CC BY
47
г 1Г l 4Ы
I2
41
П0 А
Из (16) получим:
Г
212р Ы 2 ж1 А1ЛЯе
41
-в
(16)
(17)
Радиус канала определим из (17), используя метод простой итерации:
Г _р,,р 41 Л14
Г =
'п+1
212 ы2
р
П AIЛRe
-в
пл/яе
(18)
После определения радиуса канала легко определяется температура канала из уравнения (14) и напряженность электрического поля в канале:
Г —р
Е =-Р (19)
ПК Г0 .
Формулы (14), (18) и (19) определяют основные свойства столба дуги при температурах
Т « 8000 -14000 К в ,
к . В этом диапазоне температур принято использовать следующие эф-
фективные значения "потенциала ионизации" 1 = 6,2 эВ и константы А = 83 Ом см , коэффициенты теплопроводности и вязкости задавались следующими значениями
Л = 2,3 Вт /(м ■ К)
Результаты расчетов по предлагаемой модели сопоставлялись с данными экспериментальных исследований плазмотронов, проведенных на стенде, и сравнивались с расчетами по эмпирической формуле, предложенной в работе [3].
Установлено, что результаты расчетов по предлагаемой модели с точностью до 10 % совпадают с экспериментальными данными, а эмпирическая формула в работе [3], дает значительную ошибку при токах меньше 3 А, это объясняется тем, что при ее получении использовались экспериментальные данные, полученные при испытаниях плазмотронов, работающих с токами от 2 до 30 А.
Таким образом, предлагаемая модель позволяет производить оценочные расчеты параметров плазмотронов, особенно представляют интерес малые токи (менее 2 А) с точки зрения использования плазмотронов малой мощности.
Литература
1. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987.
2. Энгель А., Штеенбек М. Физика и техника электрического разряда в газах, т.2: Пер. с нем. Под ред. Капцова НА. — М.; Л.: ОНТИ, 1936.
3. Романовский Г.Ф., Матвеев И.Б., Сербин С.И. Результаты экспериментальных исследований плазмотронов малой мощности. Труды Николаевского кораблестроительного института. Судовое машиностроение. Вып. 194, 1982. с.4-9.
в
Методика проектирования основных компонентов систем электроснабжения и пуска автотранспортных средств, учитывающая реальные условия эксплуатации, события и алгоритм
к.т.н. доц. Акимов А.В., к.т.н. Чернов А.Е.
МГТУ «МАМИ» (495) 365-54-98, [email protected]
Аннотация. Статья посвящена методике проектирования генераторных установок, аккумуляторных батарей и стартерных электродвигателей автотранспортных
средств, включая электромашинные преобразователи различного типа и назначения, в условиях реальной эксплуатации. Разработанная авторами методика основана на использовании метода имитационного моделирования, позволяющего разбить эксплуатацию автомобиля на различные события (разгон, торможение, установившееся движение, стоянку на оборотах холостого хода , торможение двигателем и т.д.) на основании событий и экспериментальных ездовых циклов, полученных авторами на основании эксплуатационных исследований различных типов автомобилей составлен алгоритм эксплуатации. На основании алгоритма в любой конкретный момент времени можно рассчитать частоту вращения ротора генератора и ток нагрузки электропотребителей. Результаты эксплуатационных испытаний подтверждают адекватность разработанной авторами математической модели системы электроснабжения.
Ключевые слова: система электроснабжения, система электростартерного пуска, транспортное средство, алгоритм движения, ездовой цикл, генераторная установка.
Необходимость совершенствования существующих методик проектирования систем электроснабжения объясняется тем, что построены они без учета взаимосвязи и взаимного влияния входящих в СЭС основных компонентов, в связи с чем существенно усложняется решение многих практически значимых задач, например, современная методика выбора основных параметров и характеристик генераторной установки не позволяет достоверно моделировать ее взаимодействие с системой пуска силового агрегата автотранспортного средства в условиях реальной эксплуатации, а это не позволяет выбрать генераторную установку, стартерный электродвигатель и аккумуляторную батарею с оптимальными экологическими и энергетическими показателями, а также проводить выбор оптимального алгоритма управления систем электроснабжения и пуска.
