Исследование метода и разработка средств совершенствования 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 по 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 просто неудобство, но и обуславливает повышенный износ 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 по дальнейшему развитию отечественных эффективных систем пуска ДВС и электропривода.

Нагрузка на электрическую систему современного автомобиля постоянно 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, телеаппаратурой, рулевым управлением с электроприводом, электроприводом клапанов, электрической подвеской и т. д. подвергает существующие 12-тивольтовые системы современных автомобилей чрезмерной нагрузке.

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 сделать возможным применение нового энергоемкого дополнительного оборудования.

Бортовая система современного автомобиля (12.14 В) рассчитана на электрическую нагрузку порядка 1 кВт при токе 71 А. Например, при той же 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 мировыми производителями 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 генератор, каждая 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 В).

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 генерирования электроэнергии и запуска ДВС;

— выполнены различные методы расчета как системных, так и динамических режимов стартер — генераторных установок в стадии генерирования электрической энергии при переменной частоте вращения вала;

— за рубежом получены токоскоростные характеристики стартер — генераторных 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.

В частности остаются, не исследованы автомобильные комплексные системы СГУ для 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 и результаты исследования высокоэффективных систем пуска автомобильных 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 демпфирования представляет перспективную альтернативу механической системе демпфирования. Важным преимуществом СГУ над механическими системами демпфирования является возможность выполнения демпфирования с дискретной частотой и переменными амплитудами, а 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 газа, обеспечивая при 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 установка может рассматриваться как прообраз энергетической системы отечественного гибридного автомобиля.

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

При минимальной модернизации блока управления данная система может аккумулировать тормозную энергию автомобиля, обеспечивая значительную экономию топлива при эксплуатации в городе.

Стартер — генераторные установки, содержащие высокоэффективную электрическую машину, способны реализовать быстрый старт автомобиля, позволяют управлять автомобилем на низких скоростях с выключенным ДВС, обеспечивая удобство управления автомобилем и существенное повышение экологической безопасности в зонах интенсивного движения транспорта.

Подобная система способна компенсировать переходные процессы во время переключения передач, исключая прерывание силового потока к ведущим колесам автомобиля, снижая динамические нагрузки в 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 — 30°С) и генерирования бортовой электроэнергии на основе применения стартер — генераторных установок с микропроцессорным управлением.

Исходя из поставленной цели, определены следующие положения, выносимые 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 эксперимента, позволяющие проводить выбор рациональных энергетических и динамических (разгонных) характеристик системы «ДВС-СГУ» в зависимости от температуры окружающей среды применительно к ДВС перспективных отечественных автомобилей.

4. Данные экспериментальных исследований, проведенных с воспроизведением низкотемпературных климатических условий и с использованием бензина АИ 95 «Европейский зимний» и моторного масла SAE-5W30 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 мин «7 в 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.».