CC BY
15
УДК 626.113
DOI 10.36461/NP.2021.58.1.020
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
С.В. Тимохин, доктор техн. наук, профессор; Ю.В Сергеевичев, аспирант
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, тел. (8412) 628 517, e-mail: [email protected]
В работе на основе патентно-информационного анализа обоснована актуальность проведения исследований технико-экономических показателей типовых систем электроснабжения автомобилей на базе генераторных установок (ГУ) и стартерных аккумуляторных батарей (АКБ). Для проведения экспериментальных исследований автомобильных ГУ авторами разработана лабораторная установка на базе высокоскоростного электродвигателя с питанием от преобразователя частоты и с прямым измерением крутящего момента, оснащенная необходимым оборудованием и электроизмерительными приборами. Представлены методики экспериментально-расчетного определения исследуемых показателей. Полученные результаты исследований позволили определить составляющие затрат мощности на привод генераторной установки автомобиля и ее коэффициент полезного действия. Рассчитаны расход и стоимость топлива, затрачиваемого на привод ГУ автомобиля, обоснована необходимость и направления дальнейших исследований по их снижению.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, генераторная установка, коэффициент полезного действия, мощность, привод, расход топлива.
Введение
Сокращение запасов и объемов добычи нефти, ужесточение требований к количеству вредных выбросов двигателями внутреннего сгорания (ДВС) заставляют ученых, конструкторов и производителей искать пути повышения их технико-экономических и экологических показателей [1].
Современные транспортно-технологи-ческие машины (ТТМ) (автомобили, тракторы, комбайны и другая техника с силовой установкой на базе ДВС) имеют большое количество электропотребителей, обеспечивающих работу различных систем, приборов и механизмов. Их питание на всех эксплуатационных режимах обеспечивает система электроснабжения, включающая генераторную установку (ГУ) и аккумуляторную батарею (АКБ). Аккумуляторная батарея обеспечивает питание электростартер-ной системы пуска и других потребителей при остановленном ДВС, а также при его работе с малой частотой вращения, когда мощности ГУ недостаточно [2, 3]. При движении ТТМ с малой скоростью и частыми остановками АКБ разряжается. Продолжительный недозаряд АКБ снижает ее ресурс, поэтому в эксплуатации осуществляют их подзарядку от зарядных устройств в стационарных условиях, в свободное от использования ТТМ время [4-8]. Большинство выпускаемых серийно зарядных устройств обладают пониженным коэффициентом
мощности, недостаточной надежностью, малым числом зарядных каналов, несовершенством используемых алгоритмов зарядки, что увеличивает расходы предприятий на их эксплуатацию, требует их частых ремонтов и модернизации. В Пензенском ГАУ по заявкам предприятий области, с участием авторов, проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по устранению указанных недостатков серийных и разработке оригинальных зарядных устройств различного назначения [9-13].
Генераторная установка указанных ТТМ является основным источником электропитания и осуществляет преобразование механической энергии, получаемой от ДВС, в электрическую, расходуемую на питание потребителей и зарядку АКБ. Необходимость подвода механической энергии к ГУ обуславливает ее работу только при наличии вращения коленчатого вала ДВС. Минимальная частота вращения вала генератора, при которой ГУ начинает отдавать ток в бортовую сеть, для отечественных моделей составляет 1000...1100 мин-1 и она, за счет передаточного числа ременного привода, достигается при минимальных частотах вращения коленчатого вала ДВС (600.700 мин-1). Способность генераторной установки обеспечивать электропитанием автомобиль на всех режимах его работы характеризует токоскоростная
характеристика (ТСХ), отражающая зависимость тока, отдаваемого генератором в нагрузку, от частоты вращения его ротора при постоянном напряжении на силовых выводах генератора [1, 14].
