автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации электрооборудования автотракторной техники за счет применения в системе электрического пуска накопителей энергии

/V/; О о - • ' ' . О

Л * «и? V' 4

Челябинский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Агроинженерный Университет

на правах рукописи

Герасимов Александр Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКИ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПУСКА

НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность

05.20.02 - электрификация сельскохозяйственного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Данилов В.Н.

кандидат технических наук, лоцент

Челябинск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------5

ГЛАВА 1 Состояние вопроса и постановка задач исследования--------------------------9

1.1 Классификация существующих систем пуска ДВС------------------------------9

1.1.1 Ручной пуск----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10

1.1.2 Пневматический пуск----------------------------------------------------------------------------------------------------10

1.1.3 Гидропневматический пуск--------------------------------------------------------------------------------------11

1.1.4 Пусковые двухтактные двигатели----------------------------------------------------------------------12

1.1.5 Инерционный пуск----------------------------------------------------------------------------------------------------------13

1.1.6 Электростартерный пуск-----------------------------------------------------------13

1.2 Энергозатраты на пуск двигателей КамАЗ-740 и ЯМЗ-236------------24

1.2.1 Расход энергии на работу предпускового подогревателя ПЖД-30---------------------------------------------------------------------— 24

1.2.2 Энергетические возможности аккумуляторных батарей 6СТ-190--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------25

1.2.3 Энергетические затраты при прокручивании двигателей КамАЗ-740 и ЯМЗ-236--------------------------------------------------------------------------------------------------------------26

1.3 Направления улучшения энергетических и мощностных возможностей системы электрического пуска----------------------------------------------------------30

1.4 Задачи исследования--------------------------------------------------------------------------------------------------------34

ГЛАВА 2 Теоретическое обоснование параметров накопителя энергии — 36

2.1 Разработка математической модели системы электрического пуска с накопителем энергии —--------------------------------------------------------------------------------------36

2.2 Определение параметров накопителя энергии------------------------------------------41

2.3 Выбор накопителя энергии. Разработка схем подключения накопителя энергии к системе электрического пуска двигателя КамАЗ-740------------------------------------------------------------------------------------53

2.4 Определение минимальной емкости аккумуляторных батарей- 61 2.4.1 Заряд накопителя энергии от аккумуляторных батарей — 61

2.4.2 Разряд накопителя энергии на стартер---------------------------- 65

2.4.3 Повторный заряд накопителя энергии от аккумуляторных батарей-------------------------------------------------------------------------- 67

ГЛАВА 3 Методика экспериментальных исследований системы электрического пуска автомобиля Урал-4320 с ДВС КамАЗ-740 и ЯМЗ-236 при совместном использовании накопителя энергии и аккумуляторных батарей------------------------------------------------------------------------------------- 70

3.1 Методика лабораторных испытаний системы электрического пуска с накопителем энергии двигателя КамАЗ-740 —---------------- 70

3.2 Методика эксплуатационных испытаний системы электрического пуска с накопителем энергии автомобиля Урал-4320 с двигателем ЯМЗ-236-------------------------------------------------------------- 74

3.3 Регистрируемые параметры. Схема и способы измерений------ 76

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования системы электрического пуска с накопителем энергии автомобиля Урал-4320 с двигателем внутреннего сгорания КамАЗ-740 и ЯМЭ-236 в условиях низких температур— ВО

4.1 Результаты лабораторных испытаний системы электрического пуска с накопителем энергии двигателя внутреннего сгорания КамАЗ-740--------------------------------------------------------------------- 80

4.1.1 Результаты лабораторных исследований при температуре минус 12°С-----------------------------------------------------------------— 80

4.1.2 Результаты лабораторных исследований при температуре минус 23°С--------------------------------------------------------------------- 85

4.1.3 Результаты лабораторных исследований при температуре минус 45°С--------------------------------------------------------------------- 94

4.2 Результаты эксплутационных (пробеговых) испытаний системы электрического пуска автомобиля Урал-4320 с накопителем энергии-------------------------------------------------------------------------- 100

ГЛАВА 5 Оценка экономической эффективности системы электрического пуска с накопителем энергии для автомобиля Урал-4320----------------108

5.1 Показатели экономической эффективности системы электрического пуска с накопителем энергии--------------------------------------------------------------108

5.2 Определение экономического эффекта от внедрения опытной системы электрического пуска с накопителем энергии----------------------------111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ----------------------------------------------------------------------------------118

ЛИТЕРАТУРА ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------121

ПРИЛОЖЕНИЕ 1----------------------------------------------------------------------------------------131

ПРИЛОЖЕНИЕ 2------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------134

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ------------------------------------------------------------------------ 136

ПРИЛОЖЕНИЕ 4------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------138

ПРИЛОЖЕНИЕ 5------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------142

ПРИЛОЖЕНИЕ 6------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------143

ПРИЛОЖЕНИЕ 7------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------144

ПРИЛОЖЕНИЕ 8---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------145

ПРИЛОЖЕНИЕ 9------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------146

ВВЕДЕНИЕ

Претворяя в жизнь стратегический курс на всестороннее обновление нашего общества и ускорение его социально-экономического развития, одно из приоритетных направлений - подъем и улучшение сельскохозяйственного производства. Это возможно на основе разработки и создания качественно-новых образцов автотракторной техники. Акцент на качество в отношении техники заключается прежде всего в радикальном повышении ее надежности, улучшении технических характеристик. Одной из важнейших составляющих технической характеристики любого объекта техники является ее готовность к использованию. Готовность к использованию автотракторной техники обуславливается готовностью к использованию установленных на ней двигателей или, что то же самое, пусковыми свойствами последних.

