Алгоритм запуска двигателя

                           1.1 Система электростартерного пуска

   Система пуску являє собою комплекс пристроїв, що забезпечують примусове обертання вала ДВС.Тіп системи пуску визначається 
видом використовуваної енергії і конструкцією основного пускового устройства (стартера). У практиці автомобілебудування зустрічаються інерційні стартери, пневматичні та гідропневматичні системи пуску.

Однак найбільшого поширення набула електростартерним система пуску, 
володіє цілим рядом позитивних якостей. Це система компактна 
і надійна в роботі, забезпечує можливість автоматизації процесу пуску за допомогою нескладних електротехнічних пристроїв. Вона складається 
з акумуляторної батареї, стартерной ланцюга (дроти, комутаційна апаратура управління), стартера і засобів полегшення пуску (мал. 2.1). 
   Спільним елементом для систем пуску і електропостачання є акумуляторна батарея. Проте режим її роботи в цих системах різний. 
У системах електропостачання батарея працює в режимі циклічного 
розряду та заряду, причому струми не перевищують номінальної ємності (0,5..0,7)С₂₀. В системі пуску батарея розряджається в переривчастих режимах при силі струму (2…5) С_20.

Розвинена батареєю потужність порівнянна з потужністю стартера. Тому її характеристики залежать від режиму розряду стартера (сили струму, температури, тривалості пуску) і впливають на характеристики самого стартера і тим самим на процес пуску двигуна. 
    Найбільш важливими параметрами батареї впливають на процес пуску двигуна, є її ємність і число електродів в акумуляторі (так званий рахунок збирання n₊ / n_-), температура электролита  t_е і ступінь розрідженості батареї  С_р . 

Мал 2.1 Структурна схема електростартерної системи пуску

  Батарея в процесі пуску двигуна повинна дати певний струм без зменшення напруги нижче заданого мінімального значення (6,0 ... 8,0 В для системи на 12 В). Це значення визначається, з одного боку, характеристиками стартера, який повинен забезпечити прокручування двигуна з частотою не нижче мінімальної пускової, а з іншого - вимогами системи запалювання до мінімального напрузі в первинної ланцюга котушки запалювання (для бензинових двигунів) і мінімальним напругою на тяговому реле стартера при пуску (для дизелів). 
У зв'язку з підвищенням вимог до мінімальних температур пуску на ряді двигунів передбачена установка засобів полегшення пуску холодного двигуна. Як правило, ці пристрої за період своєї роботи (близько 30 хв) споживають енергію від батареї. Таким чином, виникла нова різновид стартерного розряду холодної акумуляторної батареї: спочатку на пристроях полегшення пуску двигуна порівняно малим струмом - до 0,5С₂₀, а потім на стартер великим струмом - (2,5...4,0)С₂₀-

  У якості стартерного електродвигуна застосовується електродвигун постійного струму послідовного або змішаного збудження. Його основними параметрами є: номінальна напруга U_H (12, 24 В); номінальна потужність Р_сн; номинальная частота обертання якоря n_сн і момент М_сн; ток при максимуме мощности I_сн. Стартер як електрична машина характеризується комплексом електромеханічних характеристик - залежностями моменту, частоти обертання якоря, потужності, ККД та напруги на затискачах від споживаного струму I_с.

  Стартер пов'язаний з маховиком двигуна  зубчатою передачею, основними параметрами  якої є: передавальне відношення Iдс = z_max / z_c (де z_мах - число зубців вінця маховика, z_с - число зубців шестерні стартера); модуль зуба т, ККД зубчастої передачі η_z= 0,85...0,9.

