Sistemi Elettrici di Autoveicoli - Dipartimento di Sistemi Elettrici e

Sistemi Elettrici di Autoveicoli
Sistemi di avviamento
del motore a combustione interna
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Perché uno starter distinto dall’alternatore
coppia di avviamento: circa 80 Nm/litro coppia di spunto: circa 250 Nm / litro =>
Per un 2000 cc: 160Nm,
160Nm 500Nm
Un alternatore che dovesse fare da starter dovrebbe avere coppie molto elevate, ottenibili con:
1. elevati rapporti di trasmissione (es. 1/10)
2 rapportii più
2.
iù ridotti
id i (al
( l limite
li i unitari)
i i) ma macchine
hi di coppia
i e potenza molto
l più
iù abbondanti
bb d i
delle attuali
La soluzione 1 è qquella adottata oggi
gg pper lo starter,, ma un utilizzo anche come generatore
g
comporterebbe a regime velocità elevatissime (50-60krpm) con conseguenti costi, rumore,
perdite
La soluzione
L
l i
2 puòò risultare
i lt fattibile
f ttibil se la
l potenza
t
di generazione
i
è di alcuni
l i kW;
kW fino
fi a 6 kW è
ancora utilizzabile la presa di potenza a cinghia; oltre risulta conveniente l’accoppiamento
diretto con l’albero motore => ISA o ISG (Honda Civic IMA, ora Hybrid)
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Tipi di motori normalmente adottati (1)
Eccitazione a MP e derivata:
Eccitazione serie:
C  kI