Для моделирования работы СЭС применяется метод имитационного моделирования. Разработка математической модели автомобильных систем электроснабжения и пуска включает следующие основные этапы:
• описание алгоритма эксплуатации систем;
• выбор шага дискретизации времени для каждого из событий алгоритма;
• разработку математической модели исследуемого объекта.
Анализ работы СЭС в эксплуатации позволяет выделить следующие факторы, оказывающие влияние на токораспределение, не зависящие от количества степеней свободы в системе:
• частота вращения ротора генератора n;
• сопротивление нагрузки Ян, которое при пренебрежении его зависимостью от температуры функционально зависит от количества и состава включенных потребителей;
• температура электролита 4л, которая при определенном режиме эксплуатации, месте установки аккумуляторной батареи (АБ) и наличии или отсутствии её утепления зависит от температуры окружающего воздуха ¿окр, времени непрерывной работы ДВС Тр двс и времени Тст непрерывной стоянки с неработающим двигателем;
• температура в подкапотном пространстве в месте установки генераторной установки try, которая зависит от ¿окр, Тр двс и Тст;
• время пуска ДВС Тп и ток стартера в режиме пуска 1с , которые зависят от времени непрерывной работы ДВС, времени непрерывной стоянки транспортного средства с неработающим двигателем и температуры окружающего воздуха.
Все рассмотренные факторы, за исключением температуры окружающего воздуха, зависят от особенностей эксплуатации автомобиля, которую предлагается рассматривать как цепь событий с изменяющейся случайным образом последовательностью.
На рисунке 1 представлена схема наиболее вероятных типовых событий, совокупность, последовательность и временные рамки которых могут составить основу для формирования
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. структуры системы и оптимизации ее параметров.
Далее рассмотрены условия завершения событий и состав факторов, изменяющихся при их наступлении, так как указанная информация необходима при разработке алгоритма, моделирующего изменение параметров эксплуатационного режима автомобиля, составляющего основу имитационной модели систем электроснабжения и пуска.
Рисунок 1 - Схема возможных событий при эксплуатации легкового автомобиля
личного пользования
Первое событие - пуск ДВС. Событие заканчивается, когда текущее время события Тт становится равным продолжительности пуска ДВС Тп . Методика определения длительности события Тп и среднего тока разряда АБ при пуске 1с рассмотрена ниже. Ранее ни одна из применяемых методик расчета не учитывала совместно работу и взаимное влияние наиболее важных систем электрооборудования, которые во многом определяют качество работы автотранспортного средства, а именно систем электроснабжения и пуска.
Второе событие - прогрев ДВС. В настоящее время для некоторых типов автотранспортных средств это событие не обязательно. Длительность события Тпрг может быть определена в соответствии с данными эксплуатации примерно равной 180 ... 240 секунд зимой и 30...60 секунд летом. При наступлении события частота вращения рассчитывается по средней эксплуатационной частоте прогрева ДВС, a Ян определяется по составу потребителей, работу которых необходимо обеспечить при питании электроэнергией от ГУ при холостом ходе ДВС.
Третье событие - разгон автомобиля. Возможны два пути развития, рассматриваемого события: разгон до установившейся (максимальной) скорости в ездовом цикле Vy и разгон до скорости переключения передачи V^. Таким образом, событие завершается, когда скорость автомобиля Va станет равной Vy, либо Vnp.
При разгоне текущая частота вращения ротора генератора определяется следующим образом:
П = KTI Va , (1)
где: Кг - коэффициент приведения частоты вращения для i-ой передачи, на которой осуществляется движение.
