Электрооборудование автомобилей Учебник для ВУЗов



С.В. Акимов, Ю.П. Чижков Электрооборудование автомобилей Учебник для ВУЗов Рекомендоввно Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Электрооборудоввние автомобилей и трвкторов» Рецензенты: профессор, д.т.н. А.К. Старостин, профессор, к.т.н. П.А. Тыричев Редакторы: М.И. Бирюков, Е.В. Певзнер УДК 629.113.004.58 ББК 39.808 А39
Учебник Акимов Сергей Валентинович, Чижков Юрий Павлович ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ АВТОМОБИЛЕЙ Учебник для ВУЗов Обложка художника Т.В, Соколовой Верстка С.В. Гудковой, А.А. Савина Технический редактор Л.В, Рассказова Лицензия ЛР N2 071875 от 26.05.99 Подписано в печать с готовых диапозитивов ЗАО «КЖИ «За рулем» 26.01.04. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 22,32. Тираж 5 000 экз. Заказ 2362. Цена свободная. ЗАО <■ Книжно-журнальное издательство «За рулем» 107045, Москва, Селиверстов пер., 10, стр. 1. Отпечатано с готовых диапозитивов в типографии ОАО «Молодая гвардия», ООО «Платан», 103030, Москва, Сущевская ул., д. 21. Акимов С.В., Чижков Ю.П. А39 Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. - М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. - 384 с.: ил. ISBN 5-85907-274-0(3) В учебнике приведены сведения по устройству, принципам действия, техническим и регулировочным характеристикам, а также диагностике различных систем, устройств и приборов автомобильного электрического и электронного оборудования. Даны основные правила эксплуатации и обслуживания электрооборудования автомобилей. Для студентов ВУЗов. УДК 629.113.004.58 ББК 39.808 © С.В. Акимов, Ю.П. Чижков, 1999 © ЗАО «КЖИ «За рулем», 1999 ISBN 5-85907-274-0(3)
К читателю За последние годы в России парк находящихся в эксплуатации автомобилей сильно изменился и расширился. Появилось большое количество зарубежных автомобилей различных марок, в большинстве своем подержанных, имеющих определенную специфику системы электрооборудования, отличающуюся по устройству, принципу действия и особенностям обслуживания ее элементов. Отечественные производители в борьбе за конкурентоспособность своих изделий существенно модернизировали и расширили состав электрооборудования, особенно в части применения средств повышения комфорта в салоне автомобиля, а также изделий электроники. Электронные устройства управляют впрыском топлива, системой зажигания, осуществляют контроль за работоспособностью узлов и агрегатов автомобиля. На электромеханические устройства возложены функции блокировки дверей, стекпоподъема, поворота зеркал заднего вида и т. п. Практически сейчас нет ни одной системы автомобильного электрооборудования, где бы не использовалась электроника. Рост количества потребителей потребовал увеличения мощности электрогенераторов без существенного увеличения их массы и габаритов, что вызвало появление на автомобилях генераторов компактной конструкции. Напряжение генераторов стабилизируется регуляторами напряжения, построенными по новому схемному решению с использованием так называемой широтно-импульсной модуляции. Стартеры со встроенным редуктором и возбуждением от постоянных магнитов постепенно вытесняют стартеры традиционной конструкции. В светотехнике широко стали использоваться фары, в которых функции рассеивателя полностью или частично выполняет отражатель, фары с лампой дневного света, а также светодиоды в светосигнальных фонарях и т. п. Настоящая книга призвана ознакомить учащихся с принципом действия, устройством, правилами технического обслуживания и ремонта изделий автомобильного электрооборудования отечественного и зарубежного производства, а также облегчить им решение вопроса замены отказавших изделий, в том числе зарубежных на отечественные. Книга является учебником по дисциплине «Автотракторное электрооборудование», но ее содержание таково, что она будет полезна и специалистам, занимающимся эксплуатацией, техническим обслуживанием, ремонтом автомобильной техники, а также владельцам личных автомобилей. Главы 1, 2,4,5,7 и 8 написаны Ю. П. Чижковым; 3,6,9,10,11 - С. В. Акимовым. ГЛАВА 1 Общие требования к автомобильному электрооборудованию 1.1. Классификация электрооборудования автомобиля Электрооборудование автомобиля представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных электротехнических и электронных систем, приборов и устройств, обеспечивающих надежное функционирование двигателя, трансмиссии и ходовой части, безопасность движения, автоматизацию рабочих процессов автомобиля и комфортные условия для водителя и пассажиров. Автомобильное электрооборудование включает в себя следующие системы и устройства: электроснабжения; электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания; освещения, световой и звуковой сигнализации; электронные системы управления агрегатами автомобиля; информации и контроля технического состояния автомобиля и его агрегатов; электропривода; подавления радиопомех; коммутационные, защитные устройства и электропроводку. В систему электроснабжения входят генераторная установка и аккумуляторная батарея. К системе электростартерного пуска относят аккумуляторную батарею, электростартер, реле управления (дополнительные реле и реле блокировки) и электротехнические устройства для облегчения пуска двигателя. Система зажигания обеспечивает воспламенение рабочей смеси в цилиндрах бензинового двигателя искрой высокого напряжения, возникающей между электродами свечи зажигания. Помимо свечей, к системе зажигания относятся катушка зажигания, прерыватель-распределитель, датчик-распределитель, транзисторный коммутатор, добавочный резистор, высоковольтные провода, наконечники и т.д. Система освещения и световой сигнализации объединяет осветительные приборы (фары головного освещения), светосигнальные фонари (габаритные огни, указатели поворота, стоп-сигналы, фонари заднего хода и др.) и различные реле управления ими. Система информации и контроля включает в себя датчики и указатели давления, температуры, уровня топлива в баке, спидометр, тахометр, сигнальные (контрольные) лампы и пр. Электропривод (электродвигатели, моторедукторы, мотонасосы) находит все большее применение в системах стекло-очистки, отопления, вентиляции, предпускового подогрева двигателя, подъема и опускания антенны, блокировки дверей и в стеклоподъемниках. Используется разнообразная коммутационная и защитная аппаратура: выключатели, переключатели, реле различного назначения, контакторы, предохранители и блоки предохранителей, соединительные панели и разъемные соединения. Развитие электрооборудования автомобилей тесно связано с широким применением электроники и микропроцессоров, обеспечивающих автоматизацию и оптимизацию рабочих процессов, большую безопасность движения, снижение токсичности отработавших газов и улучшение условий работы водителей. Количество и мощность потребителей электроэнергии на автомобилях постоянно увеличиваются. Соответственно, возрастает мощность источников электрической энергии. На смену прежнему электрооборудованию приходят новые, более сложные по конструкции и схемным решениям электрические и электронные изделия и системы. От технического состояния электрооборудования во многом зависит эксплуатационная надежность и производительность автомобиля. 1.2. Условия эксплуатации электрооборудования. Основные технические требования Условия работы электрооборудования зависят от климатической зоны эксплуатации и места установки на автомобиле. Изделия электрооборудования выпускаются в климатических исполнениях У (для умеренного климата), ХЛ (для холодного климата), О (общеклиматическое исполнение), Т (тропическое исполнение). Исполнения типа У-ХЛ, У-Т и т.д. допускают возможность эксплуатации электрооборудования в разных климатических зонах. Изделия электрооборудования и автоэлектроники должны быть работоспособными при эксплуатации в условиях, характеризуемых параметрами, приведенными в табл. 1.1. Кроме того, электрооборудование автомобиля должно сохранять работоспособность после воздействия температуры -60°С для исполнения ХЛ и -45°С для исполнения У и Т при транспортировании и во время нерабочих периодов автомобиля. Электрооборудование должно выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, указанные в табл. 1.2. Допустимые значения превышения температуры электрических машин и аппаратов длительного режима работы при температуре окружающей среды +70°С приведены в табл. 1.3. Электрические машины должны выдерживать испытание на повышенную частоту вращения в режиме холостого хода в течение 20 с (электростартеры и другие электрические машины с продолжительностью работы менее 1 мин) и 2 мин (прочие электрические машины). Испытательная частота вращения должна быть на 20% выше максимальной частоты вращения, возможной в эксплуатации, и частоты вращения в режиме холостого хода для стартеров. Изделия электрооборудования могут быть рассчитаны на продолжительный номинальный режим работы S1, кратковременный номинальный режим работы S2 с длительностью периода неизменной номинальной нагрузки 5,10 и 30 мин и повторно-кратковременный номинальный режим продолжительностью включения 15, 25,40 и 60%. Температурные и атмосферные условия Климатическое исполнение Максимальная температура окружающей среды, °С: для изделий, устанавливаемых на двигателе и в моторном отсеке для изделий, устанавливаемых в кабине или снаружи: рабочие предельные Минимальная температура окружающей среды, °С: для изделий, устанавливаемых снаружи или в кабине, а также для изделий, которые должны работать до предпускового подогрева: рабочие предельные для изделий, устанавливаемых на двигателе и в моторном отсеке и включаемых только после предпускового подогрева Относительная влажность воздуха для всех изделий при температуре (40±2)°С, % Минимальное атмосферное давление для изделий, кПа (на высоте 4000 м над уровнем моря) ’ - температура для изделий выбирается из приведенного ряда и устанавливается в стандартах или технических условиях на изделия. ** - в скобках указаны температуры для изделий, разработанных до 09.01.88 г. Таблица 1.2. Допустимые вибрационные и ударные нагрузки для изделий автомобильного электрооборудования Наименование Частота вибрации, Максимальное Продолжи изделий нагрузки ускорение тельность испытаний периодических ТИПОВЫХ замедление) испытаниях испытаниях Изделия, уста Вибрационная навливаемые на двигателе Ударная 100 ударов Остальные Вибрационная изделия Ударная 1000 ударов Таблица 1.3. Допустимые тепловые нагрузки электрических машин и аппаратов длительного режима работы Наименование частей Допустимые превышения температуры, электрических машин и для классов изоляционных материалов аппаратов Обмотки генераторов и электродвигателей Коллекторы и контактные кольца Обмотки реле различного назначения Изделия электрооборудования должны быть совместимы между собой и внешней средой и сохранять работоспособность в условиях электромагнитного воздействия в соответствии с данными табл. 1.4 и 1.5. Изоляция обмоток и токоведущих деталей изделий электрооборудования относительно корпуса должна выдерживать без повреждений в течение 1 мин Таблица 1.4. Параметры импульсных напряжений в аномальных режимах (срабатывание предохранителей, пуск двигателя от посторонних источников, при отключении аккумуляторной батареи и т.п.) Номинальное напряжение, В Уровень напряжения (мгновенные значения), В, не более, при различной длительности 0,3 мкс 150*/—20 *- в числителе максимальные, а в знаменателе минимальные значения. Таблица 1.5. Параметры импульсных напряжений бортовой сети в нормальных режимах эксплуатации Номинальное напряжение, В Уровень напряжения (мгновенные значения), В, не более, при различной длительности 0,3 мкс * - в числителе максимальные, а в знаменателе минимальные значения. воздействие синусоидального переменного напряжения частотой 50 Гц, действующие значения которого указаны в табл. 1.6. Степень искрения (класс коммутации) по шкале ГОСТ 183-74 должна быть не более 1,5 для электрических машин продолжительного режима работы, не более 2 для электрических машин повторно-кратковременного перемежающегося и кратковременного режима работы (продолжительностью 5 мин и выше) и не более 3 для электрических машин кратковременного режима работы продолжительностью 3 мин и менее. Изделия автотракторного электрооборудования должны работать в однопроводной схеме, в которой с корпусом машины («массой») соединен отрицательный полюс системы. Допускается применение изделий, у которых от корпуса изолированы оба полюса. Электрооборудование должно быть защищено от проникновения посторонних тел, пыли, грязи, брызг воды, и при этом надежно и безотказно работать в течение требуемого срока службы. Защита от коррозии должна осуществляться лакокрасочными, гальваническими, химическими покрытиями или их сочетаниями. Надежность изделий электрооборудования характеризуется: для ремонтируемых или неремонтируемых изделий - гамма-процентной безотказностью и средней наработкой (в километрах пробега автомобиля, часах работы двигателя, числе включений) или интенсивностью отказов; только для ремонтируемых изделий дополнительным показателем долговечности - гамма-процентным ресурсом. Направления вращения валов изделий электрооборудования определяются следующим образом: для электрических машин с одним выходящим концом вала (стартер, электродвигатель, генератор, датчик спидометра) - со стороны приводного конца вала; Таблица 1.6. Электрическая стойкость изоляции Напряжение (действующее значение), В Наименование деталей изделий
1.    Обмотки электрических машин и аппаратов, токоведущие детали этих изделий, обмотки контрольно-измерительных приборов и их датчиков, токоведущие детали коммутационной аппаратуры, работающие е главных цепях или в цепях, содержащих индуктивность, элементы цепей низкого напряжения аппаратов зажигания, звуковых сигналов 22000
2.    Обмотки и токоведущие детали электродвигателей с электромагнитным возбуждением 3.    Токоведущие детали коммутационной аппаратуры (за исключением указанных в п. 1), установочных изделий, осветительных и светосигнальных приборов 4.    Токоведущие детали и элементы цепей высокого напряжения систем зажигания для распределителей зажигания - со стороны кулачка прерывателя; для электрических машин с двумя выходящими концами вала - специально указывается в технической документации на изделия. Для электрических машин и аппаратов зажигания предпочтительно применение вращения по часовой стрелке. Для снижения уровня радиопомех применяются следующие помехоподавляющие устройства: неэкранированные или экранированные наконечники искровых свечей зажигания; высоковольтные провода с распределенным сопротивлением; фильтры подавления радиопомех; помехоподавительные резисторы в роторах распределителей или в искровых свечах зажигания. 1.3.    Номинальные параметры Номинальные параметры изделий автомобильного электрооборудования (мощность, сила тока, напряжение и т.д.) устанавливаются при нормальных значениях климатических факторов внешней среды: температура окружающего воздуха (25±10)°С; атмосферное давление 630-800 мм рт. ст. Значение номинального напряжения потребителей электроэнергии принимается из ряда 6; 12; 24 В (определяется номинальным напряжением аккумуляторной батареи), а генераторов - 7; 14; 28 В. Номинальные значения параметров для источников и потребителей тока, работающих до начала движения автомобиля, устанавливают при номинальном напряжении. Номинальные значения параметров для потребителей тока, работающих только при движении автомобиля, устанавливают при напряжениях 6,7; 13,5 или 27 В. Потребители электроэнергии, работающие при движении автомобиля, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжении в диапазоне 90-125% от установленного для них номинального напряжения. 1.4.    Условные обозначения изделий электрооборудования Для изделий автотракторного электрооборудования используется цифровое обозначение вида 0000.0000, где первые два знака соответствуют порядковому номеру модели (первая модель - 11, вторая модель - 12 и т.д.), третий знак -модификации изделия, четвертый - исполнению (табл. 1.7), четыре знака после точки указывают на номер типовой подгруппы (табл. 1.8). Пример: 133.3701 - третья базовая модель, третья модификация базовой модели генератора. Цифровой код обозначения Исполнение Для холодного климата 0002.00СЮ Общеклиматическое исполнение Для умеренной климатической зоны Экспортное исполнение Тропическое исполнение Для изделий, предназначенных на экспорт в страны с холодным климатом Для изделий общеклиматического исполнения, предназначенных на экспорт Таблица 1.8. Обозначение некоторых типовых подгрупп изделий электрооборудования, применяемых на отечественных автомобилях Номер подгруппы Изделие Г енератор Реле-регулятор (регулятор напряжения) Аккумуляторная батарея Провода и свечи зажигания Стартер и выключатель стартера Переключатели Выключатели Подфарники и передние указатели поворотов Патроны ламп Плафоны внутреннего освещения Лампы (переносная и подкапотная) Задние фонари (сигнальные и осветительные) Фонари освещения номерного знака Выключатели сигнала торможения Звуковые сигналы Предохранители электрических цепей Соединители электропроводов (панели, штепсельные розетки и пр.) Электропровода Продолжение табл. 1.8. Номер подгруппы Изделие Указатели поворотов Магнето Электродвигатели Выключатели «массы» Свечи накаливания Электрооборудование пусковых подогревательных и отопительных устройств Реле различного назначения Преобразователи напряжения Спидометры Фонари контрольных ламп Щитки приборов Приемники указателей топлива Приемники указателей температуры Приемники указателей давления Приемники указателей давления масла Указатели тока Указатели напряжения Счетчики моточасов Датчики указателей уровня топлива Датчики указателей температуры Датчики указателей давления Датчики температуры блока цилиндров двигателя Приборы и средства сигнализации Сигнализаторы температуры Стеклоочистители Стеклоомыватели ГЛАВА 2 Аккумуляторные батареи 2.1. Назначение и условия эксплуатации Автомобильная аккумуляторная батарея предназначена для электроснабжения стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания и других потребителей электроэнергии при неработающем генераторе или недостатке развиваемой им мощности. Работая параллельно с генераторной установкой, батарея устраняет перегрузки генератора и возможные перенапряжения в системе электрооборудования в случае нарушения регулировки или при выходе из строя регулятора напряжения, сглаживает пульсации напряжения генератора, а также обеспечивает питание всех потребителей в случае отказа генератора и возможность дальнейшего движения автомобиля за счет резервной емкости. Наиболее мощным потребителем энергии аккумуляторной батареи является электростартер. В зависимости от мощности стартера и условий пуска двигателя сила тока стартерного режима разряда может достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Сила тока стартерного режима разряда резко возрастает при эксплуатации автомобилей в зимний период (пуск холодного двигателя). Батарея на автомобиле входит в состав не только системы электростартерного пуска, но и других систем электрического и электронного оборудования. После разряда на пуск двигателя и питание других потребителей батарея подзаряжается от генераторной установки. Частое чередование режимов разряда и заряда (циклирование) - одна из характерных особенностей работы батарей на автомобилях. При большом разнообразии выпускаемых моделей автомобилей и климатических условий их эксплуатации, в массовом производстве батарей наряду с определением оптимальных экономических параметров должное внимание уделяется их унификации, повышению надежности и сроков службы. Надежность и срок службы аккумуляторных батарей находятся в прямой зависимости от технического уровня их конструкций и условий работы на автомобиле. Обычно аккумуляторные батареи на автомобилях после пуска двигателя работают в режиме подзаряда и сконструированы таким образом, чтобы развивать достаточную мощность в кратковременном стартерном режиме разряда при низких температурах. Однако на некоторых видах автомобилей, где установлено электро- и радиооборудование повышенного энергопотребления, аккумуляторные батареи могут подвергаться длительным разрядам токами большой силы. Батареи на таких автомобилях должны быть устойчивы к глубоким разрядам. Условия, в которых работает аккумуляторная батарея, зависят от типа, назначения, климатической зоны эксплуатации автомобиля, а также от места установки ее на автомобиле. Режимы работы аккумуляторной батареи на автомо- биле определяются температурой электролита, уровнем вибрации и тряски, периодичностью, объемом и качеством технического обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и продолжительностью разряда и заряда при циклировании, уровнем надежности и исправности электрооборудования, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации. Наибольшее влияние на работу аккумуляторных батарей оказывают место размещения и способ крепления батарей на автомобиле, интенсивность и регулярность эксплуатации автомобиля (среднесуточный пробег), температурные условия эксплуатации (климатический район, время года и суток), назначение автомобиля, соответствие характеристик генераторной установки, аккумуляторной батареи и потребителей электроэнергии. 2.2. Требования к стартерным аккумуляторным батареям Особенности режима работы “на электростартер" выделяют автомобильные аккумуляторные батареи в особый класс стартерных батарей. Высокая электродвижущая сила и малое внутреннее сопротивление обусловили широкое применение на автомобилях стартерных свинцовых аккумуляторных батарей. Учитывая сложные условия работы, к автомобильным аккумуляторным батареям предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает их высокую эксплуатационную надежность. В перечне этих требований высокая механическая прочность, работоспособность в широком диапазоне температур и разрядных токов, малое внутреннее сопротивление, небольшие потери энергии при длительном бездействии (малый саморазряд), необходимая емкость при небольших габаритных размерах и массе, достаточный срок службы, малые затраты труда и средств на техническое обслуживание. Батареи должны иметь достаточный запас энергии для осуществления надежного пуска двигателя при низких температурах, для питания потребителей электроэнергии на автомобиле в случае выхода из строя генераторной установки, а также для других нужд, возникающих в аварийных ситуациях. Батареи обычной конструкции и с общей крышкой должны быть механически прочными при испытании в следующем режиме: ускорение, м/с2 ......................................147 (15д) длительность импульсов, мс (только в вертикальном направлении).......................2-15 общее число ударов, тыс....................................10 ориентировочное число ударов в минуту....................40-80 После испытаний батареи должны иметь нормированную продолжительность стартерного разряда, не должны иметь поврежденных деталей и следов электролита на своей поверхности. Необслуживаемые батареи и батареи с общей крышкой должны быть вибро-прочными при кратковременном испытании при ускорении 5д с частотой до 30 Гц. Вибрационная нагрузка в местах установки аккумуляторных батарей не должна превышать 1,5д (ускорение 14,7 м/с2) в диапазоне частот до 60 Гц. Допускается кратковременная вибрационная нагрузка 5д (ускорение 49 м/с2) с ориентировочной частотой до 30 Гц. Аккумуляторные батареи должны выдерживать испытание на герметичность на выводах и в стыках мвжду моноблоком и крышками при давлении, повышенном или пониженном на (20±1,33) кПа по сравнению с нормальным атмосферным. Герметизирующие материалы должны быть стойкими к воздействию температур в пределах от -40 до 160°С, а сварные швы - в пределах от -50 до 60°С. Полная герметичность аккумуляторных батарей с решетками электродов из свинцово-сурьмянистых сплавов невозможна вследствие выделения газов как во время работы, так и при хранении. Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи должны быть работоспособными при температуре окружающего воздуха от - 40 до 60°С (батареи обычной конструкции) и от -50 до 60°С (батареи с общей крышкой и необслуживаемые). Рабочая температура электролита не должна превышать 50°С. Следует обеспечить свободный доступ к аккумуляторной батарее для осмотра и технического обслуживания. Техническое обслуживание батареи должно быть минимальным по объему, не требовать от водителей и обслуживающего персонала высокой квалификации (специальной подготовки), использования сложного и дорогостоящего оборудования. Важное требование к стартерным аккумуляторным батареям - минимальное внутреннее сопротивление и внутреннее падение напряжения при больших токах разряда в стартерном режиме. Батареи должны выдерживать кратковременные разряды стартерными токами большой силы без разрушения пластин и ухудшения характеристик при дальнейшей эксплуатации. Срок службы стартерных аккумуляторных батарей должен быть близким или кратным срокам межремонтного пробега автомобиля. 2.3. Принцип работы свинцового аккумулятора Свинцовые аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока, которые могут использоваться многократно. Активные материалы, израсходованные в процессе разряда, восстанавливаются при последующем заряде. Химический источник тока представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Восстановитель (отрицательный электрод) электрохимической системы в процессе токообразующей реакции отдает электроны и окисляется, а окислитель (положительный электрод) восстанавливается. Электролитом, как правило, является жидкое химическое соединение, обладающее хорошей ионной и малой электронной проводимостью. В свинцовом аккумуляторе в токообразующих процессах участвуют двуокись свинца (диоксид свинца) РЬС>2 (окислитель) положительного электрода, губчатый свинец РЬ (восстановитель) отрицательного электрода и электролит (водный раствор серной кислоты H2SO4). Активные вещества электродов представляют собой относительно жесткую пористую электронопроводящую массу с диаметром пор 1,5 мкм у РЬС>2 и 5-10 мкм у губчатого свинца. Объемная пористость активных веществ в заряженном состоянии - около 50%. Часть серной кислоты в электролите диссоциирована на положительные ионы водорода Н* и отрицательные ионы кислотного остатка S042 . Губчатый свинец при разряде аккумулятора выделяет в электролит положительные ионы двухвалентного свинца РЬ2*. Избыточные электроны отрицательного электрода по внешнему участку замкнутой электрической цепи перемещаются к положительному электроду, где восстанавливают четырехвалентные ионы свинца РЬ4* до двухвалентного свинца РЬ2*. Положительные ионы свинца РЬ2* соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SC>42-, образуя на обоих электродах сернокислый свинец PbS04 (сульфат свинца). При подключении аккумулятора к зарядному устройству электроны движутся к отрицательному электроду, нейтрализуя двухвалентные ионы свинца РЬ2*. На электроде выделяется губчатый свинец РЬ. Отдавая под влиянием напряжения внешнего источника тока по два электрона, двухвалентные ионы свинца РЬ2* у положительного электрода окисляются в четырехвалентные ионы РЬ4*. Через промежуточные реакции ионы РЬ4* соединяются с двумя ионами кислорода и образуют двуокись свинца РЬ02- Химические реакции в свинцовом аккумуляторе описываются уравнением: разряд РЬ02 + 2H2S04 + РЬ ..... >» 2PbS04 + 2Н20. заряд Содержание в электролите серной кислоты и плотность электролита уменьшаются при разряде и увеличиваются при заряде. По плотности электролита судят о степени разряженности свинцового аккумулятора: 100(р3 -Р25) ДСР= Рз-Рр ’ где ДСр - степень разряженности аккумулятора, %; р3 и рр - плотность электролита соответственно полностью заряженного и полностью разряженного аккумулятора при температуре 25°С, г/см2; р25 - измеренная плотность электролита, приведенная к температуре 25°С, г/см3. Расход кислоты у положительных электродов больше, чем у отрицательных. Если учитывать количество воды, образующейся у положительных электродов, то количество кислоты, необходимое для них в течение разряда, в 1,6 раза больше, чем для отрицательных. При разряде происходит незначительное увеличение объема электролита, а при заряде - уменьшение (около 1 см3 на 1 А ч). На 1 А-ч электрической емкости расходуется: при разряде - свинца 3,86 г, диоксида свинца 4,44 г, серной кислоты 3,67 г, а при заряде - воды 0,672 г, сульфата свинца 11,6 г. 2.4. Устройство и конструктивные схемы батарей Различные типы стартерных аккумуляторных батарей имеют свои конструктивные особенности, однако в их устройстве много общего. По конструктивно - Рис. 2.1. Аккумуляторные батареи: а-в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; б, в, г-с межэлементными перемьнками через перегородки: 1    - опорные призмы моноблока; 2    - моноблок 3 - полублок отрицательных электродов; 4 - баретка; 5 - пробка; 6 - межэпементная перемычка; 1 - крышка; 8 - полюсный вывод; 9 - сепаратор; 10 - борн; 11 - мостик; 12 - полублок положительных электродов; 13 - перегородка моноблока: 14    - индикатор уровня электролита: 15    - положительный электрод: 16    - отрицательный электрод; 17    - выступ моноблока; 18 - ручка; 19-планка функциональному признаку выделяют батареи: обычной конструкции - в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементными перемычками над крышками; батареи в моноблоке с общей крышкой и межэлементными перемычками под крышкой; батареи необслуживаемые - с общей крышкой, не требующие ухода в эксплуатации. Свинцовый аккумулятор, как обратимый химический источник тока, состоит из блока разноименных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Стартерная батарея в зависимости от требуемого напряжения содержит несколько последовательно соединенных аккумуляторов. В стартерных батареях собранные в полублоки 3 и 12 (рис 2.1) положительные 15 и отрицательные 16 электроды (пластины) аккумуляторов размещены в отдельных ячейках моноблока (корпуса) 2. Разнополярные электроды в блоках разделены сепараторами 9.
Батареи обычной конструкции выполнены в моноблоке с ячеечными крышками 7. Заливочные отверстия в крышках закрыты пробками 5. Межэ-лементные перемычки 6 расположены над крышками. В качестве токоотво-дов предусмотрены полюсные выводы 8. Кроме того, в батарее может быть размещен предохранительный щиток. В конструкции батареи предусматривают и дополнительные крепежные детали. Ц„. L..1 Х_ !-Г— -Т-Г 1 I 1
Электроды Электроды в виде пластин намазно-го типа имеют решетки, ячейки которых заполнены активными веществами. В полностью заряженном свинцовом аккумуляторе диоксид свинца положительного электрода имеет темно-коричневый цвет, а губчатый свинец отрицательного электрода - серый цвет.
Решетки электродов выполняют функции подвода тока к активному веществу и механического удержания активного вещества. Решетки электродов имеют рамку 2 (рис 2.2), вертикальные ребра и горизонтальные жилки 4, ушки 1 и по две опорные ножки 3 (кроме решеток отрицательных электродов необслуживаемых батарей). Ребра могут быть и наклонными. Профиль ребер и жилок обеспечивает легкое извлечение решетки из литейной формы. Горизонтальные жилки по толщине обычно меньше вертикальных ребер и располагаются в шахматном порядке. Рамка, как правило, намного массивнее жилок. Рис. 2.2. Решетки аккумуляторных электродов: а, б - соответственно отрицательных и положительных электродов необслуживаемых батарей; в, г - соответственно отрицательных и положительных электродов традиционных батарей; /1 - с металлической освинцованной сеткой; 1 - ушко; 2 - рамка; 3 - ножки; 4 - вертикальные ребра и горизонтальные жилки
Освинцованная сетка металлической решетки с увеличенной поверхностью (рис. 2.2, д) имеет лучшее сцепление с активным веществом электрода, уменьшая действие коррозии и увеличивая срок службы батареи. Решетка электрода должна обеспечивать равномерное распределение тока по всей массе активных материалов, поэтому имеет форму, близкую к квадратной. Толщина решеток электродов выбирается в зависимости от режимов работы и установленного срока службы аккумуляторной батареи. Решетки отрицательных электродов имеют меньшую толщину, так как они в меньшей степени подвержены деформации и коррозии. Масса решетки составляет до 50% массы электрода. Решетки электродов изготавливают методом литья из сплава свинца и сурьмы с содержанием сурьмы от 4 до 5% и добавлением мышьяка (0,1-0,2%). Сурьма увеличивает стойкость решетки против коррозии, повышает ее твердость, улучшает текучесть сплава при отливке решеток, снижает окисление решеток при хранении. Добавка мышьяка снижает коррозию решеток. Однако сурьма оказывает каталитическое воздействие на электролиз воды, содержащейся в электролите, снижая потенциалы разложения воды на водород и кислород до рабочих напряжений генераторной установки. Наличие сурьмы в решетках положительных пластин приводит в процессе эксплуатации батареи к переносу части сурьмы на поверхность активной массы отрицательных пластин и в электролит, что сказывается на повышении потенциала отрицательной пластины и понижении электродвижущей силы (ЭДС) в процессе эксплуатации. При постоянном напряжении генератора понижение ЭДС батареи приводит к повышению зарядного тока, расходу воды и обильному газовыделению. Для снижения интенсивности газообразования решетки электродов для необслуживаемых аккумуляторных батарей изготавливают из свинцово-кальциево-оловянистых или малосурьмянистых (до 2,5% сурьмы) сплавов. Содержание 0,05-0,09% кальция, 0,5-1% олова, а также добавление 1,5% кадмия обеспечивают повышение напряжения начала газовыделения до 2,45 Вив 15-17 раз снижает потерю воды от электролиза. Это позволяет контролировать и корректировать уровень электролита в необслуживаемой батарее не чаще одного раза в год. Отсутствие выделений взрывоопасных смесей водорода и кислорода облегчает задачу утепления и обогрева батарей. Ячейки решеток электродов заполнены пористым активным веществом (пастой). Основой пасты электродов является свинцовый порошок, замешиваемый в водном растворе серной кислоты. С целью увеличения прочности активного вещества в пасту для положительных электродов добавляют полипропиленовое волокно. Уплотнение активного вещества отрицательных электродов в процессе эксплуатации предотвращается благодаря добавлению в пасту расширителей (сажа, дубитель БНФ, гумматы, получаемые из торфа и т.д.) в смеси с сернокислым барием. Тестообразную пасту вмазывают в решетки электродов. После намазки, прессования и сушки электроды подвергают электрохимической обработке (формированию). Пористая структура активного вещества после формирования электродов обеспечивает лучшее проникновение электролита в глубинные слои и повышает коэффициент использования активных материалов. Активная поверхность пористого вещества (поверхность, непосредственно контактирующая с электролитом) в сотни раз превышает геометрическую поверхность электрода. Рис. 2.3. Крепление блока электродов к баретке с помощью полиуретана: 7 - баретка; 2 - полиуретан; 3 - блок электродов
Отрицательные и положительные электроды с помощью бареток соединяют в полублоки. Баретки имеют мостики, к которым своими ушками привариваются решетки электродов и выводные штыри (борны). Борны являются токоотводами полублоков пластин. Мостики обеспечивают необходимый зазор между электродами. Число параллельно соединенных электродов в полу-блоках увеличивается с возрастанием номинальной емкости аккумулятора. Полублоки объединены в блоки электродов. В зависимости от предъявляемых к батарее требований соотношение между количеством положительных и отрицательных электродов может быть различным, однако число разнополярных электродов отличается не более чем на единицу. Число отрицательных электродов в блоках на один больше, чем положительных. В токообразующих реакциях участвует относительно большее количество активного вещества положительных электродов. Находясь между двумя отрицательными электродами, положительный электрод при заряде и разряде меньше деформируется. При таком счете пластин положительные электроды, как правило, на 10-20% толще отрицательных, а крайние отрицательные электроды имеют толщину на 40% меньше положительных. В некоторых батареях количество разнополярных электродов одинаково или больше числа положительных электродов. В этих случаях электроды имеют одинаковую толщину. Электродный блок с большим числом положительных пластин имеет меньшую материалоемкость. В некоторых конструкциях батарей блок электродов (рис. 2.3) дополнительно крепится к баретке 1 с помощью полиуретана 2, что значительно повышает стойкость батареи к вибрации. Сепараторы Электроды в блоках разделены сепараторами. Сепараторы предотвращают короткое замыкание между разнополярными электродами, обеспечивают необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита в междуэлект-родном пространстве и предотвращают возможность переноса электролита от одного электрода к другому. Кроме того, сепараторы фиксируют зазор между электродами и исключают вероятность их сдвига при тряске и вибрации. Качество сепараторов оказывает существенное влияние на работу свинцового аккумулятора. От омического сопротивления сепараторов зависит внутреннее падение напряжения в батарее и уровень напряжения на выводах электростартера. Сепараторы замедляют оплывание активного вещества положительных электродов и скорость сульфатации отрицательных электродов, продлевая срок службы батареи. Сепараторы должны обладать высокой пористостью, достаточной механической прочностью, кислотостойкостью, эластичностью, минимальной гигроскопичностью при длительном хранении батареи в сухозаряженном состоянии и сохранять свои свойства в широком диапазоне температур. Электросопротивление сепаратора, пропитанного электролитом, должно быть минимальным по отношению к сопротивлению такого же по объему и геометрическим размерам слоя электролита. Для массовых автомобильных батарей важна также дешевизна и доступность сырья, простота изготовления. В свинцовых аккумуляторах применяют сепараторы из мипора, мипласта, по-ровинила, пластипора и винипора (табл. 2.1). В стартерных свинцовых аккумуляторных батареях устанавливают сепараторы из мипора и мипласта. Мипор (микропористый эбонит) получают в результате вулканизации смеси натурального каучука с силикагелем и серой. К недостаткам сепараторов из мипора относятся хрупкость, малая скорость пропитки электролитом, дефицит- Таблица 2.1. Показатели сепараторов свинцовых аккумуляторов из разных материалов Показатель Мипор Мипласт Пластипор Поровинил Винипор Объемная пористость, % Максимальный диаметр пор, мкм Средний диаметр пор, мкм Относительное электросопротивление Коэффициент извилистости пор * Сопротивление разрыву, Н/см2 более 220 Эластичность Хрупкий Удовлетво Эластичен Весьма изгибе рительно эластичен ломается эластичен * - коэффициент извилистости пор показывает, во сколько раз средняя длина пор больше, чем толщина сепаратора. ность сырья и большая стоимость. Мипласт или микропористый полихлорвинил изготовляют из полихлор-виниловой смолы путем спекания. Рис. 2.4. Сепараторы свинцовых стартерных аккумуляторных батарей: а-из мипора; 6-из мипласта; в - полиэтиленовый
Технологический процесс изготовления сепараторов из мипласта проще, сырье менее дефицитно. Мипласт быстро пропитывается электролитом, обладает низким относительным электросопротивлением и достаточной механической прочностью. Имея меньшую пористость и больший диаметр пор по сравнению с мипором, мипласт менее стоек к образованию токопроводящих мостиков между электродами. Срок службы аккумуляторных батарей с сепараторами из мипласта меньше. Рис. 2.5. Сепаратор-конверт: а - размещение электрода в сепараторе-конверте; б - сечение сепаратора-конверта с электродом; 1 - положительный электрод; 2 - сепаратор; 3 - ребра сепаратора; Т - расстояние между ребрами сепаратора
Сепараторы из мипора и мипласта не должны иметь влажность более 2%, а также сквозных микроотверстий, которые можно обнаружить при просвечивании электрической лампой мощностью 100 Вт, расположенной на расстоянии 100 мм от сепаратора. Механическую прочность сепаратора оценивают по сопротивлению на разрыв, по способности выдерживать изгиб вокруг валика диаметром 60 мм (сепараторы из мипора) и диаметром 45-60 мм (сепараторы из мипласта). Сепараторы из мипора и мипласта представляют собой тонкие (1-2 мм) прямоугольные пластины с трапецие-дальными, круглыми или овальными вертикальными выступами (рис. 2.4), которые обращены к положительному электроду для лучшего доступа к нему электролита. Небольшие ребра высотой 0,15-0,2 мм со стороны, обращенной к отрицательному электроду, сни- _ жают вероятность «прорастания» сепаратора, улучшают условия диффузии и конвекции электролита около отрицательного электрода. Размеры сепараторов из мипора и мипласта на 3-5 мм по ширине и на 9-10 мм по высоте больше, чем у электродов. Это исключает появление токопроводящих мостиков по торцам пластин и сепараторов. В необслуживаемых батареях применяют пленочные сепараторы и сепараторы-конверты (рис. 2.5), образуемые двумя сваренными с трех сторон пластиковыми сепараторами. Рис, 2.6. Схемы расположения электродов в аккумуляторных батареях: а - обычных; 6 - необслуживаемых; 1 - блок электродов; 2 - вывод; 3 - пробка; 4 - уровень электролита; 5 - призмы моноблока; b - высота слоя электролита над пластинами в ячейках моноблока
При установке в сепаратор-конверт одного из аккумуляторных электродов, например, отрицательного, замыкание электродов разноименной полярности шламом исключается. Это позволяет устанавливать блоки электродов непосредственно на дно моноблоков без призм и шламового пространства. При сохранении высоты батареи можно более чем в 2 раза увеличить высоту h (рис 2.6) слоя электролита над электродами в ячейках моноблока и, следовательно, ту часть объема электролита, которая может быть израсходована в период эксплуатации между очередными добавками дистиллированной воды. При исправном электрооборудовании и отсутствии нарушений в эксплуатации необходимость в добавлении воды в батарею может возникнуть не чаще 1 раза в 12 года. Моноблоки. Крышки. Пробки Моноблоки стартерных аккумуляторных батарей изготавливают из эбонита или другой пластмассы. Тяжелые и хрупкие моноблоки из эбонита в настоящее время заменяются моноблоками из термопласта (наполненного полиэтилена), полипропилена и полистирола. Высокая прочность полипропилена позволила уменьшить толщину стенок до Рис. 2.7. Моноблок батареи обычной конструкции с ячеечными крышками: 1- опорные призмы; 2 - перегородка; 3 - выступы-пилястры; 4 - моноблок
1,5-2,5 мм и тем самым уменьшить массу моноблока и батареи. Тонкие стенки моноблока из полипропилена делают более жесткими за счет рационального выбора конструктивных форм моноблоков. Достаточная прозрачность полипропилена упрощает контроль уровня электролита в батарее. Внутри моноблок разделен прочными непроницаемыми перегородками 2 (рис. 2.7) на отдельные ячейки по числу аккумуляторов в батарее. В ячейках моноблока размещают собранные в блоки электроды и сепараторы. В батареях с обычными сепараторами на дне каждой ячеики предусмотрены четыре призмы 1, образующие пространство для шлама (активных веществ электродов, осыпающихся при работе батареи на дно ячеек). На опорные призмы своими ножками устанавливают электроды (разноименные электроды на свои две призмы), что исключает их короткое замыкание шламом. На перегородках моноблока предусмотрены вертикальные выступы (пилястры) 3 для лучшей циркуляции электролита у электродов, прилегающих к перегородкам. При использовании эбонита для изготовления моноблока, крышки и других корпусных деталей, масса их достигает 15-18% от полной массы аккумуляторной батареи. Кроме того, эбонит отличается повышенной хрупкостью при низких (отрицательных) температурах. Достаточная механическая прочность моноблока из эбонита достигается лишь при толщине стенок до 9-12 мм. Соответственно, при большой толщине стенок масса эбонитового моноблока доходит до 5-12 кг. Рис. 2.8. Крышки для отдельной аккумуляторной ячейки моноблока: 1 - отверстие для вывода борна; 2 - свинцовая втулка; 3 - отверстие для заполнения ячейки моноблока электролитом (заливочная горловина), 4 - вентиляционное отверстие
Рис. 2.9. Соединение общей крышки с моноблоком ттодом контактно-тепловой сварки: а - установка крышки на батарею; б - контактный разогрев свариваемых поверхностей; в - вид готового сварного соединения; 1 - моноблок; 2 - разогреваемая для сварки часть моноблока; 3 - разогреваемая для сварки часть крышки; 4 - общая крышка; 5 - электродный блок; 6 - разогретый электрод; 7 - место сварки
Применение морозоустойчивого полипропилена (сополимера пропилена с этиленом), дало возможность при сохранении достаточной механической прочности при отрицательных температурах существенно уменьшить массу моноблока (более чем в 5 раз). Толщина стенок моноблоков из пластмасс уменьшилась до 1,5-3,5 мм. В каждом аккумуляторе батареи, кроме необслуживаемых, устанавливают перфорированные предохранительные щитки из эбонита или пластмассы. Они предохраняют верхние кромки пластин и сепараторов от повреждений при измерении плотности, температуры и уровня электролита. Крышки из эбонита или пластмассы различного конструктивного исполнения могут закрывать отдельные аккумуляторные ячейки (рис. 2.8). Наиболее распространена конструкция крышки с двумя крайними отверстиями для вывода борнов блоков электродов и одним средним резьбовым отверстием для заливки электролита в аккумуляторные ячейки и контроля его уровня. В крайние отверстия отдельных крышек запрессованы свинцовые втулки. В местах стыка отдельных крышек со стенками моноблока эбонитовые аккумуляторные батареи герметизируются битумной мастикой. Мастика должна быть химически стойкой и эластичной, иметь низкую температуру плавления, при температурах от -40 до 60'С не должна отставать от стенок моноблока и крышек, разрываться и трескаться. Общие крышки из пластмассы приваривают или приклеивают к моноблокам (рис 2.9). Контактно-тепловая сварка пластмассового моноблока и общей крышки обеспечивает надежную герметизацию во всем диапазоне температур окружающей среды, на который рассчитана эксплуатация аккумуляторной батареи. Такой способ соединения общей крышки с пластмассовым моноблоком применен в батарее 6СТ-190А для тяжелых грузовиков с дизелями. Заливочные отверстия в крышках унифицированы по группам с метрической резьбой М20, М24 и МЗО и закрываются пробками с вентиляционными отверсти- Рис. 2.10. Пробки аккумуляторных батарей: а, б, в -с резьбой; г - блок безрезьбовых пробок; 1 - корпус пробки; 2 - прилив вентиляционного отверстия; 3 - резиновая шайба; 4 - отражатель; 5 - конусный бортик; 6 - пластмассовый уплотнительный элемент; 7 - лепестковый отражатель; 8 - пластмассовая планка; 9 - безразьбовые пробки ями. Пробки изготавливают из эбонита, полиэтилена, полистирола или феноли-та. Пластмассовые пробки имеют меньшую массу и большую прочность. Чтобы предотвратить вытекание электролита, между уплотнительным бортиком корпуса пробки 1 (рис. 2.10) и заливной горловиной крышки устанавливают резиновую шайбу 3. Герметизация может обеспечиваться также конусным бортиком 5, плотно прилегающим к горловине отверстия в крышке. В новых пробках предусмотрен пластмассовый уплотнительный элемент 6, распложенный на бортике пробки. Пробки имеют встроенные отражатели 4 и 7, которые не позволяют электролиту выплескиваться через вентиляционные отверстия. В пробках новой конструкции отражатель 7 выполнен в виде лепестков. Для хранения в герметичном состоянии в сухозаряженных батареях над вентиляционным отверстием пластмассовой пробки предусмотрен глухой прилив 2. При вводе батареи в эксплуатацию прилив пробки срезается. Электролит через вентиляционное отверстие не должен выливаться при наклоне аккумуляторной батареи от нормального рабочего положения на угол 45°. Применение общей крышки (особенно из термопластичных материалов) предоставляет широкие возможности для механизации и автоматизации производства аккумуляторных батарей, а также для конструктивных усовершенствований, позволяющих облегчить обслуживание батареи в эксплуатации. Конструк- Рис. 2.11. Стадии пайки межэлементных перемычек и втулки крышки с выводным борном блока электродов: 1 - блок электродов; 2 - выводной борн; 3 - стенка моноблока; 4 - крышка; 5 - втулка крышки; 6 - межэлементная перемычка; 7 - шаблон для пайки межэлементной перемычки
ция некоторых крышек из полипропилена обеспечивает централизованную заливку электролита в батарею и общий газоотвод.
При наличии общей крышки можно устанавливать блок пробок на несколько заливных горловин, которые располагаются выше вентиляционных отверстий. Вытекающий из залиеных горловин электролит через вентиляционные отверстия может поступать обратно в ячейки моноблока. Блок пробок может быть выполнен в виде пластмассовой планки 8 (см. рис. 2.10, г), в которую вставлено необходимое число безрезьбовых пробок 9. Пробки могут иметь некоторую свободу перемещения в планке для центрирования их с заливными горловинами. В некоторых конструкциях пробки выполняются заодно с планкой.
Межэлементные перемычки. Выводы
Для последовательного соединения аккумуляторов в батарее используют межэлементные перемычки, которые припаивают к борнам бареток полубло-ков в таком порядке, чтобы соединить между собой полублок отрицательных пластин одного аккумулятора с полублоком положительных пластин рядом расположенного аккумулятора. При соединении борна с межэлементной перемычкой к ним приваривается верхняя часть свинцовой втулки, запрессованной в крышке, чем обеспечивается надежное уплотнение отверстий в местах выхода борнов (рис. 2.11).
Межэлементные перемычки из свинцово-сурьмянистого сплава устанавливают снаружи над крышкой, через перегородки под крышкой и пропускают через отверстие в пластмассовой перегородке (рис. 2.12). На рис. 2.13 показано соединение аккумуляторов сквозь отверстие в перегородке 1 моноблока. Аккумуляторы соединяют между собой путем вдавливания металла плоских борнов 2, имеющих трапецеидальную форму. Борны располагают около отверстия в перегородке и далее с помощью пуансонов 4 в сварочных клещах часть металла борнов вдавливается в отверстия до появления электрического контак-
Ряс. 2.12. Межэлементные перемычки пккумуляторных батареи:
а - наружные над крышкой; б - внутренние над перегородкой под крышкой; в - внутренние через отверстия в перегородке; 1 - мостик баретки; 2 - перегородка моноблока; 3 - борн баретки
Рис. 2.13. Схема соединения аккумуляторов через отверстие в перемычке посредством точечной контактной электросварки:
а - исходное состояние (перед сваркой); б - выдавливание металла до создания электрического контакта; в - точечная электросварка стыка; г - готовое соединение; 1 - перегородка моноблока; 2 - борн баретки; 3 - мостик баретки; 4 - пуансоны в сварочных клещах
та между борнами соседних аккумуляторов. После появления контакта между соседними борнами в отверстии перегородки к сварочным клещам подается электрический ток для контактной сварки борнов. Описанный процесс соединения аккумуляторов через перегородки обеспечивает однородную структуру межэлементной перемычки и герметичность между аккумуляторами.