V  E  RI  k  RI
C  kI  k k I I  k1 I 2

V  E  RI  k  RI  (k1  R) I
V  k
C  k
R
k1V 2
C
( k1  R ) 2
Ecc-serie
Note:
• La macchina viene dimensionata per
avviarsi senza “reostato di avviamento”
• Con eccitazione MP e derivata la macchina
lineare ha una coppia linearmente
d
decrescente
• L’eccitazione compound ha una quota di
eccitazione derivata e una di eccitazione
seriee e bbilancia
se
c i due comportamenti
co po
e
Ecc.deriv
20,00
10,00
0 00
0,00
0
100
200
300
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Tipi di motori normalmente adottati (2)
Se si considera il motore
• l’avvolgimento derivato è
alimentato da una batteria reale,
composto da molte spire di
si ha all’avviamento una caduta
piccola sezione,, quello
p
q
serie da
di tensione che nel caso
poche di grande sezione
di eccitazione derivata provoca un
• L’eccitazione shunt è poco usata
deflussaggio che riduce la coppia rispetto
(preferita la PM)
all caso di macchina
hi MP
• Nel caso di eccitazione compound
in una prima fase quando la
macchina deve ingranare è
necessaria
i una coppia
i piccola
i l
l’avvolgimento derivato spesso
viene messo in serie in modo da
limitare fortemente corrente e
coppia; dopo l’ingranamento si ha
la vera eccitazione compound.
Co
oppia
V  k
C  k
R
Velocità
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Il problema della temperatura
a) Cranking speed
b) Minimum required initial engine speed
(drop due to decreased cranking resistance)
Ms: Starting torque Mm: torque required
Starting torque is referred to 20% discharged 55
Ah battery
The intersections determine the cranking speed
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Il problema della temperatura
Tengono conto di batteria
e motore elettrico
Tiene conto di:
- batteria
- motore elettrico
- resistenze ICE
Tengono conto di ICE
a) Cranking speed
b) Minimum required initial engine speed
(drop due to decreased cranking resistance)
Ms: Starting torque Mm: torque required
Starting torque is referred to 20%
discharged 55 Ah battery
The intersections determine cranking speed
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Il problema della temperatura
Il grafico a DX consente di determinare la curva a a SX
(da confrontare con la b per verificare l’avviamento)
a) Cranking speed
b) Minimum required initial engine speed
(drop due to decreased cranking resistance)
Ms: Starting torque Mm: torque required
Starting torque is referred to 20%
discharged 55 Ah battery
The intersections determine cranking speed
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Valutazione delle prestazioni di batteria-avviatore
(autovettura leggera)
Le caratteristiche consentono di
seguire il meccanismo
dell’avviamento:
• All’inizio si ha il punto destro delle
caratteristiche, a velocità e
potenza nulla e coppia massima.
L tensione
La
t
i
è particolarmente
ti l
t
bassa.
• Man mano che la velocità
aumenta la coppia diminuisce: la
potenza contempera entrambi i
fenomeni in modo che prima
aumenta (prevale l’aumento di
velocità)
l i à) poii diminuisce
di i i
(prevale
(
l
la riduzione della coppia
• Oltre 2-3000 rpm il motore deve
essere disconnesso per evitare
danneggiamenti
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Valutazione delle prestazioni di batteria-avviatore
(motocicletta)
Batteria considerata: 12 V, 7Ah
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Ingranamento a inerzia
Funzionamento:
Un piccolo pignone con scanalatura interna, si impegna in analoga scanalatura presente sull’albero
dello starter.
starter
Quando esso viene alimentato, il rotore inizia a ruotare ma il pignone, per la sua inerzia rotazionale e la
scanalatura elicoidale, oltre che iniziare a ruotare, trasla assialmente e si impegna sulla dentatura sul
volano del MCI vincendo anche la reazione di una molla di contrasto.
Quando il MCI si avvia, esso tende ad accelerare, la coppia fra pignone e corona dentata si inverte e
l’azione di tale coppia, unita a quella della molla di contrasto, disimpegna il pignone dalla dentatura del
volano e lo riporta in posizione di riposo.
Questo sistema, molto semplice, è stato utilizzato a lungo.
Svantaggi:
• l’ingranamento è particolarmente violento, e tende a consumare gli ingranaggi del pignone e della
dentatura del volano
motore quando il
• in taluni casi poteva capitare che il pignone si disimpegnasse ai primi scoppi del motore,
motore non è ancora in grado di autosostentarsi.
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Ingranamento a solenoide
macchina a magneti permanenti (1)
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Ingranamento a solenoide
macchina a magneti permanenti (1)
tasto
avviamento
veicolo
avvolgim.
avvolgim
di spinta
avvolgim.
di tenut a
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Ingranamento a solenoide
macchina a magneti permanenti (3)
L’alimentazione dei due avvolgimenti causa la nascita di una forza assiale sul pistone
pparzialmente pposto al suo interno che, attraverso la leva di ingranamento
g
lo spinge
p g e lo forza ad
ingranare nell’anello dentato del volano. Contemporaneamente il motore elettrico, attraversato da
una corrente ridotta rispetto a quella di spunto a piena tensione, ruota a velocità ridotta, in tal
modo facilitando l’ingranamento.
Al termine
i ddell’ingranamento
ll’i
il pignone
i
chiude
hi d un interruttore
i
di fine-corsa
fi
che
h bypassa
b
l’avvolgimento di spinta; così facendo tale avvolgimento ovviamente cessa di esercitare una
spinta sul pignone, il quale rimane in posizione per la forza esercitata dall’avvolgimento di
tenuta,
te
uta, che
c e contrasta
co t asta laa forza
o a resistente
es ste te dovuta ad una
u a molla
o a di
d contrasto.
co t asto.
Contemporaneamente si attiva l’alimentazione del motore elettrico alla piena tensione. Il motore
può quindi iniziare a porre in rotazione il MCI a piena coppia.
Quando il MCI si è avviato, e la chiave di avviamento viene rilasciata, la molla di contrasto
agisce sul pignone che si sgancia dalla ruota del volano e ritorna nella posizione di riposo.
Nel caso di eccitazione compound invece che l’avvolgimento di spinta è spesso messa in serie la
parte derivata dell’avvolgimento di eccitazione
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Ruota libera (overrunning clutch)
La conchiglia è solidale all’albero dello starter,
l’interno porta il pignone
Quando la conchiglia trascina il pignone le piste
aiutano le molle a serrare i rulli nelle piste e il
sistema è solidale
Q
Quando
il motore si avvia la coppia
pp si inverte,, i
rulli tornano indietro sulle piste e ci può essere
strisciamento fra rulli e piste, e scorrimento fra
pignone e conchiglia
T

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Meccanismo dell’avviamento
Coppia al motorin
no DC
Se il motore di avviamento porta a 200 giri si
evitano gas incombusti (soluzione con ISA)
1 coppia generata dal MCI nell’ipotesi di
combustione regolare (riportata al motorino
dd’avviamento
avviamento, =10)
2 coppia teorica del motore elettrico
3 coppia motrice teorica totale (somma delle
curve 1 e 2)
In A (80-100 giri/min) inizia una combustione
i
irregolare
l del
d l motore;
t
in B, (150-180 giri/min) la combustione si
regolarizza ed il contributo del motore
Giri riportati al MCI
A partire
ti da
d questo
t punto
t il motore
t
di avviamento può essere disinserito (C).
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