   Стартер під час експлуатації автомобіля працює зі значи ¬ тельной навантаженням. Так, середня частота його включень на 100 км пробігу становить в умовах міста для легкових автомобілів 28, а для вантажних - 22. 
    Приводний механізм системи пуску є пристроєм, що забезпечує введення і утримання шестерні стартера в зачепленні з вінцем маховика під час пуску, передачу необхідного обертаючого моменту колінчастого валу і запобігання якоря стартерного електродвигуна від розносу обертовим маховиком працюючого двигуна. Тягове реле стартера є одночасно елементом як приводного механізму, забезпечуючи його переміщення по осі валу якоря, так і стартерной ланцюга, замикаючи в кінці ходу якоря тягового електромагніту силові контакти ланцюга живлення стартера. 
Засоби полегшення пуску є пристрої, що дозволяють збільшити частоту прокручування колінчастого вала двигуна за рахунок зниження моменту опору прокручування або підвищення енергетичних можливостей пускової системи, поліпшити умови сумішоутворення і запалення палива. Вибір способу і пристрою, що полегшують пуск, визначається конструктивними особливостями двигуна, умовами експлуатації та економічними факторами.

  .

2. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СТАРТЕРА

2.1. Особенности стартерных электродвигателей

  В стартерах  применяются электродвигатели постоянного  тока. Для анализа особенностей их работы в системе пуска рассмотрим основные характеристики электродвигателей постоянного тока, которые подразделяются на двигатели последовательного, параллельного, смешанного и независимого возбуждения. Тип возбуждения определяется схемой включения обмоток возбуждения по отношению к якорной цепи.

  Характеристики:

В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к источнику напряжения U (рис. 2.7,а). Особенностью этого двигателя является то, что ток возбуждения I_B

не зависит  от тока якоря Iя (нагрузки на валу). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием реакции якоря, можно приближенно считать, что поток Ф не зависит от нагрузки. С учетом этого выражения (2.5)…(2.7) примут вид:

где С₁…..C₃ – постоянные; C = C_м Ф; C₂ = C_е Ф; C₃ = C_e C_м  Ф² / R_я  ;

Δn – падение  частоты вращения.

  Электромеханические характеристики электродвигателя с  параллельным возбуждением, построенные по формулам (2.8) и (2.9), изображены на рис. 2.7,б, а механическая характеристика (2.10) - на рис. 2.7,в. Таким образом, обе они имеют линейный характер. Показатель п₀ = U/С_еФ называется частотой вращения идеального холостого хода. Он имеет конечное значение при М = О (I_я = 0) и уменьшается с ростом потока Ф. Падение частоты вращения Δп при увеличении нагрузки на двигатель (I_я) определяется сопротивлением R_я якорной цепи.

  В случае если обмотка якоря электродвигателя и обмотка возбуждения подключены к различным источникам питания, его называют двигателем с независимым возбуждением. Механические и электромеханические характеристики такого двигателя аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у него ток возбуждения также не зависит от тока якоря I_я.

В электродвигателях с последовательным возбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря

и поэтому I_я = I_в (рис. 2.8,з). Следовательно, магнитный поток двигателя Ф является некоторой функцией тока якоря I_я. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря I_я < (0,8...0,9) Iном (Iном - номинальный ток якоря), когда магнитная система машины не насыщена, можно считать, что поток линейно зависит от I_я :

где k_ф   - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность индуктивности, Гн, остается практически постоянным в значительном диапазоне нагрузок.

Подставляя формулу (2.11) в уравнения (2.5) и (2.6), получим скоростную и моментную характеристики п = f(I_я), М = f(I_я) в этом диапазоне I_я в виде:

где  C’₁ ,C”₁,C’₂    - постоянные,

  т. е. в  диапазоне 0...I_ном зависимость п = f(I_я) имеет гиперболический характер (при I_я = 0 n - >œ), а зависимость М = f(I_я) - параболический (рис. 2.8,б).

  При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем I_я, и при больших нагрузках (I_я > I_ном) можно считать Ф =  const.

  В этом случае скоростная и моментная характеристики становятся линейными аналогично характеристикам двигателя с независимым возбуждением.

  Механическая  характеристика п =f(M) (см. рис. 2.8,в) может быть построена на основании уравнений (2.12) и (2.13). При токе якоря, меньшем (0,8...0,9)I_НОМ, частота вращения изменяется по закону

  При токе якоря, большем /_ном, зависимость п - ((М) становится линейной вида (2.10).

