Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1 Современное состояние и направления совершенствования систем электрического пуска двигателей вездеходов 11
1.2 Оценка возможности применения накопителей энергии в системах электроснабжения и электрического пуска вездеходов28
1.3 Анализ методик оценки систем электрического пуска двигателей вездеходов 40
Выводы. Цель и задачи исследования 43
Глава 2 . Методика оценки эффективности системы электрического пуска с молекулярными накопителями энергии двигателя вездехода 46
2.1 Методический подход к оценке эффективности вспомогательных источников электрической энергии в системах электрического пуска двигателей вездеходов 46
2.2 Математическая модель прокрутки поршневого двигателя с серийной системой электрического пуска с комбинированным источником электрической энергии 56
2.2.1 Расчет частоты вращения поршневого двигателя при прокрутках от комбинированного источника электрической энергии 57
2.2.2 Аналитические зависимости для определения параметров прокрутки двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии 63
2.3 Методика оценки эффективности комбинированных источников электрической энергии 98
2.4 Экспериментальные исследования СЭП с молекулярными накопителями электрической энергии 101
2.5. Оценка адекватности математической модели функционирования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии вездехода с дизельным двигателем 104
Выводы 106
Глава 3. Анализ системы электрического пуска двигателя вездехода и разработка рекомендаций по улучшению ее характеристик 109
3.1 Теоретические исследования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии 109
3.2 Оценка систем электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии 114
3.3 Технические предложения по улучшению характеристик систем электрического пуска двигателя 118
3.4 Технико-экономическое обоснование целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии в системах электрического пуска двигателей вездеходов 121
3.4.1 Методический подход к технико-экономическому обоснованию целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии в системах СЭП вездехода 121
3.4.2 Объект исследования 123
3.4.3 Исходные данные для расчета технико-экономического обоснования целесообразности применения МНЭ в системах электроснабжения вездехода 124
3.4.4 Результаты технико-экономического анализа целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии в системах электрического пуска вездеходов 126
3.5 Предложения по применению молекулярных накопителей энергии в системах электрического пуска вездехода 132
Выводы 132
Заключение 134
Список использованных источников 140
Оглавление 148
- Современное состояние и направления совершенствования систем электрического пуска двигателей вездеходов
- Методический подход к оценке эффективности вспомогательных источников электрической энергии в системах электрического пуска двигателей вездеходов
- Аналитические зависимости для определения параметров прокрутки двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии
- Теоретические исследования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии
Введение к работе
Одним из основных требований, предъявляемых к современным вездеходам, является возможность их эксплуатации в различных климатических зонах. Это обусловлено развитием добывающих отраслей промышленности, освоением северных районов нашей страны. Обеспечение эксплуатации вездеходов в районах с холодным климатом связано с надежным пуском двигателя в условиях низких температур.
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, 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 [ 1 -3 ].
Основными путями решения указанных проблем являются:
1. Использование в составе систем электрического пуска автономного энергоагрегата с приводным двигателем внутреннего сгорания (ДВС).
2. Применение перспективных аккумуляторных батарей, соответствующих предъявляемым требованиям по удельной мощности, взамен серийных.
3. Применение различных способов повышения пусковой мощности аккумуляторных батарей в условиях низких температур.
4. Применение средств внешнего электрического пуска.
Примером реализации первого направления могут служить машины военного назначения, имеющие в составе системы электроснабжения (СЭС) автономный энергоагрегат с приводным поршневым или газотурбинным двигателем. Его применение совместно с аккумуляторными батареями с начальной степенью заряженности 75 % обеспечивает пуски двигателей военных гусеничных машин при температуре окружающего воздуха до минус 40°.
Однако применение энегоагрегата является эффективным только при использовании на гусеничных машинах перспективных аккумуляторных батарей, отвечающих предъявляемым требованиям, так как в случае отказа энегоарегата серийные аккумуляторные батареи, производимые промышленностью в настоящее время, не обеспечат пуск двигателей при температуре ниже минус 40°С даже при использовании маловязких масел. Разогрев ДВС с использованием штатных подогревателей при указанной температуре окружающего воздуха может привести к разряду АБ.
Отдача аккумуляторной батареей накопленной электрической энергии сильно зависит от температуры, поскольку изменяется ее внутреннее сопротивление, зависящее, в свою очередь, от вязкости электролита. При очень низких температурах отдача аккумуляторной батареи снижается до минимума, несмотря на то, что степень заряженности АБ соответствует норме. Кроме того, при низких температурах нарушается процесс заряда аккумуляторной батареи.
