Re: "У каждой 10й Лианы генератор не расчитан на стандартную нагрузку"? 
) (с) СИМ-
assa65 написал(а):
А как вы определяете 2-ю скорость вентилятора системы охлаждения? Слышу об этом впервые. Хотя где-то читал о пользе регулироемой скорости - значительно повышается экономичность авто.
Система охлаждения ДВС.
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания предназначена для поддержания его рабочей температуры в как можно более узких пределах. Сама по себе эта задача нетривиальна т.к. вся система по своей сути нестатична - в зависимости от режима работы двигателя и условий окружающей среды меняется как количество выделяемого двигателем тепла, так и количество тепла, которое способен рассеять радиатор системы охлаждения без его принудительного обдува.
Для построения системы охлаждения, способной поддерживать температуру двигателя с высокой точностью (хотя бы +/-0.5 градуса) при любых режимах работы двигателя и любых условиях окружающей среды, потребовалось бы информация о таких параметрах как нагрузка на двигатель, расход охлаждающей жидкости (ОЖ) через радиатор, ее температура (желательно как на входе, так и на выходе в двигатель и радиатор), позволяющая оценивать как количество выделяющегося тепла, так и количество тепла, отводимое радиатором. Кроме того, потребовалась бы система управления не только обдувом радиатора (причем, такая, которая могла бы не только увеличивать интенсивность принудительного обдува, но и снижать интенсивность обдува естественного - что-то вроде управляемых жалюзи), но и расходом ОЖ через радиатор (управляемый термостат). Понятно, что такая система стоила бы неоправданно дорого т.к. ДВС может эффективно работать в интервале температур, более широком, нежели полградуса-градус.
Таким образом, можно предъявить следующие требования к системе охлаждения:
точность поддержания температуры не хуже 2-3 градусов;
относительная простота и невысокая стоимость;
Эффективность с точки энергопотребления.
В принципе, можно добавить еще одно требование - отсутствие резких регулярных скачков температуры (т.н. "термокачки"), которые отрицательно сказываются на общем ресурсе двигателя.
Основным элементом системы охлаждения является термостат, задача которого заключается в распределении потоков ОЖ через радиатор и в обход его (т.н. "большой" и "малый" круги охлаждения). Устройство термостата таково, что, начиная с некоторой температуры (температура начала открытия, указывается на корпусе термостата) он начинает открывать клапан большого круга, одновременно закрывая при этом клапан малого круга. При этом часть ОЖ начинает идти через радиатор, а часть возвращается напрямую в рубашку охлаждения ДВС. Температура ОЖ на входе в рубашку охлаждения двигателя при этом будет определяться соотношением расходов ОЖ через радиатор и мимо него. Термостат в данном случае осуществляет плавное регулирование - соотношение степени открытия клапанов (проходных сечений) пропорционально температуре на участке от температуры начала открытия клапана большого круга до температуры полного открытия клапана большого и, соответственно, закрытия клапана малого кругов (обычно эта температура на 7-10 градусов выше температуры начала открытия).
Однако, при определенных условиях радиатор сам по себе может оказаться неспособным рассеять нужное количество тепла. Такая ситуация складывается, например, в условиях высокой температуры окружающего воздуха и малой скорости движения, когда интенсивность естественного обдува радиатора потоком набегающего воздуха невелика. Для создания искусственного обдува радиатора, используется вентилятор системы охлаждения, расположенный перед или за ним.
Традиционно в автомобилях используются следующие типы приводов вентилятора системы охлаждения:
1. Принудительный механический привод крыльчатки вентилятора. Этот вариант хорош своей простотой, но эффективность его крайне низка - скорость вращения крыльчатки ограничена скоростью вращения двигателя и нерегулируется. Таким образом, при стоянии в пробках в жару скорости вращения крыльчатки может оказаться недостаточно, а при движении по трассе в мороз она будет явно избыточной.
2. Механический привод с виско- или электромуфтой. Этот вариант лишен такого недостатка как избыточная скорость вращения, присущего простому механическому приводу за счет возможности отключения (для электромуфты) или снижения скорости вращения пропорционально температуре (для вискомуфты). Но остается недостаток, связанный с ограничением скорости вращения на малых оборотах.
3. Электропривод вентилятора. Наиболее оптимальный вариант. Во-первых, скорость вращения вентилятора не ограничена оборотами двигателя, во-вторых, алгоритм управления может быть любым, как самым примитивным, релейным (включено-выключено), так и достаточно интеллектуальным. В дальнейшем будем рассматривать именно систему охлаждения с электроприводом крыльчатки (электровентилятором) как одну из самых распространенных и наиболее перспективных для возможного усовершенствования.
Наиболее распространенным алгоритмом управления электровентилятором является простейший алгоритм релейного регулирования, при котором вентилятор включается при одной, а выключается при другой (меньшей) температуре. Разница (гистерезис) между температурами включения и выключения обычно составляет порядка 5-7 градусов.
