Engine electric starter system with combined power supply

Abstract

The article proposes to use energy storage in the engine electric starter system. The results of computational research shows the effect of the value of the initial charging voltage of capacitive energy storage on the basis of characteristics of the electric starting system for an automobile engine equipped with standard start-up system.

Full Text

Основным недостатком современных систем электростартерного пуска (СЭП) автомобильных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является низкая удельная мощность аккумуляторных батарей (АБ), что приводит к значительному увеличению габаритов и массы АБ и снижает надёжность пуска при отрицательных температурах. Поэтому в последние годы повышенный интерес уделяется применению в СЭП ДВС в качестве источников электрической энергии емкостных накопителей энергии (НЭ). Благодаря меньшему внутреннему сопротивлению по сравнению с АБ, НЭ имеют высокие показатели по удельной мощности и способны быстро накапливать и отдавать накопленную энергию. Внутренняя энергия за короткий промежуток времени позволяет электростартеру развивать значительную мощность, вращать коленчатый вал ДВС с высокой пусковой частотой и тем самым повысить надёжность пуска. Проведённые экспериментальные исследования показывают, что процесс пуска ДВС СЭП с НЭ существенно отличается от процесса пуска при питании электростартера от АБ прежде всего отсутствием этапов с постоянной средней частотой прокручивания, а также меньшим временим пуска. Одной из основных характеристик, оказывающих значительное влияние на параметры СЭП, является пусковая характеристика ДВС, с помощью которой определяется минимальная пусковая частота вращения. Пусковые характеристики ДВС при различных температурах определяются экспериментально и представляют собой зависимости времени пуска t от средней частоты вращения n коленчатого вала ДВС. Несмотря на существенные отличия процесса пуска при питании электростартера от НЭ, до настоящего времени отсутствуют соответствующие пусковые характеристики. Поэтому при проведении теоретических исследований и расчётов СЭП с НЭ приходится использовать традиционные пусковые характеристики, полученные при питании электростартера от АБ. Результаты исследований показывают, что надёжность пуска может быть повышена путём увеличения числа попыток пуска Zп. При увеличении Zп общее время пуска tп в принципе может оставаться неизменным. В этом случае уменьшается время прокручивания tп, что позволяет уменьшить требуемую энергию НЭ, как следствие, габариты и массу всей 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 штатным электростартером. При исследовании СЭП с НЭ необходимо учитывать наличие зарядного устройства для НЭ. В реальных условиях АБ кроме пуска ДВС является источником электроснабжения потребителей электроэнергии при стоянке автомобиля или при малой мощности генератора. Поэтому в качестве источника энергии для заряда НЭ может использоваться АБ небольшой ёмкости, параметры которой могут быть рассчитаны исходя из заданных условий заряда НЭ. Тогда кроме заряда НЭ будет обеспечивать питание потребителей электроэнергии в указанных выше случаях. Пуск ДВС будет осуществляться при использовании энергии только НЭ. Исходными данными для расчёта параметров СЭП с НЭ являются пусковые и механические характеристики ДВС при пусковой температуре, тип электростартера и его номинальные рабочие характеристики. Одной из основных задач при расчёте 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, т.