The electric starting systems of automobile internal combustion engines with alternative sources of current

Full Text

Введение Система пуска должна обеспечивать вращение коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с пусковой частотой, при которой создаются условия для воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах. Так система пуска определяется видом используемой энергии и конструкцией основного пускового устройства (стартера) [1]. На автомобильных двигателях требованиям надежного пуска, необходимого быстродействия, удобства управления и обслуживания, минимальной массы, размеров и стоимости удовлетворяет система электростартерного пуска (СЭП) [2]. В применяемых в настоящее время СЭП источником энергии является аккумуляторная батарея (АБ). АБ в традиционной СЭП имеет большую относительную массу и в наибольшей степени подвержена влиянию эксплуатационных факторов. На производство АБ расходуется дефицитный и дорогостоящий свинец [1]. Поэтому усилия разработчиков СЭП прежде всего должны быть направлены на снижение массы АБ как за счет оптимизации их конструкции, так и за счет применения в СЭП других источников электроэнергии. Одним из возможных путей улучшения габаритно-массовых показателей СЭП автомобильных двигателей является применение в них в качестве промежуточного источника питания электростартера емкостных накопителей энергии (НЭ). При обоснованном выборе схемных решений, оптимизации конструкций и правильном согласовании характеристик АБ (как источника энергии для заряда НЭ) НЭ и стартерного электродвигателя СЭП с НЭ по своим габаритно-массовым, мощностным и энергетическим показателям могут конкурировать с традиционными СЭП с АБ [3]. Особенно важно обеспечить правильное согласование характеристик элементов СЭП с НЭ, когда АБ используется не только для заряда НЭ до начала пуска двигателя и в промежутках между отдельными попытками пуска, но и для совместной работы с НЭ при питании электростартера. АБ занимают одно из первых мест среди других накопителей энергии по удельной энергии (более 200 Дж/см3), однако имеют сравнительно большое внутреннее сопротивление [1]. Из-за разного увеличения внутреннего сопротивления и уменьшения отдачи энергии (до 5-10%) как с показателем температуры, так и с увеличением силы разрядного тока на автомобилях используют стартерные АБ с энергией в 20-ти часовом режиме разряда, в сотни раз превышающей энергию, необходимую для осуществления пуска ДВС [2]. Цель исследования Целью исследования является рассмотрение системы электростартерного пуска ДВС с альтернативными источниками тока. Материалы, методы исследования и их обсуждение Анализ различных накопителей энергии показал, что благодаря малому внутреннему сопротивлению при сравнительно небольшой удельной энергии по удельной мощности высокими показателями обладают емкостные накопители. Они способны быстро накапливать и отдавать накопленную энергию. Время заряда и разряда НЭ определяется, в основном, параметрами соответственно зарядной цепи и потребителя электроэнергии [3]. Результаты экспериментальных исследований [3] показывают, что подключение параллельно АБ НЭ позволяет повысить надежность пуска ДВС при отрицательных температурах, увеличивая среднюю частоту прокручивания вала ДВС. В данной статье представлена методика определения параметров АБ и НЭ для СЭП серийно выпускаемых автотракторных ДВС. В этом случае тип (марка) ДВС и его основные параметры, а также тип стартерного электродвигателя (СЭ) и его характеристики заданы. Наибольший практический интерес представляет случай, когда вместо штатной АБ применяется АБ меньшей емкости, а в оставшейся части объема АБ размещается НЭ. В этом случае при высоких удельных показателях НЭ может быть повышена надежность пуска при таком же суммарном объеме и массе СЭП. Расчет параметров СЭП следует производить в следующей последовательности. Задаваясь пусковой частотой вращения nср по пусковой характеристике, определяется время пуска tп, а по механической характеристике - средний момент сопротивления . Находим полезный вращающий момент СЭ, соответствующий: , где u - передаточное число редуктора привода СЭ к ДВС; - КПД передачи от СЭ к ДВС ( = 0,86). Используя рабочие характеристики СЭ по рабочим характеристикам для момента определяем требуемую силу тока СЭ , частоту вращения якоря , напряжение на клеммах СЭ . По известному значению активного сопротивления СЭ находим ЭДС в обмотках якоря: . Частота вращения якоря СЭ: . Для обеспечения вращения якоря СЭ с частотой в обмотках якоря СЭ должна наводиться ЭДС: . Для обеспечения вращения вала ДВС с пусковой частотой при наличии только одной АБ она должна иметь внутреннее сопротивление: , (1) где - номинальное напряжение АБ и НЭ; - внутреннее сопротивление СЭ, включающее в себя сопротивление обмоток якоря и возбуждения, а также сопротивление коллекторно-щеточного узла; - активное сопротивление стартерной цепи (провод и «масса»). При параллельном включении АБ и НЭ внутреннее сопротивление АБ должно удовлетворять условию: . (2) Для упрощения расчетов можно использовать параметры серийно выпускаемых АБ, т.