2.5. Анализ работы системы электростартерного пуска

Исходными данными для анализа являются характеристики пус­ковых качеств двигателя, а также электромеханические характери­стики стартера, полученные экспериментальным и расчетным пу­тями.

Пусковые качества ДВС определяются средним давлением тре­ния P_т.ср и минимальной пусковой частотой вращения n_min. После установки двигателя на автомобиль его пусковые качества оцени­ваются также предельной температурой надежного пуска и време­нем подготовки двигателя к принятию нагрузки, которое складыва­ется из времени на приведение в действие и работу устройств об­легчения пуска холодного двигателя, пуска двигателя и его работы на холостом ходу до момента, когда возможно начало движения автомобиля.

Среднее давление трения является удельным показателем и характеризует момент сопротивления двигателя при его пуске. Оно определяется аналогично условному среднему давлению внутрен­них потерь двигателя:

где M_сд - момент сопротивления двигателя при прокручивании, Н∙м;

i - число цилиндров;

V_h - рабочий объем двигателя, м³.

Момент сопротивления двигателя при прокручивании можно представить как сумму моментов от сил трения в кинематических парах двигателя (М_т) и момента от компрессии(М_г):

Момент трения и момент от компрессии зависят от угла поворота коленчатого вала, причем М_г на такте расширения в цилиндрах меняет знак.

Так как стартеры имеют «мягкую» механическую характеристику, то при изменении момента сопротивления угловая частота также периодически изменяется, вызывая появление динамического (инерционного) момента. Коэффициент неравномерности вращения при пуске, определяемый как отношение разности максимальной и минимальной частот вращения к средней частоте в течении одного периода, находится в пределах 0,1...0,2.У бензиновых дви­гателей по сравнению с дизелями степень сжатия и неравномер­ность вращения коленчатого вала меньше. Неравномерность вра­щения зависит также от числа цилиндров двигателя.

Выделяют три стадии электростартерного пуска поршневого двигателя (рис. 2.33). На 1-й стадии частота вращения коленчатого вала увеличивается до средней частоты вращения в установив­шемся режиме. После подключения электростартера к аккумуля­торной батарее его якорь и коленчатый вал двигателя остаются неподвижными, пока вращающий момент электродвигателя не пре­высит момент трогания системы стартер – двигатель (t = 0). Про­должительность 1-й стадии пуска зависит от вязкости моторного масла, мощности электростартера, момента инерции системы стартер - двигатель автомобиля и обычно не превышает десятых долей секунды.

Отличительной чертой 2-й стадии пуска является равенство средних значений вращающего момента (М_ср) электродвигателя и момента сопротивления при постоянной средней частоте вращения коленчатого вала n_cр. Возможное увеличение средней частоты на 2-й стадии связано с интенсивным снижением вязкости масла в уз­лах трения вследствие его нагрева теплотой, выделяемой при тре­нии и сжатии воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. Воспламенение топлива в цилиндрах при низкотемпера­турном пуске ДВС начинается на 2-й стадии.

Рис. 2.33

Рис. 2.34

Процесс пуска переходит в 3-ю стадию, когда двига­тель начинает развивать мощность за счет теплоты сгорания топлива. Если топ­ливо воспламеняется и сго­рает во всех цилиндрах, то 3-я стадия характеризуется непрерывным нарастанием частоты вращения коленча­того вала благодаря совме­стному действию вращаю­щих моментов электростар­тера и двигателя.

Уравнение равновесия моментов при пуске имеет вид

где M’_c - момент стартера, приведенный к двигателю с учетом пе­редаточного числа i_дс до и КПД зубчатой передачи от стартера к двига­телю η_z; M’_c = М’_ci_дс η_z.

Момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно дви­жущихся масс системы стартер - двигатель, приведенных к колен­чатому валу,

где J_дв - приведенный момент инерции двигателя; J_c - момент инерции стартера.

Момент трения зависит от вязкости моторного масла, которая с понижением температуры возрастает по экспоненциальному зако­ну. За последние годы освоен выпуск новых моторных масел с бо­лее пологой вязкостно-температурной характеристикой (рис. 2.34, где: 1 - М-8В; 2 - М-10Г₃; 3 - М-6В₃).

Рис. 2.35.

На составляющую сопротивления, обусловленную компрессией, температура влияет незначительно. У бензиновых двигателей это сопротивление сравнительно невелико, у дизелей больше.

При расчете электропусковых систем пользуются формулами для расчета среднего момента сопротивления и средней частоты раскручивания. Существует большое количество эмпирических формул, выражающих зависимость момента сопротивления от вяз­кости масла и частоты прокручивания. Зависимость момента сопротивления двигателя от частоты вращения приведена на рис. 2.35. В общем виде эту зависимость можно представить выражением

где k - постоянный коэффициент;

А - коэффициент, характеризую­щий площадь поверхности тре­ния;

v - вязкость масла; час­тота прокручивания коленчатого вала двигателя;

х, у - показатели степени; х= 0,33...0,53; у= 0,25...0,35.

