Система пуска двигателя внутреннего сгорания с накопителем электрической энергии
Предложение относится к системам пуска двигателей внутреннего сгорания с молекулярными накопителями электрической энергии конденсаторного типа и электрогенераторами с мускульным приводом.
Техническая задача направлена на обеспечение работоспособности системы пуска после остановки двигателя и нахождении его в неработающем состоянии неопределенный период времени при различных окружающих температурах, включая диапазон низких температур.
Система пуска двигателя внутреннего сгорания содержит электростартер и электрогенератор, механически соединенные через приводы с двигателем внутреннего сгорания, положительную и отрицательную шины электрического питания, конденсаторный накопитель энергии, один вывод которого соединен с положительной шиной, а другой через первый выключатель соединен с отрицательной шиной, один вывод электростартера соединен с отрицательной шиной, а другой через второй выключатель с положительной шиной, один вывод электрогенератора соединен с отрицательной шиной, а другой с положительной шиной. Система дополнительно содержит индикатор величины напряжения, ограничитель напряжения. Ограничитель напряжения выполнен в виде электромагнитного реле, один вывод обмотки реле и первый коммутируемый контакт реле соединены с положительной шиной, второй вывод обмотки реле соединен с отрицательной шиной, а второй коммутируемый контакт реле подключен к полупроводниковому диоду.
1 н.п., 1 ил.
Предложение относится к системам пуска двигателей внутреннего сгорания, использующим молекулярные накопители электрической энергии конденсаторного типа и электрогенераторы с мускульным приводом.
Известна система пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая свинцово-кислотный аккумулятор электрической энергии, положительную и отрицательную шины электрического питания, выключатель электростартера, электростартер и электрогенератор, механически соединенные через приводы с двигателем внутреннего сгорания. (См. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. - М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005, с.32, 82, 118). Заряд аккумулятора в такой системе обеспечивается электрогенератором во время работы двигателя. При остановке двигателя энергия для последующего пуска двигателя сохраняется в аккумуляторе.
Недостатками системы является неспособность осуществления пуска после продолжительной остановки двигателя, а также затруднения в осуществлении пуска в условиях низкой температуры окружающего воздуха. Указанные недостатки объясняются явлением саморазряда свинцово-кислотного аккумулятора, который происходит со временем при отсутствии заряда аккумулятора от электрогенератора при неработающем двигателе, а также увеличением внутреннего сопротивления аккумулятора при уменьшении его температуры.
Известна система пуска двигателя внутреннего сгорания содержащая свинцово-кислотный аккумулятор, молекулярный накопитель электрической энергии конденсаторного типа, выключатель накопителя, положительную и отрицательную шины электрического питания, электростартер и электрогенератор, механически соединенные через приводы с двигателем внутреннего сгорания. (См. Лебедев С.А., Антипенко B.C. Альтернативные источники тока для систем электростартерного пуска. Известия МГТУ «МАМИ» 
1 (7) 2009, с.82-90). Во время работы двигателя электрогенератор обеспечивает заряд только аккумулятора, в накопителе же сохраняется заряд, оставшийся после проведения последнего пуска. При остановке двигателя основная часть энергии, необходимая для следующего пуска, сохраняется в аккумуляторе. Перед проведением следующего пуска двигателя конденсаторный накопитель предварительно подключается к аккумулятору на период времени, необходимый для заряда накопителя.
В данной системе допускается больший, чем в вышеописанной системе, разряд аккумулятора, при котором возможен пуск двигателя, так как при промежуточном буферном использовании конденсаторного накопителя возможно более полное использование электростартером энергии имеющейся в аккумуляторе. Данное обстоятельство объясняется небольшим, по сравнению с аккумулятором, внутренним сопротивлением конденсаторного накопителя.
Однако и в данной системе пуска недостатком является уменьшение заряженности аккумулятора при длительных остановках двигателя до значения, при котором не обеспечивается его устойчивый пуск. Также при низких температурах эффективность работы данной системы пуска ухудшается вследствие увеличения потерь при передаче энергии аккумулятора в накопитель из-за увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора. При этом сохранение энергии для последующего пуска в накопителе нерационально, так как временной процесс саморазряда энергии в накопителе интенсивнее, чем в аккумуляторе.
Технической задачей предложения является обеспечение работоспособности системы пуска после остановки двигателя и нахождении его в неработающем состоянии неопределенной период времени при различных окружающих температурах, включая диапазон низких температур.
