СПОСОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02P5/50 H02P1/54 F02N11/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных устройствах, в частности в электроприводах постоянного тока для пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Обычно при пуске двигателя внутреннего сгорания его коленчатый вал раскручивают до скорости 9. . . 10 рад/с через открытую зубчатую пару от электродвигателя (ЭД) постоянного тока последовательного возбуждения, якорная цепь которого подключается к аккумуляторной батарее [1. Квайт СМ и др. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей /С.М. Квайт, Я. А. Менделевич, Ю.П. Чижков. - М.: Машиностроение, 1990, - с.188-205]. Эта простая схема вполне надежно работает в летних условиях, однако в зимнее время, когда с одной стороны резко возрастает момент статической нагрузки со стороны коленчатого вала, а с другой - заметно увеличивается внутреннее электрическое сопротивление батареи, надежность пуска ДВС резко падает.

Например, у дизеля Д-170 трактора Т-130 при снижении температуры окружающего воздуха от +15 до -10 градусов момент прокрутки коленчатого вала увеличивается от 400 до 900 нм, а сопротивление аккумуляторной батареи - от 0,01 до 0,03 Ом. В результате стартер не может не только раскрутить коленчатый вал до пусковой скорости, но часто даже и провернуть его. Улучшают пусковые характеристики такого стартера увеличением числа элементов аккумуляторной батареи, что ухудшает его массогабаритные показатели.

Известны электроинерционные схемы пуска ДВС [1, с. 170-173]. В них сначала отдельным ЭД разгоняют до высокой скорости маховик, который затем специальной фрикционной муфтой соединяют с коленчатым валом ДВС. Показатели схемы мало зависят от состояния аккумуляторной батареи, но большие потери скольжения в муфте, большое время подготовительных операций ограничивают применение этого способа.

Известен способ регулирования скорости электропривода с двумя электрическими машинами постоянного тока независимого возбуждения, кинематически связанными между собой и с нагрузкой через дифференциал, заключающийся в том, что устанавливают равные по величине токи возбуждения электрических машин постоянного тока, подключают указанные машины к сети, обеспечивая на выходе дифференциала скорость, равную нулю, после чего увеличивают ток возбуждения одной электрической машины до величины, соответствующей насыщению магнитной системы С целью повышения КПД и надежности ток возбуждения второй электрической машины уменьшают до нуля, после чего значение его увеличивают до величины, соответствующей насыщению магнитной системы второй электрической машины [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ регулирования скорости электропривода с двумя электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения [3, дополнительное к 2], в котором с целью повышения точности регулирования и быстродействия, одновременно с изменением токов возбуждения электродвигателей регулируют токи в якорях этих электродвигателей, обеспечивая приращения токов с противоположными знаками.

Недостаток указанного способа заключается в резком снижении надежности пуска двигателя внутреннего сгорания в зимнее время года.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в снижении мощности автономного источника питания и повышении надежности пуска двигателя внутреннего сгорания в холодное время года путем увеличения крутящего момента на выходном валу привода, в частности на выходном валу механического дифференциала.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе электрического пуска двигателя внутреннего сгорания с двумя электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения, кинематически связанными между собой и с нагрузкой через дифференциал, заключающимся в том, что сначала устанавливают равные по величине токи возбуждения электродвигателей, подключают указанные электродвигатели к источнику питания, обеспечивая при вращающихся в разные стороны валах электродвигателей скорость на выходе механического дифференциала, равную нулю, после чего увеличивают ток возбуждения первого электродвигателя до величины, соответствующей насыщению его магнитной системы, а ток возбуждения второго электродвигателя изменяют на противоположный до величины, соответствующей насыщению его магнитной системы, согласно изобретению осуществляют аккумуляцию энергии установкой маховика на валу первого электродвигателя, ток возбуждения второго электродвигателя резко изменяют на противоположный, а ток возбуждения первого электродвигателя регулируют так, чтобы обеспечить изменение угловой скорости вращения вала двигателя внутреннего сгорания по заданному (например, трапецеидальному) закону.

Предлагаемый способ относится к пуску ДВС электроприводом с двумя электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения, якорные обмотки которых соединены последовательно и подключены к автономному источнику питания (например, к аккумуляторной батарее), а валы через механический дифференциал соединены с валом двигателя внутреннего сгорания, с двумя управляемыми возбудителями, подключенными выходными зажимами к обмоткам независимого возбуждения, а входными - к источнику напряжения задания.

Особенность предлагаемого способа состоит в том, что в маховике, установленном на валу первого электродвигателя, аккумулируется (запасается) кинетическая энергия, которую при выбранном способе регулирования удается в дополнение к электрической энергии аккумуляторной батареи (автономный источник питания) направить на раскрутку коленчатого вала ДВС. При этом повышенный вращающий момент, развиваемый электроприводом, возникает благодаря тому, что дополнительная электродвижущая сила (ЭДС), создаваемая в якорной обмотке первого электродвигателя и действующая согласно с ЭДС аккумуляторной батареи, устанавливается по величине такой, что оказывается способной преодолеть ЭДС вращения второго электродвигателя и повышенное IR-падение напряжения в силовых цепях электрических машин.