  Из рис. 2.8,е следует, что механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением является «мягкой». При малых нагрузках частота вращения п резко возрастает и может ! превысить максимально допустимое значение (двигатель идет «вразнос»). Несмотря на этот недостаток, такие двигатели широко применяются в различных электрических приводах, где происходит изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска. В частности, большинство стартерных электродвигателей имеют последовательное возбуждение. Объясняется это тем, что «мягкая» характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем «жесткая» характеристика двигателя с параллельным возбуждением. При жесткой характеристике частота вращения почти не зависит от момента (см. рис. 2.7,в), поэтому механическая мощность стартера

где С₄ - постоянная.

  При «мягкой» характеристике двигателя с последовательным

возбуждением  частота вращения п обратно пропорциональна (2.14), вследствие чего

где С'₄ - постоянная.

  Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах, что характерно для пуска ДВС, мощность Р_с, а следовательно, электрическая мощность Р_эл = I_яU_я и ток I_я у двигателей c после-довательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки. Например, при заданной кратности перегрузки по моменту K_м = М / М_ном ток I_я в двигателе с параллельным возбуждением увеличивается в К_м раз, а в двигателе с последовательным возбуждением - только в (K_м ) ^1/2  раз. По этой же причине двигатель с последовательным возбуждением развивает больший пусковой момент, так как при заданной кратности пускового тока К_i = I_п /I_ном пусковой момент его М_п = К²_i М_ном, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением М_п = К_iМ_ном.

  В электродвигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения (рис. 2.9,а): параллельной (ОВ1) и последовательной (0В2). Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.9,в, кривые 3, 4) располагается между характеристиками двигателей с параллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбуждением. В зависимости от соотношения магнитодвижущей силы (МДС) F = wI_В (w - число витков обмотки) параллельной (w₁I_в1) и последовательной (w₂I_в2) обмоток при номинальном режиме можно приблизить характеристику двигателя со смешанным возбуждением к характеристике 1 (при w₁I_в1 > w₂I_в2) или к характеристике 2 (w₁I_в1 < w₂I_в2)- Одним из достоинств двигателя со смешанным возбуждением, которые используются в некоторых конструкциях стартеров, является то, что он, обладая «мягкой» механической характеристикой, может работать на холостом ходу, так как частота вращения холостого хода п₀ имеет конечное значение.

  Таким образом, в стартерах используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В отдельных случаях, рассмотренных ниже, используются двигатели со смешанным возбуждением. В последние годы на стартерах стали применяться электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые имеют пониженное энергопотребление вследствие отсутствия тока возбуждения. Однако такие стартеры имеют недостатки, характерные для электродвигателей независимого (параллельного) возбуждения. Кроме того, материал для изготовления постоянных магнитов еще очень дорог. Постоянные магниты используются только в маломощных стартерах. 

2.2. Конструкция стартеров

  Конструктивно электростартер объединяет в себе электродвигатель и механизм привода с электромагнитным тяговым реле, муфтой свободного хода и шестерней понижающего редуктора. В стартер может быть встроен дополнительный редуктор, если передаточное число от шестерни привода к венцу маховика недостаточно. Электростартеры классифицируют по способу возбуждения электродвигателя (последовательного, смешанного, с возбуждением от постоянных магнитов), типу привода, способу крепления на двигателе и степени защиты от окружающей среды. Рассмотрим особенности конструкции стартеров на конкретных примерах.

  Стартер СТ130-АЭ устанавливается на двигателях ЗИГИЗО. Он состоит (рис. 2.10) из корпуса 18 с полюсами 3 и катушками обмотки возбуждения 2, якоря 19 с коллектором 21, пакетом пластин и обмоткой якоря 1, механизма привода с электромагнитным тяговым реле, муфтой свободного хода 15 и шестерней 14, крышек 12 (со стороны привода) и 22 (со стороны коллектора), щеточного узла со щеткодержателями, щетками и щеточными пружинами.

