автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование метода и разработка средств повышения пусковых характеристик автомобильных двигателей в условиях низких температур

На правах рукописи

Алиев Али Ямудмнович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУР

Специальность 05 04 02 — Тепловые двигатели

АВТОРЬФЬРАI диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003058998

Работа выполнена в Махачкалинском филиале ГОУ ВПО Московского авто-мобнлыш-дорожного института (государственного технического университета)

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Иващенко Николай Антонович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Фомин Валерий Михайлович

кандидат технических наук Федоров Вадим Анатольевич

Ведущая организация Московский государственный технический университет «МАМИ»

Защита диссертации состоится 31 мая 2007 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212 141 09 при ГОУ ВПО Московский государственный технический университет им Н Э Баумана по адресу Москва, Рубцовская наб , д 2/18, Учебно-лабораторный корпус МГТУ им Н Э Баумана ауд 947

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им Н Э Баумана

Автореферат разослан

2007 г

Ученый секретарь диссертационного сове Кандидат технических наук, доцент

Тумашев Р 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Двигателестроительная промышленность в настоящий период переживает очередной технологический подъем, что связанно с необходимостью перехода на новый технический уровень, удовлетворяющий резко возрастающим требованиям по экономии топлива, экологии, безопасности, комфорту и, в целом, по повышению конкурентоспособности продукции

Система пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одной из главных на современном транспортном средстве Затрудненный пуск двигателя в сложных климатических условиях создает не просто неудобство, но и обуславливает повышенный износ деталей ДВС, снижение эксплуатационных возможностей транспортного средства, а иногда напрямую связан с проблемой обеспечения безопасности

Современные требования по эксплуатации автомобильных бензиновых ДВС в условиях низких температур (согласно международному стандарту - минус 27°С) вызывают необходимость использования энергетически емких бортовых источников для обеспечения эффективного функционирования систем пуска и других вспомогательных агрегатов и систем двигателя

В связи с этим перспективной является концепция применения комплексных систем многоуровневого напряжения со стартер — генераторной установкой (СГУ) и микропроцессорным управлением, являющихся определяющим фактором для повышения эксплуатационных показателей современного ДВС и автомобиля

Несмотря на то, что многие зарубежные фирмы достигли определенных результатов в создании систем многоуровневого напряжения для автомобилей, в нашей стране эти работы находятся на начальной стадии и многие вопросы в области • использования СГУ в системах пуска ДВС и генерирования бортовой энергии остаются нерешенными В частности, остаются, не исследованы комплексные системы СГУ для запуска ДВС и генерирования электрической энергии с микропроцессорным управлением

Следует отметить, что применение СГУ с микропроцессорным управлением предопределяет возможность совершенствования, наряду с рассмотренными выше, и других характеристик транспортного ДВС СГУ является эффективным электромагнитным гасителем (демпфером) крутильных колебаний вала ДВС и представляет перспективную альтернативу механической системе демпфирования Микропроцессорная система СГУ в автоматическом режиме может выполнять функции системы «Stop and Go», обеспечивая при этом значительную экономию топлива в городском режиме движения Кроме того, система с СГУ, работая совместно с ДВС, обеспечивает частичную гибридизацию энергетической установки автомобиля, способствуя тем самым повышению динамических качеств автомобиля

Изложенное выше обуславливает целесообразность проведения анализа и обобщения известных работ, дополнительных исследований СГУ с целью совершенствования пусковых и энергетических характеристик транспортного ДВС, что и определяет актуальность выбранного направления исследования

Народно - хозяйственная проблема Диссертационная работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленно-

сти России на период до 2005 года», а также подпрограммы «Исследование, разработка и выпуск опытно - промышленных партий стартер - генераторных установок с многоуровневым напряжением и электронным управлением для комплектации легковых автомобилей производства 2005 2010г г »

Рабочая гипотеза В каждой конкретной ситуации существует сочетание технических средств и условий для решения вопросов создания систем пуска ДВС и бортового генерирования электроэнергии, при которых эксплуатационные издержки будут наименьшими, а технические характеристики наилучшими

Научная гипотеза Для повышения эффективности существующих способов пуска ДВС и генерирования бортовой энергии необходимо применение высокоэффективных многоуровневых систем с СГУ, обеспечивающей высокие пусковые и энергетические характеристики двигателя В методологическом плане подобный подход предусматривает не определение глобального оптимума и разработку универсальных рекомендаций, а выявление наилучшего решения в каждой конкретной ситуации эксплуатации ДВС Целесообразность разработки методологии выявления подобных сочетаний обуславливает научную гипотезу данного исследования

Цель и задачи работы. Целью диссертациошюй рабо гы является исследование метода и разработка высокоэффективных средств обеспечения надежного пуска автомобильных бензиновых ДВС в условиях низких температур окружающей среды (до - 30°С) и генерирования бортовой электроэнергии с многоуровневым напряжением на основе применения стартер - генераторных установок с микропроцессорным управлением

Исходя из поставленной цели, определены следующие задачи исследования

1 Сформулировать и методически обосновать концепцию обеспечения низкотемпературного (до минус 30°С) пуска двигателя с искровым зажиганием на основе применения комплексной стартер - генераторной системы с микропроцессорным управлением операциями пуска и генерирования бортовой энергии

2 Разработать методику расчета параметров пускового режима системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов двигателя и электрической машины, позволяющую проводить поиск рациональных решений при оргаштции режимов пуска в указанных условиях

3 С использованием разработанной методики провести расчетно-теоре-тические исследования с целью определения энергетических и динамических (раз-го шсых) характеристик системы «ДВС-СГУ» и выявлешш условий эффективного проведения пуска ДВС в зависимости от температуры окружающей среда!

4 Провести комплекс экспериментальных исследований с целью проверки1 достоверности разработанной методики и результатов расчетного анализа и уточнения характеристик пускового момента и времени разгона применительно к двигателям автомобилей семейства ВАЗ, а также для оценки эксплуатационной эффективности работы предложенной стартер - генераторной установки в составе автомобильного ДВС '

5 Систематизировать и обобщить полученные теоретические и практические результаты исследования с учетом возможности их распространения для ДВС всех типов отечественных легковых автомобилей с механической трансмиссией В том числе, по результатам проведенного исследования обосновать выбор стартер - ге-

нераторной установки на базе вентильного электродвигателя применительно к ДВС нового семейства автомобилей ВАЗ и разработать схему его размещения в картере сцепления без изменения его базовой конструкции

Объектом исследования являлся автомобильный двигатель, оснащенный стартер - генераторной установкой с микропроцессорным управлением и процессы, определяющие возможность повышения его пусковых и энергетических характеристик

Предмет исследования. Методы и средства реализации способов повышения пусковых и энергетических характеристик ДВС, а также модели формирования этих характеристик при работе двигателей в конкретных эксплуатационных ситуациях

Методы исследования. При проведении исследований были использованы методы классической механики, методики системного подхода к формированию пусковых характеристик ДВС, совместное математическое моделирование процессов в системе «ДВС-СГУ», статистические методы обработки информации, экспериментальные методы исследования, как в лабораторных, так и в натурных условиях Лабораторные и моторные испытания проведены в лабораториях ОАО «Авиаагрегат» и ОАО «АвтоВАЗ»

Научная новизна работы:

- с использованием предложенной методики расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ» исследованы рациональные режимы эффективного пуска ДВС в зависимости от температуры окружающей среды,

- исследованы условия по обеспечению работы СГУ в соответствии с международными требованиями, предъявляемыми к многоуровневым стартер- генераторным системам автомобильных ДВС при напряжениях 24 и 42В,

- разработаны математические модели и программы расчетов режимов работы СГУ на напряжении 24 и 42В,

- предложена методика экспериментальных исследований пусковых характеристик автомобильного двигателя, оснащенного опытной системой СГУ с многоуровневым напряжением и микропроцессорным управлением

Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов определяются

- применением фундаментальных законов теории ДВС, теоретической механики, теплофизики, электромеханики и термодинамики, а также их соответствие выявленным особенностям изучаемых процессов,

- использованием корректных средств и методов натурных измерений на стенде с полноразмерным двигателем,

- экспериментальным подтверждением с достаточной точностью результатов расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ»

Практическая значимость работы.