В связи с этим, применяемые в настоящее время на вездеходах свинцовые стартерные аккумуляторные батареи [4, 5] по своим эксплуатационным и электрическим характеристикам (удельная энергия 28...35 Вт ч/кг, мощность 100...200 Вт/кг) не удовлетворяют возрастающим требованиям и обеспечивают надежный пуск двигателей вездеходов при температуре до минус 20°С.
Производимые в настоящее время промышленностью аккумуляторные батареи [6-10] 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 вьщвигаемыми требованиями в ближайшей перспективе является проблематичной.
Реализация технических предложений по повышению пусковой мощности АБ путем их разогрева электрическими способами (разогрев встроенными электронагревательными элементами или разогрев аккумуляторных батарей теплом, выделяемыми на внутреннем сопротивлении при. протекании через них постоянного или переменного тока) являются эффективными, но при этих способах требуются внешние источники электрической энергии большой мощности. Поэтому указанные выше способы предпускового разогрева аккумуляторных батарей применимы только в стационарных условиях.
Другой способ предпускового разогрева аккумуляторных батарей заключается в продувке через футляры и межэлементные соединения аккумуляторных батарей горячего воздуха, нагреваемого с помощью выхлопных газов подогревателя в теплообменном аппарате. Данный способ предпускового разогрева АБ является сложным в конструктивном отношении и не обеспечивает требуемой интенсивности разогрева аккумуляторных батарей.
Повышение пусковой мощности аккумуляторных батарей путем их кратковременного подзаряда от внешних источников электрической энергии является эффективным. Однако данный способ повышения пусковой мощности аккумуляторных батарей применим только в стационарных условиях. Таким образом, названные способы повышения пусковой мощности не нашли применения на гусеничных машинах.
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.
В связи с этим, для обеспечения эффективного пуска двигателя при низких температурах воздуха целесообразно вместо аккумуляторных батарей применять в составе систем электроснабжения альтернативные источники электрической энергии, 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.
Молекулярный накопитель электрической энергии является аналогом свинцовой стартерной аккумуляторной батареи в стартерном режиме разряда и обеспечивает повышение пусковой мощности АБ в два раза. Кроме того, молекулярный накопитель электрической энергии имеет ряд преимуществ перед аккумуляторными батареями, а именно:
лучшие объемно-массовые показатели;
высокие удельные мощностные характеристики;
обеспечивает снятие пиковых нагрузок с аккумуляторных батарей, что продлевает их срок службы;
сохраняет работоспособность при температуре воздуха до минус 45°С. Невозможность надежного пуска двигателя по причине снижения заряженности АБ ниже минимально допустимого по условиям пуска уровня при разогреве ДВС может быть компенсирована частичным 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 гусеничных машинах КИЭЭ, может быть использован при выборе параметров комбинированных источников электрической энергии, состоящих из электрохимического источника и молекулярных накопителей электрической энергии, при разработке СЭП вездехода.
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 [2, 11, 12] 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.
Таким образом, целью диссертационной работы является разработка методики оценки эффективности системы электрического пуска двигателя вездехода с молекулярными накопителями энергии.
Для достижении указанной цели решалась научная задача: исследование эффективности систем электрического пуска двигателей вездеходов с различными типами молекулярных накопителей в качестве источников электрической энергии.
В ходе выполнения диссертационной работы использовались основные положения теории вероятности, линейной алгебры, электротехники и теории электрических машин, методы математического анализа, методы квалиметрической оценки качества изделий.
Научная новизна диссертации состоит в: разработке математической модели процессов функционирования системы электрического пуска 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 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.
Теоретическая значимости работы состоит в дальнейшем развитии теоретических основ анализа и синтеза СЭП с молекулярным накопителем электрической энергии и ее оценки.
Практическая ценность работы состоит:
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 двигателя вездехода.
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 вездехода.
4. В разработке функциональных схем систем электроснабжения вездехода, 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.
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие результаты:
1. Предложены показатели пригодности источника электрической энергии для оценки возможности применения в составе систем электрического пуска двигателя вездехода в комбинации с существующими источниками электрической энергии.
2. Обоснован показатель эффективности системы электроснабжения и источника электрической энергии.
