CC BY
102
jjr
^нео = ■
(1
где: 5ЭМ - электромагнитный КПД,
п пп2М2 ^^ P2 = ——--полезная мощность СЭ,
М,
M2 = —-— полезный вращательный момент СЭ,
Sp - КПД передачи от СЭ к ДВС (Sp = 0.85), P = Ea Ia - электромагнитная мощность СЭ,
K = — - кратность рабочего тока СЭ Ia току короткого замыкания Ik.
Ik
Частота вращения якоря СЭ равна:
na = nmax
и, следовательно, определяется только средний пусковой частотой вращения пср.
Полезный вращательный момент М2 зависит от среднего момента сопротивления, который определяется пср и не зависит от числа попыток пуска Zu. Таким образом, СЭ Р2 не зависит от Zn.
Результаты расчетов показывают, что уменьшение времени одной попытки прокручивания tпр (увеличение числа попыток пуска Z^.
КПД СЭП не изменяется с увеличением числа попыток пуска Z№ так как пропорционально уменьшаются как полная, так и остаточная энергия НЭ:
г» _ Ммех
^сэп = ... .
^нео
При заданной постоянной времени НЭ тнэ увеличение числа попыток пуска Zп позволяет уменьшить среднюю пусковую частоту вращения пср и требуемую емкость НЭ.
Таким образом, увеличение числа попыток пуска Zп при неизменном общем времени прокручивания ^ позволяет уменьшить габаритно-массовые показатели СЭП, повысить надежность пуска и увеличить срок службы элементов СЭП.
Литература
1. Водорезов С.В., Квайт С.М., Малеев Р.А., Чижков Ю.П. Исследования процессов прокручивания двигателей внутреннего сгорания системой электростартерного пуска с емкостным накопителем энергии. Деп. В ЦНИИТЭИАвтопроме 11.12.89 г. № 1966 - ап. 89.
2. Чижков Ю.П., Малеев Р.А., Меркулов Р.В., Седькин И.В. Определение основных параметров системы электростартерного пуска для автомобильного двигателя с емкостными накопителями энергии // Сб. научных трудов МАМИ: Электрическое и электронное оборудование автомобилей, тракторов и их роботизированных производств. - М.: МАМИ, 1992, - с. 101-105.
3. Tom Denton Automobile Electrical and Electronic Systems. // Associate Lecturer, Open University. - 2010, - с 110-127.
Расчет параметров системы электростартерного пуска двигателя с комбинированным источником тока
к.т.н. доц. Малеев Р.А., Мычка Н.В., Гулин А.Н., Капралова М.А.
Университет машиностроения + 79262350847
Аннотация. В работе предлагается использовать сравнительную оценку систем электростартерного пуска с емкостным накопителем и аккумуляторной батареей для двигателей внутреннего сгорания.
Ключевые слова: система электростартерного пуска, емкостной накопитель энергии, аккумуляторная батарея, энергия, пусковая частота вращения.
В настоящее время в автотракторных СЭП в основном применяются стартерные электродвигатели с последовательным возбуждением, у которых ток якоря является одновремен-
но и током возбуждения, и, следовательно, изменение нагрузки электродвигателя или напряжения его питания приводит к изменению магнитного потока возбуждения.
В то же время в ряду случаев находит применение и СЭП с электродвигателями, имеющими независимое возбуждение. Особенно часто подобные двигатели используют возбуждение от постоянных магнитов, развитие которых позволяет получить большие магнитные потоки при относительно малых габаритах и массах последних. Особенность указанных стартерных электродвигателей заключается в том, что в них изменение магнитного потока с изменением нагрузки на стартерный электропривод незначительно. Изменение магнитного потока в них при изменении нагрузки может происходить в основном за счет размагничивающего действия реакции якоря. Если пренебречь реакцией якоря, то магнитный поток возбуждения можно считать постоянным при различных режимах работы. Такое допущение не должно внести каких-либо существенных погрешностей в расчеты режимов работы электропривода, но в то же время упрощаются расчетные формулы и сравнительная оценка СЭП с АБ и НЭ в различных условиях пуска ДВС.
