Эксплуатационные испытания систем электростартерного пуска с емкостными накопителями энергии на автомобилях

Аннотация

В статье приведены результаты экспериментальных исследований системы электростартерного пуска с аккумуляторными батареями и емкостными накопителями энергии различных типов для двух типов грузовых автомобилей при различных температурах. Проведена оценка эффективности систем электростартерного пуска при использовании накопителей энергии в условиях низких температур.

Полный текст

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.