Управляющим элементом в такой системе может быть что угодно - биметаллический контактный датчик в радиаторе, некая электронная схема, подключенная к датчику температуры, ЭБУ (для инжекторных машин) - суть работы системы от этого не меняется.
Достоинством такой системы является ее крайняя простота - всего три элемента, датчик, реле и вентилятор. Недостатки - наличие эффекта термокачки (температура постоянно колеблется от точки включения вентилятора до точки его выключения) и ударные нагрузки на бортовую сеть, особенно существенные для вентиляторов большой мощности. Например, на машинах ГАЗ-3110 устанавливается электровентилятор фирмы Бош мощностью 400 ватт и рабочим током 30А. При этом пусковой ток в момент раскрутки крыльчатки может достигать 60-70 ампер и более.
Кроме того, генератор автомобиля, особенно на малых скоростях вращения (например, осенью, при стоянии в пробке в режиме холостого хода) может не обеспечивать мощность, достаточную для питания всех потребителей (фары ближнего света, обогрев стекла, печка и т.п.). Включение вентилятора при этом усугубит ситуацию - начнется разрядка аккумуляторной батареи (АКБ). Если принять во внимание тот факт, что КПД генератора меньше единицы, то станет понятно, что для восполнения емкости АКБ потребуется большее время, нежели время работы вентилятора. В результате стояние в пробке с включенными потребителями и частым включением электровентилятора может привести к существенному разряду АКБ.
Указанные выше недостатки можно устранить, если использовать более сложный, нежели применяющийся штатно релейный с гистерезисом, алгоритм управления электровентилятором. В данном случае сам собой напрашивается алгоритм, используемый в системе охлаждения с механическим приводом крыльчатки через вискомуфту (не путать с электромуфтой, которая по принципу работы аналогична электровентилятору с релейной схемой управления) при котором скорость вращения вентилятора пропорциональна температуре по линейному (как в случае с вискомуфтой), квадратичному или иному закону. Для регулирования скорости вращения вентилятора в такой схеме используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) при которой питание электромотора осуществляется не постоянным током, но прямоугольными импульсами. Чем больше длительность импульсов, тем больше средний ток и выше скорость вращения вентилятора.
Использование алгоритма с пропорциональностью скорости вращения температуре позволяет стабилизировать рабочую температуру двигателя в заданном диапазоне от точки включения вентилятора до точки его выхода на режим полной мощности (примерно 2-3 градуса). При этом гарантируется, что для исправной системы охлаждения при любых внешних условиях и любом режиме работы двигателя внутри этого диапазона всегда найдется точка теплового баланса, в которой количество тепла, выделяемого двигателем, будет равно количеству тепла, рассеваемого радиатором. Понятно, что температура не будет стоять на месте, а будет колебаться в пределах указанного диапазона, но эти колебания будут медленными, нерегулярными и будут связаны только с изменением режима работы двигателя и внешних условий (температура окружающего воздуха, интенсивность естественного обдува и т.п.). Строго говоря, с точки зрения теории автоматического регулирования, в данном случае мы имеем дело с системой регулирования с разомкнутой петлей обратной связи (ОС) и некоторым коэффициентом усиления (Ку). В данном случае, чем выше Ку, тем меньше изменение температуры при изменении режима работы двигателя. Но Ку, в данном конкретном случае, ограничен сверху тепловой инерцией всей системы в целом. При больших значениях Ку система почти наверняка перейдет в автоколебательный режим. Практика показывает, что, используя данный алгоритм, вполне реально получить устойчиво работающую систему с интервалом изменения температуры порядка 2-3 градусов.
Возможно, также, управление вентилятором по адаптивному алгоритму, при котором задается точка стабилизации, а блок управления отслеживает изменения температуры двигателя и управляет скоростью вращения вентилятора таким образом, чтобы температура поддерживалась как можно ближе к точке стабилизации. При таком подходе интенсивность колебаний температуры вокруг точки стабилизации будут определяться только инерционностью системы охлаждения и временными настройками алгоритма. На языке САР такая система будет называться астатической. Она заведомо находится в автоколебательном режиме, но амплитуда колебаний жестко контролируется параметрами алгоритма. Точность поддержания температуры в такой системе может быть вполне удовлетворительной для данного применения и составлять 1.5-2 градуса.
Пропорциональный алгоритм хорош своей простотой, но, в общем случае, требует точной настройки под конкретный тип датчика температуры (поскольку работает с абсолютными значениями температуры). Адаптивный же, хоть и более сложен в реализации, но не предъявляет столько жестких требований к датчику - он может одинаково успешно работать с любыми датчиками, имеющими схожую характеристику. Кроме того, адаптивный алгоритм обеспечит большую стабильность системы в целом за счет того, что в нем жестко контролируется амплитуда колебаний температуры.