Электромагнитный вращательный момент двигателя:
М=См1аФ,
где: См - постоянная электрической машины; /а - ток якоря;
Ф - магнитный поток возбуждения.
Так как для двигателя независимого возбуждения магнитный поток постоянен, то электромагнитный вращающий момент определяется только величиной тока якоря /а.
Уравнение ЭДС для цепи питания СЭ можно записать (в независимости от типа источника) в следующим виде:
Еа=Цн - /а^аЬ
где: ин - номинальное напряжение СЭП,
Яа1 - суммарное сопротивление цепи якоря.
Суммарное сопротивление цепи якоря складывается из внутреннего сопротивления источника питания ^ист, сопротивления стартерной цепи (стартерного провода и «массы») Япр и сопротивления стартера Яст (сопротивление в щеточно-коллекторном узле и сопротивление в обмотках якоря):
^ист+^пр+^ст.
Если через /к обозначить силу тока якоря в режиме короткого замыкания, то он равен:
т _ Ун /к " ^
С учетом этого уравнение ЭДС для цепи питания системы электропривода можно представить в виде:
Еа=ин - ^ = ин(1-к),
¡к
1а -
где: к=— кратность силы тока в рабочем режиме силе тока в режиме короткого замыкания.
Учитывая, что ЭДС Еа определяется в тоже время соотношением:
Еа = СеПаФ,
можно получить выражение для частоты вращения двигателя па:
_ Еа _ ин(1-к) Па СеФ СеФ .
Для расчета СЭП как с НЭ в виде конденсаторной батареи, так и с АБ необходимо знать требуемую для пуска частоту вращения коленчатого вала двигателя. Сам запуск двигателя представляет собой переходный процесс, при котором частота вращения ДВС п изменяется от нуля до величины, при которой происходит собственно пуск двигателя.
Для СЭП с аккумуляторной батареей практически через очень короткий промежуток времени (обычно меньше секунды) характер вращения ДВС носит уже стационарный характер. Именно в этом режиме происходит собственно пуск двигателя. Это связанно с тем, что необходимо время для образования горючей смеси и доставки ее к цилиндрам.
Все это позволяет производить расчеты СЭП при некоторой средней частоте вращения,
которая для системы с АБ равна установившейся частоте вращения. Несколько иначе обстоит дело в системе пуска с НЭ в виде конденсаторной батареи, напряжение на которой по мере разряда уменьшается. В этом случае для упрощения расчетов можно ориентироваться на среднюю частоту вращения, которая изменяется от 2п до 0. Расчетной для СЭП с НЭ является частота максимальная в начале прокручивания 2п.
При проектировании СЭП с АБ на заданные условия пуска ДВС в качестве расчетной мощности принимается электромагнитная мощность СЭ в выбранном рабочем режиме по кратности тока:
р = Р2_ = ГСМсПср рср чп ,
Лэм
где: Р2 - полезная мощность на валу электродвигателя,
Пэм - электромагнитный КПД, учитывающий магнитные и механические потери в стар-
терном электродвигателе, Лпер - КПД передачи от СЭ к ДВС,
Мс - момент сопротивления вращению коленчатого вала при заданной средней частоте вращения пср.
Расчетная частота вращения якоря электродвигателя связана с частотой вращения ко-ленвала ДВС через передаточное число привода г.
Па=Пер/.
Приведенная выше формула для расчетной мощности содержит один из важных параметров, характеризующих конкретный тип двигателя внутреннего сгорания - момент сопротивления вращению коленчатого вала Мс. Он определяется многими конструктивными особенностями ДВС, состоянием двигателя, сортом применяемого масла, температурой. Поэтому наиболее точные данные по этому моменту могут быть получены экспериментально в результате снятия характеристики Мс = _Дп) при заданных режимах эксплуатации.
