CC BY
6
Научная статья УДК 62-65
Повышение пусковых качеств источников энергии автомобиля при адаптации к условиям низкотемпературного использования в агропромышленном комплексе
Александр Викторович Кучер, Зоя Фёдоровна Кривуца, Сергей Васильевич Щитов,
Евгений Евгеньевич Кузнецов
Дальневосточный государственный аграрный университет
Аннотация. Вопрос эксплуатации автомобилей в условиях низких температур всегда остаётся актуальным, так как напрямую влияет на эффективность их использования в сельском хозяйстве. Принимая во внимание, что в Амурской области в зимний период температура может опускаться до -40...-45° С, этот вопрос особенно важен при эксплуатации автомобилей в сроки, когда они работают не круглосуточно, а с определённой периодичностью, обусловленной выполнением транспортных операций в условиях высокой территориальной протяжённости региона и необходимостью выполнения технологических остановок через определённые отрезки времени. Учитывая, что при таких низких температурных режимах снижается температура самого аккумулятора и электролита, запуск двигателя после остановки сопряжён с большими трудностями, что сказывается на пусковых качествах силовой установки. В представленной статье приведены результаты исследований по повышению пусковых качеств автомобилей в условиях низких температур.
Ключевые слова: автомобиль, аккумулятор, пусковые качества, электролит, сопротивление, пусковой момент.
Для цитирования: Повышение пусковых качеств источников энергии автомобиля при адаптации к условиям низкотемпературного использования в агропромышленном комплексе / А.В. Кучер, З.Ф. Кривуца, С.В. Щитов [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 173 - 178.
Original article
Improving the starting qualities of car energy sources when adapting to the conditions of low-temperature use in the agro-industrial complex
Alexander V. Kucher, Zoya F. Krivutsa, Sergey V. Shchitov, Evgeny E. Kuznetsov
Far Eastern State Agrarian University
Abstract. The issue of operating cars at low temperatures is always relevant, as it directly affects the efficiency of their use in agriculture.Taking into account that in the Amur region in winter, the temperature can drop to -40...-45 degrees, this issue is especially important when operating cars at times when they do not work around the clock, but with a certain frequency, due to the implementation of transport operations in the conditions of a high territorial extent of the region and the need to perform technological stops after certain periods of time. Considering that at such low temperature conditions, the temperature decreasesthe temperature of the battery itself and the electrolyte, starting the engine after stopping is fraught with great difficulties, which affects the starting qualities of the power plant.The article presents the results of research on improving the starting qualities of cars in low temperature conditions
Keywords: car, battery, starting qualities, electrolyte, resistance, starting torque
For citation: Improving the starting qualities of car energy sources when adapting to the conditions of low-temperature use in the agro-industrial complex / A.V. Kucher, Z.F. Krivutsa, E.E. Kuznetsov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 90(4): 173 - 178. (In Russ.).
Производственная практика показывает, что для улучшения пусковых качеств силовой установки автомобиля необходимо поддерживать положительную температуру аккумулятора. В реальных условиях эксплуатации это достигается за счёт дополнительного утепления отсека аккумуляторов. В то же время этот способ не всегда приносит положительный результат, так как воздействие низкой температуры окружающей среды с течением времени транспортной операции однозначно приводит к снижению температуры электролита.
При этом необходимо отметить, что эффективность работы любого энергетического средства напрямую зависит от рационального
расходования химической энергии жидкого топлива силовой установки. Таким образом, перспективным способом повышения эффективности использования топлива является вторичное использование теплоты отработанных газов двигателя и использование рекуперативного эффекта.
Для решения технической задачи разработано и внедрено перспективное устройство с высокими теплоаккумулирующими характеристиками, позволяющее поддерживать внутреннюю температуру аккумуляторов за счёт использования теплоты уходящих отработанных газов двигателя, на конструкцию которого получен патент РФ № 197094 [1, 2].
Материал, методы и результаты исследования. При эксплуатации автомобиля в условиях пониженных температур одной из главных трудностей является запуск двигателя. Это объясняется тем, что при низких температурах для успешного запуска двигателя коленчатый вал двигателя необходимо вращать с большей частотой вращения, при этом необходимо отметить, что вязкость масла при пониженной температуре повышается. Исходя из вышесказанного можно сделать следующий вывод, что в этих условиях высокая нагрузка приходится именно на источники энергии - аккумуляторные батареи (АКБ).
