Система электрического пуска двигателя вездехода с молекулярным накопителем энергии

На правах рукописи

СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВЕЗДЕХОДА С МОЛЕКУЛЯРНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидат технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена на кафедре «Боевых машин и автомобильной подготовки» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Дальневосточном высшем военном командном училище (Военном институте) – ДВВКУ.

Научный руководитель:

кандидат военных наук, доцент

,

начальник ДВВКУ (ВИ),

г. Благовещенск.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

,

профессор кафедры «Электротехники и электрооборудования» Московского

автомобильно-дорожного института (ГТУ),

г. Москва.

Кандидат технических наук, доцент

профессор кафедры «Автотранспорта и

электрооборудования» МГТУ МАМИ,

г. Москва.

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования»

Защита состоится «02» июля 2009 года в 1000 на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) ГСП А-47, Москва, Ленинградский проспект, дом 64.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МАДИ (ГТУ)

Автореферат разослан «01» июня 2009 года.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять в адрес совета института.

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

Кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из основных требований, предъявляемых к современным вездеходам, является возможность их эксплуатации в различных климатических зонах. Это требование обусловлено развитием добывающих отраслей промышленности, освоением районов Крайнего севера, Сибири и Дальнего востока. Обеспечение эксплуатации вездеходов в районах с холодным климатом связано с надежным пуском двигателя в условиях низких температур.

Основными причинами, обусловливающими необходимость разогрева и затрудняющими пуск дизелей в зимних условиях, являются, с одной стороны, возрастание момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя, что требует повышение пусковой мощности системы электрического пуска (СЭП), а с другой – существенное снижение энергоотдачи аккумуляторных батарей (АБ) из-за увеличения их внутреннего сопротивления и уменьшения энергоемкости.

Обеспечение холодного пуска двигателя в условиях низких температур достигается различными способами. Но не все они достаточно эффективны.

Так применение энегоагрегата является эффективным только при использовании на вездеходах перспективных аккумуляторных батарей, отвечающих предъявляемым требованиям, так как в случае отказа энегоарегата серийные аккумуляторные батареи, производимые промышленностью не могут гарантировать пуск двигателей при температуре ниже минус 30°С даже при использовании маловязких масел. Разогрев ДВС с использованием штатных подогревателей при указанной температуре окружающего воздуха может привести к разряду АБ.

Производимые в настоящее время промышленностью аккумуляторные батареи не удовлетворяют в полном объеме предъявляемым требованиям по удельным мощностным характеристикам в стартерном режиме разряда, практически не работоспособны при температуре воздуха ниже минус 40°С и поэтому не решают в полном объеме проблемы пуска двигателей при низких температурах окружающего воздуха. Разработка аккумуляторных батарей в соответствии с выдвигаемыми требованиями в ближайшей перспективе является проблематичной.

Реализация технических предложений по повышению пусковой мощности АБ путем их разогрева различными способами и кратковременного подзаряда являются эффективными, но применимы только в стационарных условиях.

Важным направлением в обеспечении высоких эксплуатационных свойств вездеходов является применение средств внешнего запуска. В качестве средств внешнего запуска могут применяться буферные группы с серийными аккумуляторными батареями. Однако они обладают ограниченными возможностями по причинам изложенным выше, обеспечивают ограниченное количество последовательных пусков двигателей при температуре окружающего воздуха до минус 40°С и должны храниться в тепле, что затрудняет их использование при эксплуатации вездеходов вне стационарных пунктов.

Таким образом, названные способы обеспечения надежности пуска ДВС не нашли широкого применения на вездеходах.

В связи с этим, для обеспечения эффективного пуска двигателя при низких температурах воздуха целесообразно вместо аккумуляторных батарей применять в составе систем электрического пуска альтернативные источники электрической энергии (ИЭЭ), удельные мощностные и энергетические характеристики которых в стартерном режиме разряда не ниже предъявляемых требований на перспективную аккумуляторную батарею. Таким альтернативным источником электрической энергии является молекулярный накопитель электрической энергии (МНЭ) емкостного типа.

Невозможность надежного пуска двигателя по причине снижения заряженности АБ при разогреве ДВС ниже минимально допустимого по условиям пуска уровня может быть компенсирована частичным его разогревом и реализацией так называемого холодного пуска. При этом целесообразно применение в составе СЭП комбинированного источника электрической энергии (КИЭЭ), состоящего из свинцовых стартерных аккумуляторных батарей и молекулярных накопителей электрической энергии, для обеспечения преодоления повышенного момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала при холодном пуске двигателя.

Предлагаемый в диссертационной работе подход к оценке и обоснованию применения на вездеходах КИЭЭ, может быть использован при выборе параметров комбинированных источников электрической энергии, состоящих из электрохимического источника и молекулярных накопителей электрической энергии, при разработке СЭП вездеходов.

Применение молекулярного накопителя электрической энергии возможно, как в составе СЭП, так и в средствах внешнего электрического пуска.

Однако в случае применения в составе СЭП молекулярных накопителей электрической энергии не представляется возможным оценить их влияние на эффективность ее работы в целом, так как существующие методики обеспечивают оценку систем электрического пуска с традиционным составом источников электрической энергии, а именно: основной генератор с приводом от основного двигателя шасси, автономный энергоагрегат и аккумуляторные батареи, и не учитывают особенности СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии.

Следовательно, имеет место научная задача – совершенствования методики оценки системы электрического пуска двигателя с молекулярными накопителями в качестве источника электрической энергии. Объектом исследования в данной работе является система электрического пуска двигателя с молекулярным накопителем электрической энергии, а предметом исследования – процесс пуска двигателя вездехода.

