Тема Электропусковые системы.
Назначение и компоновочные схемы системы электрического пуска
Система пуска представляет собой комплекс устройств, предназначенных для принудительного вращения коленчатого вала при пуске двигателя.
Система пуска должна обеспечить пусковую частоту вращения при различных условиях эксплуатации машины; иметь высокую надежность, малые габаритные размеры и удельную массу; способствовать автоматизации процесса пуска.
При пуске двигателя пусковое устройство (стартер) должно обеспечить заданную частоту вращения - пусковую (nп). Это необходимо, чтобы в камере сгорания в конце сжатия обеспечить достаточное давление и соответственно требуемую температуру смеси (в дизеле - воздуха). Только в таком случае смесь может воспламениться и образовать надежный фронт распространения пламени по всей камере сгорания. Для карбюраторных двигателей пусковая частота вращения составляет 40…80 мин-1, для дизелей 150…300 мин-1. У дизелей эта частота вращения больше, так как для воспламенения топлива, впрыскиваемого форсункой, нужна более высокая температура.
Для обеспечения такой частоты вращения стартер должен преодолеть момент сопротивления двигателя
Мп = Мт+Мсж+Мj.
Момент трения Мт создается силами трения во всех механизмах двигателя (КШМ, ГРМ, насосы и др.) и зависит от мощности (литража), числа цилиндров, технологии изготовления, вязкости масла, а также температуры масла и окружающего воздуха. Существуют эмпирические зависимости для определения этого момента: для четырехцилиндровых двигателей
Мг = 8,58 Vh(0,24 + 0,033nп/100) v0,37; для восьмицилиндровых двигателей
Мг = 8,58 Vh(0,11 + 0,022nп/100) v0,39, где Vh - литраж двигателя, л; v - вязкость масла (в сантистоксах) при соответствующей температуре, сСт.
Момент Мсж, необходимый для сжатия смеси, действует только первые пол-оборота (у четырехцилиндровых двигателей), а затем компенсируется в процессе расширения газов в других цилиндрах.
Момент Мj, создаваемый силами инерции, действует в первые с, когда коленчатый вал набирает частоту вращения от 0 до пп. Однако в момент начала трогания он достигает больших значений, так как угловое ускорения ед в начальный момент значительное: Mj = Imед (здесь Im - момент инерции двигателя). Различают следующие системы пуска: инерционные, пневматические, гидропневматические, механические (ручные и с помощью вспомогательного двигателя внутреннего сгорания), электрические. В основном применяют электрическую (электростартерную) систему, которая лучше остальных отвечает перечисленным требованиям. Она состоит из аккумуляторной батареи, стартера, механизма привода с приборами управления и средств облегчения пуска. Система стартерного пуска работает следующим образом. При включении (в замке зажигания) контактов включается в цепь тяговое реле. Его якорь втягивается внутрь обмоток, поворачивает рычаг и перемещает шестерню, вводя ее в зацепление с венцом маховика. Одновременно контактный диск замыкает силовые контакты, включая питание обмоток стартера от батареи. Стартер - это специальный электродвигатель с приборами управления. Он вращает маховик основного двигателя, обеспечивая пуск последнего. После пуска водитель, поворачивая ключ зажигания, разрывает контакты. Реле обесточивается, пружина отодвигает якорь вправо и шестерня выводится из зацепления с венцом маховика. В момент начала трогания двигателя стартер для создания высокого момента потребляет ток 100…500 А и более. Обеспечить такой режим могут стартерные аккумуляторные батареи. При работе системы электроснабжения (во время движения автомобиля) батарея работает циклически: то заряжаясь, то разряжаясь. Токи обычно не превышают величины (0,5…0,7) С20. При пуске батарея разряжается с силой тока, равной (2…5) С20. Развиваемая батареей мощность должна быть соизмерима с мощностью стартера. В условиях эксплуатации система пуска работает с большой нагрузкой. Так, в городских условиях средняя частота включений двигателя составляет раз на 100 км пути. Электромеханические характеристики стартеров. В качестве стартеров применяют электрические двигатели постоянного тока. По способу подключения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря различают двигатели последовательного, параллельного и смешанного возбуждения. У двигателей с параллельным подключением обмотки возбуждения ток в ней не зависит от тока нагрузки (тока якоря).
В электродвигателях с последовательным включением обмотки возбуждения ток в ней равен току в обмотках якоря и магнитный поток пропорционален току якоря, т.е.
Ф = kФIя, где kф - коэффициент пропорциональности.