Указанная задача достигается тем, что в системе пуска двигателя используется накопитель электрической энергии конденсаторного типа с возможным восполнением в нем недостатка энергии для пуска от электрогенератора с мускульным приводом.
Также поставленная задача решается тем, что превышение напряжения в накопителе с последующей перегрузкой узлов системы пуска при действии электрогенератора с мускульным приводом устраняется применением ограничителя напряжения накопителя.
На фиг. показана схема системы пуска двигателя внутреннего сгорания с накопителем электрической энергии.
Система пуска двигателя внутреннего сгорания содержит: двигатель внутреннего сгорания 1, механически соединенный через привод 4 с электростартером 2 и через привод 5 с электрогенератором 3, положительную шину 6 и отрицательную шину 7 электрического питания, накопитель электрической энергии 8, при этом один вывод накопителя 8 соединен с положительной шиной 6, а другой через первый выключатель 9 соединен с отрицательной шиной 7, первый вывод электростартера 2, соединенный с отрицательной шиной 7, и второй вывод, подключенный к положительной шине 6 через второй выключатель 10, один вывод электрогенератора 3, который соединен с отрицательной шиной 7 и другой вывод, который соединен с положительной шиной 6, индикатор величины напряжения 11, один вывод которого соединен с положительной шиной 6, а другой с отрицательной шиной 7, ограничитель напряжения 12, в состав которого входит обмотка электромагнитного реле 13 и коммутируемые контакты 14 и 15, при этом один вывод обмотки реле 13 и коммутируемый контакт 14 соединены с положительной шиной 6, а второй вывод обмотки реле 13 соединен с отрицательной шиной 7, кроме того, второй коммутируемый контакт 15 через полупроводниковый диод 16 и электрогенератор 17, который имеет привод от мускульной силы, соединен с отрицательной шиной 7.
В качестве двигателя внутреннего сгорания 1 могут использоваться карбюраторные и дизельные двигатели. Приводы 4 и 5 к электростартеру 2 и электрогенератору 3 от двигателя внутреннего сгорания 1 предпочтительно выполняются в виде зубчатой и ременной передач.
Положительная шина 6 выполняется преимущественно в виде электрически соединенной сети проводов, а в качестве отрицательной шины 7, как правило, используются металлические части двигателя и его установочные крепления.
Электростартер 2 выполняется, как правило, в виде электрического двигателя постоянного тока с электромагнитным возбуждением, а электрогенератор 3 выполняется преимущественно в виде электрического генератора переменного тока также с электромагнитным возбуждением и имеющего встроенный регулятор уровня выходного напряжения.
Конденсаторный накопитель электрической энергии 8 выполняется в виде корпуса с молекулярным наполнением, в котором используется явление формирования барьерного электрического поля на межфазной поверхности электронного и ионного проводников. За счет развитых поверхностей в зоне перехода удается обеспечить высокие значения удельной энергоемкости (см. Иванов А.М. и Герасимов А.Ф., "Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя", "Электричество", 1991, 8, с.16-19). Конструктивно накопитель состоит из последовательно соединенных конденсаторных элементов с двойным электрическим слоем, которые размещаются в корпусе с выводными клеммами.
В качестве индикатора величины напряжения 11 могут использоваться стрелочные или цифровые вольтметры, а также пороговые устройства, срабатывающие при определенных уровнях напряжений и отмечающие срабатывание световым или звуковым сигналом.
Реле 13 представляет собой электромагнитное устройство, работающее на постоянном токе и размыкающее при срабатывании нормальнозамкнутые контакты 14 и 15.
Электрогенератор 17 с мускульным приводом может выполняться в виде электрического генератора переменного тока с обмоткой расположенной на валу генератора и постоянными магнитами, установленными по периметру статора для формирования возбуждающего магнитного поля. Привод электрогенератора 17 может быть выполнен в виде шестеренчатого редуктора, соединенного на одном конце с валом генератора, а на другом с Г-образной рукоятью ручного привода.
Система пуска двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
Перед пуском двигателя 1 производится подключение накопителя электрической энергии 8 к отрицательной шине 7 системы с помощью выключателя 9. Далее оператором производится оценка величины запаса энергии в накопителе 8. Проведение такой оценки возможно по показаниям индикатора величины напряжения 11 на накопителе 8, так как величина напряжения UС на конденсаторе связана с величиной энергии WС, запасенной в нем, следующей зависимостью: WС=C·UС
2/2, где С - значение емкости накопителя.
