СИСТЕМА ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ ИСТОЧНИКОМ ТОКА

Предложение относится к электрическим системам пуска двигателей внутреннего сгорания, использующим в качестве комбинированных источников тока свинцово-кислотные аккумуляторы и молекулярные накопители электрической энергии конденсаторного типа.
Известна система электрооборудования пускового устройства 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).
Недостатком системы является затруднения в проворачивании коленчатого вала двигателя при низких температурах окружающего воздуха. Затруднения объясняются увеличением внутреннего сопротивления аккумулятора при понижении его температуры, то есть уменьшением мощности отдаваемой аккумулятором.
Известна система электрооборудования пускового устройства двигателя внутреннего сгорания содержащая комбинированный источник тока - свинцово-кислотный аккумулятор и молекулярный накопитель электрической энергии конденсаторного типа, выключатель электростартера, 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 «МА-МИ» №1(7) 2009, с.82-90) - прототип.
Использование совместно с аккумуляторной батареей дополнительного конденсаторного накопителя позволяет при низких температурах увеличивать частоту проворачивания коленчатого вала, а, следовательно, и вероятность запуска двигателя. Данное обстоятельство объясняется небольшим, по сравнению с аккумуляторной батареей, внутренним сопротивлением конденсаторного накопителя и слабой зависимостью данного внутреннего сопротивления от внешних температур.
Однако, использование двух параллельно соединенных источников энергии - аккумулятора и конденсаторного накопителя с различными внутренними сопротивлениями приводит к неравномерному, относительно друг друга, расходу запасенной в источниках энергии во время пуска.
A
c
c
c
c
Данное обстоятельство объясняется тем, что при первоначальном включении электростартера его сопротивление, то есть сопротивление нагрузки для источников тока, минимально, следовательно, ток потребления максимален. При этом больший расход запасенной энергии происходит в начальный момент проворачивания коленчатого вала из источника энергии, который обладает меньшим внутренним сопротивлением, то есть из конденсаторного накопителя. В процессе проворачивания коленчатого вала, а, следовательно, и якоря электростартера, его ток уменьшается из-за возникновения противо-электродвижущих сил в обмотках электростартера. При уменьшении потребляемого тока напряжение аккумулятора U стремится возрасти до величины внутренней электродвижущей силы равной величине около 12 В, а напряжение конденсаторного накопителя U стремится к сохранению на уровне, определяемом оставшейся в накопителе энергии W. При этом величина напряжения U зависит от энергии W следующим известным образом:
где С - величина емкости накопителя;
c
U - напряжение на выводах накопителя энергии.
A
c
c
A
При параллельном соединении источников тока в случае превышения напряжения аккумулятора U величины напряжения накопителя U происходит перераспределение тока аккумулятора - одна часть, по прежнему, расходуется на электростартер, а другая часть - подзаряжает конденсаторный накопитель до величины напряжения U=U- Расходование в процессе пуска двигателя, части тока аккумулятора на заряд конденсаторного накопителя уменьшает напряжение на электростартере, а, следовательно, и развиваемую им мощность.
Таким образом, недостатком указанной системы пуска является неоправданный расход тока (энергии) аккумулятора на заряд конденсаторного накопителя во время пуска, что в итоге уменьшает частоту проворачивания коленчатого вала двигателя и снижает вероятность успешного пуска двигателя.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, состоит в исключении расхода тока аккумулятора на заряд конденсаторного накопителя во время проворачивания коленчатого вала двигателя.
Указанная задача решается тем, что подключение конденсаторного накопителя к положительной шине питания производится через устройство, обладающее односторонней проводимостью электрического тока (полупроводниковый диод) и препятствующее протеканию тока от аккумулятора к накопителю. Заряд накопителя осуществляется в обход диода от положительной шины питания через дополнительный контакт выключателя электростартера и только при выключенном электростартере. При включении электростартера цепь заряда накопителя размыкается.
Техническая сущность полезной модели поясняется электрической схемой системы пуска двигателя с комбинированным источником тока, показанной на фиг.
Система пуска двигателя с комбинированным источником тока содержит: двигатель внутреннего сгорания 1, электростартер 2 и электрогенератор 3, механически соединенные через приводы 4 и 5 с двигателем внутреннего сгорания 1, положительную и отрицательную шины электрического питания 6 и 7, аккумулятор 8, при этом положительный вывод аккумулятора 8 соединен с положительной шиной 6, а отрицательный вывод аккумулятора 8 соединен с отрицательной шиной питания 7, конденсаторный накопитель 9, первый вывод которого подключен к положительной шине 6 через полупроводниковый диод 10, а второй вывод накопителя 9 соединен с отрицательной шиной питания 7, один вывод электростартера 2, соединенный с отрицательной шиной 7, другой вывод электростартера 2, подключенный к положительной шине 6 через выключатель 11, содержащий основные контакты 12 и 13, а также дополнительный контакт 14, который подключен к первому выводу накопителя 9.
В качестве двигателя внутреннего сгорания 1 могут использоваться карбюраторные и дизельные двигатели. Приводы 4 и 5, подключенные соответственно к электростартеру 2 и электрогенератору 3, 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.
