Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания
Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания относится к области двигателестроения, а именно к устройствам электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания транспортных машин. Система содержит конденсаторную батарею 1, устройство для заряда конденсаторной батареи 2, электростартер 3 с якорной обмоткой, по меньшей мере один сенсор 4, контроллер 5 с выходом 6 и по меньшей мере одним входом 7, связанным с сенсором 4, преобразователь 8 напряжения с задающим входом 9, силовым входом 10 и силовым выходом 11, обеспечивающий преобразование напряжения силового выхода 11 по отношению к напряжению силового входа 10 с коэффициентом передачи, который определяется сигналом на задающем входе 9, причем силовой вход 10 преобразователя 8 напряжения подключен к конденсаторной батарее 1, силовой выход 11 к якорной обмотке электростартера 3, а задающий вход 9 к выходу 6 контроллера 5, в состав которого дополнительно введен модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи, контроллер 5 выполнен таким образом, что задаваемый им коэффициент передачи ограничен, если оценка заряда конденсаторной батареи превышает пороговый уровень, а иначе принимает максимальное значение. Технический результат, получаемый при реализации заявляемой системы, выражается в повышении эффективности использования энергии конденсаторной батареи.
1 с.п.ф., 6 з.п.ф., 8 ил.
Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к устройствам электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания транспортных машин.
Известна система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая стартер, аккумуляторную батарею, устройство управления пуском, конденсаторную батарею и инвертор.
(См. авторское свидетельство РФ 
1368474 по кл. МПК-4: F02N 11/08, заявл. 17.04.1985 г., опубл. 23.01.1988 г. «Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания» (1)).
Такая система обеспечивает повышение надежности пуска за счет совместного использования конденсаторной и аккумуляторной батарей.
Недостатком системы является низкая эффективность использования энергии конденсаторной батареи, так как конденсаторная батарея интенсивно разряжается на начальном этапе прокрутки запускаемого двигателя, а затем прокрутка продолжается в основном за счет энергии аккумуляторной батареи.
Известна также система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая стартер, аккумуляторную батарею, устройство управления пуском, низковольтную конденсаторную батарею, высоковольтную конденсаторную батарею, преобразователь напряжения с блоком переключений.
(См. патент РФ на изобретение 2049261 по кл. МПК-6: F02N 11/08, заявл. 08.07.1991 г., опубл. 27.11.1995 г. «Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания» (2)).
Такая система обеспечивает повышение надежности пуска двигателя внутреннего сгорания, особенно в условиях низких температур, за счет того, что на начальном этапе пуска разряжается низковольтная конденсаторная батарея, а затем подключается высоковольтная конденсаторная батарея.
Недостатком системы является ее повышенная сложность, связанная с наличием двух конденсаторных батарей и большого количества элементов коммутации, что ухудшает массо-габаритные характеристики системы. Также является недостатком невозможность обеспечить адаптированный к различным условиям пуска разряд конденсаторных батарей, что снижает эффективность использования запасенной в них энергии.
Наиболее близкой по технической сущности и выбранной в качестве прототипа к заявляемому техническому решению является система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая конденсаторную батарею, устройство для заряда конденсаторной батареи, электростартер с якорной обмоткой, по меньшей мере один сенсор, контроллер с выходом и по меньшей мере одним входом, связанным с сенсором, преобразователь напряжения с задающим входом, силовым входом и силовым выходом, обеспечивающий преобразование напряжения силового выхода по отношению к напряжению силового входа с коэффициентом передачи, который определяется сигналом на задающем входе, причем силовой вход преобразователя напряжения подключен к конденсаторной батарее, силовой выход к якорной обмотке электростартера, а задающий вход к выходу контроллера.
(См. патент РФ на изобретение 2062901 по кл. МПК-6: F02N 11/08, заявл. 02.04.1993 г., опубл. 27.06.1996 г. «Устройство электростартерного пуска» (3)).
В данной системе якорная обмотка электростартера выведена на его силовую клемму. Устройство для заряда конденсаторной батареи выполнено в виде питающего источника, преобразователя* напряжения, датчика напряжения заряда и общего выключателя. Сенсоры выполнены в виде выключателя пуска, датчика тока стартера и датчика напряжения стартера. Контроллер выполнен в виде генератора отпирающих импульсов и схемы обратной связи, причем разрешающий вход генератора отпирающих импульсов, вход по току и вход по напряжению схемы обратной связи являются входами контроллера. В качестве преобразователя напряжения выступает блок разряда, выполненный в виде электронного ключа, диода, дросселя и конденсатора.
(* Примечание: в системе, выбранной в качестве прототипа к заявляемому техническому решению, фактически содержатся два преобразователя напряжения - первый входит в состав устройства для заряда конденсаторной батареи, второй в описании прототипа назван блоком разряда и выполнен по классической схеме понижающего импульсного преобразователя напряжения).
В данной системе в процессе раскрутки вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) до пусковой скорости вращения происходит стабилизация пускового тока и за счет этого уменьшаются потери энергии на активном сопротивлении электрической цепи. Таким образом, энергия конденсаторной батареи расходуется более экономно.
