Оценка работоспособности системы электростартерного пуска автотранспортных средств

Задачей системы электростартерного пуска является сообщение автомобильному двигателю первоначальной частоты вращения, обеспечивающей протекание процессов образования, воспламенения и сгорания воздушно-топливной смеси и выход двигателя на самостоятельную работу.

В состав системы электростартерного пуска входят: стартерная аккумуляторная батарея, как источник постоянного тока с малым внутренним сопротивлением; электрический стартер, объединяющий двигатель постоянного тока и механизмы его включения и ввода шестерни в зацепление с маховиком; реле стартера, обеспечивающее разгрузку контактов выключателя зажигания; а также сам выключатель зажигания (или кнопка запуска), управляющий процессом запуска автомобильного двигателя.

Сложно переоценить значимость исправной работы системы электростартерного пуска, так как возникающие в процессе эксплуатации неисправности [1, 2, 3, 4, 5, 6] могут привести к невозможности запуска двигателя и начала движения автотранспортного средства. На современном этапе развития информационных технологий возможно оперативное определение работоспособности системы электростартерного пуска на борту автотранспортных средств. Актуальность этой задачи подтверждается внедрением оценки работоспособности стартерной аккумуляторной батареи и стартера в автомобилях концерна General Motors на основе удаленной диагностики [7] и обработки больших объемов информации.

Целью статьи является оценка изменения работоспособности системы электростартерного пуска автотранспортных средств и её ключевых

EDN NPAMHC агрегатов – стартерной аккумуляторной батареи и стартера.

Обоснование диагностического параметра системы электростартерного пуска

Для начала прокручивания коленчатого вала автомобильного двигателя необходимо, чтобы крутящий момент на маховике, обеспечиваемый стартерным электродвигателем превысил момент сил сопротивления прокручиванию, складывающегося из момента трения и момента, определяемого разностью работ сжатия и расширения заряда воздуха в цилиндрах.

Момент стартерного электродвигателя пропорционален потребляемому току

M _Cт = C _м •Ф•k ,          (1)

где M qt - крутящий момент стартерного электродвигателя, Н∙м;

С _м - конструктивная постоянная электродвигателя; Ф - магнитный поток, Вб;

/_с - сила тока стартерного электродвигателя, А.

Магнитный поток в стартерах с постоянными магнитами, которыми оснащаются современные автомобили, является постоянной величиной. Конструктивная постоянная определяется числом витков и схемой намотки обмотки якоря. Изменение конструктивной постоянной может произойти только в случае отрыва (отсоединения) витков обмотки от коллекторных пластин.

Следовательно, успешность запуска автомобильного двигателя напрямую зависит от величины тока, отдаваемого аккумуляторной батареей. Эта величина напрямую зависит от электрического сопротивления стартерной цепи [8, 9, 10], включающей в себя: внутреннее омическое сопротивление стартерной аккумуляторной батареи; сопротивление якорной цепи стартерного электродвигателя (обмотка якоря, сопротивление щёточного контакта и сопротивление контакта тягового реле); сопротивление проводов между батареей и электростартером, включая сопротивление контактов выключателя зажигания.

Однако пусковой ток зависит не только от технического состояния стартера, но и от многих других факторов [11, 12]. Например, снижение температуры ДВС закономерно ведет к увеличению сопротивления прокручиванию, а значит требует увеличения пускового тока и пускового момента, что в свою очередь вызывает снижение напряжения во время запуска ДВС. Кроме температуры на значение пускового тока оказывает влияние техническое состояние ДВС [13, 14, 15, 16], а также степень работоспособности и степень заряженности аккумуляторной батареи.

Схема электрической цепи системы пуска представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема электрической цепи системы пуска: r 1 – сопротивление втягивающей обмотки тягового реле; r 2 – сопротивление удерживающей обмотки тягового реле; r С – сопротивление якорной цепи стартерного электродвигателя; r Б – внутреннее сопротивление стартерной аккумуляторной батареи; r 2 – сопротивление проводов между стартером и батареей

Электрическая цепь системы пуска является разветвленной, и в общем случае характеризуется четырьмя токами (ток стартера, ток стартерной аккумуляторной батареи, токи втягивающей и удерживающей обмоток тягового реле) и двумя источниками электродвижущей силы (ЭДС) (ЭДС стартерной аккумуляторной батареи и противо-ЭДС стартерного электродвигателя). Однако указанные токи и напряжения действуют не всё время запуска. Процесс запуска можно разделить на три рабочих временных интервала и предварительный (рисунок 2).

Рисунок 2 – Диаграмма запуска автомобильного двигателя

На предварительном этапе выключатель зажигания разомкнут, токи в цепи отсутствуют, напряжение на выводах батареи (напряжение разомкнутой цепи, OCV – open circuit voltage ) равно её ЭДС.

Первый этап начинается в момент поворота ключа в положение «Запуск двигателя» (рисунок 3). При этом ток от аккумуляторной батареи протекает по обмоткам тягового реле.