Другой важной характеристикой ГУ является коэффициент полезного действия (КПД), равный отношению отдаваемой электрической мощности к механической, затрачиваемой на ее привод. У современных отечественных ГУ величина КПД в условиях токоскоростной характеристики находится диапазоне 0,4-0,5 [1, 15]. Величина КПД максимальна в зоне частот вращения и мощности, соответствующих расчетному режиму работы, и снижается при отклонении от них. Привод ГУ осуществляется, как правило, от шкива коленчатого вала посредством ременной передачей с КПД, равным 0,93...0,96, что дополнительно увеличивает мощность на его привод и расход топлива автомобилем.
Одним из очевидных путей решения этой проблемы является повышение КПД отечественных генераторных установок, например, до уровня 0,7.0,8, достигнутого фирмой BOSH [15].
Известен способ повышения эффективности системы электроснабжения автомобиля, согласно которого в режиме
«компенсирующего заряда» аккумуляторной батареи напряжение генератора ограничивается на минимальном уровне, при этом снижаются мощность и расход топлива, затрачиваемые силовым агрегатом автомобиля на привод генераторной установки [16].
Необходимость повышения эффективности ГУ автомобиля обоснована в ранее опубликованной работе авторов [17].
Результаты проведенного анализа показывают актуальность исследований, направленных как на снижение мощности электропотребителей автомобиля, так и на повышение эффективности системы электроснабжения, и, в особенности, генераторной установки.
Методы и материалы
Одной из задач экспериментальных исследований в данном направлении является определение составляющих суммарной мощности на привод генераторной установки в рабочем диапазоне частот вращения и нагрузок. В связи с отсутствием стендов серийного производства для испытаний генераторных установок, снабженных измерителем момента прокрутки необходимой точности, была разработана экспериментальная установка, приведенная на рисунке 1.
Рис. 1. Экспериментальная установка для исследований автомобильных генераторных установок: 1 - рама; 2 - подшипниковая опора; 3 - статор электродвигателя; 4 - динамометр; 5 - стержень; 6 - стержень ограничительный; 7 - и -колено; 8 - преобразователь частоты; 9 - мильтиметр DT9208A; 10 - реостат; 11 - мультиметр М832; 12 - клещи постоянного тока Matech; 13 - генераторная установка 955.3701 (Г2108В).
Установка содержит раму (1), на которую с помощью подшипниковых опор (2)
опирается статор (3) приводного быстроходного электродвигателя. Такое
крепление обеспечивает возможность контроля крутящего момента электродвигателя Мк путем определения реактивного момента статора Мрс по формуле:
Мк = Мрс = Р-11 ; (1)
где Р - сила, уравновешивающая силу реактивного момента Рр (Н), действующую на плече ^
Для измерения силы Рр используется электронный цифровой динамометр (4), тяга которого шарнирно соединена со стержнем (5), связанным со статором электродвигателя в точке, отстоящей от оси вращения ротора электродвигателя на величину ^ а корпус связан с рамой (1). Другой, расположенный диаметрально противоположно стержень (6), входящий в отверстие в плите рамы (1), ограничивает поворот статора (3) в пределах, обеспечивающих требуемый рабочий ход тяги динамометра (4). Провода питания электродвигателя выполнены из гибкого провода расчетного сечения и проложены в виде поперечного и-колена (7), обеспечивающего малое сопротивление на изгиб и, следовательно, минимальное влияние на точность определения момента, развиваемого электродвигателем.
Вал электродвигателя посредством шлицевой муфты соединяется с валом генераторной установки (13). Генератор крепится к плите рамы с помощью штатных и оригинальных крепежных элементов с обеспечением соосности его вала с валом электродвигателя. Для обеспечения точности замера крутящего момента электродвигателя крыльчатка его вентилятора демонтирована и при необходимости для его охлаждения использовался внешний осевой электровентилятор. Питание электродвигателя осуществляется от преобразователя частоты (8), подключаемого к сети трехфазного переменного тока.
Частоты вращения вала генератора п определялась по частоте напряжения f одной из фаз обмотки статора по формуле:
п = 60^р; (2)
где р - число пар полюсов генератора.