Основными элементами современной системы электрического пуска автотракторных двигателей являются: свинцовая стартерная аккумуляторная батарея (АБ), стартер и устройства управления.

Самое "слабое" ее место - аккумуляторная батарея, особенно при низких температурах окружающей среды, когда возрастают плотность и удельное электрическое сопротивление электролита (следовательно, и внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи), кроме того увеличивается момент сопротивления прокручиванию коленного вала двигателя (из-за увеличения вязкости масла). Все это увеличивает разрядный ток и глубину разряда батареи, а также уменьшает надежность пуска двигателя (при минус 30°С пуск двигателя проблематичен, а при минус 40°С - практически невозможен). Кроме того, у аккумуляторной батареи

о

очень небольшая удельная мощность (0,2-0,4 Вт/см ) и, чтобы обеспечить необходимую пусковую мощность, аккумуляторную батарею приходится делать громоздкой и тяжелой. В то же время удельная энергия свинцовых аккумуляторных батарей весьма значительна (100-200 Дж /см ), что делает их способными осуществить до одной тысячи пусков, то есть запас по удельной энергии более чем дос-

таточен. Опыт эксплуатации автотракторной техники свидетельствует, что аккумуляторные батареи в большинстве своем теряют работоспособность раньше установленного срока службы.

Все эти факты заставляют искать новые средства пуска двигателей, дополнительные источники электрической энергии, которые, с одной стороны позволили бы продлить срок службы аккумуляторных батарей , с другой - повысить надежность системы электрического пуска двигателей внутреннего сгорания .

В качестве такого источника предлагается использовать накопители энергии (конденсаторы), которые собираются в батарею и подключаются параллельно аккумуляторным батареям. Накопитель энергии заряжается за счет аккумуляторных батарей (возможны варианты заряда от других источников) и в свою очередь "мгновенно разряжается на стартер" (практически безинерционно), тем самым обеспечивая большие пусковые обороты двигателя внутреннего сгорания (за счет быстрой отдачи большой емкости), затем этот процесс повторяется.

Чтобы произвести пуск двигателя необходимо сравнительно небольшое количество энергии (например, для пуска двигателя автомобиля ВАЗ -2*5 кДж, а для двигателя ЗиЛ немногим более 10 кДж),однако, для надежного пуска нужно, чтобы накопитель энергии обладал и определенной пусковой мощностью (у автомобильных аккумуляторных батарей она составляет 2-8 кВт). Обоим этим условиям в наибольшей степени соответствуют емкостные электрические накопители энергии, которые представляют собой конденсатор сверхбольшой емкости. Их удельная энергия (0,1 Дж/см ) хотя и меньше, чем у свинцовых аккумуляторных батарей, но вполне достаточна (для ЗиЛ - необходимо 0,085 Дж/см ) для обеспечения пуска двигателя внутреннего сгорания, что же касается удельной мощности, то здесь конденсаторы на целые порядки превосходят свинцовые АБ (106 Вт/см3).

У электрических накопителей энергии есть и другие преимущества. Они способны быстро накапливать электрическую энергию (30-60 с), заряжаются практически от любого источника (даже от небольшого генератора, вращаемого

от руки), обладают очень низким внутренним сопротивлением, которое не зависит от температуры окружающей среды, у них большие сроки службы (десятки тысяч часов) и сохраняемости (10-15 лет), они не требуют обслуживания, не токсичны, не содержат электролита, могут иметь любую форму.

Таким образом, использование накопителей энергии в системе электрического пуска позволит:

- производить надежный пуск двигателя внутреннего сгорания в условиях низких температур, даже при разряженных на 90 % аккумуляторных батареях;

- значительно увеличить срок службы аккумуляторных батарей, так как наибольшую нагрузку они испытывают в стартерном режиме при пуске двигателя внутреннего сгорания, а конденсаторная батарея их "разгружает";

- при использовании в системах электрического пуска накопителей энергии устанавливать вместо штатных громоздких аккумуляторных батарей большой емкости, аккумуляторные батареи меньшей емкости и размеров.

Цель исследования - повышение эффективности эксплуатации электрооборудования автотракторной техники за счет подключения к системе электрического пуска накопителей энергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Рассчитать параметры накопителя энергии и определить минимально возможные емкости накопителя энергии и аккумуляторных батарей в опытной системе электрического пуска, используемого в сельскохозяйственном производстве автомобиля Урал-4320.

2. Разработать схемы подключения накопителя энергии в опытную систему электрического пуска автомобиля Урал-4320.

3. Разработать схему замещения и математическую модель опытной системы электрического пуска.