Цель и задачи работы. Целью настоящего исследования является разработка методики оценки эффективности системы электрического пуска двигателя вездехода с молекулярными накопителями энергии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Уточнить математическую модель прокрутки коленчатого вала поршневого двигателя СЭП с комбинированным источником электрической энергии

2) Экспериментально и теоретически исследовать характеристики СЭП с МНЭ.

3) Провести оценку СЭП с МНЭ.

4) На основе полученных данных разработать методику оценки СЭП на основе критерия "эффективность-стоимость" для комбинированного источника электрической энергии, состоящего из МНЭ и АБ, и предназначенного для пуска двигателя вездехода.

5) Разработать практические рекомендации и технические предложения по улучшению характеристик СЭП и применению молекулярных накопителей электрической энергии.

В диссертации решается научная задача по исследованию эффективности систем электрического пуска двигателей вездеходов с различными типами молекулярных накопителей в качестве источников электрической энергии.

Научная новизна диссертации состоит в: уточнении математической модели процесса прокрутки коленчатого вала поршневого ДВС от комбинированного источника энергии, включающего молекулярные накопители электрической энергии; разработке методики оценки эффективности системы электрического пуска ДВС вездехода, имеющей в своем составе молекулярный накопитель электрической энергии.

Предлагаемая методика включает в себя совокупность показателей и критериев оценки эффективности исследуемой системы и взаимосвязанную систему математических моделей процессов ее функционирования, в том числе методику технико-экономического обоснования целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии в составе системы электрического пуска ДВС. Разработанная система взаимосвязанных математических моделей является основой предложенной методики оценки СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии и базируется на существующих частных моделях и известных закономерностях функционирования молекулярных накопителей электрической энергии, электродвигателей постоянного тока с последовательным возбуждением и аппаратуры СЭП.

На защиту выносятся

1. Методика оценки системы электрического пуска двигателя с молекулярными накопителями электрической энергии (разработан критерий пригодности источника электрической энергии и показатели эффективности КИЭЭ и СЭП в целом).

2. Уточненная математическая модель прокрутки коленчатого вала поршневого двигателя СЭП с комбинированным источником электрической энергии.

3. Результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов функционирования системы электрического пуска ДВС, включающей молекулярные накопители электрической энергии.

4. Практические рекомендации по применению молекулярных накопителей электрической энергии в составе СЭП двигателя вездехода.

Достоверность результатов обеспечена достаточной сходимостью экспериментальных данных и результатов моделирования, строгостью выполнения расчетов и преобразований, а также, определением необходимого количества опытов на основе планирования полнофакторного эксперимента (ПФЭ), устранением неопределенностей, проведением параллельных опытов и оценкой погрешностей результатов измерений и расчетов методами общей теории ошибок, которая рассматривает погрешность результирующей величины, как функцию погрешностей составляющих параметров.

Теоретическая значимости работы состоит в дальнейшем развитии теоретических основ анализа и синтеза СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии и ее оценки.

Практическая ценность работы заключается:

1. В возможности использования разработанного методического аппарата при выборе структуры и параметров системы электрического пуска двигателя и оценки ее эффективности на этапах эскизного и технического проектирования.

2. В разработке практических рекомендаций по применению молекулярных накопителей электрической энергии в составе СЭП двигателей вездеходов.

3. В разработке практических рекомендаций по применению молекулярных накопителей электрической энергии в составе автономных энергоагрегатов и буферных групп для обеспечения внешнего электрического пуска двигателя и питания приемников электрической энергии вездеходов.

4. В разработке функциональных схем систем электрического пуска вездеходов, обеспечивающих пуск двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии совместно с аккумуляторными батареями и заряд молекулярных накопителей электрической энергии от аккумуляторных батарей до напряжения 36 В с применением специального преобразователя напряжения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

на VIII региональной межвузовской научно-практической конференции 17-18 мая 2007г. Молодежь ХХI века: шаг в будущее;

на научно-практической конференция Дальневосточного высшего военного командного училища (военного института) имени Маршала Советского Союза 28 марта 2007 г.

на расширенном заседании кафедры Электротехники и электрооборудования МАДИ (ТУ) 5 февраля 2009г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 6 статьях общим объемом 0,8 печатных листов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы из 99 наименований. Работа выполнена на 152 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, формулируется цель исследования, приведена общая характеристика работы. Отмечается, что анализ пооперационных затрат времени на подготовку вездехода к движению показывает, что при низких отрицательных температурах воздуха до 85 % времени расходуется на предпусковой разогрев двигателей. Основными причинами, обуславливающими необходимость разогрева и затрудняющими холодный пуск дизелей в зимних условиях, являются, с одной стороны, возрастание момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя, что требует повышение пусковой мощности системы электрического пуска, а с другой – существенное снижение энергоотдачи аккумуляторных батарей из-за увеличения их внутреннего сопротивления и уменьшения энергоемкости.

Одним из основных способов обеспечения высоких эксплуатационных свойств вездеходов является правильное обоснование типа аккумуляторных батарей, суммарной емкости аккумуляторных батарей в объекте, обеспечение положительного зарядного баланса аккумуляторных батарей во всех условиях эксплуатации и режимах работы системы электроснабжения, двигателя машины.

Указывается, что наиболее перспективным путем обеспечения пуска двигателя вездехода в условиях низких температур является применение в составе систем электрического пуска (СЭП) емкостных накопителей электрической энергии.