1 Разработаны рекомендации по совершенствованию пусковых характеристик в условиях низких температур для ДВС семейства легковых автомобилей с рабочим объемом до 2 5 л на основе рационального выбора параметров предложенной комплексной системы с СГУ и микропроцессорным управлением

2 Предложена усовершенствованная система иизкотемперагурного пуска ДВС для

семейства автомобилей ВАЗ, содержащая высокоэффективный стартер - генераторный комплекс с возможностью обеспечения многоуровневого напряжения 12 и 48 В, обеспечивающий надежный (не превышающий 10 с) запуск двигателя в условиях температуры окружающей среды до минус 30°С без применения специальных средств облегчения пуска

3 Разработана микропроцессорная система управления СГУ, реализующая функции оптимизации эффективного пуска ДВС с учетом климатических условий эксплуатации, электромагнитного демпфера крутильных колебаний вала ДВС, системы «Stop and Со», а также частичной гибридизации энергетической установки автомобиля и генерирования бортовой электроэнерпш многоуровневого напряжения

Реализация результатов работы. Решенные в работе задачи являются частью перспективных научно-исследовательских и проектных работ, проводимых ОАО "Авиаагрегат" совместно с кафедрой электромеханики Южно-Российского ГТУ, по техническим требованиям ОАО «АвтоВАЗ»

Материалы диссертации и ее результаты используются в учебном процессе на кафедре «Автомобильный транспорт», ДСХА и МФ МАДИ (ТУ) при изучении дисциплины «Автомобильные двигатели»

Апробация работы. Диссертацио!шая работа заслушана и одобрена на заседании кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им Н Э Баумана Основные положения работы доложены и обсуждены на

- Международном симпозиуме по автоэлектрике и авто-электронике «Автомобильное электрооборудовшше, конструкция, материалы, технология Проблемы

* перевода АТЭ на напряжение питания 42В», (Суздаль, 2001г )

- Научно - практических конференциях кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервиса», МАДИ, 2002 2005 г г

- Научно - практических конференциях кафедры «Автомобильный транспорт», ДСХА, 2002 2005 г г

-Международной научно-практической конференции «Основные проблемы, тенденции и перспективы устойчивого развития производства», г Махачкала, 200бг

Публикации. Основные результаты работы отражешл в 6-ти печатных работах, в том числе в 4-х научных статьях, 2-х тезисах на международных научно -практических конференциях и подготовлены материалы на полезную модель

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 150 страницах и содержит введение, четыре главы основного содержания, проиллюстрированного 13 таблицами и 45 рисунками, общие выводы и список использованной литературы из 82 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы и выбранного направления исследования, сформулирована его цель и основные положения, выносимые на защиту

В первой главе диссертации изложен анализ расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, посвященных изучению методов и средств пуска автомобильных ДВС Исследования, посвященные проблеме холодного пуска ДВС,

проводились в разные периоды времени в научно-исследовательских и учебных центрах России, а также за рубежом Проанализированы работы российских и зарубежных исследователей, посвященные развитию методов электрического пуска ДВС М Л Минкина, В А Назарова, Н Н Сметнева, В В Корницкого, И С Хвощева

Исследовательские работы, отражающие развитие методов математического моделирования внутрицшшндровых процессов ДВС, осуществлены такими учеными, как Н А Иващенко, Р 3 Кавтарадзе, Р М Петриченко, С А Батурин, в \Voschrn

Большой вклад в развитие и разработку электрического привода для пуска ДВС, в том числе, и индукторного электропривода , внесли ученые Л Ф Коломейцев, С А Пахомнн, Д В Крайнов, Е А Слепков и др

Проведенный анализ состояния работ по проблеме у/гучшения пусковых качеств автомобильных ДВС с искровым зажиганием в условиях низких температур позволил сделать следующее заключение

Неуклонно продолжающийся рост автопарка страны требует периодического обновления стандартов и повышения требований к уровню показателей технической эксплуатации транспортных средств, в том числе, к совершенствованию пусковых характеристик ДВС в условиях низких температур

На основе проведенного анализа выявлено, что основные трудности при пуске ДВС в условиях низких температур сводятся к следующе «у

1 В результате низкой температуры воздуха поступающего в цилиндры ДВС из окружающей атмосферы, повышения теплоотдачи в стенки камеры сгорания, и увеличение утечки воздуха при сжатии из-за уменьшения числа оборотов коленчатого вала понижается температура конца сжатия

2 Вследствие повышения вязкости моторного масла и увеличения в связи с этим момента сопротивления, падения емкости аккумуляторных батарей снижается частота вращения вала двигателя

3 Вследствие низких температур ухудшается процессы смесеобразования (испаряемость топлива) и воспламенения

Анализ современного состояния и перспектив развития систем пуска и генераторных систем автомобильных двигателей показывает, что

1 В связи с появлением новых нормативных требовашш в настоящее время назрела острая потребность в улучшении показателей пуска автомобильных ДВС при низких температурах окружающей среды (до -27 С) и повышения уровня бортового 1енерирования электрической энергии, что, в частности, связано с постоянным возрастанием мощности агрегатов двигателя и автомобиля с электрическим приводом

2 При пуске двигателя в условиях низких температур весьма важно обеспечить повышение момента пусковой системы, способствующею уменьшению времени разгона ДВС до режима, при котором обеспечивается его надежный запуск

3 Повышение энергетических возможностей пускового устройства является в рассматриваемых условиях действенным средством улучшения пусковых качеств ДВС

4 Современное состояние развития автомобильных ДВС обуславливает необ ходимость применения комбшшро ванных стартер - генераторных систем много

уровневого напряжения, обеспечивающих, наряду с эффективным nyci ом двигателя при низких температурах, генерирование электроэнергии для бортовых нужд и повышения динамических характеристик транспортного средства

5 Подобные высокоэффективные системы еще не нашли своего широкого применения на отечественных автомобилях Отдельные образцы таких систем, созданные по образцу европейских систем, технологически не согершенны и но многим показателям не удовлетворяют эксплуатационным требов.нпшм Учитывая существующее техническое состояние российского автомобилестроения и отсутствие отечественного исследовательского опыта массового изготовления подобных систем, их перспективная разработка обуслаьливает необходимость проведения углубленных исследований связанных с из\'чением комплекса вопросов теоретического и экспериментального характера

С учетом результатов проведешгого анализа были сформулированы цель и задачи диссертационной работы

Во второй главе проведено расчетно-теоретическое исследование энергетических и динамических показателей системы «ДВС-СГУ» в период холодного пуска двигателя с использованием методов математического моделирования При этом целевая задача исследования сводилась к поиску целесообразного выбора параметров пускового устройства с учетом обеспечения высокой эффективности операции пуска ДВС в условиях низких температур (до - 30°С) окружающей среды

Согласно данным энергетического анализа пускового процесса работа, затрачиваемая при проворачивании вала двигателя от начала движения до момента успешного пуска двигателя, слагается из

1) работы преодоления внутренних сопротивлений двигателя LT, определяющейся величиной среднего давления треиия,

2) работы компрессии /., и преодоления потерь в процессах сжатие-расширеиие, обусловленные утечками и охлаждением рабоче го тела,

3) работы на сообщение кинетической энергии L, движущимся массам при разгоне двигателя от состояния покоя до угловой скорости вращения коленчатого вала а)„, обеспечивающей надежный запуск двигателя

Таким образом, полная работа, затрачиваемая на проворачивание вала двигателя, определится уравнением

Lnp = LT + LK + L, (1)