3. Выбран критерий "эффективность-стоимость" источника электрической энергии для оценки комбинированных источников электрической энергии.
4. Разработана математическая модель прокрутки коленчатого вала поршневого двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии для определения численного значения показателя эффективности системы электрического пуска ДВС - частоты вращения коленчатого вала двигателя.
5. Разработан метод определения момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя в зависимости от температуры и вязкости масел с использованием стартерных характеристик.
6. По результатам качественной оценки аккумуляторных батарей и молекулярных накопителей электрической энергии установлено, что они являются самостоятельным средством электрического пуска.
7. Для оценки возможности пусков двигатели от молекулярных накопителей электрической энергии и проверки адекватности математической модели проведены экспериментальные исследования системы электроснабжения с молекулярными накопителями электрической энергии.
8. С использованием математической модели проведены теоретические исследования по определению температуры холодного пуска двигателя вездехода от молекулярных накопителей электрической энергии.
9. Проведена оценка системы электрического пуска ДВС вездехода с молекулярными накопителями электрической энергии.
10. Преложены технические решения по улучшению характеристик СЭП двигателя вездехода.
11. Предложена методика технико-экономического обоснования целесообразности применения молекулярных накопителей электрической энергии в составе СЭП двигателя вездехода.
12. С использованием данной методики даны практические рекомендации по применению молекулярных накопителей электрической энергии.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
1. Методика оценки системы электрического пуска двигателя с молекулярными накопителями электрической энергии (разработан критерий пригодности источника электрической энергии и показатели эффективности КИЭЭиСЭПвцелом).
2. Уточненная математическая модель прокрутки коленчатого вала 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.
Разработанный в работе научно-методический аппарат может быть использован в НИР и ОКР при выборе структуры и параметров СЭП и оценки ее эффективности на этапах эскизного и технического проектирования.
Основные результаты исследования, выполненные лично автором, изложены в шести статьях [53, 54, 58, 59, 64, 66].
Результаты работы были апробированы на VQI региональной межвузовской научно-практической конференции 17-18 мая 2007г. Молодежь XXI века: шаг в будущее;
научно-практической конференция Дальневосточного высшего военного командного училища (военного института) имени Маршала Советского Союза К.К. Рокоссовского 28 марта 2007 г.
расширенном заседании кафедры Электротехники и электрооборудования МАДИ (ТУ) 5 февраля 2009г.
Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста, состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 85 наименований, включает 16 рисунков, 15 таблиц.
Современное состояние и направления совершенствования систем электрического пуска двигателей вездеходов
Система электрического пуска двигателя вездехода структурно и функционально связана с системой электроснабжения. Система электроснабжения вездехода — это объединенная общим процессом генерирования, передачи и распределения электроэнергии совокупность источников и преобразователей, электрических сетей и устройств управления, контроля и защиты, которые обеспечивают производство электроэнергии и поддержание ее параметров в заданных пределах [11].
При исследовании СЭС с позиций системного анализа выделяют три основные группы свойств: системообразующие, отсутствие которых приводит к изменению целевого назначения системы, то есть определяющие процесс ее функционирования; обеспечивающие несистемообразующие, отсутствие которых не изменяет целевого назначения системы, но оказывают влияние на качество ее функционирования; автономные несистемообразующие, не оказывающие влияние на качество функционирования системы. " Обеспечение бесперебойного снабжения потребителей электрической энергией требуемого качества и в требуемом количестве при различных условиях эксплуатации является основным системообразующим свойством, характеризующим потребительскую ценность СЭС, то есть ее функциональное предназначение. Требования, предъявляемые к СЭС вездехода, формируются системами более высокого уровня, определяющими основные свойства вездехода (подвижность, надежность, эргономичность и т.д.), которые, в конечном счете, определяют состав, технические характеристики, режимы работы и условия функционирования СЭС. Одно из основных свойств вездехода — подвижность -обеспечивается целым рядом подсистем шасси, важнейшей из которых является система электрического пуска двигателя шасси. Система электрического пуска двигателя — это комплекс оборудования, обеспечивающий пуск двигателя электрическим стартером [12]. . Основными элементами СЭП являются стартерный электродвигатель, механизм привода от стартера к двигателю, источник электрической энергии, аппаратура управления и силовая электрическая сеть. Для вездеходов, эксплуатируемых в условиях низких температур, значительное время занимает этап подготовки к движению. В летний период затраты времени на подготовку вездехода к движению составляют не более 3-5 минут. С понижением температуры атмосферного воздуха ниже минус 25С эти затраты составляют около часа, что существенно снижает эффективность эксплуатации вездехода. Сокращение этапа подготовки машин к движению и обеспечение надежного пуска ДВС в условиях низких температур находится в центре внимания, как отечественных, так и зарубежных специалистов.
