close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000102171

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Поляков Николай Алексеевич
СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСТАРТЕРНОГО ПУСКА ТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННОГО
ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2005
Работа выполнена на кафедре «Автотракторное электрообор\дованне» в М о ­
сковском государственно.м техническо.м \ ниверситете « М А М И »
Научный р\ководитель:
Кандидат технических на>к. доиент
Набоких В.А.
Официатьные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор
Югг В.Е.
Кандидат технических наук
Яхутлю Д-Р.
Ведущая организация
НТЦ « Н А М И »
Защита состоится «08» декабря 2005 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссер­
тационного совета Д212.140.01 в аул. Б-304 по адресу: 107023, г. Москва, \т
Б. Семеновская. 38
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государст­
венного технического университета « М А М И » .
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью
организации, просим направлять по адресу специализированного совета.
Автореферат разослан «Q2_» ноября 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
Бахмутов С В.
2006-4
"ТШЪ
22Ц37.9
J
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
А к т у а л ь н о с т ь т е м ы . Дтя выполнения перспективных требований к
постоянно совершенств\ютимся двигателям внутреннего сгорания необхо­
димо обеспечивать не только их экологические и экономические характери­
стики, но и коренным образом улучшить пусковые качества, особенно в ус­
ловиях отрицательных окружающих температур.
Актуальность данной работы определяется тем, что она направлена на
исследования и разработку систем электростартерного пуска двигателей с
применением накопителей энергии ( Н Э ) для обеспечения надежного пуска в
холодное время года при снижении эксплуатационных расходов и в некото­
рых случаях уменьшения расхода топлива.
Ц е л ь работы. Исследовать и разработать математическую модель, рас­
четные методы для проектирования на П Э В М комбинированного источника
электрической энергии, содержащий накопитель энергии. Оценить возмож­
ность применения Н Э на легковых и грузовых автомобилях и определить
технико-экономические показатели их внедрения, а также технические тре­
бования к накопителя.м.
Методы исследования. Теоретические исследования математической
модели системы электростартерного пуска ( С Э П ) с Н Э проводились с ис­
пользованием основных законов, алгебраических и дифференциальных урав­
нений. Математическая модель реализовалась в виде компьютерной профам.мы на языке программирования Pascal и математических расчетов в E x ­
cel и MathCAD.
Экспериментальные исследования С Э П с Н Э проводились на стендах,
в холодильных камерах, в условиях гаража и сравнивались с результатами
математического моделирования на П Э В М .
Н а у ч н а я новизна. Разработана математическая .модель С Э П с комбинированны.м источником электрической энергии ( К И Э Э ) и предложены ме­
тоды ее расчета на П Э В М . Модель дает возможность анализировать С Э П с
Н Э по определенны.м промежуткам времени прокручивания коленчатого ва­
ла, а также дать рекомендации по выбору А Б и Н Э и по оптимальному про­
ектированию С Э П с К И Э Э по минимальным массо-габаритным показателям.
f-OC. КАЦИОНАЛЬНАЛ 1
БИБЛИОТЕКА
I
^"УГ^^^;
П р а к т и ч е с к а я ценность. Испотьзоваиие математической модети С Э П
с Н Э при разработке и оценке методов моделирования позволили во многих
случаях отказаться от проведения большого объема натурных испытаний.
Разработанные методы расчета и основы проектирования С Э П с Н Э
используются как в М Г Т У « М А М И » . так и на других предприятиях, зани­
мающихся расширением их внедрения на транспортных средствах.
Проведенная работа содержит новые результаты решения актуальной
научной и практической задачи по внедрению конкурентоспособной С Э П с
Н Э , используя новые приоритетные отечественные разработки накопителей.
Тема
диссертационной
работы
связана
с
планами
научно-
исследовательских работ и договорами М Г Т У « М А М И » с Н П О «Автоэлек­
троника, Н П О «Квант», М Н П О «Эконд», Н А М И , Н А Т И и другими предпри­
ятиями.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион­
ного
исследования докладывались
автором
и обсуждались
на научно-
технических конференциях и семинарах: в М Г Т У « М А М И » , М А Д И ( Р Г У ) в
2001 и 2005 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в
которых отражено основное ее содержание.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения и списка использованных литературных источников из 115
наименований. Работа изложена на 170 листах, включая 52 рисунка и 27 таб­
лиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен анализ существующих методов и алгоритмов
расчета С Э П . Проанализировано более 100 патентов различных фирм произ­
водителей.
Произведен анализ недостатков С Э П с А Б , пусковых качеств Д В С по
минимальной пусковой частоте вращения коленчагого вала, характеристик
процесса пуска двигателя при различных температурах.
Показано, что Н Э как источник увеличения электроэнергии, обеспечит
более надежный пуск Д В С в условиях низких температур. Приведены пара­
метры различных Н Э и сравнительный анализ, который показал, что накопи-
тель при опрсделеннои энергоемкости ооталает высокими показателями по
удельной мощности.
К большим преимуществам Н Э в С Э П можно отнести: большой срок
службы (несколько десятков тысяч часов): Н Э не требчют обслуживания, не
токсичны; условия пуска Д В С с Н Э мало зависят от состояния А Б ; возмож­
ность более рационального размещения высоковотьтного Н Э (конденсатор­
ной батареи) на транспортном средстве; меньшая лефицитность исходных
материалов для изготовления Н Э ; возможность осуществления заряда Н Э с
заданной продолжительностью и от различных источников тока; возмож­
ность использования низковольтных Н Э в качестве вспомогательного уст­
ройства для облегчения пуска Д В С в \словиях низких температур при парал­
лельном или последовательном их подключении к А Б
Рассмотрены основные разновидности систем пуска: с накопителем
низкого и высокого напряжения.