Недостатком системы является то, что в ней не учтены особенности зимнего пуска ДВС. В частности, запуск холодного ДВС целесообразно проводить в два этапа: первоначально скорость вращения коленчатого вала ДВС не должна быть большой, затем она должна увеличиться до уровня пусковой скорости вращения. Если не учитывать это обстоятельство, то потребуется значительно увеличить емкость конденсаторной батареи для обеспечения пуска ДВС в зимних условиях, что приведет к ухудшению массо-габаритных характеристик системы.
Общим недостатком известных систем является низкая эффективность использования энергии конденсаторной батареи, что проявляется в техническом противоречии: повышение надежности пуска ДВС, особенно в условиях низких температур, ведет к увеличению емкости конденсаторной батареи и ухудшению масссо-габаритных характеристик систем.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности пуска ДВС, особенно в условиях низких температур, без необходимости увеличения емкости конденсаторной батареи и ухудшения масссо-габаритных характеристик системы.
Техническим результатом, позволяющим решить поставленную задачу, является повышение эффективности использования энергии конденсаторной батареи.
Поставленная задача достигается тем, что в системе электростартерного пуска ДВС, содержащей конденсаторную батарею, устройство для заряда конденсаторной батареи, электростартер с якорной обмоткой, по меньшей мере один сенсор, контроллер с выходом и по меньшей мере одним входом, связанным с сенсором, преобразователь напряжения с задающим входом, силовым входом и силовым выходом, обеспечивающий преобразование напряжения силового выхода по отношению к напряжению силового входа с коэффициентом передачи, который определяется сигналом на задающем входе, причем силовой вход преобразователя напряжения подключен к конденсаторной батарее, силовой выход к якорной обмотке электростартера, а задающий вход к выходу контроллера, согласно полезной модели в состав контроллера дополнительно введен модуль оценки заряда конденсаторной батареи, и контроллер выполнен таким образом, что задаваемый им коэффициент передачи ограничен, если оценка заряда конденсаторной батареи превышает пороговый уровень, а иначе задаваемый контроллером коэффициент передачи принимает максимальное значение.
Электростартер может быть выполнен в виде коллекторного электродвигателя постоянного тока, при этом преобразователь напряжения выполнен по схеме полупроводникового понижающего импульсного преобразователя.
Электростартер может быть выполнен в виде вентильного электродвигателя постоянного тока, при этом преобразователь напряжения выполнен по схеме полупроводникового понижающего инвертора с импульсным регулированием амплитуды выходного напряжения.
Сенсор может быть выполнен в виде выключателя пуска, при этом модуль оценки заряда конденсаторной батареи выполнен в виде таймера с выходом и входом запуска, связанным с выключателем пуска, контроллер содержит генератор импульсов, двухвходовый логический элемент ИЛИ, один вход которого подключен к выходу таймера, а другой к выходу генератора импульсов и двухвходовый логический элемент И, один вход которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ, другой связан с выключателем пуска, а выход является выходом контроллера.
Сенсоры могут быть выполнены в виде датчика напряжения конденсаторной батареи и органов управления, при этом модуль оценки заряда конденсаторной выполнен в виде порогового устройства с выходом и входом; контроллер содержит широтно-импульсный модулятор с опорным входом, сигнальным входом и выходом, который является выходом контроллера, мультиплексор с аналоговыми входами, логическими входами и выходом, источник опорных напряжений с выходами, подключенными к аналоговым входам мультиплексора, фильтр нижних частот; сигнальный вход широтно-импульсного модулятора и вход порогового устройства связаны с датчиком напряжения конденсаторной батареи, выход порогового устройства подключен к одному из логических входов мультиплексора, другие логические входы которого связаны с органами управления, а выход подключен к опорному входу широтно-импульсного модулятора через фильтр нижних частот.
Сенсоры могут быть выполнены в виде датчика напряжения конденсаторной батареи, органов управления, датчика температуры окружающего воздуха, датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания и датчика выходного тока преобразователя напряжения, при этом контроллер содержит микропроцессор и программируемый генератор импульсов, который имеет выход, являющийся выходом контроллера, входы программирования, связанные с микропроцессором и запрещающий вход, связанный с датчиком выходного тока преобразователя напряжения; датчик напряжения конденсаторной батареи, органы управления, датчик температуры окружающего воздуха и датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания снабжены интерфейсными адаптерами, через которые связаны с микропроцессором; программа микропроцессора содержит набор подпрограмм, одна из которых является модулем оценки заряда конденсаторной батареи, а другие служат для программирования генератора импульсов, причем выбор между ними обеспечивается программой микропроцессора в зависимости от состояния сенсоров и оценки заряда конденсаторной батареи.
Предлагаемая система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания может быть изготовлена на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, так как для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью. Таким образом, заявляемая система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания соответствует критерию «промышленная применимость».
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемая система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания неизвестна из изученного уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Предлагаемая совокупность существенных признаков сообщает заявляемой системе электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания новые свойства, позволяющие решить поставленную задачу, а именно, повышение надежности пуска ДВС, особенно в условиях низких температур, без необходимости увеличения емкости конденсаторной батареи и ухудшения массо-габаритных характеристик системы.