е. внутреннее сопротивление АБ при заданной расчетной температуре пуска можно брать из справочной литературы или использовать для его расчета известные методики [2]. Расчет целесообразно проводить для нескольких значений , удовлетворяющих условию (2). Результаты теоретических исследований [1] позволили получить зависимость требуемой механической энергии от величины емкости НЭ: , где . Задаваясь различными значениями емкости НЭ при известной постоянной времени НЭ, строим зависимость . Для обеспечения прокручивания ДВС с заданной пусковой частотой вращения требуется механическая энергия [4, 5]: , где - электромагнитный КПД СЭ; - полезная механическая энергия; - пусковая мощность сопротивления на валу ДВС. Электромагнитный КПД может быть определен по выражению: , где - полезная мощность СЭ; - электромагнитная мощность СЭ. Зная требуемую механическую энергию по зависимости , определяем требуемую емкость НЭ. При заданном типе НЭ, т.е. известном значении постоянной времени НЭ определяем требуемое сопротивление НЭ: . Начальная энергия НЭ: . Требуемые объем НЭ и масса НЭ: , , где - удельная энергия НЭ по объему; - удельная энергия НЭ по массе. Объем и масса АБ могут быть определены из справочной литературы или по известным методикам [4, 5] по удельным энергиям АБ по объему и массе . Суммарный объем АБ и НЭ: . Отношение суммарного объема к объему АБ , требуемой для обеспечения прокручивания вала ДВС с заданной частотой : . Объем и номинальная емкость требуемой АБ могут быть определены исходя из требуемого внутреннего сопротивления АБ (1) по известным методикам [2]. Далее строится зависимость суммарного объема от внутреннего сопротивления АБ , из которой могут быть определены оптимальные параметры СЭП по минимуму функции . Если отношение , то при данной пусковой частоте вращения применение НЭ целесообразно, вследствие уменьшения суммарного объема СЭП. Далее следует произвести аналогичные расчеты, задаваясь другими значениями средней пусковой частоты вращения и построить зависимость ). Оптимальными будут такие параметры АБ и НЭ, при которых суммарный объем будет минимальным. Границей целесообразности применения НЭ является случай, когда суммарный объем АБ и НЭ равен объему . Для примера был проведен расчет параметров СЭП с НЭ и АБ для автомобильного ДВС ВАЗ-21081 с моторным маслом М6з/10Г1 при температуре 20°С, со стартером 35,3708 с передаточным числом редуктора привода . При расчетах не учитывалось сопротивление стартерной сети , постоянная времени НЭ была принята равной единице . Рис. 1. Зависимости Wмех= f(С) при различных Rб и nср = 40 мин-1 На рис. 1 представлена зависимость механической энергии от емкости НЭ С при и различных значениях внутреннего сопротивления АБ . При уменьшении емкости АБ, т.е. увеличении ее внутреннего сопротивления , требуемая емкость НЭ С должна быть больше для обеспечения прокручивания вала ДВС с заданной средней пусковой частотой вращения . Рис. 2. Зависимости объемов источников энергии от Rб при nср = 40 мин-1 На рис. 2 представлены зависимость объемов АБ и НЭ , а также суммарного объема от внутреннего сопротивления АБ при . При расчетах объем АБ определялся исходя из среднестатистических данных по широко применяемому ряду АБ (6СТ-45, 6СТ-60, 6СТ-75), для которых: , где - номинальная емкость АБ в А.ч. Объем НЭ определялся по удельной энергии НЭ . Выводы 1. Результаты расчетов показывают, что при удельной энергии НЭ при всех пусковых частотах вращения применения НЭ не позволяет уменьшить суммарный объем НЭ и АБ по сравнению с объемом АБ , требуемой для прокручивания вала ДВС с данной пусковой частотой, т.е. . Таким образом, при данной удельной энергии НЭ применение параллельного включения АБ и НЭ не позволяет уменьшить габариты СЭП. 2. Данная методика расчета может быть использована при разработке СЭП с альтернативными источниками тока для различных типов ДВС и в условиях низких температур.

About the authors

R. A Maleev

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
Ph.D.

Yu. M Shmatkov

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru

A. A Kholodov

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru

References

Supplementary files