Если величина энергии, запасенная в накопителе 8, оценивается как достаточная для осуществления пуска, то производится включение электростартера 2 с помощью выключателя 10 и двигатель внутреннего сгорания 1 начинает работать. При работе двигателя через привод 5 осуществляется работа электрогенератора 3, от которого производится заряд накопителя 8.
Если показания индикатора величины напряжения 11 свидетельствуют о том, что количество энергии, имеющееся в накопителе 8 недостаточно для пуска двигателя внутреннего сгорания 1, то обслуживающим персоналом осуществляется заряд накопителя 8 с помощью электрогенератора 17 с мускульным (ручным, ножным или др.) приводом. Ток, вырабатываемый электрогенератором 17, через диод 16 и ограничитель 12 поступает на положительную шину 6 и заряжает накопитель 8.
Диод 16 обеспечивает прохождение на положительную шину 6 только положительной составляющей тока электрогенератора 17, а также предотвращает разряд накопителя 8 через электрогенератор 17 в случае его останова или недостаточно интенсивной работы.
При заряде накопителя 8 от электрогенератора 17 осуществляется автоматическое ограничение величины напряжения между шиной 6 и шиной 7, то есть на выводах накопителя 8. Ограничение необходимо потому, что превышение номинального напряжения на выводах накопителя 8 соответствует превышению энергии, необходимой для пуска, что приводит к перегрузке элементов системы при последующем пуске двигателя.
Одним из возможных вариантов реализации ограничителя 12 напряжения является использование электромагнитного реле с обмоткой 13 и двумя коммутируемыми нормальнозамкнутыми контактами 14 и 15. Обмотка выполнена таким образом, что реле срабатывает при напряжении близким к номинальному заряду накопителя 8. При срабатывании реле контакты 14 и 15 размыкаются, и заряд накопителя 8 от электрогенератора 17 прекращается. Таким образом, после срабатывания ограничителя 12 накопитель 8 заряжен до номинальной величины и система готова для проведения пуска двигателя внутреннего сгорания 1.
При остановке двигателя внутреннего сгорания 1 на продолжительный период выключатель 9 переводится в положении «выключено» (разомкнуто), что предотвращает разряд накопителя 8 через индикатор величины напряжения 11 и через обмотку электромагнитного реле 13. При разомкнутом выключателе 9 уменьшение энергии в накопителе 8 происходит только от внутреннего саморазряда.
Таким образом, в заявленной системе источником энергии, осуществляющей пуск двигателя внутреннего сгорания, является молекулярный накопитель электрической энергии конденсаторного типа, обладающий небольшим по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором внутренним сопротивлением. Также следует отметить, что величина внутреннего сопротивления такого накопителя незначительно зависит от окружающей температуры.
Коэффициенты полезного действия (КПД) заряда и разряда накопителя конденсаторного типа имеют высокие значения, что объясняется как малой величиной внутреннего сопротивления накопителя, так и отсутствием внутренних промежуточных преобразований энергии при заряде и разряде. К таким преобразованиям в свинцово-кислотных аккумуляторах относятся электрохимические процессы, сопровождающие заряд и разряд аккумулятора.
Высокое значение КПД заряда конденсаторных накопителей, а также слабая зависимость их характеристик от температур позволяют эффективно использовать указанные накопители в системах пуска с зарядными устройствами, имеющими ручные приводы, которые обеспечивают работу систем после длительных перерывов в работе двигателя внутреннего сгорания в широком диапазоне температур при относительно небольших затратах мускульных усилий обслуживающего персонала.
1. Система пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая электростартер и электрогенератор, механически соединенные через приводы с двигателем внутреннего сгорания, положительную и отрицательную шины электрического питания, конденсаторный накопитель энергии, один вывод которого соединен с положительной шиной, а другой через первый выключатель соединен с отрицательной шиной, один вывод электростартера соединен с отрицательной шиной, а другой через второй выключатель - с положительной шиной, один вывод электрогенератора соединен с отрицательной шиной, а другой - с положительной шиной, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит индикатор величины напряжения, один вывод которого соединен с положительной шиной, а другой - с отрицательной шиной, ограничитель напряжения, первый вывод ограничителя соединен с положительной шиной, второй вывод ограничителя соединен с отрицательной шиной, а третий вывод ограничителя через полупроводниковый диод и электрогенератор с приводом от мускульной силы соединен с отрицательной шиной.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что ограничитель напряжения выполнен в виде электромагнитного реле, один вывод обмотки реле и первый коммутируемый контакт реле соединены с положительной шиной, второй вывод обмотки реле соединен с отрицательной шиной, а второй коммутируемый контакт реле подключен к полупроводниковому диоду.