Кроме того, резкое изменение тока возбуждения второго электродвигателя на противоположный обеспечивает дополнительную ЭДС в якорной цепи первого электродвигателя, действующую согласно с источником питания, что позволяет получить повышенный вращающий момент для запуска ДВС. В результате повышенное значение требуемой механической мощности на валу ДВС в холодное время года достигается без увеличения суммарной мощности установленного электрооборудования.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить суммарную ЭДС источников питания в силовой цепи электропривода без увеличения числа элементов аккумуляторной батареи и повысить надежность пуска ДВС.

Проведенное исследование патентной и научно-технической литературы аналогичных способов или устройств не выявило, поэтому заявитель и авторы считают, что предлагаемый способ характеризуется новизной.

Предлагаемое техническое решение, по мнению заявителя и авторов, удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как оно характеризуется новой совокупностью признаков, не известных из уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены
- на фиг.1 - принципиальная схема электропривода для осуществления способа;
- на фиг.2 - графики одного из возможных законов изменения регулируемых переменных в электроприводе при пуске ДВС. Здесь обозначены n₁, n₂ и n₃ - скорости вращения соответственно первого и второго электродвигателей и выходного вала редуктора; Ф₁ и Ф₂ - величины магнитных потоков, Е₁ и Е₂ - ЭДС, а I_я - ток якорной цепи указанных электродвигателей.

Электропривод содержит два электродвигателя 1 и 2, якорные обмотки которых соединены последовательно и подключены на постоянное напряжение источника питания (например, аккумуляторную батарею, на чертеже не указан). Валы электродвигателей 1 и 2 через дифференциальный редуктор 3 механически связаны с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания 4. На валу электродвигателя 1 установлен дополнительно маховик 5. Обмотки 6 и 7 возбуждения электродвигателей соответственно 1 и 2 подключены к выходным зажимам управляемых возбудителей 8 и 9. Входные зажимы возбудителей 8 и 9 переключателем 10 могут подключаться к различным источникам управляющих напряжений: в верхнем положении переключателя 10 на вход возбудителя 8 подается постоянное напряжение +U_в, а на вход возбудителя 9 - равное по величине и противоположное по направлению напряжение -U_в. В нижнем положении переключателя 10 управляющий вход возбудителя 9 подсоединен к источнику постоянного напряжения управления +U_з, а управляющий вход возбудителя 8 подключен к источнику напряжения управления U_у, функцию которого в замкнутой системе регулирования может выполнять, например, регулятор 11 тока якорной цепи электродвигателей 1 и 2. На первый вход регулятора 11 тока подается входное напряжение U_вх, пропорциональное желаемой величине тока якорной цепи электродвигателей 1 и 2, а на второй вход этого регулятора подключается выход датчика 12 тока якорной цепи. Входные зажимы датчика 12 тока подключены к шунту 13, установленному в якорной цепи электродвигателей 1 и 2.

Электропривод работает следующим образом.

В исходном состоянии схемы с помощью возбудителей 8 и 9 устанавливают равнопротивоположные токи в обмотках 6 и 7 возбуждения. Подключением якорной цепи двигателей 1 и 2 к источнику питания +U_с (например, к аккумуляторной батарее) их разгоняют до скоростей холостого хода, равных по величине и противоположных по направлению. Вал электродвигателя 1 вращается в направлении "вперед", соответствующем вращению коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, вал электродвигателя 2 - в противоположном ("назад"), вал рабочего механизма 4 при этом остается неподвижным, в механической цепи привода включен дифференциал 3. Величины начальных значений скорости вращения электродвигателей 1 и 2 устанавливаются системой управления напряжениями +U_в и -U_в в зависимости от ожидаемого момента статической нагрузки на коленчатом валу.

При пуске двигателя внутреннего сгорания переключатель 10 переводят во второе (нижнее на фиг.1) положение, благодаря чему вход возбудителя 9 переключается на напряжение +U_з, вход возбудителя 8 подключается к выходу регулятора тока 11, а на первый управляющий вход регулятора тока 11 подается напряжение U_вх.

При этом система управления по-разному воздействует на обмотки возбуждения 6 и 7 двигателей 1 и 2 возбудитель 8 и обмотку 6 электродвигателя 1 она включает в прямой канал замкнутого по току якорной цепи контура регулирования тока якоря, а на выходе возбудителя 9 резко изменяет полярность напряжения, подаваемого на обмотку 7, и далее оставляет его постоянным, соответствующим направлению вращения электродвигателя 2 "вперед".

Переходный процесс в электроприводе при пуске двигателя внутреннего сгорания содержит следующие участки.

Сначала происходит интенсивное перемагничивание электродвигателя 2, а ток якорной цепи увеличивается от тока холостого хода электродвигателей 1 и 2 до тока, определяемого величиной уставки тока в системе управления, задаваемой напряжением U_вх.

