Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат технических наук Кошкин, Валерий Валерьевич

• Кошкин, Валерий Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кошкин, Валерий Валерьевич

Список использованных сокращений.

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Особенности создания и развития систем пуска двигателей.

1.2 Общая характеристика электростартерного пуска двигателя.

1.3 Анализ средств повышения надежности и эффективности электростартерного пуска двигателей.

1.4 Анализ характеристик суперконденсатора и аккумуляторной батареи для использования в электростартерном пуске.

1.4.1 Анализ характеристик суперконденсатора.

1.4.2 Анализ характеристик стартерной аккумуляторной батареи.

1.5 Выводы по главе 1. Обоснование цели и задач исследования.

Глава 2. Исследование режима пуска двигателя.

2.1 Обоснование общих методов исследования.

2.2 Методика определения мощности энергоисточника.

2.2.1 Определение момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала при температуре окружающего воздуха.

2.2.2 Определение потребной мощности энергоисточника.

2.3 Методика определения режима пуска двигателя.

2.4 Выводы по главе 2.

Глава 3. Теоретические исследования электростартерного пуска с суперконденсатором.

3.1 Разработка принципиальной схемы зарядно-разрядного устройства.

3.2 Математическое описание процесса заряда суперконденсатора от АБ и пуска.

3.3 Расчет процессов в системе электростартерного пуска.

3.3.1 Система электростартеного пуска с АБ и суперконденсатором.

3.3.2 Система электростартеного пуска с АБ.

3.3.3 Система электростартеного пуска с суперконденсатором.

3.4 Расчет параметров суперконденсатора и АБ.

3.6 Выводы по главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования системы электростартерного пуска с суперконденсатором и аккумуляторной батарей.

4.1 Объект исследований.

4.2 Программа и методика исследований.

4.3 Исследование пуска от АБ.

4.4 Исследование совместного пуска от АБ и суперконденсатора.

4.5 Исследование совместного пуска двигателя от АБ уменьшенной емкости и суперконеднсатора.

4.6 Исследование пуска с суперконденсатором.

4.7 Выводы по главе 4.

Глава 5. Экономическая эффективность совместного использования аккумуляторной батареи и суперконденсатора в электростартерном пуске двигателя внутреннего сгорания.

5.1 Составляющие факторы экономической эффективности.

5.2 Годовая экономическая эффективность в эксплуатации.

5.3 Технико-экономическая эффективность в народном хозяйстве.

5.4 Годовая эффективность за счет улучшения экологии.

5.5 Экономическая эффективность на заводе.

5.3 Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора»

Большая часть территории России расположена в умеренных и холодных климатических районах. Климат меняется от морского на северо-западе до резко континентального в Сибири. Средние температуры января колеблются от 0 до -50 °С, а июля от +1 до +25 °С[1-5].

Отрицательное воздействие на двигатель оказывает низкая температура масла, поступление холодного воздуха и топлива, понижение общего теплового режима, уменьшение сопротивления металлов в результате возникают т. н. пусковые изно-сы. Износы в режиме пуска и послепускового прогрева, например дизеля, составляют 7 % от общего износа двигателя [5, 6]. При температуре от -15 до -30 °С холодный пуск и работа двигателя в период прогрева дают износ эквивалентный от 18 до 30 км пробега [5, 6]. Пусковой износ может увеличиться в 8-12 раз при нарушении режимов послепускового прогрева или из-за раннего форсирования числа оборотов коленчатого вала, а так же длительной работы на оборотах холостого хода [5, 6]. Пониженная температура оказывает отрицательное воздействие не только в период пуска и послепускового прогрева, но и в начальный период движения. Это связано с пониженным тепловым режимом двигателя и возрастанием нагрузки. При температуре охлаждающей жидкости 40 °С темпы износа гильз цилиндров возрастают в 4 раза, а при 50° С только в 2, по сравнению с нормой [5,6].

Эксплуатация автомобиля при отрицательных температурах сопряжена с увеличением расхода топлива, которое объясняется неполнотой сгорания, связанной с ухудшением испарения и распыла топлива [5-19]. Суммарные потери топлива за счёт стоянок при типичных режимах движения и температуре окружающего воздуха - 40 °С составляют относительно безостановочного движения в городе до 9 %, а за городом около 2 % [5 - 6].