>Л*ЛМ|ШйМ
Рис. 2.14. Способ соединения аккумуляторов в батарею посредством газовой сварки и герметизации пластмассой:
а - перегородка моноблока с углублением и отверстием; б - установка в моноблок электродных блоков перед сваркой; в - установка после газовой сварки борнов соседних блоков литейной формы для герметизации пластмассой; г - вид готового соединения аккумуляторов; 1 - перегородка моноблока; 2 - углубление в перегородке для соединения борнов; 3 - стенка моноблока; 4 - отверстие в перегородке;
5    - борны-межэлементные перемычки;
6    - электроды; 7 - литейная форма для пластмассы; 8 - остаток литника
Повышенную устойчивость к механическим нагрузкам (тряска, вибрация) обеспечивает другой способ соединения аккумуляторов в батареи, применяемый при производстве батарей 6СТ-190А. Процесс осуществляется в две стадии. Перегородки 1 (рис. 2.14) моноблока имеют в верхней части углубления (пазы) 2, через которые сна- _ чала с помощью специальной литейной формы 7 место сварки борнов герметизируется пластмассой, из которой изготовлен моноблок. Вокруг соединения образуется своеобразный чехол, который служит также дополнительным упором для блока электродов 6. Укороченные межэлементные перемычки через перегородки полиэтиленовых и полипропиленовых моноблоков позволяют уменьшить внутреннее сопротивление батареи (рис. 2.15) и расход свинцового сплава. Снижение потерь напряжения на соединительных деталях позволяет иметь на 0,1-0,3 В большее напряжение на выводах батареи при ее работе в стартерном режиме. Расход свинцово-сурьмянистых сплавов снижается на батареях до 100 А-ч на 0,5-0,9 кг, а на батареях емкостью свыше 100 А-ч - на 1,5-3 кг. Стартерные Рис. 2.17. Полюсные выводы стартерных аккумуляторных батарей: а - конусные; 6-с отверстиями под болт аккумуляторные батареи с общими крышками и скрытыми межзлемент-ными перемычками становятся нере- Рис. 2.15. Зависимость омических потерь напряжения Ли от разрядного тока р при различных способах соединения аккумуляторов: 1 - над крышкой; 2 - под крышкой; 3 - через перегородку
Рис. 2.18. Токоведущие детали батареи с медными вкладышами: а - бори; б - перемычка; 1 - медный стержень борна; 2 - свинцово-сурьмянистый сплав; 3 - медная пластина перемычки
_ монтнопригодными, но это отвечает современным тенденциям, согласно которым капитальный ремонт экономически нецелесообразен. С целью уменьшения внутреннего падения напряжения в аккумуляторных батареях большой емкости борны и межэлементные перемычки выполняются в виде освинцованных стержней из меди, имеющей в 12 раз большую электропроводность по сравнению со свинцово-сурьмянистыми сплавами (рис 2.16). Поперечные сечения борнов и межэлементных перемычек автомобильных батарей выбираются из условия ограничения падения напряжения на каждом из борнов до 16 мВ и на межэлементных перемычках - до 20 мВ. К выводным борнам крайних аккумуляторов приваривают конусные полюсные выводы. Размеры выводов стандартизованы (рис. 2.17). Диаметр конуса у основания положительного вывода на 2 мм больше, чем у отрицательного. Этим исключается вероятность неправильного включения батареи в систему электрооборудования. Некоторые аккумуляторные батареи имеют полюсные выводы с отверстиями под болты или оба типа выводов. Узлы пайки и токоведущие детали батарей должны выдерживать прерывистый разряд током силой 9С20 (С20 - номинальная емкость батареи при двадцатичасовом разряде), но не выше силы разрядного тока 1700 А в течение четырех циклов. Детали крепления и переносные устройства Для удобства размещения аккумуляторных батарей на автомобилях необходима унификация их размеров по ширине и высоте, что связано с унификацией размеров электродов. В некоторых случаях необходима унификация и по длине батареи. Это позволяет без переделки посадочных мест устанавливать на автомобилях одной модели батареи разной емкости в зависимости от назначения машины и условий ее эксплуатации. В этих же целях желательно применять крепление батарей за выступы в нижней части моноблока вдоль длинной стороны для батарей емкостью до 100 А-ч и по ширине - при большей емкости. Выступы отливаются как одно целое с моноблоком или изготавливаются отдельно и соединяются с моноблоком методом контактно-тепловой сварки. Аккумуляторные батареи большой емкости снабжают ручками для переноски, прикрепленными к моноблоку с помощью специальных металлических скоб, накладок и винтов. Такая конструкция требует дополнительной оснастки для изготовления крепежных деталей переносных устройств и увеличивает трудоемкость изготовления батарей. Проще выполнить переносные устройства только с ручками, расположенными в отверстиях бортика моноблока. Ручки могут быть жесткими или гибкими, перемещаться в вертикальном направлении и поворачиваться на некоторый угол по горизонтали. Переносные устройства и места их крепления должны выдерживать нагрузку, равную двукратной массе батареи с электролитом. Рис. 2.18. Аккумуляторная батарея 6СГ-ШД: а - продольный разрез; б - поперечный разрез; 1 - крышка; 2 - мостик; 3 - мажэлеменшая перемычка; 4 - перегородка моноблока; 5 - пробка; 6 - ручка переносного устройства; 7 - моноблок; 8 - блок электродов; 9 - выступы моноблока; 10 - полюсный вывод Конструкция стартерной свинцовой аккумуляторной батареи 6СТ-190А для грузовых автомобилей с моноблоком 7, единой крышкой 1 и пробками 5 из пластических материалов, с межэлементными перемычками 3 через перегородки 4, крепежными выступами 9 в нижней части моноблока и переносным устройством с ручкой 6 приведена на рис. 2.18. Необслуживаемые батареи Термином «необслуживаемые» характеризуют стартерные аккумуляторные батареи, не требующие добавления электролита в процессе эксплуатации, обладающие высокими электрическими характеристиками и большим сроком службы по сравнению с обычными батареями. Обычные стартерные свинцовые батареи имеют достаточно высокие удельные электрические характеристики, однако обладают рядом существенных недостатков. В результате электролиза воды во время эксплуатации свинцовой батареи снижается уровень электролита, что требует периодического (1-2 раза в месяц) добавления дистиллированной воды. Электролитическое разложение воды происходит при заряде, особенно интенсивно при перезарядах. Кроме того, вода из электролита испаряется при повышенных температурах окружающей среды. Во время перерывов в эксплуатации автомобилей происходит саморазряд (постепенная потеря емкости при длительном бездействии) батареи. В сутки саморазряд может составить 0,5-0,8%. В конце срока службы суточный саморазряд батареи может возрасти до 4%. Это приводит к необходимости ежемесячного подзаряда батареи во время хранения батарей, залитых электролитом. Потребность в периодическом добавлении дистиллированной воды и подза-ряде батарей при длительном хранении увеличивает объемы обслуживания их в эксплуатации, требует дополнительных затрат на оборудование, инструмент, материалы, соответствующих производственных площадей и квалифицированного персонала. Все эти трудности с обслуживанием батарей усугубляются при длительной эксплуатации автомобилей вне парков. Срок службы свинцовых аккумуляторных батарей ограничивается в основном коррозией решеток электродов. Кроме того, электролиз воды с выделением активного кислорода способствует ускоренной коррозии решеток положительных электродов. Интенсивность электролиза электролита и сопутствующей ему коррозии решеток возрастает при перезаряде, повышении температуры и старении батареи. Следовательно, в эксплуатации необходимо принимать специальные меры для ограничения верхнего предела регулируемого напряжения генераторной установки. Следует также иметь в виду, что выделяемая при работе свинцовой аккумуляторной батареи кислородно-водородная смесь взрывоопасна, газы и пары электролита могут вызвать коррозию металлических деталей автомобиля, расположенных рядом с батареей, а вещества, образующиеся при работе батареи, например, стибин (сурьмянистый водород) - токсичны. Отмеченные недостатки, характерные для обычных (традиционных) аккумуляторных батарей, связаны с наличием 5-7% сурьмы в сплаве свинца, из которого отливаются решетки электродов. Легирование свинца сурьмой обеспечивает необходимую механическую прочность решеток, что очень важно для автомобильных батарей, работающих в условиях вибрации и тряски. Добавление 5% сурьмы более чем в 2 раза увеличивает твердость решеток и в 3-4 раза - сопротивление разрыву. Кроме сурьмы, в сплав вводится также 0,1-0,2% мышьяка. Это способствует образованию благоприятной кристаллической структуры сплава и повышает коррозионную стойкость положительных решеток электродов. Выделение водорода при газообразовании происходит на отрицательных электродах, а кислорода - на положительных. Активное газовыделение происходит в основном при заряде, а также при разряде или длительном бездействии аккумуляторной батареи. Г азовыделение в процессе разряда и при длительном бездействии связано с реакциями, вызывающими саморазряд батареи. Интенсивность газовыделения зависит от соотношения между величиной фактического напряжения на электроде и напряжением (перенапряжением), при котором начинается газовыделение. Чем больше напряжение на электроде превышает величину напряжения, при котором начинается газовыделение, тем больше выделяется водорода и кислорода. С другой стороны, на напряжение начала газовыделения оказывают влияние различные примеси, содержащиеся в решетках и активной массе пластин. Сурьма в сплаве положительных пластин способствует более интенсивному выделению кислорода, и, одновременно, электрохимическому переносу и отложению сурьмы на поверхности отрицательного электрода. Присутствие даже небольшого количества сурьмы на поверхности отрицательного электрода приводит к заметному росту выделения водорода. Снижение напряжения начала газовыделения до 14,4 В при наличии сурьмы в решетках пластин является основной причиной того, что на автомобилях при рекомендуемых уровнях регулируемого напряжения генераторных установок газовыделение начинается до того, как батарея обычной конструкции будет полностью заряжена. Появление необслуживаемых батарей стало возможным благодаря применению решеток из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов и свинцово-сурьмянистых сплавов с уменьшенным содержанием сурьмы. Необслуживаемые батареи со свинцово-кальциево-оловянистыми и малосурьмянистыми сплавами отличаются не только малыми газовыделением и саморазрядом, но и рядом других преимуществ. Эти батареи можно устанавливать в местах, не требующих удобного доступа для обслуживания. Меньше вероятность выхода их из строя вследствие коррозии решеток электродов. Батареи имеют лучшие зарядные характеристики и характеристики стартерного режима разряда. Срок эксплуатации необслуживаемых батарей без добавления электролита может достигать 400-500 тыс. км пробега автомобиля. Есть определенные трудности изготовления решеток пластин из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Кальций в процессе литья выгорает. Поэтому технологически трудно обеспечить очень малое оптимальное содержание кальция (0,06-0,09%) в сплаве. Содержание олова составляет 0,5-1 %. От содержания кальция и олова в сплаве решетки зависят ее прочностные и антикоррозионные свойства. Снижение газовыделения и улучшение механических свойств решеток из свинцово-кальциевых сплавов достигается также добавлением 1,5% кадмия. Добавлением 1,25% сурьмы в решетки пластин ограничивается образование нежелательных кристаллов древовидной формы. Из-за технологических трудностей изготовления решеток электродов из сплава свинца, кальция и олова применение нашли батареи с ограниченным объемом обслуживания на основе электродов с пониженным содержанием сурьмы в решетках. Интенсивность газовыделения существенно снижается только при уменьшении содержания сурьмы в сплаве решетки до 2,5-3%. Но уже при содержании сурьмы ниже 4% резко ухудшаются литейные свойства свинцово-сурьмянистого сплава, снижается механическая прочность решетки, возрастает скорость коррозии электродов. Для сохранения необходимых технологических и эксплуатационных свойств малосурьмянистых сплавов в них добавляют медь (0,02-0,05%), серу и селен (до 0,01 %). На литейных свойствах сплава благоприятно сказывается присадка олова (до 0,01 %). Лучшие батареи с решетками электродов с малосурьмянистыми сплавами, содержащими другие легирующие добавки, практически являются необслуживаемыми, хотя имеют несколько худшие показатели саморазряда по сравнению с батареями, в которых решетки выполнены из свинцово-кальциево-оловянистых сплавов. Такие батареи также имеют достаточно высокий срок службы и малочувствительны к глубоким разрядам. В отечественных необслуживаемых батареях по сравнению с обычными батареями содержание сурьмы в сплаве решеток электродов уменьшено в 2-3 раза. Это повысило напряжение начала выделения водорода и кислорода и обеспечило подзаряд батарей без газовыделения практически во всем диапазоне регулируемого напряжения генераторных установок автомобилей. Примерно в 5-6 раз снизилась интенсивность саморазряда батареи (до 0,08-0,1 % в сутки). Необслуживаемые батареи могут выпускаться в герметичном исполнении и не иметь пробок заливных горловин. В этом случае степень разряженности батареи нельзя определить по плотности электролита. В зимнее время возникает опасность замерзания электролита разряженной батареи. Поэтому на герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи устанавливают индикаторы заряженности. При уменьшении степени заряженности ниже определенного уровня меняется цвет видимого пятна индикатора. 2.5. Характеристики аккумуляторных батарей Электродвижущая сила ЭДС аккумулятора представляет собой разность электродных потенциалов, измеренную при разомкнутой внешней цепи. Электродный потенциал при разомкнутой внешней цепи состоит из равновесного электродного потенциала и потенциала поляризации. Равновесный электродный потенциал характеризует состояние электрода при отсутствии переходных процессов в электрохимической системе. Потенциал поляризации определяется как разность между потенциалом электрода при заряде и разряде и его потенциалом при разомкнутой внешней цепи. Электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе и при отсутствии тока после отключения на- Ш,И,в грузки от зарядного устройства. Это связано с диффузионным процессом выравнивания концентрации электролита в порах электродов и пространстве аккумуляторных ячеек. Скорость диффузии невелика, поэтому затухание переходных процессов происходит в течение нескольких часов и даже суток в зависимости от температуры электролита. Учитывая наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах, различают равновесную и неравновесную ЭДС аккумулятора. Равновесная ЭДС свинцового аккумулятора зависит от химических и физических свойств активных веществ и ________________ 1,0 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 J, г/см3 Рис. 2.19. Изменение равновесной ЭДС и электродных потенциалов свинцового аккумулятора в зависимости от плотности электролита: 1- ЭДС; 2 - потенциал положительного электрода; 3 - лотенциал отрицательного электрода
концентрации их ионов в электролите. На величину ЭДС влияет плотность электролита и очень незначительно температура. Изменение ЭДС в зависимости от температуры составляет менее 3-10-4 В/град. Зависимость ЭДС от плотности электролита в диапазоне 1,05-1,30 г/см3 выглядит в виде формулы: Е=0,84+р, где Е - ЭДС аккумулятора, В; р - приведенная к температуре 5°С плотность электролита, г/см3. С повышением плотности электролита ЭДС возрастает (рис 2.19). При рабочих плотностях электролита 1,07-1,30 г/см3 ЭДС не дает точного представления о степени разряженности аккумулятора, так как ЭДС разряженного аккумулятора с электролитом большей плотности будет выше. ЭДС не зависит от количества заложенных в аккумулятор активных материалов и от геометрических размеров электродов. ЭДС аккумуляторной батареи увеличивается пропорционально числу последовательно включенных аккумуляторов т: Еаб=тЕ. Плотность электролита в порах электродов и в моноблоке одинакова у аккумуляторов, находящихся в состоянии покоя. Этой плотности соответствует ЭДС покоя. Вследствии поляризации пластин и изменения концентрации электролита в порах электродов относительно концентрации электролита в моноблоке, ЭДС при разряде меньше, а при заряде больше ЭДС покоя. Основной причиной изменения ЭДС в процессе разряда или заряда является изменение плотности электролита, участвующего в электрохимических процессах. 33
2 Зак. 2362 Напряжение Напряжение аккумулятора отличается от его ЭДС на величину падения напряжения во внутренней цепи при прохождении разрядного или зарядного тока. При разряде напряжение на выводах аккумулятора меньше ЭДС, а при заряде больше. Разрядное напряжение Up = Е — 1рмГ= Е — Еп — /р'Го, где £п - ЭДС поляризации, В; /р - сила разрядного тока. А; г- полное внутреннее сопротивление. Ом; г0 - омическое сопротивление аккумулятора, Ом. Зарядное напряжение = Е + /3 *л= Е.+ Еп + 13'Го, где /3 - сила зарядного тока, А. ЭДС поляризации связана с изменением электродных потенциалов при прохождении тока и зависит от разности концентраций электролита между электродами и в порах активной массы электродов. При разряде потенциалы электродов сближаются, а при заряде раздвигаются. Изменением разности концентраций электролита обусловлено нелинейное снижение напряжения на начальном участке b - с (рис. 2.20) разрядной характеристики Up = f(x). При включении аккумулятора с начальной ЭДС Е0 на разряд происходит резкий спад напряжения на величину ди0 (участок а - b разрядной характеристики), равную падению напряжения на омическом сопротивлении г0. Линейному участку с - d разрядной характеристики соответствует постоянная разность концентраций электролита между электродами и в порах активной массы электродов. Уменьшение напряжения связано со снижением плотности электролита в моноблоке. На линейном участке ЭДС поляризации имеет максимальное значение ЕПт-При постоянной силе разрядного тока в единицу времени расходуется определенное количество активных материалов. Плотность электролита уменьшается по линейному закону (рис. 2.21, а). В соответствии с изменением плотности электролита уменьшается ЭДС и напряжение аккумулятора. К концу разряда сернокислый свинец закрывает поры активного вещества Рис. 2.20. Расчетная разрядная характерного- электродов, препятствуя притоку ка свинцового аккумулятора электролита из сосуда и увеличивая __________ электросопротивление электродов.
Рис. 2.21. Характеристики свинцового аккумулятора: а - разрядная; 6 - зарядная Равновесие нарушается и напряжение начинает резко падать. Аккумуляторные батареи разряжаются только до конечного напряжения UK р, соответствующего перегибу разрядной характеристики Up=f(t). Разряд прекращается, хотя активные материалы израсходованы не полностью. Дальнейший разряд вреден для аккумулятора и не имеет смысла, так как напряжение становится неустойчивым. После отключения нагрузки напряжение аккумулятора повышается до значения ЭДС, соответствующего плотности электролита в порах электродов. Затем в течение некоторого времени ЭДС возрастает по мере выравнивания концентрации электролита в порах электродов и в объеме аккумуляторной ячейки за счет диффузии. Возможность повышения плотности электролита в порах электродов во время непродолжительного бездействия после разряда используется при пуске двигателя. Пуск рекомендуется осуществлять отдельными кратковременными попытками с перерывами в 1-1,5 мин. Прерывистый разряд способствует также лучшему использованию глубинных слоев активных веществ электродов. В режиме заряда (рис. 2.21, б) напряжение U3 на выводах аккумулятора возрастает вследствие внутреннего падения напряжения и повышения ЭДС при увеличении плотности электролита в порах электродов. При возрастании напряжения до 2,3 В активные вещества восстанавливаются. Энергия заряда идет на разложение воды на водород и кислород, которые выделяются в виде пузырьков газа. Газовыделение при этом напоминает кипение. Его можно уменьшить за счет снижения к концу разряда величины зарядного тока. Часть положительных ионов водорода, выделяющихся на отрицательном электроде, нейтрализуются электронами. Избыток ионов накапливается на поверхности электрода и создает перенапряжение до 0,33 В. Напряжение в конце заряда повышается до 2,6-2,7 В и при дальнейшем заряде остается неизменным. Постоянство напряжения в течение 1-2 ч заряда и обильное газовыделение являются признаками конца заряда. После отключения аккумулятора от зарядного устройства напряжение пада- ет до значения ЭДС, соответствующего плотности электролита в порах, а затем снижается, пока выравниваются плотности электролита в порах пластин и в аккумуляторном сосуде. Напряжение на выводах аккумуляторной батареи при разряде зависит от силы разрядного тока и температуры электролита. Рис. 2.22. Разрядные характеристики аккумуляторных батарей: а - 6СТ-55 при температуре t=-20°C; б - 6СТ-90 при 1р=ЗС2о (270 А); в - 6СТ-190ТР при 1р=500 А
При увеличении силы разрядного тока 1р напряжение снижается быстрее (рис. 2.22, а) вследствие большей разности концентраций электролита в аккумуляторном сосуде и в порах электродов, а также большего внутреннего падения напряжения в батарее. Все зто приводит к необходимости более раннего прекращения разряда батареи. Во избежание образования на электродах крупных нерастворимых кристаллов сульфата свинца разряд батарей прекращают при конечном напряжении 1,75 В на одном аккумуляторе при 20-часовом номинальном режиме. В стартерном режиме разряда током силой ЗС20 при температуре 25°С UK р = 1,5 В, а при температуре -18°С UK р = 1 В. При понижении температуры увеличивается вязкость, удельное электросопротивление электролита и уменьшается скорость диффузии электролита из аккумуляторного сосуда в поры активных веществ электродов. Поэтому разрядные характеристики UP = f(x) проходят ниже (рис. 2.22, б, в). При температурах от -40 до -10°С сопротивление электролита в 2-3 раза больше, чем при температуре 25°С. На рис. 2.23 показано изменение напряжения U30 на 30-й секунде разряда батареи емкостью 55 А-ч с изменением силы разрядного тока. Среднее значение разрядного напряжения за время Тр ТР Рис. 2,23. Зависимость напряжения too батареи 6СТ-55ЛЗ от силы разрядного тока при различных температурах Внутреннее сопротивление tn, мОм Рис. 2.24. Зависимость сопротивления поляризации батареи 6СТ-90ЭМ от температуры электролита при различных разрядных токах
Полным внутренним сопротивлением аккумулятора принято называть сопротивление, оказываемое прохождению через аккумулятор постоянного разрядного или зарядного тока: г=го+т? = гс+гп ■ где г,7 - сопротивление поляризации- Сопротивление поляризации уменьшается с увеличение силы тока и возрастает с понижением температуры (рис. 2.24). Омическое сопротивление аккумулятора складывается из сопротивлений электродов, электролита, сепараторов, межэлементных перемычек и других токоведущих деталей. Рис. 2.25. Зависимость омического сопротивления батареи 6СТ-90ЭМ от cmnern разряженное™ ДСр при различных температурах
Сопротивление электродов и токоведущих деталей мало изменяется с изменением температуры. Рост внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи с понижением температуры (рис. 2.25) связан, в основном, с увеличением сопротивления электролита (рис. 2.26, 2.27 и табл. 2.2) и пропитанных электролитом сепараторов (рис. 2.28). При температурах от -40 до -10°С сопротивление электролита в 2-3 раза больше, чем при температуре 25°С. Рис. 2.26. Зависимость удельного сопротив ления электролита от температуры (плотность электролита при 25°С г =7,26 г/см3) Удельное электросопротивление электролита с увеличением концентрации раствора серной кислоты до определенного уровня снижается, а затем возрастает. Так, минимальное удельное электросопротивление 1,33 Ом-см при температуре 20°С наблюдается у раствора серной кислоты с концентрацией 30,6%. При дальнейшем увеличении концентрации (или плотности) восстанавливаются ионные связи, скорость диссоциации уменьшается, токопроводящих ионов становится меньше и электросопротивление электролита увеличивается. водности электролита от плотности при температуре 20°С
Начальная концентрация электролита заряженных свинцовых аккумуляторов обычно составляет 35-42%, т.е. несколько больше концентрации, при которой электросопротивление минимально. Это связано, прежде всего, с необходимостью обеспечения запаса серной кислоты, требуемого для разряда. Таблица 2.2 Удельное электросопротивление электролита при различных температурах и концентрациях серной кислоты в электролите Температура, °С Удельное электросопротивление электролита, Ом-см, при концентрациях серной кислоты (по массе), % Учитывается также снижение концентрации серной кислоты в электролите в процессе разряда. Слишком малая концентрация электролита в конце разряда ведет к росту внутреннего сопротивления, более быстрому падению разрядного напряжения и, как следствие, снижению разрядной емкости. Ограничения по повышению концентрации серной кислоты в электролите связаны с ускоренной пассивацией электродов при разряде и в процессе хранения аккумуляторов с электролитом. Сопротивление сепараторов зависит от их толщины, пористости и сопротивления электролита в порах. Рис. 2.28. Зависимость удельного сопротивления сепараторов гс от температуры: 1 - мипласт; 2 - мипор; 3 - полиэтилен
Материал и конструкция сепараторов играют особо важную роль при разряде аккумуляторной батареи стартер-ными токами в условиях низких температур. Рис. 2.29. Распределение внутренних потерь напряжения батареи 6СТ-55АЗ в начале разряда током силой 255 А в зависимости от температуры: 1 - поляризация; 2-в электролите; 3-в сепараторах; 4-вэлектродах;5-всоединительных токоведущих деталях
Омическое сопротивление решеток электродов толщиной 1,5-2 мм находится в пределах 1,8-2,3 мОм. Губчатый свинец отрицательных электродов имеет удельное электросопротивление 1,83'Ю-4 Ом-см, а двуокись свинца положительных электродов -74-10-* Ом см. Электросопротивление решеток электродов стартерных батарей толщиной 1,5-2,6 мм находится в пределах 1,8-3,0 мОм. В заряженном состоянии сопротивление отрицательного электрода составляет 6270%, а положительного - 92-98% сопротивления решеток. В процессе разряда на электродах откладывается сульфат свинца с удельным сопротивлением 1-107 Ом см, и сопротивление электродов приближается к сопротивлению решеток. Распределение сопротивления и соответственно потерь напряжения (рис. 2.29) по элементам внутренней цепи аккумуляторной батареи зависит от многих факторов. В начале стартерного разряда при температуре -18°С сопротивление пластин и токоведущих деталей приблизительно составляет 20-30%, электролита и сепараторов - 34-48%, сопротивление поляризации - 32-45% от суммарного внутреннего сопротивления батареи. С понижением температуры доля сопротивления поляризации, электролита и сепараторов возрастает. Сопротивление заряженных стартерных аккумуляторов и даже батареи последовательно соединенных аккумуляторов составляет от нескольких тысячных до нескольких сотых долей ома. Сопротивление уменьшается с увеличением числа параллельных электродов в полубло-ках, т.е. с увеличением емкости аккумуляторной батареи. В процессе разряда в результате химических реакций на пластинах образуется плохо-проводящий сульфат свинца. Плотность электролита снижается от 1,22 - 1,30 до 1,06-1,14 г/см3. Поэтому сопротивление разряженной аккумуляторной батареи выше. Рис. 2.30. Вольт-амперные характеристики стартарной аккумуляторной батареи: 1 - экспериментальная; 2 - линеаризованная
Вольт-амперные характеристики. Мощность Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) называют зависимость напряжения на выводах аккумуляторной батареи от силы разрядного тока для определенного момента времени после включения батареи на разряд (рис. 2.30). ВАХ нелинейны из-за непостоянства сопротивления поляризации. В зоне стартерных токов ВАХ близки к прямой, поэтому при расчетах систем электростартерного пуска их нелинейностью в областях малых (менее 2С2о) и больших (более 8-10С20) токов пренебрегают. Такой подход значительно упрощает расчет и сравнительную оценку системы электростартерного пуска. Рабочие характеристики стартерного электродвигателя строятся для определенной ВАХ аккумуляторной батареи, которая изображается прямой, отсекающей на осях ординат отрезки, соответствующие начальному разрядному напряжению ин р и силе тока короткого замыкания 1к 3 Уравнение ВАХ: Ц)= Мн.р. - ^б*р, где Uq - напряжение на выводах батарей, В; UH р - начальное разрядное напряжение. В; fig - расчетное внутреннее сопротивление батареи, Ом; /р - сила тока разряда батареи, А. В режиме короткого замыкания, когда напряжение на выводах батареи Uq = 0, сила тока 1К З = UH р jRq. Мощность, развиваемая аккумуляторной батареей во внешней цепи, ~ Чэ^р = Чн.р. 1р ~^б!р- Р,кВт И, В Рис. 2.32. Вольт-амперные и мощностью характеристики батарей на 10-й секунде при температуре 25 С и степени заряженности 100%: 1 - 6СТ-55АЗ; 2 - 6СТ-55ЭМ Максимальную мощность аккумуляторная батарея развивает при равенстве сопротивлений внешней и внутренней цепей батареи. Для линейной вольт-ам-перной характеристики максимальная мощность: Р,кВт V,В Рис. 2.31. Вольт-амперные и мощностью характеристики батареи при различных температурах
р, Uh.d.Ik.3. Un.p. . Вольт-амперные Up = f(ip) и мощностные Pg=f(lp) характеристики аккумулятора зависят от температуры электролита (рис. 2.31). Увеличение внутреннего Рис. 2.33. Вольт-амперные характеристики батареи 6СГ-55 в различных условиях разряда: а - АСр=25%; Zn=3x; б - t=-20°C; Zn=3 падения напряжения при снижении температуры электролита приводит к уменьшению мощности аккумулятора. Напряжение и мощность при тех же разрядных токах выше у необслуживаемых батарей (рис. 2.32). Экспериментальные вольт-амперные характеристики аккумуляторных батарей при различных температурах электролита t, степенях разряженности ЛСР и попытках пуска Zn приведены на рис. 2.33. Емкость При разряде и заряде аккумулятор отдает во внешнюю цепь или получает от зарядного устройства определенное количество электричества. Количество электричества, отдаваемое аккумуляторной батареей в пределах допустимого разряда, называют разрядной емкостью: При постоянной силе тока ^р=^ртр. Зарядная емкость С3=1 \36г. При постоянной силе тока С3=/3т3, где т3 - продолжительность заряда. Разрядная емкость зависит от количества заложенных в аккумуляторе активных материалов и степени их использования. Количество активных материалов в стартерных аккумуляторных батареях даже при номинальных разрядных токах в 2-3 раза превышает теоретически необходимое. Полное использование заложенных в батареи активных материалов невозможно, так как обеднение электролита в порах и резкое снижение напряжения происходит раньше, чем израсходуются внутренние слои пористых активных веществ электродов и серная кислота электролита в моноблоке. Коэффициент использования активных материалов свинцового аккумулятора зависит от условий разряда. Его снижение происходит при увеличении плотности разрядного тока и понижении температуры. При длительных режимах разряда свинцовых аккумуляторов в течение 20-50 ч использование активных материалов составляет 50-60%, тогда как при коротких стартерных разрядах - Рис. 2.34. Изменение разрядной емкости батареи 6СГ-82 с изменением силы разрядного тока и температуры электролита при степени разряженности АСр=0% 5-10%. С увеличением электропроводности электролита, пористости активных веществ, с уменьшением толщины электродов и плотности тока использование активных материалов выше. При равных значениях начальной и конечной пористости лучше используется активное вещество положительных электродов. При высоких плотностях активного вещества имеют место неравномерное распределение поляризации по толщине электродов и замедление процесса поступления серной кислоты в зоны реакции. Вследствие закупорки пор сульфатом свинца, разрядный процесс протекает в основном на наружной поверхности электродов, где плотность тока может быть более чем в 10 раз выше ее значения в толще активного вещества. Неполное (на 60-65%) использование активных веществ при малых плотностях разрядного тока связано с изоляцией отдельных участков пористого вещества электродов сульфатом свинца и. как следствие, отсутствием единого электронопроводящего каркаса электрода. В аккумуляторах, предназначенных для работы в стартерных режимах разряда, использование активных материалов и отдача по емкости могут быть повышены за счет снижения толщины электродов. Емкость аккумулятора определяется суммарной емкостью электродов. При стартерных разрядах емкость, как правило, уменьшается из-за пассивации отрицательного электрода. Особенно это характерно для низких температур. При длительных режимах разряда влияние обоих типов разнополярных электродов на отдачу батареи по емкости соизмеримо. При длительных режимах разряда положительный электрод может лимитировать отдачу по емкости, если запас электролита недостаточен. Причиной ограничения емкости положительным электродом при коротких режимах разряда может быть замедление диффузии электролита в поры активного вещества. Использование активных материалов зависит от конструкции электродов, материала сепараторов, плотности и температуры электролита, силы тока и режима разряда (прерывистый, непрерывный, ступенчатый). Рис. 2.35. Зависимость времени разряда необслуживаемой батареи 6СТ-55АЗ от силы разрядного тока при различных температурах электролита
Разрядная емкость уменьшается с увеличением разрядного тока, так как большее количество и более плотная масса сульфата свинца откладывается на поверхности электродов, изолируя активное вещество от контакта с электролитом (рис. 2.34 - 2.36). Использование активных веществ при большой силе тока составляет 5-10%. Разрядная емкость уменьшается также с понижением температуры. При низких температурах увеличивается вязкость электролита и замедляется скорость поступления серной кислоты в поры активных веществ. Напряжение разряда падает быстрее и большая часть активного вещества остается неиспользованной. Напряжение аккумуляторной батареи с понижением температуры падает также вследствие замедления электролитической диссоциации и уменьшения ионной проводимости электролита. При малой силе тока до 0,1 С20 А и температурах выше 0°С снижение емкости на 1°С приводит к уменьшению разрядной емкости на 0,6-0,7%. При низких температурах (ниже 0°С) в стартерных режимах разряда снижение емкости на 1°С достигает 2%. Свинцовые аккумуляторные батареи _ работоспособны при стартерных разрядах до температуры -(30-35)°С. Степень снижения емкости с уменьшением температуры меньше при использовании электролита с большей концентрацией серной кислоты. Рис. 2.36. Зависимость емкости необслуживаемой батареи 6СТ-110А при начальной степени заряженности 100% от силы разрядного тока при различных температурах
Разрядная емкость может быть увеличена за счет пористой структуры электродов. При разряде пористость уменьшается, так как удельный объем сульфата свинца больше удельных объемов губчатого свинца (в 2,68 раза) и диоксида свинца (в 1,86 раза). Уменьшение сечения пор при разряде затрудняет проникновение серной кислоты в поры электродов и ограничивает использование активных материалов, особенно при разряде большими токами. Активную поверхность электродов увеличивают, устанавливая большее число электродов меньшей толщины. Так как разрядная емкость зависит от условий разряда, номинальной для стартерных свинцовых аккумуляторных батарей емкостью, гарантируемой за-водом-изготовителем, считается емкость 20-часового режима разряда. Разряд батарей при испытании на емкость 20-часового режима разряда проводят непрерывно током силой 1р=0,05С20 А до конечного разрядного напряжения на клеммах 5,25 В у 6-вольтовой и 10,5 В у 12-вольтовой батареи. Температура электролита при разряде должна находиться в интервале от 18 до 27°С. Емкость вычисляют по формуле: Cj = О.ОбСго гр - где Cf - емкость, отданная батареей в пределах допустимого разряда, А-ч; Тр - продолжительность разряда до конечного разрядного напряжения, ч. Полученную емкость Ct приводят к емкости при температуре 25°С: 25 1+0,01 (tCp~25) ’ где С25 - емкость, приведенная к температуре 25°С, А-ч; tCp - средняя температура между начальной и конечной температурами электролита при разряде, °С; 0,01 - температурный коэффициент изменения емкости в интервале температур от 18 до 27°С. Перед проверкой на емкость 20-часового режима батарею полностью заряжают. Заряд проводят током силой 13=0,1С20 А до напряжения не менее 2,4 В на каждом аккумуляторе, после чего ток уменьшают на 50% от первоначального и доводят до состояния полного заряда. Заряд проводят до достижения обильного газовыделения и постоянства напряжения и плотности электролита в течение 2 ч, после чего при непрекращающемся заряде корректируют плотность электролита в аккумуляторах до (1,28±0,01) г/см3 при 25°С и уровень электролита в соответствии с технической документацией по эксплуатации. Заряд при температуре, превышающей 45°С, не допускается. Необслуживаемые батареи заряжают при температуре окружающей среды (25±5)°С при постоянном напряжении (14,4±0,1) В не менее 24 и не более 30 ч, причем сила тока не должна превышать 13=0,05С20 А. Емкость батарей, определяемая при 20-часовом режиме разряда не позже четвертого цикла, должна бьггь не менее 95%, а необслуживаемых - 100% от номинального значения. Важным для эксплуатации показателем является «резервная емкость». По этому показателю можно оценивать способность аккумуляторной батареи обеспечить необходимый минимум электрической нагрузки на автомобиле в случае выхода из строя генератора. Минимум электрической нагрузки складывается из токов, потребляемых системами зажигания и освещения, стеклоочистителем и контрольно-измерительными приборами в режиме движения «зима, ночь», и составляет величину порядка 25 А. Резервная емкость определяется временем разряда в минутах полностью заряженной батареи при температуре (27±5)°С током силой (25±0,25) А до конечного напряжения на аккумуляторе, равного 1,75 В. Нормативный показатель «резервная емкость» обеспечивает большее соответствие режима испытания батареи условиям эксплуатации ее на автомобиле. Характеристики стартерного разряда аккумуляторной батареи удобно оценивать по силе тока холодной прокрутки. Он представляет собой максимальный разрядный ток, который батарея может обеспечить при температурах -18°С и -29°С в течение 30 с, сохраняя напряжение не менее 1,2 В на каждом аккумуляторе (7,2 В в случае 12-вольтовой батареи). Показатель «ток холодной прокрутки» позволяет упростить подбор аккумуляторной батареи для автомобилей на стадии их проектирования: определив силу тока, потребляемую электростартером при пуске двигателя, можно подобрать батарею из условия, чтобы эта сила тока не превышала силу тока холодной прокрутки. Энергия Энергия, отдаваемая аккумулятором в течение некоторого времени разряда или при 1Р = const: Wp-Up.cpjprp , где Up Ср - среднее значение разрядного напряжения. Соответственно, энергия заряда батареи или при i3 = const: Способность аккумуляторной батареи отдавать в процессе разряда полученную при заряде энергию оценивают коэффициентами отдачи по емкости т}с и энергии r]w: В номинальном режиме разряда коэффициент отдачи по емкости составляет 0,84-0,96, а по энергии - 0,75-0,85. Величина коэффициента отдачи по емкости определяется потерями на разложение воды и саморазряд. Коэффициент отдачи по энергии учитывает также потери на "джоулево" тепло как при разряде, так и при заряде. Энергия батареи определяется как произведение емкости на разрядное напряжение. При увеличении силы разрядного тока и уменьшении температуры уменьшаются и емкость, и напряжение, поэтому энергия аккумуляторной батареи снижается быстрее, чем емкость. Технический уровень батареи оценивают также по удельной материалоемкости. Удельную материалоемкость определяют расчетным путем. При 20-часовом режиме разряда она определяется по формуле: тя103 420= - 3- где q20 - удельная материалоемкость при 20-часовом режиме разряда, кг/(кВт-ч); тд - масса свинца и активных материалов по конструкторской документации, кг; С20 - номинальная емкость, А-ч; UH - номинальное напряжение, В. Удельная материалоемкость в стартерном режиме разряда при отрицательной температуре определяется по формуле: С /р-тр-0,95-изо где qc - удельная материалоемкость в стартерном режиме, кг/(кВт-ч); /р - сила тока разряда. А; Гр - продолжительность разряда, мин; 1/30 - напряжение на 30 с стартерного режима разряда, В; 0,95 - коэффициент среднего напряжения стартерного режима разряда. Аккумуляторные батареи занимают одно из первых мест среди других накопителей энергии по удельной энергии, однако имеют сравнительно большое внутреннее сопротивление. Из-за резкого увеличения внутреннего сопротивления с понижением температуры и отдачи энергии как с понижением температуры, так и с увеличения силы разрядного тока, на автомобилях используют стартерные аккумуляторные батареи с энергией в 20-часовом режиме разряда, в сотни раз превышающей энергию, необходимую для осуществления надежного пуска автомобильных двигателей. Саморазряд батарей Заряженные и исправные аккумуляторные батареи теряют емкость при длительном хранении вследствие саморазряда. Саморазряд обусловлен недостаточной чистотой активных материалов и неравномерной плотностью электролита по высоте. Примеси различных металлов (сурьма, медь, серебро и т.д.) с отличающимися от свинца электродными потенциалами образуют большое число замкнутых микроэлементов. Электроды свинцового аккумулятора и при разомкнутой внешней цепи взаимодействуют с водой, выделяя водород и кислород. В большей степени саморазряду подвержен отрицательный электрод. Причиной разряда положительных электродов является разность потенциалов между свинцом решеток и диоксидом свинца, когда между ними попадает электролит. При наличии разности потенциалов в контурах микроэлементов возникают разрядные токи, при протекании которых активные массы электродов превращаются в сульфат свинца. Саморазряд связан также с переходом сурьмы в раствор серной кислоты в результате коррозии решеток положительных пластин. Сурьма увеличивает скорость коррозии и способствует выделению водорода. Саморазряд существенно уменьшается при использовании малосурьмянистых и свинцово-кальциевых сплавов. Саморазряд заряженной батареи, кроме необслуживаемой, после бездействия в течение 14 суток при температуре окружающей среды (20±5)°С не должен превышать 7% (0,5% в сутки), а после бездействия в течение 28 суток - 20% от номинальной емкости. Саморазряд необслуживаемой батареи после бездействия в течение 90 суток не должен превышать 10% (0,11% в сутки), а после бездействия в течение года - 40% от номинальной емкости. Ускоренный саморазряд происходит при попадании на наружную поверхность батареи воды, электролита или других токопроводящих жидкостей. Во избежание ускоренного саморазряда следует в эксплуатации строго выполнять правила ухода за аккумуляторными батареями. Интенсивность самопроизвольного растворения свинца на отрицательном электроде с выделением газообразного водорода существенно возрастает с увеличением концентрации электролита. Увеличение плотности электролита с 1,27 до 1,32 г/см3 приводит к росту скорости саморазряда отрицательного электрода на 40%. Рис. 2.37. Среднесуточный саморазряд традиционной свинцовой стартерной аккумуляторной батареи при бездействии в течение 14 суток в зависимости от температуры и срока эксплуатации: 1 - новой батареи; 2 - в середине срока эксплуатации; 3- в конце срока эксплуатации
Саморазряд батарей в значительной мере зависит от температуры электролита (рис. 2.37). При температуре ниже нуля саморазряд практически прекращается. Поэтому рекомендуется хранить батареи при низких (отрицательных) температурах (до -30°С). В процессе эксплуатации интенсивность саморазряда возрастает, особенно резко к концу срока службы. Снижение скорости саморазряда обеспечивается за счет повышения напряжения выделения кислорода и водорода на электродах в необслуживаемых аккумуляторных батареях (рис. 2.38). Необходимо также использовать возможно более чистые материалы для производства батарей, а также чистые серную кислоту и дистиллированную воду для приготовления электролита. Снижению саморазряда способствуют добавки органических веществ - ингибиторов саморазряда. Вероятность быстрого саморазряда батареи вследствие короткого замыкания через токопроводящие мостики между разноименными электродами меньше при использовании сепараторов-конвертов. Типы и условные обозначения стартерных батарей Рис. 2.38. Снижение емкости С20 вследствие саморазряда при бездействии аккумуляторных батарей: 1 - необслуживаемых; 2 - традиционных
Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи классифицируют по номинальному напряжению (6 и 12 В) и номинальной емкости. На стартерные аккумуляторные батареи наносят товарный знак предприятия -изготовителя, указывают тип батареи, дату выпуска и обозначение стандарта или технических условий на батарею конкретного типа. Условное обозначение типа батареи (например, батарея 6СТ-55А) содержит указание на количество последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (3 или 6), характеризующих ее номинальное напряжение (6 или 12 В), указание на назначение по функциональному признаку (СТ - стартерная), номинальную емкость в А-ч и исполнение (при необходимости): А - с общей крышкой; Н - несухозаряженная; 3 - для необслуживаемой, залитой электролитом и полностью заряженной батареи. В условных обозначениях еще применяемых в настоящее время батарей буква Э и Т величины номинальной емкости указывают на материал моноблока (соответственно эбонит и термопласт). Последующие буквы обозначают материал сепаратора (М - мипласт, Р - мипор). Отечественная промышленность выпускает стартерные свинцовые аккумуляторные батареи номинальным напряжением 6 и 12 В и номинальной емкостью 45-190 А-ч. 2.6. Эксплуатация стартерных аккумуляторных батарей Размещение батарей на автомобилях Аккумуляторные батареи размещают под капотом двигателя легковых автомобилей, под кабиной, на расширенной подножке кабины, за кабиной под кузовом, а также под сиденьем в кабине грузовиков. К аккумуляторной батарее должен быть предусмотрен свободный доступ для осмотра и обслуживания. Размещение аккумуляторной батареи должно обеспечивать проведение необходимых в эксплуатации мероприятий по техническому обслуживанию без снятия ее с места установки: проверки уровня электролита и добавления дистиллированной воды; проверки плотности электролита и измерения его температуры; оценки технического состояния с помощью аккумуляторного пробника или нагрузочной вилки; отсоединения, зачистки и закрепления стартерных проводов. Объем технического обслуживания зависит от конструкции батарей. Соответственно, меняются и требования к доступности батарей для обслуживания. Естественно, эти требования не являются жесткими для новых необслуживаемых батарей. Вариантом размещения батарей, обеспечивающим возможность выполнения полного объема обслуживания, является установка их на выдвижных площадках (некоторые автомобили, автобусы). Крепление батареи должно максимально предохранять ее от вибрации и тряски при движении автомобиля. При вибрации и тряске батарея не должна перемещаться по опорной площадке. Посадочные места для батареи должны иметь амортизаторы и амортизационные прокладки. Методы закрепления батарей на месте установки различны. В зависимости от типа батареи ее можно крепить на опорной площадке рамкой сверху, планкой за верхнее ребро по диагонали батареи или по части периметра, за выступы в нижней части моноблока иэ пластических материалов. Недопустимо крепление с упором в боковые стенки моноблока. Это может привести к его разрушению. Размещение батареи на машине должно обеспечивать ее защиту от загрязнения и механических повреждений. Аккумуляторная батарея должна размещаться возможно ближе к стартеру с целью уменьшения длины стартерного провода и падения напряжения в нем. «Массовый» провод должен крепиться к двигателю или жесткой раме. Не допускается крепление «массового» провода к тонкостенной части кабины (менее 1,2 мм) или крылу автомобиля, а также на окрашенную поверхность без применения специальных шайб-звездочек. Желательно подсоединять отрицательный вывод батареи к корпусу («массе») автомобиля через выключатель аккумуляторной батареи (выключатель «массы»). Размещение батареи на автомобиле должно обеспечивать поддержание такого ее теплового состояния, которое необходимо для надежного пуска двигателя и подзаряда батареи от генераторной установки. Максимальная температура электролита не должна превышать 50°С. Поэтому при подкапотной установке батарея должна быть защищена от воздействия тепла, исходящего от двигателя, а при наружной установке - от прямых солнечных лучей с помощью теплоизоляционных прокладок, экранов или козырьков. У большинства легковых автомобилей аккумуляторная батарея размещается в передней части подкапотного пространства сбоку за радиатором, где температура достигает 20-30°С при движении автомобиля. При наружной установке в зимних условиях аккумуляторная батарея сильно охлаждается, а летом в южных районах - перегревается. На грузовых автомобилях при размещении аккумуляторной батареи в кабине, под кабиной на раме или на подножке при движении автомобиля теплый воздух из подкапотного пространства обдувает батарею и ее температура может быть выше температуры наружного воздуха на 12-15°С. При установке аккумуляторной батареи в кабине ее необходимо размещать в отдельном отсеке или контейнере с вентиляцивй, исключающих попадание паров кислоты в кабину и скопление газов под крышкой контейнера во взрывоопасных концентрациях. Эксплуатация аккумуляторных батарей при низких температурах При низких температурах изменяются свойства активных и конструкционных материалов, поэтому возможность эксплуатации батарей затрудняется, а иногда исключается вообще. Так, например, герметизирующая мастика теряет эластичность, растрескивается и отслаивается от поверхности крышек и моноблоков. Моноблоки, крышки и пробки становятся хрупкими. При таянии снега на поверхности батареи образуется влага. В результате этого происходит сильный саморазряд батареи. Лед на поверхности пробок может закрыть вентиляционные отверстия. При недостаточной плотности электролита и значительной разряженности батареи возможно замерзание электролита. Поэтому батареи, эксплуатируемые при низких температурах, рекомендуется заполнять электролитом большей плотности и содержать в заряженном состоянии. При начальной плотности 1,30 г/см3 электролит даже полностью разряженной батареи может замерзнуть при температуре -14°С. С уменьшением начальной плотности до 1,24 г/см3 возникает опасность замораживания батареи уже при температуре -(5-6)°С. Посезонное изменение плотности электролита осуществляют два раза в год при переходе с летней на зимнюю и с зимней на летнюю эксплуатацию. Для этого при переходе на зимнюю эксплуатацию из моноблока батареи отбирают часть электролита и добавляют раствор серной кислоты плотностью 1,40 г/см3. При переходе на летнюю эксплуатацию также удаляют часть электролита, а добавляют дистиллированную воду. Благодаря сезонному изменению плотности электролита уменьшается вероятность замораживания батарей зимой даже при неполной степени их заряда и снижается интенсивность электрокоррозионных процессов на положительных электродах в летнее время. Полный разряд аккумуляторной батареи в эксплуатации допускается редко. Если при низких температурах батарея разряжается до конечного разрядного напряжения в стартерном режиме, опасность замерзания электролита невелика. Вследствие малой степени использования активных материалов электролит в моноблоке имеет достаточно высокую плотность. В зимнее время приходится считаться с возможностью замерзания электролита в аккумуляторных батареях во время стоянки машин. Вследствие замерзания электролита в батареях могут разрушаться банки элементов и высыпаться активная масса из решеток пластин, т.е. аккумуляторная батарея может выйти из строя. Опасность замерзания электролита является тем большей, чем сильнее разряжена аккумуляторная батарея. Вследствие этого в зимнее время, даже в зонах умеренного климата, аккумуляторную батарею, работающую при отрицательной температуре, необходимо поддерживать полностью заряженной. Если батарея не может дать ток в несколько сот ампер для пуска холодного двигателя, то это не значит, что она полностью разряжена. При низких температурах и форсированных разрядах фактическая емкость уменьшается, и в этих условиях батарея, которая кажется разряженной с электротехнической точки зрения, еще далеко не разряжена с электрохимической. Ее электролит имеет достаточную плотность, и опасность замерзания может быть невелика. В аккумуляторной батарее быстрее охлаждаются хорошие проводники тепла (электроды, токоведущие детали, выводы). Поэтому быстрее охлаждается и замерзает электролит у пластин, образуя ледяную корку, препятствующую протеканию электрических процессов. Сопротивление батареи резко увеличивается, а напряжение на выводах уменьшается. Получить токи большой силы от такой батареи невозможно, и батарея не может обеспечить пуск двигателя, однако может питать систему зажигания. Замораживание электролита с электротехнической точки зрения не вызывает серьезных изменений в батарее, если не считать временное снижение емкости. После подогрева батарея восстанавливает емкость. Заряжать замерзшую батарею не следует, так как ионы Н и ОН не будут иметь доступа к активным веществам. В этих условиях электрический ток, проходящий через аккумуляторную батарею, будет вызывать только электролиз воды с выделением водорода и кислорода. Г азы не могут выйти или медленно проходят через слой замерзшего электролита и при зтом увлекают капельки жидкости, поэтому происходит довольно сильное пвнообразование, пена выходит наружу и покрывает батарею сверху. До начала заряда батарею следует отогревать, так как заряд замороженной батареи может вызвать взрыв, если на поверхности электродов образуется ледяная корка, не пропускающая газы. При одинаковой плотности электролита в аккумуляторе его замерзание не должно было бы приводить к разрыву моноблока, так как при охлаждении в электролите образуются не кристаллы самого электролита, а кристаллы воды. Эти кристаллы изолированны, они разделены жидкостью, представляющей собой электролит, обогащенный кислотой вследствие выделения воды в лед. Следовательно, в растворе не образуется сплошного льда, а имеется дисперсная фаза кристаллов, причем оставшийся раствор уже не замерзает, так как он стал более насыщенным и его температура замерзания выше. На практике, однако, наблюдается другая картина. Плотность при разряде меньше в порах, электролит в порах замерзает и разрывает активные вещества, тогда как свободный электролит между электродами находится в жидкой фазе. При низких температурах резко ухудшаются условия заряда аккумуляторных батарей. Холодные аккумуляторные батареи постоянно недозаряжаются. Даже при температуре -10°С батарея, разряженная на 50%, может быть заряжена до 60-70% номинальной емкости, не говоря уже о более низких температурах. Условия восстановления емкости батареи при низкой температуре ухудшаются из-за уменьшения КПД заряда, снижения зарядного тока при возрастании внутреннего сопротивления батареи. При температуре -30°С зарядный ток современной батареи от генераторной установки при напряжении 14,5 В составляет всего 3-5% от зарядного тока батареи при температуре электролита 20-25°С и степени заряженности 75%. При эксплуатации автомобиля в условиях низких температур неутепленная Таблица 2.3. Регулируемое напряжение заряда аккумуляторных батарей Климатическая Среднемесячная температура в январе, 'С Время Номинальное напряжение, Регулируемое напряжение при установке батареи, В наружной подкапотной Холодная Умеренная Круглый Жаркая и влажная аккумуляторная батарея не принимает заряд током расчетного напряжения, и для обеспечения подзаряда приходится увеличивать регулируемое напряжение (табл. 2.3). Это ведет к работе электрооборудования в непредусмотренном режиме и, как следствие, к отказам в работе изделий. Следствием завышения регулируемого напряжения неизбежно будут перезаряд батареи при повышении температуры наружного воздуха и резкое уменьшение срока службы. Повышение напряжения генераторной установки для улучшения зарядных характеристик батареи при низких температурах приводит к резкому сокращению срока службы ламп и полупроводниковых приборов. Батарея может не принимать зарядный ток, который способен отдавать генератор. Относительная сила тока заряда !3 в мА/Ач, который будет принимать батарея с решетками злектродов из малосурьмянистых сплавов в циклическом разрядно-зарядном режиме и степени заряженности 75%, резко уменьшается как с уменьшением напряжения заряда (на выводах батареи), так и с понижением температуры (рис. 2.39). При непрерывном режиме заряда зарядный ток будет еще меньше, чем при циклическом зарядно-разрядном режиме (при циклировании), так как во втором случае имеет место снижение зарядной поляризации. Изменение относительного зарядного тока 13 в циклическом режиме необслуживаемых батарей в зависимости от степени заряженности АС3 при различных температурах электролита и напряжении заряда 14 В показано на рис. 2.40. Зарядные характеристики батарей с решетками электродов из малосурьмянистых сплавов заметно отличаются от зарядных характеристик обычных батарей, особенно при положительных значениях температуры электролита. Таким образом, заряд аккумуляторных батарей при низких температурах идет очень медленно, что при больших нагрузках создает значительные трудности в обеспечении положительного баланса электроэнергии на автомобиле. Утепление и обогрев батарей It. мЛ/А • ч 540 Г
60 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 Напряжение заряди
При эксплуатации автомобиля в холодных климатических районах должны быть приняты специальные меры для поддержания благоприятного температурного режима аккумуляторной батареи. При низких температурах окружающего воздуха их необходимо утеплять или обогревать, что осуществляется различными способами. Частично решением проблемы сохранения высокой температуры батареи является размещение ее в утепленном отсеке (контейнере), имеющем двойные стенки, пространство между которыми заполняется войлоком, поролоном или каким-либо другим теплоизоляционным материалом. Теплоемкость аккумуляторной батареи достаточно высока, поэтому при помещении ее в контейнер с теплоизолированными стенками скорость падения температуры электролита будет настолько мала, что батарея сохранит работоспособность после межсменной стоянки автомобиля на открытой площадке в течение 10-12 ч при температуре окружающего воздуха до -50°С. При таком способе утепления температура электролита в батарее практически не падает ниже 0°С за IQ-12 ч работы машины при температуре воздуха -40°С. Рис. 2.39. Зарядные характеристики батарей с решетками электродов из малосурьмянистых сплавов при различных температурах и уровнях зарядного напряжения ного тока в циклическом режиме работы необслуживаемых батарей в зависимости от степени заряженности ДСз при различных температурах и постоянном зарядном напряжении 14 В
_______При толщине теплоизолирующего слоя пенопласта в 20 мм показатели стартерного разряда после суточной стоянки автомобиля в 4 раза выше по сравнению с неутепленными батареями. Эффективность утепления батареи тем выше, чем больше толщина теплоизолирующего материала. При движении автомобиля температура под капотом в местах установки батарей находится в пределах 20-40°С. При длительном движении или стоянке автомобиля с изменением температуры окружающего воздуха изменяется температура электролита аккумуляторной батареи (рис. 2.41). Вследствие высокой теплоемкости электролита и малой теплопроводности материала моноблоков температура электролита в течение суток меняется меньше, чем температура окружающей среды. При длительной стоянке автомобиля среднесуточные температуры батареи и окружающей среды обычно равны. Для нормальной работы батареи при наружной установке недостаточно одного утепления с помощью контейнера. Рис. 2.41. Изменение температуры электролита 1,л неутепленной аккумуляторной батареи: а - при движении автомобиля; б - при стоянке автомобиля; 1 - температура окружающего воздуха; 2 - температура электролита
Необходим обогрев батареи. Можно применять жидкостные подогреватели одновременно для подогрева холодного двигателя и батареи. Теплая жидкость, поступающая от установленного на двигателе подогревателя, проходит через металлический короб, так называемую «грелку», размещенную под батареей или через змеевик, вмонтированный в нижнюю часть теплоизолирующего ящика, в котором установлена батарея. Ящик или контейнер, в котором размещаются батареи, можно обогревать при помощи отработавших газов или с использованием тепла жидкости из системы охлаждения двигателя. Преимуществом подогрева батарей с использованием отработавших газов и жидкости из системы охлаждения является простота регулирования количества подводимого тепла. Подогрев батареи, установленной в кабине машины под сиденьем, можно осуществлять теплым воздухом из системы отопления кабины или обдува ветровых стекол. Преимущество этих методов состоит в том, что обогрев происходит не только в период предпускового подогрева, но и во время движения автомобиля. Однако такой обогрев недостаточно эффективен в период пуска, так как теплопроводность моноблока батареи мала, а теплоотдача газа значительно меньше, чем теплоотдача жидкости. При размещении батарей в теплозащитных или обогреваемых контейнерах необходимо предусмотреть принудительную вентиляцию, чтобы избежать взрыва водородно-воздушной смеси. Взрывоопасна уже 4%-я концентрация водорода в воздухе, а количество выделяемого водорода при саморазряде в период бездействия батареи составляет 0,07 см3/мин на 1 А-ч, тогда как при работе в режиме циклирования во время движения автомобиля оно может возрасти до 0,6 см3/ мин на 1 А-ч. Электронагреватели эффективны при установке внутри аккумуляторной батареи между дном ее моноблока и опорными призмами (рис. 2.42). Нагреватель представляет собой изолированный кислотостойким материалом нихромовый провод. При мощности 0,6 кВт электронагреватель повышает температуру электролита на 40-50°С за 1,5 ч. Подогрев с помощью электронагревательных элементов НГТФ-100 применен в аккумуляторных батареях 6СТ-190ТРН. Нагреватели выполнены в виде графити-зированных волокон с фторопластовой изоляцией, плотно прилегающих к стенкам моноблока. Они обеспечивают подогрев и поддержание теплового состояния батареи на уровне, необходимом для удовлетворительной работы при температурах окружающей среды от -25 до -40°С. Электронагреватели получают питание от постороннего источника тока напряжением 20 В. Потребляемая мощность превышает 600 Вт. С помощью термовыключателя, размещенного в одном из аккумуляторов, нагревательные элементы включаются в работу автоматически. Температура электролита повышается и разрядные характеристики улучшаются с увеличением мощности подогрева (рис. 2.43). Рис, 2.42. Аккумуляторная батарея с электроподогревом: 1 - электрод; 2 - моноблок; 3 - опорные призмы; 4 - электронагревателя
Рис. 2.43. Разрядные характеристики батареи 6СТ-190 током силой 500 А при температуре окружающей среды -40°С после 30-минутого внутреннего подогрева электронагревателями различной мощности: 1 - без подогрева; 2 - 300 Вт; 3 - 600 Вт; 4 - 800 Вт; 5 - 1000 Вт; 6 - 1200 Вт
Перспективно использование в батареях гибких электронагревателей пленочного типа, которые с помощью специальной пасты закрепляют на дне и боковых стенках моноблока Соб- ранная батарея устанавливается в пластмассовый бак. Толщина стенок бака в 1,5-3 раза больше, чем у стенок моноблока. Верхняя часть бака сваривается со специальным бортиком по контуру моноблока. Полость между стенками наружного бака и нагревателя заполняют бысгротвердеющим составом, который после установки моноблока батареи в бак заполняет зазоры и через 2-3 мин превращается в твердое пористое вещество. Такие электронагреватели применены в необслуживаемой батарее 6СТ-110Н. Они показали высокую эффективность своего использования в условиях низких температур до -50°С. Эксплуатация батарей при высоких температурах При повышенной температуре электролита быстрее разрушаются электроды, ускоряется сульфатация. Для снижения химической активности электролита его плотность в жарких и теплых влажных климатических районах понижают. Повышение температуры вызывает интенсивное испарение воды из электролита. Под воздействием солнечных лучей и высокой температуры уменьшается прочность моноблоков, крышек, герметизирующей мастики. Летом в условиях жаркого климата периодичность доливки дистиллированной воды в батареи традиционного исполнения уменьшается до 5-7 суток, тогда как в районах с умеренным климатом эта периодичность составляет 12-15 суток. Необходимость более частого контроля уровня электролита и доливки дистиллированной воды возникает и при эксплуатации в районах жаркого климата необслуживаемых батарей, так как увеличение напряжения начала разложения воды на воздух и кислород за счет применения малосурьмянистых сплавов не снижает скорости испарения воды из электролита при повышенных температурах. При эксплуатации необслуживаемых батарей в районах жаркого климата рекомендуется измерять уровень электролита 1 раз в 2-4 месяца. Продолжительность периода между следующими друг за другом добавлениями дистиллированной воды зависит также от интенсивности эксплуатации автомобиля. Быстрее в районах с жарким климатом перегреваются батареи, выполненные в моноблоках с темной окраской и устанавливаемые снаружи, когда они не защищены от прямого попадания солнечных лучей. При температуре окружающего воздуха в тени 45-47°С температура находящихся на солнце батарей в эбонитовых моноблоках черного цвета очень быстро возрастает до 60-65°С. Регулируемое напряжение генераторных установок для районов с жарким климатом должно быть снижено до значения, при котором исключается продолжительный перезаряд батарей. При одних и тех же уровнях регулируемого напряжения из-за многократного ускорения процесса снижения уровня электролита батарей, эксплуатируемых при повышенных температурах, срок службы батарей резко уменьшается, в основном, в связи с ускоренным разрушением решеток положительных электродов. Режимы работы аккумуляторных батарей на автомобилях Подключенная параллельно генераторной установке, батарея работает в режиме циклирования - чередования разрядов и зарядов. Это связанно с тем, что частота вращения генератора при постоянстве передаточного числа к двигателю изменяется в широких пределах, а генератор способен отдавать электроэнергию только при частоте, большей частоты начала отдачи. Режим циклирования оценивается по продолжительности разряда батареи где ПР - относительная продолжительность разряда; тр - время разряда; т3 - время заряда; тч=гр+т3 - время цикла. Токи и продолжительность непрерывного заряда и разряда аккумуляторной батареи при движении автомобиля зависят от частоты вращения ротора генератора, мощности включенных потребителей, степени заряженности и температуры электролита батареи. Частота вращения ротора генератора, в свою очередь, зависит от частоты вращения коленчатого вала. Генератор должен компенсировать электроэнергию, отданную аккумуляторной батареей в период разряда. Количество электроэнергии, которое получает батарея в период заряда, зависит от токов заряда и предшествующего разряда, напряжения генераторной установки, температуры электролита, величины ПР и КПД батареи. Время непрерывного разряда колеблется в пределах от 2 до 20 с, а заряда -от 0,1 до 20 мин в зависимости от дорожных условий. Средняя продолжительность одного цикла тц=тр+т3 в городских условиях составляет 0,7-1,5 мин, а за городом -10-12 мин. Правильный выбор параметров генераторной установки с учетом номинальной емкости батареи и режимов работы потребителей энергии на автомобиле должен обеспечивать положительный баланс электроэнергии применительно к наиболее характерным условиям эксплуатации машины. Положительный зарядный баланс исключает эксплуатацию батареи в течение длительного времени с недостаточной степенью заряженности. Правильно выбранный уровень регулируемого напряжения генераторной установки исключает длительную работу батареи в режиме перезаряда. При эксплуатации батареи с низкой степенью заряженности больше скорость коррозии решеток положительных электродов. При длительных перезарядах происходит ускоренное оплывание активной массы электродов. В обоих случаях заметно сокращается срок службы батареи. Рис. 2.44. Изменение срока службы аккумуляторных батарей 6СТ-60 на автомобилях-такси в зависимости от интенсивности эксплуатации: 1    - ГАЗ-21 с генератором постоянного тока; 2    - ГАЗ-24 с генератором переменного тока
Аккумуляторная батарея в системе электроснабжения является также сглаживающим фильтром пульсаций напряжения генераторной установки и перенапряжений в системе электро- Рис. 2.45. Изменение степени заряженности АС3 батареи при ее работе на автомобиле при различной начальной степени заряженности: 1 - 100%; 2 - 50% оборудования на переходных режимах. К переходным режимам относятся период начальной отдачи генератором энергии, включение отдельных мощных потребителей. Роль аккумуляторной батареи особенно возросла в связи с применением генераторов переменного тока и широким внедрением электронных устройств. Рис. 2.46. Изменение средней степени заряженности батареи АС3 в течение эксплуатации автомобиля (Лт - лето; Ос - осень; Зм - зима; Вс - весна): 1    - 6СТ-60 на автомобиле ГАЗ-24 (такси); 2    - 6СТ-90 на автомобиле ЗИЛ-130
Следует подчеркнуть, что в свое время переход на генераторы переменного тока способствовал увеличению срока службы батарей на автомобилях в широком диапазоне изменения интенсивности эксплуатации в тыс. км/мес (рис. 2,44). Это стало возможным благодаря меньшим частотам начала отдачи энергии генераторами переменного тока по сравнению с генераторами постоянного тока, что позволяет поддерживать более высокий уровень заряженности батареи. Подзаряд аккумуляторной батареи на автомобиле происходит при постоянстве напряжения. При подключении разряженной батареи к зарядному устройству с постоянным напряжением резко увеличивается зарядный ток. Через несколько минут заряда сила тока стабилизируется. Чем больше продолжительность непрерывного заряда, тем меньше средняя сила тока заряда. При цитировании во время движения автомобиля средняя сила разрядного тока существенно больше (в 2-3 раза) его установившегося значения. Максимальная сила тока заряда, которую может обеспечить генераторная установка при определенной частоте вращения ротора генератора, представляет собой разность между током генератора и током включенных потребителей электроэнергии. Батарея не всегда может принять тот зарядный ток, который способна обеспечить генераторная установка. Для поддержания определенного уровня заряженности батареи генератор должен сообщить ей количество электричества, которое батарея отдала во время предшествующего разряда. При движении автомобиля степень заряженности аккумуляторной батареи колеблется около какого-то среднего установившегося значения (рис. 2.45). Если, как в приведенном на рис. 2.45 примере, среднее значение степени заряженности 75%, то при начальной степени заряженности как 50, так и 100% вследствие саморегулирования зарядного процесса (зарядного тока) через 7-8 ч работы батареи на автомобиле ее степень заряженности приближается к среднему значению. Установившаяся степень заряженности батареи будет тем выше, чем выше уровень регулируемого напряжения генераторной установки, температура электролита, и чем меньше сила тока и время цикла разряда. Этим и объясняется снижение уровня заряженности батареи на автомобиле зимой даже при выполнении рекомендаций по величине регулируемого напряжения генераторной установки (рис. 2.46). Средний уровень заряженности заметно снижается по мере старения аккумуляторной батареи. Транспортировка аккумуляторных батарей Допускается возможность транспортировки стартерных свинцовых аккумуляторных батарей всеми видами транспорта. При подготовке к транспортировке завод-изготовитель должен обеспечить упаковку или размещение батарей в транспортной таре. Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи имеют всеклиматическое исполнение и относятся к т.н. 2-й категории размещения. Это значит, что при эксплуатации, хранении и транспортировке батарей они должны быть защищены от воздействия солнечных лучей и атмосферных осадков, пыли и грязи, их следует перевозить в крытых транспортных средствах или контейнерах Упаковка в бумагу используется для предохранения батарей обычной конструкции с ячеечными крышками от попадания пыли, стружек, опилок и т.п. (упаковочные материалы) на мастику. Как один из видов индивидуальной внутренней упаковки, бумажная упаковка не используется для батарей в пластмассовых моноблоках с общей крышкой, не имеющих заливочной мастики. Бумажная упаковка не защищает батареи от повреждений при транспортировке и проведении погрузочно-разгрузочных работ. От механических повреждений батареи способны предохранить коробки из картона и гофрокартона. Они используются для внутренней упаковки батарей массой до 40 кг. Упаковки из бумаги и картона оклеивают липкой лентой и обвязывают шпагатом. В качестве транспортной тары применяются деревянные (фанерные) ящики, металлические поддоны и стандартные металлические контейнеры. Перед установкой батареи в деревянный ящик на дне ящика укладывают слой упаковочного материала. Батареи в ящик устанавливают выводами вверх так, чтобы между батареями и стенками ящика был зазор, который также заполняется уплотнительным материалом (древесная стружка, опилки, бумага и т.п.). Снаружи ящики обтягиваются стальной лентой. Тарой многоразового использования являются металлические ящичные поддоны. Батареи в поддон устанавливают в один ярус выводами вверх и уплотняют деревянными брусками. Между батареями с общей крышкой прокладывают листы картона, чтобы избежать повреждения крышек. Установленные в поддон сухоразряженные батареи сверху накрываются бумагой. Перед установкой залитых электролитом и заряженных необслуживаемых батарей в поддон закладывают полиэтиленовую пленку, в которую затем заворачивают весь блок батарей. Ящичные поддоны можно пакетировать в несколько ярусов при погрузочноразгрузочных работах, при установке на хранение и транспортировке. Пол транспортных контейнеров перед установкой батарей также покрывают упаковочными материалами. Зазоры между размещенными в контейнере батареями заполняют картоном или деревянными решетчатыми щитами, что предохраняет батареи от перемещений и соударений при транспортировке. Автомобильным транспортом можно перевозить батареи в бумажной упаковке, в картонных коробках и в решетчатых деревянных ящиках. Количество ярусов батарей при погрузке в кузов зависит от типа кузова, типа упаковки, высоты бортов кузова и грузоподъемности автомобиля. При перевозке батарей в открытом кузове они должны быть тщательно закрыты брезентом. Железнодорожным транспортом батареи перевозятся в любых видах упаковок. При перевозке водным транспортом наиболее целесообразной является транспортная тара в виде деревянных ящиков и контейнеров. Хранение аккумуляторной батареи До приведения в рабочее состояние перед установкой на автомобиль стартерные аккумуляторные батареи могут находиться на длительном хранении. Большая часть выпускаемых в стране автотракторных батарей изготавливается в сухозаряженном исполнении, т.е. с отформированными и заряженными электродами. Максимальный срок хранения сухоразряженных свинцовых батарей не должен превышать трех лет. При хранении сухозаряженных батарей необходимо соблюдать ряд условий. Важнейшим условием хранения сухозаряженной батареи является обеспечение полной герметичности внутренней полости каждого аккумулятора. При нарушении герметичности произойдет окисление и разряд электродов. При этом будет ниже емкость батареи на первом цикле и уменьшится срок службы батареи в целом. Для сохранения герметичности пробки должны быть плотно ввинчены в заливочные отверстия крышек батареи, пленки и приливы на пробках, закрывающие вентиляционные отверстия, должны быть на месте. Температура в помещениях для хранения батарей не должна выходить за пределы, указанные в инструкциях по эксплуатации. Для батарей с раздельными крышками температура не должна быть ниже -40°С, иначе возможно растрескивание герметизирующей мастики. При температуре выше 60°С возможно оплывание мастики. Хранение батарей в пластмассовых моноблоках с общими крышками допускается при температурах не ниже -50°С. При размещении батарей на хранение они должны устанавливаться в один ряд выводами вверх. В целях экономии места целесообразно оборудовать хранилище стеллажами. Батареи должны быть защищены от попадания прямых солнечных лучей. К батареям должен быть обеспечен доступ обслуживающего персонала для осмотра и контроля надежности герметизации пробок, крышек и целостности мастики. Трещины в мастике должны быть устранены путем оплавления слабым пламенем газовой горелки. Необслуживаемые батареи выпускаются залитыми электролитом. Хранение этих батарей, а также батарей, снятых с автомобилей после небольшого периода работы, и батарей, не эксплуатируемых в течение некоторого времени, имеет свои особенности. Как было отмечено ранее, при длительном бездействии аккумуляторные батареи теряют часть емкости вследствие саморазряда. Интенсивность саморазряда возрастает с повышением температуры, поэтому залитые электролитом батареи следует ставить на хранение полностью заряженными и поддерживать температуру в хранилище не выше 0°С. В соответствии с инструкциями по эксплуатации в этих условиях максимальный срок хранения батарей составляет 1,5 года, тогда как при комнатной температуре срок хранения батарей уменьшается до 9 мес. Благодаря меньшему саморазряду, необслуживаемые батареи можно в течение 1 года хранить без подзаряда. У новых необслуживаемых батарей снижение емкости до 50% от номинальной происходит за 12 мес. Приведенные в рабочее состояние и не устанавливаемые на машины батареи, а также батареи, снятые с машин после непродолжительной эксплуатации, перед постановкой на хранение полностью заряжают. Плотность электролита доводят до нормы. У батарей, предназначенных для эксплуатации зимой в холодных климатических зонах, плотность понижают с 1,30 - 1,31 до 1,28 - 1,29 г/см3. Обслуживание батарей во время хранения ограничивается ежемесячной проверкой плотности электролита и подзарядом в случае снижения плотности на 0,04 г/см3 и более. При длительном хранении батарей при температуре свыше 0°С требуется ежемесячно их подзаряжать. Батареи, находящиеся в резерве, должны быть в постоянной готовности и иметь при хранении степень заряженности не менее 75%. Аккумуляторные батареи, поставленные на хранение из-за сезонных простоев автомобилей, могут иметь степень заряженности меньше 75%, так как к ним не предъявляется требование быть в постоянной готовности к эксплуатации. Такие батареи рекомендуется подзаряжать, если при ежемесячном контроле плотность электролита снижается на 0,05 г/см3 по сравнению с первоначальной плотностью электролита в момент постановки батареи на хранение. Такое снижение плотности соответствует примерно 70% степени заряженности батареи. Перед постановкой на хранение батарей, снятых с автомобиля, после длительной их эксплуатации (более 1 года эксплуатации или после пробега более 50000 км) их необходимо подвергнуть контрольно-тренировочному циклу заряда и разряда для определения фактической емкости. Для этого осуществляется полный заряд батареи, при необходимости корректируется плотность электролита, затем батарея полностью разряжается током 20-часового режима и снова полностью заряжается. Если при разряде емкость составляет менее 40% от номинальной, то батарея снимается с эксплуатации. При емкости, меньшей 60% от номинальной, батарею ставить на хранение нецелесообразно, так как даже после непродолжительного хранения она выйдет из строя. В этом случае лучше установить батарею на автомобиль и эксплуатировать до полной выработки ресурса. Залитые электролитом и заряженные аккумуляторные батареи можно хранить на автомобиле. При этом желательно, чтобы температура окружающей среды не опускалась ниже -15°С. Для уменьшения трудоемкости обслуживания находящихся на хранении батарей, при положительных температурах электролит в батареях заменяют депас-сиватором, в качестве которого используют раствор борной кислоты. Перед постановкой на хранение аккумуляторную батарею полностью заряжают постоянным током номинального режима в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Затем электролит из батареи полностью удаляют и батарею дважды тщательно промывают дистиллированной водой. Удалять электролит из батареи следует не менее 15 мин, а в залитом дистиллированной водой состоянии выдерживать по 15-20 мин. Сразу после промывки дистиллированной водой батарею заполняют заранее приготовленным 5%-м раствором борной кислоты, закрывают пробками с вентиляционными отверстиями, протирают ветошью и устанавливают на хранение. Борную кислоту растворяют в горячей (70 - 80°С) воде из расчета 50 г кислоты на 1 л воды. В батарею заливают раствор борной кислоты, охлажденный до 25 - 30°С. По окончании срока хранения с депассиватором батарею нужно подготовить к дальнейшей эксплуатации. Для этого из нее выливают раствор борной кислоты в течение 15-20 мин, а затем заливают в батарею электролит плотностью (1,37±0,01) г/см3 и выдерживают 40 мин. При хранении батарей с залитым в них раствором борной кислоты их стартерные характеристики не ухудшаются и срок службы в процессе дальнейшей эксплуатации не уменьшается. Нет также необходимости подзаряжать батарею как при хранении, так и после хранения перед установкой на автомобиль. Вследствие саморазряда, установленные на хранение батареи с электролитом выделяют взрывоопасную смесь водорода с кислородом, поэтому помещения для хранения батарей должны иметь приточно-вытяжную вентиляцию. Подготовка аккумуляторных батарей к эксплуатации Аккумуляторные батареи в сухозаряженном исполнении выпускаются без электролита. По согласованию с потребителем допускается поставка несухозаряженных батарей, а также батарей, залитых электролитом и полностью заряженных. Электролит готовят из серной кислоты и дистиллированной воды. Концентрированная серная кислота представляет собой прозрачную жидкость без цвета и запаха с плотностью 1,83 г/см3 и содержанием в ней чистой серной кислоты 94%. Точка кипения ее - 33°С. Температура заливаемого в аккумуляторы электролита не должна выходить за пределы 15 - 30°С. В зависимости от климатических районов эксплуатации батареи заливают электролит различной плотности (табл. 2.4). От плотности электролита зависит температура его замерзания (табл. 2.5). Батарея готова к эксплуатации, если через 0,3 - 2 ч плотность залитого электролита снижается не более, чем на 0,03 г/см3. В противном случае батарею необходимо подзарядить. Температура электролита не должна быть выше 35°С при подключении батареи к зарядному устройству и 45°С в процессе под-заряда. Если в конце заряда плотность отличается от нормы, ее корректируют добавлением дистиллированной воды или раствора серной кислоты плотностью 1,4 г/см3. Таблица 2.4. Плотность электролита, рекомендуемая для различных климатических районов Микроклиматические районы; среднемесячная температура воздуха в январе, °С Время Плотность электролита, приведенная к 25°С, г/см3 Заливаемого Заряженной батареи Холодный: очень холодный от -50 до -30 холодный от -30 до -15 Круглый год Умеренный: умеренный от -15 до -8 жаркий сухой от -15 до +4 теплый влажный от 0 до +4 Таблица 2.5. Температура замерзания электролита различной плотности Плотность электролита, г/см3, при температуре 25°С Температура замерзания, °С Плотность электролита, г/см3, при температуре 25°С Температура замерзания, °С Допускается установка на автомобиль сухозаряженной батареи после 20-минутной пропитки электролитом, если батарея находилась на хранении больше года, а температура заливаемого электролита не превышала 15°С. Однако при первом перерыве в работе автомобиля рекомендуется батарею полностью зарядить и довести плотность электролита до нормы. Большинство сухозаряженных батарей, которые хранились со дня изготовления меньше года, не требуют подзаряда при подготовке к эксплуатации. При сроках хранения, больших 1 года, батареи необходимо зарядить. При вводе в эксплуатацию необходимо также заряжать и несухозаряженные батареи. Сухозаряженные батареи, хранившиеся при отрицательных температурах до -30°С, при необходимости срочного ввода их в действие можно заполнять подогретым электролитом с температурой +(40±2)°С и плотностью (1,27±0,01) г/см3. Такой электролит готовят в следующей последовательности. Во-первых, заранее приготавливают электролит плотностью 1,20-1,21 г/см3 при температуре 15СС (0,245 дм3 концентрированной серной кислоты плотностью 1,83 г/см3 на 1 л дистиллированной воды) и затем оставляют его на хранение в отапливаемом помещении. Перед заливкой в холодную батарею к 1 л заранее приготовленного электролита плотностью 1,20-1,21 г/см3 доливают 0,13 литра серной кислоты плотностью 1,83 г/см3, получая электролит плотностью 1,26-1,28 г/см3 и с температурой 40°С. Подогретый электролит заливают в батарею, которую выдерживают в течение 1 ч и устанавливают на транспортное средство, если срок хранения батареи менее 1 года. При большем сроке хранения проверяется плотность электролита и в случае ее снижения на 0,03 г/см3 батарею подзаряжают. Батареи, срок хранения которых без электролита превысил установленные инструкциями по эксплуатации сроки (3 и 5 лет), после пропитки электролитом должны быть полностью заряжены в номинальном режиме током силой О.ОбСзд. Уход за батареей в эксплуатации Уход за батареей на автомобиле предусматривает содержание ее в чистоте, контроль технического состояния и режима заряда. Внешний осмотр. Батарею необходимо периодически осматривать. Ее поверхность должна быть чистой. Обычно поверхность батареи покрыта электропроводным слоем пыли, смоченной слабым раствором серной кислоты. Электролит, попадающий на поверхность батареи, вытирают чистой ветошью, смоченной в растворе нашатырного спирта или в 10% растворе кальцинированной соды. Особенно внимательно рекомендуется следить за чистотой и состоянием выводов, наконечников проводов и вентиляционных пробок. Коррозия токоведущих деталей, а также неплотное прилегание наконечников проводов к выводам батареи увеличивают сопротивление цепи питания электростартера и вызывают его искрение. Не менее двух раз в месяц необходимо проверять плотность контакта наконечников проводов с полюсными выводами, чистоту вентиляционных отверстий пробок и надежность крепления батареи. Полюсные выводы и наконечники проводов смазывают техническим вазелином. Внешний осмотр, очистка поверхности батареи, проверка ее крепления, а при необходимости и измерение уровня электролита проводятся при каждом ТО-1. Те же операции производятся и при ТО-2. Объем их зависит от типа, конструкции батареи и места ее установки на транспортном средстве. При визуальном осмотре батарей различных типов необходимо учитывать характер возможных механических неисправностей. Так, в батареях обычной конструкции с ячеечными крышками при эксплуатации могут появляться трещины в стенках эбонитовых моноблоков, в крышках у заливочных отверстий и выводов, в заливочной мастике. Возможно вспучивание и отслаивание герметизирующей мастики от поверхностей моноблоков и крышек. Указанные неисправности устраняют с помощью паяльника. Для этого паяльником прогревают мастику в местах образования трещин до ее расплавления. При значительных повреждениях и сплошном отслаивании мастики от стенок по периметру моноблока мастику снимают лопаткой, надетой на электрический паяльник. Снятую мастику разогревают и в том же количестве заливают в места стыка. Во время визуального осмотра батарей в полипропиленовых моноблоках с общими крышками в основном обращают внимание на состояние контактных пар наконечники проводов - выводы. При изменении температуры наблюдается заметное изменение геометрических размеров пластмассовых моноблоков. Поэтому необходимо тщательно проверять крепление батарей за выступы в нижней части пластмассовых моноблоков, чтобы не допускать перемещения батареи на опорной площадке при ослаблении крепления. Нельзя присоединять провода к полюсным выводам с натяжением. Это может привести к расшатыванию полюсных выводов в крышках и повреждению крышек. Во избежание появления трещин в моноблоке болты крепления батарей в местах установки должны быть затянуты равномерно.