Ранее отмечалось, что момент сопротивления прокручиванию коленчатого вала можно определить по формуле [3]:
Мс = (390 + 3,12л)оР, (1)
где п - частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин;
и - вязкость моторного масла, сСт; V - объём цилиндров двигателя, см3. При этом запуск двигателя возможен только тогда, когда электромагнитный момент вращения стартера будет больше момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала, т.е.:
Мст > Мс. (2)
Электромагнитный момент вращения стартера предлагается определять по выражению [3]:
Мст = 1стФСе, (3)
где 1ст - ток стартера, А;
Ф - магнитный поток, Вб; Се - конструктивная постоянная стартера. Величина стартерного тока в момент запуска двигателя является основным показателем, который можно определить по уравнению [3]:
/ст = Ео / (Яб + Яст + ЯпрХ (4)
где Е0 - напряжение АКБ при разомкнутой внешней цепи, В;
Яб - омическое сопротивление АКБ, Ом; Яст - сопротивление обмотки стартера, Ом; Япр - сопротивление проводов стартерной цепи, Ом.
Решая совместно уравнения (3) и (4), определим электромагнитный момент вращения стартера:
Мст = Ф Се Ео / (Яб + Яст + Япр). (5) Анализируя полученное уравнение (5), можно сделать вывод, что величина электромагнитного момента стартера во многом зависит от омического сопротивления АКБ, сопротивления обмотки стартера и сопротивления проводов стартерной цепи. При этом необходимо учесть, что сопротивление обмотки стартера и сопротивление проводов стартерной цепи практически остаётся неизменным. Поэтому можно утверждать, что на
величину электромагнитного момента вращения стартера основное влияние оказывает омическое сопротивление АКБ [4].
При эксплуатации автомобиля в условиях низких температур снижается температура АКБ, при этом возрастает вязкость электролита, что замедляет скорость протекания химических реакций при одновременном возрастании внутреннего сопротивления АКБ. Это позволяет сделать вывод, что для обеспечения устойчивой работы АКБ в условиях низких температур необходимо поддерживать температуру электролита на протяжении всей работы, что способно обеспечить необходимый заряд самой АКБ при работе двигателя [5].
Используя ранее полученное уравнение [1], можно определить, какое количество тепла может быть передано АКБ за счёт использования термоэлектрического автомобильного подогревающего модуля.
Согласно уравнению теплового баланса количество тепла, аккумулируемого термоэлектрическим автомобильным подогревающим модулем от выхлопных газов, будет равно:
Qм = 2п г I Щг / dr). (6)
В то же время плотность электролита зависит от его температуры, при этом изменение плотности от температуры в виде графика показано на рисунке 1, процесс изменения также может быть описан прилагаемыми уравнениями регрессии:
Результаты экспериментальных исследований (рис. 1) выявили закономерности влияния температуры окружающей среды на работу аккумуляторной батареи и показали, что чем ниже температура, при которой работает аккумулятор, тем выше должна быть необходимая для его нормальной работы плотность электролита. Таким образом, температурные условия эксплуатации автомобиля являются основным фактором, определяющим величину плотности электролита [6].
Экспериментальные исследования предлагаемого демпфирующего устройства с нагревательными элементами различной ширины (15 и 25 мм) и мощности (52 Вт и 84 Вт) подтвердили теоретические предположения. Установочная схема теплоаккумулирующего устройства и график экспериментальной проверки представлены на рисунках 2 и 3.
Проведёнными опытами установлено, что демпфирующее устройство с 25-милиметровым нагревательным элементом накапливает и отдаёт теплоту в период 360 мин. - 6 часов времени смены, чего достаточно для межсменного обслуживания и проведения краткосрочных остановок. При этом электролит АКБ находится в оптимальном тепловом режиме, рекомендуемом РД 31121991089-02 «Нормы сроков службы стартерных
Рис. 1 - Изменения плотности электролита от температуры в зависимости от степени заряженности аккумулятора
свинцово-кислотных аккумуляторных батарей автотранспортных средств и автопогрузчиков», способствующем максимальному заряду [7].
От плотности электролита также зависит и электродвижущая сила (ЭДС) кислотного аккумулятора [8]. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле:
Е = 0,85 + у(0, (7)
где у(0 - плотность электролита при 15 °С, г/см3.
Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см3, ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В для каждой банки АКБ.
Представленные на рисунке 1 зависимости показывают, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается.