В первой главе проведен анализ путей совершенствования СЭП вездеходов и требований к параметрам источников электрической энергии для обеспечения надежного пуска двигателя в условиях низких температур окружающего воздуха, топлива, масла и охлаждающей жидкости. При анализе сделаны следующие основные выводы:

Серийные СЭП не обеспечивают холодные пуски двигателей вездеходов в диапазоне температур окружающей среды от минус 40°С до минус 20°С.

Для выполнения данного требования должна быть решена задача повышения пусковой мощности СЭП в два раза и повышение энергозапаса источника электрической энергии в полтора раза.

Серийные системы электрического пуска вездеходов обеспечивают эффективный пуск холодных двигателей при температурах топлива, масла и охлаждающей жидкости минус 40°С с "теплыми" аккумуляторными батареями, так как АБ при положительной температуре электролита отдают требуемую мощность. Поэтому одним из основных путей решения проблемы повышении пусковой мощности системы электрического пуска является предпусковой разогрев электролита аккумуляторных батарей.

Для вездеходов наиболее приемлемым является применение аккумуляторных батарей со встроенным электрообогревом. Однако предпусковой разогрев аккумуляторных батарей возможен только в стационарных условиях, так как в этом случае требуются внешний источники электрической энергии большой мощности.

Анализ работ по исследованию и совершенствованию СЭП вездеходов показал, что одним из путей решения проблемы обеспечения эффективного холодного пуска двигателей внутреннего сгорания является применение альтернативных источников электрической энергии, которые существенно превосходят по удельной мощности свинцовые стартерные АБ.

Одним из альтернативных источников электрической энергии являются молекулярные накопители электрической энергии, обладающие рядом преимуществ перед свинцовыми стартерными аккумуляторными батареями (обеспечивают повышение пусковой мощности АБ более чем в два раза; имеют стабильность отдаваемой мощности независимо от температуры окружающей среды; снимают пиковые нагрузки от стартера при совместной работе с аккумуляторными батареями, чем обеспечивается продление срока службы АБ; имеют лучшие объемно-массовые показатели; имеют высокие удельные мощностные характеристики; большой срок службы (до 15 лет); сохраняют работоспособность при низких температурах окружающей среды; не требуют технического обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации; являются экологически чистым ИЭЭ; обеспечивают надежность пуска двигателя и снижают температуру пуска двигателя на 5°С в сравнении с АБ). В случае применения в составе СЭП МНЭ пуск двигателя вездехода возможен как от самого МНЭ, так и от МНЭ совместно с АБ.

По результатам главы делается вывод том, что для обеспечения пуска двигателя вездехода в условиях низких температур наиболее целесообразно в составе СЭП вездеходов применение МНЭ в качестве КИЭЭ.

В главе определяется цель диссертационной работы, формулируется научная задача и задачи исследования.

Во второй главе приведена методика оценки эффективности системы электрического пуска с молекулярными накопителями энергии двигателя гусеничного вездехода, математическая модель прокрутки коленчатого вала поршневого двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии, экспериментальные исследования СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии и оценка адекватности разработанной математической модели.

Для обобщенной оценки степени соответствия характеристик КИЭЭ техническим требованиям, предъявляемым к вспомогательным ИЭЭ, предлагается ввести векторный (многомерный) показатель эффективности W(u), который представляет собой совокупность скалярных величин

, (1)

где Р(u) – частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по мощности, Вт;

Е(u) – частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по максимальной запасаемой энергии, Дж;

V(u) – частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по объему, м3;

M(u) – частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по массе, кг;

R(u) – частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по ресурсу (сроку службы), годы;

С(u) – частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по стоимости, руб;

u – тип КИЭЭ.

Для выработки решения о применении в составе СЭП вездеходов конкретного типа КИЭЭ целесообразно использовать критерий эффективности, в основу которого положена концепция пригодности

W(u) ≥ WTP, u Î U (2)

где W(u) –значение показателя эффективности конкретного типа КИЭЭ;

WTP – требуемое значение показателя эффективности вспомогательного ИЭЭ;

U – множество возможных типов вспомогательных ИЭЭ.

Учитывая, что показатель эффективности КИЭЭ, описываемый выражением (1) – векторный, а значение требуемого показателя эффективности принимается равным значению показателя эффективности штатных аккумуляторных батарей объекта, представляется целесообразным применение следующего критерия пригодности для КИЭЭ с учетом формул (1) и (2):

(3)

где Ркиээ(i) – значение мощности КИЭЭ, Вт;

Е киээ(i) – значение максимальной запасаемой энергии КИЭЭ, Дж;

V киээ(i) – значение объема КИЭЭ, м3;

М киээ(i) – значение массы КИЭЭ, кг;

R киээ(i) – значение ресурса (срока службы), годы;

Скиээ(i) – значение стоимости КИЭЭ, руб;

i – тип КИЭЭ;

u – число приемлемых типов КИЭЭ;

РАБ – значение мощности штатных АБ, Вт;

ЕАБ – значение максимальной запасаемой энергии штатных АБ, Дж;

VАБ – значение объема штатных АБ, м3;

МАБ – значение массы штатных АБ, кг;

RАБ – значение ресурса штатных АБ, годы;

САБ – значение стоимости штатных АБ, руб.

Приведен порядок определения частных показателей эффективности.

Однако возникает проблема выбора лучшего типа КИЭЭ из числа пригодных, которые определены с использованием критерия пригодности (3).

Лучшим типом КИЭЭ из числа пригодных будет тип, имеющий наименьшую стоимость. Следовательно, для определения лучшего типа КИЭЭ требуется введение дополнительного критерия – «эффективность-стоимость».