Электромагнитная мощность:
Р = Е1 = — = Р 1 Еа1а ,.
4Ка2 4(1—к)к
Для расчета системы электропривода необходимо иметь исходные данные. К ним относятся: номинальное напряжение ин, расчетная электромагнитная мощность Рср, частота вращения якоря электродвигателя па или частота вращения коленвала ДВС, технические характеристики источника электропитания. Кроме того необходимо задаваться средней частотой вращения при максимальной электромагнитной мощности. С частотой вращения пт связана кратность тока:
К = 1--^.
2 пт
В соответствии с приведенным соотношением вместо пт может быть задана кратность тока К.
Параметры СЭП с НЭ и АБ выбираются исходя из частоты прокручивания коленвала двигателя внутреннего сгорания п, представляющей среднюю частоту вращения коленвала электростартером при питании его от АБ или НЭ. Эта частота вращения считается постоянной за все время прокручивания коленвала ДВС, а при питании от НЭ, когда частота вращения изменяется от 2п до нуля, средняя частота: Ыср = —. Расчетной в этом случае является
максимальная частота в начале прокручивания 2п.
Рассматривая стационарный режим, можно считать, что для преодоления постоянного момента сопротивлением Мс требуется постоянный электромагнитный момент М и соответствующий постоянный ток 1а в цепи электростартерного двигателя. Напряжение на конденсаторе НЭ определяется известным соотношением:
I
ине = инэн - ~Г~ ^ ^а
^нэ
где: Снэ - емкость НЭ,
инэн - начальное напряжение на конденсаторе.
После интегрировании получаем:
тт = тт _
и не и нэн г и •
Так как начальное напряжение на конденсаторе должно быть равно напряжению бортовой сети ин, то в окончательном виде выражение для напряжения НЭ примет вид:
и не = Тн -
^нэ
Для решения задачи анализа пуска ДВС необходимо знать пусковую характеристику ^ = представляющую собой зависимость времени пуска от средней частоты вращения. Подобные характеристики получают экспериментально для разных температур пуска.
Систему пуска двигателя внутреннего сгорания, включающую электрическую схему и собственно двигатель, можно представить в виде объекта, имеющего серию входных и выходных параметров. Если через хь ...хт обозначим числа, характеризующие входы рассматриваемой системы, то можно всю совокупность входных воздействий представить в виде многомерного вектора:
X = (Х1, Х2,..., Хт).
В качестве входных параметров могут быть различные сопротивления в цепи стартер-ного электродвигателя, частота вращения, долговечность, надежность и т.д.
Аналогично можно говорить о выходном многомерном векторе:
У = (У1, У2,., Уп),
где: у1, у2,..., уп - соответствующие выходные параметры исследуемой системы.
В соответствии с принятыми обозначениями можно выразить математически связь выходного вектора со входными через оператор трансформации Ф:
У = Ф(Х).
Преобразование вектора Хв вектор У можно выразить в виде системы уравнений:
Ду1 = а11Дх1+ а12Дх2+... а1тДхт, Ду1 = Й21ДХ1+ Я22ДХ2+...
a2mДxm,
Дуп = ап1Дх1+ ап2Дх2+... аптДхт. В этих уравнениях коэффициенты вида ху образует матрицу:
"а11а12 ... а1 т
А=
а21а22 ■" а2т
••• О-пт
Эта система выражается векторным уравнением:
ДУ=ЛДХ.
Если вектор X - непрерывная величина, то оба предыдущие выражения - дифференциальные. Решение этих уравнений состоит из системы функций:
У1 = У1(Х1, Х2, ..., Хт),
У2 = _/2(хЬ x2, ., xm),
Уп „/п(х1, x2, . •, xm),
таких, что
а,у=£ (I = 1, 2...п;] = 1, 2, ..., т).