В результате этого электромеханическая характеристика II двигателя имеет «падающий» характер, т.е. с уменьшением момента сопротивления на валу двигателя частота вращения увеличивается. При «нулевой» нагрузке двигатель идет «вразнос», т.е. частота вращения растет неограниченно. Двигатели с последовательным возбуждением применяют в основном в качестве стартеров пуска основных двигателей. В начальный момент пуска они могут создавать большой крутящий момент при малых частотах вращения. В некоторых случаях применяют стартеры со смешанным возбуждением.
Исходя из этих условий можно определить вид кривой мощности:
NCT = MСТщст.
В начале характеристики щст = 0, в конце Мст = 0, т.е. и там, и там мощность двигателя будет равна нулю. Максимум мощности приходится приблизительно на середину характеристики. Следует иметь в виду, что характеристики стартеров во многом зависят от характеристик аккумуляторов. С изменением их параметров меняются параметры стартера, что показано на совместной характеристике стартера и аккумуляторной батареи. При температуре -25°С характеристика стартера (кривые II) имеет более крутой характер изменения по сравнению с характеристикой при температуре 25°С (кривые I), и мощность, которую он может развивать, падает почти в 1,5 раза. Механизм привода служит для соединения стартера с основным двигателем и их разъединения в начале работы основного двигателя. Механизм должен обеспечить безударное включение шестерен, пусковую частоту вращения коленчатого вала и введение шестерен в зацепление раньше или одновременно с подачей тока в обмотки электродвигателя, а также отключить стартер и вывести шестерню из зацепления при начале работы основного двигателя. Безударное соединение шестерни стартера с венцом маховика достигается скруглением торцов зубьев и вращением шестерни стартера при вводе ее в соединение с венцом маховика. Передаточное число от вала стартера к валу основного двигателя (отношение числа зубьев венца маховика к числу зубьев шестерни стартера) i=10…15. Это обеспечивает необходимую пусковую частоту вращения коленчатого вала. После пуска двигателя частота вращения коленчатого вала составляет 800…1200 мин-1 и в этом случае вал основного двигателя может приводить во вращение вал стартера с частотой до nст =(800…1200) * 15 = 12000…18000 мин-1. На такую частоту вращения стартер не рассчитан - он выйдет из строя. Разъединение стартера и основного двигателя при пуске обеспечивает муфта свободного хода, которая может быть роликовой и храповой. Рассмотрим устройство роликовой муфты свободного хода. В ведущей и ведомой обоймах выполнены пазы специального профиля - с небольшим конусом. В этих пазах установлены ролики, поджатые пружинами. Когда внутренняя обойма становится ведущей, ролики, закатываясь в пазы, заклинивают обе обоймы, и весь механизм муфты вращается как одно целое. Когда внешняя обойма ведущая, ролики выкатываются в. широкую часть паза, разъединяя обоймы. Итак, когда стартер является ведущим (до начала работы двигателя), муфта заклинивает шестерню на валу стартера. Когда двигатель заработает, он станет ведущим и муфта свободного хода разблокирует соединение шестерня - вал стартера, т.е. вал начнет вращаться отдельно. При прокрутке двигателя обе части прижаты и передают вращение на коленчатый вал. После начала работы двигателя ведомая часть, вращаясь быстрее вместе с шестерней, отжимает благодаря скосу зубьев ведущую часть (на рисунке влево), разъединяя стартер и двигатель. Чтобы избежать прощелкивания зубьев храповика, имеется блокировочное устройство, которое удерживает обе части в разъединенном состоянии. Внутри ведомой части на штифтах установлены три сухаря. Своей конической поверхностью они упираются в коническую поверхность втулки, установленной внутри ведущей части. При разжатии ведущей и ведомой частей сухари под действием центробежной силы отбрасываются от центра, скользя по штифтам. Упираясь в торец конусной втулки, они удерживают зубья в разъединенном состоянии. После выключения стартера и вывода шестерни из зацепления центробежные силы исчезают и пружина возвращает втулку и сухари в исходное положение. Вывод шестерни из зацепления у большинства стартеров происходит после отключения питания стартера за счет вращения шестерни по винтовой нарезке вала, направление витков которой противоположно направлению вращения. Электрическое управление стартером почти во все машинах дистанционное. При таком управлении электродвигатель стартера соединяется с аккумуляторной батареей с помощью тягового реле стартера. На автомобилях с карбюраторными двигателями оно включается через замок зажигания и реле стартера. Замыкая контакты S1 замка зажигания за счет поворота ключа зажигания в положение «Стартер», включают в работу тяговое реле К1. Якорь электромагнита через рычаг перемещает шестерню привода до соединения ее с венцом маховика двигателя. В конце хода шестерни замыкаются контакты К1.1 силовой цепи от аккумулятора к щеткам стартера. Такая система позволяет обеспечить пуск при малом токе через контакты замка зажигания, пропуская большой ток через силовые контакты цепи питания стартера.