  Корпус 18 стартера является частью магнитной системы электродвигателя, служит несущей конструкцией для крышек, воспринимает вращающий момент и передает его элементам крепления стартера на двигателе.

  Корпус  выполняют из цельнотянутой трубы или стальной полосы с последующей сваркой стыка. К корпусу винтами прикреплены полюсы - на стартере их четыре. Полюсы состоят из магнитопровода и полюсных наконечников. Для обеспечения постоянного воздушного зазора по окружности между полюсами и якорем полюсы растачивают. 
 

  На полюсах  располагаются катушки обмотки возбуждения. Число катушек равно числу полюсов. Для намотки последовательной обмотки возбуждения используют неизолированный медный провод прямоугольного сечения. Между витками проложен электроизоляционный картон толщиной 0,2...0,4 мм. В стартерах со смешанным возбуждением (СТ221 и др.) для намотки катушек параллельной обмотки возбуждения применяют круглый изолированный провод с эмалевой изоляцией. Внешняя изоляция представляет собой хлопчатобумажную ленту, которую для повышения электрической и механической прочности пропитывают лаком.

Катушки в стартерах  с последовательным возбуждением могут  быть соединены последовательно, попарно-параллельно  или параллельно. Катушки параллельной обмотки в стартерах смешанного возбуждения обычно соединяют последовательно. Между собой катушки соединены контактной сваркой или заклепками с последующей пайкой. Для экономии меди и уменьшения массы стартеров иногда применяются алюминиевые провода. В этом случае катушки соединяют методом холодной сварки.

  Якорь 19 стартера имеет шихтованный сердечник в виде пакета стальных пластин толщиной 1,0...1,2 мм, что уменьшает потери на вихревые токи. Крайние пластины пакета из электроизоляционного картона предохраняют от повреждения изоляцию лобовых частей обмотки якоря. В электродвигателях стартеров применяют простые волновые и петлевые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями. Большее распространение получили волновые обмотки, обладающие рядом преимуществ по сравнению с петлевыми - лучшие массогабаритные показатели, отсутствие специальных уравнительных соединений. Лобовые части обмотки якоря укрепляют бандажами из нескольких витков проволоки, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, пропитанного синтетическими смолами. Лобовые части секций изолируют одну от другой электроизоляционным картоном или полимерными трубами. Концы секций обмотки якоря укладывают в прорези петушков коллекторных ламелей, чеканят и соединяют с коллекторными ламелями пайкой.

  Коллектор 21, составленный из медных ламелей, является наиболее ответственным узлом электродвигателя. Коллекторы подвергаются значительным электрическим, тепловым и механическим нагрузкам. В стартерах применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке (стартеры большой мощности), а также цилиндрические и торцовые с пластмассовым корпусом.

  2.3 Особенности работы  электростартеров  и требования к  электростартерам

   Электростартер получает питание от аккумуляторной батареи - автономного источника электроэнергии ограниченной мощности. Вследствие внутреннего падения напряжения в батарее напряжение на выводах электростартера не остается постоянным, а уменьшается с увеличением нагрузки и силы потребляемого тока.

   Сила тока электростартеров может составлять несколько сот и даже тысяч ампер. При такой силе тока на характеристики стартерного электродвигателя большое влияние оказывает падение напряжения в стартерной сети, т.е. в стартерном проводе и “массе”.

   Для стартерного электропривода двигателя характерна значительная неравномерность нагрузки, обусловленная резким изменением момента сопротивления, от сил давления газов в цилиндрах и сложной кинематикой кривошипно-шатунного механизма. При переменной нагрузке снижается мощности и КПД системы пуска, что необходимо учитывать при выборе мощности стартерного электродвигателя и емкости аккумуляторной батареи.

   Режим работы электростартеров - кратковременный с длительностью включения до 10 с при температуре 20°С. При отрицательных температурах допускается, длительность работы до 15 с для стартеров бензиновых двигателей и до 20 с для, стартеров дизелей. Длительное время по отношению к периоду прокручивания коленчатого вала двигателя стартер может работать в режимах полного торможения и холостого хода. Якорь стартера должен без повреждений в течение 20 с выдерживать нагрузки, возникающие при частоте вращения коленчатого вала, на 20% превышающей частоту его вращения в режиме холостого хода.