Тепл оакку м ули ру юше е устройство
Рис. 2 - Установочная схема
теплоаккумулирующего устройства
Вместе с тем повышение ЭДС за счёт увеличения плотности электролита нерационально [3]. Так, ранее было установлено, что наилучшие рабочие характеристики у АКБ плотностью 1,27 - 1,29 г/см3, что отражается также и на температуре замерзания электролита [9].
В ходе исследования установлено, что при изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также изменяется. Так, с изменением температуры электролита от +20 °С до -40° С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 В. При этом учитывается, что напряжение изменяется в значительной степени с изменением температуры электролита, а также и в связи с увеличением внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры имеет тенденцию к увеличению.
Определено, что между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость [3]: и = Е - 1рЯб, (8)
где и - напряжение, В;
Е - ЭДС аккумулятора, В;
1р - величина разрядного тока, А;
Яб - внутреннее сопротивление аккумулятора,
Ом.
Формула показывает, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.
Учитывая, что внутреннее сопротивление АКБ складывается из сопротивления электролита, сепараторов, пластин и контактных устройств, важным параметром является именно сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и плотности электролита. Зависимость удельного сопротивления электролита АКБ от плотности показана в виде графика на рисунке 4.
Рис. 3 - Экспериментальный график усреднённого цикла нагрева - остывания корпуса демпфирующего устройства
Рис. 4 - Зависимость удельного сопротивления электролита от его плотности (температура электролита 20 °С)
Как видно из представленного графика (рис. 4), удельное сопротивление электролита во многом зависит от его температуры, поэтому и возникает необходимость поддержания его оптимальной температуры.
В результате проведённых исследований установлено, что использование предлагаемого термоэлектрического модуля позволяет нагревать демпфирующее устройство, установленное между аккумуляторными батареями, за счёт теплоты уходящих отработанных газов в период работы двигателя. На рисунке 5
представлены результаты исследований в виде диаграммы нагрева и остывания демпфирующего устройства.
Как видно из полученных результатов, в процессе работы автомобиля происходит подогрев аккумуляторных батарей, а следовательно, корпуса и электролита АКБ.
После остановки автомобиля теплоакку-мулирующее устройство отдаёт накопленное тепло секции аккумуляторных батарей и тем самым поддерживает оптимальную температуру электролита (рис. 3).
Рис. 5 - Диаграмма нагрева и остывания демпфирующего устройства:
1 - с нагревательным элементом 25 мм; 2 - с нагревательным элементом 15 мм
Результаты опытов показывают, что установка данного устройства позволяет поддерживать температуру от 3 до 6 час. в зависимости от установленного нагревательного элемента.
Использование предлагаемого устройства позволяет улучшить пусковые качества автомобиля при эксплуатации в зимних условиях.
Проведённые исследования позволяют сделать вывод, что использование данного устройства обеспечивает поддержку комфортной температуры электролита, сепараторов, пластин, корпуса АКБ и контактных устройств в зимних условиях эксплуатации, выровнять и оптимизировать условия для его максимальной зарядки, увеличить долговечность АКБ и тем самым улучшить пусковые качества автомобиля.
Литература
1. Кучер А.В., Пономарев Н.В. Влияние низких температур окружающего воздуха на режимы работы гидравлических устройств энергетических средств // Перспективные направления развития современной науки: сб. науч. работ 49-й Междунар. науч. конф. Евраз. науч. объедин. (г Москва, март 2019). М.: ЕНО, 2019. С. 116 - 119. URL: https://esa-conference.ru/wp-content/ uploads/2019/04/esa-march-2019-part2.pdf
2. Пат. на полезную модель N° 197094 Рос. Федерация. Термоэлектрический автомобильный подогревающий модуль / Щитов С.В, Кузнецов Е.Е.; заявит. и патен-тооблад. Дальневосточный гос. агр. университет; заявл.
17.12.2019; зарегистр. 17.12.2019; опубл. 30.03.2020; Бюл. № 10. 10 с.
3. Сапоженков Н.О. Методика корректирования периодичности заряда автомобильных аккумуляторных батарей в зимний период: дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2016. 200 с.
4. Кузнецов Е.Е., Щитов С.В., Повышение эффективности использования мобильных энергетических средств в технологии возделывания сельскохозяйственных культур: монография. Благовещенск, 2017. 272 с.
5. Зудов Г.Ю., Ишков А.М., Левин А.И. Методика расчёта срока службы техники, эксплуатируемой в условиях холодного климата.// Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 6. С. 112 - 116.