Критерий «эффективность-стоимость» для выбора лучшего типа источника электрической энергии из числа пригодных представлен в виде

С(u, n) → min, при n > nз, при Тп = – 40°С, (4)

u Î N

где N – число пригодных типов КИЭЭ, шт;

nз – значение требуемой пусковой частоты вращения коленчатого вала дизеля.

Используя критерий «эффективность-стоимость», можно выбрать лучший тип КИЭЭ из числа пригодных на стадии технического проектирования, зная требуемую пусковую частоту вращения коленчатого вала дизеля при пуске и частоту вращения, обеспечиваемую КИЭЭ. Следовательно, КИЭЭ следует рассматривать как элемент СЭП, целевое назначение которой является раскрутка коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания до минимальной пусковой частоты вращения, при которой обеспечиваются условия для самовоспламенения топлива.

Для расчета значения частоты вращения коленчатого вала дизеля, которая определяется параметрами КИЭЭ, разработана математическая модель прокрутки двигателя серийной СЭП с КИЭЭ, состоящая из:

–  расчета частоты вращения коленчатого вала поршневого двигателя при прокрутках от комбинированного источника электрической энергии;

–  аналитических зависимостей для определения параметров прокрутки двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии.

Разработанная математическая модель обеспечивает получение следующих показателей СЭП при прокрутках коленчатого вала двигателя в зависимости от суммарной емкости МНЭ в объекте: частоты вращения и момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала дизеля; температуры холодной прокрутки; параметров стартера; параметров МНЭ; КПД ИЭЭ с МНЭ.

Предлагаемая математическая модель (5) прокрутки двигателя СЭП с КИЭЭ представляет собой систему линейных алгебраических уравнений:

Модель обеспечивает получение следующих показателей СЭП при прокрутках коленчатого вала двигателя в зависимости от суммарной емкости МНЭ в объекте:

частоты вращения коленчатого вала дизеля при заданной температуре масла;

температуры холодной прокрутки коленчатого вала дизеля в зависимости от типа масла;

параметров стартера, а именно: внутреннего сопротивления стартера, тока стартера, напряжения на клемме стартера в максимальном режиме прокрутки, сопротивления проводов стартерной цепи;

параметров МНЭ, а именно: емкости МНЭ в режиме прокрутки, напряжения на клеммах МНЭ в начале и в конце прокрутки соответственно; внутреннее сопротивление и относительную емкость в зависимости от температуры электролита;

момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала дизеля в зависимости от типа и температуры масла;

КПД источников электрической энергии с МНЭ.

Методика оценки эффективности комбинированных источников электрической энергии содержит следующий алгоритм оценки КИЭЭ по критерию пригодности:

1. Определение множества КИЭЭ X, соответствующих требованию по средней мощности в стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 45°С, проводится по частному критерию пригодности

, (6)

где x – тип КИЭЭ, соответствующий требованию по средней мощности в стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 45°С.

2. Определение множества КИЭЭ Y (Y Ì X), соответствующих требованию по максимальной энергии из числа КИЭЭ, соответствующих требованию по средней мощности в стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 45°С, проводится по частному критерию пригодности

, (7)

где y – тип КИЭЭ, соответствующий требованию по максимальной энергии.

3. Определение множества КИЭЭ Z (Z Ì Y), соответствующих требованию по объему из множества КИЭЭ, соответствующих требованию по максимальной энергии, проводится по частному критерию пригодности

, (8)

где z – тип КИЭЭ, соответствующий требованию по объему.

4. Определение множества КИЭЭ W (W Ì Z), соответствующих требованию по массе, из числа КИЭЭ, соответствующих требованию по объему, проводится по частному критерию пригодности

, (9)

где w – тип КИЭЭ, соответствующий требованию по массе.

5. Определение множества КИЭЭ F (F Ì Z), соответствующих требованию по сроку службы, из числа КИЭЭ, соответствующих требованию по массе, проводится по частному критерию пригодности

, (10)

где f – тип КИЭЭ, соответствующий требованию по сроку службы.

6. Определение множества КИЭЭ В (В Ì W), соответствующих требованию по стоимости, из числа КИЭЭ, соответствующих требованию по сроку службы, проводится по частному критерию пригодности

, (11)

где b – тип КИЭЭ, соответствующий требованию по сроку службы.

7. Выбор лучшего типа КИЭЭ, из числа пригодных по критерию эффективность-стоимость.

Экспериментальные исследования МНЭ проводились с целью оценки возможности их использования для осуществления холодных пусков двигателя марки В-84 и проверки адекватности математической модели. Двигатели модели В-84 устанавливаются на вездеходы семейства «Витязь» серий ДТ-30ПМН, ДТ-10П, используемые в диапазоне температур от 50оС до -50оС, а так же специальные машины СВГ-27/ДТ предназначенные для выполнения геофизических работ с целью сейсморазведки на нефть и газ в условиях районов Севера и Сибири.

Испытаниям подверглись -140/28 производства «ТехноКор».

Испытуемые МНЭ размещались в составе автономного энергоагрегата марки АЭ-1-4 с молекулярными накопителями электрической энергии производства «ТехноКор», предназначенного для разогрева моторно-трансмиссионных установок и внешнего электрического пуска поршневых двигателей гусеничных машин.

Автономный энергоагрегат с МНЭ непосредственно подключался к стартеру вездехода проводами внешнего запуска.

Таким образом, автономный энергоагрегат с МНЭ в совокупности со стартером представлял собой физическую модель СЭП с МНЭ.

Испытуемые МНЭ в составе АЭ-1-4 размещались в помещении с температурой воздуха 5°С и выдерживались при заданной температуре в течение трех суток. Температура масла двигателя на момент испытаний определялась по показаниям штатного термометра масла двигателя вездехода и составила 5°С. Температура топлива в баках вездехода принималась равной температуре окружающего воздуха.

