автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование систем электростартерного пуска с емкостными накопителями энергии

по ин

I

\ ;ЛЬ О- -О

• МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО И ТРАКТОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

ДАНГ ВИНЬ НГИ

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСТАРТЕРНОГО ПУСКА С ЕМКОСТНЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ

Специальность 05. 09. 03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

I

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1903

Работа выполнена на кафедре Автотракторное электрооборудование Московской государственной академ:;и автомобильного и тракторного машиностроения (МГААТЮ.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Ю. П. ЧИЖКОВ

I

Официальные оппоненты: '- доктор технических наук,

профессор В. Е. ЮГТ % - кандидат технических наук,

профессор 0. В. ПЕТ ШОВ

Еедущее предприятие - НПО "Лвтоэлектроника"

Заш1та диссертации состоится 1993г. в ^Рчас.

в зуд,на заседании специализированного совета К 063. 49.CS в Московской государственной академии автомобильного и тракторногс машиностроения.

Отзывы в двух счзрмплярах. завороши» г^рсорой печатью, прост.!1 направлять но адресу: 10!«"1. Мо'чт.а. (•: :::'.. П. <:«>м».'Иоге1?м ул. . д. 33, МГААТМ, ученому секретарю .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГААТМ.

Телефон для справок: ______

лан " А/Уу^?^

Автореферат разослан ••(У " дуп^чл^дяз г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,'

доцент в. П. Коробченкс

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Важнейшими задачами, стоящими перед азтомобилзной промышленностью, являются повышение эксплуатационной надежности и долговечности, снижение материалоемкости автомобилей.

Практика эксплуатации автомобилей показывает, что надежность и эффективность их работы в значительной мере зависят от пусковых качеств двигателей внутреннего сгорания (ЛВС) и правильного выбора системы пуска. Пуск ДВС часто осложняется с понижением температуры в связи с значительным снижением развиваемой мощности и отдачи по энергии аккумуляторной батареи (АБ) -- автономного источника электроснабжения традиционных систем электростартерного пуска (СЭШ.

В настоящее время проявляется повышенный интерес к СЭП с емкостными накопителями энергии (НЭ). Проведенные исследования показали, что применение СЭП с НЭ позволяет не только обеспечить пуск ДВС, но и в определенных условиях получить по сравнению с СЭП с АБ ряд преимуществ, в частности снизить емкость АБ, их размеры, массу и стоимость. СЭП с НЭ могут обеспечить пуск ДВС при значительной степени разряженности АБ, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля, особенно в условиях низких температур. Однако окончательные выводы о целесообразности использования НЭ в СЭП могут быть сделаны только после всестороннего теоретического анализа, подтвержденного результатами пусковых испытаний ДВС при отрицательных температурах.

Применение НЭ в СЭП является одним из перспективных направлений в решении проблемы пуска автомобильных ДЗС. Поэтому теоретическое и экспериментальное исследование СЭП с НЭ, а также разработка методики их расчета и сравнительной оценки с СЭП с АБ является весьма актуальной задачей, решение которой будет способствовать внедрению и развитию таких систем.

Диссертационная работа выполнялась в рамках хозяйственных договоров между МАМИ и НПО "Автоэлектроника".

Делью работы является исследование возможности и целесообразности .применения НЭ в системах пуска ДВС, а также разработка методики определения параметров СЭП с НЭ для автомобильных ДВС

_ о _

к.

и ее сравнительной оценки с традиционной СЭП с АБ.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ возмотости применения НЭ в СЭП, подтвержденный результатами пусковых испытаний ЛВС при отрицательных температурах;

- на основе анализа требований отраслевого стандарта к пусковым качествам и системам пуска ЛВС разработаны рекомендации по применению СЭП с НЭ на ДВС;

- разработана методика- определения основных параметров СЭП

с НЭ, необходимых_для обеспечения пуска ДВС в различных условиях;

- изучены особенности динамики и энергетики, а также влияния различных факторов на процесс прокручивания коленчатого вала ЛЕС при питании электростартера от НЭ с целью оценки достоверности и обоснованности разработанной методики расчета параметров СЭП с НЭ;

- аналитически исследован КПД и предложены формулы для расчета КПД СЭП с НЭ;

- разработана методика и программа расчета на ПЭВМ параметров НЭ и АБ для СЭП с Ю и даны рекомендации по целесообразности применения СЭП с НЭ на автомобильных ДВС-

- разработана методика и программа на ПЭВЫ сравнительного анализа СЭП с НЭ с СЭН с АБ.

