Исследование метода и разработка средств повышения пусковых характеристик автомобильных двигателей в условиях низких температур

Двигателестроительная промышленность в настоящий период переживает очередной технологический подъем, что связанно с необходимостью перехода на новый технический уровень, удовлетворяющий резко возрастающим требованиям пр экономии топлива, экологии, безопасности^- комфорту и, в целом, по повышению конкурентоспособности продукции. .

Система пуска двигателей внутреннего сгорания является одной из главных на: современном транспортном средстве. Затрудненный пуск двигателя в сложных климатических условиях создает не просто1 неудобство, но и обуславливает повышенныйизнос ДВС, снижение эксплуатационных возможностей транспортного средства, а иногда напрямую связан с проблемой обеспечения безопасности: '.

Для создания: новых высокоэффективных систем пуска ДВС и поиска скрытых резервов необходимы перспективные изделия^ обеспечивающие необходимый технический уровень.

Зарубежные аналоги позволяют наметить некоторые ориентиры not дальнейшему развитию отечественных эффективных систем пуска ДВС и электропривода.

Нагрузка на электрическую систему современного автомобиляпостоянно возрастают. Современные требования по’быстрому запуску ДВС в условиях низких температур (-27°С) вызывают необходимость использования мощных систем электропуска. Увеличивающееся потребление электрической энергии, дополнительно установленным на транспортном средстве оборудованием: аппаратурой для контроля климата в салоне, телеаппаратуройрулевым управлением с электроприводом, электроприводом клапанов, электрической подвеской и т. д. подвергает существующие 12-тивольтовые системы современных автомобилей чрезмерной нагрузке. В.

Поэтому одной из задач современного автомобилестроения? является переход на более высокие напряжения, чтобы обеспечить улучшение эксплуатационных, в том числе, и пусковых качеств транспортного средства, и сделатьвозможнымприменение нового энергоемкого дополнительного: оборудования;

Бортовая система современного автомобиля-(12.14 В) рассчитана на электрическую! нагрузку порядка 1 кВт при токе 71 А^ Напримерпри тошже силе тока (71 А) нагрузке 2 кВт соответствует оптимальное напряжение — бортовой сети 24.28 В, 3 кВт — 36.42 В, 4 кВт — 48. 56 В.

В настоящее: время ведущими мировымипроизводителями автомобилей принято стратегическое: решение о повышении уровня напряжения в бортовой сети до 42 В.

В связи с этим перспективной является концепция применения комплексных систем со стартер — генераторным устройством и микропроцессорным управлением, являющаяся ключевым элементом для повышения эффективности эксплуатационных показателей современного автомобиля:

В настоящее время для пуска ДВС и электроснабжения транспортного средства применяются две электрические машины — стартер и генераторкаждая из которых рассчитана на выполнение определенных функций.

В то же самое время СГУ при пуске ДВС работает в режиме двигателя, обеспечивая интенсивную раскрутку коленчатого вала до необходимой частоты вращения. После запуска ДВС СГУ работает в режиме генератора, обеспечивая питанием бортовые электрические сети автомобиля (12 В и- 42.

Несмотря? на-: то,. что многие зарубежные фирмы достигли' определенных результатов в создании систем многоуровневого напряжения—для* автомобилей, в нашей стране эти работы находятся на начальной стадии.

Можно отметить следующие результаты выполненных ранее работ по рассматриваемой теме:

— разработано значительное число схемных и конструктивных решений систем бортового генерированшшлектроэнергии и запуска ДВС;

— выполнены различные методы расчета как системных, так и динамическихрежимов стартер — генераторных установок в> стадии генерирования электрической энергии при переменношчастоте вращения вала;

— за рубежом получены токоскоростные характеристики стартер — -гене-раторных установок с аккумуляторными батареями на напряжение 12 и 42 В.

Однако многие вопросы в области использования СГУ в электромеханических системах запуска и генерирования бортовой энергии остаются нерешенными., г.