Если есть решение и можно получить значение выходного многомерного вектора У то можно решить вопрос о нахождении его внутри многомерной области Аорг. Таким образом решается вопрос о выполнении заданных условий оптимизации.
В этом случае, если рассматривать входные величины не фиксированными, а изменяющимися в некоторых пределах, то входной вектор будет занимать какую-то многомерную область Ах, которая в свою очередь может быть трансформирована в многомерную область выходных системы. Тогда можно провести анализ насколько области выходных параметров перекрывают область Лор^ что позволит решить вопрос о преимуществе той или иной систе-
Основная трудность решения задачи анализа системы электростартерного пуска подоб-
ным образом заключается в сложности установления функциональных зависимостей между входными и выходными параметрами.
С этой точки зрения на начальном этапе анализа и сравнения СЭП с различными источниками электропитания имеет смысл выбрать один или ограниченное количество выходных параметров, по которым можно проводить такое сравнение.
Кратность рабочего тока для СЭП с НЭ может, как уже указывалось, быть определена
п
по формуле: К = 1 —- .
пт
1 + К
Кратность рабочего тока для СЭП с аккумуляторной батареей: Каб = —-— . Требуемая энергия НЭ может быть определена соотношением:
ш = Р1п
Требуемая энергия при использовании в качестве источника электропитания аккумуляторной батареи:
ШАБ =
Приведенные соотношения позволяют получить один из выходных параметров - отношение энергий для системы с НЭ и АБ:
^нз _ 1
2(1—К).
Как видно из формулы, это отношение определяется только кратностью тока К. Суммарное сопротивление цепи электростартера в системе с емкостным накопителем энергии, которое может обеспечить необходимые параметры по частоте вращения и мощности в начальный период прокручивания ДВС:
К = и|(1-К)К Ка!нэ 2Р .
Емкость НЭ:
С = 2 Р1п Снэ '
Ун(1-К)2'
Сопротивление НЭ:
и!(1-К)2тн
Кнэ = ■
2РС„
Сопротивление цепи электростартера:
Кст Ка£нэ - Кнэ.
После подстановки значений сопротивлений получим:
„ _ и*(1-К)К,л 1-К тнэ Кст--(1--* —).
ст 2Р 4 К £п
Представляет определенный интерес отношение сопротивления НЭ к суммарному сопротивлению цепи питания стартеров с СЭП с НЭ:
1—К
■ * ■
Суммарное сопротивление цепи питания при использовании в качестве источника АБ определяется как:
к = Ц|(1-К2)
аХнэ 4р .
Отношение суммарных сопротивлений для цепи питания при питании от НЭ и АБ:
ДаЕнэ _ 2К
<а£АБ
1 + К
Как видно, это отношение определяется также, как отношение энергий, только величиной кратности тока К.
Отношение сопротивлений стартера и суммарного сопротивления в системе с питанием от АБ:
^гт _ 2К 1 — К ТНЭч
(1 - ).
Ка^АБ 1 + К К
Сопротивление АКБ определяется соотношением:
4Р 4 7
Соответственно, можно найти отношение сопротивления аккумуляторной батареи к суммарному сопротивлению электрической цепи в системе пуска ДВС:
КАБ _ 2тнэ\
_ 1 + К( ^ ''
^АБ
Удельную энергию ^нэ, зная которую можно определить объем самого емкостного накопителя, обеспечивающего пуск ДВС:
V = Ptг,
V нэ —
wH3 (l-K)2wH3
Отношение удельных энергий АБ и НЭ:
^нз _ ^ ^АБ
^аб v wH3 '
Максимальные электромагнитные мощности для систем электропривода с АБ и НЭ могут быть определены по формулам:
р р р — г • Р — г
РтАБ - г_к2, ртнэ - 2(1_к)к '
Вращающий момент в расчетном режиме:
nin \UHJ н а '
где: Км - коэффициент пропорциональности.