Методы нсследопания. Исследование возможности применения НЭ в СЭП осуществлено путем теоретического анализа пусковых качеств ДВС, динамики и энергетики процесса пуска и подтверждено результатами пусковых испытаний автомобильного двигателя ВАЗ-21073 при различных температурах. Возможность повышения КПД СЭП с НЭ установлена аналитически. Методика расчета и сравнительного анализа параметров СЭП с АБ и СЭП с НЭ разработана аналитическим путем и обоснована результатами экспериментальных исследований.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Зависимости основных параметров СЭП с ВЭ от времени и угла поворота коленчатого вала, позволяющие определить требуемые энергию, емкость и внутреннее сопротивление НЭ для СЭП автомобильного двигателя при нагружении стартерного электродвига-

теля (СЭ) постоянным статическим моментом сопротивления и без учета неравномерности вращения и индуктивности стартерной цепи.

2. Результаты исследования возможности повышения КВД СЭП с НЭ, которые заключаются в аналитическом определении КПД и выдаче рекомендация по е^о повышению.

3. Методика и программа расчета на ЭВМ СЭП с НЭ и сравнительной оценки с традиционной СЭП с АБ при использовании выпускаемых промышленностью электростартеров.

4. Результаты исследований влияния различных параметров на технико-экономические показатели СЭП о НЭ и оценка целесообразности её применения для пуска ЛВС.

Научная новизна:

- разработаны аналитические выражения для расчета основных характеристик и параметров рЭП с НЭ;

- разработана методика подбора СЭП с НЭ, которая позволяет определить основные характеристики и параметры системы пуска, при которых будет обеспечен пуск ЛВС со штатными СЭ в заданных условиях пуска;

- предложена методика сравнительного анализа параметров СЭП с НЭ и СЭП с ЛБ при условии, что в обеих системах пуска применяется один и тот же расчетный электростартер, которая позволяет оценить целесообразность применения для пуска ЛВС СЭП с НЭ;

. - разработана методика расчета КПД СЭП с ГО при осуществлении нескольких,попыток пуска ЛВС с учетом режимов работы электростартера по кратности рабочего тока и относительной длительности разряда на электростартер;

- установлено, что увеличение расчетного числа попыток пуска ЛВС СЭП с ГО при том же заданном времени пус^ увеличение уровня зарядного напряжения НЭ, увеличение удельной энергии НЭ, уменьшение внутреннего сопротивления НЭ позволяет уменьшить емкость, габаритные размеры, массу и стоимость как НЭ, так и СЭП с НЭ в целом.

Практическая ценность. Экспериментальные исследования ЛВС ВАЗ-21073 в холодильной камере доказали достаточную надежность его пуска высоковольтной СЭП с НЭ при нормируемых ОСТ 37.001. 052-87 предельных температурах. _________ _

Разработанная методика подбора СЭП с НЭ позволяет на стадии проектирования СЭП определять параметры НЭ, ' рассчитывать основные технико-экономические показатели системы, а также проводить сравнительный анализ СЭП с НЭ и СЭП с АБ.

Практическал ценность диссертации заключается в созданном программном обеспечении разработанной методики, внедрение которой позволяет существенно упростить проектирование СЭП с НЭ и сократить время на подготовку испытания СЭП с НЭ в холодильных камерах.

, Разработанные рекомендации по выбору НЭ применимы не только для вновь проектируемых СЭП ЛВС, но и для умз находящихся в эксплуатации.

Реализация результатов исследований. Результаты выполненных исследований внедрены в НПО "Автоэлектроника НПО НАТИ и в Серпуховском высшем военном командно-инженерном училище (СВВКИУ), что подтверадено актами о внедрении. ' Экономический эффект от внедрения результатов работы в 1991г. составляет 54 тыс. рублей в год.

Апробация работы. Основные результаты исследований и содержание диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической и научно-методической конференции, посвященной 50-де-тию МАШ (Москва. МАМИ, 1989), научно-технической конференции МАМИ-АЗЛК. посвященной 60-летию.АЗЛК (Москва, МАШ, 1991г.), межвузовских научных чтениях, посвященных 100-летию со дня рождения академика Б.С. Стечкина (Москва, МАЛИ, 1992г.), на международном научно-техническом семинаре "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве" (г.Суздаль. 1993г.).

! Публикации. Основные результаты научных исследований по теме диссертации опубликованы в С печатных работах и отражены в 4 научно-исследовательских отчетах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Содержит 241 страницу, в том числе 140 страниц машинного текста, 126 рисунков и графиков, 9 таблиц. Список использованных источников содержит 167 наименований.

