Особенности работы стартерных аккумуляторных батарей при самопрогреве двигателя в зимний период

УДК 621.355.5

особенности работы стартерных аккумуляторных батарей при самопрогреве двигателя в зимний период

Г.М. КРОХТА, доктор технических наук, зав. кафедрой

Н.А. УСАТЫХ, доцент

Ю.А. ГУСЬКОВ, доктор технических наук, доцент

Д.М. ВОРОНИН, доктор технических наук, профессор

Новосибирский государственный аграрный университет, ул. Добролюбова, 160, Новосибирск, 630039, Российская Федерация

Резюме. Экспериментальные исследования с целью определения работоспособности аккумуляторных батарей при самопрогреве дизеля с помощью автомата прогрева двигателя в период межсменных стоянок в широком диапазоне температур окружающей среды проводили в 2014-2015 гг. на базе ФГбОу ВО Новосибирский ГАУ. Программа исследований предусматривала поиск зависимости между температурой электролита в аккумуляторах и максимально возможным количеством пусков двигателя, а также определение возможности восстановления за время самопрогрева затраченной при пуске емкости аккумуляторных батарей. Уменьшение температуры электролита от плюс 25 °С до минус 27 °С привело к снижению напряжения на клеммах батареи из-за увеличения внутреннего сопротивления электролита уже при первом пуске с 21,9 до 17,2 В. Полностью заряженная батарея при температуре электролита плюс 25 °С и прочих равныхусловиях способна обеспечить 65 пусков двигателя Д-160, разрядившись на 93 %. При ее понижении до минус 27 °С энергоотдача аккумуляторной батареи значительно уменьшается, степень разряда не превышает 12 %. В течение прогрева двигателя от температуры в головке блока плюс 5 °С до плюс 50 °С при температуре электролита минус 15 °С батарея заряжается при степени разряженности 13, 25, 30 и 40 % соответственно за 13, 17, 22 и 27 мин. Плотность электролита при этом возрастает с 1,245 до 1,281 г/см3, что соответствует повышению степени заряженности с 60 до 90 % ее номинальной емкости. При температуре электролита ниже минус 20 °С отмечено интенсивное ухудшение эффективности зарядки аккумуляторов от бортовой сети. В этом случае при зарядке батареи от стационарного устройства наблюдается активное кипение аккумуляторов при неизменной плотности. Таким образом, зарядка возможна лишь при температуре выше минус 20 °С.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, дизельный двигатель, пуск двигателя, время пуска, температура окружающей среды, температура электролита, плотность электролита, время заряда. Для цитирования: Особенности работы стартерных аккумуляторных батарей при самопрогреве двигателя в зимний период / Г.М. Крохта, Н.А. Усатых, Ю.А. Гуськов, Д.М. Воронин // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №12. С. 94-97.

Самопрогрев - периодические циклы «пуск-прогрев-остывание», которые обеспечиваются с помощью автомата прогрева двигателя (АПД). Надежность пуска двигателей внутреннего сгорания в зимний период во многом определяется работоспособностью аккумуляторных батарей.

Из литературных источников известно, что работоспособность батарей при низких температурах снижается из-за падения напряжения, уменьшения емкости, мощности и энергоотдачи, недостаточного заряда (табл. 1). С понижением температуры электролита повышается его электросопротивление и вязкость, уменьшается скорость диффузии кислоты в поры активной массы и растворимость сернокислого свинца [1].

Для изучения процессов, протекающих в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях, можно воспользоваться общепринятой теорией двойной сульфатации активной массы положительных и отрицательных пластин, согласно которой при разряде на положительных и отри-

Up = Еб - Еп или U = Е„

цательных пластинах образуется сульфат свинца (PbSO4) вследствие восстановления двуокиси свинца (РЬ02) на положительных пластинах и окисления губчатого свинца на отрицательных. В результате количество серной кислоты в электролите уменьшается, а воды - увеличивается, что вызывает снижение плотности электролита. Плотность электролита у полностью разряженной батареи находится в пределах от 1,09 до 1,11 г/см3. При зарядке сульфат свинца положительных пластин превращается в двуокись свинца, а сульфат свинца отрицательных пластин - в губчатый свинец. Количество серной кислоты в электролите увеличивается, а воды - уменьшается. Плотность электролита растет. Зарядка батареи заканчивается тогда, когда весь сульфат свинца преобразуется в активное вещество.