Преи.мущества системы пуска с накопителем низкого напряжения за­
ключаются в полной электробезопасности, лучшем согласовании с сущест­
вующей низковольтной системой электрооборудования Д В С или транспорт­
ного средства и, как следствие, возможностью более раннего внедрения ее не
только на проектируемых транспортных средствах и стационарных Д В С , но
и на уже находящихся в эксплуатации
Преимущества систем пуска с Н Э высокого напряжения - это меньшие
его размеры (при большей удельной энергии), небольшая сила тока стартера,
что позволяет экономить медь стартерного провода и снизить потери мощно­
сти в стартерной сети, возмож1гость использования для пуска Д В С непосред­
ственно энергии внешних электрических сетей. В слабо ючных цепях высо­
ковольтных С Э П можно шире применять элементы электронной автоматики.
Однако внедрение таких систем на автомобилях связано с заменой традици­
онного низковольтного С Э на высоковольтный и необходимостью разработ­
ки мероприятий по обеспечению электробезопасности.
Рассмотрено несколько способов и схем подключения Н Э в С Э П авто­
мобиля. Отличие схемных решений зависит от задач, предъявляемых к С Э П
(подключение Н Э и А Б последовательно, параллельно). Исследованы схемы
заряда Н Э с применением преобразователя напряжения, с применением в ка-
честве заряла накопителя .]юбо1о источника тока, который может оыть под­
ключен вместо А Б .
При наличии одной А Б на 12 В для зарядки конденсатора на 24 В пред­
ложена схема С Э П Д В С для тяжелых фузовиков.
В о второй главе проведены исследования С Э П с Н Э на автомобиль­
ных Д В С , которые выполнялись с соблюдением следующих условий:
1. Все испытания проводились в низкотемпературной камере в соот­
ветствии с РД 37.001.021-84 «Пусковые качества автомобильных двигателей.
Методы стендовых испытаний».
2. Прокручивания двигателя осуществлялись отдельными попытками.
Длительность прокрутки при использовании стартерной А Б или параллельно
к ней подключенной Н Э составляла 10 с.
В случае использования накопителя как самостоятельного источника
питания длительность попытки определялась его энергетическими возмож­
ностями (фиксировалась остановка двигателя)
3. Продолжительность пуска двигателя определялась от начала про­
кручивания коленчатого вала до момента выхода его на режим самостоя­
тельной работы с учетом длительности не\дачных попыток без суммирова­
ния с временем заряда Н Э . В случае использования накопителя как самостоя­
тельного источника неудачным считался пуск, если количество попыток пре­
вышало 6.
4. В работе были исследованы три основных варианта гюдключсния
накопителя к системе электростартерного пуска:
- вариант 1: Когда прокручивание двигателя осуществлялось непосред­
ственно от Н Э , который предварительно заряжался от А Б через преобразова­
тель напряжения. Начальное напряжение накопителя могло превышать но­
минальное напряжение;
- вариант 2: Когда Н Э подключался параллельно к А Б и накопитель
выполняя роль буфера, увеличивая частоту прокручивания;
- вариант 3: Когда Н Э подсоединялся параллельно А Б через разъедини­
тельный диод, позволяющий производить заряд накопителя от А Б через пре­
образователь до напряжения, превышающего номинальное.
Лна,н13 результатов показал, что основной характеристикой, влияющей
на параметры прокручивания при использовании накопителя, является его
вн\треннее сопротивление
Экспериментальные
режимы
прокр>чивания
позволили
определить
влияние температуры холодного пуска и напряжение на частотл прокручива­
ния двигателя при использовании различных Н Э Была найдена зависи.мость
необходимой энергии Н Э для обеспечения заданного \гла поворота двигателя
в функции температуры.
Проанализированы пуски двигателей при лишний стартера от Н Э с
различными температл'рами и напряжениями заряда.
Получены средние частоты прокручивания и распределение токов А Б и
Н Э в зависимости от времени при различных комбинациях.
Результаты исследований, пусков Д В С при отрицательных температу­
рах с А Б и К И Э Э показали:
1. Перспективной системой пуска с Н Э для С Э П является система с
низковольтными Н Э .
2. Применение Н Э позволяет снижать номинальную емкость А Б . Ис­
пользование А Б емкостью 32 А ч параллельно с Н Э «Искра» обеспечит пуск
двигателя В А З до мин>с 25 " С . При существующих в настояще.м времени па­
раметрах Н Э масса источника питания составит порядка 17 кг.
3 Макетные образцы Н Э типа «Искра» как самостоятельные источни­
ки питания могут обеспечить импульсный режим пуска двигателей В А З при
напряжении заряда 15-17 В до минус 15 ° С , т.к при меньших температурах
внутреннее сопротивление разработанных образцов резко возрастало.
4. Наибольшей эффективностью пуска двигателя обладает система пус­
ка с Н Э , силовым разделительным диодом и преобразователем, позволяю­
щим заряжать Н Э до повышенных напряжений Такую схему можно исполь­
зовать как средство облегчения пуска при температурах минус 30 °С и ниже.
5. Основными факторами, влияющими на эффективность использова­
ния Н Э , является их внутреннее сопротивление, которое с понижением тем­
пературы значительно возрастает. Для улучшения удельных характеристик
систем пуска с Н Э необходимо доработать накопители с внутренним сопро­
тивлением ниже 10 мОм при минус 25-30 ° С .
Т р е т ь я глава посвя1пеиа теоретическом) исследованию характеристик
С Э П при использовании в них Н Э .