Аккумулятор 8 наиболее часто выполняется в виде батареи из нескольких соединенных последовательно свинцово-кислотных гальванических элементов.
Конденсаторный накопитель 9 электроэнергии выполняется в виде молекулярного накопителя электроэнергии, в котором используется явление формирования барьерного электрического поля на межфазной поверхности электронного и ионного проводников. За счет развитых поверхностей в зоне перехода обеспечиваются 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.
Диод 10 выполняется из полупроводниковых материалов с использованием свойства их односторонней электропроводимости.
Выключатель 11 электростартера 2 представляет собой коммутационное устройство с замыкающимися при включении основными контактами 12 и 13. В выключенном состоянии основные контакты 12 и 13 разомкнуты, а замкнутыми становятся основной и дополнительный контакты 12 и 14. Привод выключателя может быть различным, например, ручным или электромагнитным.
Система пуска двигателя с комбинированным источником тока работает следующим образом.
Перед первоначальным пуском двигателя 1 производится заряд аккумулятора 8 и конденсаторного накопителя 9 от внешних источников электрической энергии до номинальных значений.
Для осуществления пуска двигателя 1, производится включение выключателя 11 электростартера 2. При этом основные контакты 12 и 13 замыкаются и электростартер 2 соединяется с положительной шиной 6. Шина 6 питается от комбинированного источника тока, который состоит из аккумулятора 8 и накопителя 9, подключенного через диод 10.
При замыкании контактов 12 и 13 по обмоткам электродвигателя электростартера 2 начинают протекать токи от аккумулятора 8 и от накопителя 9. Так как внутреннее сопротивление накопителя 9 меньше, чем внутреннее сопротивление аккумулятора 8, то относительный расход электроэнергии накопителем 9 будет большим, нежели чем у аккумулятора 8.
Под действием электромагнитных сил начинает проворачиваться якорь электростартера 2 и, соответственно, коленчатый вал двигателя 1. В процессе проворачивания якоря электростартера 2 потребляемый ток уменьшается из-за возникновения противоэлектродвижущих сил в обмотках электростартера 2.
A
c
c
При уменьшении потребляемого от источника тока напряжение U аккумулятора 8 стремится возрасти до величины внутренней электродвижущей силы батареи гальванических элементов (около 12 В), а напряжение U конденсаторного накопителя 9 стремится к сохранению на уровне, определяемом оставшейся в накопителе энергии W, в соответствии с известной зависимостью:
где С - величина емкости накопителя.
A
c
c
A
Следовательно, в моменты уменьшения потребляемого тока электростартером 2 возможны ситуации, когда напряжение U аккумулятора 8 превышает напряжение U конденсаторного накопителя 9. Для предотвращения в данных ситуациях перераспределения тока аккумулятора 8, когда одна часть тока расходуется в обмотках электростартера 2, а другая часть через положительную шину 6 подзаряжает конденсаторный накопитель 9, стремясь довести его напряжение U до напряжения U, между положительной шиной 6 и конденсаторным накопителем 9 установлено устройство с односторонней электропроводимостью - полупроводниковый диод 10.
A
c
A
c
Когда напряжение U аккумулятора 8 (анод диода 10) превышает напряжение U накопителя 9 (катод диода 10), то диод 10 закрывается, предотвращая протекание тока аккумулятора 8 через положительную шину 6 к накопителю 9. Когда напряжение U аккумулятора 8 близко к напряжению Uнакопителя 9, то диод 10 открывается, позволяя току накопителя 9 протекать по положительной шине 6, и, в случае замыкания основных контактов 12 и 13, по электростартеру 2.
При работе двигателя 1 электрогенератор 3 вырабатывает электрическую мощность, поддерживая на заданном уровне напряжение шин 6 и 7. От шин 6 и 7 происходит заряд энергией аккумулятора 8, а также и накопителя 9. Заряд аккумулятора 8 и накопителя 9 необходим для проведения пусков двигателя 1 после его остановок. Однако ток заряда накопителя 9 не может проходить через диод 10, который закрыт для токов направлением от положительной шины 6 к накопителю 9.
Для создания цепи заряда накопителя 9 от шины 6 выключатель 11 содержит дополнительный контакт 14, который замыкается с основным контактом 12 при выключенном состоянии выключателя 11. Так как, при работе двигателя 1 выключатель 11 выключен, то основной и дополнительный контакты 12 и 14 выключателя 11 замкнуты, что позволяет осуществлять через них заряд накопителя 9, минуя полупроводниковый диод 10.
В период пуска двигателя 1 контакты 12 и 13 замыкаются, а контакты 12 и 14 размыкаются, при этом связь аккумулятора 8 и накопителя 9 осуществляется через полупроводниковый диод 10, что предотвращает расход тока аккумулятора 8 на заряд накопителя 9 в период работы электростартера 2.
Таким образом, использование в системе пуска с комбинированным источником тока полупроводникового диода и выключателя электростартера с дополнительным выводом позволяет исключить на время пуска неоправданный расход энергии аккумулятора на заряд накопителя, что повышает вероятность успешного пуска двигателя.