Для исследуемой ГУ 955.3701 с числом пар полюсов р равном 6 частота вращения, согласно формулы 2, определялась как:
п =60^р = 60^6 = 10£ (3)
Измерение частоты напряжения генератора осуществлялось мультиметром (9) типа DT9208A. В процессе исследований частота вращения ротора ГУ задавалась с пульта управления преобразователя частоты и контролировалась по показаниям
мультиметра DT9208A, которые в соответствие с выражением (3) умножались на 10.
Для создания нагрузки генератора применен реостат (10) с требуемыми диапазоном изменения сопротивления и рассеиваемой мощностью. Для контроля выходного напряжения и тока генератора использовались мультиметр (M832) (11) и токовые цифровые клещи постоянного тока (Matech) (12), соответственно.
Методика экспериментальных исследований предусматривала определение мощности, затрачиваемой на привод генераторной установки для различных режимов ее работы, характерных эксплуатационным, в том числе в условиях токоскорост-ной характеристики и в режиме прокрутки без возбуждения.
Полезную, выходную электрическую мощность ГУ Рэ определяли по формуле:
Рэ = ItUt ; (4)
где, 1г - выходной ток ГУ, А; иг - выходное напряжение ГУ, В. Мощность затрачиваемую на прокрутку ГУ определяли по формуле:
Рпр = Мкы; (5)
где ы - угловая скорость ротора ГУ, с-1
Коэффициент полезного действия П ГУ на нагрузочных режимах определяли как отношение полезной мощности к затрачиваемой на его прокрутку по формуле:
П = Рэ/Рпр (6)
Результаты
По результатам проведенных экспериментальных исследований построена токо-скоростная характеристики автомобильной генераторной установки 955.3701 при ее работе со штатным регулятором напряжения, поддерживающим его величину на уровне 14,2 В (рис. 2), анализ которой показывает соответствие ее контрольных точек паспортным данным. Частота вращения при холостом ходе (рис. 2) составила 1050 мин-1, расчетный ток нагрузки, равный 45 А получен при 2750 мин-1, а наибольший Imax = 65 А при 5000 мин-1.
Помимо кривой тока ГУ на характеристике отображены рассчитанные по экспериментальным данным точки мощности Р на привод и коэффициента полезного действия П, а также аппроксимирующие кривые и их уравнения, полученные по результатам обработки данных в программе Excel. Зависимость мощности на привод ГУ от частоты вращения отражается логарифмической функцией вида:
Рм = 1056,1 ln(n) - 7213. (7)
а,% |Д 0,6 ™
50
50
40
30
20
10
О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
-1
п,мин
Рис. 2. Изменение тока I, мощности на привод Рм и коэффициента полезного действия П генераторной установки в условиях токоскоростной характеристики.
Расчет по уравнению (7) показывает, что при 7000 мин-1 мощность на привод ГУ в условиях токоскоростной характеристики достигает 2137Вт, а по данным эксперимента 2117Вт, что подтверждает ее адекватность.
Зависимость коэффициента полезного действия ГУ от частоты вращения отражается уравнением вида:
П =1E-11 n3-2E-07 n2 + 0,0009n - 0,649; (8)
Максимальное значение КПД ГУ (п = 0,53) в условиях токоскоростной характеристики имеет место в области частот вращения, соответствующих расчетному режиму Рм,Вт
работы (2000.3000 мин-1), что хорошо согласуется с известными данными [2].
Момент развиваемый электродвигателем устройства затрачивается на преодоление полезного электромагнитного момента ГУ Мэл и выработку электрической энергии, момента на привод вентилятора ГУ, а также преодоление сил трения в подшипниках. В результате прокрутки ГУ без возбуждения были получены значения моментов и мощности в исследуемом диапазоне частот вращения, представленные на рисунке 3.