По данным научно-исследовательского института стартерных аккумуляторов (НИИСТА) при температуре 0 °С коэффициент отдачи аккумуляторов по току равен 90 %, а при минус 40 °С - 20 %, поскольку подводимая энергия почти полностью расходуется на гидролиз воды. Аккумуляторы практически неработоспособны уже при минус 30-35 °С [1].

Напряжение на клеммах аккумуляторной батареи при разряде (пуске) можно определить по следующим формулам [2]:

- I • Яб

„ ^ " Еп - Р •

где Еб - ЭДС аккумуляторной батареи, В; Еп - ЭДС поляризации, В; - сила тока при разряде, А; Иб - внутреннее сопротивление батареи, Ом; Rкэ - общее сопротивление электродов, межэлементных соединений, плюсовых выводов и сепараторов, Ом; Иэ - сопротивление электролита, Ом.

Изменение ЭДС от температуры очень незначительно (0,04 В на 100 °С) и с ним можно не считаться.

ЭДС поляризации (Еп) - это изменение величины электродных потенциалов под действием протекающего тока. Поляризация при протекании тока возникает по следующим причинам: во-первых, изменяются величины зарядов на поверхности электродов и в электролите; во-вторых, меняется концентрация электролита у электродов, что вызывает соответствующее изменение электродных потенциалов.

Понижение температуры электролита сопровождается увеличением его вязкости и, следовательно, снижением диффузии, что, в свою очередь, определяет повышение разности концентраций электролита в порах и на поверхности пластин. Таким образом, с уменьшением температуры электролита ЭДС поляризации возрастает, а напряжение на клеммах батареи

Таблица 1. влияние температуры электролита на основные показатели работы аккумуляторных батарей 6СТ-190Тр при токе разряда 500 А

Температура электролита, °С Среднее разрядное напряжение, В Время заряда, мин Фактическая емкость, % Фактическая энергия, %

+25 9,6 9,1 100 100 0 9,5 8,0 89 88 -25 8,2 4,2 46 39 -45 6,3 2,1 23 15

падает. При выключении тока оба явления исчезают, и ЭДС поляризации становится равной нулю.

Из формул (1) и (2) следует, что внутреннее омическое сопротивление батареи складывается из суммы сопротивлений ее конструктивных элементов и сопротивления электролита.

При разряде батарей выделяющийся сульфат свинца значительно повышает сопротивление пластин. Одновременно, отлагаясь внутри пор, сульфат свинца уменьшает их проходное сечение и затрудняет диффузию кислоты в поры активной массы. Результатом этого становится двукратное и даже трехкратное повышение сопротивления аккумуляторной батареи в конце разряда. При заряде сопротивление уменьшается и достигает первоначального значения.

Очень большое влияние на внутреннее сопротивление батареи оказывает сопротивление электролита, которое определяется его температурой и концентрацией. Минимальное сопротивление электролит имеет при плотности 1,225 г/см3 и температуре плюс 15 °С. Отклонение в ту или другую сторону повышает величину этого показателя. С понижением температуры электролита от плюс 30 °С до минус 40 °С его удельное сопротивление возрастает в 8 раз [3].

Таким образом, уменьшение температуры электролита ведет к значительному падению напряжения на клеммах аккумуляторных батарей, что снижает развиваемую стартером мощность в период пуска двигателя. Кроме того, уменьшение температуры электролита на каждые 1 °С в области положительных температур вызывает снижение емкости примерно на 0,6-1,0 %, а при отрицательных температурах и увеличенных разрядных токах до 2 % и более. Причина этого заключается в повышении вязкости электролита, что затрудняет его проникновение во внутренние слои активной массы. Так, емкость батареи 6СТ-190ТР при разряде током 9,5 А и температуре электролита плюс 30 °С составляет 102 % от номинального значения, а при минус 40 °С - 35 %. При разряде током 500 А и температуре плюс 30 °С емкость уменьшается до 40 % от номинальной, а при минус 40 °С - до 6 % [3].