В частности остаются* не исследованы автомобильные комплексные, системы СГУдля запуска ДВС и генерирования, электрической, энергии с микропроцессорным управлением.

В связи с изложенным возникает необходимость в проведении анализа и обобщения известных работ, дополнительных исследований СГУ для^{выявления} пусковых и энергетических характеристик ДВС автомобиля* что? и определяет актуальность тематики диссертации.

При выполнении! диссертации? был использованы отдельные материалы ирезультаты исследования^ высокоэффективных: систем пускаавтомобильных ДВС, накопленный Российской научно-технической школой, а' также имеющийся опыт по разработке. конкретных образцов таких систем-, производимых рядом зарубежных фирм.

Следует отметить, что применение СГУ с микропроцессорным управлением предопределяет возможность совершенствования, наряду с рассмотренными выше, и других характеристик ДВС и автомобиля.

Во-первых, СГУ является эффективным гасителем (демпфером) крутильных колебаний вала ДВС. Функция* электромагнитного демпфированияпредставляет перспективную альтернативу механической системе демпфирования. Важным преимуществом СГУ над механическими системами демпфирования является возможность выполнения демпфирования с дискретной частотой и переменными амплитудамиа также возможность, снижения? вибраций при изменении нагрузки.

Во-вторых, микропроцессорная система СГУ в автоматическом: режиме может выполнять функции системы. «Stop and. Go" — которая/ отключает ДВС при отсутствии нагрузки и в режиме закрытой дроссельной заслонки и быстро включает его при нажатии на педаль газаобеспечиваяпри этом значительную экономию топлива в городском режиме движения.

В-третьих, применение системы с СГУ обеспечивает частичную:-гибридизацию энергетической установки автомобиля* (малый гибрид). Электродвигатель (в нашем случае мощностью 4,5 кВт), питаемый от аккумулятора, развивает вращающий момент, достаточный не только для: раскрутки ДВС, но и для интенсивного разгона автомобиля, работая совместно с ДВС. Таким образом, разработанная стартер — генераторная* установка6 может рассматриваться как. прообраз энергетической системы отечественного гибридного. автомобиля.

В добавление к сказанному следует отметить ряд перспективныхнаправлений развития систем с СГУ.

При-: минимальноймодернизации блока управления данная? система может аккумулировать, тормозную? энергию автомобиляобеспечивая значительную экономию топлива при эксплуатации в городе.

Стартер — генераторные’установкисодержащие: высокоэффективную электрическую машину, способны реализовать быстрый, старт, автомобиляпозволяют управлять автомобилем: на низких: скоростях с выключенным ДВС, обеспечивая удобство управления5 автомобилем и существенное-повышение экологической’безопасности: вазонах интенсивного движения? транспорта., '. ' '" .

Подобнаясистема способна компенсировать переходные процессы во время переключения передач, исключая прерывание силового потока к. ведущим колесам автомобиля, снижая динамические нагрузкив элементах трансмиссии.

Указанными выше вопросами применения СГУ на автомобилях с целью повышения пусковых, энергетических и эколого-экономических характеристик ДВС и автомобиля автор? диссертации начал заниматься с 1998 года под руководством докторов технических наук, профессоров Иващенко Н. А. и Фаталиева Н.Г.

Целью данной диссертационной работы, является исследование метода и разработка высокоэффективных средств обеспечения надежного пуска автомобильных бензиновых ДВС в, условиях низких температур окружающей? среды (до — 3 0°С) и генерирования бортовойэлектроэнергии? на основе • применения стартер — генераторных установок с микропроцессорным управлением:

Исходя" из поставленной? целиопределены следующие положениявыносимые на защиту.

1. Методические: положения, по обоснованию концепции обеспечения: низкотемпературного (до минус 30°С) пуска двигателя с искровым зажиганием, оснащенного? комплексной стартер- - генераторной? установкой* с: микропроцессорным управлением операций пуска и генерирования бортовой энергии- ¦ -: .

