Характеристики работы стартерного электродвигателя на ДВС

Пригодность системы электростартерного пуска для двигателя внутреннего сгорания оценивается по условию n_n³n_min,, где n_n - пусковая частота вращения коленчатого вала стартером при расчетной минимальной температуре t_min.

Минимальная пусковая частота вращения n_min является наименьшей для заданной температуры частотой вращения коленчатого вала, при которой пуск двигателя обеспечивается за две попытки старта продолжительностью 15 с для дизельных двигателей с интервалами между попытками в 1 мин. Она определяется по пусковым характеристикам, представляющим собой зависимость времени пуска двигателя от средней частоты вращения коленчатого вала.

Частоту вращения коленчатого вала n_n для различных условий пуска определяют путем совмещения характеристик, определяющих зависимость момента сопротивления двигателя внутреннего сгорания от частоты вращения коленчатого вала M_C.CP = f(n_CP) и приведенных к коленчатому валу механических характеристик стартерного электродвигателя M_2ПР = f(n_CP). Приведение осуществляется по формулам и , где i_P и h_P - передаточное число и КПД механической связи.

Величина среднего момента сопротивления определяется для режима установившегося прокручивания коленчатого вала. За время раскручивания вала вся работа сил трения переходит в тепловую энергию, которая идет на нагрев тонких слоев масла между трущимися поверхностями. Вязкость масла уменьшается. С возрастанием частоты вращения вала сила трения, а, следовательно, и тепловыделение увеличиваются. Время на охлаждение масла уменьшается, поэтому рост момента сопротивления замедляется при увеличении частоты вращения вала - момент сопротивления стремится к постоянной величине. Характер изменения момента сопротивления не зависит от начальной вязкости масла.

С понижением температуры момент сопротивления увеличивается, а механическая характеристика электростартера смещается вниз, поэтому частота вращения коленчатого вала n_n уменьшается. Минимальная пусковая частота вращения, обеспечивающая запуск ДВС, с понижением температуры увеличивается. Произведя расчет характеристик M_C.CP = f(n_CP) и M_2ПР = f(n_CP) для различных температур, можно построить зависимости n_n = f(t °C) и n_min = f(t °C), точка пересечения которых определяет значение минимальной температуры пуска ДВС для рассчитанной электростартерной системы.

Минимальная температура пуска - это наиболее низкая температура окружающего воздуха, при которой пуск двигателя на основном топливе и при 75% заряженности аккумуляторной батареи осуществляется не более чем за три попытки.

В качестве двигателя внутреннего сгорания выбираем четырехтактный четырехцилиндровый двигатель Mersedes-Benz ОМ 601.911.

Рабочий объем двигателя: V_h = 1997 cм³.

Степень сжатия: 22.

Передаточное число передачи «шестерня стартера - зубчатый венец маховика»:

(8.1)

где m_МАХ = 128 - число зубьев маховика;

m_СТ = 9 - число зубъев шестерни стартера.

КПД передачи «шестерня стартера - зубчатый венец маховика» [2, стр. 23]: h_Р = 0,85.

Принимаем, что используется моторное масло М-6В₃. Вязкостно-температурные характеристики приведены на рисунке 13.

Рисунок 13 - Вязкостно-температурные характеристики моторных масел:

1 - М-8В₂; 2 - М-10Г₃; 3 - М-6В₃

С уменьшением температуры аккумуляторной батареи увеличивается ее внутреннее сопротивление. Единые расчетные вольт-амперные характеристики аккумуляторных батарей приведены на рисунке 14.

Рисунок 14 - Единые расчетные вольт-амперные характеристики аккумуляторных батарей

Таким образом, получаем таблицу исходных данных для расчета характеристик работы стартерного электродвигателя на ДВС.

Таблица 3-Исходные данные для расчета характеристик работы стартерного электродвигателя на ДВС

t, °C	n, мм2/с	IКЗ, А
-10
-20
-30

Для расчета сопротивления аккумуляторной батареи из рисунка 14 находим, что для t = 25 °C I_КЗ = 1500 А.

Сопротивление аккумуляторной батареи при t = -10 °C

(8.2)

Полное сопротивление стартерной цепи

R_ЯS = R_CT + R_-10 + R_ПР = 0,00301 + 0,011 + 0,002 = 0,016 Ом. (8.3)

Произведя расчет для температур 0, -20 и -30 °С, получим таблицу сопротивлений:

Таблица 4 - Зависимость сопротивления от температуры

t, °C	RБ, Ом	RЯS, Ом
	0,0097	0,0146
-10	0,011	0,016
-20	0,013	0,0182
-30	0,017	0,0218

По результатам расчета сопротивлений строим скоростные характеристики стартерного электродвигателя, при этом принимаем, что скорость электродвигателя

(8.4)

где n_Я и I_Я берутся из таблицы 2.