При низких температурах окружающей среды (ОС) ухудшаются не только характеристики аккумуляторной батареи на режимах разряда, но и значительно снижается интенсивность ее подзарядки. Это приводит к нарушению баланса электроэнергии, недозарядке, а в условиях особо низких температур - к прогрессирующим разрядам батарей.

В ряде литературных источников для повышения зарядного тока батареи при низких температурах электролита рекомендуется поднимать напряжение генератора, поддерживаемое регулятором [4]. Но эта мера эффективна для температур до минус 18-20 °С. При их дальнейшем снижении требуется значительное повышение напряжения, что недопустимо по условиям работы потребителей электроэнергии. Кроме того, появляется вероятность возникновения перезаряда аккумуляторов из-за отсутствия устройств, контролирующих степень их зарядки. В этом случае разрушаются аккумуляторные пластины, уменьшается фактическая емкость и сокращается срок службы батареи.

Снижение электрических характеристик аккумуляторных батарей объясняется закономерностями изменения свойств веществ, участвующих в токообразующих реакциях аккумулятора. Они не могут быть изменены в желаемом направлении, если электролит остается холодным. Поэтому главной задачей обеспечения работоспособности аккумуляторных батарей следует считать поддержание оптимальной температуры электролита.

Наиболее простой способ решения этой задачи - замедлить остывание электролита. Например, по данным НИИАвтоприборов не утепленная аккумуляторная батарея 6СТ-132 охлаждается от плюс 25 °С до минус 30 °С со скоростью 6,6° за один час; а утепленная - 1,4 °С за один час. В этом же институте разработаны методы внешнего электрического самоподогрева аккумуляторов и внутреннего с размещением нагревающих элементов внутри корпуса. Однако широкому распространению аккумуляторов с внутренним электроподогревом электролита (наиболее эффективный метод) препятствует сложная технология производства и высокая стоимость таких изделий.

В зоне холодного климата в отрыве от основных баз на лесосеках, строительстве ЛЭП, ГЭС, газо- и нефтепроводов и др. работает много мобильной техники. В таких условиях обеспечение надежной работы аккумуляторов в стартерном режиме - сложная и важная задача [5].

Цель исследований - определение работоспособности аккумуляторных батарей при самопрогреве дизеля с помощью АПД в период межсменных стоянок в широком диапазоне температур ОС. При этом под работоспособностью аккумуляторных батарей мы понимали максимально возможное количество прокруток коленчатого вала двигателя продолжительностью 15 с каждая.

Программа исследований предусматривала решение следующих задач:

определение условий надежной работы аккумуляторных батарей 6СТ-190ТР при самопрогреве двигателя с помощью АПД в межсменный период;

установление зависимости между температурой электролита в аккумуляторах и максимально возможным количеством пусков двигателя;

определение возможности восстановления за время самопрогрева затраченной при пуске емкости аккумуляторных батарей при низких температурах ОС и электролита.

Условия, материалы и методы. Объект исследования - процессы, происходящие в аккумуляторных батареях в период самопрогрева машин.

Методика экспериментальных исследований предусматривала следующие режимы и условия проведения испытаний аккумуляторных батарей:

за пуск принимали прокрутку коленчатого вала дизеля в течение 15 с при заданных температурах электролита в аккумуляторах и охлаждающей жидкости в головке блока;

каждую последующую прокрутку коленчатого вала осуществляли по истечении 15-20 мин (время отдыха аккумулятора);

тепловой режим двигателя поддерживали путем кратковременного прогрева с отключенным АПД и отключенной системой зарядки аккумуляторов;

конец цикла испытаний определялся степенью раз-ряженности аккумуляторов, при которой пуск двигателя становился невозможным;

температуру электролита в аккумуляторах поддерживали путем их размещения в специальной холодильной камере;

зарядку аккумуляторов после окончания цикла испытаний проводили от стационарного зарядного устройства;

степень зарядки и остаточную емкость аккумуляторных батарей оценивали по плотности электролита и падению напряжения на клеммах в период прокручивания коленчатого вала дизеля электростартером;

обслуживание аккумуляторных батарей осуществляли в соответствии с инструкцией ФЯО 355.004.ИЭ;

в период испытаний замеряли величину зарядного тока, время работы стартера за один пуск, температуру

электролита, падение напряжения на клеммах аккумуляторов, пусковую частоту вращения коленчатого вала двигателя, плотность электролита.