Батарея меньше загрязняется при установке в контейнере. Очистку поверхности таких батарей от грязи и пыли можно производить только при ТО-2. Измерение уровня электролита. Вследствие испарения воды и выделения водорода и кислорода при электролизе воды в аккумуляторах постепенно понижается уровень электролита, что требует постоянного его контроля и корректировки. Методы проведения этих операций различны для разных типов применяемых в настоящее время батарей. В батареях с непрозрачными моноблоками уровень электролита измеряют стеклянной трубкой диаметром 6-8 мм и длиной 100-120 мм (рис. 2.47). Трубку опускают, по возможности вертикально, в заливочное отверстие до упора в предохранительный щиток. Затем верхний конец мерной трубки зажимают пальцем и вынимают ее из аккумулятора. Высота столбика электролита в трубке соответствует уровню электролита в аккумуляторе над предохранительным щитком. Нормальным является уровень в пределах 10-15 мм. В батареях с прозрачными пластмассовыми моноблоками уровень электролита в каждом аккумуляторе контролируют через стенки моноблока, на боковых поверхностях которых могут быть нанесены две отметки, соответствующие минимально и максимально допустимым уровням электролита. Если уровень электролита выше или совпадает с верхней отметкой, то часть электролита следует из аккумулятора удалить. То же самое необходимо сделать, если будет выше 15 мм уровень электролита, измеренный трубкой в батареях с непрозрачными моноблоками. При уровне электролита ниже нормы в аккумуляторы доливают дистиллированную воду до максимально допустимого уровня. Зимой при низких температурах воду рекомендуется доливать непосредственно перед пуском двигателя. В этом случае исключается вероятность замерзания воды, так как она быстрее перемешивается с электролитом при стартерном разряде батареи. Электролит той же плотности, какую имеет электролит в аккумуляторе, доливают в том случае, если точно установлено выплескивание электролита из аккумулятора. Выбрасывание электролита на поверхность крышки и быстрое уменьшение его уровня указывают на систематический перезаряд батареи. Уровень электролита можно определять световым индикатором (рис. 2.48), в котором используется принцип изменения освещенности одной из поверхностей прозрачного тела в зависимости от степени его погружения в электролит. Индикатор в виде стержня 3 имеет призматическую светоотражательную поверхность 4. На призматическую поверхность свет попадает через плоскую поверхность 1. Когда уровень электролита в аккумуляторе в пределах нормы (между отметками А и В), поверхность 4 находится в электролите и свет, поступающий по стержню 3, расплывается. Если уро- Рис. 2.48. Световой индикатор для измерения уровня электролита: а - установка в аккумуляторе; б - конструкция; 1 - плоская поверхность стержня; 2 - кольцеобразный выступ для закрепления стержня в пробке; 3 - стержень; 4 - свеюотражательная призматическая поверхность; 5,6 - вентиляционные отверстия; 7 - пробка; 8 - защитный пояс, предохраняющий стержень от попадания на него электролита
Рис. 2.49. Приборы для измерения плотности электролита: а - денсиметр с пипеткой; 6 - плотномер; в - измерение плотности денсиметром; 1 - резиновая груша; 2 - пипетка; 3 - денсиметр; 4 - резиновая пробка; 5 - пластмассовая трубка (наконечник); 6 - прозрачный корпус; 7 - пластмассовые поплавки Таблица 2.6. Определение разряженности батареи по величине измеренной плотности Плотность электролита полностью заряженной батареи, г/см3 Плотность электролита, г/см3, при степени разряженности батареи, % вень электролита ниже линии В, световой поток отражается от призматической поверхности и увеличивает освещенность поверхности 1. Конструктивно световой индикатор выполняют в виде резиновой или пластмассовой пробки 7, которую вставляют в заливочное отверстие аккумулятора. Приборы для измерения плотности электролита и оценки технического состояния батареи Один раз в три месяца и при снижении надежности пуска двигателя необходимо проверить степень разряженности батареи по плотности электролита. Разряженность батареи по величине измеренной плотности определяют с учетом начальной плотности электролита полностью заряженной батареи в соответствующем климатическом районе (табл. 2.6). Ориентировочно состояние заряженности батареи можно определить из условия, что при изменении на 0,01 г/см3 плотности электролита происходит изменение степени заряженности примерно на 6,25% (при сроке службы до 75% от установленного для батареи) Плотность электролита измеряют денсиметром 3 (рис. 2.49, а), помещенным в стеклянной пипетке 2, или плотномером (рис. 2.49, б). При измерении плотности полость пипетки 2 или плотномера заполняется электролитом из аккумулятора с помощью груши 1. Плотность электролита отсчитывают по делению шкалы денсиметра, которое устанавливается на уровне поверхности электролита. Цена деления шкалы денсиметра 0,01 г/см3. Денсиметр не должен касаться стенок пипетки. Точность показаний денсиметра повышается, если перед измерением 2-3 раза наполнить пипетку электролитом и вылить его. При использовании плотномера плотность определяют по последнему из всплывших поплавков 7, против которого на прозрачном корпусе 6 находится надпись с большим значением плотности. ни к показаниям денсиметра при приведении плотности электролита к температуре 25°С
Чтобы учесть температурную поправку, одновременно с измерением Рис. 2.51. Аккумуляторные пробники: а - Э107; б - Э108; 1 - вольтметр; 2 - кронштейн; 3 - корпус; 4 - нагрузочный резистор; 5 - контактная ножка; 6 - контактная гайка; 7 - щуп плотности pf измеряют температуру электролита t^,. Для приведения плотности к температуре 25°С используют график на рис. 2.50. Аккумуляторные батареи, степень разряженности которых больше 50% летом и 25% зимой, необходимо снять с эксплуатации и зарядить в стационарных условиях. Оценка технического состояния. После длительной эксплуатации батареи проявляется неоднородность технического состояния отдельных аккумуляторов. Плотность электролита в них может отличаться более чем на 0,01 r/см3, т.е. значение, которое допускается инструкцией по эксплуатации батареи. Все это приводит к увеличению погрешности при определении степени заряженности батареи. Для быстрой оценки технического состояния аккумуляторов и батареи в целом применяют аккумуляторные пробники Э107 и Э108 (рис. 2.51). Пробником Э107 (рис. 2.51, а) проверяют работоспособность 12-вольтовых батарей с межэлементными перемычками под крышкой. При проверке батареи щуп 7 подключается к отрицательному выводу, а контактная ножка 5 к положительному выводу батареи. Батарея исправна, если напряжение под нагрузкой в конце пятой секунды будет больше 8,9 В. Нагрузочные резисторы пробника Э107 соединены с одной контактной ножкой постоянно, а с другой соединение осуществляется с помощью гайки. Щуп 7 прикреплен к корпусу пробника с помощью гибкого изолированного провода. Аккумуляторный пробник Э108 (рис. 2.51, 6) используют для батарей с межэлементными перемычками над крышкой. Пробник Э108 унифицирован с пробником Э107, имеет три нагрузочных резистора из нихрома, две контактные гайки 6 и вольтметр 1 с двухсторонней шкалой, что не требует соблюдения полярности при измерениях. Различное включение позволяет проверять отдельные аккумуляторы батарей емкостью 45-105, 105-150 и 150-190 А-ч. При измерении напряжения острия контактных ножек плотно прижимаются к выводам проверяемого аккумулятора, чтобы контактные ножки прокололи свинцовую окисную пленку на поверхности выводов и обеспечивали надежный электрический контакт. Время подключения нагрузки не должно быть больше 5 с, чтобы избежать перегрева нагрузочных резисторов. Если напряжение исправного и заряженного аккумулятора отличается от напряжения других аккумуляторов на 0,1 В или падает ниже 1,4 В, батарею требуется зарядить в стационарных условиях или отремонтировать. При отключенных резисторах (если отвернуть обе гайки) отключается нагрузка и вольтметрами пробников измеряют ЭДС аккумуляторов или батареи (пробник Э107). После завершения работы с пробниками контактные ножки и щуп следует протереть для удаления электролита и смазать техническим вазелином. Хранить пробники рекомендуется в помещении, где отсутствуют пары кислоты. При длительном хранении все неокрашенные металлические поверхности деталей пробников должны быть покрыты консервационной смазкой. Категорически запрещается проверять техническое состояние аккумуляторов и батареи коротким замыканием «на искру» проводом большого сечения или металлическим предметом. Это приводит к быстрому выходу батареи из строя из-за выпадения активной массы и деформации электродов. При сильном искрении может произойти взрыв водородно-кислородной смеси в аккумуляторе. Методы заряда аккумуляторных батарей Аккумуляторные батареи заряжают от источника постоянного тока, на выводах которого напряжение выше зарядного напряжения заряжаемой батареи. При подключении к источнику тока положительный и отрицательный выводы батареи подсоединяются соответственно к положительным и отрицательным выводам источника. Сила зарядного тока I _ Ми.г. ~ Мз 3 ~ R ' где ии 7 - напряжение источника тока; U3 - зарядное напряжение аккумуляторной батареи; R - суммарное сопротивление зарядной цепи. В стационарных условиях аккумуляторную батарею можно заряжать при постоянной силе тока или при постоянном напряжении. Напряжение зарядного устройства уменьшается с увеличением силы тока. Для поддержания постоянным одного из основных параметров режима заряда необходимо применять регулирующие устройства. Заряд при постоянной силе тока. В этом случае заряжаемые батареи соединяются между собой последовательно и подключаются к зарядному устройству. Для поддержания постоянства силы тока в процессе заряда необходимо ИЗменять напряжение источника тока или сопротивление зарядной цепи. Основные способы регулирования силы тока заряда: включение в цепь заряда последовательно с аккумуляторными батареями реостата: применение регуляторов тока, в частности, тиристорных, которые поддерживают постоянным среднее значение зарядного тока за счет периодического включения в цепь заряда дополнительного резистора; изменение напряжения источника тока ручным или автоматическим регулирующим устройством в соответствии с показаниями амперметра. Большинство зарядных устройств получают питание от сети переменного тока и имеют трансформатор, поэтому допускают ступенчатую или плавную регулировку выходного напряжения за счёт изменения коэффициента трансформации. Число одновременно подключаемых на заряд батарей зависит от напряжения зарядного устройства или зарядной сети. Для обеспечения полного заряда 12-вольтовой батареи к ней нужно подвести напряжение 16,2 В, т.е. по 2.7 В на каждый аккумулятор. Следовательно, число батарей с номинальным напряжением 12 В. одновременно подключаемых к зарядному устройству, можно рассчитать по формуле: где ии т - напряжение зарядного устройства (зарядной сети); 0КЗ - напряжение батареи в конце заряда. Количество групп батарей, которое одновременно можно подключить к зарядному устройству, зависит от мощности последнего: г ~ U It' иИ.Т.'3 '3 где <п. - число групп батарей: F4 - номинальная мощность зарядного устройства: /3 - сипа тока заряда; 1Н - ■ к'ииьальный ток нагрузки зарядного устройства. Сила зарядного тска i3 выбирается, исходя из выбранного режима заряда. При 10-часовом режиме заряда 13=0.1С2О А. при 20-часовом 13=0,05С2о А. Заряд при постоянстве силы тока отличается сравнительной простотой регулирующих устройств и обеспечивает полный заряд батарей. По силе тока и времени заряда можно легко определить полученное батареей количество электричества. Недостатком метода является большая продолжительность и обильное газовыделение в конце заряда. Выделяющийся при электролизе воды газ создает видимость кипения электролита. Газовыделение и связанные с ним снижение уровня электролита, увеличение потерь энергии и температурь! батареи уменьшаются при ступенчатом заряде. Чаще всего для этого используется контрольный заряд, состоящий из двух ступеней с различным уровнем зарядного тока. Первая ступень заряда током силой 0,1 С20 А продолжается до тех пор, пока напряжение на каждом аккумуляторе не поднимется до 2,4 В {14,4 В для 12-вольтовой батареи). На второй ступени сила тока составляет 0,05С20 А и поддерживается постоянной до конца заряда. КПД заряда зависит от силы зарядного тока, степени заряженности батареи и температуры электролита. КПД заряда в комнатных условиях при силе тока заряда, меньшей О,1С20 А, для исправных батарей можно принять равным 0,85 - 0,90. Пределы регулирования включаемого последовательно с заряжаемыми батареями реостата можно определить по формулам: г, _ Уи.Т. - П6^Н.З. .    Г, _ U".T. - пб^к.з. МН ~    I    '    ”К —    I    > 'з    'з где ии т - напряжение зарядного устройства; 1)н э , UK 3 - напряжение на выводах батереи соответственно в начале и в конце заряда; п6 - число последовательно включенных аккумуляторных батарей. Большая продолжительность заряда, необходимость постоянного контроля и регулирования зарядного тока, повышенный расход электроэнергии на электролиз воды, повышение температуры в конце заряда, отрицательное влияние пв- резаряда и высокой температуры на состояние электродов являются недостатками способа заряда батарей при постоянной силе тока, которых можно хотя бы частично избежать при других способах заряда. Рис. 2.52. Заряд аккумуляторных батарей при постоянном напряжении: а - схема подключения батарей к зарядному устройству; б - характеристики заряда
Заряд при постоянном напряжении. При этом способе заряда аккумуляторные батареи подключают непосредственно к источнику питания, напряжение которого поддерживается постоянным (рис. 2.52). По мере заряда ЭДС и напряжение на выводах аккумуляторов возрастают и зарядный ток уменьшается. В начальный момент сила тока заряда зависит от степени разряженности батарви, температуры электролита, величины выходного напряжения зарядного устройства и может достигать (1-1,5)С20 А. Выбор оптимального значения зарядного напряжения зависит от температуры электролита и технического состояния батарви. Чем выше зарядное напряжение, тем интенсивнее заряд, но больше газовыделение и влияние других побочных факторов. При данном способе заряда возможен перегрев батареи вследствие большой силы тока в начале заряда. Заряд при постоянном напряжении затрудняется в условиях низких температур, так как резко возрастает внутреннее сопротивление батареи. Способ заряда при постоянном напряжении отличается простотой, так как для поддержания необходимого режима заряда не нужны регулирующие устройства. Зарядное напряжение на каждый аккумулятор должно составлять 2,4-2,5 В, следовательно, зарядное напряжение для 6-вольтовой батареи должно быть 7,2-7,5 В, а для 12-вольтоеых - 14,4-15,0 В. Сила зарядного тока для каждой батареи устанавливается автоматически. В процессе заряда с увеличением ЭДС батареи сила тока уменьшается и к концу заряда практически понижается почти до нуля. Батарею можно зарядить до 90 - 95% от номинальной емкости. Частным случаем заряда при постоянном напряжении является заряд по закону «ампер-часов», при. котором аккумуляторная батарея заряжается током силой, численно равной 95% емкости, которую надо сообщить батарее при последующем заряде. Сила зарядного тока при таком условии снижается. Процесс заряда будет форсированным, но с наименьшими потерями энергии, без перегрева электролита и обильного газообразования, Заряд по закону “ампер-часов" позволяет обеспечить полный заряд батареи за 4-4,5 ч, а до 90% номинальной емкости батарея заряжается за 2,5 ч. При постоянстве напряжения подзаряжаются батареи на автомобилях. Так как полный заряд батарей в этом случае невозможен, рекомендуется периодически снимать батарею с машины и проводить полный заряд при постоянной силе тока е стационарных условиях. Модифицированный заряд. Целью модифицированного заряда является снижение силы тока в начальный период заряда и уменьшение влияния колебаний 12 3 4 5 6 Продолжительность заряда, ч I____________ Рис. 2.53. Изменение напряжения на аккумуляторе U3, силы тока 13, температуры электролита ?эл и плотности электролита при модифицированном заряде напряжения в зарядной сети на зарядный ток. В цепь заряда включается небольшой резистор. Напряжение зарядной сети поддерживается постоянным в пределах от 2,5 до 3,0 В на каждый аккумулятор. Оптимальное для свинцовых аккумуляторов напряжение 2,6 В обеспечивает заряд примерно за 8 ч. Изменение параметров свинцового аккумулятора в процессе модифицированного заряда при напряжении зарядной сети 2,63 В и добавочном сопротивлении 0.0091 Ом показано на рис. 2.53. Уже через 7 ч аккумулятор восстанавливает отданную при разряде емкость и далее в течение часа работает в режиме перезаряда. Форсированный заряд. Для быстрого восстановления работоспособности сильно разряженной аккумуляторной батареи проводят форсированный заряд током силой численно равной 0.7С2о А. Время форсированного подзаряда должно быть тем меньше, чем больше сила тока заряда (30 мин при силе тока 0.7С20 А, 45 мин при токе 0,5С20 А и 90 мин при токе О.ЗС20 А). При повышении температуры электролита свыше 40СС заряд прекращается. Применять форсированный заряд можно только в исключительных случаях, так как многократное повторение такого способа заряда заметно сокращает срок службы аккуму-пяторной батареи. Уравнительный заряд. При проведении уравнительного заряда токами меньшими 0,1 С20 А обеспечивается выравнивание плотности электролита и степени заряженности отдельных аккумуляторов батареи, восстановление активных масс на электродах, нейтрализация действия глубоких разрядов на отрицательный электрод. Уравнительный заряд обычно используется для устранения возможной сульфатации электродов и заканчивается через три часа после установления постоянства плотности электролита. Постоянный подзаряд малыми токами. Ток заряда силой 0,025 - 0,1 А выбирается из условия компенсации теряемой батареей емкости при саморазряде. Подзаряд может осуществляться при постоянной силе тока или при постоянном напряжении как на транспортном средстве, так и в помещениях для хранения батарей. Непрерывный подзаряд позволяет поддерживать батарею в заряженном состоянии, однако одновременно ускоряет процесс коррозии решеток положительных электродов. На подзаряд малыми токами следует устанавливать только исправные и полностью заряженные батареи. Контрольно-тренировочный цикл. Для батарей, залитых электролитом, контрольно-тренировочные циклы проводятся один раз в год и в тех случаях, когда нужно оценить пригодность батареи для дальнейшей эксплуатации. По результатам контрольно-тренировочного цикла судят о техническом состоянии батареи, выявляют неисправные аккумуляторы в батарее, оценивают её возможности по отдаче емкости. Контрольно-тренировочный цикл включает в себя заряд батареи током силой 0,1 С20 А до напряжения 2,4 В на каждом аккумуляторе, дальнейший полный заряд батареи током 0,05С20 А, затем разряд постоянным током силой 0,05С20 А до конечного разрядного напряжения на аккумуляторе 1,75 В. Емкость, отданная при разряде батареи в контрольно-тренировочном цикле, приводится к температуре 25' С и сравнивается с номинальной. В период гарантированного срока службы она не должна быть меньше 0,9С2о- Если емкость ниже 40% от номинальной, то батарея считается непригодной к эксплуатации. Сроки службы батарей 5    10 Тыс. км Рис. 2.54. Изменение срока службы аккумуляторных батарей в зависимости от интенсивности эксплуатации
В начальный период эксплуатации емкость батареи несколько повышается вследствие увеличения пористости электродов и количества активных материалов, участвующих в токообразующих реакциях. Емкость батарей, определяемая при 20-часовом режиме разряда не позже четвертого цикла, должна быть не менее 95%, а необслуживаемых - 100% от номинального значения, при этом определение сухо-заряженности считают первым циклом. _ 15
По мере естественного изнашивания электродов, коррозии решеток и оплывания активной массы положительных электродов, уплотнения активной массы отрицательных электродов, деформации электродов, «прорастания» сепараторов и короткого замыкания между электродами различной полярности, необратимой сульфатации электродов и саморазряда аккумуляторов емкость стартерных аккумуляторных батарей постепенно уменьшается. Срок службы батарей зависит от интенсивности эксплуатации автомобиля, уровня регулируемого напряжения генераторной установки, силы разрядного тока и относительной продолжительности разряда, температуры окружающей среды и электролита, уровней вибрации и тряски. Влияние интенсивности эксплуатации автомобилей (среднемесячного пробега автомобилей в тыс. км) на срок службы батарей (мес.) показано на рис. 2.54. Как правило, срок службы ограничивается коррозией решеток положительных электродов при малой интенсивности эксплуатации (до 5-6 тыс. км пробега в месяц). При более интенсивной эксплуатации на срок службы в большой степени влияют оплывание активной массы положительных электродов и короткое замыкание электродов по кромкам вследствие «прорастания» сепараторов из мипора. Влияние интенсивности эксплуатации транспортного средства на работоспособность батарей существенно и учтено при нормировании минимальных и гарантийных сроков службы. Рис, 2.55. Зависимость срока службы батарей 6СТ-60 от уровня регулируемого напряжения генераторной установки на автомобиле ГАЗ-ЗЮ29
Срок службы батареи будет максимален при поддержании в определенных пределах величины зарядного напряжения генераторной установки (рис. 2.55). Чем больше сила тока и относительная продолжительность разряда при цитировании, тем больше глубина разряда и труднее восстановить необходимую степень заряженности батареи при последующем цикле подзаряда от генераторной установки. Средний уровень заряженности батарей в процессе эксплуатации будет ниже, что приведет к снижению сроков их службы. Срок службы аккумуляторных батарей уменьшается при увеличении плотности как разрядного, так и зарядного тока. С другой стороны, при очень малых силах разрядного тока и продолжительности разряда возможен длительный перезаряд батарей, что также ведет к сокращению срока их службы. Расчетная нагрузка системы электроснабжения зависит от количества и относительного времени включенного состояния потребителей электроэнергии на автомобиле или тракторе. Параметры генераторной установки выбираются из условия обеспечения положительного зарядного баланса аккумуляторной батареи, поэтому не допускается включение в систему электрооборудования дополнительных потребителей, которые могут нарушить баланс электроэнергии и привести к уменьшению срока службы батареи. Чтобы предотвратить увеличение относительного времени разряда аккумуляторной батареи при цитировании, необходимо постоянно контролировать натяжение ремня привода генератора, не допуская его проскальзывания и соответствующего снижения частоты вращения ротора. Срок службы аккумуляторных батарей зависит от климатической зоны эксплуатации, что связано с влиянием на их работоспособность высоких и низких температур. При эксплуатации батарей в холодных климатических районах чаще и на большее время включаются такие потребители большой мощности, как фары головного освещения, различные подогреватели, обогреватели стекол, отопители и т.п. Кроме того, резко возрастают сила тока и продолжительность разряда батареи при ее работе в стартерном режиме. Батареи хуже воспринимают заряд. Средняя степень заряженности батарей меньше, и основной причиной выхода их из строя будет оплывание активной массы электродов. В районах с жарким климатом снижение срока службы связано с перезарядом батарей и коррозией решеток положительных электродов. В течение значительной части срока службы стартерные свинцовые батареи отдают емкость большую, чем гарантирует завод-изготовитель. Минимальный срок службы или наработка батареи в эксплуатации считается до момента снижения емкости ниже 40% от номинальной или уменьшения продолжительности стартерного разряда до 1,5 мин при температуре электролита (25±2)°С до конечного разрядного напряжения 4,5 В для 6-вольтовых и 9,0 В для 12-вольтовых батарей. Минимальный срок службы батарей обычной старой конструкции и с общей крышкой в эксплуатации должен составлять 1 год при наработке транспортного средства в пределах этого срока не более 150 тыс. км пробега или 2 года при наработке транспортного средства в пределах этого срока не более 90 тыс. км пробега. Минимальный срок службы необслуживаемых батарей в эксплуатации должен составлять 3 года при наработке транспортного средства в пределах этого срока службы не более 100 тыс. км пробега. Минимальный срок сохраняемости не залитой электролитом батареи должен составлять 3 года. При этом минимальный срок сохраняемости сухозаряженно-сти должен составлять 1 год. Минимальный срок сохраняемости необслуживаемых батарей, залитых электролитом с промежуточным зарядом в пределах минимального срока службы, устанавливается равным 2 годам. Гарантийный срок сохраняемости батарей, не залитых электролитом - 3 года с момента изготовления. Г арантийный срок сохраняемости сухозаряженности батарей - 1 год с момента изготовления. Гарантийный срок эксплуатации - 18 месяцев со дня ввода батарей в эксплуатацию. Гарантийная наработка - 60 тыс. км пробега или 2500 моточасов в пределах гарантийного срока эксплуатации. Г арантийный срок эксплуатации необслуживаемых батарей - 24 месяца при гарантийной наработке транспортного средства не более 75 тыс. км пробега в пределах гарантийного срока. Г арантийный срок хранения в пределах гарантийного срока эксплуатации - 3 ‘ месяца с момента изготовления. 2.7. Неисправности аккумуляторных батарей Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи в процессе эксплуатации на автомобиле подвергаются воздействию низких и высоких температур, механических и электрических нагрузок, а также других факторов, которые могут отразиться на их работоспособности. Под воздействием тех же факторов, особенно в тех случаях, когда они выходят за пределы установленных норм, в аккумуляторных батареях возникают различные неисправности, которые ухудшают электрические характеристики и эксплуатационные качества батарей или полностью выводят их из строя. В большинстве случаев появление неисправностей связано с неправильной организацией технического обслуживания аккумуляторных батарей в эксплуатации. Для предупреждения и своевременного устранения неисправностей необходимо знать их характерные признаки и причины появления, что позволит существенно повысить срок службы батарей. К неисправностям, которые могут быть обнаружены при внешнем осмотре батареи, относятся трещины и сколы в моноблоках и крышках, трещины и отслоение от стенок моноблока и крышек герметизирующей заливочной мастики, повреждение пробок, окисление, механический износ или излом полюсных выводов. Коррозия решеток положительных электродов, оплывание и выпадение активных веществ, деформация (коробление), короткое замыкание, переполю-совка электродов, отрыв электродов от мостиков, сульфатация электродов, повышенный саморазряд - неисправности, которые не могут быть выявлены при внешнем осмотре, поэтому их относят к внутренним неисправностям. Для обнаружения внутренних неисправностей разработаны и используются на практике различные методы и средства диагностики батарей. В процентном отношении в среднем на долю неисправностей, связанных с коррозией решеток положительных электродов, приходится около 42% общего числа неисправностей. С оплыванием диоксида свинца и коротким замыканием нижних кромок электродов связано 95% неисправностей, с прорастанием сепараторов из мипласта и разрушением сепараторов из мипора - 16%. На остальные виды неисправностей приходится около 6,5%. Преобладание тех или иных видов отказа связано с влиянием режимов и условий эксплуатации на характер электрохимических процессов в аккумуляторах. Таблица 2.7. Неисправности аккумуляторных батарей, причины их возникновения и способы устранения Причины неисправности Признаки неисправности. Способ устранения 1. Аккумуляторная батарея быст| достаточной частоты вращения коленча1 1.1.    Длительное включение питания на стоянках при неработающем двигателе или малой частоте вращения коленчатого вала. Продолжительное включение фар головного освещения, отопителя, обогревателей и других потребителей большой мощности 1.2.    Ускоренный саморазряд вследствие утечки тока при замыкании выводов батареи грязью или электролитом по поверхности крышек 1.3.    Ускоренный саморазряд вследствие утечки тока при коротком замыкании между разнополярными электродами (разрушение или «прорастание» сепараторов, образование токоведущих мостиков по кромкам электродов и сепараторов, замыкание электродов шламом, образующимся между опорными призмами моноблоков при выпадении активной массы) 1.4.    Ускоренный саморазряд батареи вследствие заполнения аккумуляторов недистиллированной водой или электролитом разной плотности, а также попадания в электролит посторонних примесей >о разряжается и не обеспечивает гого вала двигателя стартером при пуске По возможности ограничить количество включенных потребителей, время включения потребителей электроэнергии, если их суммарная мощность превышает мощность генераторной установки на данном режиме работы двигателя Очистить поверхность батареи 10%-ным раствором нашатырного спирта или кальцинированной соды Признаки короткого замыкания: малая ЭДС аккумуляторов при нормальной плотности электролита; незначительное повышение плотности электролита и напряжения на выводах батареи в процессе заряда; отсутствие или слабое газовыделение («кипение» электролита) в конце заряда. Способы устранения: заменить разрушенные сепараторы, удалить шлам со дна бака Разрядить батарею током десятичасового режима до напряжения 1,1-1,2 В на аккумулятор. Электролит вылить, батарею промыть, залить в нее свежий электролит и зарядить Причины неисправности Признаки неисправности. Способ устранения 1.5.    Короткие замыкания в цепях первичной обмотки катушки зажигания, стартера, приборов освещения сигнализации, контроля и т.д. 1.6.    Сульфатация электродов вследствие длительного хранения батареи, эксплуатация батареи при низкой степени заряженности и с пониженным уровнем электролита 1.7.    Окисление выводов батареи и наконечников, проводов вследствие неплотного крепления в местах соединения 1.8.    Неисправность одного или нескольких аккумуляторов 1.9.    Неисправность генераторной установки 2. Быстрое снижение 2.1.    Повреждение моноблока батареи 2.2.    Перезарзд батареи из-за повышенного зарядного напряжения 2.3.    Неплотно завернуты пробки Выключить все потребители и проводом от "массы" коснуться отрицательного вывода батареи. Наличие искры свидетельствует о коротком замыкании в одной из цепей Признаки супьфатации: высокое напряжение в начале заряда; преждевременное обильное газовыделение при незначительном увеличении плотности электролита в процессе заряда; повышенная температура и пониженное напряжение в конце заряда; пониженные емкость и напряжение в процессе разряда, быстрое снижение напряжения при его измерении нагрузочной вилкой; белый налет на поверхностях электродов. Способ устранения: удалить электролит, залить новый электролит плотностью 1,145 г/см3, зарядить батарею током небольшой силы (до 0,05С2о А), к концу заряда довести плотность электролита до нормы. При значительной сульфатации сдать батарею в ремонт Зачистить, закрепить и смазать выводы и наконечники проводов техническим вазелином Признаки неисправности: емкость неисправного аккумулятора значительно меньше, чем у исправных; быстро снижается напряжение; ниже плотность электролита. Способ устранения: заменить батарею Проверить наличие зарядного тока; при необходимости проверить исправность генератора и регулятора напряжения уровня электролита Выявить трещины, по возможности устранить с помощью специального клея; при невозможности восстановления заменить моноблок Проверить исправность генераторной установки; при необходимости отрегулировать уровень напряжения Проверить затяжку пробок, при необходимости плотнее завернуть пробки 3, Выплескивание электролита через вентиляционные отверстия в пробках 3.1.    Повышенный уровень электролита в аккумуляторах 3.2.    Повышенный зарядный ток 3.3.    Отсутствие отражательной пластины в пробке 3.4.    Короткое замыкание разноименных электродов в аккумуляторе Проверить уровень электролита; излишки электролита отобрать резиновой грушей Проверить исправность генераторной установки и отрегулировать уровень напряжения Отремонтировать или заменить пробку Сдать батарею s ремонт 4. Аккумуляторная батарея не заряжается 4.1.    Обрыв в цепи генераторная установка -аккумуляторная батарея 4.2.    Разрушение активной массы электродов 4.3. Сульфатация электродов Выявить и устранить неисправность Признаки неисправности: малая ЭДС аккумуляторов при нормальной плотности электролита; незначительное увеличение плотности электролита и напряжения на выводах батареи, отсутствие или слабое газовыделение в процессе заряда. Способ устранения: батарею сдать в ремонт См. п. 1.6 5. Амперметр показывает большой зарядный ток при нормальном уровне регулируемого напряжения 5.1. Короткое замыкание разнополярных электродов в аккумуляторе См. п. 3.4
6. Понижена емкость батареи 6.1.    Сульфатация электродов 6.2.    Ускоренный саморазряд 6.3.    Малая плотность электролита 6.4.    Разрушены электроды вследствие короткого замыкания или длительного перезаряда 6.5.    Пониженный уровень электролита См. п. 1.6 См. пп. 1.2,1.3,1.4 Проверить плотность и довести до нормы См. п. 4.2 Проверить уровень электролита, при необходимости довести его до нормы ГЛАВА 3 Генераторные установки Генераторная установка состоит из электрогенератора и регулятора напряжения. Они, вместе с элементами контроля работоспособности и защиты от возможных аварийных режимов, образуют систему электроснабжения автомобиля. Г енераторная установка обеспечивает питанием злектропотребители, включенные в бортовую сеть автомобиля, и заряжает его аккумуляторную батарею при работающем двигателе. Даже на холостом ходу двигателя генератор должен развивать мощность, достаточную для электропитания наиболее важных потребителей. В мировой практике генераторные установки на холостом ходу двигателя развивают 4050% от номинальной мощности. Напряжение в бортовой сети автомобиля должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузок. Стабильность напряжения, обеспечиваемая работой регулятора, является непременным условием надежной работы аккумуляторной батареи и других электропотребителей. Превышение напряжения сверх допустимых пределов служит причиной перезаряда аккумуляторной батареи с последующим выходом ее из строя, пониженное напряжение вызывает недозаряд батареи. Увеличение напряжения на 10% сверх номинального снижает срок службы ламп примерно на 50%. Генераторные установки рассчитаны на номинальное напряжение 14 и 28 В. Напряжение 28 В характерно для автомобилей с дизелем. Однако на дизельных автомобилях, например, на автомобилях ЗИЛ 5301 («Бычок»), ЗИЛ 4331, ЗИЛ 133ГЯ возможна и двухуровневая система: 14 В непосредственно на генераторе для электроснабжения основных потребителей, 28 В - на выходе трансформаторно-выпрямительного блока для подзарядки аккумуляторной батареи, Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме, в которой с корпусом соединен отрицательный полюс системы. Отечественной нормативной документацией предусматривается изготовление установок и по двухпроводной схеме, но практически такое исполнение не реализуется. Генераторная установка питает ботовую сеть автомобиля постоянным током. Однако известно, что механическую энергию можно преобразовать в электрическую только посредством переменного тока. Поэтому ранее автомобили снабжались выпрямителем-коллектором со щетками в генераторах постоянного тока, а теперь - полупроводниковым выпрямителем в повсеместно применяющихся автомобильных вентильных генераторах. Для питания вспомогательных устройств, например, реле блокировки стартера, трансформаторно-выпрямительного блока систем на два уровня напряжения, тахометра и т.п., используется переменный ток, вырабатываемый генератором. В последнее время наблюдается тенденция использовать переменный ток и для управления работой регулятора напряжения самой генераторной установки. Г енераторная установка - достаточно надежное устройство, способное выдержать повышенные вибрации двигателя, высокую подкапотную температуру, воздействие влажной среды, грязи и т.п. Принцип действия вентильного электрогенератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы как у отечественных, так и у зарубежных образцов. 3.1. Принцип действия вентильного генератора Преобразование механической энергии, которую автомобильный генератор получает от двигателя внутреннего сгорания через ременную передачу, в электрическую происходит, как и в любом генераторе, в соответствии с явлением электромагнитной индукции. Суть явления состоит в том, что, если изменять магнитный поток, пронизывающий катушку, витки которой выполнены из проводящего материала, например, медного провода, то на выводах катушки появляется электрическое напряжение, равное произведению числа ее витков на скорость изменения магнитного потока. Совокупность таких катушек образует в генераторе обмотку статора. Возможны два варианта изменения магнитного потока: по величине и направлению, что обеспечивается в щеточной конструкции вентильного генератора, или только по величине, что характерно для индукторного бесщеточного генератора. Для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Эта катушка образует обмотку возбуждения. Сталь, в отличие от воздуха, хорошо проводит магнитный поток. Поэтому основные узлы генератора, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, состоят из стальных участков и обмоток, в которых создается магнитный поток при протекании в них электрического тока (обмотка возбуждения), и возникает электрический ток при изменении этого потока (обмотка статора). Обмотка статора с его магнитопроводом образует собственно статор, главную неподвижную часть, а обмотка возбуждения с полюсной системой и некоторыми другими деталями (валом, контактными кольцами) - ротор, главную вращающуюся часть. Питание обмотки возбуждения осуществляется от источника постоянного тока, например, от аккумуляторной батареи или от самого генератора. В последнем случае генератор работает на самовозбуждении, его первоначальное напряжение образуется за счет остаточного магнитного потока, который создается стальными частями ротора даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Это напряжение вызывает появление электрического тока в обмотке возбуждения, в результате чего магнитный поток усиливается и вызывает лавинный процесс возбуждения генератора. Однако самовозбуждение генератора происходит на слишком высоких частотах вращения ротора. Поэтому в схему генераторной установки, если обмотка возбуждения не соединена с аккумуляторной батареей, еводят такое соединение через контрольную лампу мощностью 2-3 Вт. Небольшой ток, поступающий через эту лампу в обмотку возбуждения, обеспечивает возбуждение генератора при низких частотах вращения ротора. При работе генератора напротив катушек обмотки статора устанавливается то южный, то северный полюс ротора, при этом направление магнитного потока, пронизывающего катушку, изменяется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения f зависит от частоты вращения ротора п и числа пар полюсов р генератора: У всех автомобильных генераторов отечественного производства и, за редким исключением, генераторов зарубежных фирм шесть пар полюсов, при этом частота переменного тока в обмотке статора, выраженная в Гц, меньше частоты вращения ротора генератора, измеряемой в мин-1, в 10 раз. С учетом передаточного числа ременной передачи i от двигателя к генератору, частота переменного тока, выраженная через частоту вращения коленчатого вала двигателя пдв определяется соотношением: f~ 0,1 Pppi Следовательно, по частоте переменного тока генератора можно измерять частоту вращения коленчатого вала двигателя, что и используется в реальных схемах подключением тахометра или любого другого устройства, реагирующего на частоту вращения коленчатого вала, к выводу обмотки статора. Обмотка статора как отечественных, так и зарубежных генераторов - трехфазная. Она состоит из трех обмоток фаз, которые иногда называют просто фазами, токи и напряжения в которых смещены на 120 электрических градусов, как показано на рис. 3.1. Фазы могут соединяться в «звезду» или «треугольник». При этом различают фазные и линейные напряжения и токи. Фазные напряжения действуют между выводами обмоток фаз, а токи протекают в этих обмотках, линейные напряжения действуют между проводами, соединяющими обмотку статора с выпрямителем. В зтих проводах протекают линейные токи. Естественно, выпрямитель выпрямляет те величины, которые к нему подводятся, т.е. линейные. При соединении в «треугольник» фазные токи в V!T раза меньше линейных, в то время как у «звезды» линейные и фазные токи равны. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках фаз при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды». Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение типа «треугольник», т.к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Однако линейное напряжение у «звезды» в V3 раз больше фазного, в то время как у «треугольника» они равны, и для получения такого же выходного напряжения при тех же частотах вращения ротора «треугольник» требует соответствующего увеличения числа витков его фаз по сравнению со «звездой». Более тонкий провод можно применять и при соединении типа «звезда». В этом случае обмотку выполняют из двух параллельно соединенных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», т.е. соединением «двойная звезда». Выпрямитель содержит для трехфазной системы шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых VD1, VD3, VD5 соединены с выводом «+» генератора, а три - VD2, VD4, VD6 - с выводом «-» («массой»). Однако стремление повысить мощность генератора привело к увеличению числа диодов выпрямителя до восьми и применению дополнительного плеча выпрямителя на диодах VD7, VD8, показанного на рис. 3.1 пунктиром. Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», так как дополнительное плечо запитывается от «нулевой» точки «звезды». установки: Цф, Un, Ud соответственно фазное, линейное и выпрямительное напряжения; 1,2,3- обмотки трех фаз статора; 4 - диоды силовою выпрямителя; 5 - аккумуляторная батарея; 6 - нагрузка; 7 - диоды выпрямителя обмотки возбуждения; 8 - обмотки возбуждения; 9 - регулятор напряжения
Подключение обмотки возбуждения к собственному выпрямителю на диодах VD9 - VD11 препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении. По графику фазных напряжений (рис. 3.1) можно определить, какие диоды открыты, какие закрыты в данный момент времени. Фазное напряжение 1)ф действует в обмотке первой фазы, - второй, 1)фз - третьей. Эти напряжения изменяются по кривым, близким к синусоиде, и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее, то, например, для момента времени t1t когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы - положительно, а третьей - отрицательно, направление напряжений фаз соответствует стрелкам на рис. 3.1. Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. При этом открыты диоды VD1, VD4. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление - от вывода «+» генераторной установки к ее вывод/ «->>, т.е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. В выпрямитель обмотки возбуждения входят также 6 диодов, но три из них - VD2, VD4. VD6 - общие с силовым выпрямителем. Ток в обмотке возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов VD9 - VD11 применяются малогабаритные слаботочные диоды, рассчитанные на ток не более 2 А. Плечо выпрямителя, содержащее диоды VD7, VD8, вступает в работу только в том случае, если фазные напряжения генератора отличаются от синусоиды, что и имеет место в реальных генераторах. Напряжение любой формы можно представить в виде суммы синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками - первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высших, главным образом третьей, частота которой в три раза выше, чем первой. Представление реальной формы фазного напряжения в виде суммы двух гармоник, первой и третьей, показано на рис. 3.2. Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т.е. в том напряжении, которое проводами подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т.е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимно уничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника напряжения в фазном напряжении присутствует, а в линейном - нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения, не может быть использована потребителем. Чтобы потребители могли использовать зту мощность, добавлены диоды VD7 и VD8, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т.е. к точке, где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, диоды VD7, VD8 выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает номинальную мощность генератора. Рис. 3.2. Представление фазного напряжения Иф а виде суммы синусоид первой I/, и третьей U3 гармоник
Как видно на рис. 3.1, выпрямленное напряжение носит пульсирующий характер. Применение дополнительного плеча на диодах VD7, VD8 усугубляет глубину пульсации. Однако наличие аккумуляторной батареи, которая яв-яяется своеобразным фильтром, сглаживает напряжение в бортовой сети автомобиля. При этом ток в самой батарее пульсирует. 3.2. Принцип действия регулятора напряжения Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять дополнительные функции - защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузки, автоматически включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигнализации аварийной работы генераторной установки. Все регуляторы напряжения работают по единому принципу. Напряжение генератора определяется тремя факторами - частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, создаваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напряжение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение. Все регуляторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьшается, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы. Блок-схема регулятора напряжения представлена на рис. 3.3. Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регулирующий элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение генератора 2 Ujj и преобразует его в сигнал иизм , который в элементе сравнения сравнивается с эталонным значением U3T. Если величина иичм отличается от эталонной величины иэт, на выходе измерительного элемента появляется сигнал U0, который активизирует регулирующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в заданные пределы. Рис. 3.3. Блок-схема регулятора напряжения: 1 - регулятор; 2 - генератор; 3 - элемент сравнения; 4 - регулирующий элемент; 5 -измерительный элемент
Таким образом, к регулятору напряжения обязательно должно быть подведено напряжение генератора или напряжение из другого места бортовой сети, где необходима его стабилизация, например, от аккумуляторной батареи, а также подсоединена обмотка возбуждения генератора. Если функции регулятора расширены, то и число подсоединений его в схему растет. Чувствительным элементом электронных регуляторов напряжения является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на элемент сравнения, г де роль эталонной величины играет обычно напряжение стабилизации стабилитрона. Стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжении ниже напряжения стабилизации и пробивается, т.е. начинает пропускать через себя ток. если напряжение на нем превысит напряжение стабилизации. Напряжение же на стабилитроне остается при этом практически неизменным. Ток через стабилитрон включает электронное реле, которое коммутирует цепь возбуждения таким образом что ток в обмотке возбуждения изменяется в нужную сторону. В вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах чувствительный элемент представлен в виде обмотки электромагнитного реле, напряжение к которой, впрочем, тоже может подводиться через входной делитель, а эталонная величина - это сила натяжения пружины, противодействующей силе притяжения электромагнита. Коммутацию в цепи обмотки возбуждения осуществляют контакты реле или. в контактно-транзисторном регуляторе, полупроводниковая схема, управляемая этими контактами. Особенностью автомобильных регуляторов напряжения является то. что они осуществляют дискретное регулирование напряжения путем включения и выключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжи-тепьность включения обмотки или дополнительного резистора. Поскольку вибрационные и контактно-транзисторные регуляторы представляют лишь исторический интерес, а в отечественных и зарубежных генераторных установках в настоящее время применяются электронные транзисторные регуляторы, удобно рассмотреть принцип работы регулятора напряжения на примере простейшей схемы, близкой к отечественному регулятору напряжения Я112А1 и регулятору EE14V3 фирмы BOSCH (рис. 3.4 ). Регулятор 2 на схеме работает в комплекте с генератором 1, имеющим дополнительный выпрямитель обмотки возбуждения. Чтобы понять работу схемы следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает •jepe3 себя ток при напряжениях ниже величины напряжения стабилизации. При достижении напряжением этой величины стабилитрон пробивается, и по нему начинает протекать ток. Транзисторы же пропускают ток между коллектором и эмиттером, т.е. открыты. если в цепи база-змиттер ток протекает, и не пропускают этого тока. т.е. закрыты, если базовый ток прерывается. Напряжение к стабилитрону VD1 подводится от выхода генератора Д через делитель напряжения на резисторах R1, R2. Пока напряжение генератора невелико, и на стабилитроне оно ниже напряжения стабилизации, стабилитрон закрыт, ток через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора VT1 не протекает, транзистор VT1 закрыт. В этом случае ток через резистор R6 от вывода Д поступает в базовую цепь транзистора VT2, он открывается, через его переход эмиттер-коллектор начинает протекать ток в базе транзистора VT3, который открывается тоже. При этом обмотка возбуждения генератора оказывается через переход эмиттер-коллектор VT3 подключена к цепи питания. Соединение транзисторов VT2, VT3, при котором их коллекторные выводы объединены, а пи- Рис. 3.4. Схема электронного транзисторного регулятора напряжения: 1 - генератор; 2 - регулятор тание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, называется схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом усиления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния. Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD1. При достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации стабилитрон VD1 пробивается, ток через него начинает поступать в базовую цепь транзистора VT1, который открывается и своим переходом эмиттер-коллектор закорачивает вывод базы составного транзистора VT2, VT3 на «массу». Составной транзистор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются стабилитрон VD2, транзистор VT1, открывается составной транзистор VT2, VT3, обмотка возбуждения вновь включается в цепь питания, напряжение генератора возрастает и т.д„ процесс повторяется. Таким образом регулировка напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного времени включения обмотки возбуждения цепи питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяется так, как показано на рис. 3.5. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается, если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла - увеличивается. В схеме регулятора по рис. 3.4 имеются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD2 при закрытии составного транзистора VT2, VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбуждения со значительной индуктивностью. буждения (в по времени t: Ькл й Ььжл - соответственно время включения и выключения обмотки возбуждения генератора; П1 и п2 ~ частоты вращения ротора генератора, причем п2 больше п^, !в1 и fe2 - среднее значение тока в обмотке возбуждения
В этом случае ток обмотки возбуждения может замыкаться через этот диод, и опасных всплесков напряжения не происходит. Поэтому диод VD2 называется гасящим. Сопротивление R3 является сопротивлением жесткой обратной связи. При открытии составного транзистора VT2, VT3 оно оказывается подключенным параллельно сопротивлению R2 делителя напряжения. При этом напряжение на стабилитроне VD2 резко уменьшается, что ускоряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключения. Это благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной установки. Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регулятор от влияния импульсов напряжения на его входе. Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход зтой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочастотных помех на работу регулятора, либо ускоряют переключения транзисторов. В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разряжается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разрядного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая потери мощности в нем и его нагрев. Из рис. 3.4 хорошо видна роль лампы контроля работоспособного состояния генераторной установки HL. При неработающем двигателе внутреннего сгорания замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA через эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечивается первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнализируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва. После запуска двигателя, на выводах генератора Д и «+» появляется практически одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генераторная установка при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL продолжает гореть и в зтом режиме, что является сигналом об отказе генераторной установки или обрыве приводного ремня. Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора, если при работающем двигателе автомобиля произойдет обрыв цепи обмотки возбуждения. то лампа HL загорится. Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - понижалось. Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятора напряжения. В простейшем случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах. 3 рассмотренной схеме регулятора напряжения, как и во всех регуляторах аналогичного типа, частота переключений в цепи обмотки возбуждения изменяется по мере изменения режима работы генератора. Нижний предел этой частоты составляет 25-50 Гц. Однако имеется и другая разновидность схем электронных регуляторов, в которых частота переключения строго задана. Регуляторы такого типа оборудованы широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который и обеспечивает заданную частоту переключения. Применение ШИМ снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п. 8 настоящее время все больше зарубежных фирм переходит на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи пои неработающем двигателе автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора. Регуляторы. как правило, оборудованы ШИМ, который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера. После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы. Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки. 3.3. Электрические схемы генераторных установок Принципиальные электрические схемы генераторных установок приведены на рис. 3.6. Рис. 3.6. Схемы генераторных установок: 1 - генератор; 2 - обмотка возбуждения; 3 - обмотка статора; 4 - выпрямитель; 5 - выключатель: 6 - реле контрольной пампы; 7 - регулятор нвг,ряжения; 8 - контрольная лампа: 9 - помехоподави-тепьный конденсатор: 10 - трансформаторно-выпрямительный блок; 11 - аккумуляторная батарея; 12 - стабилитрон защиты от всплесков напряжения; 13 - резистор Генераторные установки могут иметь следующие обозначения выводов: «плюс» силового выпрямителя: «+», В, 30, В+, ВАТ; «масса»: «-», D-, 31, В-, М, Е, GRD; вывод обмотки возбуждения: Ш, 67, DF, F, EXC, Е, FLD; вывод для соединения с лампой контроля исправности (обычно «плюс» дополнительного выпрямителя, там, где он есть): D, D+, 61, L, WL, IND; вывод фазы: W, R, STA, вывод нулевой точки обмотки статора: 0, Мр; вывод регулятора напряжения для подсоединения его в бортовую сеть, обычно к «+» аккумуляторной батареи: Б, 15, S; вывод регулятора напряжения для питания его от выключателя зажигания: /G; вывод регулятора напряжения для соединения его с бортовым компьютером: FR, F. Различают два типа невзаимозаменяемых регуляторов напряжения - в одном типе (рис. 3.6, а) выходной коммутирующий элемент регулятора напряжения соединяет вывод обмотки возбуждения генератора с «+» бортовой сети, в другом типе (рис. 3.6, б, в) - с «-» бортсети. Транзисторные регуляторы напряжения второго типа являются более распространенными. Чтобы на стоянке аккумуляторная батарея не разряжалась, цепь обмотки возбуждения генератора (в схемах 3.6, а, б) запитывается чврез выключатель зажигания. Однако при этом контакты выключателя коммутируют ток до 5А, что неблагоприятно сказывается на их сроке службы. Разгрузить контакты выключателя можно, используя промежуточное реле, но более прогрессивно, если через выключатель зажигания запитывается лишь цепь управления регулятора напряжения (рис. 3.6, в), потребляющая ток силой в доли ампера. Прерывание тока в цепи управления переводит электронное реле регулятора в выключенное состояние, что не позволяет току протекать через обмотку возбуждения. Однако применение выключателя зажигания в цепи генераторной установки снижает ее надежность и усложняет монтаж на автомобиле. Кроме того, в схемах на рис. 3.6, а, б, в падение напряжения в выключателе зажигания и других коммутирующих или защитных элементах, включенных в цепь регулятора (штекерные соединения, предохранители), влияет на уровень поддерживаемого регулятором напряжения и частоту переключения его выходного транзистора, что может сопровождаться миганием ламп осветительной и светосигнальной аппаратуры, колебанием стрелок вольтметра и амперметра. Поэтому более перспективной является схема на рис. 3.6, д. В этой схеме обмотка возбуждения имеет свой дополнительный выпрямитель, состоящий из трех диодов. К выводу «Д» этого выпрямителя и подсоединяется обмотка возбуждения генератора. Схема допускает некоторый разряд аккумуляторной батареи малыми токами по цепи регулятора напряжения, и при длительной стоянкв рекомендуется снимать наконечник провода с клеммы «+» аккумуляторной батареи. В схему на рис 3.6, д введено подвозбуждение генератора от аккумуляторной батареи через контрольную лампу 8. Небольшой ток, поступающий в обмотку возбуждения через зту лампу от аккумуляторной батареи, достаточен для возбуждения генератора и в то же время не может существенно влиять на разряд аккумуляторной батареи. Обычно параллельно контрольной лампе включают резистор 13, чтобы даже в случае перегорания контрольной лампы генератор мог возбудиться. Контрольная лампа в схеме на рис. 3.6, д является одновременно и элементом контроля работоспособности генераторной установки. В схеме применен стабилитрон 12, гасящий всплески напряжения, опасные для электронной аппаратуры. С целью контроля работоспособности в схеме рис. 3.6, а введены реле с нормально замкнутыми контактами, через которые получает питание контрольная лампа 8. Эта лампа загорается после включения замка зажигания и гаснет после пуска двигателя, т.к. под действием напряжения от генератора реле, обмотка которого подключена к нулевой точке обмотки статора, разрывает свои нормально замкнутые контакты и отключает контрольную лампу 8 от цепи питания. Если лампа 8 при работающем двигателе горит, значит генераторная установка неисправна. В некоторых случаях обмотка реле контрольной лампы 6 подключается на вывод фазы генератора. Схема рис. 3.7, е характерна для генераторных установок с номинальным напряжением 28 В. В этой схеме обмотка возбуждения включена на нулевую точку обмотки статора генератора, т.е. питается напряжением, вдвое меньшим, чем напряжение генератора. При этом приблизительно вдвое снижаются и величины импульсов напряжения, возникающих при работе генераторной установки, что благоприятно сказывается на надежности работы полупроводниковых элементов регулятора напряжения. Резистор 13 служит тем же целям, что и контрольная лампа в схеме рис. 3.6, д, т.е. обеспечивает уверенное возбуждение генератора. На автомобилях с дизельными двигателями может применяться генераторная установка на два уровня напряжения 14/28 В. Второй уровень 28 В используется для зарядки аккумуляторной батареи, работающей при пуске ДВС. Для получения второго уровня используется электронный удвоитель напряжения или трансформаторно-выпрямительный блок (ТВБ), как это показано на рис. 3.6, г. В системе на два уровня напряжения регулятор стабилизирует только первый уровень напряжения 14 В. Второй уровень возникает посредством трансформации и последующего выпрямления ТВБ переменного тока генератора. Коэффициент трансформации трансформатора ТВБ близок к единице. В некоторых генераторных установках зарубежного и отчественного производства регулятор напряжения поддерживает напряжение не на силовом выводе генератора «+», а на выводе его дополнительного выпрямителя, как показано на схеме рис. 3.6, ж. Схема является модификацией схемы рис. 3.6, д, с устранением ее недостатка - разряда аккумуляторной батареи регулятора напряжения при длительной стоянке. Такое исполнение схемы генераторной установки возможно потому, что разница напряжения на клеммах «+» и Д невелика. На этой же схеме (рис. 3.6, ж) показано дополнительное плечо выпрямителя, выполненное на стабилитронах, которые в нормальном режиме работают, как обычные выпрямительные диоды, а в аварийных предотвращают опасные всплески напряжения. Резистор R, как было показано выше, расширяет диагностические возможности схемы. Этот резистор вообще характерен для генераторных установок фирмы Bosch. Генераторные установки без дополнительного выпрямителя, но с подводом к регулятору вывода фаз, применение которых, особенно японскими и американскими фирмами, расширяется, выполняются по схеме рис. 3.6, з. В этом случае схема генераторной установки упрощается, но усложняется схема регулятора напряжения, т.к. на него переносятся функции предотвращения разряда аккумуляторной батареи на цепь возбуждения генератора при неработающем двигателе автомобиля и управления лампой контроля работоспособного состояния генераторной установки. На вход регулятора может подаваться напряжение генератора или аккумуляторной батареи (пунктир на рис. 3.6, з), а иногда и оба эти напряжения сразу. Конечно, стабилитрон 12, защищающий от всплесков напряжения дополнительное плечо выпрямителя, а также выполнение выпрямителя на стабилитронах может быть использовано в любой из приведенных схем. Некоторые фирмы применяют включение контрольной лампы через разделительный диод, а в схемах 3.6, д, ж включение ее идет через контактное реле. В этом случае обмотка реле включается на место контрольной лампы. Если генераторная установка работает в комплексе с датчиком температуры электролита, она имеет дополнительные выводы для его подсоединения. Генераторы на большие выходные токи могут иметь параллельное включение диодов выпрямителя. Для защиты цепей генераторной установки применяют предохранители, обычно в цепях контрольной лампы, соединениях регулятора с аккумуляторной батареей, в цепи питания аккумуляторной батареи. 3.4. Характеристики генераторных установок Способность генераторной установки обеспечивать электропитанием потребителей электроэнергии на автомобиле во всех режимах его работы ха- рактеризует токоскоростная характеристика (ТСХ), т.е. зависимость силы тока, отдаваемого генератором в нагрузку, от частоты вращения его ротора при постоянной величине напряжения на силовых выводах генератора. Вид токоскоростной характеристики генераторных установок легковых автомобилей, построенной в относительных единицах по отношению к номинальной величине силы отдаваемого тока, представлен на рис. 3.7. Характеристика демонстрирует существенное достоинство вентильных генераторов - их самозащиту и самоограничение отдаваемого Рис. 3.7. Выходные характеристики генераторной установки: 1 - токоскоростная характеристика; 2 - КПД по точкам токоскоростной характеристики
ими тока. Достигнув определенной величины, ток практически не увеличивается с ростом частоты вращения ротора. Методика определения ТСХ имеет международный стандарт. Характеристика зта определяется при работе генераторной установки в комплекте с полностью заряженной аккумуляторной батареей с номинальной емкостью, выраженной в А-ч, составляющей не менее 50% номинальной силы тока генератора. Характеристика может определяться в холодном и нагретом состоянии генератора. При этом под холодным состоянием понимается такое, при котором температура всех частей и узлов генератора равна температуре окружающей среды, величина которой должна быть (23±5)°С. Температура воздуха определяется в точке на расстоянии 5 см от воздухозаборника генератора. Токоскоростные характеристики могут определяться при номинальном напряжении, т.е. 14 (28) В. Однако снять такие характеристики возможно только с регулятором, специально перестроенным на высокий уровень поддержания напряжения. Чтобы предотвратить работу регулятора напряжения при снятии токоскоростной характеристики, ее определяют при напряжениях 1/^ =13,5±0,1 (27±0,2) В. Допускается и ускоренный метод определения токоскоростной характеристики, требующий специального автоматизированного стенда, при котором генератор прогревается в течение 30 мин при частоте вращения ротора 3000 мин-1, соответствующей этой частоте силе тока и указанном выше напряжении. Время снятия характеристики не должно превышать 30 с при постоянно меняющейся частоте вращения. Токоскоростная характеристика имеет характерные точки, к которым относятся: л0 - начальная частота вращения ротора без нагрузки. Поскольку обычно снятие характеристики начинают с тока нагрузки около 2 А, то эта точка получается экстрополяцией снятой характеристики до пересечения с осью абсцисс. пГд- минимальная рабочая частота вращения ротора, т.е. частота вращения, примерно соответствующая оборотам холостого хода двигателя. Условно принимается пГд=1500 мин-1 (для высокоскоростных генераторов - 1800 мин-1). Сила тока 1dg при этой частоте обычно составляет 40-50% номинального тока и во всяком случае должна быть достаточна для обеспечения питанием тех потребителей энергии на автомобиле, от которых зависит безопасность. пн - номинальная частота вращения ротора, при которой вырабатывается номинальный ток /^н, т.е. ток, сила которого не должна быть меньше номинальной величины. птах ~ максимальная частота вращения ротора. При этой частоте генератор вырабатывает максимальный ток 1тах, сила которого мало отличается от силы номинального тока. Отечественные изготовители ранее обычно указывали номинальный ток генератора при частоте вращения ротора 5000 мин-1, а также указывали частоту вращения ротора генератора в расчетном режиме пр, соответствующему расчетному току генератора /ф, обычно составляющему две трети номинального тока. В расчетном режиме нагрев узлов генератора наибольший. Характеристики определялись при напряжении 13 или 14 В. В табл. 3.1 приведены характерные точки токоскоростной характеристики отечественных генераторных установок, а в табл. 3.2 - генераторных установок ф Таблица 3.1. Основные данные генераторов отчественного производства Генератор Автомобили и автобусы Р ном, Вт п0, МИН-1, не более Лрт, мин-1, не более Масса, ВАЗ-2101,-21011, -2103, -2106
ВАЗ-2105, -2107, ЗАЗ-1102
КамАЗ-5320, MA3-5335
ВАЗ-2108, -2109, -21213, АЗЛК-214201-10
ГАЗ-24-10, -31029, -33021
«Москвич-2140»; ИЖ-2125, -2715
ЗИЛ-431410
ЗИЛ-4331, -133ГЯ
«Москвич-21412»; ИЖ-2125, -2715
БелАЗ
ЛАЗ-42021, ЛиАЗ-5256
ПАЗ-672М, -3201
Г АЗ—3110
МАЗ, КамАЗ-5332
ЗИЛ-53014
Г АЗ—31029, -3302, -3110
ВАЗ-2104, -2105, -2108, -2109
ЗИЛ-53012
ЗИЛ-4334
ГАЗ-3302, ВАЗ-2110
955.3701”
ВАЗ-2108, -2109
’ - генератор компактной конструкции. ** - генератор бесщеточный.