В зависимости от вязкости масла и его количества, динамики прокручивания коленчатого вала, качества трущихся поверхностей, а также нагрузки на них трение в отдельных узлах двигателя может быть граничным, жидкостным или смешанным.

Минимальной пусковой частотой вращения коленчатого вала двигателя называется частота, при которой обеспечивается пуск двигателя за две попытки с продолжительностью попытки 10 с для бензиновых и 15 с для дизельных двигателей и интервалов между попытками 1 мин.

Рис. 2.36.

На рис. 2.36 отображены минимальные пусковые частоты вращения карбюратор­ных двигателей, зависимые от температуры, где: 1 и 2 - 4-цилиндровых рабочим объемом 1500 см³ при примене­нии масла соответственно М-8В₂ и М-6₃/10Г₁; 3 - 8-цилиндрового рабочим объемом 4500 см³ (масло М-8В₂). Показатель зависит от следующих основных факторов: числа и расположения цилиндров двигателя, температуры пуска, вязкости масла, каче­ства топлива, фаз газораспреде­ления, пусковой регулировки кар­бюратора (для дизелей - цикловой подачи топлива), применяе­мых средств облегчения пуска двигателя.

Минимальная пусковая час­тота вращения коленчатого ва­ла бензиновых двигателей, ра­ботающих на зимних сортах то­плива, при t = -20°C составляет:

для 4-цилиндровых двигателей 70 мин^-1; 6-цилиндровых 60 мин^-1; 8-цилиндровых и более 50 мин^-1. Таким образом, увеличение числа цилиндров приводит к снижению n_пmin. Применение устройств облегчения пуска холодного двигателя снижает n_пmin для бензиновых ДВС при Т= -30°С соответственно до 65,55 и 45 мин^-1. Дизельные двигатели имеют более высокую ми­нимальную пусковую частоту вращения (для 4-цилиндровых дизе­лей при Т= -17°С n_пmin = 200 мин^-1). При температуре -40°С и ниже пуск ДВС осуществляется после его разогрева пусковым подогре­вателем. При пуске холодного двигателя должны применяться зим­ние и маловязкие загущенные масла. С понижением температуры пуска возрастает (см. рис. 2.36).

Предельной температурой надежного пуска T_min называется наи­более низкая температура окружающего воздуха, при которой обеспе­чивается надежный пуск двигателя. Для бензиновых двигателей без устройств облегчения пуска T_min = -20...-25°С (в зависимости от вязко­сти моторного масла), для дизельных T_min = -12...-17°С. С применени­ем устройств для облегчения пуска холодного двигателя его пуск мо­жет осуществляться и при температуре -50...-60°С, однако в этом слу­чае необходим подогрев аккумуляторной батареи.

Время подготовки двигателя к принятию нагрузки зависит от температуры пуска двигателя и при температурах +40, -20, -25°С не должно превышать соответственно 4, 8 и 9 мин. С применением устройств для облегчения пуска это время составляет 10 мин при -30°С и 20...30 мин при -40°С.

Анализ работы системы электростартерного пуска обеспечива­ется совмещением мощностных и механических характеристик стартера и двигателя. Поскольку напряжение аккумуляторной бата­реи определяет в значительной степени режим пуска, ее вольтамперная характеристика также должна быть задана в исходных данных для такого анализа.

Совмещение механических характеристик стартера и двигателя дает возможность определить частоту вращения коленчатого вала и момент при пуске двигателя. Процесс совмещения можно разбить на следующие этапы (рис. 2.37):

- расчет вольтамперной характеристики батареи для заданных условий пуска;

- пересчет номинальных характеристик стартера на новую вольтамперную характеристику;

- расчет механических характеристик стартера;

- совмещение характеристик стартера и двигателя.

Рис. 2.37.

Рис. 2.38.

На рис. 2.37 цифрой 1 обозначена частота прокручивания ко­ленчатого вала двигателя при различных температурах пуска.

Расчет вольтамперных характеристик батареи и пересчет ха­рактеристик стартера на новую вольтамперную характеристику рассмотрен ранее.

Механические характеристики стартера рассчитывают следую­щим образом. Интервал тока (см. рис. 2.31) разбивают на 8-10 значений. Для каждого значения тока момент и частота вращения стартера приводятся к валу двигателя по формулам:

i_дс - передаточное число от двигателя к стартеру; η_z - КПД зуб­чатой передачи шестерня стартера - венец маховика обычно η_z = 0,8...0,9).

Точка пересечения механической характеристики стартера и момента сопротивления двигателя характеризует частоту, с кото­рой стартер вращает коленчатый вал двигателя. Выполнив указан­ные расчеты и построения для различных температур и соединив рассчитанные точки, получим рабочую кривую (см. рис. 2.37), пока­зывающую, как изменяются координаты рабочей точки при прокру­чивании двигателя в различных температурных условиях.

Совмещение характеристик n_д(Т) и n_min(T) (рис. 2.38) позволяет определить минимальную температуру пуска двигателя, при кото­рой обеспечивается минимальная пусковая частота вращения вала двигателя (T_пmin).