Анализ пооперационных затрат времени на подготовку вездехода к движению показывает, что при низких отрицательных температурах воздуха до 85% времени расходуется на предпусковой разогрев двигателя. Учитывая, что на 86% территории России в течение 140 дней в году сохраняется температура ниже минус 25С, проблема обеспечения пуска двигателей при низких температурах имеет важное значение в комплексе мероприятий по повышению эффективности эксплуатации вездехода. Основными путями обеспечения готовности вездехода машины к применению по назначению являются: 1. Обеспечение эффективного разогрева основного двигателя штатным подогревателем с последующим его пуском и прогревом до готовности к принятию нагрузки; Обеспечение эффективного холодного пуска двигателя с последующим разогревом аккумуляторных батарей и двигателя в готовности к принятию нагрузки. На современных гусеничных машинах для пуска двигателя используются автоматизированные системы воздушного пуска (СВП) и системы электрического пуска. Сущность системы воздушного пуска ДВС заключается в том, что сжатый воздух из воздушных баллонов под давлением 120...150 атм. с помощью специальной воздухораспределительной системы подается непосредственно в цилиндры двигателя в порядке их работы и под действием давления на поршни приводит во вращение коленчатый вал двигателя. Наличие компрессора, обеспечивающего возобновление запаса воздуха в баллонах, позволяет считать систему пуска двигателя сжатым воздухом основной рабочей пусковой системой. Недостатком системы пуска сжатым воздухом является значительное охлаждение стенок цилиндров из-за снижения температуры пускового воздуха при его расширении в цилиндрах. Для устранения возможного переохлаждения двигателя при пуске, особенно в зимнее время, необходимо перед пуском производить его усиленный разогрев. По причине изложенной выше, эффективность СВП является низкой в сравнении с СЭП, так как СВП обеспечивает эффективный пуск разогретого двигателя при температуре окружающего воздуха до температуры минус 20С, а при более низких температурах окружающего воздуха пуск разогретого двигателя возможен только комбинированным способом (совместно с системой электрического пуска). Таким образом, при эксплуатации вездехода в условиях низких температур для обеспечения надежного пуска ДВС целесообразно использовать СЭП, которая обеспечивает эффективный пуск двигателя в диапазоне температур воздуха до минус 40С, как совместно с СВП, так и самостоятельно.
Обеспечение эффективного разогрева двигателя вездехода при начальных температурах топлива, масла и воздуха минус 40С возможно за счет применения подогревателей с повышенной тепловой мощностью. Однако интенсивный разогрев двигателя возможен только от «теплых» аккумуляторных батарей, так как при температуре электролита минус 40С АБ практически являются неработоспособными, так как при охлаждении электролита от температуры 20С до температуры минус 40С емкость АБ в 10-ти часовом режиме разряда снижается в 3 раза [3, 13], что является недостаточным для обеспечения разогрева двигателя с последующим его комбинированным пуском в диапазоне температур от минус 40 до минус 30С. Таким образом, применение на вездеходе подогревателя повышенной мощности возможно только в случае установки «теплых» аккумуляторных батарей, что достаточно сложно обеспечить в реальных условиях эксплуатации.
Альтернативным путем по обеспечению возможности пуска двигателей вездеходов в аварийном режиме является реализация холодного пуска ДВС при температуре до минус 40С. Исходя из данного требования целесообразно рассмотреть возможности СЭП вездехода по обеспечению холодных пусков двигателя в объектовых условиях
Основными причинами, обусловливающими необходимость разогрева ДВС и затрудняющими холодный пуск дизелей в зимних условиях, являются возрастание момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала двигателя, что требует повышения мощности системы пуска, и существенное снижение энергоотдачи аккумуляторных батарей из-за увеличения их внутреннего сопротивления и уменьшения энергоемкости.
