Моделирование усовершенствованной электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания

УДК 621.313

Моделирование усовершенствованной электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания

Казаков Ю.Б., д-р техн. наук, Лазарев А.А., Баранов М.Е., аспиранты

Выполнено моделирование усовершенствованной электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания на основе стартеров с высокоэнергетическими магнитами с повышенными магнитными свойствами при низких температурах. Разработаны математические модели, структурнофункциональные схемы имитационного моделирования, исследованы характеристики системы пуска с использованием результатов расчетов нестационарных магнитных полей при разных температурах.

Ключевые слова: цилиндры внутреннего сгорания, стартеры с постоянными магнитами, математическое моделирование.

Simulation improved electro start-up systems of internal-combustion engines

Kazakov Y. B., Doctor of engineering science, LAZAREV A.A., Graduate student, BARANOV M.E., Graduate student

The simulation improved electro start-up system of internal-combustion engines is made on the basis of starters with high energy magnets with heightened magnetic properties at low temperatures. The mathematical models, structurally functional schemes of simulation modeling are developed, the characteristics of a start-up system with usage of outcomes of calculations of non-steady magnetic fields are studied at the various temperatures.

Keywords: cylinders of internal combustion, starters with constant magnet, mathematical modeling.

Успешность запуска ДВС определяется параметрами элементов ЭСП. При пуске с изменением тока якоря 1а напряжение на стартере изменяется - АБ имеет ограниченную мощность. Ее напряжение иАБ, зависящее от степени разряженности ЛСР АБ, уравновешивается падениями напряжений на щетках Дищ и в активном сопротивлении якоря и подсоедини-тельных проводов Ra, ЭДС самоиндукции в якоре, определяемой индуктивностью обмотки якоря La и производной от тока якоря по времени dIa/dt, и ЭДС вращения в якоре еа, определяемой частотой вращения ю и основным магнитным потоком полюса Ф. Магнитный поток Ф изменяется под действием потока якоря, сам поток якоря зависит от 1а и dIa/dt, так как во время пуска и изменения 1а возникает демпфирование потока якоря со стороны сплошного корпуса и полюса. La, в свою очередь, зависит от насыщения магнитной цепи и изменяется с потоком якоря (током якоря). Электромагнитный момент стартера МЭМ определяется Ф и Ia, момент сопротивления стартера М0 зависит от ю и Ф, так как механические потери АРмех зависят от ю, а потери в стали АРмаг - от частоты перемагничивания и величины индукции. Момент сопротивления ДВС МдВС определяется вязкостью моторного масла v и ю. Динамический момент стартера во время пуска определяется моментом инерции якоря и присоединенных вращаемых частей J и действующими на якорь моментами МдВС, Мэм и М0. ведутся по усредненной характеристике.

Современная электростартерная система пуска (ЭСП) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) представляет собой ряд совместно работающих элементов: аккумуляторной батареи (АБ), втягивающего реле, стартерного электродвигателя, коммутационной аппаратуры и др. Запуск карбюраторного ДВС происходит при вращении его в течение некоторого времени стартером с частотой не менее 40-70 об/мин. На рис. 1 показана осциллограмма пуска ДВС с помощью ЭСП.

Рис. 1. Осциллограмма запуска ДВС электростартерной системой пуска

ЭСП работает в динамическом режиме. На первой стадии в течение 0,4-0,8 с производится разгон ДВС, на второй - ЭСП вращает ДВС с постоянной скоростью до момента схватывания цилиндров внутреннего сгорания, на третьей стадии, после схватывания цилиндров, ДВС начинает разгоняться сам и раскручивает стартер. В этот момент ЭСП должна отключаться. На осциллограмме проявляются пульсации, связанные с работой цилиндров, но расчеты обычно

і

Параметры элементов ЭСП также зависят от их температур Т. С понижением Т МдВС увеличивается из-за возрастания вязкости масла, Ra снижается, у АБ снижается напряжение холостого хода UAE,XX, снижается ток короткого замыкания IA£K3, зависящий также от попытки пуска zn и ее длительности тп, и повышается внутренне сопротивление RAB, что приводит к снижению пускового момента стартера. В целом с понижением температуры процесс запуска ДВС затрудняется. Поэтому совершенствование ЭСП в целях улучшения ее пусковых характеристик при низких температурах является актуальной задачей.

Повысить пусковой момент при низких температурах возможно увеличением Ф. В современных ЭСП начинают применяться стартеры с постоянными магнитами (ПМ), так как, по сравнению с электромагнитным последовательным возбуждением, применение ПМ позволяет избежать ухода стартера в «разнос» и осуществить при повышенных ю перевод стартера в генераторный режим. В [1] предложено для совершенствования ЭСП в стартерах вместо ферритовых ПМ применять высокоэнергетические ПМ NdFeB с увеличивающимися при понижении температуры магнитными свойствами. При снижении температуры таких ПМ (ТПМ) на 100 0С их магнитные свойства могут возрасти до 60 %. При низкой температуре будут создаваться большие Ф и МЭМ. Весь этот комплекс проблем показывает, насколько сложной является задача расчета характеристик ЭСП и анализа процесса пуска ДВС.