6. Разяпов М.М., Курдин П.Г., Неговора А.В. Разработка средств и способов комплексной тепловой подготовки автотракторной техники к эксплуатации в условиях низких температур // Безопасность колёсных транспортных средств в условиях эксплуатации: матер. 99-й междунар. науч.-практич. конф. Иркутск, 2017. С. 207 - 214.
7. РД 3112199-1089-02 Нормы сроков службы стар-терных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей автотранспортных средств и автопогрузчиков / разр. НИИАТ, утв. 26.09.2002. Министерством транспорта Российской Федерации. 10 с.
8. Робустов В.В. Повышение надёжности зимней эксплуатации транспортных и дорожно-строительных машин в условиях Сибири. Тюмень, 2002. 80с.
9. Селиванов Н.И. Повышение эффективности работы тракторных агрегатов в зимних условиях АПК Восточной Сибири: дис. ... д-ра техн. наук: 05.20.01: защищена 16.06.06: утв. 13.10.06. Красноярск. 2006. 344 с.
Александр Викторович Кучер, аспирант. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, alexkucher1987@mail.ru,
Зоя Фёдоровна Кривуца, доктор технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, zfk20091@rambler.ru
Сергей Васильевич Щитов, доктор технических наук, профессор. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, shitov.sv1955@mail.ru
Евгений Евгеньевич Кузнецов, доктор технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Россия, 675000, Амурская область, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86, ji.tor@mail.ru
Alexander V. Kucher, postgraduate. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, alexkucher1987@mail.ru
Zoya F. Krivutsa, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, zfk20091@rambler.ru
Sergey V. Shchitov, Doctor of Technical Sciences, Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, shitov.sv1955@mail.ru
Evgeny E. Kuznetsov, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. Far Eastern State Agrarian University. 86, Polytechnic St., Blagoveshchensk, Amur region, 675000, Russia, ji.tor@mail.ru
-Ф-
Научная статья УДК 621.762:669.2
Структура и свойства медных порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния, изготовленных электроконтактным спеканием
Татьяна Владимировна Рожкова
Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. В статье рассмотрен метод электроконтактного спекания, применяемый для восстановления изношенных поверхностей изделий сельскохозяйственного назначения. Электроконтактный способ позволяет создавать изделия с уникальными физико-механическими свойствами, одновременно прессовать и спекать порошковые заготовки, значительно ускоряя процесс. Рассмотрены структура и свойства медных порошковых изделий с упрочнением карбидом кремния, полученных электроконтактным спеканием. Проведено сравнение структуры, физико-механических характеристик и параметров материалов, полученных электроконтактным и традиционным (печным) способами. Исследованию подлежали порошковые образцы из меди и бронзы, содержащие карбид кремния. Диаметры заготовок составляли 20,5; 13,7 и 5,7 мм. Установлено, что наибольший нагрев происходит там, где расстояние между порами минимально. В результате проведённых экспериментов по спеканию медных порошковых материалов с добавлением зелёного карбида кремния было установлено, что электроспечённые образцы имеют преимущество по отношению к печным по всем показателям: уменьшается пористость и удельная скорость изнашивания, повышается твёрдость и прочность спечённого материала, значительно сокращается продолжительность спекания.
Ключевые слова: порошковая заготовка, печное спекание, электроконтактное спекание, физико-механические свойства, медь, карбид кремния.
Для цитирования. Рожкова Т.В. Структура и свойства медных порошковых изделий сельскохозяйственного назначения с карбидом кремния, изготовленных электроконтактным спеканием // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (90). С. 178 - 181.
Original article
Structure and properties of copper powder products of agricultural application with silicon carbide, manufactured by electric contact sintering
Tatiana V. Rozhkova
Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The article discusses the method of electrical contact sintering, which is used to restore worn surfaces of agricultural products. The electrocontact method allows you to create products with unique physical and mechanical properties, simultaneously press and sinter powder blanks, significantly speeding up the process. The structure and properties of copper powder articles reinforced with silicon carbide obtained by electrocontact sintering are considered. Comparison of the structure, physical and mechanical characteristics and parameters of materials obtained by electrocontact and traditional (furnace) methods is carried out. Powder samples made of copper and bronze containing silicon carbide were subject to investigation. The diameters of the blanks were 20.5; 13.7 and 5.7 mm. It was found that the greatest heating occurs where the distance between the pores is minimal. As a result of experiments on sintering copper powder materials with the addition of green silicon carbide, it was found that electro-sintered samples have an advantage over furnace samples in all respects: porosity and specific wear rate decrease, the hardness and strength of the sintered material increase, and the sintering time is significantly reduced.