Работа трения при проворачивании вала на угол dtp определялась как

LT (q>) = МТ (<p)d(p

Приняв допущение, что за короткий промежуток времени пуска масло в картере заметно не нагревается (т е не изменяется его вязкость), работа трения за период пуска может быть определена интегрированием

9>

= J'MT{<p)d<p, (2)

I faO

где <p — угол поворота вала на текущем шаге расчета, <р = 2лгУ, N - количество оборотов, которые совершил вал с момента начала движения ($> = 0) до рассматриваемого момента

Уравнение момента трения для диапазона угловых скоростей м = (0 5) с

Mr(p)= 10-

4л-

0,2 + 1,3

а для последующих скоростей прокручивания вала ДВС (со - 5с)

4я

0,2 + 1,3

3<у

ш

4 к

у j

(3)

(4)

Значение вязкостей v для различных масел при соответствующей температуре оценивалось по справочным данным Момент, необходимый для преодоления сил инерции, определялся зависимостью

(5)

Работа на преодоление сил инерции движущихся масс при разгоне двигателя из положения покоя до рассматриваемой (текущей) угловой скорости вращения коленчатого вала со определялась уравнением

где ./,„ — приведенный к оси коленчатого вала полярный момент инерции всех движущихся масс системы «ДВС-СГУ»

Работа Ьк и среднее давление рк определялись на основе моделирования Математическая модель пускового процесса сформирована в виде подмоделей 1) процессов газообмена, 2) процесса «холодного» сжатия-расширс ния

Имея в виду, что температурные состояния рабочего тела и стенок КС в период холодного пуска в отсутствии сгорания (сЛ1/с]!р = 0) практически одинаковые {dQJd<p = 0), уравнение баланса энергии для процессов продувки и наполнения записывались в следующем виде

(¡и (1т . (1т „ с1т (IV

= я „ —:--й „„. —:-ч р ——, (7)

т--h и

dtp dtp

1 ВЫЛ ,

dtp d(p

а дифференциальное уравнение состояния рабочего тела 1 dp цт dma цт dm pdcp

dtp

f.iam dtp nfm dtp

l*i+±*L=o

T dtp V dq.

(8)

где m, /?/„, твЬ1Х, общая масса рабочего тела и его массы, вводимые и отводимые через впускные и выпускные органы газообмена, и — внутренняя энергия рабочего тела, /;„,„ Ивьт - удельные энтальпии потоков рабочего тела при входе в цилиндр и при выходе из него соответственно, 7, р V- температура, давление, объем рабочего тела, шдоксы fuá определяют принадлежность параметров для топлива и воздуха соответственно

Температура рабочего тела (смесь топлива и воздуха) в цилиндре при условии, что в данный период подогрев топливовоздушной смеси в цилиндре и во впускном патрубке отсутствует, определялась с учетом ее изме нения, обусловленным гидравлическим сопротивлением впускных клапанов и испарением топлива Температура смеси во впускном патрубке оценивалась только с учетом испарения топлива

Модель процесса сжатия описывает энергетические затраты СТУ, связанные с преодолением компрессии в одном из цилиндров на интервале, начало которого совпадает с моментом закрытия впускного клапана, а конец - с моментом открытия выпускного клапана На такте сжатия - расширения в период холодного пуска ДВС относительные потери рабочего тела (утечки) через неплотности цилиндра возрастают вследствие низкой пусковой частоты вращения вала и соответствующего увеличения времени осуществления этого такта Уравнение баланса массы для данной, частично открытой системы (органы газообмена закрыты) удовлетворяет условию

т(<р) - Щ= м„(у) + т^р) (9)

Тгр оо)

,/р """ \к 4 1 ^ е 1

С учетом известных рекомендаций эквивалентное эффективное сечение для неплотностей (поршневые кольца с диаметром П) рассчитывалось как

01)

С учетом того, что газовая постоянная Л при отсутствии процесса сгорания

(неизменном составе рабочего тела) может быть принята постояшгои (сШ/с!<р = 0),

уравнения баланса энергии с учетом утечек рабочего тела о'туг через неплотности

цилиндра и уравнение состояния примут следующий вид

а(ти) 11V (¡<2„ гг^уг ппЛ

-р--ь + с Т-— , (1/)

dtp dtp d<p dtp

dP _m R dT RT dm p d'S dtp V dp V dtp V dtp

(13)

При определении параметров рабочего тела для реясима холодного пуска

двигателя функция , характеризующая динамику отвода теплот! i от рабочего dtp

тела через локальные теплообменные поверхности деталей, образующих камеру сгорания (головка цилиндра, днище поршня, цилиндр), имеет ряд характерных особенностей Для этого режима термодинамическое состояние рабочего тела и параметры, входящие в эту функцию, меняются по времени наиболее интенсивно в период процесса сжатия При этом можно предположить, чго вследствие малого по времени длительности периода пуска (несколько секунд) тепловое состояние деталей КС изменяется незначительно В общем виде текущий обмен теплотой между рабочим телом и стенками камеры сгорания описывался уравнением Ныотона-Рихмана, а коэффициент теплоотдачи «„ от рабочего тела к поверхностям теплообмена деталей, образующих рабочий объем камеры сгорания, определяли по формуле Г Вошни, исключая при это^ фазу сгорания и «горячего» расширения

яч*-819,5 D~e2p0tT~°S46w0>, (14)

где w— скорость рабочего тела во время сжатия w(<p} = 2,28 cm ,

где р — текущее давление в цилиндре двигателя на такте сжагия-расширешм,

О — диаметр цилиндра, ст -средняя скорость поршня

Алгоритм модели СГУ был сформирован на основе системы дифференциальных уравнений, описывающих электромеханические процессы в трехфазной вентильно - индукторной машине

' ,/т ,

<й

(/ со dt d <р dl

Li

j .

-(w - Л/ „ )

(15)

где к - номер фазы, к = 1,3, Ч'к, ик, - потокосценленне, напряжение и ток кой фазной обмотки, а - угловая частота вращения ротора (нала ДВС), ./„, - момент инерции системы «ДВС-СГУ», 22 - число зубцов ротора, \1пр - М/(<р) -т Мк(<р) + Щгр) - суммарный момент на валу системы «ДВС-СГУ»

Результаты совместного математического моделирования системы «ДВС-СГУ» при различных ее температурных состояниях приведены на рис 1,2,3,4

На рис 1 показан характер изменения расчетных значений среднего давления потерь р„р при прокручивании в период пуска двигателя три температуре окружающей среды ■

Kfla «00

яоо

! «"С 1

: 1 Е 2<fC j

1 I .

fO»C i ' 1

1 1 !

Рис 1 Зависимость расчетной величины среднего давления прэкручнвания (рПр) от угловой скорости коленчатого вала при различном тепловом состоянии ДВС

На рис 2 в графическом виде приведены результаты сравнительного анализа величин мощностей ДВС (Лу и стартер - генераторной установки (А^/у) в период пускового процесса при температуре окружающей среды -30ЭС -, „ / — -зсгс

А, кВт ^

/

О ОО О 04 О ОЯ О 12 О 16 /, мин

Рис 2 Сравнительный анализ затратных {Ы„р) и располагаемых (Мсгу) компонентов энергетического баланса системы «ДВС-СГУ» в период пуска при температуре минус 30°С

На рис 3 и 4 проиллюстрировано изменение показателей пусковой динамики разгона системы «ДВС-СГУ» при температуре окружающей среды минус 10°С и минус 30°С Откуда следует, что в течение всего пускового периода величина момента, создаваемого СГУ, превышает момент, необходимый для проворачивания коленчатого вала двигателя, что обуславливает высокую интенсивность разгона системы в целом

Рис 3 Показатели пусковой динамики разгона системы «ДВС-СГ'У» при температуре окружающей среды минус 10°С

Рис 4 Показатели пусковой динамики разгона системы «ДВС-С1 У» при температуре окружающей среды минус 30°С