Математическая модель С Э П с К И Э Э разработана для случая, когда А Б
и Н Э работают совместно при их параллельном соединении. При выводе
формул для расчета основных пара.метров С Э П с К И Э Э приняты следующие
допуигения: вал Д В С нагружен постоянным моментом сопротивления, не
\читываются момент инерции системы стартер-ДВС, неравномерность вра­
щения коленчатого вала Д В С , индуктивность и изменения основного магнит­
ного потока стартера; сопротивление коллекторно-шеточного узла принято
постоянным. При это.м задавались параметры А Б и Н Э , ЭДС в обмотке якоря
стартера, время до остановки стартера. На втором этапе определялись мошиостные и энергетические параметры, а также К П Д С Э П с К И Э Э . Используя
выведенные формулы, получены выражения для угла поворота вала Д В С ,
средней величины силы тока и допустимого времени разряда А Б в составе
К И Э Э . По результатам расчета для различных значений напряжения Н Э ре­
комендуется строить зависимости от времени всех расчетных параметров
С Э П с К И Э Э . Для расчета С Э П с К И Э Э необходимо также иметь экспери.ментальные зависимости мо.мента сопротивления и длительности пуска от
средней частоты вращения Д В С , а также рабочие характеристики электро­
стартера в табличной форме. На рис. 1 представлена эквивалентная схема
СЭП с КИЭЭ.
Рис
1. Эквивалентная
схема СЭП с КИЭЭ:
SI и S2 - включатели,
Л^я. Л//> Rem, Rnp - сопротивление АБ, ИЭ стартерного
проводов: и„ - номинальное напряжение;
^лектродвигатечя,
Ь'цу) - напряжение НЭ: Е„ - Э Л С
якоря: I,/,. hi )• LI - сила тока АБ, НЭ. якоря
стартера
При t-0 аналитическое выражение Сп), ^(. . что соответствует \словию решаемой задачи. С \величением времени разряда Н Э напряжение L
,,,
непрерывно уменьшается по экспоненте
В начале работы К И Э Э сила тока Н Э мгновенно возрастает при доп\шении. что индуктивность цепи разряда К И Э Э на С Э и момент инерции сис­
темы электростартер - Д В С не учитываются по выражению:
' ИЭн
I.R,.
^ J A + ^1П
а затем уменьшается по экспоненциатьному закон>
Сила тока А Б /,/, при работе в К И Э Э '
-I
^2
Напряжение на выводах К И Э Э :
^^/// = ^^ 16 -*-'Hi ~'^11 ~ ' 1Г,"-1Б -'^ 1пч~ ' 1п°т
=
U„-l,,R,,i\-^^^e^).
Г-,
Э Д С , индуктируемая в обмотке якоря С Э .
4 = ^;/г - iJKr
+ Л, . J = t/„ - / / Л , / ; + R,,, + К,„) + I^R.b -
Электромагнитная мощность стартерного электродвигателя:
г, - г „ ,
'
Полезная мощность на валу стартера Fj~Pr],„
,
Г-,
частош вращения якоря
стартерного электродвигателя п„=30Р2/{7сМ2) и вата Д В С n=nju, где т], электромагнитный К П Д старгера и w - переда гочное число привода электро­
стар 1 ера.
Если А Б не может самостоятельно обеспечивать вращение вала Д В С ,
то после разряда Н Э до напряжения на выводах ba^^lJRnp
+ RuJ
стартера
останавливается Время до остановки стартерного электродвигателя находим,
приравнивая к нулю правую часть уравнения для Э Д С ,
10
t, = - г . In
^
ia'< 14
Г-,
Полная мощность Л Б с учетом внутренних потерь,
-/
г, - г
P^,=I^J,s=b-JJl-^^-^e'-)
^2
Полная мощность Н Э с учетом внутренних потерь
Полная мощность К И Э Э с учетом внутренних потерь
Риш = р..о + / ' « ^ = UJa
-ПК^ь '-^-^^^^е-' +llR,s^^
^2
е "•
^2
Полученные расчетные формулы для С Э П с Н Э приводят как результа­
ты расчета в виде фафиков изменения параметрюв прокручивания Д В С при
питании от К И Э Э . При совместной работе А Б и Н Э в К И Э Э ЭДС стартера
асимптотически
приближается
к
значению,
соответствующему
вольт-
амперной характеристике А Б . При этом сила тока Н Э асимптотически при­
ближается к нулю, а сила тока А Б - к расчетно.му значению силы тока якоря
стартера. Подключение Н Э параллельно А Б позволяет вращать Д В С с часто­
той, большей частоты вращения при питании стартера только от А Б . В связи
с разрядом Н Э и уменьшением силы тока в процессе прокручивания Д В С
мощность Н Э уменьшается, асимптотически приближается к нулю, а мощ­
ность А Б возрастает благодаря увеличению силы тока, несмотря на уменьше­
ние напряжения. Зависимость мощности К И Э Э от его параметров имеет
сложный характер, но в течение всего времени прокручивания Д В С величина
ее остается меньше мощности, которую А Б развивала бы с учетом внугренних потерь при самостоятельной работе на стартер. .Мощность, развиваемая
К И Э Э во внешней цепи, больше мощности А Б и при t^oo приближается к
ней. Соответственно, уменьшается электромагнитная мощность на валу стар­
тера. Рабочие характеристики стартера в период совместной работы А Б и Н Э
в
КИЭЭ
изменяются
от
начальных
величин, соответствующих
вольт-
амперной характеристике К И Э Э , при которой имеет место ЭДС в начале про­
кручивания (при г=0), до конечных соответствующих вольт-амперной харак-
теристике А Б , т.е. когда напряжение на выводах комбинированного исгочника
определяется только падением напряжения в А Б .