В ходе испытаний делались три прокрутки двигателя с последующим его пуском. Интервалы между прокрутками определялись продолжительностью заряда МНЭ от агрегата питания.

Возможность холодных пусков двигателя вездехода от МНЭ типа МНЭ-140/28 при температуре 5°С оценивалась по критерию – длительности прокрутки двигателя.

Параметры холодных прокруток двигателя марки В-84 от -140/28 при температуре 5°С представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры АЭ-1-4 в режиме прокрутки двигателя марки В-84 при температуре 5°С

Наименование параметра

Значение параметра

Продолжительность прокрутки KB двигателя с частой вращения (90...140) об/мин и напряжении БС не ниже 10 В, с

3,7

Средняя мощность АЭ-1-4 за время прокрутки двигателя, кВт

29,5

Максимальная (пиковая) мощность АЭ при прокрутке двигателя, кВт

74,7

Среднее значение тока АЭ-1-4 за время прокрутки двигателя, А

1003,4

Максимальное (пиковое) значение тока АЭ-1-4 за время прокрутки ДВС, А

2432,1

Среднее значение напряжения на РВЗ АЭ-1-4 за время прокрутки ДВС, В

29,4

Среднее значение напряжения БС за время прокрутки двигателя, В

14,0

Напряжения БС вездехода в конце прокрутки, В

10,0

Продолжительность выхода двигателя на установившуюся частоту вращения коленчатого вала, с

0,6

Максимальная частота вращения двигателя, об/мин

140

Средняя частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин

115

Минимальная частота вращения двигателя, об/мин

90

Параметры пусков двигателя марки В-84 от -140/28 при температуре 5°С представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры АЭ-1-4 в режиме пуска двигателя марки В-84 при температуре 5°С

Наименование параметра

Значение параметра

Средняя мощность за время пуска двигателя, кВт

16,9

Максимальная (пиковая) мощность АЭ-1-4 при пуске двигателя, кВт

71,3

Среднее значение тока при пуске двигателя, А

721,8

Максимальное (пиковое) значение тока при пуске двигателя , А

2329,8

Среднее значение напряжения на РВЗ при пуске двигателя, В

23,5

Среднее значение напряжения БС при пуске двигателя, В

20,6

Максимальное (пиковое) значение тока при пуске двигателя, А

2329,8

Среднее значение напряжения на РВЗ при пуске двигателя, В

23,5

Среднее значение напряжения БС при пуске двигателя, В

20,6

Минимальное значение напряжения БС при пуске двигателя, В

15,9

Продолжительность пуска двигателя, с

0,9

По результатам экспериментальных исследований установлено: ИЭЭ, состоящий из 4-х -140/28 обеспечивает эффективный холодный пуск двигателя марки В-84 при температуре 5°С, а так же обеспечивает холодную прокрутку двигателя марки В-84 без подачи топлива длительностью до 5 с с частотой вращения не ниже 80 об/мин при напряжении бортовой сети не ниже 10 В. Длительность пуска двигателя составила 0,9 с.

Значение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя марки В-84 при холодной прокрутке от источника электрической энергии, состоящего из четырех -140/28, составило 1079 Н∙м при температуре масла двигателя 5°С.

Оценка адекватности моделирования проводилась по коэффициенту несовпадения Тейла UT. Коэффициент несовпадения Тейла UT рассчитывался применительно к частоте вращения коленчатого вала двигателя марки В-84 при холодных прокрутках в вездеходе от ИЭЭ, состоящего из 4-х -140/28 при температуре 5°С.

Коэффициент несовпадения Тейла UT измеряет степень несовпадения значений обобщенного параметра процесса Р (частоты вращения коленчатого вала двигателя при прокрутках коленчатого вала двигателя от МНЭ), определенного экспериментально, со значениями обобщенного параметра процесса А (частоты вращения коленчатого вала двигателя при прокрутках коленчатого вала двигателя от МНЭ), определенного в результате расчета по модели.

По результатам расчета значение коэффициента несовпадения Тейла UT практически равно нулю, UT = 0,057, что позволяет сделать вывод об адекватности математической модели функционирования СЭП вездехода с МНЭ, т. е. параметры СЭП определенные экспериментально и рассчитанные по модели имеют приемлемую сходимость.

В третьей главе приведены теоретические исследования СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии и их оценка с целью анализа и разработки рекомендаций по улучшению характеристик.

Исследованиям с использованием разработанной математической модели подверглись МНЭ следующих марок: МНЭ-200/24, 20ЭК402./16-0,006 и 24ПП-80-0,003, которые в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям по стартерному режиму разряда при температуре электролита минус 30°С, а также имеют наименьшее внутреннее сопротивление при температуре электролита минус 45°С.

Установлено, что энергетические характеристики КИЭЭ определяются такими параметрами, как: суммарная емкость МНЭ в вездеходе, уровень напряжения на клеммах МНЭ и суммарной емкостью АБ в вездеходе.

Исследования проводилось с целью: определения температуры и длительности холодной прокрутки и средней частоты вращения коленчатого вала двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П в зависимости от параметров источников электрической энергии, состоящих из МНЭ, на основе разработанной математической модели для оценки эффективности СЭП вездехода и разработки практических рекомендаций по применению МНЭ в составе СЭП вездехода.

Расчет температуры холодных прокруток проводился в следующей последовательности:

1) Определялась минимальная пусковая мощность ИЭЭ, необходимая для прокрутки двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П при температурах масла от 25°С до минус 45°С по формуле

(12)

где n3 – заданное значение пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя, об/мин.