В целом, анализ результатов исследования показал, что эффективный пуск холодного двигателя, оснащенного разработанной системой с СГУ и микропроцессорным управлением, реализуется во всем исследованном диапазоне изменения (минус 10 30°С) температуры окружающего воздуха без использования специальных средств, облегчающих запуск При этом пусковые характеристики ДВС соответствуют требованиям технического задания ВАЗ и междучародным требованиям по пуску бензиновых двигателей легковых автомобилей (минус 27°С), обеспечивая при этом даже некоторый запас по эффективности (до минус 30°С)

Я третьей главе приведено описание опытного варианта системы СГУ с микропроцессорным управлением и разработанной методики ее исследования В соответствии с целевыми задачами работы с использованием результатов моделирования была разработана система СГУ применительно к ДВС семейства автомобилей ВАЗ с учетом технических требований ОАО «АвтоВАЗ» и в соответствии с евро-

пейскими нормативами В состав СГУ входят обратимый трехфазный индукторный электродвигатель (ИД), блок управления (БУ), силовой преобразователь тока (СПТ) и теплообменные модули СПТ и ИД, включенные в общую систему жидкостного охлаждения ДВС

СПТ содержит входной инвертор, который совместно с выпрямителем и фильтром преобразует постоянное напряжение 12В в стабилизированное напряжение 370- 400В и 39-40В При работе индукторного двигателя в генераторном режиме, входной инвертор обеспечивает преобразование напряжения 400В в бортовые напряжения 12В н 42В

БУ размещается в салоне автомобиля Микропроцессорная система управления обеспечивает управление работой СГУ в петом пуск, с гол, выявление аварийных режимов работы и диагностирования системы Для обеспечения гибкости управления выбран микропроцессорный вариант систем управления на базе однокристального микроконтроллера Такое решение направлено на максимальное упрощение электрической схемы, повышение ее надежности и снижение энергопотребления Микроконтроллер выполнен с 16 разрядной шиной данных, имеет в своем составе элементы для обработки входной информации, зычислений и управления объектами

По результатам предварительного исследования был разработан опытный вариант трехфазного индукторного двигателя (ИД) для СГУ ИД выполнен встроенным в конструкцию ДВС и не имеет собственного корпуса и подшипниковых узлов Подобное решение по размещению электрической машины можно считать установившимся, отработанным по опыту мировой автомобильной промышленности Электромеханическая часть ИД устанавливается между ДВС и муфтой сцепления, * при этом ось ротора является продолжением оси коленчатого вала ДВС, что избавляет конструкцию от промежуточных передач Ротор выполняет также роль маховика Основными ее элементами являются статор с трехфазной обмоткой и пассивный зубчатый ротор с диском датчика положения ротора Воздушный зазор между статором и ротором ИД обеспечивается конструкцией элементов ДВС

Для проведения экспериментальных исследований СГУ в составе ДВС разработана методика проведения испытаний и опытный стенд с двигателем ВАЗ-2112 В соответствии с разработанной методикой испытаний проводилось

- определение максимального момента СГУ,

- исследование стартерного режима работы двигателя в со;таве с СГУ,

- определение времени пуска ДВС при различных значениях температуры,

- определе1ше КПД системы СГУ при различных частотах вращения,

- экспериментальные исследования тепловых режимов работы СГУ

Для измерения параметров пускового процесса ДВС и регистрации показателей СГУ в составе двигателя были использованы приборы и датчики, основанные на применении электрических методов измерения нсэлектрических величин Приведено описание измерительной аппаратуры стенда с анализом погрешностей измерений При проведении испытаний использованы следующие горюче-смазочные материалы бензин АИ-95 (зимний, европейский), масло в двигателе 5АЕ-5\У30, масло в коробке передач- ТМ5-9П, охлаждающая жидкость- Тосол А-40

Комбинированная структурная схема испытаний предст авлена на рис 5

Рис 5 Комбинированная структурная схема испытаний 1- впускной трубопровод, 2 - элемент фильтрации, 3 - датчик мас( ового расхода воздуха, 4 - датчик положения дроссельной заслонки , 5 - патрубок дроссельный, б - регулятор холостого хода, 8 - рампа топливная с форсунками и регулятором давления топлива, Р - датчик температуры охлаждающей жидкости, 10 - датчик фаз , И- модуль зажигания, 13 -фильтр топливный, 14 - модуль злектробензонососа, 15 - бак топливный , 16 - реле электробензонасоса, 17 - пробка топливного бака, 18 - реле вентилятора, 19 - сепаратор, 20 -реле главное, 21- клапан гравитационный, 22 - клапан продувки .шсорбера 24 - адсорбер, 25 — электровентилятор, 26 - лампа контрольная, 27 - разъем диагностический, 28 - аккумулятор, 29 - датчик, 30 - замок зажигания, 31- контроллер, 32 - датчик скорости автомобиля, 34 - свеча зажигания, 36 - диск задающий, 37 - датчик положения коленчатого вала 39 - датчик кислорода управляющий, 40 - нейтрализатор, 41 - дггчик кислорода, диагностический

Четвертая глава диссертации посвящена анализу результатов исследования показателей системы «ДВС-СГУ» с микропроцессорным управлением

Параметры холодного пуска ДВС представлены в табл 1 Пусковые свойства ДВС на «зимнем европейском» топливе соответствуют требованиям технического задания (<10 секунд, одна попытка запуска при температуре масла в двигателе минус 27°С)

Таблица - Результаты испытаний пускового процесса двигателя

чо"с <-5°Г 0"С -5пС -10°С -П°С -20°С -25°С -27°С

Температура охлаждающей жидкости, °С +10 +5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -27

Температура масла в двигатетс °С НО (-5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -27

Применяемое топливо (давление насыщенных паров в мм рт ст ) 342 342 342 342 342 342 342 342 342

Заряд АКБ, % 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Время до первом вспышки, сек 0,5 0,5 0 5 1 1 1 2 2 3 2 3 2 3

Время запуска, сек 1 1 1 2 1 2 2 3 3 4 4 5 6 8 7 9

Количество попыток запуска 1 1 1 1 1 / 1 1 1

Частота вращения ко-тенвала на запуске (мин /маке ), мин 1 НО 130 120 110 100 !>5 85 80 70

Напряжение АКБ на запуске (мин /макс), В 10 10 9,2 9,05 8,96 8,04 8,01 7,78

Принятие нагрузки (при отпускании сцепления), .ыглох/не запох не заглох не заглох не заглох не заглох не заглох не заглох не заглох не заглох не заглох

С понижением температуры окружающего воздуха время запуска двигателя увеличивается (рис 6) При температуре -10°С частота вращения вала ДВС соответствовала 100 мина при температуре мину с 27°С - 70 ли'н

■зо ю 10

10

Рис 6 Зависимость времени запуска двигателя от температуры окружающей среды

В генераторном режиме СГУ с достаточно высоким КПД развивает электрическую мощность до 4,5 кВт

Обобщая данные проведешюго исследования можно заключить, что результаты эксперимента подтвердили данные расчетного прогнозирования, технические характеристики опытной системы с СГУ и микропроцессорным управлешгем соответствуют техническим требованиям ВАЗ и европейского законодательства, а, следовательно, целевым задачам данного исследования

В заключении следует отметить, что концепция создания для отечественных транспортных средств систем с С ГУ с микропроцессорным управлением представляется достаточно перспективной Практическая реализация подобной концепции не требует переналадки существующих технологий двигал лестроительной отрасли, и не связана с серьезными техническими и финансовыми затратами Основной элемент системы - СГУ представляет собой обычную индукторную электрическую машину Массовые и габаритные параметры СГУ обеспечивают удобство его компоновки на двигателе без изменения его базовой конструкции

Важным стимулом дальнейшего развития разработанной по результатам данного исследования комплексной стартер - генераторной системы с микропроцессорным управлением является то, что она обладают функциональными возможностями совокупного совершенствования ДВС н автомобиля, в частности

1 Обеспечивает высокий пусковой момент (100 Нм) и эффективный запуск (менее 10 с) автомобильного ДВС в условиях низких температур (до - 30°С) без специальных средств предпусковой подготовки '