Математическая модель для расчета переходных электромеханических
процессов в С Э П с Н Э разработана с учетом теоретических основ электро­
техники в области, разветвленной нелинейной электрической цепи. Нелиней­
ность обусловлена, главным образо.м, наличием в цепи стартера (электриче­
ской машины) с ссриесным возбуждением, математическая модель которой
описывается системой дифференциальных
и алгебраических
уравнений,
вкпючая уравнение движения ротора (якоря) стартера. Н Э представлены в
предлагаемой модели С Э П в виде двухполюсника, обладающего емкостью и
внутренним сопротиваснием. Для него справедливо уравнение в режиме раз­
ряда емкости. Стартер описывается уравнениями электрической машины с
ссриесным возбуждением, известными из курсов по расчетч переходных про­
цессов электрических машин. Система уравнений модели С Э П преобразова­
на к иид\. здобном} для расчета на Э В М методом Рунге-Кутта. В качесгве ис­
ходных данных для расчета вводятся параметры А Б , Н Э и стартера. Начапьные \словия задаются в зависимости от варианта С Э П . В графическо.м виде
на рис 2 и 3 предсгавлены результаты расчетов С Э П при раззичных темпера­
турах окружающей среды, содержащей А Б и Н Э , при.менительно к дви1с11еля.м ЯМЗ-238 и КамАЗ. Э т и графики использованы для сопоставления рас­
четных и опытных характеристик С Э П . Разработанная математическая мо­
дель С Э П с Н Э позволяет в дальнейшем путем введения соответствующих
функциональных зависимостей учесть влияние насыщения и изменения мо­
мента сопротивления на валу стартера в процессе пуска Д В С
I и. I y i ' -
I'
П4
Рис 2 Ре?утьтаты
11(1 OS
10
I
14
I '
1 S
I. t
модетрования рабочих процессов в СЭП с
применитетыю д1я двигатая
КИЭЭ
ЯМЗ 238 Г„,, " -10 °С (Пуск от АБ и НЭ)
12
•i
Рис. 3. Результаты
■•2
" I
"'•
"s
И/
1:
14
If
14
I. с
моделирования рабочих процессов в СЭП с КИЭЭ
применительно для двигателя KmtА3-74О, Т„^,= -12 "^0 (Пуск от АБ и НЭ.
В четвертной главе рассмотрены методики расчета С Э П с К И Э Э и
произведено сравнение С Э П с А Б и С Э П с К И Э Э по габаритно-массовым
показателям, стоимости, надежности в эксплуатации и т.д. Сравнение произ­
водилось для случая, когда обе системы оптимизированы по одинаковым вы­
бранным критериям. Сравнение С Э П по требуемым объемам А Б и Н Э и за­
тратам энергии на прокручивание коленчатого вала Д В С производилось при
примерно одииаковоП эффективноегп работы, необходимой для пуска двига­
теля внутреннего сгорания.
Расчет С Э П с К И Э Э , проводился при начальных условиях, когда Н Э
заряжался до номинального напряжения А Б . Расчет проводился в профамме
Microsoft Excel, которая позволила провести анализ при помощи электронной
таблицы.
В электронную таблицу можно вводить различные параметры А Б и Н Э
и условия пуска. В результате варьирования этих параметров можно получить
мошностные, энергетические и другие характеристики С Э П с К И Э Э при
различных
соотношениях
габаритно-массовых
показателей.
Результаты
расчета С Э П с К И Э Э по предложенной методике применительно к дизелю
КамАЗ-741 позволили определить средние за 10 с частоты вращения дизеля
при различных температурах и различных параметрах Н Э . работающих в
комбинации с А Б 2х6СТ-90, и построить зависимости средних частот от
удельной энергии Н Э по объему при различных постоянных времени Н Э
Для упрощения анализа расчета было принято, что при электропитании
стартера от АБ, средняя частога вращения на всем протяжение работы будет
постоянной. Наложив полученные зависимости частоты вращения С Э П с Н Э
(рис. 4) на линию средней частоты прокручивания Д В С э.1ектростартером
13
прн электропитании от АБ 2х6СТ-182. Точки пересечения характеристик ука­
зывают на равноценность по эффективности СЭП с КИЭЭ и СЭП с АБ. Обь'''
ем источника энергии (НЭ и АБ) заполняет объем штатногх) размещения АЁ
2х6СТ-182 на КамАЗе. При больших величинах удельной плотности энергии
НЭ имеется возможность уменьшить объем к-омбинированного источника по
сравнению с АБ 2х6СТ-182.
i.2
1 ■)
Iс
1,х U. .'U 1\г'
Рис 4 Совмещенные характеристики СЭП с АБ и СЭП с НЭ
При больших значениях энергии wm] имеется возможность уменьше­
ния объема К И Э Э по сравнению с АБ 2х6СТ-182 Результаты поиска необчолнмых значений и-//,, и соответствующие им емкость и внутреннее сопро­
тивление накопителя приведены в таблицах I и 2
Исходными данными для подбора или проектирования СЭП с АБ явля­
ются: зависимости среднего момента сопротивления и времени пуска от сред­
ней частоты вращения ДВС при различных температурах. Эти характеристи­
ки используются также для подбора, проектирования и анализа работы СЭП с
НЭ для ДВС. При этом точность расчетных методов оказывается не меньше
точности подбора, проектирования и оценки работоспособности традицион­
ных СЭП с АБ. При принятом допущении о постоянстве среднего момента
сопротивления частота вращения, ЭДС якоря стартера, напряжение НЭ. элек­
тромагнитная мощность линейно уменьшаются в зависимости от времени по
мере разряда НЭ Причем в начальный момент времени все основные пара­
метры СЭП примерно в 2 раза выше средних значений за время прокручива­
ния до полной остановки стартера Внутреннее сопротив.1ение НЭ при вы­
бранном времени прокручивания ДВС и выбранном типе НЭ определяется
тозько кратностью рабочего тока /:=/,//„, гле /, - ток короткого замыкания
14
стартера. При увеличении к внутреннее сопротивление НЭ при заданной его
постоянной времени уменьшается, стремясь к нулю при к~^1 (режим корот­
кого замыкания стартера). Масса НЭ с увеличением к возрастает, стремясь
теоретически к бесконечности при к->1.
Таблица 1
Пср, м и н ' ' ,за
WH3V,
Дж/см^
0
.