Введение в состав контроллера модуля оценки заряда конденсаторной батареи и выполненение контроллера таким образом, что задаваемый им коэффициент передачи ограничен, если оценка заряда конденсаторной батареи превышает пороговый уровень, а иначе принимает максимальное значение, оказывает следующее влияние на достижение технического результата. Процесс пуска ДВС разделяется на два этапа. На первом этапе осуществляется предварительная прокрутка вала ДВС, в результате которой происходит разогрев стенок цилиндров ДВС за счет момента сопротивления газовых сил, обусловленного разностью работ сжатия и расширения. Для эффективного разогрева скорость вращения вала ДВС не должна быть слишком большой, так как в противном случае термодинамические процессы сжатия-расширения приближаются к адиабатическим и теплообмен ухудшается, кроме того увеличиваются потери энергии на преодоление сил вязкого трения в кинематических парах. На втором этапе скорость вращения вала ДВС должна быть максимальна для того, чтобы термодинамический процесс сжатия был как можно ближе к адиабатическому, а, следовательно, давление и температура газов в конце такта сжатия были максимальны. Поскольку энергия конденсаторной батареи ограничена, ее необходимо оптимально распределить между первым и вторым этапами пуска ДВС, что достигается введением в состав контроллера модуля оценки заряда конденсаторной батареи. Модуль оценки заряда конденсаторной батареи контролирует ее остаточную энергию на первом этапе предварительной прокрутки вала ДВС и подает команду на переход ко второму этапу и форсированную раскрутку вала ДВС в тот момент, когда эта энергия минимально-достаточна для раскрутки вала ДВС до пусковой скорости вращения. Таким образом, введение модуля оценки заряда конденсаторной батареи обеспечивает оптимальное распределение энергии конденсаторной батареи между этапами пуска ДВС, а ограничение задаваемого контроллером коэффициента передачи позволяет экономно расходовать энергию на этапе предварительной прокрутки вала ДВС, что повышает эффективность использования энергии конденсаторной батареи.
Выполнение электростартера в виде коллекторного электродвигателя постоянного тока, а преобразователя напряжения - по схеме полупроводникового понижающего импульсного преобразователя, позволяет обеспечить достижение заявленного технического результата без существенной доработки массово выпускаемых систем пуска. При этом не требуется замена стартера, а остальные части системы могут быть размещены в блоке, взаимозаменяемом со штатной аккумуляторной батареей.
Выполнение электростартера в виде вентильного электродвигателя постоянного тока, а преобразователя напряжения - по схеме полупроводникового понижающего инвертора с импульсным регулированием амплитуды выходного напряжения, позволяет обеспечить уменьшение потерь энергии в стартере. Такой результат достигается исключением из состава стартера щеточно-коллекторного узла, что позволяет повысить рабочие обороты стартера (при условии использования встроенного в состав стартера понижающего редуктора), а также повысить рабочее напряжение стартера (при условии использования конденсаторной батареи с повышенным напряжением). За счет этого можно существенно снизить ток якорной обмотки стартера без увеличения ее активного сопротивления, а, следовательно, повысить КПД стартера и, соответственно, эффективность использования энергии конденсаторной батареи.
Выполнение сенсора в виде выключателя пуска, а модуля оценки заряда конденсаторной батареи в виде таймера с выходом и входом запуска, связанным с выключателем пуска, снабжение контроллера генератором импульсов, логическим элементом ИЛИ, один вход которого подключен к выходу таймера, а другой к выходу генератора импульсов и логическим элементом И, один вход которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ, другой связан с выключателем пуска, а выход является выходом контроллера, позволяет обеспечить достижение заявленного технического результата при использовании в составе системы минимально-необходимого набора недорогих элементов для оснащения транспортных средств эконом-класса.
Выполнение сенсоров в виде датчика напряжения конденсаторной батареи и органов управления, а модуля оценки заряда конденсаторной в виде порогового устройства с выходом и входом; снабжение контроллера широтно-импульсным модулятором с опорным входом, сигнальным входом и выходом, который является выходом контроллера, мультиплексором с аналоговыми входами, логическими входами и выходом, источником опорных напряжений с выходами, подключенными к аналоговым входам мультиплексора, фильтром нижних частот; связь сигнального входа широтно-импульсного модулятора и входа порогового устройства с датчиком напряжения конденсаторной батареи; подключение выхода порогового устройства к одному из логических входов мультиплексора, другие логические входы которого связаны с органами управления, а выход подключен к опорному входу широтно-импульсного модулятора через фильтр нижних частот, позволяет обеспечить адаптированный к различным условиям пуска разряд конденсаторных батарей следующим образом. Оптимальная скорость вращения вала ДВС на первом этапе зависит от условий пуска (температуры воздуха, температуры двигателя, вязкости масла и других параметров). Чем тяжелее условия пуска, тем длительнее должен быть первый этап и ниже скорость вращения вала ДВС. При менее тяжелых условиях пуска длительность первого этапа может быть сокращена за счет повышения скорости вращения вала ДВС. В данном варианте выполнения системы предусмотрена возможность переключения опорного входа широтно-импульсного модулятора между различными выходами источника опорных напряжений с помощью мультиплексора, что обеспечивает возможность вращения вала ДВС на первом этапе пуска с различной скоростью, которая может задаваться вручную от органов управления. При этом длительность первого этапа будет зависеть от скорости вращения вала ДВС, что обеспечивается выполнением модуля оценки заряда конденсаторной батареи в виде порогового устройства, связанного с датчиком напряжения конденсаторной батареи.