Представляет определенный интерес проследить влияние выбранной средней частоты вращения коленвала двигателя пср во время пуска ДВС на основные выходные параметры СЭП'
В качестве базового двигателя внутреннего сгорания был выбран двигатель ВАЗ 1119 с инжекторной системой впрыска, для которого имелись экспериментальные зависимости времени пуска tn и момента сопротивления Мс от средней частоты вращения пср.
Так, сложнее производить пуск при отрицательных температурах, исходной для расчетов принята температура = - 200С. При расчетах использовались следующие характеристики двигателя: объем цилиндров Vh = 1,6 л. (1590 см3), передаточное отношение i = 11,62.
Характеристики систем электростартерного пуска соответствуют средним значениям достигнутого уровня по удельным показателям:
• удельная энергия емкостного накопителя энергии wro=1 дж/см ,
• удельная энергия аккумуляторной батареи w^=210 дж/см3,
• степень разреженности аккумуляторной батареи ДСр=25%,
• порядковый номер попытки пуска Zn=3,
• номинальная емкость ДС20=15 АЧ,
• КПД передачи Ппер=0,85,
• электромагнитный КПД Пэм=1,
• частота вращения nm=1620 мин.-1,
• постоянная времени НЭ тэм=0,
• номинальное напряжение ин=12 В.
Проведённые расчёты показывают,что с ростом частоты вращения nm нэ растут, как энергии ^нэ и wАБ так и объемы Vro и V^, источников тока. Зависимость ^а£нэ = f(nm нэ) имеет экстремум при частоте вращения nm нэ в районе 1600 мин-1.
Литература
1' Водорезов С.В., Квайт СМ., Малеев Р.А., Чижков Ю.П. Исследования процессов прокручивания двигателей внутреннего сгорания системой электростартерного пуска с емкостным накопителем энергии. Деп. В ЦНИИТЭИАвтопроме 11.12.89 г. № 1966 - ап. 89. 2. Чижков Ю.П., Малеев Р.А., Меркулов Р.В., Седькин И.В. Определение основных параметров системы электростартерного пуска для автомобильного двигателя с емкостными накопителями энергии //Сб. научных трудов МАМИ: Электрическое и электронное обо-
рудование автомобилей, тракторов и их роботизированных производств. - М.: МАМИ, 1992, - с. 101-105.
3. Tom Denton Automobile Electrical and Electronic Systems.// Associate Lecturer, Open University. - 2010, - с 110-127.
Анализ обледенения проточной части транспортных турбокомпрессоров
Аннотация. В статье содержится обзор возможных последствий обледенения проточной части транспортных турбокомпрессоров, работающих на влажном воздухе, с указанием проблемных участков, подвергающихся разрушению в процессе работы.
Ключевые слова: транспортный турбокомпрессор, обледенение.
Практика эксплуатации быстроходных турбокомпрессоров, выступающих в роли расширительных машин (турбодетандеров) показала, что влажный воздух приводит в определенных условиях к обледенению проточной части турбины турбокомпрессора, что вызывает разрушение рабочих лопаток. Проблемами работы турбокомпрессоров, работающих на влажном воздухе, в разные периоды времени занимались: П.Л. Капица, Д.И. Плачендовский, В.И. Ардашев.
На рисунке 1 отмечены зоны, в которых происходит разрушение.
Зона 1 характеризуется наличием свободной влаги, создающей капельный вихрь на кончиках колеса, что приводит к эрозийному воздействию на сопловой аппарат (СА), вызывая разрушение лопаток, как колеса турбины, так и СА.
Зона 2 характеризуется наличием твердой фазы на выходе из колеса турбины, что создает механическое воздействие на основание колеса, что в свою очередь приводит к его разрушению, вызывает низкочастотную вибрацию, снижает КПД, вызывает рост температуры на выходе из турбины. Является источником ледяных пробок в системе.
Мартьянов О.А., д.т.н. проф. Меркулов В.И.
Университет машиностроения (495) 223-05-23, доб. 1054
Рисунок 1. Зоны ТК, подверженные разрушению