Ом; Г ц - сопротивление проводов между батареей и электростартером, Ом.

OCV

-2 — ----

—

4 • Об + Г ц )

OCV

-1 —----

—

^- б • ^(гб + ^гц )

Г 1 +Г с

Г где: / 1 - ток втягивающей обмотки тягового реле, А; OCV - напряжение разомкнутой цепи (ЭДС) батареи, В; / б — ток аккумуляторной батареей, А; г₂ - сопротивление удерживающей обмотки тягового реле, Ом; Г б - внутреннее омическое сопротивление стартерной аккумуляторной батареи,

где: /₂ - ток удерживающей обмотки тягового реле, А; Г с - сопротивление якорной цепи стартерного электродвигателя, Ом.

-Б — -1 + -2 — ••’

^(г1 + ^Гс ) • ^Г2

^{— OCV —-}Б ^ 1 ^гБ ^{+ г}ц+————— ).   ⁽³⁾

Г1 + ГС + Г2 /

Рисунок 3 – Протекание токов в стартерной цепи во время запуска автомобильного двигателя: а) предварительный этап; б) первый этап; в) второй этап; г) третий этап; S1 – выключатель зажигания;

S2 – контакт тягового реле.

Второй этап начинается в момент замыкания контакта тягового реле. Это обеспечивает шунтирование втягивающей обмотки тягового реле. Этот и последующий этапы в процессе пуска является основными. На втором этапе якорь стартерного электродвигателя ещё не вращается и противо-ЭДС отсутствует. В этот момент в цепи протекает три тока: ток стартерного электродвигателя, ток удерживающей обмотки тягового реле и ток батареи, являющийся суммой этих токов.

Однако спустя несколько миллисекунд якорь стартерного электродвигателя начинает вращаться, что приводит к генерации противо-ЭДС на выводах обмотки якоря. Начинается третий этап . Теперь в цепи действует три тока и два источника ЭДС.

Решив систему линейных уравнений (6), составленных по законам Кирхгофа, получим

OCV

^-1 ^{— -}с ^—----

—

4 • ^(гб + Пр

4 — - С + - 2 — OCV — / б • (

^ГС              '

Г С • г₂

^Г Б + ^Г ц +—— ^ГС ^{+ Г}2

(4) ■ ).(5)

-Б — -С + -2

О •П

—

^ С • ^ГС = ^ С

• П 2 + 4 • (г б + П ц ) = OCV

_ OCV/(^ + Г ц ) + Б САс

²    1 + Г 2 /(г б + Г ц ) + Г 2 /Г С

^С С -

2 ' ^г2 - Е с т с

СБ -

OCV -С ₂т₂ Т б + Т ц

Противо-ЭДС, возникающая при враще- нии якоря стартерного электродвигателя пропорциональна частоте вращения.

Е с -С_е^Ф ,           (10)

где: Е с - противо-ЭДС стартерного электродвигателя, В; С _е - конструктивная постоянная стартерного электродвигателя; п - частота вращения якоря стартерного электродвигателя, 1/мин.

Процесс запуска двигателя характеризуется невысокими значениями частоты вращения, определить которые с помощью штатных средств автомобиля невозможно. Например, индуктивный датчик положения коленчатого вала позво- ляет определять частоты вращения, превышающие 200 1/мин, что соответствует окончанию процесса запуска.

Таким образом, для определения тока стартерного электродвигателя подходит первый и второй этап запуска, на которых якорь стартерного электродвигателя неподвижен.

На первом этапе токи втягивающей и удерживающей обмотки соотносятся между собой приблизительно как 3:1. Пренебречь силой тока удерживающей обмотки в этом случае нельзя, а измерить этот ток на автомобиле невозможно.

На третьем этапе токи стартерного электродвигателя и удерживающей обмотки соотносятся между собой как 23:1. Следовательно, для определения тока стартерного электродвигателя целесообразно использовать второй этап запуска, причем в качестве допущения принять, что сила тока стартера приблизительно равна силе тока батареи, доступ к которой значительно упрощен.

Продолжая логическую цепочку получаем, что работоспособность системы пуска определяется силой тока в стартерной цепи, которая в свою очередь зависит от её электрического сопротивления:

^Сб ~ ^Сс ^- Б б / ^(тб + ^Тс ^{+ т}ц ) ⁽¹¹⁾

В процессе эксплуатации все перечисленные сопротивления могут увеличиваться, что приводит к снижению максимального пускового тока и эффективности работы системы пуска [17, 18, 19]. Снижение сопротивления характерно лишь для аккумуляторной батареи при условии возникновения короткого замыкания между пластинами.

Номинальное значение внутреннего сопротивления стартерных аккумуляторных бата- рей не указывается в технических характеристиках. В качестве первого приближения можно принять за номинальное значение величину, заложенную в алгоритме работы тестеров аккумуляторных батарей [20].