10 с прокручивания коленчатого вала при гяэ, с
1
2
3
4
g2
61
60
58
84
81
78
0,5
62
1,0
89
87
111
107
102
98
94
127
122
116
111
107
3
1,5
2,0
•
Таблица 2
4
Гяэ, с
0
1
2
н'яэьДж/см^
0,92
0,96
1,01
1,1
1,2
С„э,Ф
108
113
119
130
141
0
0,009
0,017
0,0231
0,0282
Лнэ,Ом
Одной из главных задач при проектировании СЭП с НЭ является опре­
деление минимальной массы и получение наивыгоднейшей частоты враще­
ния ДВС. Для этого задают ряд численных значений частоты вращения и для
каждого значения определяют момент сопротивления и длительность пуска.
Дальнейшее проектирование СЭП с НЭ минимальной массы осуществляют
по следующей схеме.
Задаваясь А^ от 0,1 до 0,9 определяют электромагнитный КПД и электромагнитную мощность стартера, необходимую для прокручивания ДВС со
средней частотой. Далее определяют число попыток пуска. Задаваясь произ­
вольным значением расчетного времени прокручивания, определяют относи­
тельные сопротивления НЭ и стартера. Далее для выбранных значений к и
длительности прокручивания находят минимальную массу стартера при раз­
личных значениях индукции в зазоре от 0,1 до 1,2 Тл. И, наконец, с помощью
соответствующих выражений вычисляют массы проводов, НЭ и всей СЭП с
НЭ. Аналогичный расчет проводят при других значениях к, длительности
прюкручивания и частоты вращения ДВС и находят минимальные массы
с )1 i
LiKHM оора?ом
IMXOIMI KOMOIMIJIII'IO кратноср раоочсю /ока. Л1И-
le u.Hocm прокручивания, им 1>кции и часюи.! вращения eiapiepa. при коюрои имес]ся абеолютньнТ \н1ни\1\м массы С"Э11 л 1я w (анных _\с ювий ii\cKa.
И качес1ве примера в [ла|}е иривелены расчеты С Э П с Н') т 1Я Л В С при тем|(ера(\ре 11_\ска \и1н\с 20 "С. pen ibraibi которых ире iciau leiibi в [рафичеcKONi в иле
При проектировании С Э П с К1Г)Э расчеты нроволя! при рапичных
часкмах враи1спия с не и.ю опреле1ения \пии1м_\\1а laoapmoB и массы С Э П
11рел 10/кениые форм\ ты иоличтяют опре1е1Я11> е\1кос1ь И Э . вн\1реинее соиропипение ЛЬ, а 1акже сопро1ивтение cTapiepiibix нровотов, при коюрых
СЭ11 б> lei иметь хи1ии\1а и.ные габариты к масс> PaipaooiaHHbnT метод оп­
и т а н>иого проектрования ( Э П с К П Э Э MOACI б ы и , рса пиован на Э В М
В че1всртой п а в е нрелстав1ены cpaBi{iiie 1ьные хараюеристики зксисрпмеига тыиих и расчетных исстедований ироиесса н>ска Л В С при использо­
вании Н Э Характерные !ависимос1и претск1втены на рис 5
9)
J
^
l b
\
ibO
-о' 'лю
451 М
— "р*^- —^
-31
i^vi:^._
1
2
1
-^.^^ ^
5
4
3
> СреОняя ча1П1()тапр()кр\чивания и ток
от времени
-
рсичстиые
-
Zijfi
1
1
1
T N ^ -
0
PUL
1
^-^^'^р ''^ Г
-
'
■
..1
»
)
1
~-=с:
-\
\h I/) а taeiicmiocimi
jKincpWiiciimci 1Ы1ЬК'
11ес\к>1ря на лои>тения прпня1ые дтя хнрошения расчета, наб полас!ся хороныя схолимос1ь расче1ныч и эксперимента.и,1и,1х ланных. Сравнение
их иоказывас! вопгожносп, исио нлования анаттических методов для иссте.ювания ироиессов прокручивания ва юв Д В С
э.1ектростартера\И'1 ири
11ек1роснабженни и\ от К И Э Э и опреде.1ения napavieipoB АБ и Н Э в СЭ11
При обоснованном выборе схе\н(ых решений, высоких >де.и^ных пока^aie 1ях Н Э и правильном согласовании харакгерисгик ЛБ. Н Э и crapiepa
( Э П с К П Э Э мо1\т конкхрировап. с ipa н1Ниоины\н) С Э11 с ЛЬ
плит
щпти
16
Разработка К Л Э Э с оптимизацией по массе (по объемх) является важ­
ной проблемой, решение которой дает возможность значительно повысить
технико-экономические показатели К И Э Э и ускорить процесс их внедрения
на автомобилях.
В пятой главе изложены результаты экспериментальных исследований
и нат\рных испытаний С Э П с Н Э
Экспериментальным исследованиям подвергались Н Э (14 В, ~8кДж),
разработанные ВНИИТ, при пуске Д В С типа КАМА-1111, МеМЗ-245, УД-15.
УД-25.
В процессе исследований оценивались следующие показатели двигате­
лей:
- время прокручивания;
- количество оборотов;
- количество рабочих ходов поршня;
- максимальная частота вращения коленчатого вала;
- средняя частота вращения коленчатого вала;
- максимальный ток в цепи стартера;
- конечное напряжение накопителя энергии.
Исследования показали, что при применении Н Э для пуска двигателей
возможно снижение массы и габаритов А Б в несколько раз (уменьшение ем­
кости на 5-10 А ч ) , что позволяет существенно сэкономить дефицитные ма­
териалы (свинец), уменьшить загрязнение окружающей среды свинцом и сер­
ной кислотой, снизить расходы на обслуживание А Б
Исследования возможности пуска холодного двигателя АЗЛК-412 с ис­
пользованием низковольтных Н Э типа «МИГ-10/14» (энергозапас 7,8 кДж
при напряжении 14 В ) проводились в холодильной камере Н И И А Э .
Четырехцилиндровый,
четырехтактный,
карбюраторный
двигатель
АЗЛК-412 водяного охлаждения с рабочим объемом 1,5 л., был оснащен
С Э П , состоящей из стартера 42.3708 и А Б 6СТ-55А.