Таблица 3.2. Основные данные генераторов зарубежного производства
Фирма,
страна-
Ток отдачи, А, при частоте вращения
Наружный
диаметр
Масса (без шкива),
производитель
1500 мин-'
6000 мин ’
статора, мм
Bosch (Г ермания)
'NC-14V 50-1ООА
(Франция)
*А11VI 21
4 Зак. 2362
Окончание таблицы 3.2
Фирма,
страна-
производитель
Ток отдачи, А, при частоте вращения
Наружный диаметр статора, мм
Масса (без шкива), кг
1500 мин-'
6000 мин-1
(Франция)
Magneti Marelli
AA125R-14V
(Италия)
(Англия)
* - генераторы компактной конструкции.
легковых автомобилей основных европейских фирм. Там же указана масса генераторов.
Применяемость генераторных установок на автомобилях связана с маркой двигателя. Сейчас на отечественные автомобили устанавливаются и двигатели зарубежного производства. Например, автомобили «Москвич» оборудуются двигателями Renault F3R с генераторной установкой фирмы «Valeo».
Генераторная установка должна самовозбуждаться при частоте вращения ротора ниже числа оборотов холостого хода коленчатого вала двигателя. Конечно, проверка на самовозбуждение должна производится при работе генераторной установки в комплекте с аккумуляторной батареей при включении контрольной лампы в схемах рис. 3.6, д, ж.
Энергетическую способность генератора характеризует его коэффициент полезного действия (КПД). Чем выше КПД, тем меньшую мощность отнимает генератор у двигателя при той же полезной отдаче.
Величина КПД зависит от конструкции генератора - толщины пластины пакета статора и способа изоляции их друг от друга, величины сопротивления обмоток, диаметра контактных колец, марки щеток и подшипников и т.п., но, главным образом, от мощности генератора: чем генератор мощнее, тем КПД выше. Значения КПД по точкам токоскоростной характеристики представлены на рис. 3.7 для ориентировки. Обычно максимальное значение КПД вентильных автомобильных генераторов не превышает 50 - 60%.
Регуляторную часть генераторной установки характеризует диапазон изменения выходного напряжения при изменении частоты вращения ротора, нагрузки и температуры. Диапазоны изменения напряжения отечественных ге-
Таблица 3.3. Диапазоны изменения напряжения генераторных установок отечественного производства
Регулятор
напряжения
Г енератор
Диапазон
стабилизации
напряжения,
Падение напряжения при 1н=3 А, В, не более
Схема по рис.3.6
13,4...14,6
13,4...14.7
Я112В1(В2)
Г222, 583.3701-20
Я112А1(А2)
29.3701, Г266
13,5...14,8
13,5—14,6
Я120М1(М2)
Г273А (Б, В, Г)
57.3701,65.3701,
Я112А1Т
16.3771, 583.3701
12,95-14,2
Я212А11Е
25.3771, 94.3701
13,7...14,5
14,2...14,5
Г288,1702.3771
14.2—14,5
13,55...14,8
* - при токе 4 А.
нераторных установок представлены в табл. 3.3. Дробью указан диапазон регуляторов, имеющих переключение настройки. Там же указана величина падения напряжения в выходной цепи регулятора, которая влияет на токоскоростную характеристику.
Зарубежные фирмы обычно указывают напряжение настройки регулятора напряжения при холодном состоянии генераторной установки, при частоте вращения ротора 6000 мин-1, нагрузке силой тока в 5 А и работе в комплекте с аккумуляторной батареей, а также коэффициент термокомпенсации, т.е. величину изменения напряжения при изменении температуры окружающей среды на 1°С. С ростом температуры напряжение уменьшается. Для легковых автомобилей, в основном, предлагаются напряжения настройки регулятора (14,1 ±0,1) В при термокомпенсации (7±1,5) мВ/°С и (14,5±0,1) В при термокомпенсации (10±20) мВ/°С.
3.5. Конструкция генераторов
Отечественные и зарубежные генераторы в принципе имеют идентичную конструкцию, в основу которой положена клювообразная полюсная система ротора (рис. 3.8). Такая система позволяет создать многополюсную систему с помощью одной катушки возбуждения.
Рис. 3.8. Ротор автомобильного генератора:
а - ротор в сборе; б - полюсная система в разобранном виде; 1 и 3 - полюсные половины; 2 - обмотка возбуждения; 4 - контактные кольца; 5 - вал
По организации системы охлаждения генераторы можно разделить на два типа- традиционной конструкции, с вентилятором на приводном шкиве (рис. 3.9, а) и компактной конструкции, с двумя вентиляторами у торцевых поверхностей полюсных половин ротора (рис. 3.9, б). В первом случае охлаждающий воздух засасывается вентилятором через вентиляционные окна в крышке со стороны контактных колец, во втором - через вентиляционные окна обеих крышек. Компактную конструкцию отличают наличие вентиляционных отверстий на цилиндрических частях крышек и усиленное оребрение. Малый диаметр внутренних вентиляторов позволяет увеличить частоту вращения ротора генераторов компактной конструкции, поэтому ряд фирм называет их высокоскоростными. Последние годы как в России, так и за рубежом новые разработки генераторов имеют обычно компактную конструкцию. Для автомобилей с высокой температурой воздуха в моторном отсеке или работающих в условиях повышенной запыленности, применяют конструкцию с поступлением забортного воздуха через кожух с патрубком и воздуховод (рис. 3.9, в). По общей компоновке генераторы разделяются на конструкции, у которых ще- Рис. 3.9. Схемы движения охлаждающего воздуха в генераторах: а - генераторы традиционной конструкции; б - генераторы компактной конструкции; в - генераторы для повышенной температуры подкапотного пространства. Стрелками указано направление движения охлаждающего воздуха точный узел размещен во внутренней полости генератора, и конструкции с размещением его снаружи под специальным пластмассовым кожухом. В последнем случае контактные кольца ротора имеют малый диаметр, т.к. при сборке генератора они должны пройти через внутренний диаметр подшипника задней крышки. Уменьшение диаметра колец способствует повышению ресурса работы щеток. Отечественные генераторы традиционной конструкции в основном выполняются либо с конструктивной преемственностью генераторов автомобилей ВАЗ, либо длительное время применявшихся на автомобилях многих марок генераторов Г250. На рис. 3.10 представлен генератор 37.3701, установленный на автомобили ВАЗ-2108 и др., на рис. 3.11 - генератор 16.3701 автомобилей «Волга», «Газель», а на рис. 3.12 - генератор 581.3701 автомобилей «Москвич». Все генераторы имеют расположение щеточных и выпрямительных узлов во внутренней полости. У генераторов 37.3701 щеточный узел встроен в регулятор напряжения, у 581.3701, наоборот, регулятор встроен в щеточный узел, а 16.3701 работает с вынесенным регулятором напряжения. Совмещение регулятора со щеточным узлом вообще характерно для мировой практики. У генераторов 371.3701 и 3702.3701 регулятор напряжения 36.3702 в металлостеклянном корпусе установлен на щеточном узле. На рис. 3.13 представлен генератор компактной конструкции фирмы Bosch. Аналогичную конструкцию имеет генератор 9422.3701 автомобиля ВАЗ-2110 с электронным впрыском топлива, генератор 26.3771 автомобилей ВАЗ и АЗЛК. В этих генераторах щеточный, выпрямительный узлы и регуляторы напряжения закреплены на задней крышке под пластмассовым колпаком. Статор генератора устанавливается между крышками, причем их посадочные места контактируют с наружной поверхностью пакета статора. Чем глубже статор утоплен в крышке, тем меньше вероятность появления перекоса подшипников, установленных в крышках. Некоторые зарубежные фирмы выпускают генераторы, у которых статор полностью утоплен в переднюю крышку, существуют конструкции, у которых средние листы пакета выступают над остальными и они являются посадочным местом для крышки. Крепежные лапы и натяжное ухо отливаются заодно с крышками. Отличием генераторов ВАЗ является наличие шпильки вместо натяжного уха. Отечественные генераторы традиционной конструкции имеют двухлапное крепление, крепежные лапы выполнены заодно с крышками. Зарубежные генераторы легковых автомобилей крепятся на двигателе обычно за одну лапу, которую имеет передняя крышка. Впрочем, однолапное крепление может осуществляться стыковкой приливов обеих крышек. На отечественных генераторах компактной конструкции расширяется применение однолапного крепления. Пакет статора отечественных генераторов набирается из стальных листов толщиной 0,5 - 1 мм. Однако более прогрессивной технологией является навивка пакета из ленты или набор его из стальных подковообразных сегментов, т.к. при этом снижается расход стали. Листы скреплены между собой сваркой. Генераторы устаревших конструкций имели 18 пазов на статоре под размещение обмотки, в настоящее время практически все генераторы массовых выпусков имеют 36 пазов. Пазы изолированы пленкоэлектрокартоном, полиэтилентерефталатной пленкой или напылением изоляции, обмотки выполняются проводами ПЭТ-200, ПЭТД-180, Рис. 3.10. Геиератор 37.3701: 1 - крышка со стороны контактных колец; 2 - выпрямительный блок; 3 - вентиль (диод) выпрямительного блока; 4 - винт крепления выпрямительного блока; 5 - контактное кольцо: 6 - задний шарикоподшипник; 7 - конденсатор; 8 - вал ротора; 9 - вывод «30» генератора; 10 - вывод «61» генератора; 11 - вывод регулятора напряжения; 12 - регулятор напряжения; 13- щетка: 14- шпилька крепления генератора к натяжной планке; 15 - шкив с вентилятором; 16 - полюсной наконечник ротора; 17 - дистанционная втулка; 18 - передний шарикоподшипник; 19 - крышка со стороны привода; 20 - обмотка ротора; 21 - ствтор; 22 - обмотка статора; 23 - полюсный наконечник ротора; 24 - буферная втулка; 25 - втулка; 26 - подвижная втулка Рис. 3.11. Генератор 16.3701: 1 - выпрямительный блок; 2,13- подшипники; 3 - крышка подшипника; 4 - кольца; 5 - щетки; 6 - щеткодержатель; 7,11 - клювообразные полюсные половины; В - обмотка статора; 9 - обмотка возбуждения; 10 - втулки ротора; 12 - стопорное кольцо; 14 - упорная втулка; 15 - вентилятор; 16 - шкив; 17 - гайка крепления шкива; 18 - винт крепления фланца подшипника; 19 - передняя крышка: 20 - сердечник статора; 21 - гайка болта соединения выходов фаз статора с выпрямителем; 22 - задняя крышка; 23 - стяжные винты: 24 - вывод «-»; 25 - болт крепления щеткодержателя; 26 - конденсатор; 27 - винт крепления конденсатора; 28 - вывод «+»; 29 - винт крепления крышки подшипника
103
Рис. 3.12. Генератор 581.3701: 1 - сердечник статора; 2 - задняя крышка; 3 - выпрямитель; 4,19 - подшипники; 5 - крышка подшипника; 6 - кольца; 7 - щетки; 8 - щеткодержатель; 9 - кожух; 10- регулятор; 11 - винт крепления узла регулятора; 12,16 - полюсные половины; 13 - обмотка статора; 14 - обмотка возбуждения; 15 - втулка ротора; 17 - стопорная втулка; 18 - фланец; 20 - вентилятор: 21 - упорная втулка; 22 - шкив; 23 - гайка шкива; 24 - винт крепления фланца подшипника; 25 - стяжные винты; 26 - штекерный вывод «Ш»; 27 - штекерная колодка вывода фазы обмотки статора; 28 - вывод «+’>; 29 - винт крепления конденсатора; 30 - конденсатор ПЭТВМ, ПЭСВ-3 и др. Схемы обмотки статора представлены на рис. 3.14. У распределенной обмотки секция разбивается на две полусекции, исходящие из одного паза, причем одна полусекция отходит влево, другая вправо. Петлевая обмотка имеет секции или полусекции в виде катушек с лобовыми соединениями по обе стороны пакета статора, волновая же действительно напоминает волну, т.к. ее лобовые соединения расположены поочередно то с одной, то с другой стороны статора. Соединение фаз производится, как правило, в «звезду», однако автоматическая намотка провода большого сечения затруднена, поэтому в генераторах повышенной мощности применяют соединение в «треугольник» или две «звезды» параллельно («двойная звезда»). В табл. 3.4 приведены обмоточные данные некоторых типов отечественных генераторов. Таблица 3.4. Обмоточные данные генераторов отечественного производства Обмотка статора Обмотка возбуждения генератора Диаметр провода, Число витков катушки Диаметр провода, Число витков Сопротивление обмотки при 20°С, Ом 4,3 ± 0,2
3,7 ± 0,2
2,5 ± 0,1
3,0 ±0,15
3,7 ± 0,2
3,7 ± 0,2
3,1 ±0,15
3,7 ± 0,2
2,7 ± 0,2
3,7 ± 0,2
3,7 ± 0,2
3,7 ± 0,2
3,7 ± 0,2
3,4 ± 0,2
2,3 ± 0,4
3,6 ± 0,2
8,0 ± 0,2
2.4 ± 0,1
2,4 ± 0,1
После намотки обмотки пропитываются специальным лаком, что повышает их механическую и электрическую прочность, а также улучшает теплоотвод.
Катушечная обмотка возбуждения имеет сопротивление, которое определяется максимально допустимой величиной тока регулятора напряжения, наматывается на каркас или непосредственно на втулку ротора. Полюсные половины при сборке напрессовываются на вал ротора под давлением, чтобы уменьшить паразитные воздушные зазоры по торцам втулки, ухудшающие характеристики генератора. При запрессовке материал полюсных половин затекает в проточки вала, делая полюсную систему ротора трудноразборной. В конструкции, где втулка разделена на две части, выполненные заодно с полюсными половинами, паразитный зазор всего один. Такое исполнение характерно для генераторов Г222, 37.3701.
Рис. 3.13. Генератор компактной конструкции фирмы Bosch:
1,8- крышки: 2 - статор: 3 - ротор; 4 - регулятор напряжения; 5 - контактные кольца; 6 - выпрямитель; 7,9- вентиляторы
У генераторов легковых автомобилей значительную проблему составляет магнитный шум генератора. Для уменьшения этого шума клювы полюсной системы имеют небольшие скосы по краям. Некоторые фирмы применяют специальное немагнитное противошумовое кольцо, расположенное под острыми краями клювов и приваренное к ним. Кольцо не дает клювам приходить в колебание и излучать звук. Отечественные генераторы оборудованы цилиндрическими медными кольцами, к которым припаяны или приварены концы обмотки возбуждения. В мировой практике встречаются кольца из латуни или нержавеющей стали, что снижает их износ и окисление, особенно во влажной среде. Встречаются также кольца, расположенные по торцу вала. Щеточный узел - это пластмассовая деталь, в которой установлены щетки двух типов - меднографитные и электрографитные. В отечественных генераторах применяются электрографитные щетки ЭГ51А размером 5x8x18мм (генераторы Г222, 37.3701    и др) и меднографитные М1 размером 6x6,5x1 Змм (генераторы 16.3701, 58.3701    и др). Электрографитные щетки имеют повышенное падение напряжения в контакте с кольцами, что неблагоприятно сказывается на выходных характеристиках генератора, но они обеспечивают меньший износ колец. Выпрямительные узлы, применяющиеся на автомобильных генераторах, разделяются на два типа: либо это пластины-теплоотводы, в которые запрессовываются или к которым припаиваются диоды, а как вариант - в которых загерметизированы кремниевые переходы, либо это сильно оребренные конструкции, к которым припаиваются диоды таблеточного типа. Рис. 3.14. Схемы обмоток статора: а - петлевая распределенная; б - волновая сосредоточенная; в - волновая распределенная - 1 фаза; ...............2 фаза; -3 фаза Типичный отечественный выпрямительный блок БПВ11-60 генератора 37.3701, блоки генераторов фирм Bosch (Германия), Nippon Denso (Япония), относящиеся к первому типу, а также блок генераторов фирмы Magneti Marelli (Италия) второго типа вместе с применяющимися на них диодами изображены на рис. 3.15. Рис. 3.15. Выпрямительные блоки генераторов: at а2, аЗ, а4 - выпрямительные блоки соответственно БПВ 11-60 генератора 37.3701; генераторов Bosch; генераторов Nippon Denso; генераторов Magneti Maretli; 61, 62, 63,64- соответственно диоды этих блоков: 61 - положительный теплоотвод; 62 - отрицательный теплоотвод; 63 - диоды основного выпрямителя; 64 - диоды дополнительного выпрямителя Выпрямительные блоки отечественных генераторов используют диоды Д104-20, Д104-25 и Д104-35, рассчитанные, соответственно, на максимально допустимые токи 20, 25 и 35 А или их аналоги, имеющие такие же размеры и характеристики, а также, в последних конструкциях, силовые стабилитроны. Стабилитроны применяются в основном там, где на генераторы установлены регуляторы с микросхемой на монокристалле кремния или с использованием полевых транзисторов. Диоды и стабилитроны выполняются в корпусе диаметром 12,77 мм, в модификациях с анодом или катодом на корпусе, для запрессовки соответственно в отрицательный или положительный теплоотводы. В трехфазных генераторах максимальный ток генератора не должен превышать утроенную величину максимально допустимого тока через диод, установленный в выпрямителе. Если это происходит, применяют параллельное включение диодов или выпрямителей. В дополнительном выпрямителе устанавливаются диоды на ток 2 А. Основные параметры выпрямительных блоков, наиболее широко применяющихся в отечественных генераторах, приведены в табл. 3.5. Блок БПВ 76-80-02 выполнен для работы в схеме по рис. 3.6, ж, на силовых стабилитронах и имеет 4 плеча и дополнительный выпрямитель на ток 6 А. Аналогичный блок БПВ 26-80 имеет 3 плеча на силовых стабилитронах. В генераторе 25.3771 установлен один защитный стабилитрон по схеме на рис. 3.6, д. Подшипниковые узлы генераторов - это, как правило, радиальные шариковые подшипники со встроенными в подшипник уплотнениями и одноразовой закладкой смазки. Посадка шариковых подшипников со стороны контактных колец на вал плотная, в крышку - скользящая, со стороны привода, наоборот, плотная посадка в крышку и скользящая на вал. Такая посадка оставляет возможность проворота наружной обоймы подшипника со стороны контактных колец в гнезде с последующим выходом его из строя. Для предотвращения проворота применяют резиновые кольца в посадочном месте (Г221А, Г222, 37.3701), пластмассовые стаканчики (94.3701), гофрированные стальные пружины и т.п. Набор марок подшипников, применяющихся в отечественных генераторах, невелик: 6-180605К1С9, 6-180603К2С9Ш1, 6-180503K2C9LU, 0-180502К1С9Ш, 6-1180304КС9Ш1, 6-180302У1С9, 6-180201У1С9. В них заложена смазка ЛЗ-31 М. Привод генератора осуществляется клиновым или поликлиновым ремнем через шкив, установленный на валу ротора. Качество обеспечения питанием потребителей, в том числе заряд аккумуляторной батареи, зависит от передаточного числа ременной передачи, равного отношению диаметров ручьев шкивов коленчатого вала двигателя и генератора. Чем больше это число, тем больший ток может отдать потребителям генератор. Однако при больших передаточных числах происходит ускоренный износ ремня. Поэтому для клиновидных ремней это число не превышает 2,5 (у автомобилей ВАЗ- 2,04; «Волга» ГA3-31029 - 2,4; «Москвич» - 1,7; ЗИЛ-431410 - 1,82). Более высокое передаточное число (до 3) возможно у поликлиновых ремней, применение которых расширяется вместе с генераторами компактной Таблица 3.5 Параметры выпрямительных блоков генераторов отечественной конструкции блока генератора Номинальное напряжение, Максимальная сила выпрямленного тока, А Сила обратного тока при напряжении 150 В, мА Число диодов БПВ 6-50-02 Г221А, Г222 БПВ 8 -100 Г286, Г289 БПВ 7-100-02 3812.3701, Г287 БПВ 11 -60 БПВ 46-65-02 БПВ 4-60-02 БПВ 45-65-02 БПВ 62-100-Т2 БПВ 35-65-02 БПВ 24-45 БПВ 56-65 Г221А, Г222 БПВ 76-80-02 конструкции. Поликлиновой ремень способен, кроме генератора, приводить во вращение еще ряд агрегатов, в то время как клиновой ремень надежно работает лишь при индивидуальном приводе. На генераторах с диаметром вала под установку шкива до 17 мм (17 мм - наиболее распространенный в мире диаметр под шкив генераторов легковых автомобилей) шпонка под шкив обычно не устанавливается. Об отсутствии шпонки видно по шестиугольной выдавке в торце вала, за которую ключом удерживают вал при затяжке гайки шкива. 3.6. Бесщеточные генераторы Бесщеточные генераторы обладают повышенной надежностью и долговечностью, т.к. у них отсутствует щеточно-контактный узел, подверженный износу и загрязнению, а обмотка возбуждения неподвижна. Однако масса и габариты этих генераторов больше. Отечественная промышленность предлагает для установки на автомобилях ВАЗ индукторный генератор 955.3701 (рис. 3.16, а) со смешанным магнитоэлектромагнитным возбуждением. Он выполнен с использованием традиционной конструкции тракторных генераторов. Ротор генератора представляет собой стальную шестилучевую звездочку, между зубьями ротора размещены постоянные магниты. На зубцах статора помещена катушечная обмотка, соединенная в пятиугольник. Передняя крышка стальная. В ней располагается индуктор со втулкой, закрепленный за фланец к крышке. На втулке индуктора размещена обмотка возбуждения, намотанная на каркас. Между втулкой индуктора и втулкой ротора имеется воздушный зазор. На стальную крышку надет подшипниковый щит с натяжным ухом и лапой, расположение которых позволяет применять генератор, на любых автомобилях ВАЗ. Задняя крышка из алюминиевого сплава несет на себе выпрямительный блок БПВ 62-100, расположенный в ее внутренней полости и закрепленный на ней пятью изолированными болтами, а также регулирующее устройство, содержащее интегральный регулятор напряжения Я112Б и подстроенный резистор. Блок расположен на наружной поверхности задней крышки и закрыт пластмассовым кожухом. Там же расположен помехоподавляющий конденсатор К-73-21 (2,2 мкФ). Генератор, кроме основной обмотки возбуждения, имеет встречно ей включенную размагничивающую обмотку, расширяющую скоростной диапазон применения генератора.
Рис. 3.16. бес щеточные генераторы: а - генератор 955.3701; 6 - генератор фирмы Delco-Remy (США); 1 - статор; 2 - ротор; 3 - постоянный магнит; 4 - обмотки возбуждения; 5 - индуктор (магнитопровод обмотки возбуждения); 6 - клювообразные полюсные половины
Зарубежные бесконтактные генераторы выполняются на базе клювообразной конструкции. Наиболее широко бесконтактную схему использует фирма Delco-Remy (рис. 3.16, б). Отличие этих генераторов состоит в том, что одна полюсная клювообразная половина посажена на вал, как у обычного щеточного генератора, а другая в урезанном виде приваривается к ней по клювам немагнитным материалом. Каркас обмотки возбуждения помещен на магнитопровод (индуктор),__ закрепленный на крышке генератора. Между этим магнитопроводом и полюсной системой имеется воздушный зазор. При вращении вала сидящая на ней полюсная половина вместе с приваренной к ней другой полюсной половиной вращаются при неподвижной обмотке возбуждения. 3.7. Схемное и конструктивное исполнение регуляторов напряжения Конструкция, технология изготовления и схемное исполнение регуляторов напряжения тесно связаны друг с другом. Основные тенденции развития конструкций и схем обуславливаются стремлением миниатюризировать регулятор, чтобы при встраивании в генератор он занимал меньше места, увеличить число выполняемых им функций (например, наряду со стабилизацией напряжения сообщать о работоспособности генераторной установки, предотвращать разряд аккумуляторной батареи при неработающем двигателе), а также повысить качество выходного напряжения. Вибрационные реле-регуляторы и контактно-транзисторные регуляторы в настоящее время полностью заменены электронными транзисторными регуляторами напряжения. С развитием электроники наметились существенные изменения в схемном и конструктивном решениях электронных регуляторов. Теперь их можно разделить на две группы - регуляторы традиционного схемного исполнения с частотой переключения, меняющейся с изменением режима работы генератора, и регуляторы со стабилизированной частотой переключения, работающие по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ). По конструкции регуляторы традиционного схемного исполнения выполняются либо на навесных элементах, расположенных на печатной плате, либо в виде гибридных схем, регуляторы с ШИМ могут быть гибридного исполнения или полностью выполненными на монокристалле кремния. Число транзисторов в традиционных схемах невелико, обычно значительно меньше десятка, в регуляторах с ШИМ это число составляет несколько десятков. Последнее стало возможно с развитием электроники, так как в микросхемах, выполненных на монокристалле кремния, стоимость схемы мало зависит от числа транзисторов. Применение же ШИМ позволяет повысить качество стабилизации напряжения и предотвратить влияние на регулятор внешних воздействий. Современные регуляторы выполняются в основном встроенными в генератор. Тем не менее, отечественная промышленность выпускает целую серию малогабаритных регуляторов напряжения для размещения вне генератора. Эти регуляторы выполняются в идентичных корпусах, по практически одинаковой схеме, на унифицированной крепежной панели с набором отверстий, позволяющих устанавливать регуляторы на разные модели автомобилей. Регуляторы предназначены для замены ранее выпускавшихся реле-регуляторов, контактно-транзисторных регуляторов и устаревших транзисторных регуляторов, кроме регулятора 13.3702-01 автомобилей «Волга» ГАЗ-ЗЮ29 и «Газель» ГАЭ-33021, схема которого представлена на рис. 3.17. Измерительным элементом этого регулятора является делитель напряжения на резисторах R1, R3, R4, причем резистор R1 подбирается при настройке. Элементом сравнения представлен стабилитрон VD1, причем стабилитрон, в отличие от схемы на рис. 3.4, включен в эмиттерную цепь транзистора VT1, что увеличивает величину тока через стабилитрон и, следовательно, точность поддержания стабильности напряжения. Часть схемы на транзисторах VT1, VT4 является регулирующим органом. Транзисторы VT3, VT4 - включены по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона). Схема работает следующим образом: при открытом транзисторе VT1 открыт и транзистор VT2, так как его базовый ток протекает через переход эмиттер -коллектор VT1. В то же время закрыт составной транзистор VT3, VT4, поскольку его переход эмиттер-база зашунтирован переходом эмиттер-коллектор транзистора VT2. Если транзистор VT1 закрыт, что бывает при напряжении ниже напряжения настройки регулятора (ток через стабилитрон VD1 не протекает), то закрыт и транзистор VT2 и открыт составной транзистор VT3, VT4. В схеме регулятора имеется резистор жесткой обратной связи R2. Переход составного транзистора VT3, VT4 в открытое состояние подключает резистор R2 параллельно резистору R4 входного делителя напряжения, что приводит к скачкообразному повышению напряжения на стабилитроне VD1, ускоренному отпиранию транзисторов VT1, VT2 и запиранию транзисторов VT3, VT4. Запирание этих транзисторов отключает резистор R2 от резистора R4, что способствует скачкообразному уменьшению напряжения на стабилитроне VD1 и его ускоренному запиранию. Таким образом, резистор R2 повышает частоту переключения регулятора напряжения. Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию колебаний входного напряжения и исключает их влияние на работу регулятора напряжения. Транзистор VT5 выполняет в схеме две функции. При нормальном режиме работы он обеспечивает форсированный переход транзисторов VT2 - VT4 регулятора из закрытого состояния в открытое и обратно, чем снижает потери в них при переключении, т.е. вместе с конденсатором С2 и резистором R12 осуществляет гибкую обратную связь в регуляторе. Запирание составного транзистора VT3, VT4 вызывает резкое понижение потенциала его коллектора. При этом по цепи: переход змиттер-база транзистора VT5, резистор R12, конденсатор С2 начинает протекать ток, что приводит к отпиранию транзистора VT5 и обеспечивает в результате форсированное отпирание транзистора VT2 и ускорение запирания составного транзистора VT3, VT4. При отпирании транзистора VT3, VT4 транзистор VT5 находится в закрытом состоянии и конденсатор С2, разряжаясь, форсирует запирание VT2 и сокращает время отпирания составного транзистора VT3, VT4. В аварийном режиме схема на транзисторе VT5 осуществляет защиту выходного транзистора регулятора VT3, VT4 от перегрузки. Замыкание в цепи обмотки возбуждения генератора вызывает изменение потенциала коллектора транзистора VT4. Зарядный ток конденсатора С2 открывает VT5 и, следовательно, транзистор VT2. При этом транзистор VT3, VT4 запирается. После заряда конденсатора ток в его цепи пропадает, VT5 закрывается, закрывается VT2, открывается VT3, VT4. Процесс повторяется, а выходной транзистор переходит в автоколебательный режим. При зтом среднее значение силы тока через транзистор невелико и не может вывести его из строя. Диод VD3 является в схеме регулятора гасящим диодом. Диод VD4 защищает регулятор от импульсов напряжения обратной полярности. Остальные элементы схемы обеспечивают нужный режим работы полупроводниковых элементов схемы. Регулятор напряжения 131.3702 автомобилей ГАЭ-3307 имеет дублированный вывод Ш и дополнительный вывод «+» для создания второго уровня регулируемого напряжения, регулятор 121.3701 в малогабаритном исполнении имеет аналогичную схему, измененную, однако, таким образом, что он может работать с генератором по схеме рис. 3.6, а, т.е. имеющим обмотку возбуждения, соединенную с «массой». Регулятор 201.3702, призванный заменить устаревшие регуляторы РР350, РР350А; 2012.3702, заменивший РР350Б; 22.3702, заменивший РР362 и 221.3702, заменивший РР362А, имеют идентичное схемное исполнение. Регулятор напряжения 4202.3702 автомобиля ЗИЛ-5301 «Бычок» (рис. 3.18) снабжен автоматической системой изменения уровня напряжения в зависимости от температуры электролита аккумуляторной батареи. Терморезистор, помещенный в электролит, включен параллельно одному из плеч входного делителя напряжения. Изменение сопротивления терморезистора из-за изменения температуры охлаждающей жидкости и перестраивает регулятор. Интегральные регуляторы напряжения встраиваются в генератор, они нераз-борны и ремонту не подлежат. На рис. 3.19 представлены схемы регуляторов Я112А1, Я112В1 и Я120М1. Они выполнены по гибридной технологии на керамической подложке с нанесением на нее толстопленочных резисторов, распайкой переходов выходного транзистора, гасящего диода и навеской микросхемы, состоящей из стабилитрона и входного транзистора. Схемы регуляторов достаточно просты. Базовым является регулятор напряжения Я112А1. Регулятор Я112В1 отличается тем, что для работы в схеме рис. 3.6, в, в нем добавлен выход «Б», к которому напряжение подводится через выключатель зажигания. При неработающем двигателе на выходе «Б» нет напряжения, ток в базовой цепи транзистора VT2 не протекает, он закрыт, не пропускает ток от аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения. Регулятор Я120М1 также имеет дополнительный вывод Д, т.к. он работает в Рис. 3.18. Схема регулятора напряжения 4202.3702 ks г, $ га Ш
—о *1 /Г7 m 4 +CZH4-I—о "®-т«Р
—Ih
гтг
утг

В 1 ~ VV3 о*Мд-—+ИН4 ш
LiS
fit—гФ Щ
VBI
Рис. 3.19. Схемы интегральных регуляторов напряжения: а - Я112А1; б - Я112В1; в - Я120М1 схеме по рис. 3.6, е, а также вывод Р для подключения переключателя посезонной регулировки. Схема регулятора напряжения 17.3702, в который встраивается щеточный узел генератора 37.3701 автомобилей ВАЗ, приведена на рис. 3.20. Регулятор предназначен для работы в схеме рис. 3.6, д, и также имеет дополнительный вывод. Регулятор напряжения 1702.3702 имеет схемную защиту от коротких замыканий в обмотке возбуждения генератора. Примером регулятора напряжения с ШИМ является регулятор Я212А11Е. Регулятор аналогичен регулятору FL14U4C фирмы Bosch. Он изготавливается по гибридной технологии в металлостеклянном корпусе, схожем по конфигурации с корпусом мощного транзистора. Схема регулятора представлена на рис. 3.21. Основу регулятора составляет микросхема, выполненная на кристалле кремния. Схема содержит входной делитель А1, параметрический стабилизатор напряжения А2, усилитель-интегратор АЗ, источник опорного напряжения А5, бистабильный триггер А6 и выходной усилитель А7. Вне микросхемы в регуляторе располагаются балластное сопротивление параметрического стабилизатора источника питания микросхемы и токоограничивающее сопротивление R2, а также выходной транзистор VT1 и гасящий диод VD1. Питание элементов микросхемы стабилизируется, а эталонное опорное напряжение создается источником А5. Регулятор работает следующим образом - напряжение генератора через входной делитель А1 подается на неинвертирующий вход усилителя-интегратора АЗ, где сравнивается с опорным напряжением. Если напряжение генератора равно номинальному уровню, то схема выдает через бистабильный триггер А6 и выходной усилитель А7 сигнал на переключения выходного транзистора с равенством времен нахождения его в открытом и закрытом состояниях. Чем больше отклонение напряжения генератора от номинального уровня в ту или другую сторону, тем больше или меньше время заряда-разряда конденсатора интегратора. Напряжение на конденсаторе фиксируется бистабильным триггером А6, заставляющим через выходной усилитель А7 выходной транзи- стор VT1 длительнее находиться в открытом или закрытом состояниях. Через компаратор обратной связи А4 на инвертирующий вход АЗ подается добавочное напряжение. Таким образом, регулятор осуществляет коммутацию в цепи обмотки возбуждения с фиксированной частотой, лежащей в пределах 460 Гц - 2,5 кГц (в зависимости от настройки регулятора). Стабилизация же напряжения, как и в традиционной схеме регулятора, происходит за счет изменения относительного времени включения обмотки возбуждения в цепь питания с соответствующим изменением средней величины тока в ней. Применение регуляторов с ШИМ непрерывно расширяется. Некоторые зарубежные фирмы, особенно японские и американские, подводят в такие регуляторы сигнал от вывода фазы генератора, заставляющий при неработающем генераторе сократить относительное время включения транзистора и, следовательно, доводить ток возбуждения до величины, не опасной для разряда батареи. Регулятор, кроме того, управляет и лампой контроля работоспособности генераторной установки. В настоящее время многие отечественные фирмы выпускают аналоги перечисленных выше регуляторов. Например, аналогом Я212А11Е является регулятор 36.3702, выполненный в аналогичном корпусе, регуляторы 412.3702, 444.3702 - зто аналоги Я120М1И; 41.3702, 44.3702, 4302.3702 - аналоги Я112А1; 411.3702, 4322.3702 -аналоги Я112В1. В системах на два уровня напряжения (14/28 В) регулятор поддерживает напряжение только на низком уровне, а высокое напряжение получается с помощью трансформаторно-выпрямительного блока, включаемого по схеме рис. 3.6, г, или электронного преобразователя. На автомобилях ЗИЛ-4331, ЗИЛ-1 ЗЗГЯ с генератором 3822.3701, имеющим выводы всех трех фаз генератора, а также ЗИЛ-53014 «Бычок» с генератором 2022.3771, имеющим такие же выводы, применяется трансформаторно-выпрямительный блок (ТВБ) 1212.3759, рассчитанный на номинальную силу тока 8 А при массе 3,3 кг. ТВБ представляет собой трехфазный трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1 (по 45 витков провода ПЭТВ - 2 диаметром 1,6 мм в каждой обмотке), и мостовой выпрямитель. Соединение обмоток - в «треугольник». Применение двух уровней напряжения позволяет повысить надежность работы ламп, т.к. при напряжении 12 В лампы устойчивей выдерживают динамическое воздействие, и уменьшить габариты пусковой системы. 3.8. Техническое обслуживание генераторных установок Обслуживание современных генераторных установок сведено к минимуму. Однако их эксплуатация требует соблюдения некоторых правил, связанных с наличием у них полупроводниковых элементов. 1.    Не допускается работа генераторной установки с отключенной аккумуляторной батареей. Даже кратковременное отключение аккумуляторной батареи при работающем двигателе автомобиля может привести к выходу регулятора напряжения из строя. 2.    Не допускается подсоединение к бортовой сети автомобиля источников электроэнергии обратной полярности («плюс» на «массе»), что может, например, произойти при попытке запуска двигателя от посторонней аккумуляторной батареи. 3.    Не допускаются любые проверки в схеме генераторной установки с подключением источников повышенного напряжения. 4.    При проведении на автомобиле сварочных работ клемма «масса» сварочного аппарата должна быть соединена со свариваемой деталью. Провода, идущие к генератору и регулятору напряжения, следует отключить. Периодичность технического обслуживания генераторных установок обусловлена периодичностью технического обслуживания автомобиля. Различают ежедневное техническое обслуживание (ЕО), первое и второе техническое обслуживание (ТО-1, ТО-2) и сезонное техническое обслуживание (СТО). Срок проведения каждого технического обслуживания зависит от условий эксплуатации автомобиля, которые подразделяются на пять категорий. Наиболее комфортные условия эксплуатации соответствуют 1 категории эксплуатации (в основном, эксплуатация по дорогам с асфальтобетонным и цементобетонным покрытием вне города); наиболее тяжелые - 5 категории (эксплуатация на естественных грунтовых дорогах, отвальных дорогах и т.п.). Периодичность ТО-1 и ТО-2 применительно к 1 категории эксплуатации составляет в среднем у легковых автомобилей соответственно 4000 км и 16000 км, грузовых автомобилей 3000 и 12000 км. Сезонное техническое обслуживание проводится два раза в год при подготовке автомобилей к эксплуатации в зимнее и летнее время. При ежедневном обслуживании перед выездом следует проверять, обеспечивает ли генераторная установка заряд аккумуляторной батареи при работающем двигателе. При нормальной работе генераторной установки при повышении частоты вращения коленчатого вала двигателя амперметр на щитке приборов должен показывать заряд аккумуляторной батареи, вольтметр — напряжение 13-15 В (стрелка вольтметра находится в зеленой зоне), лампа контроля заряда аккумуляторной батареи должна погаснуть. Такую проверку, а также проверку усилия натяжного приводного ремня генератора следует проводить при каждом ТО-1. Прогиб нормально натянутого ремня при нажатии на середину наибольшей ветви динамометром должен составлять при усилии 4 кгс (40 Н) у автомобилей КамАЗ - 15-22 мм, ЗИЛ - 8-14 мм, ГАЗ-ЗЮ29, ГАЭ-33021 - 8-10 мм, “Москвич” - 7-9 мм, ГАЗ-66-001 - 10-15 мм, при 10 кгс (100 Н) у моделей ВАЗ - 10-15 мм. Слабо натянутый ремень проскальзывает при передаче вращающего момента от двигателя к генератору, при этом наблюдается усиленный износ ремня и приводных шкивов, генератор не берет на себя нагрузку. Чрезмерное натяжение ремня сокращает срок службы подшипников генератора. Помимо всех этих операций, при ТО-2 следует очистить наружные поверхности генераторов и регуляторов напряжения от пыли и грязи и проверить крепление проводов на их выводах, подтянуть при необходимости гайку крепления шкива и стяжные шпильки, а также проверить надежность крепления генератора на двигателе. При установке зазор между кронштейном двигателя и посадочными плоскостями лап генератора не допускается. Болты крепления должны быть надежно затянуты и предохранены от самоотворачивания. После первых 5060 тыс. км пробега автомобиля, а в дальнейшем через одно ТО-2, проверяется высота щеток, а также состояние контактных колец и подшипников. Для этого генератор снимают с двигателя, отворачивают винты крепления щеткодержателя, вынимают щеткодержатель из генератора, проверяют легкость перемещения щеток в щеткодержателе. Затем щетки извлекают из щеткодержателя и замеряют их высоту. Там, где доступ к генератору зто позволяет, например, на автомобиле «Москвич»-2140, снятие щеткодержателя можно производить без снятия генератора с двигателя. Щетки первоначального размера 6,5x6x13 мм, износившиеся до высоты 8 мм, и размера 5x8x18 мм, в свободном состоянии выступающие из щеткодержателя менее чем на 5 мм, подлежат замене. В случае заедания щетки в щеткодержателе при ее перемещении отверстие щеткодержателя следует протереть ветошью, смоченной в незтилированном бензине. Если поверхность контактных колец содержит следы масла и грязи, их также следует протереть аналогичным образом. При окислении контактных колец из-за длительного хранения или перерыва в работе их зачищают мелкой шкуркой. Кольца, износ которых превышает 0,5 мм, протачивают. Состояние подшипников проверяют, вращая вал генератора от руки при снятых щетках. При нормальном состоянии подшипников вращение вала должно происходить плавно, без заеданий, шумов и щелчков. Сезонное техническое обслуживание сводится в основном к переводу переключателя посезонной регулировки напряжения там, где он есть, например, на генераторе Г273В автомобилей КамАЗ весной - в летнее положение (положение «Л»), осенью - в зимнее (положение «3»). Этот перевод генератора Г273 производят отверткой, вставляемой в шлиц переключателя. 3.9. Характерные неисправности генераторных установок и методы их обнаружения Генераторная установка исправна, если она обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, развивает напряжение, достаточное для питания и не опасное для потребителей, и работает без шума. Современные генераторные установки являются высоконадежными агрегатами, и часто за их отказ принимают отсутствие контакта или короткое замыкание в проводке автомобиля, срабатывание предохранителя, отказ амперметра и т.п. Некачественное соединение между выводами генератора и регулятора напряжения приводит к изменению выходного напряжения системы электроснабжения. В частности, повышенное сопротивление на участке между выводами «масса» генератора и регулятора (у автомобилей ВАЗ оно не должно превышать 0,01 Ом) вызывает перезаряд аккумуляторной батареи из-за роста напряжения генераторной установки. На автомобилях ВАЗ с генератором Г221А и регулятором напряжения 121.3702 повышенное сопротивление участков цепи между генератором и регулятором вызывает мигание лампы контроля заряда на щитке приборов при работе двигателя на малых оборотах. Повышенное сопротивление может возникнуть из-за ослабления пружины держателя предохранителя в цепи регулятора напряжения, плохого контакта в выключателе зажигания или в штекерных соединениях, нарушения соединения регулятора с «массой» автомобиля. Если амперметр при работающем двигателе автомобиля показывает малую силу тока или вообще на нуле, это еще не значит, что генераторная установка неисправна - аккумуляторная батарея может быть просто полностью заряжена. В этом случае нужно следить за показаниями амперметра сразу после пуска двигателя. Постепенное уменьшение зарядного тока характеризует исправную генераторную установку. Характерные неисправности генераторных установок и методы их устранения приведены в табл. 3.6. Определенную информацию о работоспособности генераторной установки, выполненной по одной из схем (рис. 3.6, а, в, д, ж. з), т.е. снабженной лампой контроля заряда аккумуляторной установки, можно получить по поведению этой лампы. Прежде всего, конечно, следует убедиться, что сама лампа и реле ее включения, а также все соединения схемы, в том числе контакты выключателя зажигания исправны. В зтом случае, если лампа не горит при неработающем двигателе при включении включателя зажигания, причиной в схемах рис. 3.6 а, в может являться замыкание обмотки статора на «массу» или замыкание минусовых диодов. После запуска и выхода двигателя на нормальный режим работы у исправной генераторной установки лампа должна погаснуть. Тем не менее, контрольная лампа не контролирует отказ регулятора напряжения, связанный с незакрыванием выходного транзистора, главным образом с коротким замыканием внутри выходного транзистора регулятора. В этом случае напряжение генераторной установки не регулируется и достигает недопустимо высоких значений, но лампа после запуска гаснет, как и у нормально работающей установки. Наиболее полную и правильную информацию о работоспособности генераторной установки может дать вольтметр с пределами измерений до 15-30 В (для генераторных установок дизелей с номинальным напряжением 28 В предел измерений вольтметра должен быть выше). При полностью заряженной аккумуляторной батарее, включенных фарах дальнего света и средних частотах вращения коленчатого вала двигателя напряжение генераторной установки между выводом «+» (вывод «30» у генераторов автомобилей ВАЗ) и «массой» должно быть в пределах 13-15 В (26-30 В у системы на напряжение 28 В ). Более точные цифры приведены в табл. 3.3. Низкое напряжение может быть вызвано отказом как генератора, так и регулятора, высокое - только отказом регулятора или повышенным падением напряжения в цепи включения регулятора в бортовую сеть. Причиной низкого напряжения может быть слабое натяжение приводного ремня, которое следует проверить. Соответствие генераторных установок предъявляемым к ним техническим требованиям и их исправность можно проверить на стенде, сняв генераторную установку с двигателя и собрав схемы рис. 3.22 (а - для генератора со встроенным регулятором, б - с вынесенным). При проверке генераторов и регуляторов напряжения их параметры должны соответствовать данным табл. 3.1 и 3.3. У генераторных установок, работающих по схеме рис. 3.6, д, ж, между выводами основного и дополнительного выпрямителя должны быть включены контрольная лампа 12 В - 1,2 Вт и подпиточный резистор, как показано на рис. 3.22, а. Для генератора 37.3701 подпиточный резистор имеет сопротивление 50 Ом, при испытании генератора Г222 перемыкаются его выводы «15» и «30», как показано пунктиром на рис. 3.22, а. Конечно, в эти схемы могут быть внесены некоторые изменения в соответствии со схемами генераторной установки по рис. 3.6. Исправность регулятора напряжения можно проверить и отдельно от генератора по схемам рис. 3.23. В качестве источника напряжения ИП можно использовать любой источник, у которого постоянное напряжение изменяется в пределах 12-16 В (у системы на номинальное напряжение 28 В - вдвое больше). Можно использовать и две аккумуляторные батареи - одну напряжением 1212,5 В и последовательно с ней включенные две аккумуляторные банки другой батареи на общее напряжение 15-16 В. Контрольную лампу HL мощностью не более 6 Вт включают так же, как обмотку возбуждения генератора, с которым работает регулятор напряжения: либо между выводами «Ш» (67) и «+» (В), как показано на рис. 3. 23, а, либо между выводом «Ш» и «массой» (рис. 3.23, б). У регулятора 17.3702 (генератор 37.370) контрольная лампа включается между щетками встроенного в него щеткодержателя (рис. 3.23, в). По поведению лампы в зависимости от подводимого напряжения оценивается исправность регулятора (табл. 3.7). При проверке интегрального регулятора Я112В его выводы «Б» и «В» должны быть соединены перемычкой. Для проверки элементов, из которых набирается схема регулятора напряжения - диодов, транзисторов, стабилитронов, резисторов и конденсаторов, следует их сначала отсоединить от схемы, отпаяв в месте их установки от печатной платы. Производить эти операции с полупроводниками следует осторожно, чтобы не вывести их из строя высокой температурой, рекомендуется при от- Рис, 3.22. Схемы проверки генераторных установок на стенде: а-со встроенным регулятором напряжения; б -с вынесенным регулятором напряжения пайке придерживать ножку полупроводника пинцетом. Неисправный резистор часто можно определить по следам почернения на корпусе. Проверку резистора производят измерением величины его сопротивления омметром. Конденсаторы проверяют омметром, включенным на шкалу МОм. У исправного конденсатора в момент подключения омметра к выводам должно происходить откпо- нение стрелки в сторону уменьшения сопротивления. Затем стрелка возвращается обратно. Таким образом проверяется и помехоподавительный конденсатор 2,2 мкФ, устанавливаемый на некоторые типы генераторов. Рис. 3.23. Схемы проверки регуляторов напряжения: а - обмотка возбуждения включена между выводами Ш и «+»; 6 - обмотка возбуждения включена между Ш и «->•; в - регулятор 17.3702 i сборе с щеткодержателем
Полупроводниковые диоды и стабилитроны также проверяются омметром. При этом концы омметра подсоединяются к их выводам. Если при пе-ресоединении концов резко меняется показание прибора, то диод исправен. Проверка транзисторов аналогична проверке исправности диодов, т.к. их переходы змиттер - база и коллектор - база имеют характеристики полупроводникового диода, т.е. пропускают ток только в одном направлении. При проверке переходов эмиттер -база и коллектор - база измерительные концы омметра подсоединяются к соответствующим выводам транзистора, а затем меняются местами. Если после пересоединения концов показа- Таблица 3.6. Неисправности генераторных установок и способы их устранения Причина неисправности Способ устранения Генераторная установка не обеспеч! Окисление выводов аккумуляторной батареи Отказ аккумуляторной батареи Нарушение проводки между элементами генераторной установки и потребителями 1вает заряд аккумуляторной батареи Зачистить и смазать выводы Заменить аккумуляторную батарею Проверить провода, подтянуть болтовые соединения, проверить надежность штекерных соединений Срабатывание предохранителя в цепи регулятора напряжения Установить и устранить причину срабатывания. Предохранитель заменить Слабое натяжение приводного ремня Подтянуть ремень Неисправность генератора При кратковременном замыкании выводов Ш и «+» регулятора напряжения генераторных установок по схеме рис. 3.6 а, з, (Ш и ■<-» по схемам 3.6 б, в, г, д, е) амперметр не показывает резкого скачка силы зарядного тока, а вольтметр - напряжения. Генератор снять и отремонтировать Неисправность регулятора напряжения Работа генераторной установки вызыв Отказ элементов транзисторного регулятора напряжения Если при выполнении операций предыдущего пункта наблюдается резкий скачок силы зарядного тока и напряжения - регулятор неисправен, его следует заменить или отремонтировать ает перезаряд аккумуляторной батареи Регулятор отправить в ремонт или заменить Повышенное падение напряжения в контактных соединениях цепи между регулятором напряжения и бортовой сетью Проверить и при необходимости зачистить, подтянуть или заменить контактные соединения в выключателе зажигания, предохранителях, штекерных и винтовых соединениях этой цепи, в том числе соединяющих регулятор напряжения с «массой» ния омметра резко меняются, переход исправен. В противном случае транзистор следует заменить. Как правило, в регуляторах напряжения выходят из строя выходные транзисторы. Более полная диагностика генератора может быть произведена только после его разборки. Прежде всего, нужно снять с генератора регулятор, который в большинстве Напряжение ИП, В Регулятор исправен Регулятор неисправен X - лампа горит; О - лампа не горит случаев образует с щеткодержателем единый блок. У большинства типов отечественных генераторов этот блок можно снять, отвернув два винта, крепящие кожух регулятора к крышке генератора. У генератора 37.3701 для снятия регулятора напряжения следует отвернуть два винта, крепящие одновременно металлическую пластину - теплоотвод регулятора и щеткодержатель к крышке генератора, а затем вынуть регулятор, оставив щеткодержатель на месте. Для этого между металлической пластиной регулятора и пластмассовым крепежным ушком щеткодержателя рекомендуется вставить отвертку. У генераторов компактной конструкции прежде всего следует снять пластмассовый защитный кожух, закрепленный на задней крышке. Регулятор напряжения, выполненный в металлостеклянном корпусе, снимается вместе с щеткодержателем. Щетки вместе с контактными пластинами извлекаются из щеткодержателя вместе с регулятором. Дальнейшая разборка генератора производится снятием гаек со стяжных болтов или выворачиванием этих болтов, если они ввернуты прямо в крышку. После этого статор вместе с крышкой со стороны контактных колец легко отделяются от крышки со стороны привода и ротора. Исправность катушки возбуждения проверяют омметром, подсоединенным к контактным кольцам. Величины сопротивления обмоток должны соответствовать табл. 3.4 (обычно 3-5 Ом или 2-3 Ом в зависимости от того, на какой максимальный ток рассчитан регулятор напряжения). Малое сопротивление говорит о наличии межвитко-вого замыкания, большое - об обрыве обмотки, вызванном проворотом каркаса относительно полюсных половин или отпайкой концов обмотки от контактных колец, что можно обнаружить визуально. Омметром можно проверить обмотку и на наличие замыкания на стальные части ротора. Диагностика обмотки статора требует специальной аппаратуры. Визуально изоляция провода не должна иметь следов подгорания и осыпания. 3.10. Замена типа генераторной установки на автомобиле Вопрос такой замены возникает, например, при необходимости заменить генераторную установку импортного производства на отечественную. Прежде всего следует подбирать генераторную установку, выполненную на то же номинальное напряжение, что и заменяемая. Замена возможна, если генераторы имеют одинаковые токоскоростные характеристики или у заменяющего генератора она лучше (больше номинальный ток, Таблица 3.8. Значения коэффициента К| для различных потребителей Потре битель Вентиля отопителя Обогрев стекла Стекло очиститель Электро- охлажден. двигателя Сигнал тормо жения Сигнал поворота Противотуманные фары ниже частота вращения при 1Г=0), передаточное число от двигателя к генератору примерно одинаковое, габаритные и присоединительные размеры генератора позволяют установить его на двигатель. Если замена вызвана неудовлетворительным зарядным балансом на автомобиле, связанным, например, с увеличением числа потребителей, то можно ориентироваться на рекомендации фирмы Bosch или отечественные. По обеим рекомендациям генератор подбирается на основе суммарного тока потребителей, причем при суммировании учитывается относительное время работы. Ток потребителей умножается на коэффициент времени их работы К(. Если потребитель работает все время движения, Кр1. Для потребителей, включаемых кратковременно, фирма Bosch рекомендует величины Kt, приведенные в табл. 3.8. К потребителям, постоянно включенным при езде ночью по городу относят: систему зажигания, топливный насос, систему электронного впрыска, радиоприемник, фары ближнего света, габаритные огни, фонарь освещения номерного знака и освещение приборов. Первоначально определяется суммарная сила потребляемого тока постоянно включенными потребителями при езде ночью по городу 1пп, сила тока от кратковременно включенных потребителей 1П^. Суммарная сила тока 1п потребителей определяется сложением 1пп и 1П^. По величине 1п фирма рекомендует выбирать генератор с номинальным током, указанным в табл. 3.9. После выбора генератора нужно проверить, обеспечивает ли он на частоте вращения холостого хода коленчатого вала нужную силу тока. Она должна быть не менее 1,3 1пп. Следует проверить также, не превысит ли максимальная частота вращения ротора генератора допустимую величину. По отечественным рекомендациям сначала определяется суммарная сила тока всех потребителей 1п, с учетом времени их работы, в режиме движения ночью зимой по шоссе. Таблица 3.9. Подбор генератора по току потребителей ln при 14В, А Менее 18 Номинальный ток генератора, А При этом постоянно включенными с коэффициентом К{=1 принимаются: фары дальнего света, габаритные огни, фонарь освещения номерного знака; освещение приборов и потребление ими тока, в том числе потребление маршрутным компьютером; системы зажигания, впрыска топлива и топливоподачи; электрическая блокировка замков; управление подвеской; система отопления. Кратковременно включенные потребители имеют коэффициент Kt равный: стеклоочиститель ветрового стекла - 0,25; заднего стекла - 0,15; противотуманные фары - 0,3; противотуманные фонари - 0,5; сигнал торможения - 0,5: сигнал поворота - 0,1; очистители фар - 0,1; антиблокировочная система тормозов - 0,6; радиоприемник - 0,7. Номинальный ток генератора должен быть не менее 1,25 - 1,35 1п {на легковых автомобилях). После этого следует проверить, может ли генератор обеспечить должный уровень питания злектропотребите-лей на холостом ходу двигателя, желательна токоскоростная характеристика генератора (см. рис. 3.7). ГЛАВА 4 Электростартеры 4.1. Пусковые качества автомобильных двигателей Возможность осуществления надежного пуска двигателя зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов, к которым относят степень сжатия, рабочий объем, число и схему расположения цилиндров, тепловое состояние деталей двигателя, регулировочные параметры системы зажигания (для бензиновых двигателей) и топливной аппаратуры, низкотемпературные свойства топлива, вязкостно-температурные характеристики моторного масла, мощность и энергоемкость системы пуска, наличие и эффективность вспомогательных пусковых устройств и т.д. Поршневые двигатели внутреннего сгорания начинают работать устойчиво при относительно высокой частоте вращения коленчатого вала. Пусковое устройство должно вращать коленчатый вал с частотой, достаточной для начала и развития процессов образования, воспламенения и сгорания топливо-воздушной смеси и способствовать выходу двигателя на устойчивый режим самостоятельной работы. Характер протекания пусковых процессов и требования к пусковой частоте вращения коленчатого вала различны для бензиновых двигателей и дизелей. Пусковая частота вращения коленчатого вала бензинового двигателя должна быть достаточной для подготовки топливо-воздушной смеси, способной воспламениться от электрической искры. При пуске холодного бензинового двигателя из-за низкой температуры топлива, стенок впускного трубопровода, и малой скорости перемещения в нем воздушного потока в смесеобразовании участвуют только легкоиспаряющиеся фракции бензина, поэтому пусковые качества бензина оценивают по температуре выкипания 10% фракций. Для подготовки смеси, находящейся в пределах воспламеняемости, при пуске увеличивают подачу топлива за счет оптимальной для пуска регулировки топливной аппаратуры. С уменьшением пусковой частоты вращения коленчатого вала становится более продолжительным процесс сжатия, увеличивается теплопередача в холодные стенки цилиндра и пропуск газов через неплотности в поршневых кольцах и клапанах. Давление и температура в конце сжатия уменьшаются, что ухудшает условия воспламенения смеси и распространения пламени. Уменьшение массы смеси из-за отсутствия дозарядки цилиндров за счет инерции воздушного потока при запаздывании закрытия впускного клапана снижает количество выделяемой при сгорании теплоты и индикаторную мощность, развиваемую двигателем при пуске. Ухудшение условий смесеобразования при пуске приводит к необходимости увеличения энергии электрической искры. Для пусковых режимов подбирается наивыгоднейший угол опережения зажигания. В дизелях топливо-воздушная смесь образуется непосредственно в цилинд-pax после подачи топлива форсункой. Воспламенение смеси происходит под действием высокой температуры в камере сгорания. Вследствие малой продолжительности процесса смесеобразования и отсутствия принудительного зажигания топливо-воздушной смеси пуск дизелей осуществить сложнее. Пуск дизелей улучшается с увеличением цетанового числа топлива, по которому оценивают его способность к воспламенению. При низких температурах большую роль играет испаряемость дизельного топлива. Пусковые свойства дизельного топлива оценивают по температуре выкипания 50% фракций или по количеству фракций, выкипающих до температуры 300°С. Температура в цилиндре в момент подачи топлива должна превышать температуру самовоспламенения топлива, чтобы период задержки воспламенения был меньше времени, отводимого при пуске на образование смеси и развитие предпламенных реакций. При пусковых частотах в режиме электростартерного пуска с большой неравномерностью вращения коленчатого вала резко увеличивается продолжительность процессов сжатия, что вызывает соответствующий рост утечек тепла и рабочего заряда и снижение температуры и давления в цилиндрах в конце такта сжатия. Достаточные для воспламенения топливо-воздушной смеси давление и температура в цилиндрах дизелей достигаются благодаря большей, чем у бензиновых двигателей, степени сжатия и увеличенной частоте вращения коленчатого вала пусковым устройством.