2 Генерирует многоуровневую электрическую энергию напряжением 12V, 24V, 36V для всех бортовых потребителей, развивая электрическую мощность до 4,5 кВт

3 Выполняет функции электромагнитного демпфирования крутильных колебаний вала ДВС Обладает возможностью выполнения демпфирования с дискретной частотой и переменными амплитудами, а такж{ возможностью снижения вибраций при изменении нагрузки

4 В автоматическом режиме выполняет функции системы «Stop and Go», которая отключает ДВС при отсутствии нагрузки и в режиме за]срытой дроссельной заслонки и быстро включает его при нажатии на педаль газа, обеспечивая при этом значительную экономию топлива в городском режиме движения

5 Обеспечивает частичную гибридизацию энергетической установки автомобиля Электродвигатель, питаемый от аккумулятора, развивает вращающий момент, достаточный для интенсивного разгона автомобиля, работая совместно с ДВС

При соответствующей ее модернизации она потенциально способна выполнять ряд других важных функций, в том числе

1 Стартер — операторная установка может аккумулировать тормозную энергию автомобиля, обеспечивая значительную экономию топлива в условиях городского ездового цикла

2 Система, содержащая высокоэффективную электрическую машину, способна реализовать быстрый старт автомобиля, позволяет управлять автомобилем на низких скоростях с выключенным ДВС, обеспечивая удобство управления автомобилем и существенное повышение экологической безопасности в зонах интенсивного движения транспорта

3 Система способна компенсировать переходные процессы во время переключения передач, исключая прерывание силового потока к ведущим колесам автомобиля, снижая динамические нагрузки в элементах трансмиссии

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Сформулирована и методически обоснована концепция обеспечения низкотемпературного (до минус 30°С) пуска двигателя с искровым зажиганием, ос-нащешюго комплексной стартер - генераторной системой с микропроцессорным управлением операций пуска и генерирования бортовой энергии

2 Разработана методика расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов двигателя и электрической машины, позволяющая проводить поиск рациональных реше-inui при организации режимов пуска в указанных условиях

3 С использованием разработанной методики проведены численные эксперименты с целью определения энергетических и динамическгх (разгонных) характеристик системы «ДВС-СГУ» в зависимости от темперагуры окружающей среды Установлено, что в стартерном режиме СГУ обесш чивает момент на валу ДВС 100 Ял» При температуре-30°С СГУ раскручивает коленчатый вал ДВС до частоты вращения 70 мин в течении 9 с, обеспечивая запуск двигателя с первой попытки

4 Проведен комплекс экспериментальных исследований с целью проверки достоверности разработанной методики и результатов расчетного анализа, а также определения соответствия пусковых характеристик разработанного СГУ применительно к двигателям автомобилей семейства ВАЗ требованиям технического задания Исследования проводились в климатической камере ВАЗ по заводской методике с использованием бензина АИ 95 «Европейский зимний» и моторного масла SAE-5W30 Установлено, что пусковые свойства ДВС на указанных марках топлива и масла, как и прогнозировалось расчетом, соответствуют требовашиш технического задания (<10 секунд, одна попытка запуска при температуре масла в двигателе минус 27°С)

5 Проведена систематизация и обобщение полученных теоретических и практических результатов исследования с учетом возможное ги их распространения на все типы перспективных отечественных легковых автомобилей с механической трансмиссией

6 Методически обоснован выбор параметров стартер - генераторного устройства на базе вентильного индукторного электродвигателя пр тменительно к ДВС автомобиля ВАЗ 2112, разработана техническая документация по компоновке СГУ в картере сцепления без существенных изменений конструкции двигателя и трансмиссии

7 Результаты диссертациошюй работы использованы при выполнении научно -исследовательских и опытно - конструкторских работ Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленности России на период до 2005 года» А также подпрограммы «Исследование разработка и выпуск опытно - промышленных партий стартер - генераторных установок с многоуровневым напряжением и электронным управлением для комплектации легковых автомобилей производства 2005 20 Юг г »

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алиев А Я , Реднов Ф А Стартер-генераторное устройство для перспективных легковых автомобилей //Автомобильное электрооборудование, конструкции, материалы, технология, проблемы перевода АТЭ на напряжение питания 42В Тез докл Международного симпозиума, г Суздаль-2001 С 24-25 (Автор-60%)

2 Алиев А Я , Арабов Н Я Разработка и производство электрооборудования для легковых автомобилей - основное направление развития предприятия// Научно-технический журнал "Автотракторное электрооборудование" -2001 №3-4 С 1819 (Автор-60%)

3 Реднов Ф А , Пахомин С А , Алиев А Я Стартер - генераторное устройство с реактивной индукторной машиной// Научно-технический журнал "Автотракторное электрооборудование" -2003 №3 С 18-19 (Автор-35%)

4 Реднов Ф А , Пахомин С А , Алиев А Я Стартер - генераторное устройство для автомобилей семейства ВАЗ // Известия ВУЗов Э тектромеханика - 2004 №1-С.68-69 (Автор - 35%)

5 Алиев А Я , Аливагабов М М , Фатахов М М Пуги снижения механических потерь в малоразмерном двигателе// Известия ВУЗов Сев Кав регион «Технические науки» 2005 Приложение №1 С 83 -86 (Автор-45%)

6 Астемиров Т А , Фаталиев Н Г, Алиев А Я , Сайгитов Р Э Стартер - генераторное устройство для автомобилей//Основные проблемы, тенденции и перспективы устойчивого развития производства Сборник статей Материалы Международной научно - практической конференции, посвященной 80-летию профессора Джамбулатова ММ- Махачкала - 2006 С 104-105 (Автор - 30%)

Заказ М) 1083' Тираж 100 экз. Объем Отпечатано на ротапринте ВАЗ, УГК.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.:.:.:.:.i

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Проблема пуска автомобильного ДВС при низкой температуре окружающей среды

1.2. Анализ существующих систем пуска автомобильных-ДВС

1.3. Характеристики современных систем электростартерного пуска автомобильных ДВС.—.

1.4. Стартер - генераторы для автомобилей

Выводы, постановка цели и? задач исследования;.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ «ДВС-СГУ» В ПЕРИОД ХОЛОДНОГО ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ.

2.1. Энергетический анализ пуска холодного двигателя.'.

2.2. Логическая структура исследования.

2.3. Методика расчета параметров внутрицилиндровых процессов в яериод холодного пуска двигателя

2.4. Программная реализация математической модели и методика проведения расчетно-теоретических исследований

2.5; Моделирование показателей стартер-генераторного ^устройства, работающего в составе ДВС.

2.5; 1. Выбор метода исследованияСГУ .'74;

2.5.2. Математическая модель вентильно - индукторной машины.:.;.76 ^

2.5.3. Результаты совместного математического моделирования системы «ДВС-СГУ» при различных температурных состояниях.

2.6. Выводы из результатов главы.

ГЛАВА 3. ОПЫТНЫЙ ВАРИАНТ СИСТЕМЫ СО СТАРТЕР - ГЕНЕРАТОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ И МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ И РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Состав, функциональная схема и конструкция опытного варианта СГУ.

3.1.1. Опытный вариант индукторного двигателя.

3.1.2. Расчетные параметры двигателя.

3.1.3. Опытный вариант блока управления.

3.1.4. Опытный вариант силового преобразователя тока

3.2. Основные (целевые) функциональные возможности СГУ

3.2.1. Стартерный режим.

3.2.2. Генераторный режим.

3.3. Дополнительные функции СГУ в составе автомобильного

3.3.1. СГУ как гаситель (демпфер) крутильных колебаний Ю

3.3.2. Функция СГУ как системы «Stop and Go».Ю

3.3.3. Функция СГУ как бустера

3.3.4. Стартер — генераторное устройство как «малый гибрид».

3.4. Разработка методик исследования СГУ в составе ДВС на моторном стенде.