Принимая во внимание, что стартер марки СГ-18 в максимальном режиме работы обеспечивают холодную прокрутку двигателя марки В-84 с n3 = = 125 об/мин, ηПР = 0,9; ηмм = 0,66, выражение (12) принимает вид

РИЭЭ = 22МСОПР + rц. (13)

2) Рассчитывалась максимальная мощность ИЭЭ, состоящего из 4-х МНЭ, для заданных значений температур, по формуле:

РМНЭ = IЕТ UН (14)

3)  Определялся КПД ИЭЭ для заданных значений температур.

4)  Строились зависимости РИЭЭ = f(T), РМНЭ = f(T) и ηИЭЭ = f(T) в единой системе координат.

5) Определялась температура холодной прокрутки двигателя марки В-84 от ИЭЭ по точке пересечения зависимостей РИЭЭ = f(T), РМНЭ = f(T).

Параметры СЭП вездехода (IЕТ, МСОПР, UH, ηИЭЭ) рассчитывались по разработанной в работе модели.

По результатам исследований было установлено:

а) Источники электрической энергии, состоящие из 4-х -200/24, 20ЭК402./16-0,006 и 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью в 832 Ф, 2186 Ф и 1344 Ф соответственно обеспечивают холодные прокрутки двигателя марки В-84 на маловязком масле МТЗ-10П:

при уровне зарядного напряжения 24 В при температурах минус 15, минус 2°С и минус 17°С соответственно;

при уровне зарядного напряжения 28 В при температурах минус 23°С, минус 14°С и минус 30°С соответственно;

при уровне зарядного напряжения 36 В при температурах минус 23°С, минус 14°С и минус 30 °С соответственно.

б) Источник электрической энергии, состоящий из 4-х МНЭ марки 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф обеспечивает холодный пуск двигателя марки В-84 на маловязком масле МТЗ-10П до температуры минус 20°С при средней пусковой частоте вращения коленчатого вала двигателя не ниже 115 об/мин, при длительности холодной прокрутки двигателя без подачи топлива до 8 с.

в) Источник электрической энергии, состоящий из 4-х МНЭ марки 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф обеспечивает холодную прокрутку двигателя типа В-84 на маловязком масле МТЗ-10П без подачи топлива при температуры минус 45°С при средней пусковой частоте вращения коленчатого вала двигателя не ниже 63 об/мин, при этом длительность холодной прокрутки двигателя без подачи топлива до 1 с.

г) Температура и длительность холодной прокрутки без подачи топлива двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П определяются суммарной емкостью МНЭ в объекте и уровнем зарядного напряжения.

д) Температура холодной прокрутки без подачи топлива двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П от источника электрической энергии, состоящего из 4-х МНЭ марки 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф, является исходной величиной для оценки системы электрического пуска вездехода с МНЭ.

Проведенный расчет вероятности пуска двигателя от трех типов ИЭЭ: штатных АБ, батареи-модуля (БМ) и КИЭЭ, состоящего из МНЭ, показал, что в случае применения в составе СЭП источника электрической энергии, состоящего из 8-ми БМ, обеспечивается увеличение значения частного показателя эффективности СЭП – вероятности энергообеспеченности эффективного холодного пуска двигателя - на 13,2 %.

В случае применения в составе СЭП КИЭЭ, состоящего из МНЭ и 8-ми БМ, вероятность энергообеспеченности эффективного холодного пуска двигателя возрастает на 29 %, что в 2,2 раза больше в сравнении с источником электрической энергии, состоящего из 8-ми БМ.

При разработке технических предложений по улучшению характеристик систем электрического пуска двигателя было определено, что молекулярные накопители энергии можно использовать для решения разнообразных задач, а именно: повышения эффективного пуска двигателя; улучшения качества электрической энергии в бортовой сети образца; обеспечения положительного энергобаланса во всех режимах работы СЭП и двигателя вездехода.

Кроме того, по результатам анализа особенностей работы электрического стартера от МНЭ, установлено: в случае прокрутки коленчатого вала двигателя вездехода от МНЭ имеет место проблема обеспечения требуемого качества электрической энергии в бортовой сети машины вследствие нарушения электрического равновесия электрического стартера по причине изменения напряжения на клеммах МНЭ.

В соответствии с решаемыми задачами, результатами расчетных исследований и наличием проблемы по обеспечению требуемого качества электрической энергии в бортовой сети вездехода при прокрутках коленчатого вала двигателя от МНЭ предложены два варианта СЭП с МНЭ, функциональные схемы которых представлены на рисунках 1 и 2.

Г – стартер-генератор Ф - электрический фильтр

РН – регулятор напряжения БЗА – блок защиты аккумуляторов

АОТ – автомат обратного ток РСГ – реле стартер-генератора

ЯГ – якорь генератора П – преобразователь напряжения

ЯС – якорь стартера RK – нагрузка ПЭЭ корпуса

МНЭ – молекулярный накопитель RБ – нагрузка ПЭЭ потребителей

электрической энергии

Рисунок 1. – Функциональная схема СЭП, реализующая пуск двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии

Особенностью схемы представленной на рисунке 1 является то, что при включении выключателя батарей происходит заряд МНЭ от АБ через преобразователь на повышенный уровень напряжения до 36 В. при достижении требуемого уровня напряжения на клеммах МНЭ преобразователь отключается от бортовой сети. При нажатии кнопки «Стартер» включается электродвигатель маслозакачивающего насоса двигателя, питание которого осуществляется от АБ. В соответствии с алгоритмом пуска двигателя МНЭ переключаются на удвоенное напряжение, которое подается на стартер.