Исследования включали в себя:
- прокручивание двигателя АЗЛК-412 при температуре минус 20 ° С на
масле М6з/1 ОГ и питании от А Б 6СТ55А, заряженной на 75 % ;
17
- прокр\чивание двигатетя в те\ же условиях с ис110.1ьзованием в каче­
стве источника энергии одного или дв}х накопителей МИГ-10/14:
- прокр\чивание двигателя с использованием в качесгве источника
энергии А Б 6ГТ55.А, заряженной на 75 % с параллельно подсоединенным од­
ним Н Э «МИГ-10 14».
На первом этапе были ос\шествлены прокручивания двигателя АЗЛК412 при мин}с 20 ° С на мае ic М6з/10Г, стартером 42.3708 от А Б 6СТ-55А.
заряженной на 7 5 % Рез>льтаты прокручива1И1Й показали, что средняя часто­
та вращения составила 160-170 .мин"', а на шестой десятисекундной попьике
пуска 160 мин" при потребляемой величине тока 250-260 А.
После экспериментов по прокручиванию были проведены пуски с ис­
пользованием в качестве самостоятельного источника питания стартера од­
ного накопите 1я «МИГ-10/14». Напряжение заряда ]{Э было 12,3 В. Темпе­
ратура минус 20 ° С , масло Мбз'ЮГ. Питание зажи1ания осуществлялось от
отдельной акк\м> ля горной батареи. При указанных условиях пуск двигателя
АЗЛК-412 был ос> ществлен за 2 попытки, т.е. за 2 цикла заряд-разряд Н Э . По
Г О С Т надежным считается п\ск Д В С за 3 попытки. Общая продолжитель­
ность пуска составила 4,2 с.
В результате экспериментов и испытаний установлено следующее.
1 Применение Н Э типа «МИГ-10/14». охлажденного до температуры
минус 20 ° С и заряженного до напряжения 12,3 В в качестве источника элек­
троэнергии для питания стартера 42.3708 обеспечило пуск холодного двига­
теля АЗЛК-412 при температуре минус 20 ° С на масле Мбз/ЮГ за две по­
пытки пуска с двумя зарядками Н Э с общим временем включения стартера
4,2 с.
2. При напряжении заряда 11,6 В начальная и средняя частота прокру­
чивания двигателя (154 и 110 мин"') оказалась ниже частоты прокручивания,
обеспечиваемой .ЛБ 6СТ-55А со степенью заряда 75 % . При начальном на­
пряжении Н Э 14.6 В начальная частота прокручивания (203 мин"') оказалась
выше, а средняя частота (142 мин) ниже, чем при прокручивании от батареи.
Длительность прокручивания Н Э при начальном напряжении 11,5-16,6 Б ле­
жала в пределах 2,7-4,1 с.
3 При параллельном соединении Н Э «4414^10/14» с А Б 6СТ55А сред­
няя частота прокручивания увеличивается на 10-12 % по сравнению с ис­
пользованием только АБ.
Аналитические исследования С Э П проводились на двигателе ВАЗ-2110
с нештатной А Б (22 А ч ) и Н Э в качестве К И Э Э .
Анализ результатов прокруток показал, что угол поворота, скорость
вращения, время прокрутки и т.д достаточны для пуска двигателя, поэтому
было принято решение попытаться запустить двигатель от одного Н Э .
После прокрутки был сделан пробный пуск двигателя со штатной А Б и
параллельно включенным Н Э . Пуск произошел с первой попытки.
Исследования возможности показан пуск двигателя автомобиля М А З
54323 (двигатель Я М З 238Б-1, мощностью 300 л.с, стартер 25.3705-01, мощ­
ностью 8,2 к В т ) от Н Э (U„ = 18 В; С =- 50 Ф ; Л„„ = (7-8)-10'^ Ом) в гаражных
условиях, что двигатель при окружающей температуре +10 ° С надежно пус­
кается от двух Н Э . соединенных параллельно, два раза подряд с одной заряд­
ки, третий пуск также обеспечивается, но не является надежным. От одного
Н Э двигатель пускается надежно только один раз, при второй попытке не
обеспечивается прокр\ тка вала Д В С .
Пуск двигателя автомобиля КАМАЗ-5410 (двигатель мод. 740, мощ­
ность - 210 л. с ; стартер СТ142, мощность - 10,5 л. с ; штатная аккумулятор­
ная батарея две А Б 6СТ-190 последовательно) от Н Э (t/„ = 18 В; С = 50 Ф ; R^,,
= (7-8)'10'' Ом) проводился при окружающей температуре +6 ° С экспери­
ментальными пусками, от соединенных последовательно двух нештатных А Б
6СТ60 и от двух соелиненных последовательно А Б 6СТ60 и параллельно
подключенного к ним одного Н Э . Опыты показали, что двигатель К А М А З 5410 при окружающей температуре +6°С надежно пускается от трех парал­
лельно соединенных Н Э пять раз подряд без подзарядки (с одной зарядки).
От одного Н Э пуск произошел только один раз, при второй попытке стартер
не обеспечил прокрутки.
Проведенные экспериментальные пуски двигателя КАМАЗ-5410 от Н Э
подтвердили возможность пуска как от Н Э (без А Б ) , так и многократные пус­
ки от А Б значительно .меньшей энергоемкости 70-80 А . ч . (вместо штатных
300-380 А ч ) соединенной параллельно с одним Н Э .
19
С целью проверки возчюжностн г\ска двигателя автомобиля КамАЗ
при окрл'жаюшей температуре минус 17 ° С в гараже проведены эксперимен­
тальные пуски от одного Н Э и с подключенной А Б .
Испытания в холодильной камере показали следующее:
- при те.мпературах мин>с 20 и 30 ° С без предпускового разогрева дви­
гателя совместная работа ЛБ и Н Э может дать увеличение частоты прокручи­
вания лишь непосредственно после включения стартера. Однако с течением
времени, наличие Н Э , по существу, не сказывается на частоте вращения и по­
пытках пуска Д В С ;
- при температурах \1ин\с 40, 45 и 50° с применением предпускового
разофева Д В С совместная работа Н Э и А Б оказывается эффективной по
сравнению с возможностями А Б без Н Э ;
- применение Н Э без АБ во всех опытах оказывается неэффективным.