Надежность пуска дизеля повышается за счет надлежащего подбора диаметра и числа сопловых отверстий распылителя форсунки, правильной ориентации распылителя в камере сгорания, увеличения давления впрыскивания и количества подаваемого топлива, а также подбора наивыгоднейшего для пуска угла опережения подачи топлива. При пуске двигателя пусковое устройство преодолевает сопротивление вращению коленчатого вала. Момент сопротивления Мс (рис. 4.1) складывается в основном из момента сил трения в кинематических парах двигателя и момента газовых сил, обусловленного разностью работ сжатия Рис. 4.1. Зависимость момента сопротивления и расширения в цилиндрах двигателя, от частоты вращения коленчатого вала при Момент сопротивления зависит от пуске бензинового двигателя 3M3-53:    температуры Т, средней частоты п и ---------масло МбзИОГ,; -масло М8Б2 неравномерности вращения коленча- --- того вала, числа, схемы расположения и рабочего объема цилиндров, а также от размеров трущихся поверхностей двигателя. Пусковые качества автомобильных двигателей оценивают по минимальной пусковой частоте вращения коленчатого вала nmjn и среднему давлению трения рт. Минимальная пусковая частота вращения - это наименьшая частота вращения коленчатого вала, при которой пуск двигателя в заданных условиях происходит за две попытки пуска продолжительностью по 10 с для бензиновых двигателей и по 15 с для дизелей с перерывами между попытками в 1 мин. Минимальные пусковые частоты определяются по зависимости времени пуска 1п от средней частоты вращения п коленчатого вала (рис. 4.2). Требуемые пусковые частоты для автомобильных бензиновых двигателей - 40-85 мин-1, а для дизелей - 50-200 мин-1. Минимальные пусковые частоты увеличиваются с понижением температуры, увеличением вязкости масла и заметно снижаются при увеличении числа цилиндров двигателя и использовании устройств для облегчения пуска. Среднее давление трения представляет собой условную удельную величину, характеризующую сопротивление вращению коленчатого вала двигателя, укомплектованного всеми штатными навесными агрегатами: п    мс Рт=12,57-гр- . где: рт - среднее давление трения, Па; Мс - средний момент сопротивления, Н-м: рабочий объем двигателя, м3. а
10 30 50 70 п,мин
50 100 150 200 п,мин-1 Рис. 4.2. Пусковые характеристики двигателей: а - бензиновый двигатель ВАЗ-2106 (мвсло МбзИОГ6 - дизель КамАЗ-740 (масло М4з!8В2); 1 -без средств облегчения пуска; 2 -с электрофакельным устройством Таблица 4.1. Предельные температуры надежного пуска холодных двигателей и время их подготовки к принятию нагрузки Тип двигателя и предельная температура, °С Моторное масло, его вязкость, сСт Топливо Время подготовки двигателя к принятию нагрузки, мин, не более Карбюраторный: Летнее Бензин летний « зимний Дизель с камерой сгорания в поршне: Дизельное марки «3» Дизель с камерой сгорания в поршне и турбонаддувом при степени сжатия не ниже 15: Дизельное марки «3» Дизель с разделенной камерой сгорания при степени сжатия не ниже 21: * - пуск двигателей с применением устройств облегчения пуска. По минимальной пусковой частоте вращения nmjn и соответствующему ей моменту сопротивлении Мс определяют требуемую пусковую мощность. Пусковые качества двигателей на автомобилях оценивают по предельной температуре надежного пуска и времени подготовки двигателя к принятию нагрузки (табл. 4.1 и 4.2). Предельная температура надежного пуска - наиболее низкая температура окружающего воздуха, при которой осуществляется надежный пуск холодного двигателя. Под надежным пуском понимается пуск двигателя, оборудованного всеми навесными агрегатами, на основном топливе, при использовании штатных аккумуляторных батарей, имеющих 75%-ю степень заряженности, не более чем за три попытки пуска холодного двигателя и не более чем за две попытки пуска горячего двигателя или после предпускового его подогрева. Холодный двигатель -двигатель, температура деталей, охлаждающей жидкости, масла и топлива которого отличаются от температуры окружающего воздуха не более чем на 1°С. Горячий двигатель - двигатель, остановленный после работы, при температуре окружающего воздуха до +45°С и температу- Таблица 4.2. Предельные температуры надежного пуска холодных двигателей с системой предпускового подогрева и время их подготовки к принятию нагрузки Тип автомобиля Применяемые эксплуатационные материалы Предельная температура надежного пуска двигателя, Время подготовки двигателя к принятию нагрузки мин, не более Моторное масло Трансмис сионное масло Топливо Общего и северного исполнения, многоцелевого назначения Зимнее класса «8» Зимнее Бензин зимний, дизельное марки А Многоцелевого назначения Маловязкое, загущенное, классов 4з/6, 4з/8. 5з/8 Арктическое, маловязкое, загущенное Бензин зимний, дизельное марки А Северного исполнения ' - пуск двигателя с применением устройств облегчения пуска. ре деталей двигателя, охлаждающей жидкости и масла не ниже рабочей. Время подготовки двигателя к принятию нагрузки - это затраты времени на приведение в действие и работу устройства для облегчения пуска холодного двигателя или системы предпускового подогрева, на пуск двигателя и его работу в режиме холостого хода до достижения состояния, обеспечивающего принятие нагрузки. При использовании предпускового подогреватвля время подогрева электролита аккумуляторной батареи до температуры не ниже -35°С не учитывается. Требования к минимальным пусковым частотам вращения коленчатых валов автомобильных двигателей приведены в табл. 4.3. Эти требования могут не регламентироваться при выполнении требований табл. 4.1. 4.2. Системы электростартерного пуска Тип системы пуска определяет используемая энергия и конструкция основного пускового устройства (стартера). Для пуска автомобильных двигателей используют системы электростартерного пуска Они надежны в работе, обеспечивают дистанционное управление и возможность автоматизации процесса пуска двигателей с помощью электротехнических устройств. Таблица 4.3. Минимальные пусковые частоты вращения коленчатых валов двигателей различных типов Виды пуска двигателя Температура, °С Минимальные пусковые частоты вращения, мин-1, при числе цилиндров 8 и более Бензиновые двигатели Пуск холодного двигателя: без применения устройств облегчения пуска с применением устройств облегчения пуска Пуск после предпускового подогрева двигателя Дизели Пуск холодного двигателя без применения устройства облегчения пуска: с камерой сгорания в поршне при степени сжатия с камерой сгорания в поршне и турбонаддувом при степени сжатия не ниже 15 Пуск холодного двигателя с применением устройства облегчения пуска: с камерой сгорания в поршне при степени сжатия с камерой сгорания в поршне и турбонаддувом при степени сжатия не ниже 15 с разделенными камерами сгорания при степени сжатия не ниже 21 Пуск двигателя после предпускового подогрева: с камерой сгорания в поршне при степени сжатия 16-17 и с турбонаддувом при степени сжатия не ниже 15 с разделенными камерами сгорания при степени сжатия не ниже 21 Структуры схем систем электростартерного пуска отличаются между собой незначительно (рис. 4.3). В системах управления электростартером предусмотрены электромагнитные тяговые реле, дополнительные реле и реле блокировки, обеспечивающие дистанционное включение, автоматическое отключение стартера от аккумуляторной батареи после пуска двигателя и предотвращение включения стартера при работающем двигателе. Источником энергии в системах электростартерного пуска является стартер-ная свинцовая аккумуляторная батарея - химический источник тока, поэтому в Дополни тельное блокировки Аккумуля Тяговое Стартерный Редуктор торная батарея стартера электро двигатель привода Двигатель Устройство для облегчения пуска Рис. 4.3. Структурная схема системы пуска электростартерах используют электродвигатели постоянного тока. Характеристики стартерного электропривода с электродвигателями постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения хорошо согласуются со сложным характером нагрузки, создаваемой поршневым двигателем при пуске. Стартерный электродвигатель получает питание от аккумуляторной батареи через замкнутые контакты 2 (рис. 4.4) тягового электромагнитного реле. При замыкании контактов выключателя S приборов и стартера, дополнительного реле или реле блокировки втягивающая 3 и удерживающая 4 обмотки тягового реле подключаются к аккумуляторной батарее GB. Якорь 5 тягового реле притягивается к сердечнику электромагнита и с помощью штока 6 и рычага 7 меха зацепление с зубчатым венцом 11 маховика двигателя. низма привода вводит шестерню 10 в Рис. 4.4. Схема включения электростартера: 1 -контактный болт; 2 -подвижный контактный диск; 3,4-соответственно втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле; 5 -якорь тягового реле; 6 - шток; 7 -рычаг привода; 8 - поводковая муфта; 9 - муфта свободного хода; 10-шестерня привода; 11 -зубчатый венец маховика; 12 -стартерный электродвигатель
В конце хода якоря 5 контактная пластина 2 замыкает силовые контактные болты 1, и стартерный электродвигатель 12, получая питание от аккумуляторной батареи, приводит во вращение коленчатый вал двигателя. После пуска двигателя муфта свободного хода 9 предотвращает передачу вращающего момента от маховика к валу якоря электродвигателя. Шестерня привода не выходит из зацепления с венцом маховика до тех пор, пока замкнуты контактные болты 1. При размыкании выключателя S втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле подсоединяются к аккумуляторной батарее последовательно через силовые контактные болты 1. Так как число витков у обеих обмоток одинаково и по ним при последовательном соединении проходит один и тот же ток, обмотки при разомкнутом выключателе S создают два равных, но противоположно направленных магнитных потока. Сердечник электромагнита размагничивается, возвратная пружина перемещает якорь 5 реле в исходное нерабочее положение и выводит шестерню 10 из зацепления с зубчатым венцом маховика. При этом размыкаются и силовые контактные болты 1. Недостатком систем электростартерного пуска с дистанционным управлением является большое количество элементов и необходимость применения сложных конструкций стартеров. Однако их использование позволяет уменьшить длину силовых электроцепей стартерного электродвигателя и тягового реле, уменьшить продолжительность пуска, расход энергии на пуск и тем самым увеличить срок службы аккумуляторной батареи и стартера. 4.3. Особенности работы электростартеров и требования к электростартерам Электростартер получает питание от аккумуляторной батареи - автономного источника электроэнергии ограниченной мощности. Вследствие внутреннего падения напряжения в батарее напряжение на выводах электростартера не остается постоянным, а уменьшается с увеличением нагрузки и силы потребляемого тока. Сила тока электростартеров может составлять несколько сот и даже тысяч ампер. При такой силе тока на характеристики стартерного электродвигателя большое влияние оказывает падение напряжения в стартерной сети, т.е. в стартерном проводе и «массе». Характеристики стартерных электродвигателей зависят от емкости и технического состояния аккумуляторной батареи. «Семейству» вольт-амперных характеристик батареи (см. рис. 2.33) соответствует «семейство» рабочих и механических характеристик стартерного электродвигателя. Для стартерного электропривода двигателя характерна значительная неравномерность нагрузки, обусловленная резким изменением момента сопротивления от сил давления газов в цилиндрах и сложной кинематикой кривошипношатунного механизма. При переменной нагруэкв снижается мощность и КПД системы пуска, что необходимо учитывать при выборе мощности стартерного электродвигателя и емкости аккумуляторной батареи. Режим работы электростартеров - кратковременный с длительностью включения до 10 с при температуре 20°С. При отрицательных температурах допускается длительность работы до 15 с для стартеров бензиновых двигателей и до 20 с для стартеров дизелей. Длительное время по отношению к периоду прокручивания коленчатого вала двигателя стартер может работать в режимах полного торможения и холостого хода. Якорь стартера должен без повреждений в течение 20 с выдерживать нагрузки, возникающие при частоте вращения коленчатого вала, на 20% превышающей частоту его вращения в режиме холостого хода. Якорь стартера должен иметь надежный привод к коленчатому валу при пуске двигателя и автоматически отключаться от него после осуществления пуска. Конструкция стартера и зубчатая передача должны обеспечивать надежный ввод шестерни в зацепление и передачу коленчатому валу двигателя вращающего момента. Шестерня привода стартера не должна самопроизвольно входить в зацепление с венцом маховика. Муфта свободного хода привода должна защищать якорь от механических повреждений. Тяговое реле стартера должно обеспечивать ввод шестерни в зацепление и включение стартера при снижении напряжения до 9 В для UH=12 В и до 18 В для UH=24 В при температуре окружающей среды (20±5)°С. Контакты тягового реле должны оставаться замкнутыми при снижении напряжения на выводах стартера до 5,4 и 10,8 В при номинальных напряжениях соответственно 12 и 24 В. Автомобильные электростартеры имеют степень защиты не ниже IRX4 (по ГОСТ 14254-80), кроме полости механизма привода. Пусковой цикл (попытка пуска) на двигателе (на стенде) не должен превышать 15 с при температуре окружающей среды (20±5)°С. Допускается не более трех пусковых циклов подряд с перерывам между ними не менее 30 с. После охлаждения стартера до температуры окружающей среды допускается еще один пусковой цикл. Не допускается нагружать стартер более чем на номинальную мощность Повышение температуры стартера во время пусковых циклов не должно приводить к изменениям, отрицательно влияющим на его работоспособность. Рациональному использованию аккумуляторной батареи, имеющей в системе пуска относительно большую массу и в наибольшей степени подверженной влиянию эксплуатационных факторов, способствуют правильное согласование характеристик элементов системы пуска и обоснованный выбор ее схемы и параметров, при которых расходуется минимальное количество энергии источника тока. Для уменьшения длины стартерных проводов, габаритных размеров и массы стартера и батареи, а также для удобства их установки и технического обслуживания важно предусмотреть рациональное размещение элементов системы пуска двигателя на автомобиле. Параметром, определяющим рациональное согласование мощностной характеристики пускового устройства с пусковыми характеристиками двигателя, является передаточное число привода. При изменении передаточного числа привода меняется наклон механической характеристики стартерного электродвигателя, приведенной к коленчатому валу двигателя. С повышением передаточного числа приведенный вращающий момент увеличивается, а приведенная частота вращения вала уменьшается. Максимальное значение мощности электростартера смещается в сторону меньшей частоты вращения коленчатого вала. Для каждого типа двигателя и заданных условий пуска существуют наивыгоднейшие передаточные числа, при которых наилучшим образом используются мощностные характеристики стартерного электродвигателя. Автомобильные электростартеры должны обеспечивать номинальные параметры при нормальных климатических условиях: температура окружающего воздуха (25±10)°С; относительная влажность (45-80)%; атмосферное давление (84-106) кПа. Рис. 4.5. Электростартер СТ221: а -общий вид; б -детали стартера; 1 -шестерня привода; 2 -муфта свободного хода; 3 -ведущая обойма муфты свободного хода; 4 - буферная пружина; 5-рычаг включения привода; 6 - крышка со стороны привода; 7 - возвратная пружина; 8 - корпус тягового реле; 9 - обмотка тягового реле; 10 - сердечник тягового репе; 11 - подвижная контактная пластина; 12 - неподвижный контакт; 13 -контактные болты; 14 -щеточная пружина; 15 - щеткодержатель; 16-коллектор; 17-крышка со стороны коллектора; 18-вал якоря с винтовыми шлицами; 19 -щетка; 20 - катушка обмотки возбуждения; 21 - полюс; 22 - корпус стартера; 23 - полюсный винт; 24 - якорь электродвигателя; 25 - упорное колы/о; 26 - регулировочная шайба; 27 - резиновые заглушки; 28 - тяговое реле; 29 - последовательная обмотка возбуждения; 30 - параллельная обмотка возбуждения; 37 - защитная лента; 32 - тормозной диск; 33 - стяжная шпилька; 34 - ограничитель хода шестерни 4.4. Устройство электростартеров Автомобильные электростартеры отличаются по способу управления и возбуждения, типу механизма привода, способу крепления на двигателе и степени защиты от проникновения пыли и воды. По типу и принципу работы приводных механизмов выделяют стартеры с электромеханическим перемещением шестерни привода, которые получили наибольшее распространение, и стартеры с инерционным или комбинированным приводом. Для предотвращения разноса якоря после пуска двигателя в автомобильные электростартеры устанавливают роликовые, храповые и фрикционнохраповые муфты свободного хода. Стартер состоит из электродвигателя постоянного тока с последовательным или смешанным возбуждением, электромагнитного тягового реле и механизма привода. В стартер может быть встроен дополнительный редуктор. Узлами и деталями электростартера с электромеханическим включением шестерни являются корпус 22 (рис. 4.5) с полюсами 21 и катушками 20 обмотки возбуждения, якорь 24 с обмоткой и коллектором 16, механизм привода с муфтой свободного хода 2, шестерней 1 и буферной пружиной 4, электромагнитное тяговое реле с корпусом 8, обмоткой 9, контактными болтами 13 с контактами 12, крышка 6 со стороны привода, крышка 17 со стороны коллектора и щеточный уэел с щеткодержателями 15, щетками 19 и щеточными пружинами 14. Вид А. ^    о    Q    С    cs    -i-i-m Рис. 4.6. Корпус стартера СТ142-Б в сборе: I    - катушка; 2 - корпус; 3 - винт полюс а; 4 - изоляционная втулка; 5, 6 - соответственно уплотнительная и изоляционная шайбы; 7 -шайба; 8-выводной болт; 9-гайка М12; 10-пружинная шайба; II    -изоляционный материал; 12 -полюс Корпус. Полюсы. Обмотка возбуждения Корпусы (рис. 4.6) электростартеров изготавливают из трубы или стальной полосы (сталь 10 или Ст.2) с последующей сваркой стыка С целью улучшения герметизации корпус не имеет окон для доступа к щеткам. Длина корпуса в 1,6-2 раза больше длины пакета якоря. Толщина корпуса зависит от диаметра D корпуса и составляет (0,05-0,08) D. В корпусе 2 предусмотрено отверстие для выводного болта 8 обмотки возбуждения. Корпус может иметь установочные прорези на торцах и конусообразные проточки для установки уплотнительных колец. К корпусу 2 винтами 3 крепят полюсы 12 с катушками 1 обмотки возбуждения. Все автомобильные стартеры выполняют четырехполюсными. Катушки последовательных и параллельных обмоток возбуждения устанавливают на отдельных полюсах, поэтому число катушек равно числу полюсов.
Горячекатанные или штампованные полюсы (рис. 4.7) стартера состоят из магнитопровода, полюсных наконечников и изготавливаются из профильной стали 10. Катушки (рис. 4.8) последовательной обмотки имеют небольшое число вит- J - изоляционный материал между витками; 2 -ков неизолированного медного прово- лента батистовая; 3-провод ПММ; 4-прокладка да 3 прямоугольного сечения марки _ ПММ. Между витками катушки прокладывают электроизоляционный картон толщиной 0,2-0,4 мм. Катушки параллельной обмотки возбуждения наматывают изолированным круглым проводом марок ПЭВ-2 и ПЭТВ. Снаружи катушки изолируют лентой из изоляционного материала (хлопчатобумажная тафтяная лента, батистовая лента Б-13). Внешняя изоляция после пропитывания лаком и просушивания имеет толщину 1-1,5 мм. Перспективно применение полимерных материалов при изолировании катушек, с помощью которых можно получить покрытия, равномерные по толщине, стойкие к воздействию агрессивной среды и повышенной температуры. Якорь Якорь (рис. 4.9) стартера представляет собой шихтованный сердечник, в пазы которого укладываются секции обмотки. В шихтованном сердечнике меньше потери на вихревые токи. Пакет якоря напрессован на вал 4, вращающийся в двух или трех опорах с бронзографитовыми подшипниками, подшипниками из других порошковых материалов, либо с подшипниками качения. Пакет якоря набран из стальных пластин (сталь 0,8 кп или сталь 10) толщиной 1-1,2 мм (рис. 4.10). Крайние пластины пакета из электроизоляционного картона ЭВ толщиной 2,5 мм предохраняют от повреждения изоляционный материал лобовых частей обмотки якоря. В стартерных электродвигателях применяют простые волновые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями (см. рис. 4.9, 6). Одновитковые секции выполняют из неизолированного прямоугольного провода марки ПММ. Обмотки с двухвитковыми секциями наматывают круглыми изолированными проводами ПЭВ-2 и ПЭТВ. Полузакрытые или закрытые пазы якорей могут иметь прямоугольную или грушевидную форму (рис. 4.11). При прямоугольной форме пазов обеспечивается лучшее их заполнение прямоугольным проводом. В этом случае проводники в пазы укладывают в два слоя и изолируют друг от друга и от пакета якоря гильзами S-обраэной формы из электрокартона толщиной 0,2-0,4 мм или полимерной пленки. Пазы грушевидной формы с постоянным или переменным сечением зубца применяют в стартерах малой мощности с двухвитковыми секциями.
Концы секций обмотки якоря укладывают в прореэи «петушков» коллекторных пластин. Конец одной секции и начало следующей по ходу обмотки присоединяют к одной коллекторной пластине. На лобовые части обмотки якоря накладывают бандажи, состоящие из нескольких витков проволоки, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, намотанных на прокладку из электроизоляционного картона. Рис. 4.11. Форма и размеры пазов со скруглтият: а - прямоугольный полузакрытый; б - грушевидный полузакрытый Бандаж из стекловолокна менее дорогостоящий, для него можно не применять крепежные скобы. Бандаж может быть изготовлен в виде алюминиевого кольца с изоляционной кольцевой прокладкой из гетинакса или текстолита. Лобовые части секций изолируют друг от друга электроизоляционным картоном. Коллекторы. Щетки. Щеткодержатели В электростартерах применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке, а также цилиндрические и торцовые коллекторы с пластмассовым корпусом. Сборные цилиндрические коллекторы (рис. 4.12, а), применяемые на стартерах большой мощности, составляют иэ медных пластин и изолирующих прокладок из миканита, слюдинита или слюдопласта. Пластины в коллекторе закрепляются с помощью металлических нажимных колец 2 и изоляционных корпусов 4 по боковым опорным поверхностям. От металлической втулки 1, которую напрессовывают на вал якоря, медные пластины изолируют цилиндрической втулкой из миканита. Рабочая поверхность коллектора должна иметь строго цилиндрическую форму. Монолитность конструкции и биение рабочей поверхности сборных цилинд- Рис. 4.12. Коллекторы электростартеров: а - цилиндрический на металлической втулке (СТ142); 6 - цилиндрический с пластмассовым корпусом (СТ142); в - торцовый (29.3708); 1 - металлическая втулка; 2 - нажимное кольцо; 3 - изоляционный материал втулки; 4 - изоляционный корпус; 5 - гайка; 6 - пластмассовый корпус; 7 - армировочное кольцо
б

Рис. 4.13. Щеточно-коллекторные узлы: а - стартера СТ230-Б с цилиндрическим коллектором; 6 - стартера 29.3708 с торцовым коллектором; 1 -стяжной болт; 2 -коллектор; 3 -канвтик щетки; 4 -щетка; 5 -щеткодержатель; 6 -крышка со стороны коллектора; 7 - винт крепления канатика щетки; 8 - защитный кожух; 9 - вал якоря; 10 -пружина рических коллекторов зависят от точности изготовления сопрягаемых деталей. Вследствие податливости изоляционных прокладок между пластинами первоначальная форма сборного цилиндрического коллектора в процессе эксплуатации может измениться, что приводит к усилению искрения под щетками. В цилиндрических коллекторах с пластмассовым корпусом (рис. 4.12, б) пластмасса является формирующим элементом коллектора. Она плотно охватывает сопрягаемые поверхности независимо от конфигурации и точности изготовления коллекторных пластин, изолирует коллекторные пластины от вала и воспринимает нагрузки. В качестве пресс-материала чаще всего используется пластмасса АГ-4С. Для повышения прочности коллектора применяют армиро-вочные кольца из металла и пресс-материала. При небольших размерах коллектор может быть изготовлен из цельной цилиндрической заготовки, разрезаемой после опрессовки пластмассой на отдельные ламели. Торцовые коллекторы (рис. 4.12, в) по сравнению с цилиндрическими имеют меньшие размеры и металлоемкость. Рабочая поверхность торцового коллектора находится в плоскости, перпендикулярной к оси вращения якоря. При изготовлении торцового коллектора из медной втулки формируется пластина в виде диска с отверстием, прямоугольными пазами по числу требуемых коллекторных пластин и кольцевыми выступами. Диск со стороны выступов опрессовыва-ется пластмассой. В пластмассовом корпусе прошивают внутреннее отверстие для напрессовки коллектора на вал. Для разделения пластин производится об-сечка коллектора по наружному диаметру. В стартерах с цилиндрическими коллекторами щетки 4 (рис. 4.13, а) устанавливают в четырех коробчатых щеткодержателях 5 радиального типа, закрепленных на крышке 6 со стороны коллектора. Необходимое удельное давление (30—120 кПа) щетки на коллектор обеспечивают спиральные пружины 10. Щеткодержатели изолированных щеток отделены от крышки прокладками из текстолита или другого изоляционного материала. В стартерах большой мощности в каждом из радиальных щеткодержателей устанавливают по две щетки. В электростартерах с торцовыми коллекторами щетки 4 (рис. 4.13, б) размещают в пластмассовой или металлической траверсе и прижимают к рабочей поверхности коллектора витыми цилиндрическими пружинами. Щетки имеют канатики 3 и присоединяются к щеткодержателям 5 с помощью винтов 7. Обычно щетки устанавливают на геометрической нейтрали. На неко- Рис. 4.14. Электростартер 29.3708 с одной опорой в крышке со стороны коллектора: 1 - вал якоря; 2 - замковое кольцо; 3 - упорное кольцо; 4 - шестерня привода; 5 - рычаг привода; 6 - тяговое реле; 7 -уплотнительная заглушка; 8 -катушка обмотки возбуждения; 9 - якорь тягового реле; 10 - корпус тягового реле; 11 - удерживающая обмотка; 12 - втягивающая обмотка; 13 - сердечник тягового реле; 14 - подвижный контакт; 15 - крышка тягового реле; 16 - контактные болты; 17 - бандаж лобовой части обмотки якоря; 18 - обмотка якоря; 19 - защитный кожух; 20 - щетка; 21 - вкладыш подшипника; 22 - торцовый коллектор; 23 - крышка со стороны коллектора; 24 - якорь электродвигателя; 25 - корпус; 26 - поводковая муфта; 27 - крышка со стороны привода; 28 - роликовая муфта свободного хода торых стартерах для улучшения коммутации щетки смещают с геометрической нейтрали на небольшой угол против направления вращения. Щетки в щеткодержателях должны перемещаться свободно, но без сильного бокового люфта. В электростартерах применяют меднографитные щетки с добавками свинца и олова. Содержание графита выше в щетках для мощных стартеров и стартеров для тяжелых условий эксплуатации. Плотность тока в щетках электростартеров находится в пределах 40-100 А/см2. От допустимой плотности тока зависят размеры щеток и падение напряжения под щетками 1_1щ. Крышки, подшипники Крышки со стороны коллектора изготавливают методом литья из чугуна, стали, алюминиевого или цинкового сплава, а также штампуют из стали. Крышки могут иметь дисковую или колоколообразную форму. В крышках колоколообразной формы предусмотрены окна для доступа к щеткам. Крышки со стороны привода изготавливают методом литья из алюминиевого сплава или чугуна. Конструкция крышки зависит от материала, из которого она изготовлена, типа механизма привода, способа крепления стартера на двигателе и тягового реле на стартере. Установочные фланцы крышки имеют два или большее число отверстий под болты крепления стартера. Фланцевое крепление стартера к картеру сцепления дает возможность сохранить постоянство межосевого расстояния в зубчатом зацеплении при снятии и повторной установке стартера. В крышке предусмотрено отверстие, которое позволяет шестерне привода входить в зацепление с венцом Маховика. В крышках и промежуточной опоре устанавливают подшипники скольжения. Промежуточную опору предусматривают в стартерах с диаметром корпуса 115 мм и более. Подшипники смазывают в процессе производства и при необходимости во время технического обслуживания в эксплуатации. В стартерах большой мощности для грузовых автомобилей бобышки подшипников имеют масленки с резервуарами для смазочного материала и смазочными фильцами. На автомобилях ВАЗ моделей 2108 и 2109 установлен стартер 29.3708, имеющий только одну опору в крышке 23 со стороны коллектора (рис. 4.14). Вторая опора со стороны привода предусмотрена в картере сцепления. Тяговые электромагнитные реле Управляемые дистанционно тяговые реле обеспечивают ввод шестерни в зацепление с венцом маховика и подключают стартерный электродвигатель к аккумуляторной батарее. Они отличаются по способу крепления на стартере, количеству обмоток, конструкции контактного устройства и форме стопа электромагнита. На большинстве стартеров тяговое реле располагают на приливе крышки 27 (см. рис. 4.14) со стороны привода. С фланцем прилива крышки реле соединяют непосредственно или через дополнительные крепежные элементы. Реле может иметь одну или две обмотки, намотанные на латунную втулку, в которой свободно перемещается стальной якорь 11 (рис. 4.15), воздействующий Рис. 4.1 S. Тяговое реле стартера СТ142-Б с неразделенной контактной системой: 7,20- резиновые уплотнительные шайбы; 2 - крышка репе {полиамид ПА 66-КС); 3 - резиновое уплотнительное кольцо, 4 - контактный диск (LL1MT 4-60, ГОСТ 434-78'); 5 - изоляционная втулка (полиамид ПА 66-КС), 6 -чашка (лента 08 кп); 7 -пружина (проволока (1,3+0,03^ мм); 8 -корпус реле; 9 - возвратная пружина (проволока (16 + 0,03) мм); 10 - резиновый сильфон; 11 - якорь реле (сталь ЮГОСТ1050-88); 12 -каркас катушки; 13, 14 -соответственно удерживающая и втягивающая обмотки; 15-стальной шток; 16 -сердечник реле (сталь 10, ГОСТ 1050-88); 17 - изоляционная шайба (полиамид ПА 66-КС), 18-шайба, 19- скоба (лента 08 кп), 21 - контактный болт (проволока МТ) на шток 15 с подвижным контактным диском 4. Два неподвижных контакта в виде контактных болтов 21 закрепляют в пластмассовой крышке 2. В двухобмоточном реле удерживающая обмотка 13, рассчитанная только на удержание якоря реле 11 в притянутом к сердечнику 16 состоянии, намотана проводом меньшего сечения и имеет прямой выход на «массу». Втягивающая обмотка 14 подключена параллельно контактам реле. При включении реле она действует согласно с удерживающей обмоткой и создает необходимую силу притяжения, когда зазор между якорем 11 и сердечником 16 максимален. Во время работы стартерного электродвигателя замкнутые контакты тягового реле шунтируют втягивающую обмотку и выключают ее из работы. Контактные системы могут быть разделенной или неразделенной конструкции. При неразделенной контактной системе (см. рис. 4.15) подвижный контакт снабжен пружиной 7. Перемещение подвижного контактного диска в исходное нерабочее положение обеспечивает возвратная пружина 9. В разделенной кон- Pm. 4.16. Тяговое реле стартера 29.3708 с разделенной контактной системой: I    - шток; 2,3- соответственно втягивающая и удерживающая обмотки; 4 - втулка; 5 - каркас катушки; 6 - сердечник реле; 7, 12 - пружины, 8 - контактный болт, 9 - крышка реле, 10 - контактный диск, II    -корпус реле, 13 -якорь реле, 14-винт тактной системе (рис. 4.16) подвижный контактный диск 10 не связан жестко с якорем 13 реле. Контактный диск круглой, фасонной или прямоугольной формы устанавливают между изоляционной втулкой и шайбой на штоке. Это обеспечивает надежное соединение контактов реле при возможном перекосе и перемещении диска вдоль оси штока за счет сжатия пружин контактной системы. Тяговое реле рычагом связано с механизмом привода, расположенным на шлицевой части вала. Рычаг воздействует на привод через поводковую муфту. Его отливают из полимерного материала или выполняют составным из двух штампованных стальных частей, которые соединяют заклепками или сваркой. Механизмы привода стартеров Наибольшее распространение в электростартерах получили бесшумные в работе и технологичные роликовые муфты свободного хода, способные при небольших размерах передавать большие крутящие моменты. Роликовые муфты малочувствительны к загрязнению, не требуют ухода и регулирования в эксплуатации. При включении стартерного электродвигателя наружная ведущая обойма 12 (рис. 4.17) муфты свободного хода вместе с якорем поворачивается относительно неподвижной еще ведомой обоймы 17. Ролики 1 под действием прижимных пружин 3 и сил трения между обоймами и роликами перемещаются в узкую часть клиновидного пространства, и муфта заклинивается. Вращение от вала якоря ведущей обойме 12 муфты передается шлицевой втулкой 10. После пуска двигателя частота вращения ведомой обоймы 17 с шестерней превышает частоту вращения ведущей обоймы 12, ролики переходят в широкую часть клиновидного пространства между обоймами, поэтому вращение от венца маховика к якорю стартера не передается (муфта проскальзывает). a Рис. 4.17. Приводные механизмы с роликовыми муфтами свободного хода: а, б-стартера СТ230-Б; в-стартера 29.3708; 1 -ролик; 2 - толкатель; 3-прижимная пружина; 4 -замковое кольцо; 5 -опорная чашка: 6 -пружина; 7, 8 -поводковые муфты; 9 -буферная пружина; 10 - шлицевая втулка; 11 -центрирующее кольцо; 12 - наружная ведущая обойма; 13 - держатель пружин; 14 -специальная шайба; 15-войлочныйуплотнитель; 16-кожухмуфты; 17-ведомая обойма с шестерней, 18 - втулки Для обеспечения надежного заклинивания муфты свободного хода применяют индивидуальные и групповые прижимные устройства для роликов. К индивидуальным относятся прижимные устройства с пружинами 3, осуществляющими нажатие на ролики 1 непосредственно через индивидуальные плунжеры или толкатели 2 Г-образной формы. В муфтах свободного хода с групповыми прижимными устройствами число прижимных пружин меньше числа роликов, а заклинивание роликов между обоймами осуществляется при помощи сепараторов. Заклинивание роликов в муфтах свободного хода с бесплунжерными прижимными устройствами происходит за счет перемещения толкателей или сепаратора с пазами, в которых размещены ролики. В муфтах с индивидуальными прижимными устройствами витые цилиндрические пружины 3 одним концом упираются в выступы толкателей 2, а другим в отогнутые лепестки держателя пружин 13, соединенного с ведущей обоймой 12. Сепараторное прижимное устройство сложнее по конструкции, однако позволяет увеличить число роликов, способствует равномерному распределению нагрузки на ролики и тем самым повышает нагрузочную способность муфты свободного хода. Благодаря отсутствию отверстий под плунжеры в бесплунжерных муфтах свободного хода повышается прочность обоймы. Механизм привода стартера с храповой муфтой свободного хода обеспечивает более полное разъединение вала электродвигателя и коленчатого вала двигателя при значительно меньших нагрузках на силовые элементы муфты. Храповая муфта (рис. 4.18) состоит из корпуса 11, ведущего 8 и ведомого 6 храповиков, шестерни 2 привода, пружины 10, шлицевой направляющей втулки 12 и центробежного механизма с конической втулкой 7, текстолитовыми сегментами (сухариками) 3 и направляющими штифтами 4 для разъединения ведущего и ведомого храповиков. Рис. 4.18. Привщной механизм с храповой муфтой свободного хода: 1 - вкладыш; 2 - шестерня; 3 - сегмент (сухарик); 4 -направляющийштифт; 5,15 -замковые кольца; 6 - ведомый храповик; 7 - коническая втулка; В - ведущий храповик; 9, 13 - шайбы; 10-пружина,; 11 -корпус муфты; 12-шлицевая направляющая втулка; 14 -буферное резиновое кольцо
При подключении обмотки тягового реле к источнику питания, якорь реле через рычаг привода и корпус 11 муфты перемещает направляющую втулку 12 вместе с храповиками 6 и 8 по шлицам вала и вводит шестерню 2 в зацепление с венцом маховика до упора в шайбу на валу якоря. В конце хода шестерни замыкаются силовые контакты тягового реле, вал якоря приводится во вращение, а вращающий момент через шлицевую втулку 12, ведущий 8 и ведомый 6 храповики передается шестерне 2 и далее венцу маховика. При передаче вращающего момента в винтовых шлицах втулки 12 и ведущего храповика 8 возникает осевое усилие, которое воспринимается буферным резиновым кольцом 14. Если шестерня привода упирается в венец маховика, сжимается пружина 10 и ведущий храповик 8, перемещаясь по винтовым шлицам втулки 12, своими торцовыми зубьями поворачивает ведомый храповик и шестерню на угол, обеспечивающий ввод шестерни в зацепление и замыкание контактов тягового реле. После пуска двигателя частота вращения шестерни и ведомого храповика становится больше частоты вращения вала якоря и направляющей втулки 12, поэтому ведущий храповик перемещается по винтовым шлицам втулки, отходит от ведомого храповика и шестерня привода вращается вхолостую. Коническая втулка 7 отодвигается вместе с ведущим храповиком и освобождает текстолитовые сегменты (сухарики) 3, соединенные с быстровращающимся ведомым храповиком 6 направляющими штифтами 4. Под действием центробежных сил сегменты перемещаются в радиальном направлении вдоль штифтов и блокируют муфту в расцепленном состоянии, предохраняя зубья храповиков от повреждения и изнашивания. В этом состоянии храповой механизм будет находиться до тех пор, пока осевая составляющая от центробежных сил, действующих на сухарики, превышает усилие пружины. Рис. 4.19. Электростартер СТ142 с храповой муфтой свободного хода: 1 - болт траверсы; 2 - пружина щеткодержателя; 3 - металлическая втулка коллектора; 4 - нажимное металлическое кольцо; 5-изоляционный конус коллектора; 6 -войлочный фильц; 7-радиальный щеткодержатель; 8 - траверса; 9 - болт, крепления коллекторной крышки; 10 - коллекторная крышка; 11 -щетка; 12,17 -резиновые уплотнительные кольца; 13-корпус; 14-полюс; 15-шток тягового реле; 16 - тяговое реле; 78 - якорь тягового реле; 19 - сильфон; 20 - крышка со стороны привода; 21 - рычаг включения привода; 22 - шестерня привода; 23 - упорная шайба; 24 - втулка подшипника; 25 - храповая муфта свободного хода; 26 - промежуточная опора; 27 - манжеты; 26-болт крепления крышки со стороны привода; 29-промежуточный подшипник; 30-якорь электродвигателя; 31 -коллектор Шестерня привода выходит из зацепления с венцом маховика только после выключения тягового реле стартера. Во время отдельных вспышек в цилиндрах шестерня остается в зацеплении, что позволяет стартеру вращать коленчатый вал до тех пор, пока двигатель не сможет работать самостоятельно. Преимуществом храповой муфты свободного хода го сравнению с роликовыми муфтами является высокая надежность, ремонтопригодность и возможность передачи большего вращающего момента при сравнительно небольших габаритных размерах.