И тот, и другой алгоритм оптимизируют не только температурный режим ДВС, но и энергопотребление. Во-первых, отсутствуют ударные нагрузки на энергосистему, связанные с пусковым током электродвигателя (который для двигателей этого типа в 2-2.5 разы выше номинального рабочего тока). Во-вторых, система потребляет ровно столько энергии, сколько необходимо для поддержания теплового баланса в данных условиях (в отличие от штатной релейной системы, где энергия сначала расходуется на понижение температуры, а затем, в случае большого количества потребителей, на дозаряд АКБ). Оптимизация энергопотребления положительным образом сказывается как на надежности и ресурсе всей бортовой сети автомобиля, в том числе и на сроке службы АКБ, так и на расходе топлива, поскольку единственным источником энергии в автомобиле, все-таки, является бензин.
Особое внимание стоит обратить на выбор точки стабилизации температуры. С одной стороны, она не должна быть слишком низкой - особенность работы термостата такова, что чем меньше превышение температуры над точкой открытия, тем меньше для ОЖ, проходящая через радиатор, и, следовательно, меньше влияние интенсивности обдува на температуру ОЖ. Т.е. при выборе точки стабилизации слишком близко к точке начала открытия термостата эффективность работы вентилятора снижается, а время его непрерывной работы и затрачиваемая мощность увеличиваются. С другой же стороны, поскольку нет способа регулировать естественный обдув радиатора, при движении с большой скоростью температура ОЖ будет опускаться практически до температуры начала открытия термостата. При этом, если точка стабилизации выбрана слишком высокой, реальный разброс температуры может оказаться слишком большим. Из вышесказанного следует, что оптимальным выбором точки стабилизации будет температура примерно на 2-3 градуса выше точки начала открытия термостата, но не выше температуры выключения штатного датчика вентилятора.
В заключение стоит привести графики колебания температуры и напряжения бортсети на реальном двигателе (ГАЗ-3110, двигатель ЗМЗ-402, номинальный диапазон рабочих температур 80-90°С, генератор 90А - 2022.3771, электровентилятор 38.3730 - 250Вт/30А/2700rpm). Температура открытия термостата 82°С. Измерения проводились в режиме холостого хода при температуре окружающей среды около 20°С. Номинальная температура включения штатного датчика 92°С, выключения - 87°С. Датчик расположен на входе в радиатор (между ДВС и радиатором).
В качестве альтернативной системы использовался микропроцессорный блок управления вентилятором системы охлаждения, работающий по адаптивному алгоритму, с установленной температурой стабилизации несколько ниже, нежели температура срабатывания штатного датчика (температура устанавливалась "на глазок" по положению стрелки указателя температуры на панели приборов). Информация о температуре берется блоком со штатного датчика температуры, расположенного в корпусе термостата (на выходе из рубашки охлаждения ДВС).
Измерения проводились на одной и той же машине в одинаковых условиях (сначала серия измерений с блоком управления, затем идентичная серия со штатной системой) стандартным тестером с термопарой. Точность измерения температуры - 1°С, напряжения - 0.01В. Интервал между отдельными измерениями в каждой серии составлял 15 секунд. Температура измерялась в непосредственной близости от датчика температуры, на корпусе термостата. Напряжение измерялось непосредственно на плюсовой клемме АКБ.
РИСУНОК(1) Температура двигателя в режиме холостого хода. Интервал измерения 15 сек.
На этом графике видно, что колебания температуры ОЖ при работе штатной системы составляют 5°С, что равно гистерезису, заложенному в датчике включения вентилятора (температура включения 92°С, выключения - 87°С). При использовании же блока управления вентилятором с адаптивным алгоритмом, температура колеблется в пределах 1°С, т.е. погрешности измерения. При этом колебания температуры в данном случае имеют больший период, что тоже в общем случае лучше для ДВС.
РИСУНОК(2) Напряжение бортовой сети в режиме холостого хода. Интервал измерения 15 сек.
На этом графике видна четкая корреляция колебаний ("просадки") напряжения бортовой сети и колебаний температуры при использовании штатной системы, вызванные включением вентилятора системы охлаждения. Следует отметить, что при включении дополнительных потребителей (ближний свет, обогрев стекла, вентилятор печки и т.п.) просадка напряжения будет еще более значительной и может привести к постепенному разряду АКБ. В случае же использования блока управления вентилятором, колебания напряжения бортовой сети настолько незначительны, что их трудно связать с работой вентилятора. Они могут быть обусловлены "естественными" причинами, такими, например, как погрешности в работе регулятора напряжения, неравномерности скорости вращения коленвала ДВС (и, следовательно, ротора генератора) и т.д. и т.п. Следует иметь ввиду, что данные измерения проводились при выключенных прочих потребителях, таких как ближний свет фар, габариты, вентилятор отопителя, обогрев заднего стекла. При включении этих потребителей нагрузка на генератор увеличится и напряжение бортовой сети может существенно "просесть" (1-1.5В). При этом, в случае работы блока управления, напряжение на клеммах АКБ все равно останется выше собственного напряжение АКБ без нагрузки (12.6В), что означает положительный баланс электроэнергии в системе. В случае же использования штатной системы, напряжение "просядет" ниже собственного напряжения АКБ, что, в свою очередь, будет означать разряд АКБ в момент работы электровентилятора.
(С) Виктор Поморцев