Фильтр нижних частот обеспечивает плавное изменение скорости вращения ДВС в переходных режимах работы, что наряду с адаптацией системы к различным условиям пуска повышает эффективность использования энергии конденсаторных батарей.
Выполнение сенсоров в виде датчика напряжения конденсаторной батареи, органов управления, датчика температуры окружающего воздуха, датчика температуры охлаждающей жидкости ДВС и датчика выходного тока преобразователя напряжения; снабжение контроллера микропроцессором и программируемым генератором импульсов, который имеет выход, являющийся выходом контроллера, входы программирования, связанные с микропроцессором и запрещающий вход, связанный с датчиком выходного тока преобразователя напряжения; снабжение датчика напряжения конденсаторной батареи, органов управления, датчика температуры окружающего воздуха и датчика температуры охлаждающей жидкости ДВС интерфейсными адаптерами, через которые они связаны с микропроцессором; снабжение программы микропроцессора набором подпрограмм, одна из которых является модулем оценки заряда конденсаторной батареи, а другие служат для программирования генератора импульсов, причем выбор между ними обеспечивается программой микропроцессора в зависимости от состояния сенсоров и оценки заряда конденсаторной батареи, позволяет наиболее эффективно обеспечить решение поставленной технической задачи следующим образом. Наличие датчиков температуры окружающего воздуха и температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания обеспечивает возможность автоматического выбора режима пуска. Наличие датчика выходного тока преобразователя напряжения, связанного с запрещающим входом программируемого генератора импульсов, обеспечивает защиту преобразователя напряжения от перегрузок, что одновременно сокращает потери энергии в переходных режимах работы системы. Выполнение модуля оценки заряда конденсаторной батареи в виде программного модуля позволяет производить наиболее точную оценку заряда конденсаторной батареи с использованием известных алгоритмов, таких как фильтр Калмана или наблюдатель Люенбергера (см. Управление конечномерными линейными объектами, Ю.Н.Андреев. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1976, 424 стр.(4)).
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - вариант структурной схемы заявляемой системы с коллекторным двигателем постоянного тока в качестве электростартера;
Фиг.2 - вариант структурной схемы заявляемой системы с вентильным двигателем постоянного тока в качестве электростартера;
Фиг.3 - вариант структурной схемы сенсоров и контроллера с модулем оценки заряда конденсаторной батареи в виде таймера;
Фиг.4 - вариант структурной схемы сенсоров и контроллера с модулем оценки заряда конденсаторной батареи в виде порогового устройства;
Фиг.5 - вариант структурной схемы сенсоров и контроллера, построенного на основе микропроцессора;
Фиг.6 - математическая модель системы электростартерного пуска две;
Фиг.7 - расчетные осциллограммы работы системы электростартерного пуска ДВС;
Фиг.8 - пусковые характеристики для различных режимов работы системы электростартерного пуска ДВС.
Заявляемая система содержит конденсаторную батарею 1; устройство для заряда конденсаторной батареи 2, электростартер 3 с якорной обмоткой; по меньшей мере один сенсор 4; контроллер 5 с выходом 6 и по меньшей мере одним входом 7; преобразователь 8 напряжения с задающим входом 9, силовым входом 10 и силовым выходом 11; модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи. При выполнении электростартера 3 в варианте коллекторного электродвигателя постоянного тока (Фиг.1) преобразователь напряжения 8 выполнен по схеме полупроводникового понижающего импульсного преобразователя. При выполнении электростартера 3 в варианте вентильного электродвигателя постоянного тока (Фиг.2) якорная обмотка электростартера 3 трехфазная, а преобразователь напряжения 8 выполнен по схеме полупроводникового понижающего трехфазного инвертора с импульсным регулированием амплитуды выходного напряжения. Силовой вход 10 преобразователя 8 напряжения подключен к конденсаторной батарее 1, силовой выход 11 к якорной обмотке электростартера 3, а задающий вход 9 к выходу 6 контроллера 5, входы 7 которого связаны с сенсорами 4. В состав контроллера 5 входит модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи.
В варианте, представленном на схеме Фиг.3, сенсоры 4 содержат выключатель 13 пуска. Модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи выполнен в виде таймера с выходом 14 и входом 15 запуска. Контроллер 5 содержит генератор 16 импульсов, логический элемент ИЛИ 17 с входами 18, 19, логический элемент И 20 с входами 21, 22. Выключатель 13 пуска связан со входом 15 запуска таймера и входом 22 логического элемента И 20, другой вход 21 которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ 17, а выход является выходом 6 контроллера 5. Один вход 18 логического элемента ИЛИ 17 подключен к выходу 14 таймера, а другой вход 19 к выходу генератора 16 импульсов.