Крепление стартеров на двигателях
Обычно стартер располагают сбоку картера двигателя, при зтом крышка со стороны привода обращена в сторону маховика и входит в отверстие картера сцепления.
Стартеры мощностью свыше 4,4 кВт с диаметром корпуса 130-180 мм устанавливают в углублениях специальных приливов двигателя. К посадочной поверхности прилива двигателя корпус стартера прижимается стальными лентами или литыми скобами. От проворота стартер фиксируют шпонками или штифтами. Шестерня механизма привода стартера может быть установлена между опорами под крышкой или консольно за ее пределами.
Защита от посторонних тел и воды
В эксплуатации стартеры подвержены воздействию влаги, масла, грязи. Конструкция стартера предусматривает защиту от них. Лучше защищены стартеры грузовых автомобилей. Герметизация обеспечивается установкой в местах разъема резиновых колец, применением втулок и уплотнительных прокладок из мягких пластических материалов. Герметизация стартера в местах вывода обмоток тягового реле и стартера обеспечивается установкой резиновых шайб. Попадание в стартер и тяговое реле грязи, влаги и посторонних тел исключается благодаря установке резинового сильфона 19 (рис. 4.19) и резиновой армированной манжеты 27 в промежуточной опоре 26. Герметизирующий сильфон 19 не должен препятствовать регулированию механизма привода.
Стартеры для тяжелых грузовых автомобилей
Стартер, приведенный на рис. 4.20, снабжен храповой муфтой свободного хода. Тяговое реле 5 закреплено на корпусе 4. Якорь вращается в трех опорах. Цилиндрический коллектор 2 собран на металлической втулке. В каждом радиальном коробчатом щеткодержателе 3 установлены по две щетки 15.
Приведенный на рис. 4.21 стартер номинальным напряжением 24 В и номинальной мощностью 12 кВт имеет фрикционно-храповой привод 16. Шестерня 19 привода расположена консольно за пределами крышки 15 со стороны привода. В подшипнике качения 17 вращается втулка шестерни 19. В подшипнике качения, установленном в крышке со стороны коллектора, установлен вал якоря. В стартере применен сборный цилиндрический коллектор 2. В каждом коробчатом щеткодержателе установлено по две щетки 3.
Стартер имеет смешанное возбуждение. Две катушки последовательной обмотки соединены между собой последовательно, а две катушки параллельной
Рис. 4.20. Электростартер 25.3708:
1 - крышка со стороны коллектора; 2 - коллектор; 3 - щеткодержатель; 4 - корпус; 5 - тяговое реле; 6 - якорь электродвигателя; 7 - якорь тягового реле; 8 - рычаг включения привода; 9 - крышка со страны привода; 10 -шестерня привода; 11 -муфта свободного хода (храповая); 12 -промежуточная опора; 13 -катушка возбуждения; 14 -полюс; 15 ~щетки
Рис. 421, Электростартер 16.3708 с фрикционно-храповой муфтой свободного хода;
1 -крышка; 2 -коллектор,- 3-щетки; 4 -полюс; 5 -крышка тягового реле; 6 -контактный диск; 7-сердечник электромагните; 8 -втягивающая обмотка реле; 9 -удерживающая обмотка; 10 -корпус тягового реле; 11 - якорь тягового реле; 12 - шток якоря реле; 13- возвратная пружина; 14 - рычаг включения привода; 15 - крышка со стороны привода; 16 - фрикционно-храповой привод; 17 - подшипники; 18 -вал; 19 -шестерня; 20 -корпус; 21 -якорь электродвигателя; 22 - катушка обмотки возбуждения
обмотки - параллельно. Ток к последовательной обмотке и к якорю при включении стартера подводится от аккумуляторной батареи через контакты выключателя стартера и втягивающую обмотку тягового реле.
После замыкания контактов тягового реле силовые контакты контактора КТ130 подключают последовательную обмотку возбуждения и обмотку якоря непосредственно к аккумуляторной батарее, одновременно шунтируя втягивающую обмотку тягового реле. Параллельная обмотка электродвигателя стартера и удерживающая обмотка тягового реле в течение работы стартера соединены с аккумуляторной батареей через контакты выключателя стартера.
Стартеры с дополнительными встроенными редукторами
и постоянными магнитами
Редукторы, встраиваемые в стартеры, разделяются на три основных типа: цилиндрический с внешним зацеплением, цилиндрический с внутренним зацеплением и планетарный. Редукторы выполняются одноступенчатыми с прямозубыми шестернями.
Конструкция стартеров с цилиндрическим редуктором с внешним зацеплением представлена на рис. 4.22. Редуктор расположен в корпусе 23 (рис. 4.22). Преимуществом цилиндрического редуктора с внешним зацеплением является технологичность изготовления его зубчатых колес. К недостаткам относится увеличение высоты стартера по сравнению со стартерами без редуктора из-за смещения осей стартерного электродвигателя и привода на 30-50 мм. Появление радиальной нагрузки на вал якоря электродвигателя требует применения подшипников качения.
В стартерах с цилиндрическими редукторами, имеющими внутреннее зацепление, меньше смещение осей электродвигателя и привода, что облегчает компоновку стартера на двигателе. Недостатки - повышенная сложность изготовления зубчатых колес, присутствие радиальной нагрузки на вал электродвигателя.
Планетарный редуктор между приводом и валом электродвигателя (рис. 4.23) состоит из внешнего зубчатого колеса, закрепленного в корпусе 9 редуктора, в котором в подшипнике вращается водило 10 с зубчатыми колесами (сателлитами) 11. Планетарный редуктор обеспечивает соосность осей электродвигателя и привода, чем упрощается компоновка стартера на двигателе взамен стартеров без дополнительного редуктора. Планетарный редуктор не создает радиальную нагрузку на вал электродвигателя, что дает возможность применять для вала якоря подшипники скольжения. Технология изготовления деталей таких редукторов сложнее, однако сборка проще благодаря соосности основных узлов стартера.
Внешнее зубчатое колесо изготавливается из пластмассы типа Полиамид-66, иногда с добавками графита или методом порошковой металлургии. Сателлиты, прессованные из порошкового материала, вращаются на осях в подшипниках скольжения или в игольчатых подшипниках. Последние предпочтительнее, так как обеспечивают больший КПД редуктора. Ось сателита одновременно является внутренней обоймой игольчатого подшипника. Это предъявляет высокие требования с материалу и точности изготовления осей. Центральное зубчатое колесо выполняется как одно целое с валом якоря или может быть съемным.
Рис. 4.22. Конструкция стартера со встроенным цилиндрический редуктором с внешним зацеплением:
1, 14 - пружинные шайбы; 2 - стяжной болт; 3 - крышка со стороны коллектора; 4, 15 - гайки; 5 -шайба стопорная; 6, 25-шарикоподшипники; 7 -якорь в сборе; 8 -корпус в сборе; В - перемычка; 10 - ганка контактного болта тягового реле; 11 -тяговое реле; 12-шайба; 13, 22, 27, 3О-уплот-нительные кольца; 16 -рычаг в сборе; 17 -ось рычага; 18 -шестерня привода; 19-упорная шайба; 20 - регулировочная шайба; 21,26- винты; 23 - корпус редуктора в сборе; 24 - кольцо; 28 - регулировочная прокладка; 29 - крышка подшипника
Для получения минимальных механических потерь и обеспечения высокого срока службы предъявляются повышенные требования к точности изготовления зубчатых колес и других деталей редуктора. С той же целью применяют высококачественные смазочные материалы. Передаточное отношение редуктора обычно составляет 3-5.
Якорь стартера с редуктором имеет конструктивные особенности. Обмотка якоря пропитана компаундом, уменьшающим вероятность его разноса. В связи с повышенной частотой вращения якорь обязательно подвергается динамической балансировке. Для снижения потерь на гистерезис и вихревые токи пакет якоря собирают из пластин тонколистовой (толщина 0,5 мм) электротехнической стали.
В связи с уменьшенной металлоемкостью и повышенной удельной мощностью стартеры с редуктором обладают большей тепловой напряженностью по сравнению со стартерами без редуктора.
Наиболее ответственным в стартерах с редуктором является щеточного-кол-
Рис. 4.23. Электростартер с планетарным редуктором:
1 - крышка со стороны коллектора; 2 - коллектор; 3 - щеткодержатель; 4 - корпус стартера; 5 - тяговое реле; 6 - рычаг включения привода; 7 - муфта свободного хода; В - крышке со стороны привода; 9 -корпус редуктора с солнечной шестерней; 10 -водило; 11 -шестерни-сателлиты
лекторный узел. Плотность тока на щетках из-за увеличения быстроходности и уменьшенной длины якоряв режиме максимальной мощности в 1,5-2,5 раза превышает плотность тока у обычных стартеров. В таких условиях требуется применение специальных щеток, имеющих на сбегающем крае повышенное содержание графита. Это увеличивает сопротивление коммутируемой цепи, улучшает коммутацию. Кроме того, применяется сдвиг щеток против направления вращения на 0,3-0,5 коллекторного деления. В итоге обеспечивается уменьшение изнашивания щеток и коллектора до уровня стартеров без редукторов.
Стартер на рис. 4.23 имеет электромагнитное возбуждение, а некоторые современные стартеры мощностью 1-2 кВт - возбуждение от постоянных магнитов. Используются постоянные магниты из феррита стронция, которые имеют повышенную коэрцитивную силу по сравнению с магнитами из феррита бария. Повышенная коэрцитивная сила увеличивает стойкость магнитов против размагничивания реакцией якоря в момент включения стартера, когда действует сила тока короткого замыкания. Для повышения стойкости к размагничиванию применяют специальную обработку сбегающего участка магнита, приводящую к дополнительному местному повышению коэрцитивной силы, увеличивают число полюсов до шести или применяют экранирование сбегающей части полюса магнитным шунтом, замыкающим часть магнитного потока якоря.
Стартер имеет массу на 30-50% меньшую, чем стартеры обычной конструкции, за счет повышения частоты вращения вала электродвигателя в 3-5 раз. Однако встраиваемый редуктор несколько увеличивает длину по оси стартера. Для ограничения длины применяют укороченный привод, в котором функцию буферной пружины выполняет пружинный рычаг, или располагают буферную пружину в тяговом реле стартера. Кроме того, длину стартеров мощностью 2-2,5 кВт уменьшают за счет углубления ступицы крышки со стороны коллектора и размещения вкладыша вала в цилиндрической выемке в торце коллектора.
Стартер с редуктором, особенно планетарным, более сложен. Он имеет большее количество деталей и более трудоемок в изготовлении. Снижение трудоемкости достигается автоматизацией изготовления ряда деталей, сборки узлов и всего стартера.
При мощности до 1 кВт редуктор в стартер встраивают редко, так как усложнение конструкции не компенсируется малым снижением металлоемкости. Стартеры такой мощности выполняются с возбуждением от постоянных ферро-стронциевых магнитов. Появились стартеры с возбуждением от постоянных магнитов высокой энергии, изготовленных из сплава железо-неодим-бор. Такие магниты называются «Магнаквенч». Стартер без редуктора с магнитами желе-зо-неодим-бор существенно меньше по массе и объему стартера с электромагнитным возбуждением. Энергия магнитов «Магнаквенч» лежит в пределах 100— 290 кДж/м3, тогда как у магнитов из феррита стронция - 22-30 кДж/м3. Сплав же-лезо-неодим-бор дорог, кроме того, он окисляется на воздухе и восприимчив к воздействию температуры. Для предотвращения окисления изготавливают эпоксидно-клееные магниты, в которых зерна сплава обволакиваются компаундом, герметически изолирующим их от воздействия окружающей среды.
4.5. Характеристики электростартеров
Свойства электростартеров оценивают по рабочим и механическим характеристикам. Рабочие характеристики представляют в виде зависимостей напряжения на зажимах стартера UCT, полезной мощности Р2 на валу, полезного вращающего момента М2, частоты вращения якоря па и КПД стартерного электродвигателя от силы тока якоря 1а (рис. 4.24).
При вращении якоря в его обмотке индуцируется ЭДС:
Eg=ceria®'
где се - постоянная электрической машины, не зависящая от режима ее работы;
Ф - магнитный поток, проходящий через воздушный зазор и якорь электродвигателя.
При питании стартера от аккумуляторной батареи ЭДС:
Ед= Uh ~ ^ (з £=Ущ— IgfFlfi++Fig+R^),
Рис. 4.24. Рабочие характеристики стартерного электродвигателя с последовательным возбуждением
где Д 11щ - падение напряжения в контактах щетки-коллектор; Яа£ - суммарное сопротивление цепи якоря; ЯПр - сопротивление стартерной сети; Яа - сопротивление обмотки якоря; Яс - сопротивление последовательной обмотки возбуждения. Частота вращения якоря С уменьшением нагрузки электродвигателя с последовательным возбуждением магнитный поток Ф падает, а па быстро возрастает до значения п.^ при силе тока холостого хода !@0. В стартерах смешанного возбуждения частота вращения в режиме холостого хода ограничивается магнитным потоком параллельной обмотки возбуждения. При уменьшении нагрузки магнитный поток, создаваемый последовательной обмоткой, стремится к нулю, тогда как намагничивающая сила параллельной обмотки и создаваемый ею магнитный поток даже немного увеличиваются. ^=сл/а®' где см - постоянная электрической машины. В электродвигателях с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения проходит весь ток якоря 1а, поэтому магнитный поток возрастает с увеличением нагрузки стартера. При одинаковых номинальных параметрах электродвигателей с параллельным и последовательным возбуждением последние развивают большие полезные моменты М2К в режиме полного торможения. Это улучшает их тяговые свойства, облегчает трогание системы стартер-двигатель с места и раскручивание коленчатого вала при пуске двигателя при низких температурах. Подводимая к стартеру мощность за вычетом электрических потерь преобразуется в электромагнитную мощность: _ л пяМ Р = —^— = Еа1а. Максимальная электромагнитная мощность (Цп-ШщГ т~ ' Зависимость электромагнитной мощности от силы тока представляет собой симметричную параболу с максимальным значением при силе тока 1т, равной половине тока 1« полного торможения. Полезная мощность Р2 на валу электродвигателя меньше электромагнитной на величину суммы ДРМ механических потерь в подшипниках, в щеточно-коллекторном узле и матитных потерь в пакете якоря. Полезный вращающий момент на валу электродвигателя ЗОРо Мр=- Сила тока, потребляемого электродвигателем со смешанным возбуждением fe,a+/s ’ где ls=UCT/Rs - сила тока в параллельной обмотке возбуждения; Rs - сопротивление параллельной обмотки возбуждения. Подводимая к стартерному электродвигателю мощность Механические характеристики электростартеров обычно представляют в виде зависимости вращающего момента М2 от частоты вращения якоря па (рис. 4.25). При снижении напряжения на выводах аккумуляторной батареи и стартера, в связи с понижением температуры или увеличением сопротивления стар-терной сети при той же силе тока 1а=ЭДС Еа, частота вращения па и мощность    электродвигателя уменьшаются (рис. 4.26, а). При той же частоте вращения па уменьшается _____________вращающий момент М2 (рис. 4. 26, б). Рис. 4.25. Механические характеристики стартерных электродвигателей: 1 - с последовательным возбуждением; 2 - со смешанным возбуждением
Влияние электросопротивления источника электроснабжения и стартерной сети на рабочие и механические характеристики стартерных электродвигателей требует однозначного указания условий, при которых определяется номинальная мощность стартера. Номинальной считают наибольшую полезную мощность Рн в кратковременном режиме работы при электроснабжении от аккумуляторной батареи максимально допустимой емкости, установленной в технических условиях на стартер, при степени заряженности батареи 100 %, температуре электролита +20°С, при первой по-
\т=2о”<: Т- 20°С^ 4000 Па, мин Рис. 4.26. Характеристики стартерных электродвигателей при различных температурах: а - рабочие; 6 - механические пытке пуска двигателя, без учета падения напряжения в стартерной сети. Номинальной мощности соответствуют сила тока 1н, частота вращения пн и вращающий момент Мн. Пусковая мощность Рп определяется как наибольшая полезная мощность в кратковременном режиме работы при электропитании от батареи, заряженной на 75%, при температура -20°С в конце третьей попытки пуска двигателя с учетом падения напряжения в проводке. Напряжение на выводах стартерного электродвигателя при определении номинальной мощности рассчитывается по формуле: Мс г = ип (1 ~abQ~j. где аб - коэффициент, принимаемый равным 0,05 для батарей емкостью C2q<100 А-ч, а также 0,038 и 0,046 соответственно для батарей 6СТ-55ЭМ и 6СТ-190ТР. Частоту вращения коленчатого вала двигателя электростартером п* в различных условиях пуска определяют по точкам пересечения зависимостей момента сопротивления двигателя Мс и приведенного к коленчатому валу вращающего момента стартера М* от частоты вращения коленчатого вала п (рис. 4.27, а). Минимальную температуру пуска Тт|п определяют при совмещении на одном графике зависимостей частоты вращения коленчатого вала электростартером п*, минимальной пусковой частоты вращения nmin от температуры Т окружающей среды (рис. 4.27, б).
0    25 50    75 П. мин-1 Рис. 4.27. Характеристики работы системы электростартерного пуска на двигателе автомобиля ГАЗ-2№9: а - схема для определения минимальной температуры пуска; б - совмещенные механические характеристики стартера СТ230-Б и характеристики сопротивления двигателя при использовании масла М8 В1; 1 -стартер СТ230-Б, аккумуляторная батарея 6СТ-60; 2 -стартер СТ221, аккумуляторная батарея 6СТ-55 4.6. Схемы управления электростартерами Схемы внутренних соединений электростартеров с последовательным и смешанным возбуждением с использованием одно- и двухобмоточных тяговых реле приведены на рис. 4.28. Однообмоточное тяговое реле подключается к аккумуляторной батарее GB (рис. 4.29, а) переводом ключа выключателя зажигания 2 с контактами S1 в нефиксированное положение «стартер». Якорь тягового реле втягивается в электромагнит, с помощью рычажного механизма вводит шестерню привода в зацепление с венцом маховика и в конце хода замыкает силовые контакты реле К1 в цепи электродвигателя М. Силовые контакты замыкаются до полного ввода шестерни в зацепление. Если шестерня упирается в венец маховика, якорь реле продолжает перемещаться вследствие сжатия буферной пружины привода и замыкает силовые контакты. Якорь с шестерней начинают вращаться, и шестерня под действием буфер- Рис. 4.28. Схемы внутренних соединений электростартеров: а - СТ368; б - 40.3708, 26.3708, СТ4-А1; в - СТ221; г - 29.3708, 35.3708; д - 42.3708, 421.3708, CT230-B3, СТ230-К1; е - СТ230-А1, СТ230-Б1, СТ230-И, СТ402, СТ402-А СТ402-Б, 25.3708, 25.3708-01, СТ142-Б, 30.3708; ж - СТ2-А. CT130-A3; з -16.3708; 1 -к силовым контактам контактора КТ130; 2 - к положительному выводу аккумуляторной батареи; 3 - к обмотке контактора КТ130; 4-к контактам контактора КТ127 a - CT221 с однообмоточным реле; 6 - СТ221 с двухобмоточным репе: 29.3708 на первых моделях ВАЗ-2108: в - 29.3708 на автомобилях ВАЗ-2108, -2109; г - CT130-A3; д - СТ230-Б1; 1 - электростартер; 2 - выключатель зажигания и стартера: 3 -дополнительное реле; А-к выводу добавочного резистора ной пружины входит в зацепление, когда зуб шестерни устанавливается против впадины зубчатого венца маховика. Использование дополнительного усилия в шлицевом соединении вала и направляющей втулки ведущей обоймы роликовой муфты свободного хода для перемещения шестерни позволяет уменьшить тяговое усилие и ход якоря электромагнита, размеры и массу тягового реле. Для отключения стартера необходимо снять усилие с ключа выключателя зажигания. Ключ автоматически займет положение «Зажигание». При этом якорь отключенного от источника тока тягового реле и приводной механизм под действием пружины возвращаются в исходное положение. В стартерах с двухобмоточными реле (рис. 4.29, бив) при замыкании контактов S1 выключателя зажигания 2 ток от батареи проходит через втягивающую и удерживающую обмотки. При замыкании контактов реле К1 втягивающая обмотка замыкается накоротко. Обмотки тягового рвлв К1 могут подключаться к источнику тока через контакты вспомогательного реле К2 (рис. 4.29, в, г и д). Дополнительный контакт 17 в тяговом реле или во вспомогательном реле замыкает накоротко добавочный резистор катушки зажигания. Рис. 4.30. Электронное устройство 2612.3747 для автоматического отключения и блокировки стартера СТ142-Б: VT1, VT2, VT4, VT5 - транзисторы КТ630А; VT3 - транзистор КТ3107Б; VD1, VD2, VD3, VD4, VD7, VD8, VD9, VD12, VD13 -диоды КД102А; VD10 -диод КД209А; VD5, VD6-стабилитроныДВ14А; VB11 -стабилитрон Д816Д; конденсаторы: С1 -0,05 мкФ; С2-0.22 мкФ; СЗ-0,47 мкФ; С4 -0,05жФ; С5 - мкФ; С6 -0,05 мкФ; резисторы: R1, R2-3 кОм; R3, Й8-Юк0м: R4 -5,6 кОм; R5 -100 0м; R6-39,2kOm, R7-22 кОм; R9, R11, R15, R16, R19-2,2 кОм; R10 - 470 Ом; R12 -33 кОм; R13 -1 кОм; R14 - 470 Ом; R17-4,7 кОм; R18 - 680 Ом; R20 -1 кОм; R21 -8,2 Юм В рассмотренных схемах управления после пуска двигателя следует немедленно выключить стартер, так как при длительном вращении ведомой обоймы с шестерней привода возможно заклинивание роликовой муфты свободного хода и повреждение якоря. Включение стартера при работе двигателя может привести к повреждению зубьев шестерни и венца маховика или выходу из строя муфты свободного хода. Надежность системы пуска и срок службы стартера можно повысить за счет автоматизации отключения стартера после пуска двигателя и блокировки его включения при работе двигателя. Электронное устройство 2612.3747 (рис. 4.30) автоматического отключения и блокировки включения стартера содержит блок управления и датчик частоты вращения коленчатого вала. Блок управления настроен на частоту вращения, при которой стартер должен отключаться. Частота эта должна быть больше максимально возможной пусковой частоты вращения коленчатого вала электростартером и меньше минимальной частоты вращения коленвала в режиме прогрева двигателя после пуска. При пуске двигателя выключатель приборов и стартера переводится в положение «стартер», транзистор VT5 открывается (первое устойчивое состояние триггера на транзисторах VT4 и VT5) и подключает к аккумуляторной батарее вспомогательное реле, которое включает стартер. При вращении коленчатого вала двигателя через вход 4 штекерного разъема на электронное устройство подается синусоидальное напряжение от фазы генератора, которое транзистором VT1 преобразуется в прямоугольные импульсы нормированной амплитуды. С помощью резисторов R1, R2, R3 и конденсатора С1 ограничивается входное напряжение и отфильтровываются импульсные помехи во входных цепях. Прямоугольные импульсы заряжают конденсатор СЗ преобразователя частота-напряжение. Чем больше частота входного сигнала (частота вращения коленчатого вала двигателя), тем меньше промежутки времени между импульсами и разряд конденсатора С2. При определенной частоте вращения коленчатого вала напряжение на конденсаторе СЗ превышает опорное напряжение на резисторе R10-R15, транзисторы VT2 и VT3 открываются и триггер переводится во второе устойчивое состояние, когда транзистор VT4 открыт, а транзистор VT5 закрыт. Вспомогательное реле обесточивается и отключает стартер. Диоды VD10, VD13 и конденсаторы С5, С6 обеспечивают надежное закрытие транзисторов VT5 и VT4. Терморезистор R11 изменяет частоту вращения вала двигателя, при которой стартер должен отключаться, в соответствии с изменением температуры окружающего воздуха. Повторное включение стартера после первой неудачной попытки пуска возможно только после предварительного перевода ключа выключателя зажигания в положение «Выключено». 4.7. Система стоп-старта Система стоп-старта выполняет функции автоматического управления остановкой и пуском двигателя, обеспечивая дополнительную экономию топлива за счет сокращения длительности работы двигателя в режиме холостого хода при остановке автомобиля и при медленном его движении с установленным в нейтральном положении рычагом коробки передач. Система начинает автоматически функционировать в том случае, если первоначальный пуск был осуществлен пусковой системой с электростартером и двигатель прогрет до температуры охлаждающей жидкости 65-100°С. Система стоп-старта (рис. 4.31) выключает зажигание и отключает подачу топлива, останавливая двигатель при скорости движения автомобиля менее 5 км/ч Рис. 4.31. Схема системы стоп-старта: 1 - генератор; 2 - датчик тахометра; 3 -датчик положения дроссельной заслонки; 4 -датчик нейтрального положения коробки передач; 5 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 6 - датчик положения педали сцепления (отпущена, выжата); 1 - аккумуляторная батарея; 8 - испытательные точки; 9 - выключатель зажигания; 10 - переключатель работы системы; 11 - эконометр; 12- контрольная лампа системы; 13 - контрольная лампа остановки двигателя; 14 - цепь обогрева стекла; 15 - стартер; 16 -выключатель подачи топлива; 17 -катушка зажигания на нейтральной передаче и выключенном сцеплении. Для продолжения движения водитель нажимает на педаль дроссельной заслонки; при этом автоматически осуществляется пуск двигателя. Стартер и цепь зажигания включаются системой стоп-старта, если двигатель остановлен, с момента остановки двигателя прошло не менее 0,6 с и педаль сцепления выжата, а также при скорости движения автомобиля менее 10 км/ч. Функционирование системы обеспечивают датчики температуры охлаждающей жидкости, скорости движения автомобиля, положения педали сцепления, дроссельной заслонки и рычага переключения передач. К недостаткам системы стоп-старта относятся увеличение количества включений стартера и повышенное потребление энергии от аккумуляторной батареи. 4.8. Правила эксплуатации и техническое обслуживание электростартеров Правила эксплуатации стартеров Надежная и безотказная работа стартера обеспечивается при выполнении правил эксплуатации и технического обслуживания. Основным фактором, определяющим срок службы стартера, является интенсивность эксплуатации, которую оценивают по числу включений на 100 км пробега автомобиля. Включение стартера не обязательно сопровождается успешным пуском двигателя. Общее число включений стартера зависит не только от числа остановок двигателя, но и от его пусковых качеств. Электростартеры потребляют токи большой силы и рассчитаны на кратковременные режимы работы. Продолжительность непрерывной работы стартера при неудачных попытках пуска двигателя не должна превышать 10-20 с ввиду возможного перегрева обмоток и нарушения электрического контакта в местах соединений. При неудачном пуске с первой попытки стартер следует включать повторно через 1-2 мин. После неудачного пуска двигателя перед повторным включением стартера нужно убедиться в полной остановке двигателя. Если двигатель не пускается после трех попыток, то нужно проверить состояние и устранить возможные неисправности в системе электроснабжения или зажигания. Стартер следует выключать сразу после пуска двигателя. Длительное вращение шестерни маховиком может привести к заклиниванию муфты свободного хода привода, резкому увеличению частоты вращения и выходу из строя электродвигателя стартера. Категорически запрещается приводить автомобиль в движение с помощью стартера так как при этом он подвергается перегрузкам. Проверка технического состояния При техническом обслуживании проверяют крепление стартера на двигателе и надежность состояния наконечников проводов на выводах аккумуляторной батареи и на контактных болтах тягового реле. При большой силе потребляемого стартером тока даже незначительное переходное сопротивление в цепи электроснабжения стартерного электродвигателя приводит к значительному падению напряжения и снижению мощности стартера. После определенного пробега автомобиля (на автомобилях ВАЗ моделей 2108 и 2109 через 45 тыс. км пробега, на автомобилях МАЗ моделей 64227, 54322 через 45-50 тыс. км) при очередном ТО-2 (лучше при подготовке к зимней эксплуатации) рекомендуется снять стартер с двигателя, разобрать, очистить детали от грязи, продуть сжатым воздухом и проверить техническое состояние якоря, щеточно-коллекторного узла, обмоток возбуждения, механизма привода, крышек и тягового реле. Наличие межвитковых замыканий обмотки якоря на сердечник и катушек возбуждения на корпус проверяют на приборе Э236, мегомметром или с помощью контрольной лампы напряжением 220 В. Контрольная лампа не должна гореть при подключении ее к источнику электроснабжения через любую пластину коллектора и сердечник якоря. Мегомметр должен показывать сопротивление не менее 10 кОм. Проверку якоря на межвитковое замыкание или на замыкание пластин коллектора можно проводить с помощью портативного дефектоскопа ПДО-1. На поверхности шлицев и цапф вала якоря не должно быть задиров, забоин и продуктов изнашивания. Следы бронзы (желтого цвета) от втулки шестерни удаляют мелкозернистой шлифовальной шкуркой, иначе они могут стать причиной заедания шестерни на валу. Биение сердечника якоря относительно цапф вала должно быть не более 0,08, 0,1 и 0,25 мм соответственно для стартеров СТ221, 26.3708 и СТ230-А1. Особое внимание следует обращать на состояние коллектора и щеток. Рабочую поверхность коллектора осматривают. Биение коллектора относительно цапф вала не должно превышать 0,06 мм у стартера СТ221 и 0,05 мм у стартеров 26.3708 и СТ230-А1. Рабочая поверхность должна быть гладкой и не должна иметь следов подгорания. Загрязненную, окисленную или подгоревшую поверхность коллектора протирают чистой ветошью, смоченной бензином. При необходимости коллектор зачищают мелкозернистой шлифовальной шкуркой или протачивают на токарном станке до допустимого минимального диаметра: 38,2 мм - для СИЗО; 43 мм - для СТ230; 53 мм - для СИ42. Подвижность щеток в щеткодержателях проверяют с помощью крючка, которым приподнимают пружину и, слегка потянув за канатики щетки, перемещают ее в щеткодержателе. Щетки должны перемещаться свободно, без заеданий. Проверяют и при необходимости подтягивают крепление наконечников щеточных канатиков к щеткодержателям. Контрольной лампой напряжением 220 В выявляют замыкание щеткодержателей на корпус. Изношенные щетки заменяют новыми. Допустимая высота щеток в стартерах приведена в табл. 4.1. Для снятия щеток в стартерах с цилиндрическими коллекторами необходимо отвернуть винты крепления наконечников щеточных канатиков к щеткодержателям. Щетки следует вынуть крючком из щеткодержателей после освобождения их от нажатия щеточных пружин. При установке новых щеток необходимо предварительно отвести концы щеточных пружин в стороны. Концы пружин должны нажимать на середину щетки. В случае уменьшения усилия щеточных пружин более чем на 25% номинального значения необходимо заменить пружину. Для увеличения усилия пружины в коробчатых щеткодержателях можно подогнуть кронштейн подвески спиральной пружины. Усилие щеточных пружин измеряют динамометром в момент отрыва пружины от щетки. Механизм привода с роликовой муфтой свободного хода должен легко перемещаться по направлению к подшипнику крышки со стороны привода и возвра- Таблица 4.1. Допустимая высота щеток Электростартер Допустимая высота щетки, мм щаться в исходное положение силой пружины. Если перемещение привода затруднено, часть вала, к которой имеется доступ через окно в крышке, очищают от грязи и покрывают пластичной смазкой ЦИАТИМ-201, -202 или -203. В случае заедания муфты привода после смазывания или ее пробуксовывания стартер следует разобрать, а муфту заменить. Винтовые шлицы вала якоря, втулки обеих крышек и шестерню привода стартеров СТ221 и 29.3708 рекомендуется смазывать моторным маслом. Поводковое кольцо привода стартера смазывают пластичной смазкой Литол-24. В случае затрудненного перемещения храпового привода в стартерах СТ142-Б, СТ142-Б1, 25.3708 часть вала в доступном месте также покрывают смазкой ЦИАТИМ-203 или -221. Если после смазывания дефект не устраняется, следует проверить состояние шлицевой накатки вала якоря и втулки привода. Храповая муфта может пробуксовывать в результате заедания ведущего храповика на шлицах втулки. Для устранения пробуксовывания муфту разбирают и ее детали промывают бензином. Перед сборкой детали муфты смазывают моторным маслом. На зубьях шестерни привода не должно быть сколов и выкрашиваний. Забоины на заходной части зубьев шлифуют мелкозернистым шлифовальным кругом малого диаметра. Крышки стартера проверяют на наличие трещин и степень изнашивания втулок. Если втулки сильно изношены, то заменяют их или крышку в сборе. Проверяют крепление щеткодержателей на крышке со стороны коллектора. При установке крышки со стороны коллектора на место щеточно-коллекторный узел рекомендуется продуть сжатым воздухом. Исправность обмоток тяговых реле стартеров определяют по результатам измерения их сопротивления с помощью омметра или вольтметра и амперметра. В случае неисправности обмотки реле заменяют. При снятой крышке реле осматривают силовые контакты. Изношенные или подгоревшие контакты зачищают мелкозернистой шлифовальной шкуркой. При значительном износе или подгорании контактные болты поворачивают на 180° вокруг оси или заменяют. на стенде
Изношенную контактную пластину можно повернуть к контактным болтам неизношенной стороной. Якорь тягового реле должен свободно перемещаться в корпусе. Техническое состояние стартера оценивают по параметрам режимов холостого хода и полного торможения. Испытание стартера можно проводить на стендах моделей Э211, Э240, 532-М, 532-2М, КИ968 и др. При тугом вращении якоря, вызванном перекосами его при сборке, загрязнением, отсутствием смазочного материала или износом подшипников, ослаблением крепления полюсов и задеванием за них якоря, возрастает сила тока и уменьшается частота вращения якоря в режиме холостого хода. Причиной повышенной силы тока и отсутствия вращения якоря может быть замыкание на «массу» в обмотках якоря и возбуждения, замыкание контактных болтов тягового реле или изолированного щеткодержателя. В случае межвиткового замыкания в обмотках якоря или возбуждения в режиме полного торможения сила тока будет больше, а вращающий момент меньше значений, указанных в технической характеристике стартера. Схема для проверки стартеров автомобилей ВАЗ на стенде приведена на рис. 4.32. Сила тока измеряется амперметром РА, а напряжение-вольтметром PV. Регулировка стартеров После проверки и устранения неисправностей стартер необходимо отрегулировать. В стартерах с роликовой муфтой свободного хода, например, СТ230-Б, проверяют расстояние Б (рис. 4.33, а) между торцом шестерни и упорным кольцом на валу, которое при включенном тяговом реле должно составлять 3-5 мм. Для включения тягового реле к корпусу реле присоединяют аккумуляторную батарею номинальным напряжением 12 В. При регулировке расстояние Б изменяют поворотом эксцентричной оси рычага включения привода. После регулировки необходимо затянуть гайку оси. В выключенном положении тягового реле шестерню устанавливают на расстоянии А=34 мм (см. рис. 4.33, а) от привалочной плоскости фланца крышки со стороны привода. В некоторых стартерах при включенном тяговом реле зазор между торцом шестерни и упорной втулкой на валу, равный 3,55,5 мм, регулируют поворотом шпильки, ввернутой в якорь тягового реле. Для регулировки тягового реле стартера СТ142-Б к выводу и корпусу стартера подключают аккумуляторную батарею напряжением 24 В. При втянутом якоре зазор между упорной шайбой и втулкой привода должен составлять 0,5-1,5 мм (рис. 4.33, б). Контакты реле при этом находятся в замкнутом состоянии. Для контроля замыкания контактов в цепь между положительным выводом аккумуляторной батареи и контактным болтом реле стартера включают лампу напряжением 24 В, между шестерней и шайбой на валу якоря устанавливают прокладку толщиной 6 мм (рис. 4.33, в). При подключении тягового реле к аккумуляторной батарее шестерня под действием усилия тягового реле прижимается к 4.33. Схемы регулировки стартеров: а - СТ230-Б; б-г - СТ142-Б; 1 - шестерня привода; 2 - упорное кольцо; 3 - втулка привода; 4 - упорная шайба; 5 -прокладка поверхности прокладки, но контакты реле не должны замыкаться (контрольная лампа не горит). При установке между втулкой привода и шайбой прокладки толщиной 2,5 мм (рис. 4.33, г) контакты включенного реле должны замкнуться. Если лампа не загорается, стартер регулируют поворотом эксцентриковой оси рычага, на которой установлен регулировочный диск с двумя отверстиями. После установки регулировочного диска в новое положение снова проверяют регулировку реле стартера. Таблица 4.2. Основные неисправности стартеров, способы их обнаружения и устранения Причина неисправности Способ обнаружения Способ устранения Неисправность (сульфатация, электродов, короткое замыкание электродов и т.д.) или сильная разряженность батареи гер и тяговое реле не включа Определение степени заряженное™ батареи по плотности электролита. Проверка технического состояния батареи аккумуляторным пробником Разряженную батарею зарядить, неисправную отремонтировать или заменить Нарушение контактов в соединениях, обрыв проводов в цепях электроснабжения и управления стартером Проверка состояния контактов в местах соединения провода с выводами аккумуляторной батареи, электростартера и реле Затянуть ослабленные соединения в цепях электроснабжения и управления электростартером. Поврежденные провода заменить Окисление полюсных выводов аккумуляторной батареи и наконечников проводов Осмотр состояния полюсных выводов батареи и наконечников проводов Окисленные выводы батареи и наконечники стартерных проводов зачистить шлифовальной шкуркой со стеклянным покрытием, плотно затянуть и смазать техническим вазелином Нарушение в работе реле включения, выключателя зажигания (выключатель приборов и стартера) или выключателя «массы»: выход из строя контактных систем, обрыв, межвитковое замыкание и замыкание на «массу» обмоток реле и выключателя «массы» и др. Подключение электростартера непосредственно к аккумуляторной батарее. Срабатывание тягового реле и включение электростартера указывает на неисправность реле включения, выключателя зажигания {выключателя приборов и стартера)или выключателя «массы» Неисправные реле включения, выключатель зажигания (включатель приборов и стартера), выключатель «массы» проверить, при необходимости отремонтировать или заменить Причина неисправности Способ обнаружения Способ устранения Нарушение в работе тягового реле электростартера: обрыв обмоток, межвитковое замыкание во втягивающей обмотке и замыкание ее на «массу», заедание или смещение контактного диска, заедание якоря и т.п. Проверка работы тягового реле. Электродвигатель стартера не вращается при обычном подключении стартера к аккумуляторной батарее и вращается при замыкании контактных болтов на тяговом реле шиной или проводом большого сечения Разобрать и по возможности устранить неисправность, при необходимости заменить Короткое замыкание в обмотках стартера Тяговое реле вкл1 Сильная разряженность аккумуляторной батареи Проверка стартера на замыкание обмоток на «массу» прибором Э236, мегомметром или контрольной лампой очается, но якорь электростар или вращается очень медленн Определение степени разряженности батареи по плотности электролита с помощью плотномера При наличие короткого замыкания в обмотках электростартер отремонтировать или заменить тера не вращается Зарядить батарею или заменить ее Окисление выводов батареи и наконечников стартерных проводов Проверка состояния выводов батареи и наконечников проводов осмотром Окисленные выводы батареи и наконечники проводов зачистить шлифовальной шкуркой со стеклянным покрытием, плотно затянуть и смазать техническим вазелином Слабая затяжка гаек крепления наконечников проводов на контактных болтах тягового реле Проверка затяжки гаек рукой Затянуть гайки Нарушения в работе контактной системы тягового реле Проверка контактной системы путем замыкания накоротко контактных болтов проводником или шиной большого сечения. Быстрое вращение якоря свидетельствует о неисправности контактной системы тягового реле Снять крышку тягового реле, осмотреть силовые контакты, при необходимости контакты восстановить j Нарушение контакта в Разборка стартера При необходимости Причина неисправности Способ обнаружения Способ устранения разъемных соединениях внутри стартера (отвернуть стяжные болты, снять крышку со стороны коллектора) и проверка состояния разъемных соединений электростартер отремонтировать Сильное окисление или загрязнение коллектора электродвигателя Внешний осмотр коллектора после снятия крышки со стороны коллектора Окисленный коллектор зачистить мелкозернистой шлифовальной шкуркой со стеклянным покрытием или проточить. Замасленный коллектор протереть ветошью, смоченной бензином Сильный износ щеток Снятие защитного кожуха крышки со стороны коллектора, щеток, измерение высоты щеток, сравнение с допустимой для данного стартера Изношенные щетки заменить Зависание щетки в щеткодержателе Разборка стартера и проверка легкости перемещения щеток в щеткодержателях Зависание щеток устранить очисткой щеток и щвткрдержателей Замыкание на «массу» изолированного щеткодержателя Проверка замыкания щеткодержателя на корпус контрольной лампой на 220 В. Проверка технического состояния изолированного щеткодержателя и изолирующей прокладки. Выявление наличия в щеточно-коллекторном узле посторонних предметов Устранить причину замыкания на «массу» изолированного щеткодержателя. Поврежденную изолирующую прокладку заменить Ослабление пружин щеткодержателей Проверка усилия щеточных пружин на щетки с помощью динамометра Ослабленные пружины заменить Замыкание на «массу» или межвитковое замыкание обмоток возбуждения или якоря электростартера Проверка обмотки на межвитковое замыкание или замыкание на «массу» прибором Э236, мегомметром или контрольной лампой При необходимости якорь и обмотки возбуждения отремонтировать или заменить Заклинивание якоря Включение плафона и электростартера. Если при исправной аккумуляторной Стартер отремонтировать батарее и цепи электростартера свет плафона сильно уменьшится, то возможно разрушение обмотки якоря и его задевание за полюсы Тяговое реле включается и сразу выключвется (неисправность проявляется в часто повторяющемся стуке) Сильная разряженность аккумуляторной батареи Увеличение сопротивления цепи электроснабжения электростартера Проверка степени разряженности батареи по плотности электролита Проверка состояния разъемных соединении в цепи электроснабжения При необходимости зачистить выводы батареи, наконечники проводов, соединения затянуть и смазать техническим вазелином При необходимости зачистить выводы батареи, наконечники проводов, соединения затянуть и смазать техническим вазелином Обрыв или плохой контакт удерживающей обмотки тягового реле с корпусом Неправильная регулировка реле включения Подключение контрольной лампы к выводу выключателя зажигания и к корпусу. Вывод из строя выключателя зажигания
Если выключатель исправен, при повороте ключа в положение включения электростартера лампа должна загореться _ Проверка надежности соединения обмотки с корпусом после снятия крышки тягового реле___ Проверка вольтметром напряжения включения и выключения реле и сравнение с установленными для данного реле значениями Неисправный выключатель зажигания отремонтировать или заменить По возможности восстановить надежное соединение обмотки с корпусом или заменить тяговое реле Отрегулировать или заменить неисправное реле включения Электродвигатель стартера включается, но коленчатый вал не вращается Пробуксовывание муфты свободного хода механизма Проверить вручную работу приводного механизма на При пробуксовывании муфты стартер разобрать и муфты Причина неисправности Способ обнаружения Способ устранения привода снятом с двигателя электростартере заменить Тугое перемещение механизма привода по винтовым шлицам вала якоря Проверить вручную легкость перемещения приводного механизма на снятом с двигателя электростартере Винтовые шлицы смазать смазочным материалом в соответствии с рекомендациями инструкции по эксплуатации автомобиля Поломка рычага приводного механизма Разборка стартера и осмотр рычага Заменить поломанный рычаг Поломка поводковой муфты или буферной пружины Электростартер в Ослабление буферной пружины Разборка стартера и проверка состояния поводковой муфты и буферной пружины ключается, но шестерня не вх Проверка технического состояния механизма привода Разобрать электростартер и заменить муфту, пружину или механизм привода одит в зацепление Заменить пружину или механизм привода Неправильная регулировка электростартера Проверка регулировки электростартера (см. рис. 4.33) Электростартер отрегулировать в соответствии с руководством по эксплуатации автомобиля Наличие забоин на зубьях шестерни механизма привода или на зубьях венца маховика Заедание шестерни на валу ввиду закоксовывания смазочного материала на шлицах вала якоря Электр Заедание ключа в выключателе зажигания (выключателе приборов и стартера) Снятие электростартера с двигателя и визуальное определение наличия забоин Определение неисправности при осмотре снятого электростартера эстартер послв пуска не откл Поворот ключа выключателя в положение включения электростартера, после чего он остается в этом положении Устранить забоины на шестерне и на венце маховика абразивным инструментом или напильником. При необходимости заменить приводной механизм или маховик Очистить шлицы ветошью, смоченной бензином, и покрыть вал смазкой № 158 ючается Немедленно остановить двигатель: выключить электростартер, повернув ключ в исходное положение. Неисправный выключатель отремонтировать или заменить Причина неисправности Способ обнаружения Способ устранения Заедание механизма привода на валу якоря Снятие с двигателя стартера и его разборка. Проверка вручную легкости перемещения механизма привода на валу якоря При наличии закоксовывания смазки на шлицах вала якоря шлицы очистить ветошью, смоченной бензином, и покрыть смазкой №158 Спекание контактов тягового реле Повышенный уро Ослабление крепления электростартера Снятие крышки тягового реле и визуальная оценка состояния контактов реле зень шума при вращении яко( Проверка крепления электростартера Подгоревшие контакты тягового реле зачистить мелкозернистой шлифовальной шкуркой зя электростартера Подтянуть гайки или болты крепления электростартера Поломка крышки со стороны привода Снятие стартера с двигателя и визуальная проверка технического состояния крышки Заменить крышку со стороны привода Повреждение зубьев шестерни привода электростартера или венца маховика двигателя Снятие электростартера с двигателя и осмотр зубьев шестерни и венца маховика При повреждении зубьев заменить механизм привода электростартера или маховика двигателя Выход из строя механизма привода или его тугое перемещение по шлицам вала якоря: шестерня электростартера не выходит из зацепления с венцом маховика Снять электростартер с двигателя, разобрать и проверить работу механизма привода Неисправный механизм привода заменить. При высыхании смазки на шлицах вала якоря шлицы очистить ветошью, смоченной бензином, и покрыть смазкой №158 Чрезмерный износ втулки подшипников или шеек вала якоря Снятие электростартера с двигателя и проверка изнашивания вала якоря и подшипников Заменить втулки или якорь Перекос электростартера при установке на двигатель Проверка правильности крепления электростартера к двигателю Закрепить электростартер без перекосов Ослабление крепления полюса к корпусу Проверка наличия задеваний якоря за полюс снятого электростартера Затянуть винт крепления полюса ГЛАВА 5 Устройства для облегчения пуска двигателей при низких температурах Устройства для облегчения пуска, воздействуя на отдельные системы двигателя, температурное состояние его деталей и эксплуатационных материалов, снижают моменты сопротивления вращению коленчатого вала, улучшают условия образования и воспламенения топливо-воздушных смесей. Эффективность различных способов и устройств для облегчения пуска зависит от типа двигателя, его конструктивных особенностей и условий эксплуатации. 5.1. Свечи накаливания и подогрева воздуха а - с открытым нагревательным элементом; 6 - штифтовая; 1 - центральный электрод; 2 - корпус; 3 - спираль; 4 - вывод; 5 - кожух спирали
Пуск дизелей с разделенными камерами сгорания улучшается при установке в предкамеры или вихревые камеры свечей накаливания открытого или закрытого типа, раскаленные нагревательные элементы которых являются источниками воспламенения топлива. 5.1.1. Свечи накаливания Свеча накаливания с открытым нагревательным элементом (рис. 5.1, а) устанавливается в камере сгорания двигателя таким образом, чтобы раскаленная спираль 3 находилась на некотором расстоянии от границы струи распыливаемого топлива. Если струя топлива задевает спираль, процесс воспламенения улучшается, но сокращается срок службы свечи. Спираль накаливания 3 (рис. 5.1, б) штифтовой свечи находится в закрытом кожухе 5, заполненном изоляционным материалом с высокой теплопроводностью. Кожух свечи изготавливают из желе-зо-никель-хромового сплава «инко-нель». Штифтовую свечу в камеру сго рания устанавливают так, чтобы конус струи распыливаемого топлива касался раскаленного конца ее кожуха. Чаще используют однополюсные штифтовые свечи, потребляющие токи силой 5 и 10 А при напряжениях соответственно 24 и 12 В. Двухполюсные свечи для двухпроводных схем потребляют токи силой до 50 А при напряжении 1,7 В. Время прогрева штифтовой свечи составляет 1-2 мин. Вследствие большой тепловой инерции таких свечей нет необходимости устанавливать в их цепь питания дополнительный резистор. Преимуществом штифтовых свечей по сравнению со свечами открытого типа является большая механическая прочность и больший срок службы вследствие отсутствия окисления спирали кислородом воздуха. Штифтовые свечи могут быть установлены в дизелях с однополостными камерами сгорания. Эффективность применения свечей накаливания при пуске дизелей зависит от рабочей температуры открытой спирали или кожуха штифтовой свечи, которая определяется силой проходящего по спирали тока. Пуск дизелей при использовании свечей накаливания обеспечивается до температур -Ю...-15°С при частоте вращения коленчатого вала 60 - 80 мин-1. 5.1.2. Свечи подогрева воздуха во впускном трубопроводе На дизелях с неразделенными камерами сгорания применяют электрические свечи и электрофакельные подогреватели для нагрева воздуха, поступающего в цилиндры двигателя при такте впуска. Целью подогрева воздуха является повышение температуры в конце такта сжатия и, тем самым, улучшение условий образования, воспламенения и сгорания топливо-воздушной смеси. Свеча СН-150 подогрева воздуха во впускном трубопроводе (рис. 5.2, а) мощностью 400 Вт рассчитана на потребление тока силой 45 - 47 А. Спираль 1 свечи нагревается до температуры 900 - 950°С через 40 - 60 с после подключения к аккумуляторной батарее. В цепи питания свечей СН-150 предусмотрен контрольный элемент СЭ-52 и дополнительный резистор МД-51. Свечи подогрева устанавливают в начале впускного трубопровода или в местах разводки по каналам цилиндров.