200
150
100
50
О
4 р м=5Е-Шп: + ОДШп+бг019
1000 1500 2000 2500 ЗООО 3500 4000 4500 5000 5500 6000
П,МИН-1
Рис. 3. Зависимость мощности на привод генераторной установки без возбуждения от частоты вращения
Анализ кривой мощности показывает ее параболический рост до 195 Вт при 6000мин-1 по мере увеличения частоты вращения ротора ГУ. Уравнение данной кривой имеет вид:
Рм = 5Е - 06п2 + 0,0033п + 6,019. (9)
Расчет мощности по данному выражению для частоты 6000 мин-1 дает значение 206 Вт, а по экспериментальным данным 195 Вт. Такое протекание кривой обусловлено в основном ростом мощности на при-это вод вентилятора ГУ при увеличении ча-это стоты вращения.
Из полученных результатов и данных информационных источников [16] определим расход топлива на привод генераторной установки современного легкового автомобиля среднего класса с бензиновым двигателем, исходя из следующих показателей:
- удельный расход топлива бензиновым двигателем внутреннего сгорания де составляет 0,3.0,5 л/кВт ч.;
- коэффициент полезного действия генераторной установки п гу от 0,4 до 0,5 (принимаем п гу = 0,45);
- коэффициент полезного действия клиноременной передачи п пр = 0,96;
- мощность приемников электрической энергии №п в режиме город - зима - ночь 0,4. 0,6 кВт (принимаем №п = 0,5);
- средняя скорость движения автомобиля Vср, составляет для Пензы около 27 км/ч ;
- путевой расход топлива Gп легковым автомобилем среднего класса, в городском цикле составляет около 10 л на 100 км.
Тогда часовой расход топлива Gтгу на привод ГУ для указанных параметров автомобиля и режимов движения определится по формуле:
Gтгу = де №п/ П пр п гу =
= 0,4 0,5/0,96 0,45 = 0,46 л/ч (12) Время в пути:
^ = 100/ Vср = 100/27=3,7 ч; (13)
Путевой расход топлива Gпгу на привод ГУ составит:
Gпгу = Gтгу = 0,46 3,7=1,7л; (14)
В процентах от полного путевого расхода составит: 1,7100/10 =17 %.
Стоимость Ст топлива АИ-92 на привод ГУ в ценах на март 2021 (44руб/л) за 100 км пробега составит: Ст = 441,7 = 74,852 руб.
Соответственно, за 400 км пробега на одной заправке бака объемом 40 литров и аналогичных условиях движения затраты на привод ГУ составят для Пензы около 300 рублей.
Выводы: Полная мощность на привод ГУ легкового автомобиля при 7000 мин-1 и рабочей температуре 50 градусов Цельсия достигает значительной величины - 2117 Вт, при КПД равном 0,41 из них только 840 Вт полезной. Максимальный КПД имеет место в интервале 3000.4000 мин-1, что соответствует 1500.2000мин-1 коленчатого вала легкового и 800.1100 мин-1 грузового автомобилей. Значительная мощность затрачивается на охлаждение элементов ГУ. За 400 км пробега легкового автомобиля среднего класса с бензиновым двигателем затраты на привод ГУ составляют 300 рублей для города Пензы, в связи с чем является актуальным поиск новых, оригинальных решений, направленных на повышение эффективности системы электроснабжения автомобиля, что обеспечит сокращение расхода топлива и вредных выбросов в атмосферу.
Литература
1. Чернов А.Е., Сугробов А.М. Интеллектуальные системы электроснабжения автотранспортных средств: разработка алгоритмов работы интеллектуальных систем электроснабжения). Грузовик, № 4. ООО Машиностроение, 2010, с. 62.
2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: учебник для студентов вузов. 3-е издание, переработанное и дополненное. Москва: Транспорт, 2000, 320 с.
3. Сугробов А.М. Системы электроснабжения и электрозапуска двигателей автомобилей и тракторов. Москва: Издательство МЭИ, 2011, 96 с.
4. Патент РФ № 2455744 С1 24.1.2010 Экономичное рекуперативное зарядное устройство аккумуляторов автомобилей // Патент России № 2455744 . 24.11.2010./ Самохвалов С.Я.
5. Патент РФ № 2512880 С2 16.08.2012 Система накопления электрической энергии на базе аккумуляторных батарей и суперконденсатора с функцией улучшения качества сети // Патент России № 2512880. 16.08.2012 / Турнаев С.С., Жораев Т.Ю., Колесников. В.А.