2. Методика расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов двигателя’и электрической? машины^ позволяющая: осуществлять поиск рациональных решений при организации режимов пуска в указанных условиях.

3: Результаты численного. экспериментапозволяющие проводить выбор рациональных энергетическихи динамических- (разгонных) — характеристик системы «ДВС-СГУ» в зависимости от температуры окружающей среды применительно к ДВС перспективных отечественных автомобилей.

4. Данные экспериментальных исследованийпроведенных с воспроизведением низкотемператзфных климатических условий и с использованием бензина АИ 95 «Европейский зимний» и моторного масла SAE-5W3О с целью определения соответствия современным международным требованиям^ пусковых характеристик ДВС, оснащенного опытной системой с СГУ и микропроцессорным управлением.

5. Рекомендации по созданию эффективных пусковых систем, разработанные на основе систематизации и обобщения теоретических и практических результатов исследования, с учетом возможности их распространения на все типы ДВС отечественных легковых автомобилей.

Стендовые и моторные испытания проведены в лабораториях ОАО «Авиаагрегат» и ОАО «АвтоВАЗ».

Диссертация выполнялась в рамках проведения научно — исследовательских и опытно — конструкторских работ Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленности России на период до 2005 года», а также подпрограммы «Исследование, разработка и выпуск опытнопромышленных партий стартер — генераторных установок с многоуровневым напряжением и электронным управлением для комплектации легковых автомобилей производства 2005.2010г.г.».

Основные результаты и выводы.

1. Сформулирована и методически обоснована концепция обеспечения низкотемпературного (до — 30°С) пуска двигателя с искровым зажиганием, оснащенного комплексной стартер — генераторной системой с микропроцессорным управлением операций пуска и генерирования бортовой энергии.

2. Разработана методика расчета параметров пускового процесса системы «ДВС-СГУ» на основе совместного моделирования рабочих процессов двигателя и электрической машины, позволяющая проводить поиск рациональных решений при организации режимов пуска в указанных условиях.

3. С использованием разработанной методики проведены численные эксперименты с целью определения энергетических и динамических (разгонных) характеристик системы «ДВС-СГУ» в зависимости от температуры окружающей среды. Установлено, что в стартерном режиме СГУ обеспечивает момент на валу ДВС 100 Н-м. При температуре -30°С СГУ раскручивает коленчатый вал ДВС до частоты вращения 70 минв течении 8,5 е., обеспечивая запуск двигателя с первой попытки.

4. Проведен комплекс экспериментальных исследований с целью проверки достоверности разработанной методики и результатов расчетного анализа, а также определения соответствия пусковых характеристик разработанного СГУ применительно к двигателям автомобилей семейства ВАЗ требованиям технического задания. Исследования проводились в климатической камере ВАЗ по заводской методике с использованием бензина АИ 95 «Европейский зимний» и моторного масла SAE-5W30. Установлено, что пусковые свойства ДВС на указанных марках топлива и масла, как и прогнозировалось расчетом, соответствуют требованиям технического задания (<10 секунд, одна попытка запуска при температуре масла в двигателе минус 27°С).

5. Проведена систематизация и обобщение полученных теоретических и практических результатов исследования с учетом возможности их распространения на все типы перспективных отечественных легковых автомобилей с механической трансмиссией.

6. Методически обоснован выбор параметров стартер — генераторного устройства на базе вентильного двигателя применительно к ДВС автомобиля ВАЗ 2112- разработана техническая документация по компоновке СГУ в картере сцепления без существенных изменений конструкции двигателя и трансмиссии.

7. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении научно — исследовательских и опытно — конструкторских работ Федеральной целевой программы «Развитие автомобильной промышленности России на период до 2005 года», а также подпрограммы «Исследование, разработка и выпуск опытно — промышленных партий стартер — генераторных установок с многоуровневым напряжением и электронным управлением для комплектации легковых автомобилей производства 2005.2010г.г.».