Четвертое событие - переключение передач. Оно происходит как при разгоне, так и при замедлении. Длительность события определяется временем переключения Тпр, которое рассчитывается по ездовым циклам. Частота вращения ротора генератора в любой момент времени данного события Тт вычисляется следующим образом:
п = Кг, Гпр + Тт/Тпр V« (Кт(1+1) - Кг,) , (2)
где: ¥пр - скорость переключения передачи, определяется из ездового цикла;
Кг,, КТ(,+1) - коэффициенты приведения частоты вращения, рассчитанные для передач, на которых осуществляется движение в предыдущем или последующем событиях.
Пятое событие - движение с установившейся скоростью. Длительность его определяется временем Ту, значение частоты вращения в течение события рассчитывается по формуле, приведенной выше.
Шестое событие - торможение двигателем. В соответствии с ездовыми циклами, а также данными эксплуатационных испытаний оно завершается при выполнении одного из следующих условий:
Га = Гпр , (3)
Га = Гр , (4)
Га = Гпов , (5)
Га = 0 , (6)
где: Гр и Гпов - скорости начала торможения и начала поворота соответственно.
Седьмое событие - выбег (движение по инерции). Учитывая, что в условиях городского движения с высокой интенсивностью использование выбега на четвертой передаче, а также при замедлении автомобиля до полной остановки без торможения на заключительной фазе ездового цикла маловероятно, рассматриваемое событие завершается при выполнении условий (3), (4), а также после преодоления поворота.
Восьмое событие - торможение, завершается при выполнении условий (5) или (6).
Девятое событие - стоянка при работе ДВС автомобиля в режиме х.х. (стоянка перед светофором или поворотом). Длительность стоянки определяется временем Тхх, которое рассчитывается по ездовым циклам.
В течение событий семь, восемь, девять соблюдается равенство:
п = Пхх (7)
Десятое событие - стоянка с неработающим ДВС. Стоянка может быть как длительной (ночная стоянка, стоянка у места работы владельца транспортного средства и т. д.) и короткой (стоянка при движении по маршруту, например, при высадке пассажира). Продолжительность стоянки Тст и количество стоянок первого типа могут быть определены в соответствии с суточными графиками эксплуатации или по среднему времени движения в сутки, а второго типа - по количеству включений стартера за один час движения и коэффициенту, показывающему отношение времени работы ДВС ко времени эксплуатации. В течение рассматриваемого события частота вращения равна нулю, а Ян - сопротивлению потребителей, включаемых на стоянке.
События одиннадцать и двенадцать - включение и работа стоп-сигнала и сигнала поворота соответственно. Включение стоп-сигнала происходит всякий раз, когда осуществляется торможение, т. е. событие одиннадцать параллельно событию восемь. Длительность включения стоп-сигнала часто превышает длительность торможения, поэтому работа стоп- сигнала может протекать и параллельно событию девять, т.е. при стоянке автомобиля, например, на светофоре. Среднюю продолжительность Тсс можно рассчитать по следующей формуле:
Тсс = 3600 Кт/Кч , (8)
где: Кт - коэффициент времени работы потребителя;
Кч - количество включений потребителя за час работы двигателя автомобиля,
Кч = К Гср/1000 ; (9)
Гср - средняя скорость движения для рассматриваемой категории эксплуатации; К - количество включений потребителя на 1000 км.
Данные по Кт и К для стоп-сигнала и других потребителей представлены.
Исходя из функционального назначения сигнала поворота, можно считать, что его включение и работа происходят параллельно событиям шесть, семь, восемь, девять, т.е. при замедлении и стоянке перед светофором с поворотом или поворотом. Средняя длительность работы сигнала поворота Тсп и количество его включений могут быть рассчитаны по форму-
лам (8) и (9), если в качестве исходных использовать соответствующие данные литературы.
Тринадцатое событие - изменение состава включенных потребителей (без учета стоп-сигнала и сигнала поворота) в условиях интенсивного городского движения может происходить параллельно либо событию пять, либо событию девять.
Длительность включения и работы /-го потребителя Т, определяется по формулам (8) и (9), а вероятность включения в течение конкретного события (пять или девять) Рвкл по следующей формуле.