В настоящее время используются различные по конструкции и назначению устройства облегчающие пуск двигателя в условиях отрицательных температур.

Эти устройства предназначены для уменьшения негативных факторов, действующих на двигатель автомобиля и его системы в холодное время года.

Для пуска автотракторных двигателей наибольшее распространение получили электростартерные системы пуска с использованием стартерных свинцовых аккумуляторных батарей (АБ), срок службы которых на тракторах составляет, как правило, 2-3 года [20 - 26].

Существенным недостатком АБ является то, что с понижением температуры их стартерные характеристики резко ухудшаются из-за возрастания электрического сопротивления электролита, а при температуре ниже минус 30 °С батареи становятся практически неработоспособными в стартерном режиме разряда [20 - 26]. Кроме того, при температурах ниже минус 10-15 °С АБ плохо принимают заряд [20 - 26].

В связи с вышеизложенным большой интерес представляют работы по созданию электростартерных систем пуска с использованием импульсных конденсаторов энергоемких (ИКЭ) или суперконденсаторов [27 - 32]. Основными преимуществами суперконденсаторов по сравнению со свинцовыми стартерными АБ являются высокая пиковая удельная мощность, практически неограниченное число циклов полного заряда-разряда, герметичность и отсутствие необходимости обслуживания в эксплуатации в течение всего срока службы, сохранение работоспособности при температурах до минус 40 °С, большой ресурс (до 10 лет), экологическая чистота эксплуатации [31]. Предполагается, что с применением суперконденсаторов можно будет существенно увеличить надежность и эффективность пуска двигателей в различных условиях эксплуатации и комплектовать тракторы, строительно-дорожные машины и грузовые автомобили АБ значительно меньшей емкости, это особенно важно для народного хозяйства России, где низкий уровень эксплуатации автотракторной техники.

Заключение диссертации по теме «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», Кошкин, Валерий Валерьевич

Общие выводы

1. В результате теоретического и экспериментального исследования даны рекомендации по увеличению срока службы суперконденсаторов ИКЭ 40/28М в МНПО «ЭКОНД» за счет применения разработанной системы электростартерного пуска.

2. Разработаны электрические схемы подключения суперконденсатора в электростартерной системе пуска. Получен источник электропитания электростартерного пуска двигателя с вспомогательным пусковым элементом.

3. Представлен баланс потребной мощности энергоисточника электростартерного пуска двигателя. Показана возможность повышения пусковой частоты вращения коленчатого вала двигателя за счет использование суперконденсатора. Разработана методика обоснования емкости суперконденсатора.

4. Установлено, что в совместном пуске АБ и ИКЭ, основная нагрузка в течение первых секунд прокручивания падает на ИКЭ. Однако дальнейшее вращение приводит к тому, что токи разряда АБ возрастают (ИКЭ практически уже не работает). Последнее может привести к снижению срока службы АБ из-за коробления электродов.

5. Наиболее рациональной системой применения импульсных конденсаторов энергоемких при электростартерном пуске является такая, когда ИКЭ заряжается от аккумуляторных батарей и при пуске двигателя батарея не используется.

6. Рационально использование тепла выделяемого на зарядном резисторе зарядно-разрядного устройства, для прогрева систем двигателя, т.е. использовать вместо резистора свечи накаливания для разогрева масла топлива и охлаждающей жидкости и др.

7. Применение в системе электростартерного ■ пуска двигателя суперконденсатора позволит применять АБ уменьшенной емкости в 1,5 — 2 раза.

8. Результаты выполненного исследования рекомендованы к внедрению:

- на заводах автотракторной промышленности — система пуска

- в эксплуатирующих организациях - увеличение срока службы работающих АБ и установка уменьшенной емкости взамен отслуживших при использовании суперконденсатора.

9. Экономический эффект от внедрения проектных предложений серийно, составит:

- в эксплуатации 1,79 млн.руб.;

- в народном хозяйстве за счет улучшения экологии 444,1 тыс.руб.

- на заводе при цене комплекта ИКЭ 6100 руб. 303,6 тыс.руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кошкин, Валерий Валерьевич, 2004 год

1. Кавтарадзе Д.Н., Николаева Л.Ф., Поршнева Е.Б и др. Автомобильные дороги в экологических системах (проблемы взаимодействия). М.: ЧеРо, 1999, 240 с.

2. Тупицыя Ю.Ю. Эколого-экономическая эффективность природопользования. М.: Наука, 1980, 180 с.

3. Петрухин В.А., Донченко В.В., Виженский В.А. Воздействие транспорта на состояние окружающей среды. (Научно-аналитический доклад.) М.: Мин-трасРФ, 1996, С 10-13.

4. Черноиванов В.И. Проблемы технического сервиса в АПК России// Техника в сельском хозяйстве, 1993. №5.5. ГОСТ 15150-69

5. Иофинов С.А., Лышко Г.П. Эксплуатация машинно-транспортного парта. М.: Колос, 1984,208 с.

6. Кутьков Г.М. Теория трактора и автомобиля. М.: Колос, 1996, 226 с.

7. Пылаев Б.В. Компрессорно-поршневой двигатель и его термодинамический расчет// Вестник машиностроения, 1996. №12.

8. Скотников В.А., Мащенский А.А., Солонский А.С. Основы теории и расчета трактора и автомобиля. М.: Агропромиздат, 1986, 307 с.

9. Степанов В.Н., Шлоссер Б. Экспериментальное нецелесообразности вращения заряда в цилиндре дизеля при пуске в условиях низких температур// Двигателестроение, 1984. №9 С. 5-7.

10. Степанов В.Н. Тюнинг автомобильных двигателей. Спб., 2000, 82 с.

11. Ухарский В.Б. Техническое обслуживание и ремонт автобусов: Управление качеством и эффективность. М.: Транспорт, 1986,207 с.

12. Пинский Ф.И. Конструктивные средства совершенствования электрогидравлических форсунок дизелей// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 76-82.

13. Фомин В.М., Носков Н.И. О перспективе создания рассийского дизеля с высокими эколого-экономическими качествами// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 42-44.

14. Дмитриевский А.В. Особенности рабочих процессов бензиновых двигателей с качественным регулированием нагрузки// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 152-157.

15. Каменев Ф.Ф., Нгуен Кхеу, Алешин С.В. Особенности процессов газообмена бензинового двигателя на режимах глубокого дросселирования// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 188-197.

16. Гришин Ю.А. Аналитический расчет истечения через выпускной клапан// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 135-140.

17. Будыко Ю.И., Духнин Ю.В., Коганер В.Э. и др. Аппаратура впрыска легкого топлива автомобильных двигателей. JL: Машиностроение, 1988, 288 с.

18. Павлов Е.И., Бурелев Ю.В. Экология транспорта. Учебник для вузов. М.: Транспорт, 1998 г.

19. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М.: Транспорт, 2000, 320 с.

20. Боровских Ю.И., Старостин А.К., Чижков Ю.П. Стартерные аккумуляторные батареи. М.: Фонд ЭГ, 1997,157 с.

21. Дасоян М.А., Тютрюмов О.С., Аранчук Е.С. и др. Эксплуатация и ремонт стартерных аккумуляторных батарей. М.: Транспорт, 1977. 152 с.

22. Соснин Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей: Учебное пособие, М.: СО-ЛОН-Р, 2001,272 с.

23. PNGV Battery Test Manual, DOE/ID-10597, Revision 3, published February 2001. (It is intended that the most recent version of this manual should be used for reference.)

24. USABC Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual, Revision 2, DOE/ID-10479, January 1996.

25. Handbook of Batteries, Third Edition, David Linden and Thomas B. Reddy, editors, McGraw-Hill, 2001.

26. Менделеевич Я.А., Водорезов С.В. Системы зажигания и пуска. Конденсаторные для легковых автомобилей //Автомобильная промышленность, 1991, №10, С 11-12.

27. Квайт С.М., Менделеевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей// Машиностроение, М., 1990. С 7-14.

28. Frank Lev. 42 Volt Super-Capacitor Provides Cranking Amps to Integrated Starter Alternator. April 12, 2002.

29. Чижков Ю.П. Пусковые характеристики автомобильного двигателя при электроснабжении стартера от высоковольтных конденсаторных батарей// Автомобильные и тракторные двигатели, 2001. выпуск 17 С. 104-110.

30. Проспект ООО МНПО «ЭКОНД».

31. Фесенко М., До Ван Зунг. Конденсатор помощник. За рулем, 1995, №4 С 68.

32. Луканин В.Н., Алексеев И.В., Шатров М.Г. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2: Учебник для вузов, М.: Высшая школа, 1995, 319 с.

33. Чулков П.В., Чулков И.П. Топлива и смазочные материалы: ассортимент, качество, применение, экономия, экология. М.: «Политехника», 1996.35. ГОСТ 159-52 (Антифриз).36. ТУ 6-02-751-86 (Тосол).

34. ТУ 6-01-7-153-83 (ОЖ Лена).38. ТУ 6-10-1533-75 (БСК).39. ТУ 6-01-1163-78 (Нева).

35. Кузнецов Е.С., Воронов В.П., Болдин А.П. и др. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов, М.: Транспорт, 1991,413 с.

36. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учеб. Пособие для вузов. — 10 е изд., испр. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 504 с.

37. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. Учебник для химико-технол. Специальностей вузов. Изд. Зе, перераб. И доп. М., «Высш. школа», 1975. 320 с.

38. Patent of US, F, 4597028 (MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO.), 24.06.86.

39. Patent of US, A, 4604788 (THE STANDART OIL COMPANY), 12.08.86.

40. Patent of US, A, 4896249 (MURATA MANUFACTURING CO., LTD), 23.01.90.

41. Patent of ЕР, Bl, 0187163 (MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO.), 28.03.90.

42. Patent of DE, Al, 3210420 (SIEMENS AG), 22.09.88.

43. Maxwell. Ultracapacitors Data sheets and technical information for 1,000 and 2,500 Farads, Maxwell publications.

44. L. A. Viterna, Ultra-Capacitor Energy Storage in a Large Hybrid Electric Bus, NASA Lewis Research Center, 21000 Brookpark Rd., Cleveland, Ohio 44135. 14th Electric Vehicle Symposium, 1996 on CD ROM.

45. F. Caricchi, F. Crescimbini, F. Giulii Capponi, L. Solero, Ultracapacitors Employment in Supply Systems for EV Motor Drives: Theoretical Study and Experimental Results, University of Rome. 14th Electric Vehicle Symposium, 1996 on CD ROM.

46. A. F. Burke, Electrochemical Capacitors for Electric Vehicles. Technology Update and Implementation Considerations, University of California at Davis, EVS-12 Symposium Proceedings, pp.27-36, 1996.

47. Powersim Technologies. PSIM Version 4.1, for Power Electronics Simulations. User Manual. Powersim Technologies, Vancouver, Canada, http://www.powersimtech.com.

48. B.E. Conway, Electrochemical Capacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications, Kluwer AcademicrPlenum, 1999.

49. I.D. Raistrick, R.J. Sherman, Electrical Response of Electrochemical Capacitors based on High Surface Area Ruthenium Oxide Electrodes, Los Alamos National Laboratory, Report No. LA-UR-87-2340,1987.

50. ГОСТ 3940 — 84. Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия.

51. Иванов A.M., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя //Электричество. 1991. №8. С 12-22.

52. Изобретение №2068607. Источник электропитания импульсного потребителя вспомогательной нагрузки/ Иванов A.M., Герасимов А.Ф., Поляшов Л.И. 1994.

53. Изобретение №2074475. Емкостно-кинетический накопитель электроэнергии/ Поляшов Л.И., Иванов A.M., Герасимов А.Ф. 1994.

54. Изобретение №2095615. Устройство электростартерного запуска двигателя внутреннего сгорания/ Лобко В.П., Кузнецов С.В., Проживалов А.В. 1996.

55. Изобретение №2119593. Устройство для внешнего запуска двигателей внутреннего сгорания/ Величко Д.А., Ионов А.А., Речкалов В.П. 1997.

56. Изобретение №2119592. Автономный энергоагрегат для запуска двигателей внутреннего сгорания/ Величко Д.А., Ионов А.А., Лобко В.П. 1997.

57. Изобретение №2135818. Вспомогательное устройство для системы электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания/ Поляшов Л.И:, Иванов A.M., Герасимов А.Ф. 1995.

58. Изобретение №94028982. Система электростартерного запуска подвесного лодочного мотора/ Поляшов Л.И., Иванов A.M., Герасимов А.Ф. 1994.