- 5 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ пусковых качеств и систем — пуска автомобильных двигателей. ' Некоторые из систем пуска ДВС (кик-стартер, пружинный стартер, инерционные и электроинерционные стартеры) можно отнести к системам кратковременного <импульсного) действия. Согласно литературным данным при обоснованном выборе параметров импульсные системы, как и системы дли- ' тельного действия, обеспечивают необходимую для эксплуатации надежность и эффективность пуска поршневых двигателей.

Применяемые в основном на автомобилях СЭП со стартерными свинцовыми АБ не обеспечивают без предварительного подогрева пуск ДВС при температурах ниже -(30-35) °С вследствие значительного увеличения внутреннего сопротивления, снижения развиваемой мощности и отдачи по емкости и энергии при работе в стартерных режимах.

Проведенный анализ показал, чт^ стартерные свинцовые АБ имеют высокую удельную энергию (для номинальных условий свыше 2С0 Дж/см3), но низкую удельную мощность, что не позволяет рационально использовать запас электроэнергии в системах пуска. Сравнение различных типов накопителей энергии показало, что при сравнительно небольшой удельной энергии большой удельной мощностью обладают емкостные накопители энергии, которые способны быстро накапливать и отдавать электрическую энергию, что позволяет использовать их в СЭП в качестве промежуточных источников питания.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию СЭП с НЭ. Проведенный анализ показал, что эффективность использования и конкурентоспособность СЭП с НЭ по сравнению с СЭП с АБ зависит от правильного выбора типа и характеристик НЭ. Для сравнения НЭ между собой и с АБ удобно использовать такие показатели, как удельные энергии НЭ по массе и по объему. Ш удельной энергии в СЭП автомобильных ДВС можно использовать электролитические конденсаторы, иснпсторы и конденсаторы с органическим диэлектриком.

Проведено теоретическое исследование физических процессов в СЭП при разряде НЭ на электростартер, эквивалентная схема которой представлена на рис.1. При создании упрощенной модели СЭП

а) Электрическая схема СЭП с НЭ

Рис. 1

Г

-с

Япр

Ьа= ьр Рнэ Яст

"1

ф Щэ еа ф

б) Расчетная схема разрядной цепи СЭП с НЭ

с НЭ также, как и для СЭП с АБ и электроинерционными стартерами, было принято допущение о том, что в процессе прокручивания коленчатый вал ЛВС нагружен постоянным статическим моментом сопротивления 1А . Не учитывались также момент инерции системы стартер-ЛВС, неравномерность' вращения вала ЛЕС, индуктивность стартерной цепи и изменения магнитного потока 5? стзртерного электродвигателя (СЭ).

Проведенные исследования показали, что в этом случае все основные параметры <'Гч1 будут линейно уменьшаться от вр^м^нн прокручивания Ь (рис. С). Как видно, в начальный период (¿=0) все основные, параметры СЭП в 2 раза выше средних значений.

Время вращения СЭ до остановки

)

(1)

+ - Снэ Шнэн - 1а(1рнэ)

~ Та

где Снд ~ емкость ГО; ^ИЭИ - начальное зарядное напряжение НЭ; Х(Х - сила тока якоря СЭ; Л^рнэ ~ суммарное' сопротивление разрядной цепи НЭ.

Исходя из энергии, требуемой для выполнения механической работы по прокручиванию коленчатого вала ЛВС определяется требуемая емкость НЭ _+

г _ _жМспьп_____

Цэ ~ ^пер^и^Ь - КНЭ)* '

Изменение параметров СЭП с НЭ от времени прокручивания

Я,

Мин" 2501

I,

А

ОйОО

1000 80

500 О

■160

2000" 1500 -12010,6

40 О

"Р.

КВт|

0,8

од 0,2 о

1а.- 1р

А,- \

1ц(Яс +Яп X 1 -инэк\ = Ср

|

6а >

лг ю га гч га зг, -ь.с

Рис. 2.

где П - средняя частота вращения вала ЛВС; Ъц - время прокручивания вала ДВС; ^пер ' КПД передачи от СЭ к ЛВС; -электромагнитный КПД; А//э= 1о/Х— ^НЭк/ИиЗН ' кратность рабочего тока 1а току коротког замыкания С/цэк = 1аЯрНЭ ' напряжение ГО в момент остановки СО.

Требуемая энергия НЭ

_ СнэЦнэн _ .%Мс пи__

Мш - -г- - го^М-К^ '

При известных удельных энергиях НЭ по массе ЪУнэт и объему "Ь1нЭУ могут быть определены габаритно-массовые показатели НЭ.