Для оценки возможности восстановления емкости АКБ при низких температурах ОС батарею поэтапно разряжали до 13, 25, 30 и 40% от номинальной емкости. Каждый этап заканчивался пуском-прогревом с включенным АПД и сопровождался зарядкой батареи в течение прогрева от бортовой сети.

результаты и обсуждение. При комплексном изучении процесса самопрогрева в период межсменных стоянок необходимо выяснить условия и пределы надежной работоспособности аккумуляторных батарей, чтобы прогнозировать надежность очередного и количество последующих надежных пусков при различных температурах электролита (О (рис.1).

собой повышение его сопротивления, которое при замерзании достигает значительных величин. Соответственно с ростом сопротивления электролита усиливается падение напряжения внутри аккумулятора. Эти потери проявляются в виде выделения тепловой энергии, разогревающей электролит при пуске, что подтверждено на практике. Одновременно, на наружных поверхностях пластин происходит образование мелкокристаллического сульфата свинца, который уменьшает проходное сечение пор слоя активного вещества. При нагревании электролита холодная батарея восстанавливает свою работоспособность, что служит подтверждением потери ее емкости по причине закупорки пор активной массы пластин замерзшим электролитом (водой).

По мере снижения температуры электролита уменьшается работоспособность аккумуляторной батареи (рис. 2). Если линию продолжить до пересечения с осью ординат, то можно примерно установить температуру полного отказа батареи, которая находится в пределах минус 35-40 °С.

рис. 1. Зависимость характеристик аккумуляторных батарей 6СТ-190ТР (Еб - ЭДС батареи, В; иб - напряжение батареи, В; р - плотность электролита, г/см3) от количества пусков двигателя Д-160: 1 - температура электролита плюс 25 °С; 2 - температура электролита плюс 7 °С; 3 - температура электролита минус 15 °С; 4 - температура электролита минус 27 °С.

Результаты экспериментальных исследований показали, что понижение температуры электролита от плюс 25 °С до минус 27 °С привело к снижению напряжения на клеммах батареи при первом пуске с 21,9 до 17,2 В из-за увеличения внутреннего сопротивления электролита. Примерно до восьмого пуска наблюдалось равномерное снижение напряжения на клеммах батареи с 17,2 до 16,7 В (см. рис. 1).

В среднем падение напряжения за один пуск при температуре ОС минус 27 °С составило 0,06 В. Последние четыре пуска сопровождались значительным падением напряжения, примерно 0,6 В/пуск. Напряжение на клеммах батареи при последнем двенадцатом пуске составило 14,3 В, после чего наступил ее отказ. Для сравнения, полностью заряженная батарея при температуре электролита плюс 25 °С и прочих равных условиях способна обеспечить 65 пусков, разрядившись на 93 %, тогда как при температуре электролита минус 27 °С степень разряда не превышает 12 %. Таким образом, с понижением температуры электролита значительно уменьшилась энергоотдача аккумуляторной батареи. Это объясняется ростом вязкости электролита, в результате чего при разряде снижается скорость его диффузии в поры активной массы. С увеличением тока в период пуска интенсивность реакций на наружных поверхностях пластин возрастает, а в более глубоких слоях она уменьшается, так как быстрый расход серной кислоты в порах пластин не успевает пополняться за счет диффузии электролита извне. Плотность электролита в порах пластин может снижаться до значений, при которых происходит его замерзание и закупорка пор. Этот процесс начинается в более глубоких слоях активной массы и по мере разряда перемещается в сторону наружных поверхностей пластин. Кроме того, снижение плотности электролита влечет за

рис. 2. Зависимость работоспособности полностью заряженных аккумуляторных батарей от температуры электролита ^л.

