Подбор системы электростартерного пуска с емкостным накопителем энергии и аккумуляторной батареей

Аннотация

В статье представлены различные способы и задачи по подбору систем электростартерного пуска с емкостным накопителем энергии и аккумуляторной батареей для конкретных ДВС, разработанные на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Университета машиностроения и проведен их анализ.

Полный текст

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.