Для выбора элементов СЭП с НЭ необходимо также знать требуемое сопротивление разрядной цепи НЭ на СЭ

_ КнэЬп

я

рнэ

Снэ и - Кнэ)

(4)

Результаты исследований показали, что энергетические параметры СЭП с НЭ зависят от выбранной кратности рабочего тока Кнэ ■ с Уменьшением Кцэ требуемая емкость, масса и объем НЭ уменьшаются. Необходимая кратность рабочего тока' может быть обеспечена за счет . изменения передаточного числа редуктора СЭ

4

и . уменьшения Ярнэ и повышения £//ш ■

Разработала методика сравнительной оценки габаритно-массовых показателей НЭ и АБ в СЭП при условии совершения СЭ одинаковой работы по прокручиванию коленчатого вала ЛВС.

----- - Отношение объемов НЭ и АБ > работающих с одним

и тем же расчетным СЭ и обеспечивающих вращение вала ДВС с одинаковой средней частотой

Унэ _ ЬГщ1+ (¿Тнэ + ~кп) (5)

]/АБ -ЬГнсу йСго }

где ^Оаву - удельная энергия АБ по объему; 1+ - сила тока короткого замыкания АБ, приходящаяся на один положительный электрод; С^ = Снэ^рнЭ ~ постоянная времени разряда НЭ на СЭ; ДС^о - номинальная емкость АБ, отнесенная к одной положительной пластине.

Аналогично по известным значениям удельных энергий по массе НЭ и АБ "ЬУаб/П можно найти соотношение масс НЭ

тнэ « АБ ПЪьб .

По предложенной методике был проведен сравнительный анализ СЭП с НЭ и СЭП с АБ для автомобильного ЛВС ВАЗ-21081 с заданными пусковой характеристикой — П) и характеристикой момента сопротивления. Мр — ^(¡Ъ) ■ В связи с отсутствием в настоящее время экспериментальных данных по пусковым характеристикам ДВС при установке на них СЭП с НЭ расчетное время прокручивания вала ДВС СЭП с НЭ было принято равными времени пуска ДВС СЭП с АБ по пусковой характеристике.

Результаты расчетов параметров СЭП с НЭ и СЭП с АБ на ПЭВМ-ДВК-ЗМ приведены на рис. 3. При •совершении СЭП с НЭ и СЭП с АБ одинаковой полезной работы по прокручиванию вала ДВС в заданных условиях пуска соотношения объемов ^Нэ/УаБ и масс ^Нэ/гТЬаБ не связаны со способом возбуждения и уровнем номинального напряжения, а зависят только от конструктивных и удельных энергетических параметров НЭ и АБ и выбранного или заданного времени прокручивания коленчатого вала ДВС СЭП с НЭ. С увеличением пусковой частоты вращения коленчатого вала соотношения по

объему, массе и затрачиваемой энергии АБ и НЭ при работе на ' один и тот же расчетный стартер изменяются в пользу СЭП с НЭ.

Зависимости оценочных параметров СЭП с НЭ и СЭП с АБ от пусковой частоты вращения

В третьей главе описаны объект испытаний, программа, методика и результаты экспериментального исследования, задачами которого являлись изучение особенностей динамики прокручивания вала ЛЕС при питании стартера от высоковольтной батареи конденсаторов (ВКЕ) и подтвержние работоспособности СЭП с КЗ на автомобильных карбюраторных двигателях.

В качестве объекта испытаний был выбран четырехцилиндровый двигатель BA3-21073 с рабочим объемом 1.7 л. Двигатель был укомплектован карбюратором типа ДААЗ-21051-1107010-80 и бесконтактной системой зажигания с коммутатором 36. 3734. ВЕК состояла из 60 высоковольтных электролитических конденсаторов типа К50-17 емкостью калщого из них l500iio% мкФ . Заряд ВБК производился от промышленной сети с помощью встроенного в ВБК выпрямителя.

Результаты испытаний показали, что процесс прокручивания ДВС электростартером при питании его от ВБК существенно отличается от процесса прокручивания при питании СЭ от АБ и характеризуется прежде всего отсутствием этапов прокручивания■с посто-

янной средней частотой вращения, однако большую часть времени прокручивание происходит с постоянными средним моментом. сопротивления вращению и вращающим моментом электростартера М (рис. 4). При этом напряжение НЭ 1АцЭ и частота вращения П линейно уменьшайся по времени ~t , что соответствует результатам теоретического исследования СЭП с НЭ, представленным во - второй главе. Узеличение емкости Сцэ и начального зарядного напряжения ВБК ^¡НЭИ позволяет увеличить время прокручивания, количество рабочих ходов Npx , угол поворота, среднюю и максимальную частоты вращения коленчатого вала (рис. 5,6).