3.4.1. Методика и условия проведений испытаний. цо

3.5. Измерительная аппаратура и погрешности измерения.цз

3.6. Выводы из результатов главы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ

ДВС-СГУ» С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ.

4.1. Задачи исследования.

4.2. Определение максимального момента СГУ.

4.3. Исследования стартерного режима работы.

4.4. Определение времени запуска ДВС при низких значениях температуры окружающего воздуха.

4.5. Определение времени запуска ДВС - СГУ при низких значениях температуры окружающего воздуха.

4.6. Результаты исследования генераторного режима работы

Двигателестроительная промышленность в настоящий период переживает очередной технологический подъем, что связанно с необходимостью перехода на новый технический уровень, удовлетворяющий резко возрастающим требованиям пр экономии топлива, экологии, безопасности^; комфорту и, в целом, по повышению конкурентоспособности продукции. .

Система пуска двигателей внутреннего сгорания является одной из главных на: современном транспортном средстве. Затрудненный пуск двигателя в сложных климатических условиях создает не просто1 неудобство, но и обуславливает повышенный; износ ДВС, снижение эксплуатационных возможностей транспортного средства, а иногда напрямую связан с проблемой обеспечения безопасности: '

Для создания: новых высокоэффективных систем пуска ДВС и поиска скрытых резервов необходимы перспективные изделия^ обеспечивающие необходимый технический уровень.

Зарубежные аналоги позволяют наметить некоторые ориентиры not дальнейшему развитию отечественных эффективных систем пуска ДВС и электропривода.

Нагрузка на электрическую систему современного автомобиля; постоянно возрастают. Современные требования по'быстрому запуску ДВС в условиях низких температур (-27°С) вызывают необходимость использования мощных систем электропуска. Увеличивающееся потребление электрической энергии, дополнительно установленным на транспортном средстве оборудованием: аппаратурой для контроля климата в салоне, телеаппаратурой; рулевым управлением с электроприводом, электроприводом клапанов, электрической подвеской и т.д. подвергает существующие 12-тивольтовые системы современных автомобилей чрезмерной нагрузке. В

Поэтому одной из задач современного автомобилестроения? является переход на более высокие напряжения, чтобы обеспечить улучшение эксплуатационных, в том числе, и пусковых качеств транспортного средства, и сделать; возможным; применение нового энергоемкого дополнительного: оборудования;

Бортовая система современного автомобиля-(12.14 В) рассчитана на электрическую! нагрузку порядка 1 кВт при токе 71 А^ Например; при тошже силе тока (71 А) нагрузке 2 кВт соответствует оптимальное напряжение ; бортовой сети 24.28 В, 3 кВт - 36.42 В, 4 кВт - 48 . 56 В.

В настоящее: время ведущими мировыми; производителями автомобилей принято стратегическое: решение о повышении уровня напряжения в бортовой сети до 42 В.

В связи с этим перспективной является концепция применения комплексных систем со стартер - генераторным устройством и микропроцессорным управлением, являющаяся ключевым элементом для повышения эффективности эксплуатационных показателей современного автомобиля:

В настоящее время для пуска ДВС и электроснабжения транспортного средства применяются две электрические машины - стартер и генератор; каждая из которых рассчитана на выполнение определенных функций.

В то же самое время СГУ при пуске ДВС работает в режиме двигателя, обеспечивая интенсивную раскрутку коленчатого вала до необходимой частоты вращения. После запуска ДВС СГУ работает в режиме генератора, обеспечивая питанием бортовые электрические сети автомобиля (12 В и; 42

Несмотря? на-: то,. что многие зарубежные фирмы достигли' определенных результатов в создании систем многоуровневого напряжения--для* автомобилей, в нашей стране эти работы находятся на начальной стадии.

Можно отметить следующие результаты выполненных ранее работ по рассматриваемой теме:

- разработано значительное число схемных и конструктивных решений систем бортового генерированшшлектроэнергии и запуска ДВС;

- выполнены различные методы расчета как системных, так и динамических- режимов стартер - генераторных установок в> стадии генерирования электрической энергии при переменношчастоте вращения вала;

- за рубежом получены токоскоростные характеристики стартер - ;гене-раторных установок с аккумуляторными батареями на напряжение 12 и 42 В.

Однако многие вопросы в области использования СГУ в электромеханических системах запуска и генерирования бортовой энергии остаются нерешенными., г

В частности остаются* не исследованы автомобильные комплексные, системы СГУ- для запуска ДВС и генерирования, электрической, энергии с микропроцессорным управлением.

В связи с изложенным возникает необходимость в проведении анализа и обобщения известных работ, дополнительных исследований СГУ для ^выявления пусковых и энергетических характеристик ДВС автомобиля* что ? и определяет актуальность тематики диссертации.

При выполнении! диссертации?был использованы отдельные материалы и- результаты исследования^ высокоэффективных: систем пуска; автомобильных ДВС, накопленный Российской научно-технической школой, а' также имеющийся опыт по разработке. конкретных образцов таких систем;, производимых рядом зарубежных фирм.

Следует отметить, что применение СГУ с микропроцессорным управлением предопределяет возможность совершенствования, наряду с рассмотренными выше, и других характеристик ДВС и автомобиля.

Во-первых, СГУ является эффективным гасителем (демпфером) крутильных колебаний вала ДВС. Функция* электромагнитного демпфирования -представляет перспективную альтернативу механической системе демпфирования. Важным преимуществом СГУ над механическими системами демпфирования является возможность выполнения демпфирования с дискретной частотой и переменными амплитудами; а также возможность, снижения? вибраций при изменении нагрузки.

Во-вторых, микропроцессорная система СГУ в автоматическом: режиме может выполнять функции системы. «Stop and. Go»; которая/ отключает ДВС при отсутствии нагрузки и в режиме закрытой дроссельной заслонки и быстро включает его при нажатии на педаль газа; обеспечивая; при этом значительную экономию топлива в городском режиме движения.

В-третьих, применение системы с СГУ обеспечивает частичную:;гибридизацию энергетической установки автомобиля* (малый гибрид). Электродвигатель (в нашем случае мощностью 4,5 кВт), питаемый от аккумулятора, развивает вращающий момент, достаточный не только для :раскрутки ДВС, но и для интенсивного разгона автомобиля, работая совместно с ДВС. Таким образом, разработанная стартер - генераторная* установка6 может рассматриваться как. прообраз энергетической системы отечественного гибридного. автомобиля.

В добавление к сказанному следует отметить ряд перспективных; направлений развития систем с СГУ.

При;: минимальной; модернизации блока управления данная? система может аккумулировать, тормозную? энергию автомобиля; обеспечивая значительную экономию топлива при эксплуатации в городе.

Стартер - генераторные'установки; содержащие: высокоэффективную электрическую машину, способны реализовать быстрый, старт, автомобиля; позволяют управлять автомобилем: на низких: скоростях с выключенным ДВС, обеспечивая удобство управления5 автомобилем и существенное-повышение экологической'безопасности: вазонах интенсивного движения?транспорта., ' . ' '"

Подобная- система способна компенсировать переходные процессы во время переключения передач, исключая прерывание силового потока к. ведущим колесам автомобиля, снижая динамические нагрузки; в элементах трансмиссии.

Указанными выше вопросами применения СГУ на автомобилях с целью повышения пусковых, энергетических и эколого-экономических характеристик ДВС и автомобиля автор? диссертации начал заниматься с 1998 года под руководством докторов технических наук, профессоров Иващенко Н. А. и Фаталиева Н.Г.

Целью данной диссертационной работы, является исследование метода и разработка высокоэффективных средств обеспечения надежного пуска автомобильных бензиновых ДВС в, условиях низких температур окружающей? среды (до - 3 0°С) и генерирования бортовой; электроэнергии? на основе • применения стартер - генераторных установок с микропроцессорным управлением:

Исходя» из поставленной? цели; определены следующие положения; выносимые на защиту.