В варианте, представленном на схеме Фиг.4, сенсоры 4 содержат датчик 23 напряжения конденсаторной батареи и органы 24 управления. Модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи выполнен в виде порогового устройства с выходом 25 и входом 26. Контроллер 5 содержит широтно-импульсный модулятор 27 с опорным входом 28, сигнальным входом 29 и выходом; мультиплексор 30 с аналоговыми входами 31, 32, 33, 34, логическими входами 35, 36, 37 и выходом 38; источник 39 опорных напряжений; фильтр 40 нижних частот. Выходы источника 39 опорных напряжений подключены к аналоговым входам 31, 32, 33, 34 мультиплексора 30. Сигнальный вход 29 широтно-импульсного модулятора 27 и вход 26 порогового устройства связаны с датчиком 23 напряжения конденсаторной батареи. Выход 25 порогового устройства подключен к одному из логических входов 37 мультиплексора 30, другие логические входы 35, 36 которого связаны с органами 24 управления. Выход 38 мультиплексора 30 подключен через фильтр 40 нижних частот к опорному входу 28 широтно-импульсного модулятора 27, выход которого является выходом 6 контроллера 5. Источник 39 опорных напряжений может быть выполнен, например, по схеме резисторного делителя, подключенного к положительному выводу стабилизированного источника питания (на схеме не показан). Широтно-импульсный модулятор 27 может быть выполнен по схеме мультивибратора с изменяемым коэффициентом заполнения импульсов D=Uоп/Uсигн, где Uоп - напряжение на опорном входе 28, Uсигн - напряжение на сигнальном входе 29 широтно-импульсного модулятора 27. На схеме Фиг.4 показан один из возможных вариантов построения широтно-импульсного модулятора 27.
В варианте, представленном на схеме Фиг.5, контроллер 5 содержит микропроцессор 41 и программируемый генератор 42 импульсов, который имеет выход, входы 43 программирования и запрещающий вход 44. Сенсоры 4 содержат датчик 23 напряжения конденсаторной батареи, органы 24 управления, датчик 45 температуры окружающего воздуха, датчик 46 температуры охлаждающей жидкости ДВС и датчик 47 выходного тока преобразователя напряжения, интерфейсные адаптеры 48, 49, 50, 51. Датчик 23 напряжения конденсаторной батареи, органы 24 управления, датчик 45 температуры окружающего воздуха и датчик 46 температуры охлаждающей жидкости ДВС через интерфейсные адаптеры 48, 49, 50, 51 связаны с микропроцессором 41. Датчик 47 выходного тока преобразователя напряжения связан с запрещающим входом 44 программируемого генератора 42 импульсов, выход которого является выходом 6 контроллера. Программа микропроцессора 41 содержит набор подпрограмм, одна из которых является модулем 12 оценки заряда конденсаторной батареи, а другие служат для программирования генератора 42 импульсов.
Для сравнительного имитационного моделирования работы заявляемой системы и наиболее близкого аналога (3) служит математическая модель Фиг.6, которая включает электрическую схему а замещения системы пуска ДВС, и соответствующую ей структурную схему б. Параметры модели:
| С (Ф) | - емкость конденсаторной батареи 1; |
| R (мОм) | - сопротивление конденсаторной батареи 1; |
| ec (В) | - ЭДС конденсаторной батареи 1; |
| Е0=29 В | - начальная ЭДС конденсаторной батареи 1; |
| uc (B) | - напряжение конденсаторной батареи 1; |
| ic (A) | - ток конденсаторной батареи 1; |
| ia (A) | - ток якорной обмотки стартера 3; |
| ua (B) | - напряжение якорной обмотки стартера 3; |
| Ra=5 мOм | - сопротивление якорной обмотки стартера 3; |
| eа (В) | - ЭДС якорной обмотки стартера 3; |
 =0,1 В/мин-1 | - электромеханический коэффициент стартера 3; |
| n (мин-1) | - скорость вращения вала ДВС; |
| m (Вт/мин-1) | - крутящий момент стартера 3 на валу ДВС; |
| М0=30 Вт/мин-1 | - начальный момент сопротивления на валу ДВС; |
 =0,3 Вт/мин-2 | - коэффициент сопротивления на валу ДВС; |
| J=0,3 Дж/мuн-2 | - момент инерции на валу ДВС; |
| k | - коэффициент передачи преобразователя 8 напряжения. |
Заявляемая система электростартерного пуска ДВС работает следующим образом.
Сенсоры 4 воспринимают внешние воздействия, информация от них поступает на входы 7 контроллера 5. В том случае, если от сенсоров 4 не поступает сигнал пуска ДВС, система находится в исходном состоянии. При этом с выхода 6 контроллера 5 на вход 9 преобразователя 8 напряжения подается сигнал, который задает его коэффициент передачи k=0; напряжение на силовом выходе 11 и ток на силовом входе 10 преобразователя напряжения 8 равны нулю. Электростартер 3 находится в покое. Конденсаторная батарея 1 заряжена до начального напряжения Е 0 устройствм 2 для заряда конденсаторной батареи.
Процесс пуска начинается после того, как по меньшей мере один из сенсоров 4 воспринимает соответствующее внешнее воздействие. В общем случае такое воздействие может поступить, например, от датчика зацепления вала электростартера с маховиком ДВС, от бортового компьютера транспортного средства, от выключателя пуска или иного сенсора в зависимости от построения общей схемы электрооборудования транспортного средства.