Рвкл = Кч/2 Кмц , (10)
где: Кмц - количество микроциклов разгон-замедление за один час движения в данных условиях эксплуатации.
Кмц может быть определено при анализе схемы маршрута испытаний.
Пример схемы маршрута испытаний для легкового автомобиля приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема маршрута испытаний легкового автомобиля
Используя определенные автором ездовые циклы и данные эксплуатации, разработаны графики возможных ездовых циклов при проезде рассмотренных участков пути, представленных на рисунке 3.
В зависимости от типа и длины участка движения по нему может осуществляться по одному из возможных ездовых циклов (рисунок 3).
На основании приведенных графиков движения и очевидности того, что запуск ДВС может быть осуществлен только после стоянки с неработающим ДВС, а прогрев после запуска, остановка ДВС происходит, как правило, при неподвижном автомобиле и частоте вращения х.х. коленчатого вала ДВС, а также того, что включение стоп-сигнала возможно только при торможении, а сигнала поворота только на подъезде к повороту, можно составить алгоритм возможных последовательностей событий при эксплуатации автомобиля, которая представлена на рисунок 4.
На схеме окружностями изображены события. Цифры внутри окружностей обозначают номер события в соответствии с рисунком 1, а цифры под чертой - номера передач, на которых осуществляется движение. Прямыми линиями со стрелками изображены связи между событиями, причем наличие одной стрелки указывает на то, что события во времени происходят последовательно, а двух - параллельно. Линии с окружностями меньшего радиуса, чем
Раздел 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. события, указывают на возможность проезда по участку без фазы движения с установившейся скоростью.
Уа .им/ч
'ч
ЫГ П га Р/ У У за в Б
р/ га
40" ей р г •А а в и 1 а ТД^ " N V г V
Ои" РП< А и /п р I и 4а 7\ Да в
1 п У Т \ к V э
1 и1 0 р ш V X г
10
го
с)
зо
40
50
Уа ,км/ч 50
40-
зо
ео
ю
го
40
60 д)
80
100
60
Т.с
г (41 У У 3(41
/ / г (41 \
У N тд за
у / п 4(41 4а Б
У п ТД т \ 7 \т
т ч\в В
(1 (11 Т \ 4 \ X 4 \ 9 X Б
1ео Т.С
Рисунок 3 - Возможные графики проезда участков маршрута испытаний автомобиля на первой (а), на второй (Б), третьей (с) и четвертой (д) передачах
Рисунок 4 - Схема последовательностей совершения событий при эксплуатации
легкового автомобиля Выводы
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
Приведенная методика проектирования генераторных установок, аккумуляторных батарей и стартерных электродвигателей автотранспортных средств, включая электромашинные преобразователи различного типа и назначения, позволяет учесть их работу в условиях реальной эксплуатации.
Разработанная авторами методика основана на использовании метода имитационного моделирования, позволяющего разбить эксплуатацию автомобиля на различные события (разгон, торможение, установившееся движение, стоянка на оборотах холостого хода, торможение двигателем и т. д.). На основании этих событий и экспериментальных ездовых циклов, полученных авторами на основании эксплуатационных исследований различных типов автомобилей, составлен алгоритм эксплуатации. Данный алгоритм в любой конкретный момент времени позволяет рассчитать частоту вращения ротора генератора и ток нагрузки электропотребителей.
Результаты эксплуатационных испытаний подтверждают адекватность разработанной авторами математической модели системы электроснабжения и пуска, учитывая их реальные условия эксплуатации.
Гидропривод вентилятора для системы охлаждения автомобильного
двигателя
Труханов К. А. МГТУ им. Н.Э.Баумана email: [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрена возможность использования гидропривода вентилятора для охлаждения автомобильного двигателя и приведены схемные решения.
Ключевые слова: гидропривод вентилятора, охлаждение двигателя. Вентилятор на автомобиле используется для повышения интенсивности охлаждения