Указанные процессы иллюстрируются на рисунке Температура, при которой потребная мощность источника электрической энергии для холодных прокруток коленчатого вала двигателя и мощность аккумуляторных батарей становятся равными, является температурой холодного пуска двигателя. На графике видно, что источник электрической энергии, состоящий из 4-х серийных АБ 12СТ-85РМ с суммарной емкостью 340 Ач, обеспечивает холодный пуск двигателя вездехода с применением маловязкого масла МТЗ-10П при температуре до минус 20С, что не отвечает требованиям по условиям эксплуатации вездеходов. В соответствии с современными требованиями пусковая мощность СЭП вездехода должна быть достаточной для обеспечения эффективного пуска двигателя при температурах атмосферного воздуха, топлива и масла до минус 40С при исходной степени заряженности АБ 75%. Количество прокруток коленчатого вала двигателя без подачи топлива, необходимых для обеспечения эффективного пуска двигателя, для дизеля должно составлять не менее четырех. Продолжительность одной прокрутки коленчатого вала дизеля без подачи топлива — 15 с. Для обеспечения эффективного холодного пуска двигателя марки В-84 при температуре минус 40С требуется источник электрической энергии мощностью не менее 36 кВт, что в два раза больше мощности серийного источника с суммарной емкостью АБ в объекте 340 Ач при температуре электролита минус 30С с исходной степенью заряженности АБ 75%.
Методический подход к оценке эффективности вспомогательных источников электрической энергии в системах электрического пуска двигателей вездеходов
Вспомогательный ИЭЭ предназначен для обеспечения электропитания ПЭЭ, необходимых для решения следующих задач: эффективный пуск основного двигателя шасси и дополнительного двигателя автономного энергоагрегата; обеспечение электрической энергией ограниченного числа ПЭЭ при неработающих основном двигателе шасси и дополнительном двигателе автономного энергоагрегата при функционировании вездехода на месте; обеспечение электропитания ПЭЭ при параллельной работе с основным или дополнительным генераторами; обеспечение требуемого качества электрической энергии в бортовой сети вездехода во всех режимах работы СЭС и основного двигателя шасси. Вспомогательными ИЭЭ на вездеходе в настоящее время являются свинцовые стартерные АБ. Альтернативным ИЭЭ являются КИЭЭ, состоящие из МНЭ и свинцовых стартерных АБ [53]. Применение МНЭ в составе СЭП вездехода можно сформулировать как задачу по созданию КИЭЭ, характеристики которого в наибольшей степени соответствуют предъявляемым требованиям к вспомогательным источникам электрической энергии, а сами требования следует рассматривать как цель операции (задачи) по созданию требуемого типа КИЭЭ.
Степень достижения цели по созданию требуемого типа КИЭЭ может быть оценена рядом показателей, основными из которых являются: отдаваемая мощность, максимальная запасаемая энергия, объемно-массовые показатели, ресурс и стоимость. 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 W(u)=(P(u),E(u)5V(u)?M(u),R(u),C(u)) (2.1) где Р(и) - частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по мощности, Вт; Е(и) — 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, м ; М(и) — 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(и) - частный показатель эффективности, характеризующий степень соответствия КИЭЭ предъявляемому требованию по стоимости, руб; и-тип КИЭЭ. Для выработки решения о применении в составе СЭП вездехода конкретного типа КИЭЭ целесообразно использовать критерий эффективности, в основу которого положена концепция пригодности [47] W(u) WTP (2.2) 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 (2.1) — 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 (2.1) и (2.2): р р =!." 