Параллельно к автомату обратного тока подключается МНЭ 1, который обеспечивает:

снятие нагрузок в момент переключения передач при движении машины, чем улучшается эффективность заряда:

покрытие пиковых нагрузок ПЭЭ, чем обеспечивается положительный энергобаланс во всех режимах работы генератора;

снижение пульсаций напряжения бортовой сети вездехода, чем повышается качество электрической энергии и надежность ПЭЭ.

Особенностью функциональной схемы СЭП, представленной на рисунке 2, является пуск двигателя от АБ совместно с МНЭ.

Г – стартер-генератор Ф - электрический фильтр

РН – регулятор напряжения БЗА – блок защиты аккумуляторов

АОТ – автомат обратного тока РСГ – реле стартер-генератора

ЯГ – якорь генератора П – преобразователь напряжения

ЯС – якорь стартера RK – нагрузка ПЭЭ корпуса

МНЭ – молекулярный накопитель RБ – нагрузка ПЭЭ потребителей.

электрической энергии

Рисунок 2. – Функциональная схема СЭП, реализующая пуск двигателя от аккумуляторных батарей совместно с молекулярными накопителями электрической энергии

В этом случае предполагается использовать свинцовые стартерные АБ.

Достоинство данного варианта СЭП – максимальная унификация с серийной СЭП, продление срока службы АБ за счет снятия нагрузок по току.

С помощью методического подхода к технико-экономическому обоснованию целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии в СЭП вездеходов, предложенного в работе, получены результаты, анализ которых показал:

а) Габаритный объем МНЭ в составе КИЭЭ соизмерим с габаритным объемом серийных 24-х вольтовых АБ (габаритный объем установленных в машине -200/24 на 50% превышает габаритный объем АБ типа 12СТ-85РМ, а габаритный объем установленных в вездеходе МНЭ марки ЭК402./16-0,006 на 6% меньше габаритного объема АБ типа 12СТ-85РМ), что предполагает применение МНЭ на вездеходах в составе КИЭЭ при температурах окружающей среды до минус 45°С.

б) По результатам оценки стоимостных показателей КИЭЭ установлено, что стоимость КИЭЭ с -200/24 и 20ЭК402./16-0,006 снижается на 11% и 9% соответственно при сроке службы АБ 7,5...10 лет, что является существенным.

в) По стоимостным показателям лучшим является КИЭЭ с -200/24,

г) КИЭЭ с -200/24 по стоимости в два раза дороже АБ, однако они обеспечивают холодные прокрутки двигателя марки В-84 до температуры минус 45°С.

КИЭЭ, состоящий из МНЭ и 24-х вольтовых АБ, обеспечивает холодный пуск двигателя марки В-84 при температуре минус 35°С.

д) ИЭЭ, состоящие из четырех МНЭ, при заряде их до 36 В по своим объемно-массовым показателям соизмеримы с ИЭЭ, состоящим из 4-х АБ марки 12CT-85PM, однако их стоимости в 5...25 раз выше стоимости серийных АБ (стоимость серийных АБ – 32 тыс. руб., стоимость ИЭЭ, состоящих из 4-х МНЭ составляет 157 тыс. руб., 455 тыс. руб. и 849 тыс. руб. в зависимости от типа МНЭ). Самый дешевый – -200/24.

По результатам расчета с использованием модели функционирования СЭП установлено, что ИЭЭ, состоящий из 4-х -200/24 с суммарной емкостью 832 Ф обеспечивает прокрутки разогретого двигателя марки В-84 длительностью до 5 с. При этом стоимость такого ИЭЭ составляет 24,8 тыс. руб., что на 33 % ниже стоимости ИЭЭ, состоящего из 4-х АБ типа 12СТ-85РМ.

Таким образом, -200/24 целесообразно использовать в составе внешних систем электрического пуска при температуре воздуха до минус 30°С.

Основные результаты и выводы.

Одним из путей решения проблемы эффективного пуска двигателей гусеничных вездеходов при низких температурах воздуха является применение в составе СЭП ДВС молекулярных накопителей электрической энергии, которые стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 30°С по удельной мощности существенно превосходят (на 25...30 %) лучшие мировые аналоги свинцовых стартерных аккумуляторных батарей.

Проведенный анализ работ в исследуемой области показал, что существующий теоретический и методический аппарат обеспечивает оценку СЭП только с традиционным составом источников электрической энергии (автономный энергоагрегат и аккумуляторные батареи) и не учитывает особенности систем электроснабжения с молекулярными накопителями электрической энергии. Существующие методики по оценке СЭП и аккумуляторных батарей рассчитаны в основном на оценку качества функционирования указанных изделий и не обеспечивают оценку эффективности систем электроснабжения, включая источники электрической энергии.

В диссертации разработан методический подход к оценке МНЭ, который базируется на применении концепции пригодности и критерия «эффективность-стоимость». Для реализации методического похода в работе предложены критерии пригодности вспомогательного источника электрической энергии (по средней мощности в стартерном режиме разряда, по максимальной запасаемой энергии, по объему, по массе, по ресурсу и стоимости) и методы определения показателей, на которых они базируются; обоснован критерий эффективности систем электроснабжения и вспомогательного источника электрической энергии по минимальной пусковой частоте вращения коленчатого вала двигателя при температуре минус 45°С; предложен критерий «эффективность-стоимость» для выбора лучшего типа вспомогательного источника электрической энергии и разработана методика оценки эффективности системы электрического пуска с молекулярными накопителями энергии двигателя вездехода

Разработанная методика оценки эффективности обеспечивает:

выявление особенностей работы электрического стартера при прокрутках поршневого ДВС от МНЭ с определением его параметров;

обоснование требуемого уровня напряжения на клеммах молекулярных накопителей электрической энергии при прокрутках коленчатого вала поршневого двигателя электрическим стартером в максимальном режиме;

определение КПД источников электрической энергии с МНЭ;

определение температуры холодной прокрутки коленчатого вала поршневого двигателя в зависимости от типа масла;

определение момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала поршневого двигателя в зависимости от температуры и типа масла с использованием стартерных характеристик.