Пуски двигателя ВАЗ-21073 были осуществлены в диапазоне температур от -10°С до -30^. Результаты пусковых испытаний показали приципиальную возможность пуска холодного карбюраторного ЛВС при использовании НЭ. Несмотря на малое время прокручивания (от 0,1 до 1,5с) пуск ДВЙ может быть осуществлен аа несколько попыток вследствие значительного увеличения■ максимальной и средней частот вращения коленчатого вала ЛВС. Однако для надежного пуска ДВС при температуре -15Я; требуется изменение пусковых характеристик карбюратора по сравнению с СЭП с АБ.

Характер прокручивания ДЕС при питании СЭ от НЭ

. К Н.м

Шз В

zoo 150 100 50

0,2 ОД 0,6 О,В 1,0 1,2. 1Л i, 6 "t ,С Рис. 4.

- 11 -

Характер прокручивания ДВС при питании от ГО в функции времени при различных емкостях НЭ

1- Снэ = 0,12.77 Ф Р г-Си э= 0,1001 Ф

! 3 - Снэ = 0,0753 Ф ¡4- Снэ = 0,0493 Ф 5- Снэ = о,от Ф

Цнэ " м,| »V

В Нм мин1

250 Мрх 500

2Л0 яо 400

150 15 300

100- 10 гоо

50 5 100

0 0

Рис. 5.

Зависимости парам"Трпп <ТЧ! о 1П от рр'-м-ни пр'жпучи • вання при различных натшлшх .-с^ллимх нип? а:ч-ну.л:<

. Онз В гво\

£00

150

100

50

О

М/ Нм

Г^рХ го

15

ю

5 О

11- инэн = Я9оВ : -г-инэн=260В:

I

ГП '3-1кэн = 230В

О б^ 06 ОВ 1^0 1Д 1,4 ^С

Рис. 6.

Четвертая глава посвящена исследованию энергетики процесса прокручивания ДЮ СЭП с НЭ -и возможности повышения КПД системы.

Оценка пусковых качестз ДВС показала возможность использования расчетных и экспериментальных пусковых характеристик и характеристик сопротивления ДВС при определении параметров СЭП с НЭ и их сравнительном анализе с традиционными СЭП с АБ. СЭП с НЭ, работающая на электростартер самостоятельно или совместно с АБ, должна удовлетворять требованиям ОСТ 37.001.052-87 по обеспечению надежности пуска автомобильного ДВС при низких температурах. Однако требования отраслевого стандарта в отношении СЗП с НЭ должны быть откорректированы в сторону уменьшения продолжительности и увеличения числа попыток пуска, увеличения средней и максимальной частот вращения в течение каждой попытки и установления продолжительности перерывов между ■ попытками стартоиании, необходимой дли повторного заряда Ю.

При параллельной работе с АБ на электростартер низковольтный НЭ может рассматриваться как устройство для облегчения пуска ДВС при низких температурах. Тогда к НЭ можно отнести требование ОСТ 37.001.052-87, согласно которому время подготовки к работе и приведения в действия устройства для облегчения пуска холодного ДЕС (до включения электростартера) не должно превышать 3 мин. которое может быть использовано для заряда НЭ перед осуществлением пуска ДВС.

В результате исследования энергетики процесса прокручивания автомобильного ДЕС СЭП с НЭ проведено сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей времени прокручивания вала ДВС Ъпр , угла поворота 9 , механической энергии (рис.7),

максимальной и средней частот вращения коленчатого вала и КПД от выбранной емкости и начального зарядного напряжения НЭ. Сравнение показало, что предложенная ¿етодика определения основных параметров СЭП с НЭ при условии постоянства среднего статического момента сопротивления может быть применима в тех случаях, когда время переходного процесса при прокручивания ДВС значительно меньше общего времени прокручивания. Для выполнения этого условия НЭ должен иметь достаточно большую емкость.

Проведено исследование КПД цепи заряда НЭ от_АБ, КПД цепи разряда НЭ на СЭ и КПД СЭП с 10.

\Viiex, К 1х

Зависимости при различных УнэН

1.6

0,8

0 1 О

0,02. О,СИ 0,08^ 0,08 0,10 0,12, СнЭ, Ф

КПД зарндноП цепи ГО от ЛЕ п = 45[1+(1-Кю)(Еп-1)]и-е-*3>^1 (Г)

[г 1+(1-КнэН£п-1)

- число попыток пуска; пголо.'./зие.инсгть пегого

-.ряда !Р от 0 до Углах'. ".-.оттяни'-! ег-м-ни зарядной цепи.