1 КИЭЭО ) — 1 АБ КИЗЗ(І) АБ V V (2.3) УКИЭЭ(0 — VAB МкиЭЗД МАБ lvKH33(i) — АБ С С КИЗЗ(і) — WB где Ркизз(і) - значение мощности КИЭЭ, Вт; Е КИЗЗ(І) - значение максимальной запасаемой энергии КИЭЭ, Дж; V киээ(о - значение объема КИЭЭ, м ; М КИЗЗ(І) - значение массы КИЭЭ, кг; Кит - значение ресурса (срока службы), годы; СКиээ(1) - значение стоимости КИЭЭ, руб; і-тип КИЭЭ; и - число приемлемых типов КИЭЭ; РЛБ - значение мощности штатных АБ, Вт; ЕДБ - значение максимальной запасаемой энергии штатных АБ, Дж; УДБ - значение объема штатных АБ, м ; МАБ - значение массы штатных АБ, кг; . RAB — значение ресурса штатных АБ, годы; САБ - значение стоимости штатных АБ, руб. Рассмотрим порядок определения частных показателей эффективности. Значение суммарной мощности АБ определяется по формуле [17] РАБ = пРь (2.4) где п — число АБ в объекте; Pi - среднее значение мощности одной штатной АБ в стартерном режиме разряда при минимальной температуре электролита, значение которой в соответствии с техническими условиями на АБ марки 12СТ-85РМ принимается равной минус 30С. Среднее значение мощности одной штатной АБ в стартерном режиме разряда при температуре электролита минус 30С определяется по формуле P=jC;o(uHP + u30+uKP) (25) где иир — напряжение на клеммах АБ в начале стартерного разряда при температуре электролита минус 30С, В; . U3o - напряжение на клеммах АБ на 30-ой секунде стартерного разряда при температуре электролита минус 30С, В; UKp - напряжение на клеммах АБ в конце стартерного разряда при температуре электролита минус 30С, В; С20 - значение номинальной емкости АБ при 20-ти часовом режиме разряда, Ач;
Аналитические зависимости для определения параметров прокрутки двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии
Средняя мощность МНЭ в зависимости от длительности прокрутки коленчатого вала двигателя P(t), Вт, определяется по формуле 3CC(U2-U2 _i+i ПРі Р( ПР) = — (2.33) І=І где пс — относительная емкость МНЭ в зависимости от температуры электролита; С — емкость МНЭ, включенных на удвоенное напряжение, Ф; U — значение напряжения на клеммах МНЭ в начале прокрутки коленчатого вала двигателя, В; U; - значение напряжения на клеммах МНЭ в конце і-ой секунды прокрутки коленчатого вала двигателя, В; tnpi - продолжительность i-ro интервала прокрутки коленчатого вала двигателя, с; к - число интервалов прокрутки коленчатого вала двигателя; і — порядковый номер интервала прокрутки коленчатого вала двигателя. Относительная емкость МНЭ в зависимости от температуры электролита г)с - это отношение емкости МНЭ при заданной температуре прокрутки коленчатого вала двигателя к емкости МНЭ, определенной при нормальных условиях. Относительная емкость МНЭ в зависимости от температуры электролита тс определяется с использованием экспериментальных данных , C(tM) Зс= — (2.34) где . С(ізЛ) — емкость МНЭ при заданной температуре электролита (прокрутки коленчатого вала двигателя), Ф; Снор - емкость МНЭ, определенная при нормальных условиях, Ф. Число интервалов прокрутки коленчатого вала двигателя к определяется по формуле к = - (2.35) ti где tnp - продолжительность прокрутки коленчатого вала от МНЭ, с; tj - значение минимального интервала прокрутки коленчатого вала двигателя от МНЭ, принимается равным одной секунде. Аналитическая зависимость относительной емкости молекулярных накопителей электрической энергии в диапазоне температур электролита от минус 45С представлена в таблице 2.1. Подставив в формулу (2.31) правую часть уравнения (2.33) получим формулу для определения частоты коленчатого вала дизеля п, мин"1, при прокрутках от МНЭ п = 1ЬзПРИВзстзиээзсС(ин — и; ) (2.36) Р-М-СОПРЧірі По формуле (2.36) на стадии технического проектирования представляет возможным оценить достаточность суммарной емкости МНЭ в объекте для обеспечения прокрутки коленчатого вала дизеля при заданных температурных условиях в течение требуемого времени с частотой вращения коленчатого вала не ниже требуемой. Таблица 2.1 - Аналитическая зависимость относительной емкости молекулярных накопителей электрической энергии в диапазоне температур электролита от Анализ выражения (2.36) показывает: 1) На первой секунде прокрутки коленчатого вала двигателя напряжение на клеммах МНЭ Ui = UH, где UH - значение напряжения на клеммах МНЭ в начале прокрутки коленчатого вала двигателя, В; 2) На последней секунде прокрутки коленчатого вала двигателя напряжение на клеммах МНЭ U, = UK (UK - значение напряжения на клеммах МНЭ в конце прокрутки коленчатого вала двигателя, В); 3) Частота вращения коленчатого вала двигателя и электрического стартера соответственно за время прокрутки не является постоянной по причине нарушения электрического равновесия стартера вследствие изменения напряжения на клеммах МНЭ.