1. Методические: положения, по обоснованию концепции обеспечения: низкотемпературного (до минус 30°С) пуска двигателя с искровым зажиганием, оснащенного? комплексной стартер; - генераторной? установкой* с: микропроцессорным управлением операций пуска и генерирования бортовой энергии; ■ ;,,: .

2. Методика расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов двигателя'и электрической? машины^ позволяющая: осуществлять поиск рациональных решений при организации режимов пуска в указанных условиях.

3: Результаты численного .эксперимента; позволяющие проводить выбор рациональных энергетических; и динамических- (разгонных); характеристик системы «ДВС-СГУ» в зависимости от температуры окружающей среды применительно к ДВС перспективных отечественных автомобилей.

4. Данные экспериментальных исследований; проведенных с воспроизведением низкотемператзфных климатических условий и с использованием бензина АИ 95 «Европейский зимний» и моторного масла SAE-5W3О с целью определения соответствия современным международным требованиям^ пусковых характеристик ДВС, оснащенного опытной системой с СГУ и микропроцессорным управлением.

5. Рекомендации по созданию эффективных пусковых систем, разработанные на основе систематизации и обобщения теоретических и практических результатов исследования, с учетом возможности их распространения на все типы ДВС отечественных легковых автомобилей.

Стендовые и моторные испытания проведены в лабораториях ОАО «Авиаагрегат» и ОАО «АвтоВАЗ».

Диссертация выполнялась в рамках проведения научно - исследовательских и опытно - конструкторских работ Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленности России на период до 2005 года», а также подпрограммы «Исследование, разработка и выпуск опытно -промышленных партий стартер - генераторных установок с многоуровневым напряжением и электронным управлением для комплектации легковых автомобилей производства 2005.2010г.г.»

Основные результаты и выводы

1. Сформулирована и методически обоснована концепция обеспечения низкотемпературного (до - 30°С) пуска двигателя с искровым зажиганием, оснащенного комплексной стартер - генераторной системой с микропроцессорным управлением операций пуска и генерирования бортовой энергии.

2. Разработана методика расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов двигателя и электрической машины, позволяющая проводить поиск рациональных решений при организации режимов пуска в указанных условиях.

3. С использованием разработанной методики проведены численные эксперименты с целью определения энергетических и динамических (разгонных) характеристик системы «ДВС-СГУ» в зависимости от температуры окружающей среды. Установлено, что в стартерном режиме СГУ обеспечивает момент на валу ДВС 100 Н-м. При температуре -30°С СГУ раскручивает коленчатый вал ДВС до частоты вращения 70 минв течении 8,5 е., обеспечивая запуск двигателя с первой попытки.

4. Проведен комплекс экспериментальных исследований с целью проверки достоверности разработанной методики и результатов расчетного анализа, а также определения соответствия пусковых характеристик разработанного СГУ применительно к двигателям автомобилей семейства ВАЗ требованиям технического задания. Исследования проводились в климатической камере ВАЗ по заводской методике с использованием бензина АИ 95 «Европейский зимний» и моторного масла SAE-5W30. Установлено, что пусковые свойства ДВС на указанных марках топлива и масла, как и прогнозировалось расчетом, соответствуют требованиям технического задания (<10 секунд, одна попытка запуска при температуре масла в двигателе минус 27°С).

5. Проведена систематизация и обобщение полученных теоретических и практических результатов исследования с учетом возможности их распространения на все типы перспективных отечественных легковых автомобилей с механической трансмиссией.

6. Методически обоснован выбор параметров стартер — генераторного устройства на базе вентильного двигателя применительно к ДВС автомобиля ВАЗ 2112; разработана техническая документация по компоновке СГУ в картере сцепления без существенных изменений конструкции двигателя и трансмиссии.

7. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно — исследовательских и опытно — конструкторских работ Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленности России на период до 2005 года», а также подпрограммы «Исследование, разработка и выпуск опытно - промышленных партий стартер — генераторных установок с многоуровневым напряжением и электронным управлением для комплектации легковых автомобилей производства 2005.2010г.г.».

1. Минкин М.Л. Пуск автотракторных дизелей / Под ред. проф. Г.Г. Колиша. М.: Машгиз, 1948. -123с.

2. Назаров В.А., Сметнев Н.Н. Пусковые процессы семейства пер" спективных дизелей. М.: НИИ Автопром, 1967. -188с.

3. Минкин М.Л., Корницкий В.В. Зарубежный опыт применения легковоспламеняющихся жидкостей для облегчения пуска двигателей// Автомобильная промышленность. 1965.- №8. - С. 15-16.

4. Хвощев И.С. Исследование пусковых свойств быстроходных дизелей. М.: Машиностроение, 1938. - 104с.

5. Ильчук И.А. Способы повышения надежности пуска ДВС при низких температурах // Автомобильная промышленность. -2003. -№12. -С. 22-24.

6. Боровиков В.Ф. Расчетная оценка возможности пуска тракторного дизеля и эффективность облегчения пуска подогревом впускного воздуха: Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., 1995. - 16с.

7. Гуликашвили Т.И. Совершенствование пусковых качеств дизеля и улучшение показателей его работы на частичных режимах: Автореферат дисс. канд. техн. наук. М.? 1990. -16 с.

8. Гусаков С.В. Физико-химические основы процессов смесеобразования и сгорания в ДВС. Основы теории горения: Учебное пособие. М.: Изд-во РУДН, 2001.-134 с.

9. Толшин В.И. Форсированные дизели. Переходные режимы, регулирование. М.: Машиностроение, 1994-С. 36-55, 160-161, 167-170.

10. Хомич А.З. Топливная эффективность и вспомогательные режимы тепловозных дизелей. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1987. -С. 191-201.

11. Diesel starting eids.winter is coming! // Diesel progress N. Amer. -1984.-50.-№8.-P. 12-13.

12. Umweltschntzdank Warmespeicher// Automob. Rev.- 1991.- 86.- №37.1. S.43.

13. Пат.2039307(Россия). Предпусковой подогреватель ДВС / Н.В. Вет-чинкин, В.П. Гальченко, П.Ф. Ситников и др. // МКИ6 F 02 N 17/02. Опубл. 17.08.97.

14. Пат.2046987 (Россия). Система пуска ДВС./ В.Г. Лабейш, О.Н. Кирсанов // MKH6F 02 N 11/02,- Опубл. 27.10.95.

15. Минкин M.JI. Пусковые устройства автомобильных двигателей. М.: Машгиз, 1961. -208 с.

16. Акимов С.В., Боровских Ю.И., Читков Ю.П. Электрическое и электронное оборудование автомобилей. М.: Машиностроение, 1988.-288 с.

17. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 2000.-317 с.

18. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005.-235 с.

19. Росс Твег. Системы впрыска бензина. Устройство, обслуживание // Изд. "За рулем", 1966. С. 11-14.

20. Куреев Ю.А. Основные направления развития автомобильной электроники и электрооборудования на период до 2010г. // Автотракторное электрооборудование. -2001. -№3 -4. С. 7-8.

21. Поляков Н.А. Система электростартерного пуска транспортных средств с применением комбинированного источника энергии.: Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., 2005. -23 с.

22. Патент 2068608 (Россия). Индукторный двигатель. МКИ 6 Н02 К1/12 / Коломейцев Л.Ф., Павлюков В.М., Пахомин С.А. и др. // Научно-производственное предприятие "Эметрон"; Заявл.14.12.92.

23. Кашарский Э.Г. и др. Маховик с электротрансмиссией для транспортного средства // Изв. АН СССР, Энергетика и транспорт. -1998. №2.- С. 10-14.

24. Patent 4883973 (USA) F 02 11/04, Automotive electrical system having a starter/generator induction machine: General Motors Corp. 1989. No 227036.

25. Куракин A.C., Пиляев C.H. и др. Оптимальная геометрия зубцовой зоны редукторных двигателей при трапециевидных пазах статора и ротора. // Электроника. -1983.- № 2, -С. 31-32.