Анализ результатов прокручивания и некоторых попыток пуска двига­
теля при температуре минус 12 ° С показывает, что при совместной работе А Б
и Н Э энергоемкостью -60 кДж (два Н Э ) максимальная частота вращения и
средняя за первые 2 с увеличилась на 18-21 % .
Применение Н Э энергоемкостью ~30 кДж совместно с А Б типа 6СТ110А обеспечивает прирост частоты вращения до 10%, а с увеличением энер­
гоемкости до 85 кДж (три Н Э ) прирост максимальной частоты и средней за 2
с составил соответственно 31 % и 28 % .
Использование Н Э совместно с А Б 6СТ-110 А существенно облегчает
условия работы А Б в системе элекфостартерного пуска дизельного двигателя
автомобиля КамАЗ за счет снижения токовых нагрузок Так, пиковые (макси­
мальные) значения тока уменьшаются в 2-2,8 раза, через 2 с на ~ 16 - 55 % .
через 4 с до ~35 % в зависи.мости от емкости Н Э .
Использование в системе пуска автомобилей КамАЗ Н Э обеспечивает
увеличение срока службы штатной А Б 6СГ-190 за счет перераспределения
токовой нагрузки между А Б и Н Э , снижение энергоемкости А Б , например до
110 А ' ч , а также повышение надежности пуска дизельных двигателей.
Технико-экономическая оценка применения Н Э для системы электростартерного пуска Д В С показала преимущества С Э П с использованием Н Э :
снижение энергоемкости А Б при.мерно в 1.5-2 раза; повышение надежности
пуска при отрицательных температурах; обеспечение возможности дубли-
20
р\ющего п\ска при разряженности или отказе А Б : повышение срока сл\'жбы
С Э П : в отличие от АБ. Н Э не треб%ет никакого обслуживания, пожаро- и
взрывобезопасен; возможность использования вместо свинцово-кислотных.
экологически менее вредных щелочных А Б , обладающих лучшими эксплуа­
тационными характеристиками: срок службы Н Э выше, чем А Б ; сокращение
времени подготовки двигателя к пуску.
Основные результаты и в ы в о д ы
1 Анализ классических конструкций С Э П показан их существенные
недостатки при пуске Д В С в холодное время года (минус 30 ° С и ниже) без
дополнительных источников облегчения пуска (подофевателя, впрыска лег­
ковоспламеняющейся жидкости и т.д.). Для повышения технического уровня
С Э П требуются нестандартные конструктивные решения по оптимизации
С Э П , применение новых материалов и в том числе емкостных накопителей
2. Эксперименты по прокручиванию Д В С от различных Н Э определили
основные технические
характеристики
комбинированной
С Э П , схемно-
технические решения соединений А Б и Н Э для обеспечения получения наи­
лучшего эффекта по пуску холодног о Д В С .
3 Разработана математическая модель К И Э Э с учетом различного со­
единения А Б и Н Э , величины зарядного напряжения накопителя, энергетиче­
ских показателей и скоростного режима пуска Д В С .
4 Результаты исследования математической модели позволили опре­
делить зависимости от основных параметров С Э П К И Э Э времени прюкручивания. времени вращения якоря стартерного электродвигателя до полной его
остановки.
5. Адекватность математических моделей К И Э Э С Э П была проверена
на экспериментальных Д В С ЯМЗ-238 и КамАЗ-740, показала достаточную
сходимость разработанной математической и физической моделей, а также
адекватность расчетных и экспериментальных характеристик К И Э Э , что по­
зволило сформулировать рекомендации по выбору параметров стартерных
АБ и НЭ.
6. Разработаны ос1ювы оптимального проектирования К И Э Э , что 1юзволяет в конкретных проектах формулировать технические требования к
21
А Б , Н Э н стартер}, из условия минимальных массо-габаритныч показателей
К И Э Э в целом.
7. Технико-экономическая оценка при.менения Н Э в К И Э Э Г Э П пока­
зала перспективность их более широкого внедрения в автотракторную и же­
лезнодорожную техник)
8. К И Э Э в С Э П транспортных средств позволяет улучшить пусковые
качества двигателя при отрицательных температурах окружающей среды, т.к.
этот комбинированный источник позволяет уменьшить влияния параметров
А Б за счет перераспределения токов от Н Э и А Б .
9. Оптимальными пара.метрами Н Э является его внутреннее сопротив­
ление и энергоемкость, поскольку начальная частота вращения коленчатого
вала д в е выше, чем при увеличенном времени заряда Н Э .
10. С Э П транспортного средства с применением К И Э Э повышает тех­
нический уровень самой системы и снижает эксплуатационные расходы при
ее обслуживании. Это связано с повышением готовносги К И Э Э к обеспече­
нию энергией стартерного электродвигателя (частота вращения якоря при
равных условиях пуска с К И Э Э и без нее увеличивается в 1,5 раза).
11. Результаты экспериментальных и теоретических исследований б ы ­
ли внедрены в учебную практику М Г Т У « М А М И » на кафедре А Т Э в курс
« С А П Р А Т Э » в качестве интеллектуального продукта - расчетных методов в
Н П О «Автоэлектроника»
Основные результаты диссертации опубликованы в работах
1. Малеев Р.А., Шматков Ю . М . , Чижков Ю . П . Поляков Н.А. Методика
определения параметров аккумуляторной батареи и емкостного накопителя
энергии при их совместной работе в системах электростартерного пуска
2. Антепенко B.C., Поляков Н.А., Чижков Ю . П Электроснабжение стар­
тера от емкостного накопителя энергии. Грузовик & стр. 41-44, № 5 , 1998 г.