Таким образом, представляется необходимым рассмотреть особенности работы электрического стартера при прокрутках коленчатого вала двигателя от МНЭ, а также обосновать уровень напряжения на клеммах МНЭ в начале и в конце прокрутки, так как длительность прокрутки коленчатого вала двигателя определяется двумя последними параметрами. Особенности работы электрического стартера при прокрутках коленчатого вала двигателя от молекулярных накопителей электрической энергии Электрический стартер — это коллекторный электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Момент на валу стартера может быть определен по формуле [17] MC1 = гсгСмФІст (2.37) где Іст — значение тока стартера при прокрутке коленчатого вала двигателя, А; См - конструктивная постоянная стартера; Ф - магнитный поток системы возбуждения стартера, Вб. Для исследования был выбран двигатель модели В-84, устанавливаемый на вездеходы семейства «Витязь». Этими двигателями оснащаются вездеходы серий ДТ-ЗОПМН, ДТ-10П, используемые в диапазоне температур от 50С до -50С, а так же специальные машины СВГ-27/ДТ, предназначенные для выполнения геофизических работ с целью сейсморазведки на нефть и газ в условиях районов Севера, Сибири и Дальнего востока. По результатам рассмотрения типовой зависимости момента на валу стартера-генератора СГ-18 от его тока Мст = f(ICT) [15] установлено, что электрический стартер марки СГ-18 представляет собой высоко использованную электрическую машину, то есть электрический стартер марки СГ-18 работает при 100 % насыщении магнитной системы в диапазоне температур масла и электролита АБ марки 12СТ-85РМ от минус 20С до +25С при изменении степени заряженности АБ от 75...100 % в указанном диапазоне температур электролита АБ и масла двигателя. Значение тока стартера при прокрутке коленчатого вала двигателя марки В-84 в установившемся режиме от теплых АБ марки 12СТ-70 со степенью заряженности 100 % составляет 600 А при температуре масла М-16ИХПЗ 25С, что соответствует линейному участку характеристики электрического стартера марки СГ-18, Мст = f(ICT)- На этом основании можно сделать вывод о том, что во всем диапазоне температур воздуха от минус 40С до 25С магнитная система электрического стартера будет иметь насыщение 100 %. Так как магнитная система стартера марки СГ-18 имеет полное насыщение (100 %) при прокрутках коленчатого вала двигателя, то можно считать, что магнитный поток стартера марки СГ-18 Ф cost и не зависит от значения силы тока стартера 1ст. Согласно выражению (2.37) момент на валу стартера Мс прямо пропорционален значению силы тока стартера Тст. Режим работы электрического стартера при прокрутках коленчатого вала двигателя характеризуется моментом на валу стартера Мст и частотой вращения вала стартера пст. В установившемся режиме прокрутки коленчатого вала двигателя имеют место механическое и электрическое равновесие. При прокрутке коленчатого вала двигателя в установившемся режиме с (постоянной частотой вращения коленчатого вала) механическое равновесие стартера может быть представлено в виде MM-coiipU-пр) ст = —: (2.38) 13 ПРИВ где МС01ф - момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя, Н-м; і - передаточное число привода стартера к двигателю. С учетом (2.37) механическое равновесие стартера имеет вид СОПР v-np) ЗСТСМФ1СТСПР) (2.39) 13 ПРИВ Момент сопротивления проворачиванию коленчатого вала двигателя Мсопр при заданной температуре прокрутки коленчатого вала двигателя является величиной постоянной и его значение определяется (как будет показано ниже) динамической вязкостью моторного масла, значение которой зависит от температуры масла.