6. Szymanski, J.R., Zurek-Mortka M., Acharjee D. Unidirectional voltage converter for battery electric vehicle ultrafast charger. Microsystem Technologies/ Springer science + Business Media, 2020, с. 19-26.
7. Chatterjee P., Hermwille M. Tackling the Challenges of Electric Vehicle Fast Charging. AT-Zelectronics worldwide, 2020, с. 64.
8. Christopher D. Rahn., Chao-Yang Wang. Battery Systems Engineering. John Wiley & Sons, Ltd, 2013, с. 191-229.
9. Тимохин С.В., Гуськов Ю.В. Многоканальное зарядное устройство с бареттерной стабилизацией тока. Труды ГОСНИТИ, 2016, т. 124, № 1, с. 171-175.
10. Гунько М.П., Тимохин С.В. Особенности массового заряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Труды ГОСНИТИ, 2008, т. 101, с. 131-133.
11. Сысоев И.А., Тимохин С.В. Десятиканальное устройство для зарядки автотракторных аккумуляторных батарей. Студенческая наука - производству: сборник материалов ХХХХХ научно-практической конференции студентов инженерного факультета Пензенской ГСХА. Министерство сельского хозяйства РФ, 2005, с. 90-91.
12. Тимохин С.В., Андреев М.Л., Пиксайкин А.В., Дац М.С. Результаты экспериментальных исследований прибора для диагностирования систем электроснабжения и электростар-терного пуска автотракторных ДВС. Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сборник статей Международной научно-практической конференции молодых ученых. Том III. Пенза: РИО ПГАУ, 2018, с. 78-81.
13. Тимохин С.В., Боронин И.С., Чекмарев Д.С., Кондрашин В.А. Повышение надежности устройств для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей. Повышение надежности устройств для зарядки автомобильных аккумуляторных батарей: эксплуатация автотракторной и сельскохозяйственной техники: опыт, проблемы, инновации, перспективы: сборник статей IV Международной научно-практической конференции. Пенза РИО ПГАУ, 2019, с. 123-128.
14. Автомобильный-сайт.рф: сайт - 2007. - URL: http://principact.ru/content/view/174/111/ (дата обращения 02.02.2021).
15. Автомобильный-сайт.рф: сайт - 1997. - URL: https://abs-magazine.ru/artide/generatori-bosch-serii-power-density-line/ (дата обращения 02.02.2021).
16. Чернов А.Е. Методология повышения энергетической эффективности систем электрооборудования автотранспортных средств: диссертация доктора технических наук. 05.09.03. Москва, 2018, 30 с.
17. Сергеевичев Ю.В., Тимохин С.В. Повышение эффективности электроснабжения автомобиля. Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых. Том III. Пенза: РИО ПГАУ, 2020, с.34-37.
UDC 626.113
DOI 10.36461/NP.2021.58.1.020
INVESTIGATION OF THE TECHNICAL AND ECONOMIC CHARACTERISTICS OF A VEHICLE POWER SUPPLY SYSTEM
S. V. Timokhin, Doctor of Technical science, professor; Yu. V. Sergeevichev, post-graduate student
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Penza State Agrarian University", Penza, Russia, tel. (8412) 628 517, e-mail: [email protected]
Based on the patent-information analysis, the paper substantiates the relevance of researching technical and economic indicators of typical automobile power supply systems based on generator sets (GS) and starter batteries (STB). In order to carry out experimental researches of automobile GSs the authors developed a laboratory setup on the basis of high-speed electric motor powered by frequency converter with direct measurement of torque and equipped with necessary equipment and electro-measuring instruments. The methods of experimental and computational determination of the investigated indicators are presented. The results of the investigations made it possible to determine the components of power consumption for the drive of a vehicle generator set and its coefficient of performance. The consumption and cost of fuel consumed for the drive of a vehicle GS is calculated, the necessity and directions of further research on their reduction are substantiated.
