имеет возможность и далее, после окончания время tп, вращать коленчатый вал ДВС (рисунок 1). В процессе прокручивания СЭ может остановиться (при t= tк), но если tк ³ tп, то за время tк СЭ совершит необходимую работу. В том же случае, если tк < tп, условие задачи не выполняется, так как время прокручивания меньше заданного tп. Рисунок 1. Зависимости средних параметров СЭП с КИТ от времени прокручивания СЭ (Uн – номинальное напряжение АБ; Uнэон – начальное напряжение заряда НЭ; Uнэо – напряжение НЭ при разомкнутой внешней цепи; Iа – ток якоря стартерного электродвигателя; iа – сила тока АБ; iнэ – сила тока НЭ; nа – частота вращения якоря СЭ; eа – ЭДС якоря СЭ; Uнэоуст – установившееся напряжение источника тока, tк – время до остановки СЭ) Итак, здесь должны быть выполнены два условия: стартер должен выполнять определенную механическую работу Wмехп за время tп, и время до остановки СЭ не должно быть меньше заданного времени tп. Так как эта задача носит проектный характер, то значения Wмехп и tп для расчетчика должны быть точно заданы. В рассматриваемом варианте определения параметров СЭП с КИТ и ее сравнительной оценки с другими системами пуска для данного ДВС могут быть заданы вполне определенные АБ и электростартер, отвечающие соответствующим требованиям. Однако на практике могут встретиться случаи применения более вязкого масла при той же расчетной температуре, необходимости осуществления пуска ДВС при более низкой температуре, при большей, чем 75%, разряженности АБ, ее значительной изношенности (большой срок службы) и т. д. При подборе СЭП необходимо знать, к каким затратам приведет повышение надежности при неблагоприятных условиях. Для расчета СЭП с КИТ в данном случае необходимо иметь типовые рабочие характеристики электростартера, знать его полное внутреннее сопротивление, а для АБ необходимы сведения о ее внутреннем сопротивлении и зависимости его от температуры. Для НЭ должно быть известно внутреннее сопротивление, емкость и допустимое по техническим условиям напряжение заряда. 2. Задан конкретный двигатель с определенными известными параметрами и пусковыми качествами при различных условиях пуска, штатный (или рекомендуемый) электростартер и НЭ со всеми необходимыми параметрами и характеристиками для расчета. Требуется из существующих АБ подобрать такую батарею (или найти параметры АБ определенного типа), которая в заданных условиях пуска обеспечивает вращение коленчатого вала ДВС с заданной средней частотой в течение заданного периода времени. Задача аналогична по своей сути предыдущей и решается также с условием выполнения двух условий: СЭ должен выполнить определенную механическую работу Wмехп за время tп, а время до остановки СЭ не должно быть меньше tк. Здесь, как и в предыдущем варианте, возможны различные варианты СЭП с КИТ, так как могут быть исследованы различные варианты АБ, обеспечивающие совместно с заданным НЭ в КИТ, необходимые характеристики пуска, но с различным временем tк (от tк= tп до t® ). В первом и втором вариантах задач расчетчику могут быть заданы дополнительные условия: стартер за время tп останавливается (tп=tк); после определенного разряда НЭ (iнэ®¥) ЭДС якоря СЭ и частота вращения его nа должны приближаться к нулю (при tк®¥); tп<tк<¥; т.е. остановка СЭ предусматривается, но при tк> tп; после определенного разряда НЭ (iнэ®0) ЭДС якоря СЭ и частота вращения якоря nааб приближаются к определенным значениям, задаваемым заказчиком (например, nmin на валу ДВС); может быть задано определенное время вращения вала якоря СЭ и ДВС, в течение которого частота вращения вала ДВС превышает nmin или любую заранее заданную (рисунок 1). Так как рассматриваемый вариант задачи, как и первый вариант, являются проектными, то должна быть проведена сравнительная оценка комбинаций НЭ и АБ в СЭП с КИТ при всех расчетных частотах вращения, напряжения заряда НЭ, постоянной времени tнэ (для второго варианта), конструктивных и эксплуатационных характеристиках АБ по основному критерию качества. Поэтому в исходных данных должны быть необходимые данные для расчета этого критерия. В первом и втором вариантах задачи при заданном ДВС и соответственно АБ или НЭ может быть рассмотрен другой электростартер с заданными параметрами и характеристиками. 3. Данный вариант в наибольшей степени отвечает требованиям проектного расчета КИТ и СЭП с КИТ в целом. Заданы ДВС и СЭ с необходимыми параметрами и характеристиками и требуется подобрать комбинацию НЭ и АБ для КИТ, обеспечивающую заданные характеристики пуска ДВС и имеющую наилучшие показатели по сравнению с другими системами пуска. В этом случае исследуется влияние всех параметров как НЭ, так и АБ на показатели СЭП с КИТ и процесса пуска ДВС СЭП с КИТ. Также можно рассмотреть другой стартер и сравнить СЭП с различными КИТ и СЭ. Рассматриваемый вариант должен быть базовым для определения такой комбинации АБ и НЭ (минимальная емкость АБ и максимальная емкость НЭ), при которой tк= tп. Во всех трех вариантах желательно сразу же, до расчета параметров процесса прокручивания вала ДВС и самой СЭП с КИТ, найти пределы напряжения заряда НЭ Uнэон, в которых имеет место совместная работа НЭ и АБ в КИТ и нет перераспределения энергии между НЭ и АБ. Верхний предел напряжения заряда НЭ по условию Uнэон£Uн+Iа·Rнэ необходимо знать, чтобы в расчете при больших напряжениях заряда можно было использовать формулы для определения параметров процесса прокручивания вала ДВС при самостоятельной работе НЭ в КИТ на СЭ. В практике такой вариант может встречаться довольно часто, особенно в тех случаях, когда сопротивление НЭ мало и достаточно велико допустимое по ТУ перенапряжение заряда НЭ по сравнению с номинальным напряжением НЭ Uнэн. 4. Определенный интерес представляет вариант решения задачи, когда заданы ДВС и электростартер с необходимыми характеристиками, а НЭ выбирается из условия, что при всех возможных напряжениях заряда НЭ Uнэон (начиная от Uнэон=Uн) соблюдается условие Uнэон=Uн+IаRнэ. В этом случае сразу же определяются параметры НЭ (емкость Снэ, постоянная времениtнэ, масса mнэ) и по принципу, изложенному выше в варианте задачи 3, определяются параметры АБ по условию tк³tп и совершению СЭ необходимой механической работы Wмехп за время tп. Здесь также возможны различные комбинации НЭ и АБ в КИТ, из которых выбирается наилучшая комбинация по выбранному показателю качества. Выполнение такой работы с исследовательскими целями (для выявления влияния различных факторов, параметров ДВС, СЭ, НЭ и АБ на характеристики процесса прокручивания ДВС, показатели СЭП с КИТ и других систем) требует большого объема расчетов и может быть выполнена только с использованием специальных прикладных программ. Предлагаемая в дальнейшем методика расчета различных вариантов СЭП с КИТ и ее сравнительной оценки с СЭП с АБ или с СЭП с НЭ является основой для составления программы расчета. Выводы 1. При исследовании различных вариантов подбора СЭП с АБ и НЭ выявлены основные критерии определения параметров таких СЭП. 2. Варианты подбора СЭП с АБ и НЭ служат основой для составления методики расчета СЭП с КИТ.