Теоретические исследования системы электрического пуска с молекулярными накопителями электрической энергии
Исследованиям с использованием разработанной математической модели подверглись источники электрической энергии, состоящие из четырех МНЭ трех марок: МНЭ-200/24, 20ЭК402.2-120-28/16-0,006 и 24ПП-80-0,003. Данные МНЭ в наибольшей степени отвечают предъявляемым требованиям по стартерному режиму разряда при температуре электролита минус 30С, а также имеют наименьшее внутреннее сопротивление при температуре электролита минус 45С. Согласно выражениям (2.15) и (2.18) энергетические характеристики КИЭЭ определяются такими параметрами, как: суммарная емкость МНЭ в вездеходе, уровень напряжения на клеммах МНЭ и суммарной емкостью АБ. Исследования проводилось с целью: определения температуры холодной прокрутки 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 СЭС вездехода и разработки практических рекомендаций по применению МНЭ в составе СЭП. Подключение МНЭ к СЭП вездехода показано на рисунке 2.1. Расчет температуры холодных прокруток двигателя марки В-84 в вездеходе от источника электрической энергии, состоящего из МНЭ, проводился в следующей последовательности [64]: 1) Определялась минимальная пусковая мощность ИЭЭ, необходимая для прокрутки коленчатого вала двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П при температурах масла 25С, 20С, 15С, 10С, 5С, 0, минус 5С, минус по 10С, минус 15G, минус 20С, минус 25С, минус 30С, минус 35С, минус 40С, минус 45С по формуле р РМСОПРПЗ т2 г ПП иээ 1(Ъ ч +істгц (3.1) JUJ пр-3 мм где п3 — заданное значение пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя, об/мин. Принимая во внимание, что стартер марки CF-18 в предельном режиме работы обеспечивают холодную прокрутку двигателя марки В-84 с п3 = = 125 об/мин, г[пр = 0,9; лмм = 0,66, выражение (3.Г) принимает вид РИээ = 22МСОпр+1?тгц. (3.2) 2) Рассчитывалась максимальная мощность ИЭЭ, состоящего из 4-х МНЭ, для заданных значений температур, по формуле: PMH3 = IETUH (3.3) 3) Определялся КПД ИЭЭ для заданных значений температур. 4) Строились зависимости Рйээ - f(T), Рмнэ = f(T) и тИээ = 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 (1Ет, МСош , UH, "Пиээ) рассчитывались по разработанной в работе модели.
Результаты по определению температур холодной прокрутки двигателя марки В-84 от ИЭЭ в зависимости от уровня зарядного напряжения МНЭ и КПД ИЭЭ представлены на рисунках 3.1, 3.2, 3.3. Результаты исследований по определению средней частоты вращения коленчатого вала и длительности холодных прокруток двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П в ГМ от источника электрической энергии, стоящего из 4-х МНЭ типа 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф, в зависимости от температуры при зарядном напряжении 36 В представлены на рисунке 3.4 По результатам исследований установлено: 1. Источники электрической энергии, состоящие из 4-х МНЭ марки Ill МНЭ-200/24, 20ЭК402.2-120-28/16-0,006 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: от источника электрической энергии, состоящего из 4-х МНЭ типа МНЭ 200/24 с суммарной емкостью 832 Ф, в зависимости от уровня зарядного Температура холодной прокрутки двигателя марки В-84 от источника электрической энергии, состоящего из 4-х МНЭ типа 20ЭК402.2-120-28/16-0,006 с суммарной емкостью 2168 Ф, в зависимости от уровня зарядного напряжения молекулярных накопителей электрической энергии Температура холодной прокрутки двигателя марки В-84 от источника электрической энергии, состоящего из 4-х МНЭ типа 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф, в зависимости от уровня зарядного напряжения молекулярных накопителей электрической энергии Изменение средней частоты вращения коленчатого вала и длительности холодных прокруток двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П от источника электрической энергии, состоящего из 4-х МНЭ типа 24ПП-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф, в зависимости от температуры при зарядном напряжении 36 В напряжения 24 В при температурах минус 15, минус 2С и минус 17С соответственно; при уровне зарядного напряжения 28 В при температурах минус 23С, минус 14С и минус 30С соответственно; при уровне зарядного напряжения 36 В при температурах минус 23С, минус 14С и минус 30 С соответственно. 2. Источник электрической энергии, состоящий из 4-х МНЭ марки 241111-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф обеспечивает холодный пуск двигателя марки В-84 на маловязком масле МТЗ-10П до температуры минус 20С при средней пусковой частоте вращения коленчатого вала двигателя не ниже 115 об/мин, при длительности холодной прокрутки двигателя без подачи топлива до 8 с. 3. Источник электрической энергии, состоящий из 4-х МНЭ марки 241111-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф обеспечивает холодную прокрутку двигателя В-84 на маловязком масле МТЗ-10П без подачи топлива при температуры минус 45С 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. 4. 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. 5. Температура холодной прокрутки без подачи топлива двигателя марки В-84 на масле МТЗ-10П от источника электрической энергии, состоящего из 4-х МНЭ марки 241111-80-0,003 с суммарной емкостью 1344 Ф, является исходной величиной для оценки системы электрического пуска вездехода с МНЭ.