Корректный анализ характеристик ЭСП может быть выполнен на основе современных систем моделирования. Система уравнений ЭСП может быть представлена в следующем виде:

dIa

иАБ = La АБ a dt

ea = кюФ ;

IaRa

ли.

щ

La = f (Ia

, d ю

dt

= мэм - Мо - MДВС

МЭМ = киФ ;

М0 = f(ю,Ф) ;

M

ДВС

= f

UАБ = f(UАБхх, Ia,RАБ ,ТАБ) ;

Ф = f (Ia, da Тпм) ;

Ra = f

Разработана структурно-функциональная схема имитационного моделирования ЭСП в системе MatLab Simulink (рис. 2).

Рис. 2. Главное окно структурно-функциональной схемы имитационного моделирования ЭСП

Во вспомогательных окнах основной схемы моделирования сформированы частичные схемы моделирования обозначенных выше зависимостей параметров ЭСП от тока якоря, его производной по времени, частоты вращения, магнитного потока, температуры. Нелинейные зависимости задавались в виде функциональных соотношений. Некоторые функции аппроксимировались кубичными полиномами.

Параметры аккумуляторной батареи определяются следующим образом:

^АБхх(Таб) = к(2,02 + 0,00136ТАБ - 0,001 АСр);

¡АБ КЗ(ТАБ ) = п(10 + кЬТАБ - ксАСр -

-к„(гп -1) -кс(тп - 10)(2П -1));

ЯАБ (ТАБ ) = иАБхх1¡АБ кз ; иАБ(ТАБ) = иАБхх - ¡аЯАБ

Параметры обмотки якоря:

Яа(Та) = Яа20оС(1 + 0,004(Та - 20));

La (Ia

kUH In - 0,2Ia

P IH юН In

где П (Т) - иАБхх(ТАБ )/\_^АБ(ТАБ) + ^а (Та )] - пусковой ток в зависимости от температуры пуска Т. Момент сопротивления стартера:

М

(О

МдВС при объеме цилиндров V:

МДВС(о,ТДВС) — (390 + 3,12п)^[^^и, ,

где у(Тдвс) — -1,3349Г'дДве - 16,308ГДве --129,214ТдВС +1172,656 - зависимость вязкости моторного масла БАБ 15W-30 от температуры.

Было выполнено моделирование усовершенствованной ЭСП ДВС с объемом цилиндров V = 1,5 л автомобиля ВАЗ 2110 со стартером 37.5708 и аккумуляторной батареей СТ-55 Ач. Момент инерции механической системы «стартер 37.5708 - ДВС ВАЗ 2110» составил

^ — ^стартер + ^ДВС — 146,99 •10 5 кг • М-

Так как ПМ ШБеБ обладает очень сильными магнитными свойствами, то используемые в

стартере 37.5708 в настоящее время ферритовые ПМ толщиной 9 мм достаточно заменить ПМ ШРеВ толщиной всего 0,6-0,9 мм для обеспечения такого же магнитного потока при Т = +25 0С. Такая конструкция полюсов с ПМ №РеВ ОАО «МАГНЕТОН» была реализована в стартере.

Для определения Ф с учетом насыщения стальных участков магнитной системы и зависимости Ф = 1(!а, Т) использовано моделирование магнитного и теплового полей в поперечном сечении стартера в системе Е!си при разных 1а и Т с учетом потоков торцевого и бокового рассеяний ПМ. Учитывался сдвиг щеток и величина щеточного перекрытия. Коммутация принималась линейной. Температуры ПМ ТПМ и якоря Та определялись из расчетов тепловых полей. Конечно-элементные модели содержали несколько сотен тысяч элементов. Распределения магнитного потока и индукции в разных режимах представлены в [1]. Магнитные свойства магнита ШРеВ, в зависимости от температуры, приняты в виде

НсВТпм = НсВ20[1 + Рн(ТПМ - 20)];

ВгТпм = ВГ20[1 + Рв(ТПМ _ 20)^

где рсВ = -0,6 %/°С; = -0,12 %/0С.

По результатам расчетов магнитных полей определено, что Ф в стартере в режиме ХХ при температуре -30 0С выше на 16%, чем при температуре +25 0С. Выявлено, что реакция якоря сильно искажает магнитное поле в стартере и ее не учет приводит к существенной погрешности определения Ф при переходе от режима ХХ к режиму КЗ - до 50 %. По результатам расчетов стационарных магнитных полей зависимости Ф = ^¡а) для заданных ТПМ аппроксимировались кубичными полиномами. Так, для ТПМ = -30 0С

Ф(1а,-30оС) = -5,635 • 10-14¡3 -

-1,185 • 10-10¡2 -3,526 • 10-7¡а + 8,313 • 10-4

Значения Ф = ^ТПМ) для заданного 1а получались линейной интерполяцией результатов расчетов магнитных полей для Т = -30 и +25 0С:

Ф(1а,-30оС) = -5,635 • 10-14¡3 -

-1,185 • 10-10¡2 -3,526 • 10-7¡а + 8,313 • 10-4

При пуске стартер работает в переходном электромеханическом режиме, в нем возникают нестационарные магнитные и тепловые поля. Происходит нагревание стартера. Требуется решать задачи анализа нестационарных магнитных и тепловых полей. Возникает проблема, когда нельзя смоделировать ЭСП, не зная результатов расчета нестационарных тепловых и магнитных полей в стартере. И в то же время нельзя рассчитать нестационарные магнитные и тепловые поля, не зная результатов изменения протекающих в ЭСП 1а и выделяемых потерь в стартере. Была реализована итерационная процедура взаимодействия двух

систем моделирования МаНаЬ БтиИпк и Б!сы1, которые взаимно дополняли друг друга. Выполнялось уточнение параметров в одной системе и задание их в качестве исходных для другой системы. Это позволило в конечном итоге получить характеристики ЭСП с учетом результатов расчетов нестационарных магнитных полей в стартере и учетом динамических изменений этих характеристик во времени.

На рис. 3 представлено изменение тока в ЭСП во времени t при температурах +25 оС и - 30 оС. При температуре -30 оС ток КЗ меньше, чем при +25 оС, и меняется не так значительно, так как МдВС с понижением температуры возрастает.

Рис. 3. Изменение токов якоря во время пуска: 1 - при Т = +25 оС; 2 - при Т = -30 0С

Такие зависимости аппроксимировались и задавались в систему расчета полей. Например, на одном из этапов 1а = 93,35 + 609,8е-12 при Т = +25 оС и 1а = 233,6 + 68,9е81 при Т = -30 °С.

Графики изменения Ф = ґ(іа, ґ) при разных Т представлены на рис. 4, 5.

Ф, Ей

8.0Е-04-

А 2

А гв

1

С/

>в с

О 100 200 300 400 500 ООО 1а, А

Рис. 4. Изменение магнитного потока от тока якоря во время пуска: 1 - при Т = +25 оС; 2 - Т = -30 0С

До момента пуска магнитный поток Ф в стартере определяется точкой А (режим ХХ). При пуске в процессе быстрого нарастания іа достигает іП = 700 А. Магнитный поток Ф из-за возрастания реакции якоря снижается и перемещается в точку В, но в этот период біа/бґ имеет наибольшее значение и происходит наибольшее демпфирование потока якоря со стороны сплошного корпуса и полюса. Далее сіі/сіґ и демпфирование потока якоря снижаются, поток якоря при том же іа возрастает, Ф снижается до точки С. Далее, по мере разгона ДВС, іа снижается, Ф возрастает и переходит в номинальный режим (точка Д).

Ф-10"4, Вб

-ІА і 1 2

\в

1 V 'А С — 1 1 1 1 1 1 D

\ У

1 D

¡1 і АВ-7 / і і 1 1 1 1

і і і

0 о .1 0.2 0.3 0.4 t, се

Рис. 5. Изменение магнитного потока во время пуска: 1 -при Т = +25 оС; 2 - Т = -30 oC

Неучет демпфирования потока якоря завышает его действие и приводит к погрешности определения Ф при переходе от режима ХХ к режиму КЗ до 20 %. При Т = -30 оС ПМ NdFeB имеет наибольшие магнитные свойства, но при этом, вследствие худших свойств АБ, 1П меньше ~ 300 А. С учетом демпфирования потока якоря в первый момент в режиме КЗ Ф уменьшается в меньшей степени, чем при Т = +25 оС. Такие зависимости Ф = f(t) аппроксимировались и задавались обратно в систему моделирования ЭСП.

Результаты моделирования ю = f(t) в ЭСП с учетом результатов расчетов нестационарных магнитных полей представлены на рис. 6.

11, об/мин

Рис. 6. Изменение частоты вращения во время пуска: 1 -при Т = +25 °С; 2 - Т = -30 0С

В силу использования редуктора, момент сопротивления МдВС на коленчатом валу больше, а ю меньше, чем у стартера. При Т = -300С пусковой момент у ЭСП с ПМ ШРеВ, по сравнению с ферритовыми ПМ, возрастает на 15 %. Результаты моделирования достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Список литературы

1. Казаков Ю.Б., Лазарев А.А., Гнутов С.К. Магнитоэлектрический стартерный электродвигатель с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах // Вестник ИГЭУ. - 2008. - № 3. - С. 39-41.

Казаков Юрий Борисович,

Ивановский государственный энергетический университет,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электромеханики,

e-mail: elmash@em.ispu.ru

Лазарев Александр Александрович,

Ивановский государственный энергетический университет, аспирант кафедры электромеханики, e-mail: elmash@em.ispu.ru

Баранов Михаил Евгеньевич,

Ивановский государственный энергетический университет, аспирант кафедры электромеханики, e-mail: elmash@em.ispu.ru