КИЛ раг-т лдноп :!<-'1ш !Г • нч '"•■

^ _ (1- КНэ)2£П

1 + (1-КЬ)(1„-1)

( 71

Механический ГЛЩ

_ 052л(1-К)

Я

(1 - е"ь,/С1)

пек,

Ц- (1-К)(1п-1)

; (3)

КПД СОИ о ГО

_ 0,5Еп (1- К)2 % ?пер/1 - еЩ

(9)

™ 1 + (1-к)(гп-1)

КПЗ СОЛ г НЭ существенно загноит ст кратности тока А и гасительного времени разряда !!? на СЭ Ър/Ьк (рис. 8,9). При

Рис. 8. Зависимости КПД СЗП с 1ГЗ

от кратности рабочего тока К

Зависимости КПД СЗП с НЭ от относительного времени "tp/Ьк

0,2. ОД 0,6 0,8 tP//t,< Рис.9

всех значениях К и Ьр/Ьц ГОД ^ . ^р . ^мек и ^¿СЭП возрастают! с увеличением числа попыток пуска ¿.ц . Увеличение числа попыток- пуска 2?/7 позволяет уменьшить расход энергии АБ для заряда НЭ при совершении той же полезной работы по прокручиванию коленчатого вала ДВС. уменьшить емкость, размеры, массу и стоимость как НЭ. так и АБ в его зарядной цепи.

Пятая глава посвяшена разработке методики расчета параметров СЭГТ с НЭ. Проведенный анализ методик подбора СЭП с АБ показал. что ни один из известных методов не мотет быть полностью применен для подбора СЭП с НЭ. Учитывая, что на данном этапе развития СЭП с НЭ неизвестны точные требования, предъявляемые к электростартерам для таких СЭП, целесообразно оценить эффективность применения СЭП с НЭ для ДВС. -оборудованных штатными электростартерами. Таким образом подбор СЭП с КЭ сводится к-определению тагапс- параметров НЭ, при которых будет обеспечен пуск ДВС в заданных условиях. В этом случае значительно упрощается сравнительный анализ СЭП с НЭ и штатной СЭП о АБ. В качестве кр;ттерия оценки выбраны минимальные габаритно-массовые показатели источников питания и всей СЭП в целом. Для СЭП с НЭ минимальные пусковые частоты вращения по нпстоямсго времени не оп-ред°л?ны. Поэтому пги подборе СЭП с НЭ одной из основных задач являете? определение пусковой частоты вращения, при которой СЭП буд^т иметь наилучше технико-экономические показатели. Однако при заданном типе !П, т. <>. иачектной постоянной промели НЭ СмЭ • данный НЭ может обеспечить пуск ДВС только с одной средней пусковой частотой вращения П. которая в данном случае является искомой. Поэтому при подборе СЭП с НЭ производится расчет нескольких вариантов СЭП с различными пусковыми частотами вра-■ шения.

Используя пусковые характеристики и характеристики момента сопротивления ЛВС, задаваясь различными значениями !Ь , по рабочим характеристикам СЭ и предложенным в методике выражениям определяются требуемые параметры НЭ ( Сцз, и через

удельные энергии НЭ , находятся габаритно-массовые показатели СЭП

Исходя из заданного времени заряда НЭ перед первой попыткой пуска ДВС определяется допустимое сопротивление в зарядной

цепи НЭ. требуемое сопротивление АБ в зарядной" цепи, ее номинальная емкость, масса и объем.

После проведения расчетов строятся зависимости всех параметров СЭП от средней частоты вращения !Ъ и по зависимости 6>/3 — ^(п) при заданной постоянной времени НЭ определяется пусковая частота вращения П и все основные параметры СЭП, соответствующие пусковой частоте.

Для проведения сравнительного анализа СЭП с НЭ и СЭП с АБ целесообразно рассчитывать требуемые параметры АБ при различных /1 , таких же как, и для СЭП с НЭ. В соответствии с рекомендациями ОСТ 37.001. С52-87 "Автомобили и автомобильные двигатели. Требования к пусковым качествам" СЭП с АБ должна обеспечивать пуск ДВС за две попытки стартования продолжительностью 10с для карбюраторных ЛВС и 15с для дизелей. Параметры СЭП с АБ целесообразно определять исходя из обеспечения прокручивания вала ДВС в течение £/7 =10 с (для карбюраторных ДВС) или ¿/? = 15 с (для дизелей). Расчет параметров СЭП с АБ при различных П-пронаводится аналогично, как и для СЭП с НЭ.