^Чсса^-^^ 02) где С _сса - ток холодного пуска, А; С₂₀ - номинальная ёмкость батареи двадцатичасового режима разряда, А - ч; / б - коэффициент, зависящий от режима разряда. Например для тестеров ICartool / б -3 .

Номинальное сопротивление стартерного электродвигателя можно вычислить зная напря- жение и ток в режиме полного торможения, которые приводятся в технических характеристиках

«гт - ^и Т /с_т ,               (13)

где    Ut, Ст - номинальное напряжение на вы водах и ток стартера в режиме полного торможе- ния.

Следовательно, оценка работоспособности аккумуляторной батареи, стартера и системы электростартерного пуска в целом может быть выполнена на основе сравнения текущего сопро- тивления с номинальным.

(

ном т еон _б -

« б

SOH

ном ^Тст

СТ ^- ~ ^Тст

SOH c_HCT -

ном    ном

^Тст  ^{+ Т}б

^Тст ^{+ Т}б

Моделирование изменения работоспособности системы электростартер-ного пуска в процессе эксплуатации

Рассмотрим, как изменяется сопротивление стартерной цепи в процессе эксплуатации автомобиля (на примере автомобиля LADA Granta). На рисунке 4 представлена картина изменения внутреннего сопротивления батареи, сопротивления стартерного электродвигателя и стартерной цепи с ростом наработки агрегатов системы элек-тростартерного пуска. Линии сопротивлений агрегатов выполнены сплошными, а пунктирной их сумма – сопротивление стартерной цепи.

Внутреннее сопротивление новой стартерной аккумуляторной батареи типа 6СТ-60L в среднем составляет около 5 мОм в зависимости от производителя. Сопротивление якорной цепи стартерного электродвигателя примерно равно 10 мОм. Поскольку элементы цепи соединены последовательно, то можно принять номинальное значение сопротивления стартерной цепи равным 15 мОм.

О 20     40     60     80    100    120    140   160

Наработка, тыс. км

Рисунок 4 – Изменение сопротивления стартерной цепи и степени работоспособности системы пуска в процессе эксплуатации

В процессе эксплуатации сопротивление стартерной цепи начинает увеличиваться, однако это происходит неравномерно. Сопротивление якорной цепи стартерного электродвигателя увеличивается линейно, достигая значения порядка 18 мОм при наработке более 160 тыс. км. Внутреннее сопротивление стартерной аккумуляторной батареи растет нелинейно, возрастая в четыре раза примерно за 45 тыс. км. Следует отметить, что такие значения соответствуют нормальной эксплуатации автотранспортных средств (согласно инструкции 15 тыс. км пробега в год).

Таким образом, за 45 тыс. км пробега сопротивление стартерной цепи увеличивается с 15 до 32.5 мОм. На этом этапе аккумуляторную батарею следует заменить, для исключения проблем с запуском автомобильного двигателя при низких температурах. Замена батареи снизит сопротивление стартерной цепи до 17.5 мОм, то есть исходную работоспособность системы электростартера восстановить не удастся.

Исходя из численных значений сопротивлений стартерной цепи рассчитана степень работоспособности системы пуска, численно равная отношению номинального сопротивления к текущему. Степень работоспособности системы элек-тростартерного пуска обозначена на рисунке 4 штрихпунктирными линями.

За период эксплуатации 0-L1 степень работоспособности линейно снижается со 100% до

45%, причем на 85% это снижение обусловлено процессами, протекающими в батарее и лишь на 15% – снижением работоспособности стартерного электродвигателя.

Установка новой батареи повысит степень работоспособности системы пуска до 85%. Дальнейшие интервалы эксплуатации будут снижать степень работоспособности системы электростар-терного пуска, причем даже установка новой батареи не окажет существенного влияния.

Этим объясняется тот факт, что каждая последующая установленная батарея работает меньше установленной с завода. Даже при одинаковом качестве аккумуляторных батарей работоспособность системы электростартерного пуска в целом продолжит снижаться.

Заключение

Оперативная оценка работоспособности системы электростартерного пуска способствует повышению надежности электрооборудования и снижению простоев автомобилей, связанных с заменой ключевых агрегатов: аккумуляторных батарей и стартеров. В процессе эксплуатации системы пуска происходит неуклонное увеличение сопротивления стартерной цепи, снижающее силу пускового тока, а следовательно и пусковой момент, сообщаемый автомобильному двигателю.

Вычисление сопротивления стартерной цепи возможно в процессе запуска автомобильного двигателя в момент времени, предшествующих началу вращения якоря стартерного электродвигателя. Степень работоспособности аккумуляторной батареи, стартера и системы электростар-терного пуска в целом численно равна отношению номинальной величины сопротивлений к их текущим значениям.

Моделирование изменения сопротивления стартерной цепи в процессе жизненного цикла легкового автомобиля позволяет объяснить закономерное снижение работоспособности системы электростартерного пуска. Внедрению оценки работоспособности должна предшествовать разработка аналитической модели, учитывающей как постепенное увеличение сопротивления в процессе старения, так и резкое изменение, вызванное неисправностями.