4. Провести лабораторные испытания опытной системы электрического пуска с накопителем энергии в камере холода «Нема-8000».

4. Провести эксплуатационные (пробеговые) испытания опытной системы электрического пуска с накопителем энергии на автомобиле Урал-4320 в Уральском регионе.

Исследования проводились на двигателях КамАЗ-740 и ЯМЭ-236, которыми оснащаются автомобили семейства Урал, выпускаемые Уральским автомобильным заводом, расположенным в г. Миасс. Экспериментальные исследования по использованию накопителей энергии в системе электрического пуска, проводились совместно с заводом-изготовителем. [56]

ГЛАВА I

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ПУСКА ДВС

Система пуска поршневых двигателей внутреннего сгорания представляет собой комплекс устройств обеспечивающих принудительное вращение коленчатого вала двигателя. При этом частота вращения коленчатого вала должна быть доведена до некоторой величины (пусковые обороты П пуСК > 50 мин"1) [22], обеспечивающей протекание процессов смесеобразования, сжатия и воспламенения рабочей смеси. Система пуска является одной из важнейших систем электрооборудования автомобиля, это один из основных показателей технической готовности автомобиля.

Системы пуска

Рис. 1.1. Классификация систем пуска ДВС

В настоящее время существуют несколько типов систем пуска. Тип системы пуска определяется видом используемой энергии и конструкцией основного пускового устройства. Классификация систем пуска, в зависимости от конструкции, назначения и условий работы двигателя внутреннего сгорания, представлена на рис. 1.1.

1.1.1 РУЧНОЙ ПУСК

Пуск многих двухтактных двигателей (мотоциклетных, мотороллерных, лодочных и т.д.) малой мощности осуществляется за счет мускульной энергии человека, с помощью простых и достаточно эффективных устройств: рукоятки, шнура, педали, рычажного механизма. Этот способ пуска для современных двигателей большой мощности можно считать резервным, при неисправной основной системы пуска. Для проворачивания коленчатого вала с частотой необходимой для пуска двигателя внутреннего сгорания, при данном способе, используются большие физические затраты человека, увеличивается продолжительность пуска, поэтому применение его как основного для пуска двигателя внутреннего сгорания большой мощности нецелесообразно.

1.1.2 ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПУСК

В системе пневматического (воздушного) пуска используется энергия сжатого воздуха. Эта система пуска применяется в качестве резервной (дублирующей) системы на большегрузных автомобилях с дизельным двигателем, тягачах и тракторах. Система пневматического пуска включает: баллоны со сжатым воздухом, редукционный кран, монометр, воздухораспределитель, автоматические пусковые клапаны в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания и воздухопроводы. Сжатый воздух из баллонов (рессиверов) через редукционный клапан поступает в воздухораспределитель. Из воздухораспределителя в соответствии с по-

и

рядком работы цилиндров двигателя внутреннего сгорания, сжатый воздух подается к пусковым клапанам. Воздействуя на поршень сжатый воздух приводит в движение коленчатый вал, сообщая ему необходимую пусковую частоту. Баллоны заряжаются сжатым воздухом от стационарных компрессорных установок или от компрессора установленного на двигателе внутреннего сгорания автомобиля (трактора). Энергия сжатого воздуха может быть преобразована в механическую работу вращения коленчатого вала двигателя пневматическим стартером, который может быть поршневого или лопаточного типа (газотурбинные двигатели).

Главное преимущество этой системы пуска в том, что она дает возможность создать большие пусковые обороты, т. е. обеспечивает надежный пуск. К недостаткам системы пневматического пуска относятся: малый запас энергии, утечка воздуха из баллонов при длительной стоянке, большая масса пусковых устройств, необходимость иметь компрессор для получения сжатого воздуха. Кроме того холодный воздух при пуске горячего двигателя может вызвать появление трещин в нагретых деталях камеры сгорания и затрудненный пуск холодного двигателя (из-за ухудшения самовоспламенения).

1.1.3 ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПУСК

Пуск производится гидравлическим двигателем, работающим на специальных жидкостях (не замерзающих при I = -50°С) вытесняемых из специальных баллонов-аккумуляторов сжатым воздухом.

Гидропневматический стартер состоит из гидропневматического аккумулятора, разделенного поршнем-мембраной. С одной стороны поршня-мембраны находится сжатый нейтральный газ, с другой - рабочая жидкость. В нижней части аккумулятора установлен распределительный кран, который направляет жидкость к цилиндрам реечного стартера. Зубчатые рейки входят в зацепление с шестерней стартера, которая соединена с коленчатым валом двигателя при помощи

кулачко вой муфты. Рейки возвращаются в исходное положение возвратными пружинами, а рабочая жидкость перетекает в дополнительный бачок.

Гидропневматические стартеры, хотя и обеспечивают пуск мощных двигателей при небольших затратах энергии, распространения не получили из-за сложности конструкции.

1.1.4 ПУСКОВЫЕ ДВУХТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Пусковые двухтактные карбюраторные двигатели устанавливаются на двигатели отечественных тракторов и экскаваторов. Они обладают достаточным запасом энергии для пуска дизельн