Начальная плотность электролита полностью заряженной батареи, равная 1,29 г/см3 при tэ плюс 25 °С, с понижением температуры до минус 27 °С возрастает до 1,316 г/см3. В период разряда батареи в соответствии с принятой методикой плотность электролита, при которой наступает отказ, снижается до 1,18 г/см3 при tэ плюс 25 °С. С уменьшением температуры электролита отказ батареи наступает при более высоких значениях плотности. Например, при минус 15 °С это произошло после 25-го пуска и плотности электролита после отказа 1,25 г/см3. Дальнейшее понижение температуры до минус 27 °С повлекло за собой повышение плотности в момент отказа до 1,27 г/см3.

Следовательно, по мере снижения температуры электролита работоспособность аккумуляторной батареи в стартерном режиме падает. Вместе с тем, анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что надежный пуск двигателя Д-160 продолжительностью не более 15 с в режиме АПД возможен при температуре электролита от минус 30 °С и выше. При этом следует отметить, что указанная температура соответствует нижнему пределу сохранения работоспособности батареи в стартерном режиме со значительно ограниченным количеством пусков (на уровне 4-6 пусков).

Действительная температура электролита на работающей машине, как правило, всегда выше температуры ОС. Разница определяется местом установки аккумуляторной батареи, способом утепления и режимом работы машины. По некоторым сведениям превышение составляет от 10 °С и более, что значительно улучшает тепловой режим батареи [6]. Аналогичные результаты получены и в нашей работе.

Для надежной работы АПД в период прогрева двигателя (15-30 мин) необходимо восполнить затраченную при пуске энергию аккумуляторных батарей, что, если судить

по многочисленным литературным данным, представляет весьма сложную задачу. Например, есть такие сведения, что подзарядку батарей можно осуществлять только до температур электролита не ниже минус 18-20 °С [1].

Для уточнения нижней температурной границы электролита, до которой аккумуляторная батарея способна принимать зарядку, была выполнена серия

рис. 3. Характеристика заряда аккумуляторных батарей 6CT-I90TP от бортовой сети двигателя Д-160 (t^ минус 15 °С): 1 - р =1,245 г/см3, разряжена на 40 %; 2 - р =1,26 г/см3, разряжена на 30 %; 3 - р =1,270 г/см3, разряжена на 25 %; 4 - р = 1,281 г/см3, разряжена на 13 %.

Опыты показали, что в течение прогрева двигателя от температуры в головке блока плюс 5 °С до плюс 50 °С при температуре электролита минус 15 °С батарея заряжается при степени разряженности 13, 25, 30 и 40 % соответственно за 13, 17, 22 и 27 мин. Плотность электролита при этом возрастает с 1,245 до 1,281 г/см3, что соответствует повышению степени заряженности с 60 до 90 % номинал ьной ем -кости. При таком способе зарядки (U=const) и температуре электролита это предельное значение. При температуре электролита минус 20 °С и ниже отмечали интенсивное уменьшение эффективности зарядки аккумуляторов от бортовой сети. Ток зарядки падал до 1-2 А. Плотность

электролита не восстанавливалась. Попытки зарядить батарею от стационарного зарядного устройства при температуре электролита ниже минус 20 °С также не увенчались успехом. Наблюдали активное кипение аккумуляторов при неизменной плотности. Плотность начала возрастать при температуре электролита от минус 20 °С и выше.

Выполненные исследования показали, что надежная работоспособность аккумуляторной батареи в режиме разряда и заряда возможна до температуры электролита не ниже минус 20 °С, а в режиме разряда с ограниченным количеством пусков двигателя - до минус 30 °С.

Таким образом, если учесть, что температура электролита в работающем аккумуляторе всегда выше температуры ОС на 10 °С и более, то не утепленная и не обогреваемая аккумуляторная батарея способна обеспечить энергией систему пуска двигателя в период межсменных стоянок при температуре окружающего воздуха не ниже минус 30°С. Эта предельная температура ОС, при которой возможен пуск двигателя и последующая надежная работа системы зарядки аккумуляторов.

выводы. Работоспособность аккумуляторной батареи уменьшается по мере понижения температуры электролита. При плюс 20 °С полностью заряженная батарея способна осуществить 65 пусков по 15 с каждый, при температуре минус 15 °С - 25 пусков, температуре минус 27 °С - только 12 пусков. Полный отказ аккумуляторных батарей, работающих в стартерном режиме, наступает при температурах 35-40° ниже нуля.