3 Антепенко B.C., Поляков Н.А., Чижков Ю.П Определение парамет­
ров комбинированного источника тока системы пуска. Тезисы докладов на
Международной научно-технической конференции «Системные проблемы
надежности, математического моделирования и информационных техноло­
гий», 1998, г. Сочи, стр. 10-11.
4. Полякова В.Н . Поляков Н.А.. Чижков Ю.П Электропитание старте­
ра от емкостного накопителя энергии. Тезисы докладов на Межд\народной
научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, мате­
матического моделирования и информационных технологий», 1998. г. Сочи,
стр. 11-12.
5. Чижков Ю.П.. Поляков Н.А. Системы пуска с различны.ми источни­
ками тока (например автомобиля КамАЗ). Материалы Международной кон­
ференции и Российской научной школы молодых ученых и специалистов
«Системные проблемы качества, математического моделирования информа­
ционных технологий», часть 2, Москва-Сочи, 1999 г., стр. 12.
6 Чижков Ю.П., Мапеев Р.А., Поляков Н.А. Стартерный электропри­
вод при электроснабжении от комбинированного источника энергии. Тезисы
докладов международного научного симпозиума, X X V I I научно-технической
конференции А А И
«Автотракторостроение.
Промышленность
и
высшая
школа» к 60-летию воссоздании М А М И . 1999 г., стр. 54-55.
7. Чижков Ю.П., Поляков Н.А, Проектирование систем пуска автомо­
бильных двигателей с различными источниками электроэнергии. Тезисы
докладов на vteжлyнapoднoм симпозиуме по автоэлектрике «Генераторы,
электромашины, светотехнические приборы, коммутационные устройства,
системы их регулирования и управления. Конструкция, материалы, техноло­
гия производства» г. Суздаль, 2000 г.
8. Чижков Ю.П., Малеев Р.А., Поляков Н.А., Поляков Е.А. Применение
емкостного накопителя энергии на двигателе внутреннего сгорания. Тезисы
докладов на X X X I научно-технической конференции А А И «Приоритеты раз­
вития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров Междуна­
родного научного симпозиума, посвященного 135-летию М Г Т У
«МАМИ»
Москва, Россия - М Г Т У « М А М И » , 2000 г. стр. 62-6."?
9. Акимов О.А.. Коротков В.И., Малеев Р.А., Поляков Н.А., Чижков
Ю П. Система пуска двигателей для А Т П . «Грузовик & » , № 4, 2001 г., стр.
14-15.
10. Антипенко B.C., Антипенко С В . , Нигматулин Ш.М., Поляков Н.А.,
Репников Н.П., Чижков Ю.П. Источники тока с емкостными накопителями в
системах пуска двигателей. Труды I I Международной научно-практической
KOM())epeHimn «Лнюмооитп 1е\н(Ч'фер.1» 1C-\IS-2()0I
i
Казань. Taiapcian.
Россия 200 i г.. с I p. 44.'?-44(1
11 \miHieHKO li ( . \и1И11еико С В . Ипгмат) IIHI IJl \ I . Г1о.1Яков И \ .
IV'imHKOB I I П.. Чпжков 10 Г!. .Чарамеристки мембран мо.1ек\.1ярны\ накоmneiefi )нер1ии
Гр\лы II \1ежд\наролпой на\чно-пракп1ческоГ| конферен­
ции <
< \в10моби.н1 техносфера» I C \ I S - 2 ( ) 0 i . г Казань. Татарстан, Россия
2001 I .С1 р. 443-446
12 Но 1Я1иов .1 И . Чижков KJ 11. По 1Яков И \ Зарчбежные конленсаюры
(езисы домалов M i l l К \Л11 «Приоритеты развития отечественного
ан101раморостроения и поиоювкм инлченерных и на\чны\ Ka.ipoB» 25-26
сен1ября 2002 г. Россия. Москва. M l I У «М.ЛМИ» стр. 51
!3. Поляшов Л.И . Чижьов 10 I I . По.1Яков Н Л Отечественные конлёнсаюры Те!исы токлалов M I I 1 K А.ЛИ «11риориге1Ы рашшия отечественного
автотракюростроения и псиюювки инженерных и на\чных кадров» 25-26
еен1яГ)ря 2002 i. Россия. Москва. М Г Т \ « М ХМП» cip. 5 1-52
14. Иабоких В,А . По 1яков И Л . 11о.1яков 1- Л 11ерераспре,1етение то­
ков о1 макопитетей jnepinii и акк-\\1\ {яюрнои oaiapeii в 1ияюшие на г(роцесс
пчска .1ВП1ате.1я. Магериаи,! 4')-ой МежTNнародной научно-технической конференшш Л Л И «Г1риори1е1ы разви1ия отечественною ав101ракгоростроения
и поиотовки инженерных и на\чных Ka.ipoB» Секция 3 «Лвтомагнзированиое \правтение. электроника и зтектрооборхдованпе авютракторной техни­
ки» ч I. Москва. М А М И 200^ г с. 29-34 с
■
^
^
П О Л Я К О В И п к о л я » A.ieucccBHM
\iiiiipe(|)L'pui iiK'CCpuiiiim iw coiick.iiiiie yicmiji LICIICIIII кап iii un.i юмтческпх илхк
«СИСТЕМА
ЭЛЕКТРОСТЛРТЕРНОГО
ПУСКА
ТРАНСПОРТНЫХ
СРДЕСТВ С П Р И М Е Н Е Н И Е М КОМБИНИРОВАННОГО ИСТОЧНИ­
КА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ»
По UHicaiio в печать •/-/•/<?6'<9d"
Заказ i7^'OS
Тираж 80
Ьчмага пнюграфская
Формат 60x90 16
% Н Т > « М А Л И ! » . Москва, 107023, В. Семеновская >.i.. 38
¥Pir03
РНБ Русский фонд
2006-4
21950
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
909 Кб
Теги
bd000102171
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа