Проектирование системы запуска
Система запуска
Требования к системе запуска
Условия пуска двигателя
Для запуска двигателя внутреннего сгорания требуются следующие условия:
♦ образование горючей смеси;
♦ сжатие смеси;
♦ воспламенение смеси;
♦ достижение минимальной пусковой скорости орошения (около 100 об/мин).
Для выполнения трех первых условий должна быть достигнута .минимальная стартовая скорость вращения коленчатого вала двигателя. Именно здесь на помощь приходит электрический стартер. Способность достичь указанной минимальной
скорости в свою очередь зависит от ряда факторов,
среди которых:
♦ номинальное напряжение системы запуска;
♦ самая низкая температура, при которой все еще возможно запустить двигатель. Она, известна как предельная температуря запуска;
♦ крутящий момент, требуемый двигателю при предельной температуре запуска (включая начальный крутящий момент, необходимый для преодоления сопротивления покоя);
♦ состояние аккумуляторной батареи;
♦ падение напряжения питания между батареей и стартером;
♦ передаточное отношение от шестерни стартера к зубчатому венцу маховика;
♦ характеристики стартера;
♦ минимальная скорость проворачивании двигателя при предельной температуре запуска.
В пределах электрической системы транспортного средства, показанной на рис. 7.1, невозможно рассматривать стартер как изолированный компонент, решающее значение имеет и батарея.
Другой крайне важный момент – предельная температура запуска. На рис. 7.2 показано, как по мере уменьшения температуры падает и крутящий момент стартера, а крутящий момент, требуемый для проворачивания двигателя до его минимальной скорости запуска, увеличивается.
Типичные предельные температуры запуска от-18 до-25°С для легковых автомобилей и от-15 до-20°С для грузовиков и автобусов. Изготовители стартеров обычно указывают крутящий момент и при +20°С, и при —20°С.
Проектирование системы запуска
Система запуска любого транспортного средства должна удовлетворять множеству критериев, помимо ранее упомянутых:
♦ длительный срок службы и отсутствие необходимости обслуживания;
♦ постоянная готовность к работе;
♦ прочный корпус, способный противостоять силам, мешающим произвести запуск, вибрации, коррозии и температурным циклам;
♦ по возможности минимальные размеры и вес.
На рис. 7.3 показано общее расположение узлов в системе запуска. Важно определить минимальную скорость проворачивания коленчатого вала для конкретного двигателя. Она значительно изменяется в зависимости от тина и конструкции двигателя. Некоторые типичные значения для температуры -20°С приведены в табл. 7.1. Номинальное напряжение электрической системы для легковых автомобилей (почти без исключения) 12 В. В грузовиках и автобусах, оно, как правило, равно 24 В, поскольку это позволяет использовать ток вдвое меньше того, который требовался бы 12-вольтовой системе, чтобы развить ту же самую мощность. Эта также значительно уменьшает паление напряжения на проводах, поскольку длина проводок, используемых на грузовиках, обычно больше, чем на легковых автомобилях.
Номинальный крутящий момент электродвигателя стартера можно определить на испытательном стенде. Стартерная батарея максимальной емкости, заряд которой при —20 °С снижается на 20%, соединена со стартером кабелем с сопротивлением 1 мОм. Эти условия гарантируют, что стартер будет в состоянии работать даже при самых неблагоприятных ситуациях. Теперь можно измерить мощность стартера на типичных эксплуатационных режимах. Его номинальная мощность соответствует мощности, отбираемой \ батареи за вычетом потерь в меди (из-за сопротивления цепей питания), потерь в железе (из-за вихревых токов, наводимых в сердечнике стартера) и потерь на трение.
На рис. 7.4 показана эквивалентная схема для стартера и батареи. Она показывает, что выходная мощность стартера достаточно точно определяется сопротивлением цепей стартера и внутренним сопротивлением батареи. Чем ниже потное сопротивление цепи, тем выше мощность стартера.
При проектировании системы запуска учитываются еще два аспекта. Местоположение стартера на двигателе обычно предопределено конструкцией двигатели, но положение батареи должно быть проанализировано. На ее расположение влияют и
другие факторы, но если батарея будет ближе к стартеру, то кабели будут короче. При большой длине понадобятся кабели с большим поперечным сечением, гарантирующим низкое сопротивление.
В зависимости от намеченного применения транспортного средства могут потребоваться специальные меры герметизации стартера, чтобы предотвратить попадание в него грязи. Современные
стартеры разработаны с учетом этих обстоятельств, что делает их пригодными даже для внедорожных автомобилей.
Выбор двигателя стартера
Примем как руководство к действию, что мотор стартера должен удовлетворять всем критериям, которые мы обсудили ранее. Чтобы определить крутящий момент, требуемый от стартера, вернемся к рис. 7.2, на котором показан крутящий момент, необходимый для проворачивания вала двигателя с учетом минимальной скорости вращения.
Изготовители двигателей стартера предоставляют его характеристики в форме графиков. Подробно они будут обсуждаться в следующем раздаю. Эти данные показывают крутящий момент, скорость вращения, мощность и потребление тока стартера при +20 и -20°С.
Оценка мощности стартера дастся при температуре- 20°С и использовании рекомендованной батареи.
На рис. 7.5 показано, как необходимая выходная мощность стартера соотносится с характеристиками двигателя.
В общем случае крутящий момент стартера, требуемый на литр объема двигателя при предельной температуре запуска, находится по табл. 7.2.
Больший крутящий момент требуется дли двигателей с меньшим числом цилиндров из-за большего хода поршня в цилиндре. Этот фактор определяет пиковые значении крутящего момента. Другой главный фактор — степень сжатия.