е известна постоянная времени НЭ Тнэ при определённой температуре, то данный НЭ может обеспечить запуск ДВС только с одной средней пусковой частотой вращения n, которая в данном случае и будет искомой. Поэтому при расчёте СЭП с НЭ необходимо производить расчёт нескольких вариантов СЭП с различными частотами вращения. При установке на ДВС СЭП с НЭ пуск может произойти на начальной стадии прокручивания коленчатого вала ДВС, когда частота вращения значительно превышает расчётное среднее значение. Однако для обеспечения необходимости уровня частоты вращения в начальной стадии пуска ДВС СЭП с НЭ должно быть рассчитано не прокручивание коленчатого вала ДВС в течение времени, которое может превышать время пуска. Расчёт параметров СЭП с НЭ производится в следующей последовательности. По пусковой характеристике ДВС tп=f(n) при заданной пусковой температуре задаются различные значения средней пусковой частоты n от 40 мин-1 до 200 мин-1 с интервалами значений в 10-20 мин-1, определяется общее время пуска tп для каждого значения n. Время одной попытки прокручивания tпр=tп/tпр зависит от числа попыток пуска Zп при неизменном общем времени пуска tп. Разработанная методика, кроме определения параметров НЭ и АБ в заданной цепи НЭ, позволяет производить сравнительный анализ СЭП с НЭ с традиционной СЭП с АБ. Параметры СЭП с АБ определялись в соответствии с рекомендациями ост 37.001.052-88 “Автомобили и автомобильные двигатели. Требования к пусковым качествам”, согласно которым СЭП должна обеспечить пуск ДВС за две попытки стартования продолжительностью 10 сек для бензиновых ДВС и 15 сек для дизельных. Результаты расчётов для ДВС ВАЗ-21081 с электростартером 35.3708 при температуре -20 С, проведённые с использованием вычислительной техники, представлены в таблице 1 и на рисунках 1 и 2. Таблица 1 Результаты расчётов для ДВС ВАЗ-21081 с электростартером 35.3708 при температуре -20 С, проведённые с использованием вычислительной техники Число попыток пуска Zп Параметры СЭП 1 2 3 4 5 Средняя частота вращения коленвала n, мин -1 103,3 92,1 83,7 77,0 71,1 Время прокручивания tпр, с 5,63 3,05 2,15 1,67 1,37 Механическая работа электростартера Wмех, кДж 2,58 2,44 2,30 2,17 2,02 Ёмкость АБ в зарядной цепи НЭ С20, Ач 9,94 5,95 4,55 3,83 3,35 Ёмкость НЭ Снэ, ф 1,4 84,2 64,4 54,2 47,4 Суммарный объём источников питания V , Дм3 12,2 7,28 5,58 4,69 4,10 Суммарная масса СЭП mсэп, кг 31,8 22,1 18,7 16,9 15,7 Отношение объёмов источников питания Кv 2,02 1,21 0,93 0,78 0,68 Отношение масс СЭП Кm 1,63 1,13 0,95 0,86 0,80 Рисунок 1. Зависимость параметров систем электростартерного пуска с накопителем энергии от числа попыток Zп Рисунок 2. Зависимость массы систем электростартерного пуска mСЭП, объёма источников питания V∑ и относительных параметров KV, Km от числа попыток пуска Zп Для расчёта параметров СЭП НЭ необходимы следующие параметры: постоянная времени; удельная энергия по массе – 0,5 Дж/кг; удельная энергия по объёму – 1 Дж/см3. Результаты расчётов показывают, что для обеспечения пуска ДВС в течение 10 сек. со средней пусковой частотой n=42 мин-1 СЭП с АБ должен иметь следующие параметры: номинальная ёмкость АБ С 20=29,3 Ач; объём АБ Vаб=60,3 Дм3; масса АБ mаб=12,1кг; масса СЭП с АБ mсэпаб=19,6 кг. Анализ расчётных данных позволяет сделать следующие выводы. С увеличением числа попыток пуска Zп уменьшается время одного прокручивания tпр, что приводит к уменьшению требуемой механической работы электростартера Wмех, ёмкости НЭ и ёмкости АБ в зарядной цепи С20НЭ. Вследствие этого уменьшается суммарный объём источников питания (АБ и НЭ) СЭП, а также суммарная масса СЭП . При числе попыток пуска Zп>3 объём источников питания( АБ и НЭ) и суммарная масса СЭП с НЭ становится меньше аналогичных показателей СЭП с АБ(Kv<1 и Km<1). Таким образом, при Zп>3 СЭП с НЭ будет иметь меньшие габариты и массу , чем СЭП с АБ.