Аккумуляторная батарея работоспособна в режиме разряда и заряда до температуры электролита выше минус 20 °С.

Для повышения работоспособности аккумуляторных батарей в системе автоматического прогрева двигателя в межсменный период при низких температурах окружающего воздуха следует обеспечивать поддержание теплового режима электролита не ниже минус 18 °С.

специальных экспериментов (рис. 3). J„a\ I

0 5 10 15 20 25 I мин.

Литература.

1. Панкратов Н.И. Эксплуатация аккумуляторных батарей при низких температурах // Автомобильный транспорт. 1985. №2. С. 16-19.

2. Конофеев Н.Т. Автомобильные аккумуляторные батареи. М.: ДОСААФ, 1979. 64 с.

3. Тиминский В.И. Справочник по электрооборудованию автомобилей, тракторов, комбайнов. М.: Урожай, 1985. 256 с.

4. Никонов Н.Н. Трактор «Кировец К-701»: учеб. пособие. М.: «Высшая школа», 1974. 320 с.

5. Холодный пуск дизелей. Starteng diesel entgenes in cald weather / Robertson Zosepb L. «Rock Prod», 1987. №2.

6. Крохта Г.М., Хомченко Е.Н., Усатых Н.А. Влияние газотурбинного наддува на пусковые качества дизельных двигателей в зимний период // Тракторы и сельхозмашины. 2016. №4. С. 28-33.

peculiarities of work of starter batteries during self-warming of the engine in

winter

G.M. Krochta, N.A. usatih, Y.A. Guskov, D.M. Voronin

Novosibirsk State Agrarian University, ul. Dobrolyubova, 160, Novosibirsk, 630039, Russian Federation

Summary. Experimental studies were carried out in 2014-2015 at the premises of the Novosibirsk State Agrarian University. The aim of the experiments was to determine the working capacity of accumulator batteries during self-warming of diesel engine with the help of machine for engine warm-up during the period of parking between shifts at the wide range of ambient temperatures. The program of study stipulated the search of a relationship between the temperature of electrolyte in the batteries and the maximum possible number of starts of the engine; and the determination of the possibility of recovery of storage capacity, spent at start, during the self-warming. The reduction of the temperature of electrolyte from plus 25 degrees to minus 27 degrees led to the decrease in the voltage at the battery clamps from 21.9 to 17.2 volts at the first start already due to the increase in the internal resistance of electrolyte. A fully charged battery with electrolyte temperature of plus 25 degrees and other conditions being equal, is able to provide 65 starts of the D-160 engine, discharging on 93 %, and with electrolyte temperature of minus 27 degrees, the degree of discharge does not exceed 12 %. During engine warm-up from the temperature in the cylinder head from plus 5 degrees to plus 50 degrees with electrolyte temperature of minus 15 degrees the battery charges during 13, 17, 22 and 27 minutes with the degree of discharge of 13, 25, 30 and 40 %, respectively. Density of electrolyte in this case increases from 1.245 to 1.281 g/cm3, which corresponds to an increase in the degree of charge from 60 to 90 % of its nominal capacity. At electrolyte temperature below minus 20 degrees there was an intense decrease in the efficiency of batteries charging from the electrical system. In this case, when charging the battery from a stationary device, there is active boiling of the batteries at a constant density. Thus, charging is possible only at temperatures above minus 20 degrees. Keywords: accumulator battery, diesel engine, starting the engine, starting time, ambient temperature, temperature of electrolyte, electrolyte density, time of charge.

Author Details: G.M. Krochta, D. Sc. (Tech.), head of department; N.A. Usatih, assoc. prof. (e-mail: mshipo@mail.ru); YA. Guskov, D. Sc. (Tech.), assoc. prof.; D.M. Voronin, D. Sc. (Tech.), prof.

For citation: Krochta G.M., Usatih N.A., Guskov YA., Voronin D.M. Peculiarities of Work of Starter Batteries during Self-Warming of the Engine in Winter. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2016. V.30. No. 12. Pp. 94-97 (in Russ.).