Чтобы иллюстрировать связь между вращающим моментом и мощностью, предположим следующее. При самых худших условиях (-20 °С), двухлитровый двигатель с четырьмя цилиндрами требует для преодоления статического трения момент в 480 Нм и
момент в 160 Нм, чтобы поддерживать минимальную скорость вращения 100 об/мин. С учетом связи шестерни стартера с винцом маховика через передаточное отношение 1:10 стартер должен быть
способен создать максимальный крутящий момент 48 Нм и крутящий момент движении 16 Н м, Надо учесть, что начальный крутящий момент, вообще говоря, в три-четыре раза больше крутящего момента проворачивания шла двигателя. Крутящий момент связан с мощностью следующим соотношением:
Р=Tω,
гае Р - мощность, Т - крутящий момент и ω-угловая скорость.
где п- число оборотов в минуту.
В этом примере мощность, развиваемая стартером при 1000 об/мин с крутящим моментом 16 Нм (на стартере), равна 1680 Вт. Обращаясь снова к рис. 7,5, находим, что идеальным выбором, невидимому, будет стартер, отмеченный буквой «с». В этом случае можно рекомендовать батарею емкостью 55 Л/ч при токе холодного пуска 255 А.
Двигатели и цепи стартера
Цепи системы запуска
По сравнению с большинством других схем, на современных автомобилях схема стартера крайне проста. Тем не менее, проблема, которую нужно будет преодолеть, заключается в падении напряжения через подводящие провода. Стартер обычно
задействуется подпружиненным ключом, и тот же самый ключ управляет зажиганием и сопутствующими схемами. Питание от ключа (как правило, через реле) активирует соленоид пускового
реле, а пусковое реле, в свою очередь, посредством контактов управляет мощным током. В некоторых случаях на соленоиде имеется дополнительная клемма, которая обычно используется,
чтобы обойти балластный резистор в схемах управления
зажиганием нем и топливным насосом при работе стартера. Базовая схема для системы запуска показана на рис. 7.6.
Проблема падения напряжения в цепи питания возникает из-за высокого тока, потребляемого стартером, особенно при неблагоприятных условиях запуска (очень низких температурах).
Типичный ток проворачивания вала, обеспечивающий начальный крутящий момент, для двигателя леткою автотранспортного средства составляет порядка 150 А , но может превышать и 500 А. Принято считать, что допустимо максимальное падение напряжения между батареей и стартером не более 0,5 В. Вычисление по закону Ома указывает, что для бортовой сети 12 В максимально допустимое сопротивление цепи - 2,5 мОм. Эго – худшая ситуация для рассматриваемого случая, поэтому и
в большинстве случаев используют более низкие значения сопротивления. Поэтому выбор подходящего кабеля очень важен.
Принцип действия
Простое определение любого электродвигателя — машина для преобразования электрической энергии в механическую. Мотор стартера не исключение. Когда ток течет через проводник, помещенный в магнитное поле, возникает сила, действующая
на проводник со стороны магнитного поля. Величина этой силы пропорциональна силе магнитного поля, длине проводника, находящейся в магнитном поле, и току, текущему по проводнику.
В любом электродвигателе постоянного тока один единственный проводник не может использоваться на практике. Поэтому проводник свернут в петлю или много петель, формирующих обмотку якоря. Многосекционный коммутатор (коллектор) позволяет проводнику контактировать через
щетки с источником тока.
Сила, действующая на проводник, создастся взаимодействием главного магнитного поля и поля, созданного вокруг проводника. В стартерах легкового автомобиля главное магнитное поле традиционно создавалось последовательно включенными сильноточными отмотками, намотанными вокруг полюсных башмаков из магнитомягкого железа. По мере совершенствования технологии изготовления магнитов обмотки с проводом вытесняются постоянными магнитами, позволяющими уменьшить и облегчить конструкцию. Сила магнитного поля, созданного вокруг проводников в якоре, определяется значением текущего тока. 11ринцип работы электродвигателя постоянного тока показан на рис. 7.7.
Большинство конструкций стартера использует систему с четырьмя тетками и четырьмя полюсами. Применение четырех полюсов концентрирует магнитное поле в четырех областях, как показано на рис. 7.8. Магнитное поле создается одним из трех способов: постоянными магнитами, обмотками возбуждения, включенными последовательно или параллельно обмотке ротора.
На рис. 7.9 показаны схемы двух вариантов включения обмоток возбуждения магнитного поля. Последовательно - параллельные цепи возбуждения полей могут быть выполнены с более низким сопротивлением. Таким образом, увеличивается ток и, следовательно, крутящий момент мотора. Чтобы выдержать сильный ток, используются четыре щетки. Щетки сделаны из смеси меди и графите, что общепринято для большинства теток электромоторов или генераторов. Щетки стартера имеют более
высокое содержание меди, чтобы минимизировать электрические потери. На рис. 7.10 показаны некоторые типичные катушки возбуждения с присоединенными щетками. Обмотки возбуждения справа известны как волновая намотка.
Якорь ротора состоит из сегментированного медного коллектора и сильноточных рабочих обмоток из меди. Обмотки на роторе, вообще говоря, могут быть намотаны двумя способами, которые известны как «петлевая» и «волновая» обмотки. На рис. 7.11 показаны различия между этими двумя методами. Существует тенденция использовать в стартерах волновой тип обмотки, так как этот способ лает самый подходящий крутящий момент и характеристику скорости для системы с четырьмя полюсами.
Стартер должен также иметь устройство для вхождения в соединение с зубчатым колесом маховика автомобиля и выхода на него. В случае стартеров легкового автотранспортного средства это достигается или механизмом инерционного типа, или механизмом с предустановкой зацепления. Оба они обсуждаются в последующих разделах.