Для построения совмещенных механических характеристик стартера и двигателя рассчитаем приведенные характеристики по формулам

(8.5)

(8.6)

Средний момент сопротивления двигателей внутреннего сгорания для дизельных двигателей с количеством цилиндров 4 можно рассчитать по эмпирической формуле

M_CP = (1870 + 2,57×n)×n^0,37×V_h. (8.7)

Рисунок 15 - Совмещенные механические характеристики стартерного электродвигателя и ДВС

n об/мин

М Н*м

Таким образом, произведя расчет по формулам (8.4) - (8.7) для нескольких значений сопротивлений и скорости, получим совмещенные механические характеристики.

Из рисунка 15 получим следующие точки пересечения кривых:

Для t = 0 °C n_ПЕР = 240 об/мин.

Для t = -10 °C n_ПЕР = 200 об/мин.

Для t = -20 °C n_ПЕР = 150 об/мин.

Для t = -30 °C n_ПЕР = 60 об/мин.

Предельная температура надежного пуска находится совмещением полученной зависимости и зависимости минимальной пусковой частоты вращения от температуры. Минимальной пусковой частотой вращения n_min коленчатого вала двигателя называется частота, при которой обеспечивается пуск двигателя за 15 с (для дизелей). Так, для 4-цилиндровых дизелей при t = -17 °C n_min = 200 об/мин [5, стр. 103]. Зависимость минимальной пусковой частоты вращения карбюраторных двигателей при использовании масла М-6В₃ от температуры приведена на рисунке 16-2.

Рисунок 16- Минимальные пусковые частоты вращения карбюраторных двигателей:

1 и 2 - 4-цилиндровых при применении масла М-8В₂ и М-6В₃; 3 - 8-цилиндрового.

Так как дизельные двигатели имеют более высокую минимальную пусковую частоту вращения, то значения характеристики необходимо увеличить в 3 раза, в результате чего получим минимальные пусковые частоты вращения дизельного двигателя при использовании масла М-6В₃.

Для t = -10 °C n_min = 90 об/мин.

Для t = -15 °C n_min = 135 об/мин.

Для t = -20 °C n_min = 180 об/мин.

Для t = -25 °C n_min = 240 об/мин.

Построив найденные зависимости на одном графике, найдем минимальную температуру пуска двигателя, она равна t = -18 °C.

Рисунок 17- Определение минимальной температуры пуска двигателя

Схема управления стартером

В качестве схемы управления применяем схему с однообмоточным тяговым реле, питание на обмотку которого поступает непосредственно через контакты S выключателя зажигания при повороте ключа в положение «Стартер». Якорь реле втягивается в электромагнит, через рычажный механизм вводит шестерню в зацепление с венцом маховика и в конце хода замыкает силовые контакты К в цепи питания электродвигателя М. Электродвигатель начинает вращаться и проворачивать коленчатый вал ДВС.

После пуска ДВС шестерня от вала стартера отсоединяется обгонной муфтой, а при переводе ключа в положение «Зажигание» якорь отключенного от источника питания тягового реле и приводной механизм под действием пружины возвращаются в исходной положение.

Электрическая схема управления электростартером приведена на рисунке 18.

Рисунок 18- Электрическая схема управления электростартером.

Приложение 1 - Кривая намагничивания

Рисунок 1 - Кривая намагничивания

Приложение 2 - Рабочие характеристики

Рисунок 1 - Рабочие характеристики

Приложение 3 - Зависимость числа оборотов от температуры

Рисунок 1 - Зависимость числа оборотов от температуры

Список литературы

1. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования. Учебник для машиностроительных техникумов по специальности "Автотракторное электрооборудование"/Л. В. Копылова, В. И. Коротков, В. Е. Красильников; Под ред. М. Н. Фесенко и др. - М. Машиностроение, 1992. - 384 с., ил.

2. Теория, конструкция и расчет автотракторного электрооборудования. Учебник для машиностроительных техникумов по специальности "Автотракторное электрооборудование"/Л. В. Копылова, В. И. Коротков, В. Е. Красильников; Под ред. М. Н. Фесенко и др. - М. Машиностроение, 1979. - 344 с., ил.

3. Электрическое и электронное оборудование автомобилей/ С.В.Акимов, Ю.И.Боровских, Ю.П.Чижков. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.: ил.

4. Сергеев П.С. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е переработ. - М.: Энергия,1969. - 632 с.

5. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей: Учеб. для студентов вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2000. 320 с.

6. Чижков Ю.П., Акимов С.В. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: Издательство «За рулем», 1999. - 384 с., ил.

Стандарт предприятия. Общие требования к оформлению пояснительных записок и чертежей. СТП-1-У-НГТУ-98. / НГТУ, Нижний Новгород, 1998 г