В варианте, представленном на схеме Фиг.3, сигнал логическая единица (ЛОГ 1) поступает от выключателя пуска 13 через вход 7 контроллера 5 на вход 22 логического элемента И 20 и на вход 15 запуска таймера, который выполняет функцию модуля 12 оценки заряда конденсаторной батареи. В течение определенного промежутка времени сигнал на выходе 14 модуля 12 оценки заряда конденсаторной батареи остается равным логическому нулю (ЛОГ 0). Этот сигнал поступает на вход 18 логического элемента ИЛИ 17, разрешая тем самым прохождение импульсов от генератора 16 импульсов на вход 21 логического элемента И 20. На его другом входе 22 в это время присутствует сигнал ЛОГ 1 с выключателя пуска 13. Сигнал на выходе логического элемента И 20 и, соответственно, на выходе 6 контроллера 5 представляет собой импульсы, которые поступают на вход 9 преобразователя 8 напряжения. Так как преобразователь 8 напряжения выполнен по схеме импульсного понижающего преобразователя (Фиг.1), либо по схеме полупроводникового понижающего трехфазного инвертора с импульсным регулированием амплитуды выходного напряжения (Фиг.2), коэффициент k передачи преобразователя 8 напряжения равен коэффициенту заполнения импульсов на его входе 9. При этом напряжение на его силовом выходе 11 и, соответственно, на якорной обмотке стартера 3 ограничено коэффициентом k и равно ua =k·uc, где uc - напряжение конденсаторной батареи. Коэффициент заполнения импульсов генератора 16 выбирается так, чтобы обеспечить на первоначальном этапе пуска длительную прокрутку вала ДВС с пониженной скоростью вращения. Конденсаторная батарея 1 разряжается током ic=k·ia , где ia - ток якорной обмотки стартера 3, который на первоначальном этапе пуска изменяется незначительно, при этом заряд конденсаторной батареи 1 уменьшается с течением времени практически линейно.
Модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи выполнен в виде таймера и сигнал на его выходе 14 принимает значение ЛОГ 1 в расчетный момент времени, соответствующий уменьшению заряда конденсаторной батареи 1 до заданного уровня. После появления сигнала ЛОГ 1 на выходе 14 модуля 12 оценки заряда конденсаторной батареи, логический элемент ИЛИ 17 принудительно устанавливает сигнал ЛОГ 1 на входе 21 логического элемента И 20, который поступает на выход 6 контроллера 5. На задающем входе 9 преобразователя 8 напряжения происходит замена импульсов на непрерывный сигнал, соответствующий коэффициенту передачи k=1. При этом напряжение конденсаторной батареи 1 без понижения поступает на якорную обмотку стартера 3, который раскручивает вал ДВС до пусковой скорости вращения.
После завершения пуска сигнал ЛОГ 0 поступает от выключателя пуска 13 на вход 7 контроллера 5, который возвращается в исходное состояние.
Расчетные осциллограммы описанного процесса приведены на Фиг.7. Коэффициент заполнения импульсов генератора 16 задавался на уровне D=0,4. Параметры конденсаторной батареи С=380 Ф, R=8 мОм. Процесс имитировался на компьютере путем решения уравнений математической модели (Фиг.6) методом численного интегрирования. На осциллограммах видно, что сначала в течение 12 секунд происходит прокрутка вала ДВС со средней скоростью вращения около 65 об/мин, которая затем увеличивается до пусковой скорости вращения 120 об/мин.
В варианте, представленном на схеме Фиг.4 сигнал начала прокрутки вала ДВС может поступать от органов 24 управления, которые помимо выключателя пуска содержат переключатель режимов (на схеме не показаны). В частности от органов 24 управления на логические входы 35, 36 мультиплексора 30 могут соответственно поступать следующие сигналы: ЛОГ 0, ЛОГ 0 - исходное состояние системы; ЛОГ 0, ЛОГ 1 - запуск ДВС в тяжелых условиях; ЛОГ 1, ЛОГ 0 - запуск ДВС в средних условиях; ЛОГ 1, ЛОГ 1 - запуск ДВС в легких условиях.
В исходном состоянии аналоговый выход 38 мультиплексора 30 подключен к его аналоговому входу 34, связанному с общим проводом, то есть на опорный вход 28 широтно-импульсного модулятора 27 через фильтр 40 нижних частот подано нулевое напряжение U оп=0, при этом коэффициент заполнения импульсов D=U оп/Uсигн на его выходе и, соответственно, коэффициент k передачи преобразователя 8 напряжения также равны нулю.
Сначала оператор оценивает условия пуска ДВС в зависимости от температуры окружающего воздуха и состояния ДВС (например тяжелым условиям пуска соответствует низкая температура окружающего воздуха и холодный ДВС; средним - низкая температура окружающего воздуха и прогретый ДВС; легким - положительная температура окружающего воздуха) и выбирает с помощью ручного переключателя соответствующий режим пуска. Затем от органов 24 управления на логические входы 35, 36 мультиплексора 30 подается сигнал начала прокрутки вала ДВС, соответствующий выбранному режиму. При этом аналоговый выход 38 мультиплексора 30 подключается в зависимости от выбранного режима к одному из его аналоговых входов 31, 32, или 33, то есть, на опорный вход 28 широтно-импульсного модулятора 27 через фильтр 40 нижних частот подается напряжение, которое плавно увеличивается от нуля до Uоп. Коэффициент заполнения импульсов на выходе 6 контроллера 5 возрастает до уровня D=Uоп/U сигн. Плавно увеличиваются коэффициент передачи преобразователя 8 напряжения, напряжение якорной обмотки стартера 3 и скорость вращения вала ДВС с ее последующей стабилизацией за счет действия сигнала прямой отрицательной связи Uсигн на сигнальном входе 29 широтно-импульсного модулятора 27. Таким образом, осуществляется прокрутка вала ДВС на первом этапе пуска со скоростью вращения, определяемой выбранным режимом.