В качестве основных критериев оценки целесообразности применения НЭ в СЭП принято отношение объемов источников питания СЭП с НЭ и СЭП с АБ Ку , отношение суммарных масс СЭП /(/71 и отношение числа возможных попыток пуска продолжительностью

V

По вышеприведенной методике была составлена программа расчета на ПЭВМ типа ДВК-ЗМ и 1ВМ РС. На рис. 10 представлены результаты расчетов для ДВС ВАЗ-21081, согласно которым с увеличением И при.осуществлении пуска ДВС одним и тем же СЭ габаритно-массовые показатели СЭП с НЭ становятся лучше, чем у СЭП с АБ.

При постоянной времени НЭ = 1с прокручивание ДВС будет происходить с /2- — 103 мин~1в течении 5,6 с, а НЭ должен иметь емкость 140 Ф. При удельной энергии НЭ й^уу = 1 Дж/см'3 и ЬУц^гп — 0,5 Дж/г с учетом АБ в зарядной цепи суммарная масса СЭП будет составлять 32 кг. а объем источников питания 12000 см3 .

У СЭП с АБ для обеспечения прокручивания вала ДВС в течении 10с с П. = 42 мин-* при удельных энергиях ЬУцм = 210 Дж/о, и = Ю5 Дх/г суммарная масса СЭП будет составлять 20 1

Снэ, Ф

isoof

- 17 '

Зависимости параметров СЭП с НЭ от частоты прашения

100 О

500

ШНЭ

Кг

150

100

50

Унэ, дм3 60

40

ZO

Kv 6

50 ГО Рис. 10.

но п^мшт1

3

а объем 6000 см . Таким образом масса СЭП с НЭ будет на 30i. а ■:5тем на 40' больше, чем у СЭП с АБ. При повышении удельных 'Mi'-pnul ¡П СОП с НЭ моулт огллат!-г.! конкурентоспособной по с; 'шнс-нню с С?П с АЕ.

ПрСг|?л?но исследование влияние различных параметров на основные показатели СЭП с ИЗ.

При увеличении начального зарядного напрятения НЗ габаритно- масссЕые показатели СЭП улучшается, вследствие увеличения средней пусковой частоты вращения П .

Увеличение числа лопаток пуст при обш-м ¡ф-мчии прокручи-г чиня t/j •' позволяет уменьшить np'-мн одной попытки прокручивания tnp — tn/2nH3 • что приводит к уменьшению требуемой емкости НЭ Cfä • а- следовательно и к улучшению габаритно-мас-согих показателей СЭП.

Разработанная методика и программа позволяет для заданного ЛЕС. режима его пуска и выбранного СЭ определять условия, при которых в качестве источника питания СЭ целесообразно использовать НЭ.

г

о

о

- 18 -

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведенные исследования позволили сформулировать цель и задачи исследования, проанализировать состояния вопроса в Российской Яедерации и зарубежом, оценить технический уровень СЭП с АБ, провести анализ характерных особенностей и энергетики электростартерного пуска, методов подбора СЭП с АБ, теоретически оценить и экспериментально подтвердить возможность использования НЭ в СЭП в качестве промежуточного источника питания, разработать математическую модель СЭП с НЭ и исследовать на этой модели целесообразность применения НЭ в СЭП автомобильных двигателей, разработать методику расчета параметров СЭП с НЭ, методику сравнительного анализа СЭП с НЭ и СЭП с АБ, разработать необходимое программное обеспечение для предложенных методик, внедрить их в НПО "Автоэлектроника", НПО "НАТИ" и СВВКИУ для проектирования СЭП с НЭ, определить основные направления дальнейших исследований.

2. Проведенные экспериментальные исследования двигателя ВАЗ-21073 подтвердили работоспособность СЭП с НЭ на автомобильных двигателях, позволили выявить характерные особенности динамики прокручивания коленчатого вала двигателя при питании электростартера от НЭ. оценить влияние основных параметров НЭ на процесс прокручивания, проанализировать энергетику процесса прокручивания.

3. Процесс пуска ЛВС при питании электростартера от НЭ характеризуется прежде всего отсутствием этапов прокручивания с постоянной частотой вращения, однако прокручивание большую часть времени происходит с постоянным моментом, поэтому вполне справедливо определение параметров СЭП с НЭ по среднему статическому моменту сопротивления. Правомерность метода определения основных параметров СЭП с НЭ доказана исследованиями энергетики процесса прокручивания ЛВС СЭП с НЭ на основе расчетных и экспериментальных данных.