Экспериментальными и расчетными методами были получены основные характеристики молекулярных накопителей электрической энергии:

изменение силы тока молекулярных накопителей электрической энергии при разряде на нагрузку 0,04 Ома при различных температурах электролита;

изменение напряжения на клеммах молекулярных накопителей электрической энергии при разряде на нагрузку 0,04 Ома при различных температурах электролита;

внутренне сопротивление молекулярных накопителей электрической энергии при различных температурах электролита;

емкость молекулярных накопителей электрической энергии при различных температурах электролита;

массогабаритные характеристики молекулярных накопителей электрической энергии.

По результатам сопоставительного анализа и качественной оценки МНЭ установлено:

1. Длительность разряда в стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 30°С и объемно-массовым показателям МНЭ соизмеримы с серийными свинцовыми стартерными аккумуляторными батареями;

2. По удельной мощности в стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 30°С молекулярные накопители электрической энергии на 25...85 % превосходят лучшие мировые аналоги свинцовых стартерных аккумуляторных батарей;

3. Значение обобщенного показателя качества МНЭ, характеризующего их энергетические свойства, позволяет сделать вывод о возможности замены свинцовых стартерных АБ в стартерном режиме разряда МНЭ.

В частности, результаты экспериментальных исследований СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии показали, что источник электрической энергии, состоящий из 4-х -140/28 обеспечивает эффективный холодный пуск двигателя марки В-84 при температуре 5°С и обеспечивает холодную прокрутку двигателя марки В-84 без подачи топлива длительностью до 5 секунд.

Таким образом, молекулярные накопители электрической энергии выполняют функции свинцовых стартерных аккумуляторных батарей в стартерном режиме разряда и могут использоваться в составе СЭП взамен аккумуляторных батарей. Кроме того, возможна унификация МНЭ и свинцовых стартерных аккумуляторных батарей по установочным, габаритным и присоединительным размерам.

Оценка адекватности математической модели функционирования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии проводилась по критерию несовпадения Тейла. Значение коэффициента несовпадения Тейла UT близко к нулю, UT = 0,057, что позволяет сделать вывод об адекватности математической модели функционирования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии гусеничного вездехода.

По результатам проведенных исследований установлено:

1. Источники электрической энергии, состоящие из молекулярных накопителей электрической энергии, обеспечивают холодную прокрутку двигателя марки В-84 на маловязких маслах при температуре минус 45°С;

2. Применение молекулярных накопителей электрической энергии в составе вспомогательного источника электрической энергии для пуска двигателя обеспечивает повышение частного показателя эффективности СЭП (вероятности обеспечения электрической энергией пуска двигателя) вездехода (вероятности обеспечения машины электрической энергией во всех режимах функционирования) на 29 %;

3. Объемно-массовые и стоимостные показатели комбинированных источников электрической энергии, состоящих из молекулярных накопителей электрической энергии и свинцовых стартерных аккумуляторных батарей, определяются параметрами свинцовой стартерной аккумуляторной батареи.

По результатам оценки технико-экономической целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии были предложены технические решения по улучшению характеристик СЭП (функциональная схема СЭП, обеспечивающая пуск ДВС от молекулярных накопителей электрической энергии совместно с аккумуляторными батареями; функциональная схема СЭП, обеспечивающая пуск ДВС от молекулярных накопителей электрической энергии), выработаны практические рекомендации по их применению в составе буферных групп (в составе передвижного автономного энергоагрегата с молекулярными накопителями электрической энергии).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.  Евдокимов подход к оценке эффективности вспомогательных источников электрической энергии в системах электроснабжения вездеходов. // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2009, № 2-3 – С. 36-37.

2.  Евдокимов исследование режимов работы электропривода с молекулярным накопителем энергии.// МАДИ (ГТУ). Сборник научных трудов. – 2009 №2 - С. 75-78

3.  Евдокимов оценки эффективности комбинированных источников электрической энергии. // Молодежь ХХI века: шаг в будущее. Материалы VIII региональной межвузовской научно-практической конференции 17-18 мая 2007г. Книга 2. С. 97-100.

4.  Грызлов исследования СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии. // Материалы Научно-практическая конференции. 28 марта 2007 г. - Дальневосточное высшее военное командное училище (военный институт) имени Маршала Советского Союза – С. 67-68.

5.  Евдокимов исследования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии. // Материалы Научно-практическая конференции. Молодежь ХХI века: шаг в будущее. Совет ректоров вузов амурской области, правительство Амурской области, администрация города Благовещенска. 21-22 мая 2008г. Часть 3.С. 45-47.

6.  Грызлов и целесообразность применения молекулярных накопителей энергии в системах электрического пуска гусеничного транспортера // // Материалы Научно-практическая конференции. Молодежь ХХI века: шаг в будущее. Совет ректоров вузов амурской области, правительство Амурской области, администрация города Благовещенска. 21-22 мая 2008г. Часть 3.С. 47-48.

_______________________________________________________________

Подписано в печать 20 мая 2009 г. Формат 60х84х16

Тираж 100 экз. Заказ №17 Усл. Печ. л. 2,7

Издательство «Зея» Тел/; Тел. 8(41