В процессе прокрутки вала ДВС разряжается конденсаторная батарея 1 и уменьшается ее напряжение. Сигнал от датчика 23 напряжения конденсаторной батареи поступает на вход 26 порогового устройства, выполняющего функцию модуля 12 оценки заряда конденсаторной батареи. После того, как напряжение конденсаторной батареи опустится ниже порогового уровня, на выходе 25 модуля 12 оценки заряда конденсаторной батареи появляется сигнал ЛОГ 1. Этот сигнал, воздействуя на логический вход 37 мультиплексора 30 соединяет его аналоговый выход 38 с аналоговым входом 31, на который подано максимальное напряжение от источника 39 опорных напряжений. То есть, на опорный вход 28 широтно-импульсного модулятора 27 через фильтр 40 нижних частот подается напряжение Uоп максимально возможной величины. После этого происходит плавное увеличение коэффициента передачи преобразователя 8 напряжения до максимального уровня, соответствующее увеличение напряжения якорной обмотки стартера 3 и раскрутка вала ДВС до пусковой скорости вращения.
После окончания пуска ДВС от органов 24 управления на логические входы 35, 36 мультиплексора 30 поступают сигналы ЛОГ 0, ЛОГ 0, и система переходит в исходное состояние.
В целях сравнительной оценки рассмотренного выше варианта реализации системы и системы, выбранной в качестве прототипа (3), было проведено имитационное компьютерное моделирование с использованием математической модели (Фиг.6), в результате которого получены расчетные кривые а÷г пуска для различных режимов работы системы (Фиг.8). На Фиг.8 представлены также пусковые характеристики 1÷5, отражающие пограничные условия пуска дизельного ДВС. Кривые 1÷5 построены на плоскости n-N, где n - скорость вращения вала ДВС, N - интегральное количество оборотов вала ДВС. Данные кривые построены на основе пусковых характеристик дизеля КамАЗ-740.
(См. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004 - 384 с.: ил. (5)).
При построении кривых 1÷5 по оси ординат откладывалось не время t, как в первоисточнике (5), а интегральное количество оборотов N вала ДВС. Это обусловлено тем, что пусковые характеристики на плоскости n-t построены для незначительных изменений n(t) в процессе пуска от аккумуляторных батарей. При пуске от конденсаторной батареи, n(t) изменяется в значительных пределах, поэтому представление n(N) более корректно, так как N лучше характеризует полезную интегральную работу термодинамических циклов при прокрутке ДВС на первом этапе пуска, нежели время прокрутки t.
Пусковые характеристики 1÷5 соответствуют различным условиям пуска ДВС - чем труднее условия, тем больше номер кривой. Для оценки возможности пуска ДВС пусковые характеристики 1÷5 необходимо рассматривать совместно с расчетными кривыми а÷г - если расчетная кривая пересекает пусковую характеристику, то в соответствующих условиях возможен успешный пуск ДВС.
На Фиг.8 кривая а соответствует работе системы электростартерного пуска ДВС, выбранной в качестве прототипа (3) с параметрами конденсаторной батареи С=540 Ф, R=6 мОм. Указанные параметры выбирались так, чтобы обеспечить пуск ДВС в наиболее тяжелых условиях (расчетная кривая пуска а пересекает пусковую характеристику 5).
На Фиг.8 кривая б соответствует работе заявляемой системы электростартерного пуска ДВС, с параметрами конденсаторной батареи С=380 Ф, R=8 мОм. Указанные параметры также обеспечивают пуск ДВС в наиболее тяжелых условиях, однако емкость конденсаторной батареи при этом существенно меньше, то есть, ее энергия используется более эффективно.
Кривые в, г соответствуют работе заявляемой системы электростартерного пуска ДВС с теми же параметрами конденсаторной батареи, соответственно в средних и легких условиях пуска. Адаптация системы к различным условиям пуска позволяет при более легких условиях уменьшить время прокрутки вала ДВС.
В варианте, представленном на схеме Фиг.5 сигнал начала прокрутки вала ДВС поступает от органов 24 управления, которые помимо выключателя пуска содержат переключатель режимов, имеющий положение «Автомат» (на схеме не показаны). В исходном состоянии сигнал на начало пуска ДВС от органов 24 управления отсутствует, информация об этом поступает через интерфейсный адаптер 49 в микропроцессор 41. Программируемый генератор 42 импульсов установлен микропроцессором 41 в исходное состояние (сигнал на выходе 6 контроллера 5 соответствует коэффициенту передачи k=0 преобразователя 8 напряжения).
Оператор может выбрать режим пуска вручную, либо установить переключатель режимов в положение «Автомат». В последнем случае программа микропроцессора 41, получая через интерфейсные адаптеры 50, 51 информацию от датчика 45 температуры окружающего воздуха и датчика 46 температуры охлаждающей жидкости ДВС, автоматически осуществляет выбор подпрограммы управления генератором 42 импульсов.