Электрическая схема управления стартером СТ221 (в) и схема работы двухобмоточного тягового реле (б, в, г) электрический двигатель пуск стартер
После пуска двигателя срабатывает муфта свободного хода, шестерня выводится из зацепления, а при установке ключа в положение «Зажигание» обесточивается реле К1, и размыкаются контакты К1.1.
В стартерах применяют двухобмоточные тяговые реле. Одна обмотка - втягивающая (ВО) включена последовательно в цепь стартера, а другая - удерживающая (УО) - параллельно Такие реле позволяют снизить расход энергии батареи. При замыкании контактов КТР. ток от аккумулятора проходит по двум обмоткам: ВО и УО якорь втягивается в обмотки, перемещая шестерню и за мыкая контакты КРС. Эти контакты шунтируют втягивающую обмотку ВО и ток идет только через удерживающую обмотку УО. После пуска двигателя контакты КТР.1 размыкаются (см. рис. 31.3, г) и ток через обмотку ВО идет в обратном направлении. Так как число витков обеих обмоток одинаковое и ток по ним идет одной и той же силы, то суммарное действие обмоток становится равным нулю. Якорь реле пружиной возвращается в исходное положение, размыкая контакты КРС 1. В стартерах для пуска дизелей контакты замка зажигания включают сначала промежуточное реле, а затем тяговое. Это обусловлено тем, что для включения тягового реле требуется ток силой 30…40 А, на который не рассчитаны контакты замка зажигания. Чтобы предотвратить включение стартера на работающем двигателе, в последние модели стартеров введено специальное реле блокировки. Оно реагирует на сигналы специального датчика. Им могут быть датчики частоты вращения (тахометры), давления масла в смазочной системе, но чаще всего - номинальное напряжение генератора, т.е. когда генератор вырабатывает номинальное напряжение, все реле стартера не срабатывают. Сигнал напряжения снимается с одной из фаз генератора или с дополнительной специальной обмотки. Устройство стартеров. Электростартер включает в себя электродвигатель, механизм привода и систему управления. Большинство моделей стартеров имеют однотипную конструкцию. В качестве примера на рисунке показан стартер СТ130-АЗ, который устанавливают на ЗИЛ-431410. Этот стартер работает от батареи СТ-90, развивает мощность 1,8 кВт при частоте вращения 1400 мин-1, а при полном торможении (стоповый режим) создает момент 22,5 Н * м при токе 700 А. Электродвигатель стартера состоит из корпуса с полюсами, катушками возбуждения, якоря с обмоткой и коллектором. Коллектор закрыт крышкой и защитной лентой. Обмотки возбуждения выполнены из провода прямоугольного сечения с изоляцией между ними из картона. Каждая катушка после намотки оплетена хлопчатобумажной лентой, пропитанной лаком. Якорь собран из пластин электротехнической стали. В его пазах уложена обмотка также из провода прямоугольного сечения. Концы секций обмотки соединены (чеканкой с пайкой) с пластинами (ламелями) коллектора. Ламели выполнены из меди, прокладки (толщиной 0,4…0,9 мм) между ними - из миканита, слюданита или слюдопласта. К коллекторной крышке прикреплены щеткодержатели, в которых установлены графитовые щетки. Они плотно прижимаются к ламелям пружинами. Две щетки соединены с «массой», две изолированы от корпуса и соединены с обмотками возбуждения и далее с выводной клеммой.