26. Alternateurdemarreuer avec dispositiv daccouplement automatigue: France, -1990, -No 02 11/04, P. 9.

27. Патент 19506705 (ФРГ). Энергосистема для выработки электрической энергии, преимущественно для автомобиля Н 02 К 7/20 // Заявлено 26.02.95; Опубл. 29.08.96.

28. Patent No.878677 (USA), 180/65A,/H 02 P 5/16, -1979. Hybrid Automobile.

29. Patent No 8520348 (Great Britain) Electrical machine. -1986.

30. Patent No 881597 (USA) Motor vehicle electrical system including a combined starter/generator. -1987.

31. Patent 4613761 (USA) Starter dynamo.-No 662155. -1986.

32. Слёзкин H.A. Динамика вязкой несжимаемой жидкости.- М.: ГИТТЛ, 1955.-519с.

33. Patent 5281905 (USA) Induction machine based hybrid aircraft engine starting / generating power system: / /Dhyanchand John, Nguyen Vietson

34. Патент 2104612 (Россия). Устройство управления автомобильным стартер-генератором. МКИ Н02 Р 9/44/ Скороспешкин А.И., Анисимов В.М. и др. // Самаре. Гос. Техн. университет.-№95107184/02; Заявлено 04.05.95; Опубл. 10.02.98.

35. Мазуренко Л.И. Качество электроэнергии асинхронно-вентильного стартер-генератора // Техн. электродинамика. 1998. - №2. - С. 48-51

36. Patent 5172006 (USA) Electric braking and auxiliary engine mechanism for a motor vehicle. -No 73229. -1992.

37. Starter-generator mit Asynclironmaschine und feldorientierten Rege-lung // Automobiltechn. Z. 2000 No 1, Sonderausg.; Automot. Electron. - P. 4446.

38. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Drehfeds fur eine als Schwungradstarter fur eine Fahrzeud. Kraftmaschine dinende Drehstrom Syn-chronmaschine. (BDR) -No 3113092.5. -1982.

39. Патент 2106516 (Россия). Система электрического запуска двигателя и электроснабжения танка. МКИ F02 Р 11/08/ // №96107673/06; Заявлено 17.04.96; Опубл. 10.03.98.'

40. Patent 4948997(USA) Starter and power generator and associated motor:-No 241197.-1990.

41. Заявка 60-175767 (Япония) Автомобильный стартер/ МКИ F02 №11/08.;Заявл.22.02.84., №59-32966; Опубл. 09.09.85.

42. Patent 4955944 (USA). Rotating electric machine. -No 275172. -1988.

43. Patent 4894553 (USA). Engine starting and charging device. No 265860.-1990.

44. Patent 4959595 (USA). Rotating electric machine having a coil coaxial with rotating shaft -No 298434. -1990.

45. Patent 4958095 (USA). Starter alternator for a vehicle engine - No 205188.-1990.

46. Орлин А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания / Под редакцией Орлина А.С. и Круглова М.Г. // Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983. -375 с.

47. Иващенко Н.А., Кавтарадзе Р.З. Многозонные модели рабочего процесса ДВС. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 67 с.

48. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование.- М.: Мир, 1977.-584 с.

49. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. -592 с.

50. Петриченко P.M., Батурин С.А. и др. Элементы системы автоматизированного проектирования ДВС. Алгоритмы прикладных программ / Под ред. Петриченко P.M. —JL: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1990. -328с.

51. Woschni G. A. Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine. -1988. -150p.

52. Белов П.М., Бурячко B.P., Акатов Е.И. Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория / Под редакцией Белова П.М. М.: Военное издательство МО СССР. - 1971. -508с.

53. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие в 10 т. Т.VI. Гидродинамика. 4-е изд. - М.: Наука,1988. -736с.

54. Арустамов Л.Х., Шендеровский И.М., Яхутль Д.Р. Разработка математической модели рабочего цикла бензинового ДВС // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвузовский сборник научных трудов. М.: МГТУ-МАМИ, 2001. -вып.7. - С. 25-30.

55. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. -М.: Машиностроение, 1969. -368с.

56. Математическая модель для расчета электромагнитных процессов • в многофазном управляемом реактивном индукторном двигателе / Л.Ф. Коломейцев, С.А. Пахомин, Д.В. Крайнов, В.Л. Коломейцев, Е.А. Слепков// Изв. ВУЗов. Электромеханика. 1998.-№1. - С. 49-53.

57. Индукторный привод для электроподвижного состава / В.Г. Щербаков, Л.Ф. Коломейцев, С.А. Пахомин // Локомотив. 2005. - №2. - С. 36-37.

58. Тяговый электропривод рудничного электровоза / И.А. Прокопец, В.Л. Коломейцев, Ф.А. Реднов, С.А. Пахомин // Изв. ВУЗов. СевероКавказский регион. Технические науки. Специальный выпуск. Проблемы ме-хатроники. -2003. С. 101-103.

59. Энергосберегающие компрессоры с индукторным приводом / Ф.А. Реднов, И.А. Прокопец, О.Н. Жарый // Изв. ВУЗов. Электромеханика. 2005. -№2. -С. 81-82.

60. У.М. Сулейманов, Д.В. Крайнов. Вентильно-индукторный электропривод электромеханического усилителя рулевого управления // Изв. ВУЗов. Электромеханика. -2005. -№2. -С. 56-59.

61. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Г.Корн, Т.Корн. М.: Наука. Главн. ред. физико-матем. литературы, 1984. -831с.

62. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. М.: Наука. Главн. ред. физико-матем. литературы, 1984. - 974 с.

63. О влиянии чисел зубцов статора и ротора на характеристики трехфазного РИД / Л.Ф. Коломейцев, С.А. Пахомин // Изв. Вузов. Электромеханика. 1998. - №2-3. - С. 34-39.

64. Лериес Р. Система генерации электрической энергии, запуска ДВС и демпфирования крутильных колебаний. (Пер. с англ. А.П.Жаворонковой.):-М.: Мир, 2001.-38с.

65. Хил П. Наука и искусство проектирования. М.: Мир, 1973.- 158с.

66. Кочубиевский Н.Д. Динамическое моделирование и испытание технических систем. М.: Энергия, 1978. - 258с.

67. Велчок Л.Я. Электрические методы измерения в двигателях внутреннего сгорания.- М.: Машгиз, 1948. 180 с.

68. Индицирование двигателей проволочным датчиками сопротивления: Сборник ХГУ.- Харьков, 1958. 188 с.

69. Туричик А.Ю. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 258 с.

70. ГОСТ 3940-84. Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия; Введ. 01.01.85. 38 с.

71. Набоких В.А. Испытания электрооборудования автомобилей и тракторов. М.: Академия, 2003. - 253 с.

72. Алиев А .Я., Арабов Н.Я. Разработка и производство электрооборудования для легковых автомобилей основное направление развития предприятия // Автотракторное электрооборудование. -2001. -№3-4. -С. 18-19.

73. Реднов Ф.А., Пахомин С.А., Алиев А.Я. Стартер генераторное устройство с реактивной индукторной машиной // Автотракторное электрооборудование. - 2003. - №3. - С.18-19.

74. Реднов Ф.А., Пахомин С.А., Алиев А.Я. Стартер генераторное устройство для автомобилей семейства ВАЗ // Известия ВУЗов. Сев. Кав. регион. Электромеханика. - 2004. -№1. - С.68-69.

75. Алиев А.Я., Аливагабов М.М., Фатахов М.М. Пути снижения механических потерь в малоразмерном двигателе // Известия ВУЗов. Сев. Кав. регион. Технические науки. Приложение №1. 2005. - №1. - С.83-86.

76. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ СГУ1. СТЕНД ИСПЫТАНИЙ ДВС СГУ

77. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ СГУ

78. СТЕНД ИСПЫТАНИЙ ДВС СГУ. (Вид со стороны ДПР)