После получения команды пуска ДВС, указанная подпрограмма на основе информации, поступающей через интерфйсный адаптер 48 от датчика 23 напряжения конденсаторной батареи, производит через программируемый генератор 42 импульсов увеличение коэффициента передачи преобразователя 8 напряжения от нуля до ограниченной величины, обеспечивающей прокрутку вала ДВС на первом этапе пуска. По мере прокрутки заряд конденсаторной батареи уменьшается. Модуль 12 оценки заряда конденсаторной батареи, выполненный в виде подпрограммы, обрабатывает информацию, поступающую от сенсоров 4 на основе какого-либо из известных алгоритмов фильтрации (4).
После того, как оценка заряда коденсаторной батареи станет ниже порогового уровня, программа микропроцессора осуществляет выбор другой подпрограммы, которая производит через программируемый генератор 42 импульсов увеличение коэффициента передачи преобразователя 8 напряжения до максимума. Происходит раскрутка вала ДВС до пусковой скорости вращения.
В переходных режимах (при изменениях скорости вращения вала ДВС) сигнал с датчика 47 тока преобразователя напряжения, воздействуя на запрещающий вход 44 программируемого генератора 42 импульсов, обеспечивает защиту преобразователя 8 напряжения от перегрузок, что одновременно сокращает потери энергии конденсаторной батареи 1.
После окончания пуска программа микропроцессора 41, на основе информации, поступающей от сенсоров 4, переводит систему электростартерного пуска ДВС в исходное состояние.
Расчетные пусковые кривые для варианта по схеме Фиг.5 аналогичны кривым (Фиг.8), рассчитанным для варианта по схеме Фиг.4, то есть соответствуют работе заявляемой системы электростартерного пуска ДВС с конденсаторной батареей 1 существенно меньшей емкости, чем в прототипе.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает, по сравнению с прототипом, повышение эффективности использования энергии конденсаторной батареи 1, что позволяет повысить надежность пуска ДВС, особенно в условиях низких температур, без необходимости увеличения емкости конденсаторной батареи и ухудшения масссо-габаритных характеристик системы.
1. Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая конденсаторную батарею, устройство для заряда конденсаторной батареи, электростартер с якорной обмоткой, по меньшей мере один сенсор, контроллер с выходом и по меньшей мере одним входом, связанным с сенсором, преобразователь напряжения с задающим входом, силовым входом и силовым выходом, обеспечивающий преобразование напряжения силового выхода по отношению к напряжению силового входа с коэффициентом передачи, который определяется сигналом на задающем входе, причем силовой вход преобразователя напряжения подключен к конденсаторной батарее, силовой выход к якорной обмотке электростартера, а задающий вход к выходу контроллера, отличающаяся тем, что в состав контроллера дополнительно введен модуль оценки заряда конденсаторной батареи, и контроллер выполнен таким образом, что задаваемый им коэффициент передачи ограничен, если оценка заряда конденсаторной батареи превышает пороговый уровень, а иначе принимает максимальное значение.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что электростартер выполнен в виде коллекторного электродвигателя постоянного тока, а преобразователь напряжения выполнен по схеме полупроводникового понижающего импульсного преобразователя.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что электростартер выполнен в виде вентильного электродвигателя постоянного тока, а преобразователь напряжения выполнен по схеме полупроводникового понижающего инвертора с импульсным регулированием амплитуды выходного напряжения.
4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что сенсор выполнен в виде выключателя пуска; модуль оценки заряда конденсаторной батареи выполнен в виде таймера с выходом и входом запуска, связанным с выключателем пуска; контроллер содержит генератор импульсов, двухвходовый логический элемент ИЛИ, один вход которого подключен к выходу таймера, а другой - к выходу генератора импульсов, и двухвходовый логический элемент И, один вход которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ, другой связан с выключателем пуска, а выход является выходом контроллера.
5. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что сенсоры выполнены в виде датчика напряжения конденсаторной батареи и органов управления.
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что модуль оценки заряда конденсаторной батареи выполнен в виде порогового устройства с выходом и входом; контроллер содержит широтно-импульсный модулятор с опорным входом, сигнальным входом и выходом, который является выходом контроллера, мультиплексор с аналоговыми входами, логическими входами и выходом, источник опорных напряжений с выходами, подключенными к аналоговым входам мультиплексора, фильтр нижних частот; сигнальный вход широтно-импульсного модулятора и вход порогового устройства связаны с датчиком напряжения конденсаторной батареи; выход порогового устройства подключен к одному из логических входов мультиплексора, другие логические входы которого связаны с органами управления, а выход подключен к опорному входу широтно-импульсного модулятора через фильтр нижних частот.
7. Система по п.5, отличающаяся тем, что она содержит дополнительные сенсоры в виде датчика температуры окружающего воздуха, датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания и датчика выходного тока преобразователя напряжения; контроллер содержит микропроцессор и программируемый генератор импульсов, который имеет выход, являющийся выходом контроллера, входы программирования, связанные с микропроцессором, и запрещающий вход, связанный с датчиком выходного тока преобразователя напряжения; датчик напряжения конденсаторной батареи, органы управления, датчик температуры окружающего воздуха и датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания снабжены интерфейсными адаптерами, через которые связаны с микропроцессором; программа микропроцессора содержит набор подпрограмм, одна из которых является модулем оценки заряда конденсаторной батареи, а другие служат для программирования генератора импульсов, причем выбор между ними обеспечивается программой микропроцессора в зависимости от состояния сенсоров и оценки заряда конденсаторной батареи.