Затем ток возбуждения и магнитный поток электродвигателя 2 постоянны, ток якорной цепи электродвигателей поддерживается практически постоянным благодаря работе контура регулирования тока. Угловая скорость электродвигателя 2 изменяется сначала от отрицательного значения до нуля, а затем увеличивается в положительном направлении. Сначала напряжение источника питания больше, чем падение напряжения на активном суммарном сопротивлении последовательно включенных элементов якорной цепи при токе, который поддерживается контуром регулирования тока. Поэтому системой регулирования тока якоря устанавливается ЭДС электродвигателя 1, направленная встречно напряжению источника питания, а сам электродвигатель 1 работает в двигательном режиме.

Когда скорость вращения электродвигателя 2 изменится так, что ЭДС источника питания будет недостаточна, чтобы преодолеть падение напряжения на активном сопротивлении звеньев якорной цепи и ЭДС электродвигателя 2, то контуру регулирования тока якоря приходится изменять знак тока возбуждения, магнитного потока и ЭДС электродвигателя 1, чтобы создать дополнительную ЭДС в якорной цепи, действующую согласно с источником питания и способную поддержать заданное системой 10 значение тока силовой цепи. Электродвигатель 1 при этом переходит в генераторный режим, его скорость начинает уменьшаться под суммарным действием моментов электромагнитного и статической нагрузки, а кинетическая энергия маховика 5 начинает разрежаться.

Списанный переходный процесс продолжается до тех пор, пока или не произойдет пуск двигателя внутреннего сгорания, или пока не разредится энергия маховика (т.е. его скорость упадет почти до нуля), или не произойдет насыщение магнитной цепи электродвигателя 1, что при понизившейся его скорости вращения создаваемая им добавочная в якорной цепи ЭДС оказывается недостаточной для пропускания заданного якорного тока, в результате чего при очень больших моментах на валу коленчатого вала ДВС происходит снижение скоростей вращения обоих электродвигателей и, как следствие, скорости вращения коленчатого вала. Так как пуск ДВС происходит раньше, чем начнут проявляться описанные явления, то на фиг.2 изображен только рабочий отрезок переходного процесса, предшествующий запуску ДВС.

Источники информации
1. Квайт С. М. и др. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. / С.М. Квайт, Я.А. Менделевич, Ю.П. Чижов. - М.: Машиностроение, 1990, - с. 188-205.

2. А. с. 845254 СССР, МКИ Н 02 Р 5/50. Способ регулирования электропривода / Ю. С. Болотников, Р. И. Свердлов (СССР). - 2482121/24-07. Заявл. 03.05.77. Опубл. 07.07.81. Бюл. 25.

3. А. с. 1293815 СССР, МКИ Н 02 Р 5/50. Способ регулирования скорости электропривода / Ю.С. Усынин, В.А. Захаров, А.И. Чувашев (СССР). - 3908969/24-07. Заявл. 10.06.85. Опубл. 28.02.87. Бюл. 8.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в транспортных устройствах, в частности в электроприводах постоянного тока для пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Способ электрического пуска ДВС с двумя электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения, кинематически связанными между собой и с нагрузкой через дифференциал, заключается в том, что сначала устанавливают равные по величине токи возбуждения электродвигателей, подключают указанные электродвигатели к источнику питания, обеспечивая при вращающихся в разные стороны валах электродвигателей скорость на выходе механического дифференциала, равную нулю, увеличивают ток возбуждения первого электродвигателя до величины, соответствующей насыщению его магнитной системы, а ток возбуждения второго электродвигателя меняют на противоположный до величины, соответствующей насыщению его магнитной системы, также осуществляют аккумуляцию энергии установкой маховика на валу первого электродвигателя, ток возбуждения второго электродвигателя изменяют на противоположный, а ток возбуждения первого электродвигателя регулируют так, чтобы обеспечить изменение угловой скорости вращения вала двигателя внутреннего сгорания по заданному закону. Техническим результатом является повышение надежности пуска ДВС в холодное время года и снижение мощности автономного источника питания. 2 ил.

Способ электрического пуска двигателя внутреннего сгорания с двумя электродвигателями постоянного тока независимого возбуждения, кинематически связанными между собой и с нагрузкой через дифференциал, заключающийся в том, что сначала устанавливают равные по величине токи возбуждения электродвигателей, подключают указанные электродвигатели к источнику питания, обеспечивая при вращающихся в разные стороны валах электродвигателей скорость на выходе механического дифференциала, равную нулю, после чего увеличивают ток возбуждения первого электродвигателя до величины, соответствующей насыщению его магнитной системы, а ток возбуждения второго электродвигателя изменяют на противоположный до величины, соответствующей насыщению его магнитной системы, отличающийся тем, что осуществляют аккумуляцию энергии установкой маховика на валу первого электродвигателя, ток возбуждения второго электродвигателя резко изменяют на противоположный, а ток возбуждения первого электродвигателя регулируют так, чтобы обеспечить изменение угловой скорости вращения вала двигателя внутреннего сгорания по заданному, например, трапецеидальному, закону.