59. I.D. Raistrick, Electrochemical capacitors, in: J. McHardy, F. Ludwig (Eds.), Electrochemistry of Semiconductors and Electronics-Process and Devices, Noyes Publications, 1992, Chap. 7.

60. F.M. Delnik, D. Ingersoll, D. Firsich, Double-layer capacitance of carbon foam electrodes, Proceedings of the Third International Seminar on Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfleld Beach, FL, December 1994.

61. R.R. Tong et al., Power characteristics of the ultracapacitor, Proceedings of the Ultracapacitor, Proceedings of the 33 rd International Power Sources Symposium, Cherry Hill, NJ, June 1988.

62. Y.M Volfkovich, P.A. Shmatko, High energy density supercapacitor, 8th International Seminar on Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, December 1998, Paper presented.

63. N. Marincic, F.P. Ortloff, Continuing scale-up of carbon based electrochemical capacitors, Proceedings of the 7th International Seminar on Double-layer Capacitors and Similar Energy Storage Devices, Deerfield Beach, FL, December 1997.

64. Изобретение №2030083. Источник электропитания импульсного потребителя/ Иванов A.M., Поляшов Л.И., Радионов Н.И. 1992.

65. Изобретение №2042541. Система электрического запуска дизеля/ Иванов A.M., Поляшов Л.И., Радионов Н.И., и др. 1992.

66. Полезная модель. №2003122467. Источник электропитания электростар-терного пуска двигателя/ Кошкин В.В. 2003.

67. Полезная модель. №2003122466. Источник электропитания электростартерной) пуска двигателя с импульсным конденсатором/ Кошкин В.В. 2003.

68. Богатырев А.В., Корабельников А.Н., Чумаков В.Л. Тракторы и автомобили: Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы. Часть 1. Двигатели, М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 1995, 87 с.76. Internet, www.yandex.ru

69. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учебник для вузов. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. - 496 с.

70. Бут Д.А. Основы электромеханики: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ 1996.-468 с.

71. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. 2-е изд., доп. М.: «СОЛОН-Р», 2001. - 726 с.

72. Генман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем MATLAB 6.0: Учебное пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

73. Гультяев А- Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс СПб: Питер, 2000. - 432 с.

74. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. — СПб.: Питер, 2002. — 528 с.

75. Официальный сайт Челябинского тракторного завода.

76. ТУ 118874-99. МНПО «ЭКОНД».

77. ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний».

78. Полезная модель. №2004100397. Источник электропитания электростартерного пуска двигателя с вспомогательным пусковым элементом/ Андреев О.П., Дидманидзе О.Н., Иванов С.А., Кошкин В.В. 2004.

79. Конкин Ю.А. Экономическое обоснование внедрения мероприятий научно-технического прогресса в АПК. М.: МИИСП, 1991. - 79 с.

80. Коржов А.К. Как рассчитать экономический эффект. Автомобильный транспорт, №3, 1982.-40.

81. Корчагин В.А., Птицин Д.В. Расчет экономической эффективности внедрения новой техники на автотранспортных предприятиях.: Киев, Техника, 1980. 108 с.

82. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рациоанализаторских предложений. М.: Экономика, 1977. 56 с.

83. Хачатуров Т.С. Эффективность капитальных вложений. М.: Экономика, 1979. 582 с.

84. Андрианов Ю.В. Введение в оценку транспортных средств. Серия «Оценочная деятельность». Учебно-методическое пособие. М.: Дело, 1998. 256 с.

85. Методические рекомендации по определению платы за выбросы, сбросы (размещение) загрязняющих веществ в природную среду/ Гос. ком. СССР по охране природы. М.: 1991,71 с.

86. Официальный сайт Подольского аккумуляторного завода.96. internet, www.battery.ru

87. Гинзбург Ю.В., Швед А.И., Парфенов А.П. Промышленные тракторы. М.: Машиностроение, 1986. 296 с.

88. Васильева JI.C. Автомобильные эксплуатационные материалы. М.: Транспорт, 1986. 184 с.

89. Базовые нормативы платы за выбросы, сбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду и размещение отходов. Приказ министра от 27 ноября 1992 г N 632. Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации.

90. Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях (НИИАТ). М.: 1996, 54 с.