   Якорь стартера должен иметь надежный привод к коленчатому валу при пуске двигателя и автоматически отключаться от него после осуществления пуска. Конструкция стартерами зубчатая передача должны обеспечивать надежный ввод шестерни в зацепление и передачу коленчатому валу двигателя вращающего момента. Шестерня привода стартера не должна самопроизвольно входить в зацепление с венцом маховика. Муфта свободного хода привода должна защищать якорь от механических повреждении.

   Тяговое реле стартера должно обеспечивать ввод шестерни в зацепление и включение стартера при снижении напряжения до 9 В Для Uн=12 В и до 18 В для Uн=24 В при температуре окружающей среды (20±5)°С. Контакты тягового реле должны оставаться замкнутыми при снижении напряжения на выводах стартера до 5,4 и 10,8 В При номинальных напряжениях соответственно 12 и 24 В.

   Автомобильные электростартеры имеют степень защиты не ниже IRX4 (по ГОСТ 14254-80), кроме полости механизма привода.

   Пусковой цикл (попытка пуска) на двигателе (на стенде) не должен превышать 15 с при температуре окружающей среды (20±5)°С. Допускается не более трех пусковых циклов подряд с перерывам между ними не менее 30 с. После охлаждения стартера до температуры окружающей среды допускается еще один пусковой цикл.

   Не допускается нагружать стартер более чем на номинальную мощность. Повышение температуры стартера во время пусковых циклов не должно приводить к изменениям, отрицательно влияющим на его работоспособность.

   Рациональному использованию аккумуляторной батареи, имеющей в системе пуска относительно большую массу и в наибольшей степени подверженной влиянию эксплуатационных факторов, способствуют правильное согласование характеристик элементов системы, пуска и обоснованный выбор ее схемы и параметров, при которых расходуется минимальное количество энергии источника тока.

  3 Алгоритм запуска двигателя

  Замок зажигания при включении обеспечивает подачу постоянного тока от аккумуляторной батареи к тяговому реле стартера.

  Тяговое реле обеспечивает питание обмоток стартера и работу механизма привода. Для выполнения своих функций тяговое реле имеет обмотку, якорь и контактную пластину. Внешнее подключение к тяговому реле осуществляется через контактные болты.

  Стартер создает необходимый крутящий момент для вращения коленчатого вала двигателя. 
 

Стартерный электродвигатель получает питание от аккумуляторной батареи через замкнутые контакты 2 (рис. 10.4) тягового электромагнитного  реле. При замыкании контактов выключателя S приборов и стартера, дополнительного реле или реле блокировки втягивающая 3 издерживающая 4 обмотки тягового реле подключаются к аккумуляторной батарее GB. Якорь 5 тягового реле притягивается к сердечнику электромагнита и с помощью штока 6 и рычага 7 механизма привода вводит шестерню 10 в зацепление с зубчатым венцом 11 маховика двигателя.

В конце хода якоря 5 контактная пластина 2 замыкает силовые контактные болты, и стартерный электродвигатель 12, получая питание  от аккумуляторной батареи, приводит во вращение коленчатый вал двигателя. После пуска двигателя муфта свободного хода 9 предотвращает передачу вращающего момента от маховика к валу якоря электродвигателя.

Шестерня привода  не выходит из зацепления с венцом маховика до тех пор, пока замкнуты контактные болты 1. При размыкании выключателя S втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле подсоединяется к аккумуляторной батарее последовательно через силовые контактные болты 1. Так как число витков у обеих обмоток одинаково и по ним при последовательном соединении проходит один и тот же ток, обмотки при разомкнутом выключателе S создают два равных, но противоположно направленных магнитных потока. Сердечник электромагнита размагничивается, возвратная пружина перемещает якорь 5 реле в исходное нерабочее положение и выводит шестерню 10 из зацепления с зубчатым венцом маховика. При этом размыкаются и силовые контактные болты 1.