4. Предложена методика сравнительного анализа габаритно-массовых показателей НЭ и АБ в СЭП при условии совершения одним и тем же расчетным электростартером одинаковой работы по прокр^вани^коденчатого вала двигателя. Соотношения объемов и

I

- 19 -

масс КЗ и АБ не зависят от- способа возбуждения и выбранного' ■ уровня напряжения двух систем, поэтому результаты теоретического анализа применимы как к низковольным, так и высоковольтным СЭП с НЭ. Программа расчета на ЭВМ на основе предложенной методики позволяет еще на стадии проектирования СЭП оценить целесообразность применения СЭП с НЭ

5. Объективным показателем использования энергетического запаса источника энергии является КПД системы пуска Чем выше КПД, | тем лучше использование энергии и тем меньше размеры и масса ее источника в системе пуска Проведенными теоретическими^ исследованиями КПД СЭП с НЭ выведены формулы для его определения, а также подтверждена возможность его повышения за счет увеличения числа попыток стартования и изменения степени разряда НЭ на электростартер при том же заданном времени пуска ЛВС.

. 6. Предложенна методика подбора СЭП с НЭ и созданная на ее основе программа расчета на ЭВМ позволяют определить основные параметры системы пуска, провести сравнительный анализ разработанной СЭП с традиционной СЭП с АВ и анализ влияния различных факторов на их параметры, оценить целесообразность применения для пуска ДВС СЭП с НЭ, упростить проектирование СЭП с ГО и сократить время на подготовку испытаний СЭП с НЭ в холодильных камерах. Установлено, что соотношения основных технико-экономических показателей изменяются в пользу СЭП с НЭ при увеличении начального зарядного напряжения, удельной энергии НЭ, числа попыток стартования, передаточного числа и уменьшения постоянной времени НЭ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чижков Ю.П., Меркулов Р. В., Данг Винь Нги. Методика расчета основных параметров систем пуска двигателей внутреннего сгорания от емкостных накопителей энергии //Материалы научно-технической и научно-методической конференции, посвященной 50-летии МАШ. -ЫгМАМИ. 1989г., -с. 213-214.

2. Чижков а П. , Меркулов Р. В., Красильников К Е., Данг Винь Нги. Влияние удельной энергии емкостных накопителей энергии на их размеры в системах алектростартерного пуска // Деп. в ИНИИТЭИавтопроме N 1973-ап89, БУ ВИНИТИ, N 3(224), 1990г. ,-с.37,

3. Данг Винь Нги, Чижков Ю. П. . Меркулов Р. В. Выбор параметров систем здектростартерного пуска ДВС с емкостными накопителями энергии // Деп. в ЦНИИТЭИавтопроме, N 1921-ап89, БУ ВИНИТИ. N 1(219), 1990г., -с. 62.

4. Данг Винь Нги, Чижов Ю. П., Меркулов Р. Е Пуск двигателей внутреннего сгорания с испольвованием емкостных- накопителей энергии и выбор их параметров.// Деп. в ЦНИИТЭИавтопроме N 1920-ап89, БУ ВИНИТИ, N 1(219)', 1990г., -о.62

5. Данг Винь Нги, Чижков Ю.П., Меркулов Р.К. Влияние постоянной времени и удельной энергии емкостных накопителей энергии на параметры систем здектростартерного пуска // Деп. в ЦНИИТЭИавтопроме N 2031-ап90, БУ ВИНИТИ, N 1, 1991г., -с. 25.

6. Данг Винь Нги, Чижков К1 П., Меркулов Р. В. Емкостные накопители энергии в системе пуска ДВС. // Деп. в ЦНИИТЭИавтопроме N 2032-ап9О, БУ ВИНИТИ, N 1^1991г. , -с. 25.

7. Данг Винь Нги. Чижков Ю. П. , Меркулов Р. К Сравнительная оценка параметров емкостных накопителей энергии и аккумуляторных батарей в системах электростартерного пуска. // Деп. в НИ-Истандартавтосельхозмаш. N 2078-ап91, БУ ВИНИТИ N 7(237). 1991г.. -с. 38.

8. Данг Винь Нги, Чижков 1й П. , Малеев Р. А. Сравнительный анализ параметров емкостных накопителей энергии и аккумуляторных батарей в системах электростартерного пуска // Деп. в НИ-Иинформавтопроме, N 2147-ап. 92,' БУ ВИНИТИ, N6, 1992г., -с. 41.

9. Чижков Ю. П., Малеев Р. А., Акимов 0. А. , Данг Винь Нги.' Методика подбора параметров емкостного накопителя энергии для системы электростартерного пуска. // Тезисыдоклада Международного научно-технического семинара "Электромеханические системы с компьютерным управлением на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве". -М: ЫАМЛ 1993г, -с. 36-37.