Механизм привода размещен на валу якоря под колпаком. Он состоит из приводной шестерни, муфты свободного хода, пружины и рычага включения с муфтой. Вал имеет винтовую нарезку, по которой перемещается шестерня. Винт служит для регулировки хода шестерни.Тяговое реле расположено в верхней части стартера и состоит из обмотки и якоря, соединенного тягой с рычагом включения шестерни. Тягой регулируют положение шестерни во включенном состоянии. Якорь в исходном состоянии удерживается возвратной пружиной. На втором конце якорь имеет подпружиненный штифт с медным подвижным силовым контактом - «пятаком», который при срабатывании реле замыкает силовые контакты, включая питание стартера от батареи. При повороте ключа в замке зажигания в положение «Стартер» ток идет через обмотки реле, якорь втягивается внутрь обмотки и через рычаг перемещает шестерню. Демпферная пружина позволяет смягчить удар при соединении шестерни с венцом маховика. В конце хода якоря контакты замыкаются, включая в цепь с аккумулятором обмотки стартера. После пуска двигателя срабатывает муфта. После поворота ключа зажигания в положение «Зажигание» отключается тяговое реле, возвратная пружина якоря и винтовая нарезка на валу стартера возвращают шестерню в исходное положение. Конструкции других моделей стартеров похожи на данную, отличаясь лишь некоторыми особенностями. Стартеры с редукторами. Чем больше частота вращения электродвигателя, тем он компактнее и обладает меньшей массой. Однако передаточное число от приводной шестерни к маховику не может быть более, так как при большем его значении возникают проблемы с механической прочностью приводной шестерни. В последнее время начат выпуск стартеров с встроенными редукторами, что позволило в 1,5…2 раза уменьшить их габаритные размеры за счет увеличения частоты вращения якоря до 15000…20000 мин-1, сохранив при этом пусковую частоту вращения двигателя. Внутри корпуса этих стартеров установлен планетарный или рядный механизм с внешним или с внутренним зацеплением шестерен, который понижает частоту вращения якоря в раза. Для повышения прочности и снижения момента инерции в таких стартерах использованы обмотки из алюминия, более термостойкие изоляционные материалы. Кроме более высокого КПД, эти стартеры создают меньшую нагрузку на аккумуляторную батарею, так как их пусковые моменты меньше и потребляемая при малых нагрузках мощность также меньше. В то же время они создают более тяжелые условия работы для муфты свободного хода, больший шум, тяжелые условия работы щеточно-коллекторного узла, повышенные требования к изготовлению. Считают, что преимущества данных стартеров проявляются при мощности более 1кВт.
Средства облегчения пуска
При низких температурах пуск двигателя затруднен. Это обусловлено следующими факторами: ухудшением характеристики аккумуляторной батареи, а следовательно, и стартера увеличением момента сопротивления двигателя из-за повышения вязкости масла; повышенной теплоотдачей от нагревающейся при сжатии смеси (воздух в дизеле), не позволяющей хорошо подогревать смесь (воздух); ухудшением испаряемости бензина, из-за чего снижается качество топливовоздушной смеси. Для облегчения пуска можно применять следующее: повысить характеристики электропусковой системы (аккумулятор - стартер), подогреть двигатель (масло, воздух) и принудительно поджечь смесь. Повышение характеристик электропусковой системы подразумевает повышение напряжения питания стартера. Для этого утепляют аккумуляторные батареи, проводят их предпусковой подзаряд и применяют вспомогательные источники питания. Предпусковой подзаряд осуществляют при температуре ниже 10°С током 0,9С20 в течение 10 мин. Вспомогательные источники питания представляют собой тележки с дополнительными аккумуляторными батареями (например, агрегат Э536) и источники питания, работающие от трехфазной сети (агрегаты Э307, Э312), с трехфазным трансформатором и выпрямителем. Средства подогрева применяют в основном для пуска дизелей. Эти средства монтируют на двигателе. К ним относятся: средства подогрева воздуха (электрофакельный подогреватель и свечи подогрева), средства воспламенения смеси (свечи накаливания) и система подачи легковоспламеняющихся жидкостей, а также средства подогрева всего двигателя (предпусковые подогреватели). Свечи накаливания имеют нагревательный элемент, проходя мимо которого воздух нагревается. Их устанавливают во впускном коллекторе или в камере сгорания так, чтобы на них не попадало топливо из форсунок. Время нагревания свечи до пуска двигателя 30…60 с, потребляемый ток 40…50А. Элемент нагревается до температуры 900…1050°С. Свечи включены, пока не начнет устойчиво работать двигатель, после чего они должны быть отключены.
Электрофакельные подогреватели устанавливают во впускном коллекторе на дизелях литражом более 5 л. Они состоят из нагревательного элемента (спирали накаливания), который включается до пуска, и электромагнитного клапана, который при пуске открывается и пропускает топливо к спирали. Попадая на раскаленную спираль, топливо горит, а проходящий в цилиндры холодный воздух нагревается, захватывает пламя и разносит по цилиндрам, обеспечивая подогрев камеры сгорания и воспламенение основной части топлива, впрыскиваемого форсунками. После пуска двигателя подогреватель выключают. При этом клапан перекрывает подачу топлива к спирали. Предпусковые подогреватели (например, ПЖД-30) обеспечивают пуск двигателей при температуре ниже -30°С. Они имеют форсунку, спираль накаливания для поджигания топлива, подаваемого форсункой, и вентилятор, который обеспечивает обдув поддона горячими газами. Одновременно подогревается жидкость системы охлаждения двигателя. Пусковые подогреватели работают на том же топливе, что и двигатель.