Keywords: internal combustion engine, generator set, efficiency, power, drive, fuel consumption.
References
1. Chernov A.E., Sugrobov A.M. Intelligent power supply systems for motor vehicles: development of algorithms for intelligent power supply systems). Gruzovik, № 4. OOO Mashinostroenie, 2010, p. 62.
2. Yutt V.E. Electrical equipment of motor vehicles: textbook for university students. 3rd edition revised and enlarged. Moscow: Transport, 2000, 320 p.
3. Sugrobov, A.M. Electric supply and start-up systems for automobile and tractor engines (in Russian). Moscow: MPEI Publishing House, 2011, 96 p.
4. The patent of the Russian Federation № 2455744 C1 24.1.2010. The Economic Recuperative Vehicle Battery Charger. 24.11.2010 / S.Ya. Samokhvalov.
5. The patent of the Russian Federation № 2512880 C2 16.08.2012. The System of Electric Energy Storage on the Basis of Accumulator Batteries and Supercapacitor with Network Improvement Function // Russian Patent № 2512880. 16.08.2012 / S.S. Turnaev, T.Yu. Zhoraev, Kolesnikov. V.A.
6. Szymanski, J.R., Zurek-Mortka M., Acharjee D. Unidirectional voltage converter for battery electric vehicle ultrafast charger. Microsystem Technologies/ Springer science + Business Media, 2020, p. 19-26.
7. Chatterjee P., Hermwille M. Tackling the Challenges of Electric Vehicle Fast Charging. AT-Zelectronics worldwide, 2020, p. 64.
8. Christopher D. Rahn., Chao-Yang Wang. Battery Systems Engineering. John Wiley & Sons, Ltd, 2013, p. 191-229.
9. Timokhin S.V., Guskov Yu.V. Multi-channel charger with barretter current stabilisation. Proceedings of GosNITI, 2016, v. 124, № 1, p. 171-175.
10. Gunko M.P., Timokhin S.V. Features of mass charging of lead-acid batteries. Proceedings of GosNITI, 2008, v. 101, p. 131-133.
11. Sysoev, I.A.; Timokhin, S.V. Ten-channel device for the charging of the autotractor batteries. Students' Science - to Production: Collection of Materials of the XXXXX scientific-practical conference of students of the Engineering Faculty of Penza State Agricultural Academy. Ministry of Agriculture of the Russian Federation, 2005, p. 90-91.
12. Timokhin S.V., Andreev M.L., Piksaikin A.V., Dats M.S. Experimental results of the device for diagnosing power supply systems and electric starter of autotractor combustion engines. Innovative ideas of young researchers for Russian agroindustrial complex: a collection of papers of the International Scientific-Practical Conference of Young Scientists. v.III. Penza: PSAU Publishing House, 2018, p. 78-81.
13. Timokhin S.V., Boronin I.S., Chekmarev D.S., Kondrashin V.A. Increasing reliability of car battery charging devices. Improvement of Reliability of Automobile Battery Charging Devices: Operation of Automobile and Agricultural Machinery: Experience, Problems, Innovations, Perspectives: Collection of Papers of IV International Scientific-Practical Conference. Penza PSAU Publishing House, 2019, p. 123-128.
14. Automobile-site.rf: website - 2007. - URL: http://principact.ru/content/view/174/111/ (date of reference 02.02.2021).
15. Automobile-site.rf: website - 1997. - URL: https://abs-magazine.ru/article/generatori-bosch-serii-power-density-line/ (date of reference 02.02.2021).
16. Chernov A.E. Methodology to improve energy efficiency of electrical equipment systems of motor vehicles: Doctoral thesis in technical sciences. 05.09.03. Moscow, 2018, 30 p.
17. Sergeevichev Yu.V., Timokhin S.V. Increasing the efficiency of electric power supply of vehicles. Contribution of young scientists to innovative development of agroindustrial complex of Russia: All-Russian scientific-practical conference of young scientists. Vol. III. Penza: Publishing House of PSAU, 2020, p. 34-37.