Лучший теплоотвод от спирали 1 (рис. 5.2, б) впускному воздуху обеспечивается при использовании фланцевых свечей. Фланцевые свечи устанавливают в разъемах впускного трубопровода, что приводит к большому разнообразию их конструкций, но усложняет конструкцию трубопровода. Вследствие подогрева воздуха во впускном трубопроводе свечой СН-150 на 20 - 35°С увеличивается температура в цилиндре в конце сжатия, в результате чего на 5 - 10°С снижается минимальная температура пуска двигателя. Из-за потери теплоты при большой длине трубопровода снижается эффективность работы свечей подогрева в условиях низких температур. Поэтому их используют на дизелях с малыми рабочими объемами, пуск которых должен обеспечиваться до температур -12...-17°С. 5.2. Электрофакельные подогреватели воздуха На дизелях устанавливают электрофакельные подогреватели воздуха во впускном трубопроводе, что в сочетании с маловязким моторным маслом позволяет снизить минимальную температуру пуска холодного дизеля на 10-15°С. В электрофакельных подогревателях через электрическую спираль проходит Рис. 5.3. Электрофакельные устройства: а - факельная штифтовая свеча 13.3740; б - электромагнитный топливный клапан 13.3741; в - добавочный резистор с термореле; 1 - защитный экран; 2 - испарительная сетка; 3, 7, 8 - гайки; 4 - испаритель; 5 - фильтр; 6 - топливный жиклер; В - изоляционная шайба; 10 - изоляционная втулка; 11 - нагреватель; 12 - корпус свечи; 13 - основание клапана; 14 - гильза; 15 - якорь; 16 - катушка; 17 - сердечник; 18 - штекер; 19, 23 - выводы; 20 - защитный кожух; 21 - спираль добавочного резистора; 22 - биметаллическая пластина с подвижным контактом; 24 - изолятор; 25 - неподвижный контакт ток небольшой силы, так как она служит только для подогрева, испарения и зажигания топлива. Воздух во впускном трубопроводе подогревается за счет теплоты сгорания топливо-воздушной смеси. Электрофакельное устройство дизелей автомобилей ЗИЛ моделей 133ГЯ, 133ВЯ состоит из двух факельных штифтовых свечей (рис. 5.3, а}, электромагнитного топливного клапана (рис. 5.3, 6), добавочного резистора с термореле (рис. 5.3, в), кнопочного выключателя, реле электрофакельного устройства, реле отключения обмотки возбуждения генератора, контрольной лампы и топливопроводов. Дозирование топлива, его испарение, смешивание с воздухом, воспламенение и сгорание происходят в факельной штифтовой свече. Топливо, подаваемое к свече, очищается фильтром 5 (см. рис. 5.3, а), дозируется жиклером 6, проходит по кольцевой полости между кольцевой вставкой и нагревателем 11. Объемная испарительная сетка 2 в нижней части факельной свечи имеет большую поверхность и облегчает испарение топлива. Сетка окружена защитным экраном 1 с отверстиями для прохода воздуха. Экран предотвращает затухание Таблица 5.1. Техническая характеристика факельных свечей Параметры 11.3740    (КамАЗ, Урал, ГАЗ) 111.3740    (БелАЗ, МАЗ, КрАЗ) 13.3740 (ЗИЛ-133ВЯ, ЗИЛ-1 ЗЗГЯ) Номинальное напряжение, В Сила потребляемого тока, А Температура нагрева при номинальной силе тока, °С Время нагрева, с Пропускная способность по топливу, смУмин Масса, кг Таблица 5.2. Техническая характеристика электромагнитных клапанов Параметры 11.3741 (КамАЗ, Урал, ГАЗ, МАЗ, КрАЗ) (ЗИЛ-1ЭЗВЯ, ЗИЛ-133ГЯ) Номинальное напряжение, В Сила тока, потребляемого катушкой, А Напряжение срабатывания клапана, В, не болве Ход якоря, мм Масса, кг 24 0,8-1,1 12 Таблица 5.3. Техническая характеристика добавочных резисторов с термореле Параметры 12.3741 (КамАЗ, Урал, ГАЗ, МАЗ, КрАЗ) (ЗИЛ-133ВЯ, ЗИЛ-1ЭЗГЯ) Номинальное напряжение, В Номинальная сила тока, А Сопротивление спирали в холодном состоянии, Ом 0,156-0,169 0,045-0,050 Диаметр проволоки, мм Время от момента включения до замыкания контактов, с Время замкнутого состояния после отключения тока, с, не менее Масса, кг пламени при увеличении скорости воздушного потока во впускном трубопроводе после пуска двигателя. Электромагнитный топливный клапан открывает подачу топлива к факельным штифтовым свечам при подключении катушки 16 (см. рис. 5.3, б) к аккумуляторной батарее. При отключении электромагнитный клапан закрывается под действием пружины. Топливо к электромагнитному клапану подводится из системы питания дизеля. Термореле имеет контакты и биметаллическую пластину 22 (см. рис. 5.3, в), расположенные внутри спирали 21 добавочного резистора. По мере прогрева за счет теплоты, выделяемой добавочным резистором, биметаллическая пластина деформируется и замыкает контакты реле. Добавочный резистор уменьшает силу тока во время предварительного нагрева штифта факельной свечи и замыкается накоротко в момент включения стартера. Рис. 5.4. Электрическая схема электрофакельного устройства
Схема электрофакельного устройства (рис. 5.4) обеспечивает предварительный нагрев факельных штифтовых свечей ЕК1 и ЕК2 до температуры 1000-1100°С перед включением стартера. Спирали свечей подключены к аккумуляторной батарее через добавочный резистор R термореле КК кнопочным выключателем S2 электрофакельного устройства. Во время предпускового прогрева свечей выключатель S1 приборов находится в положении 2. В конце прогрева факельных свечей замыкаются контакты термореле КК. Напряжение подается на электромагнитный топливный клапан YA и контрольную лампу HL, сигнализирующую о готовности электрофакельного устройства к пуску двигателя. При включении стартера выключателем S1 приборов (положение 3) подкачивающий насос подает топливо через открытый электромагнитный клапан к факельным свечам. После пуска двигателя выключатель S1 приборов и стартера переводят в положение 2, стартер отключается, но электрофакельное устройство продолжает работать в период предпускового прогрева, если оставить включенной кнопку выключателя S2. Для защиты факельных штифтовых свечей от перегрева при работе двигателя в режиме холостого хода после пуска, когда в связи с работой генератора повышается напряжение на выводах свечей, в схеме предусмотрено реле К2 отключения обмотки возбуждения генератора. 5.3. Техническое обслуживание электрофакельных подогревателей Проверка технического состояния Проверка электрофакельного устройства включает целый комплекс мероприятий. Исправность контрольной лампы определяют визуально. Техническое состояние факельных свечей оценивают по силе потребляемого тока. Большая сила тока или его отсутствие свидетельствуют о неисправности свечи. Исправность дополнительного резистора с термореле проверяют по времени от момента включения до замыкания контактов и времени замкнутого состояния контактов после отключения тока. Уменьшение времени замкнутого состояния контактов термореле после отключения тока приводит к преждевременному прекращению подачи топлива к факельным свечам. Об исправном состоянии электрофакельного устройства свидетельствует наличие факела, наблюдаемого через отверстия во впускном трубопроводе при вращении коленчатого вала дизеля электростартером. Если факел при исправных факельных штифтовых свечах отсутствует, проверяют герметичность топливной системы электрофакельного устройства, пропускную способность факельной свечи и работу электромагнитного клапана. Герметичность топливной системы оценивают визуально. Для проверки давления в топливной системе и исправности электромагнитного клалана топливопровод отсоединяют от факельной свечи, прокачивают систему топливоподкачивающим насосом и через 1 мин включают электромагнитный топливный клапан. Открытие клапана сопровождается характерным щелчком, после чего из отсоединенного от свечи топливопровода должна появиться струя топлива. Расход топлива и силу потребляемого факельной свечой тока определяют на специальных стендах. Реле отключения обмотки возбуждения генератора на автомобилях КамАЗ исправно, если при работающем двигателе и включенном электрофакельном устройстве амперметр на щитке приборов показывает разряд (силой тока около 30 А), а при выключенном электрофакельном устройстве — заряд. При подготовке к эксплуатации в холодный период года топливную систему электрофакельного устройства освобождают от летнего топлива, промывают в бензине фильтр и жиклер факельной штифтовой свечи и саму свечу при наличии на сетке и защитном экране нагара и сажи. Для очистки фильтра чистый бензин или дизельное топливо пропускают через фильтр в направлении, противоположном перемещению рабочего потока. После очистки рекомендуется продуть фильтр сжатым воздухом. Неисправности электрофакельных устройств Некоторые неисправности электрофакельных устройств, возможные причины их возникновения и способы устранения приведены в табл. 5.4. Таблица 5.4. Основные неисправности электрофакельных устройств, способы их обнаружения и устранения Причины неисправности Способ обнаружения Способ устранения Стрелка амперметра при Замыкание факельной штифтовой свечи на - массу» включении электрофакельного Отсоединение провода от вывода одной из свечей, что исключает возможность его замыкания на «массу». При зашкаливании стрелки амперметра отсоединение провода от вывода второй свечи. Отсутствие зашкаливания стрелки свидетельствует о замыкании на «массу» второй свечи устройства зашкаливает Неисправную свечу отремонтировать или j заменить Замыкание на “Массу» электрических проводов, термореле, реле блокировки отключения массы и реле отключения обмотки возбуждения генератора Проверка состояния изоляции электрических проводов и обмоток реле Провода с поврежденной j изоляциеи и неисправное ' реле заменить Замыкание спирали добавочного резистора термореле Отсоединение провода, соединяющего кнопочный выключатель электрофакельного устройства с выводом термореле. Неисправное термореле ■ заменить j Отсутствие зашкаливания ! стрелки амперметра при включении электрофакельного устройства свидетельствует о замыкании спирали термореле _____[ Причины неисправности Способ обнаружения Способ устранения Стрелка амперметр Перегорание факельных свечей или отсутствие контакта в цепи электроснабжения Нвличие Недостаточная температура нагревательного элемента факельной штифтовой свечи а при включенном электрофак находится не нулевом делении Включение электрофакельного устройства и проверка наличия напряжения на выводах всех его элементов, начиная со штифтовых свечей паров топлива при отсутствии Проверка времени загорания контрольной ламлы. Проверка состояния плотности и аккумуляторных пробников. Проверка надежности аккумуляторной батареи по наличию контакта в местах соединения выводов батареи и наконечников. Проверка силы тока, потребляемого факельной свечой, ло амперметру и сравнение с нормированным значением ельном устройстве Неисправные факельные свечи заменить. Нарушенные контакты в цепи электроснабжения свечей восстановить факела Неисправное термореле заменить. Разряженную батарею зарядить, неисправную отправить в ремонт. Выводы батареи и наконечников проводов зачистить мелкозернистой шлифовальной шкуркой, соединения затянуть и смазать техническим вазелином. Неисправную факельную свечу заменить Занижен расход топлива в факельной свече Нарушение герметичности топливной системы электрофакельного устройства Проверка расхода топлива в свече и степени загрязнения топливного фильтра и жиклера свечи сутствие факела и паров топли Проверка герметичности топливной системы по наличию потеков Промыть в бензине и продуть сжатым воздухом топливный фильтр и жиклер свечи. Неисправную свечу заменить Подтянуть соединения топливопроводов. Неисправные детали топливной системы заменить Топливо не проходит через факельную свечу Отсутствие ларов топлива во впускном патрубке при работе свечи Промыть в бензине и продуть сжатым воздухом топливный фильтр и жиклер факельной свечи Причины неисправности Способ обнаружения Способ устранения Срыв пламени элек! Недостаточное давление в топливной системе факельной свечи при одновре грофакельного устройства и ди Проверка давления в топливной системе на стенде и состояния клапана-жиклера и перепускного клапана иенной работе зеля Отрегулировать давление открытия клапанов набором шайб Преждевременное закрытие топливного клапана Проверка времени замкнутого состояния термореле и сравнение с нормированным значением Неисправное реле заменить 5.4. Устройства для подачи пусковой жидкости Широкое распространение при пуске получил способ использования легковоспламеняющихся жидкостей, которые содержат компоненты с низкой температурой самовоспламенения и отличаются большим разнообразием составов. Пусковая жидкость «Арктика» состоит из диэтилового эфира (45-60%) с температурой самовоспламенения 180-205°С, газового бензина (35-55%), изопропилнитрата (1-1,5%), различных промежуточных продуктов окисления (до 10%) и противо-износных, противозадирных и антиокислительных присадок (около 2,5%). В состав пусковой жидкости «Холод Д-40» входят диэтиловый эфир (58-62%), изо-пропилнитрат (13-17%) и масло для судовых газовых турбин (8-12%). Пусковая жидкость подается непосредственно в цилиндры двигателя вместе с основным топливом или с помощью специальных приспособлений во впускной трубопровод. Второй способ удобнее и экономичнее. Работа устройств для подачи пусковой жидкости во впускной трубопровод основана на пневматическом или механическом распыливании жидкости и ее дальнейшем испарении. Использование пусковой жидкости и маловязкого загущенного масла позволяет обеспечивать пуск двигателя до температуры -30°С при вращении коленчатого вала с частотой 40-55 мин-1. Автоматическое управление подачей пусковой жидкости возможно в устройствах, основанных на аэрозольном распыливании. Аэрозольное пусковое приспособление с электромагнитным приводом приведено на рис. 5.5. Пусковая жидкость находится под давлением в аэрозольном баллоне 13 с клапанным устройством. В качестве вытесняющего газа применяют пропан, бутан и другие газы, давление которых незначительно зависит от температуры и которые сами являются топливом. Аэрозольное пусковое устройство устанавливают с помощью кронштейна 5 в отсеке двигателя в легкодоступном для смены баллона месте. Управление приспособлением дистанционное из кабины водителя. При включении электромагнита 7 якорь перемещается вниз, нажимает эмульсионной трубкой на шток клапана аэрозольного баллона и одновременно открывает проход для аэрозоли в трубопровод 10 через пластинчатый клапан 9. К форсунке 11 распылителя, расположенной во впускном трубопроводе двигателя, аэрозоль поступает через эмульсионную трубку 6 и внутреннюю полость якоря электромагнита 7. Один аэрозольный баллон может обеспечить 8-10 пусков двигателя при температуре -30°С. При установке в приспособление верхнюю часть нового баллона совмещают с корпусом и прижимают к нему опорной пятой, перемещающейся по дужкам 3, с помощью регулировочного винта 1. Уплотнение в стыке баллона с корпусом обеспечивается резиновым уплотнителем 12. ние с электромагнитным приаодом: I    - регулировочный винт; 2 - нажимной подпятник; 3 - складывающиеся дужки; 4 - ось дужек; 5 - кронштейн крепления; 6 - эмульсионная трубка; 7 - электромагнит: 8 - сердечник; 9 - пластинчатый клапан; 10 - трубопровод; II    - форсунка; 12 - резиновый уплотнитель; 13 - аэрозольный баллон
5.5. Электрические подогреватели Электрические подогреватели используются для подогрева жидкости в системе охлаждения двигателя, масла в картере, топлива в топливной системе и электролита аккумуляторной батареи. По способу превращения электрической энергии в тепловую их подразделяют на нагреватели индукционные, полупроводниковые, электродные, сопротивлений, инфракрасные излучатели и т.д. Наибольшее распространение получили нагреватели сопротивлений, однако все большее внимание уделяется полупроводниковым подогревателем. Требованиям электробезопасности на тракторе в наибольшей степени удовлетворяют герметичные трубчатые электронагреватели (ТЭНы). ТЭН представляет собой металлическую оболочку в виде трубки из жаропрочного материала любой формы, внутри которой запрессована спираль из нихромовой проволоки, изолированная от оболочки наполнителем с высокой теплопроводностью (периглаз). 3/V АЛАОАЛ ™ p i H?vu тл/J б
12 11 L , ,^^..u ак^з
Рис. 5.6. Электрические подогреватели: а - электроподогреватель моторного масла; б - электроподогрезатель охлаждающей жидкости; в - универсальный элек троподогрева гель; 1 - изолятор с клеммой; 2 - стержень; 3 - нихротвая спираль; 4 - корпус; 5 - распорное кольцо; 6 - наружный электрод; 7 - внутренний электрод; 8 - изолятор; 9 - выводы; 10- патрубки; 11 - прокладка; 12 - изолятор; 13 - нагревательный элемент,; 14 - теплообменник На двигателе установка ТЭНов не всегда возможна, поэтому их часто размещают в теплообменнике (котле). Такие теплообменники можно устанавливать вместо индивидуальных предпусковых подогревателей, работающих на жидком топливе. Для уменьшения потерь теплоты и расхода электроэнергии поверхность котла теплоизолируется. Разработано множество различных конструкций теплообменников и схем подогрева охлаждающей жидкости и масла. Перспективна схема, в которой нагретая жидкость из котла электрическим насосом подается в водораспределительные каналы блока цилиндров и одновременно в теплообменник, расположенный в картере. Подогрев топлива осуществляется непосредственно электроподогревателями или с помощью промежуточного теплоносителя. Электроподогреватели компактны, надежны в работе, обладают достаточным быстродействием, требуют минимальных затрат на обслуживание. При использовании ТЭНов возможна автоматизация процесса подогрева. Электроподогреватели можно применять не только как средство предпускового подогрева двигателя, но и в течение всего периода межсменной стоянки автомобиля. Конструкции электронагревателей моторного масла, охлаждающей жидкости и общий вид универсального злектроподогреваТеля приведены на рис. 5.6. 5.6. Предпусковые подогреватели Двигатель может быть оборудован индивидуальным предпусковым подогревателем. Подогрев картерного масла, блока цилиндров и подшипников коленчатого вала перед пуском позволяет уменьшить вязкость моторного масла, облегчить его прокачиваемость по смазочной системе и, тем самым, уменьшить момент сопротивления вращению и износ деталей двигателя при пуске. С другой стороны, подогрев головки и стенок блока цилиндров и впускного трубопровода улучшает условия смесеобразования и воспламенения топлива и способствует снижению минимальной пусковой частоты вращения. Индивидуальные предпусковые подогреватели отличаются по типу теплоносителя, обеспечивающего передачу теплоты двигателю, потребляемому топливу и степени автоматизации рабочего процесса. Подогреватели должны быть пожаробезопасными. Не допускается вылет пламени на выходе газов из котла в установившемся режиме работы, скопление топлива в котле подогревателя как в период розжига котла, так и после его остановки. Система предпускового подогрева двигателя с жидкостным охлаждением должна надежно работать при ее заполнении низкозамерзающей жидкостью и водой.
Дизельный подогреватель ПЖД-30 устанавливают на автомобилях семейства КамАЗ-740 и ЗИЛ-1 ЗЗГЯ. Образование, воспламенение и сгорание топливо-воздушной смеси происходит в съемной горелке 5 (рис. 5,7) котла 9. Первоначально воспламенение топливо-воздушной смеси осуществляется свечой зажигания 4, высокое напряжение к которой подводится от тран-Рис. 5.7. Схема подключения подогревателя зисторного коммутатора. Топливо из ПЖД-30 на двигателе КамАЗ—740:    топливного бачка 14 подается к горел- 1 - поддон картера двигателя; 2 - гидравпиче- ке 5 топливным насосом 16 и распыли-ский насос; 3 - выпускная труба подогревателя; вается форсункой 6. Расход топлива 4 - свеча зажигания; 5 - горелка; 6 - форсунка; регулируется редукционным клапаном 7    - электромагнитный топливный клапан; топливного насоса 16. В апектромаг- 8    - воздушный патрубок; 9 - котел подогрева- нитном клапане 7 и в форсунке 6 пре-теля; 10 - патрубок для подвода жидкости от дусмотрены фильтры тонкой очистки. подогревателя к блоку цилиндров; 11 и 13- па- Электромагнитный топливный клапан трубки для отвода жидкости из блока цилинд- конструктивно объединен со штифто-ров в подогреватель; 12 - топливный фильтр вой электрической свечой и установ-тонкой очистки: 14 - топливный бачок; 15 - то- лен на горелке. пливопровод; 16 - топливный насос с редукци- Воздух под напором подается в го- оиным клапаном; 17 - электродвигатель насос- релку вентилятором 18. Для обеспече-ного агрегата; 18 -вентилятор ния циркуляции жидкости между кот____лом 9 подогревателя и водяной рубашкой блока цилиндров в предпусковой период в насосный агрегат включен гидравлический насос 2. Привод гидравлического, воздушного и топливного насосов осуществляется от одного электродвигателя 17. Электрическая схема предусматривает возможность дистанционного управления подогревателем. В схеме используется переключатель S (рис. 5.8), имеющий четыре положения. Электродвигатель М насосного агрегата и электронагреватель ЕК топлива, потребляющие токи большой силы, включаются переключателем S через реле К1 и К2. го управления подогревателей ПЖД-30
Для приведения в действие подогревателя переключатель S из положения 1 (все выключено) устанавливают в положение 2, включая электродвигатель М насосного агрегата и электронагреватель ЕК топлива. Через 15 - 20 с переключатель переводят в нефиксируемое положение 3. В этом положении включаются электромагнитный клапан YA и транзисторный коммутатор. После подключения транзисторного коммутатора к источнику питания через первичную обмотку L1 катушки зажигания Т проходит ток заряда конденсатора С. Индуктируемая при этом ЭДС в управляющей обмотке L2 открывает транзистор VT. Сила тока в первичной обмотке и ЭДС в управляющей обмотке возрастают. Конденсатор С разряжается через открытый транзистор VT. Когда сила тока в первичной обмотке достигает установившегося значения, ЭДС в управляющей обмотке не индуцируется и транзистор закрывается. Сила тока в первичной обмотке и магнитный поток резко уменьшаются и во вторичной обмотке L3 катушки зажигания Т индуцируется ЭДС, достаточная для пробоя искрового промежутка свечи зажигания EV. Стабилитроны VD1 и VD2 обеспечивают защиту транзистора VT от перенапряжений. При установившемся горении, признаком которого является равномерный гул в котле подогревателя, после снятия усилия с рукоятки переключателя она автоматически переходит в положение 4, при котором транзисторный коммутатор отключается, а электродвигатель М насосного агрегата продолжает работать. ГЛАВА 6 Системы зажигания 6.1. Назначение и принцип действия Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Развитие автомобилей первоначально было связано с системой зажигания от магнето, но оно достаточно быстро было вытеснено батарейной системой зажигания, которая в различных вариантах и применяется на современных автомобилях. Тенденции развития ДВС связаны с повышением их экономичности, снижением токсичности отработавших газов, уменьшением массы и габаритных размеров. повышением частоты вращения коленчатого вала и степени сжатия. Это оказывает влияние на конструкцию и схемное исполнение систем зажигания. не затрагивая, однако, основного принципа их действия, — накопления энергии в магнитном или электрическом поле с последующим мгновенным выделением ее в искровом промежутке свечи в нужный момент такта сжатия в рабочем цилиндре и в соответствии с заданным порядком работы цилиндров двигателя. Разряд в искровом промежутке вызывается импульсом напряжения, величина которого зависит от температуры и давления в камере сгорания, конфигурации и размеров искрового промежутка. Величина импульса должна обеспечиваться системой зажигания с определенным запасом, с учетом износа электродов свечи в эксплуатации. Обычно коэффициент запаса составляет 1,5 - 1.8 , а величина импульса напряжения лежит в пределах 20 - 30 кВ. Процесс сгорания рабочей смеси разделяется на три фазы: начальную, когда формируется пламя, возникающее от искрового разряда в свече, основную, когда пламя распространяется на большей части камеры сгорания, и конечную, когда пламя догорает у стенок камеры. Этот процесс требует определенного времени. Наиболее полное сгорание рабочей смеси достигается своевременной подачей сигнала на воспламенение, т.е. установкой оптимального угла опережения зажигания в зависимости от режима работы двигателя. Угол опережения зажигания определяется по углу поворота коленчатого вала двигателя от момента возникновения искры до момента достижения поршнем верхней мертвой точки. Если угол опережения зажигания больше оптимального, то зажигание раннее. Давление в камере сгорания при этом достигает максимума до достижения поршнем верхней мертвой точки и оказывает противодействующее воздействие на поршень. Раннее зажигание может явиться причиной возникновения детонации. Если угол опережения зажигания меньше оптимального, зажигание позднее, в этом случае двигатель перегревается. a — с накоплением энергии в индуктивности; б — с накоплением энергии в емкости На начальную фазу сгорания влияет энергия и длительность искрового разряда в свече. В современных системах энергия разряда достигает 50 МДж, а его длительность 1 - 2,5 мс. Рис. 6.2. Временные диаграммы тока в первичной цепи I, (а) и вторичного напряжения U, (б) системы зажигания
По способу накопления энергии различаются системы с накоплением энергии в индуктивности и в емкости (рис. 6.1). В обоих случаях для получения импульса высокого напряжения используется катушка зажигания, представляющая собой высоковольтный трансформатор, содержащий две обмотки: первичную с малым числом витков и омическим сопротивлением в доли и единицы ома и вторичную с большим числом витков и омическим сопротивлением в единицы и десятки кОм. Коэффициент трансформации катушки лежит в пределах 50 -150. Значительное количество энергии, которое требуется для воспламенения рабочей смеси, накопить в конденсаторе приемлемых размеров при достаточно низком напряжении бортовой сети невозможно. Поэтому система по рис. 6.1, б оборудована высоковольтным преобразователем напряжения. Такое усложнение схемы не дает существенных преимуществ, поэтому системы с накоплением энергии в емкости на автомобилях практически не применяются. Принцип работы схемы, изображенной на рис. 6.1, а, характерен для всех систем зажигания, устанавливаемых на автомобилях. Выключатель зажигания S1 включает систему в сеть питания. В некоторых системах роль выключателя S1 играют контакты реле, управляемого выключателем зажигания. При вращении вала двигателя происходит замыкание контактов прерывательного механизма S2, и ток начинает нарастать в первичной цепи катушки зажигания по экспоненте, как это показано на рис. 6.2, а. В момент, необходимый для подачи искрового импульса на зажигание, прерыватель S2 разрывает свои контакты, после чего возникает колебательный процесс, связанный с обменом энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем в емкостях С1 и С2. Амплитуда колебаний напряжения, приложенного к электродам свечи U2, убывает по экспоненте, как показано на рис. 6.2 пунктиром. Однако интерес представляет лишь первая полуволна напряжения, т.к., если ее максимальное значение U2m превышает напряжение пробоя искрового промежутка Un, возникает необходимая для зажигания искра. Величина U2m зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания Кт = W2/W1 (W2 и W1 соответственно число витков вторичной и первичной обмоток катушки), величины тока первичной обмотки в момент разрыва 11р, а также индуктивности L, и емкости С1 первичной и С2 вторичной цепей Коэффициент «п учитывает потерю энергии в активных сопротивлениях первичной и вторичной R2 цепей, в сопротивлении нагара Яц,, шунтирующего искровой промежуток, а также в сердечнике катушки при его перемагничивании. Обычно Кп лежит в пределах 0,7 - 0,8. Влияние нагара на свечах на искрообразование значительно снижается с увеличением скорости нарастания вторичного напряжения. В современных системах эта скорость лежит в пределах 200 - 700 В/мкс. После пробоя искрового промежутка вторичное напряжение резко уменьшается (см. рис. 6.2). При этом в искровом промежутке сначала искра имеет емкостную фазу, связанную с разрядом емкостей на промежуток, а затем индуктивную, во время которой в искре выделяется энергия, накопленная в магнитном поле катушки. Емкостная составляющая искры обычно кратковременна, очень ярка, имеет голубоватое свечение. Сила тока в искре велика даже при малом количестве протекающего в ней электричества. Индуктивная составляющая отличается значительной продолжительностью, небольшой силой тока, большим количеством электричества и неярким красноватым свечением. Осциллограмма вторичного напряжения, соответствующая рис. 6.2, является признаком нормальной работы системы зажигания. О нормальной работе свидетельствует и вид искры между электродами свечи. В исправной системе она имеет яркое ядро, окруженное пламенем красноватого цвета. Распределение зажигания по цилиндрам может производиться как на высоковольтной, так и на низковольтной стороне (рис. 6.3). При низковольтном распределении каждая катушка зажигания обслуживает два либо четыре цилиндра. В первом случае катушка имеет два высоковольтных вывода (двухвыводная катушка), во втором четыре (четырехвыводная). Импульсы напряжения на обоих выводах двухвыводной катушки появляются одновременно, но один из Рис. 6.3. Способы распределения зажигания по цилиндрам двигателя: а - высоковольтное распределение; низковольтное распределение двух- (б) и четырехвыводной (в) катушек зажигания них подается в цилиндр в такте сжатия и производит воспламенение рабочей смеси, в другом цилиндре в зто время избыточное давление отсутствует и выделенная в искре энергия расходуется вхолостую. Четырехвыводная катушка снабжена первичной обмоткой, состоящей из двух секций, работающих попеременно. Высоковольтные диоды обеспечивают разделение цепей, так как высоковольтные импульсы такой системы разнополярны. Это является недостатком системы с четырехвыводной катушкой, поскольку, в зависимости от полярности импульса, пробивное напряжение на свече может отличаться на 1,5 - 2 кВ. Катушка может обслуживать и один цилиндр, в этом случае она обычно располагается на свече. В настоящее время наиболее распространено высоковольтное распределение зажигания, однако развитие электроники позволяет перейти, вернее вернуться, к низковольтному распределению, как, например, на первых автомобилях фирмы «Форд», где имелись 4 прерывателя и 4 катушки зажигания. При одинаковом принципе работы системы зажигания по своим конструктивным и схемным выполнениям делятся на контактную систему (иначе ее называют классической), контактно-транзисторную и бесконтактную электронные системы зажигания. 6.2. Контактная система зажигания В контактной системе зажигания (рис. 6.4) коммутация в первичной цепи зажигания осуществляется механическим кулачковым прерывательным механизмом. Кулачок прерывателя (рис. 6.5, а) связан с коленчатым валом двигателя через зубчатую или зубчато-ременную передачу, причем частота вращения вала кулачка вдвое меньше частоты вращения вала двигателя. Угол опережения зажигания устанавливается изменением положения кулачка относительно приводного вала или углового положения пластины прерывателя, на которой закреплена ось его подвижного рычажка. Время замкнутого и разомкнутого состояния контактов определяется конфигурацией кулачка, частотой вращения и зазором между контактами. Закономерность изменения угла опережения зажигания по частоте вращения коленчатого вала двигателя и его нагрузке различна для разных типов двигателя и подбирается экспериментально. Однако во всех случаях с увеличением частоты вращения коленчатого вала увеличивается скорость движения поршня, и для того, чтобы смесь успела сгореть при увеличении частоты вращения, угол опережения зажигания должен быть увеличен. Для изменения положения кулачка относительно приводного вала в зависимости от частоты вращения служит центробежный регулятор (рис. 6.5, б). Своеобразными датчиками частоты вращения в регуляторе являются грузики, оси вращения которых закреплены на пластине, связанной с приводным валом. Под действием центробежной силы, зависящей от частоты вращения, грузики стремятся разойтись и повернуть траверсу, жестко связанную с кулачком, при этом центробежная сила преодолевает силу противодействующей пружины. Пример зависимости угла опережения зажигания 0, устанавливаемого центробежным регулятором при изменении частоты вращения п, представлен на рис. 6.5, б. Ломаный характер зависимости определяется подбором жесткости пружины, массы и конфигурации грузиков. Максимальное значение 0 ограничивается упором и лежит в пределах 30 - 40° по углу поворота коленчатого вала (этот угол вдвое меньше по углу поворота приводного вала распределителя (рис. 6.5, б). Рис. 6.4. Принципиальная схема классической контактной системы зажигания: I    - аккумуляторная батарея; 2,3- контакты выключателя зажигания; 4 - добавочный резистор: 5 - катушка зажигания; 6 - прерыватель; 7,8- подвижный и неподвижный контакты прерывателя; 9 - кулачок; 10 - распределитель; II    - ротор (бегунок); 12- неподвижный электрод; 13- свечи зажигания; 14- конденсатор
С увеличением нагрузки двигателя, т.е. с увеличением угла открытия дроссельной заслонки, наполнение цилиндров и давление в конце такта сжатия увеличивается, процесс сгорания ускоряется. Следовательно, с увеличением открытия дроссельной заслонки угол 0 должен уменьшаться. Изменение угла опережения зажигания по нагрузке двигателя осуществляет вакуумный регулятор (рис. 6.5, в). Вакуумная камера регулятора соединена со впускным трактом двигателя за дроссельной заслонкой. При увеличении нагрузки дроссельная заслонка открывается, давление за ней снижается, и гибкая мембрана через шток поворачивает пластину с контактным механизмом относительно кулачка в сторону уменьшения угла опережения зажигания. Максимальный угол опережения зажигания по нагрузке также ограничивается упором и лежит в пределах 15-25п по углу поворота коленчатого вала. Пример характеристики вакуумного регулятора представлен на рис. 6.5, в (угол указан по валу распределителя). В реальной эксплуатации центробежный и вакуумный регуляторы работают совместно. Рис. 6.5. Конструктивное исполнение элементов контактной системы зажигания: а - кулачково-прерывательный механизм; б - центробежный регулятор опережения зажигания и его характеристика; в - вакуумный регулятор опережения зажигания и его характеристика; 0 - угол опережения зажигания; п - частота вращения приводного вала распределителя; 1 - кулачок; 2 - неподвижный контакт; 3 - подвижный контакт; 4 - рычажок прерывателя; 5 - подвижная пластина; 6 - грузики; 7 - траверса; 8 - диафрагма; В - шток; 10 - вакуумная камера; 11 - пружина Если октановое число топлива не соответствует степени сжатия двигателя, то даже при оптимальной установке угла опережения зажигания, соответствующей максимальной мощности двигателя, в нем может возникнуть детонация - чрезвычайно быстрое сгорание рабочей смеси, подобное взрыву. Для предотвращения детонации служит октан-корректор, позволяющий вручную повернуть корпус прерывателя-распределителя в ту или другую сторону. При применении топлива с меньшим октановым числом корпус поворачивается в сторону уменьшения угла рпережения зажигания. Добавочный резистор R (рис. 6.4) устраняет влияние снижения напряжения в бортовой сети при включении стартера. Для этого он при пуске закорачивается, при нормальной работе на нем падает часть напряжения так, что к катушке зажигания подходит напряжение 7-8 В, на которое она рассчитана. Добавочный резистор выполняется из никелевой или константановой проволоки, имеет сопротивление 1 -1,9 Ом и располагается либо на катушке зажигания, либо отдельно. Изготовление добавочного резистора из никелевой проволоки позволяет ему выполнить дополнительные функции - защиту первичной цепи от перегрузки, возможной на малой частоте вращения коленчатого вала. Сопротивление никелевого резистора с ростом силы тока возрастает. Там, где напряжение при пуске понижается мало, добавочный резистор не применяется. Распределительный механизм, который объединен в один узел «прерыватель-распределитель» с прерывателем, подводит вывод вторичной обмотки катушки зажигания через контактный уголек к вращающемуся электроду (бегунку), установленному на одном валу с кулачком прерывателя. При вращении ротора высокое напряжение последовательно через воздушный промежуток приблизительно в 0,5 мм, электроды распределителя и высоковольтные провода подается на свечи. Момент прохождения бегунка мимо каждого электрода распределителя синхронизирован с размыканием контактов прерывателя. На рис. 6.6, а, представлен пример зависимости вторичного напряжения U2m от частоты вращения пкв коленчатого вала двигателя. Время замкнутого состояния контактов прерывателя определяется выражением: где z - число цилиндров двигателя, k-коэффициент, зависящий от профиля кулачка. При росте частоты вращения время замкнутого состояния контактов уменьшается, а, значит, уменьшается величина силы тока в момент разрыва контактов 11р Рис. 6.6. Зависимость силы тока в момент разрыва первичной цепи /jp и вторичного напряжения l^m контактной системы зажигания от частоты вращения коленчатого вале двигателя (а) и вторичного напряжения от емкости первичной цепи С1 (6) и, как следствие, снижается вторичное напряжение согласно формуле (1). Снижение U2m при малой частоте вращения объясняется искрением контактов при медленном их размыкании. На рис. 6.6, б приведена зависимость вторичного напряжения от величины емкости С1, включаемой параллельно контактам прерывателя для снижения их искрения. Эта зависимость соответствует формуле (1). При малой величине емкости С1 искрение все же возникает и напряжение снижается. Однако и увеличение емкости С1 также снижает вторичное напряжение, поэтому конденсатор подбирается к каждой системе индивидуально. Обычно емкость конденсатора С1 лежит в пределах 0,17-0,35 мкФ. Согласно выражению (1), амплитуда вторичного напряжения снижается и с ростом емкости вторичной цепи С2. Это создает проблему в случае применения экранированной системы зажигания, так как экранирование вызывает повышение вторичной емкости. Экранирование системы необходимо для снижения уровня радиопомех, создаваемых системой зажигания. 6.3. Контактно-транзисторная система зажигания Контактно-транзисторная система зажигания явилась переходным этапом от контактной к бесконтактным электронным системам. В ней устраняется недостаток контактной системы — подгорание и износ контактов прерывателя, коммутирующих цепь с индуктивностью и значительной силой тока. В контактно-транзисторной системе первичную цепь обмотки возбуждения коммутирует транзистор, управляемый контактами прерывателя. С применением контактно-транзисторной системы на автомобиле появился новый блок - электронный коммутатор, объединяющий в себе силовой коммутирующий транзистор и элементы схемы его управления и защиты. Рис. 6.7. Схема контактно-транзисторной системы зажигания с коммутатором ТК 102: 7 - аккумуляторная батарея; 2.3- контакты выключателя зажигания; 4.5- добавочные резисторы; 6 - коммутатор; 7 - прерыватель
На рис. 6.7 представлена схема контактно-транзисторного зажигания с коммутатором ТК 102, которая более четверти века обеспечивает зажигание восьмицилиндровых двигателей автомобилей ЗИЛ и ГАЗ. При замыкании контактов прерывателя через них начинает протекать ток базы транзистора VT1, который открывается и включает первичную обмотку катушки зажигания к источнику питания. При размыкании контактов прерывателя транзистор VT1 закрывается, ток в первичной цепи резко прерывается и на свечах появляется всплеск высокого напряжения, как и в контактной системе. Характеристики контактнотранзисторной системы аналогичны контактной, за исключением того, что снижения вторичного напряжения на низких частотах вращения кулачка не происходит. Импульсный трансформатор Т в схеме ускоряет запирание транзистора, цепь VD1, VD2 защищает транзистор от перенапряжений, а конденсатор С2 - от случайных импульсов напряжения по цепи питания. Конденсатор С1 способствует уменьшению коммутационных потерь в транзисторе. Добавочный резистор 4 закорачивается при пуске двигателя. Срок службы контактов прерывателя в контактно-транзисторной системе больше, чем в контактной, так как базовый ток, коммутируемый ими, невелик. Однако механический износ прерывательного механизма, влияние вибраций на работу контактов в системе не устранены, В настоящее время выпускаются различные электронные блоки, улучшающие работу контактной системы зажигания и фактически превращающие ее в контактно-транзисторную (ТАНДЕМ-2, БУЗ-06, ОКТАН-1, ЭРУОЗ и др.). 6.4. Электронные системы зажигания В электронных системах зажигания контактный прерыватель заменен бесконтактными датчиками. В качестве датчиков используются оптоэлектронные датчики, датчики Виганда, но наиболее часто магнитоэлектрические датчики (МЗД) и датчики Холла (ДХ). зажигания: а - магнитоэлектрический генераторный с когтеобразным статором; б - магнитоэлектрический коммутаторного типа; в-датчик Холла; I    - катушка: 2. 3 - клювообразные половины статора; 4 - магнит; 5,6- клювообразные половины ротора; 7 - приводная втулка; 8 - зубчатый ротор: 9 - зубчатый статор; 10 - экран (шторки); II    - чувствительный элемент датчика Холла: 12 - микросхема
МЭД бывают генераторного (рис. 6.8, а) и коммутаторного (рис. 6.8, б) типов. В генераторном датчике вращается постоянный магнит, помещенный внутрь клювообразного магнитопровода. При этом в катушке, надетой на свой клювообразный магнитопровод, наводится ЭДС. В МЭД коммутаторного типа вращается зубчатый ротор из магнитомягкого материала, а магнит неподвижен. ЭДС в катушке наводится за счет изменения величины ее магнитного потока при совпадении и расхождении выступов статора и ротора. Недостатком МЭД является зависимость величины выходного сигнала от частоты вращения, а также значительная величина индуктивности катушки, вызывающая запаздывание в прохождении сигнала. От этих недостатков избавлен датчик Холла. Особенность состоит в том, что ЭДС, снимаемая с двух граней его чувствительного элемента, пропорциональна произведению силы тока, подводимого к двум другим граням, на величину индукции магнитного поля, пронизывающего датчик. В реальных системах магнитное поле создается неподвижным магнитом, который отделен от датчика магнитомягким экраном с прорезями (рис. 6.8, в). Если между магнитом и чувствительным элементом попадает стальной выступ, магнитный поток им шунтируется и на датчик не попадает. ЭДС на выходе чувствительного элемента отсутствует. Прорезь беспрепятственно пропускает магнитный поток, и на выходе элемента появляется ЭДС. Обычно датчик Холла совмещают с микросхемой, стабилизирующей ток его питания и усиливающей выходной сигнал. В реальном датчике зта схема инвертирует сигнал, т.е. напряжение на его выходе появляется, когда выступ экрана проходит мимо чувствительного элемента. Наиболее простой в схемном и функциональном исполнении является бесконтактная система зажигания с нерегулируемым временем накопления энергии. 6.4.1. Бесконтактные системы зажигания с нерегулируемым временем накопления энергии Бесконтактная система зажигания с нерегулируемым временем накопления энергии принципиально отличается от контактно-транзисторной только тем, что в ней контактный прерыватель заменен бесконтактным датчиком. На рис. 6.9 приведена схема системы с коммутатором 13.3734-01 автомобилей "Волга". Сигнал с обмотки L магнитоэлектрического датчика через диод VD2, пропускающий только положительную полуволну напряжения, и резисторы R2, R3 поступает на базу транзистора VT1. Транзистор открывается, шунтирует переход база-эмиттер транзистора VT2, который закрывается. Закрывается и транзистор VT3, ток в первичной обмотке катушки зажигания прерывается, и на выходе вторичной обмотки возникает высокое напряжение, В отрицательную полуволну напряжения транзистор VT1 закрыт, открыты VT2 и VT3, и ток начинает протекать через первичную обмотку катушки возбуждения. Очевидно, что число пар полюсов датчика должно соответствовать числу цилиндров двигателя. Цепь R3-C1 осуществляет фазосдвигающие функции, компенсирующие фа- Рис. 6.9. Принципиальная электрическая схема бесконтактной системы зажигания с коммутатором 13.3734-01 зовое запаздывание протекания тока в базе транзистора VT1 из-за значительной индуктивности обмотки датчика L, чем снижается погрешность момента ис-крообразования. Стабилитрон VD3 и резистор R4 защищают схему коммутатора от повышенного напряжения в аварийных режимах, так как, если напряжение в бортовой цепи превышает 18 В, цепочка начинает пропускать ток, транзистор VT1 открывается и закрывается выходной транзистор VT3. Цепями защиты от опасных импульсов напряжения служат конденсаторы СЗ, С4, С5, С6; диод VD4 защищает схему от изменения полярности бортовой сети. Установка угла опережения зажигания по частоте вращения коленчатого вала и нагрузке двигателя осуществляется так же, как в контактном зажигании. Форма и величина выходного напряжения магнитоэлектрического датчика изменяются с частотой вращения, что влияет на момент искрообразования. В системе, кроме того, не устранен существенный недостаток контактного зажигания - уменьшение вторичного напряжения при росте частоты вращения коленчатого вала. Поэтому более перспективна система с регулированием времени накопления энергии. 6.4.2. Система зажигания с регулированием времени накопления энергии Регулируя время накопления энергии, т.е. время, когда первичная цепь катушки зажигания подключена к сети питания, можно сделать ток разрыва этой цепи независимым или мало зависимым от частоты вращения коленчатого вала двигателя, а значит, и избавиться от недостатка контактной системы зажигания - снижения вторичного напряжения с ростом частоты вращения. Принцип такого регулирования состоит в том, чтобы с ростом частоты вращения увеличить относительное время включения катушки зажигания в сеть так, чтобы абсолютное время включения осталось неизменным. На рис. 6.10 представлена система зажигания автомобиля ВАЗ-2108 с электронным коммутатором 36.3734 и датчиком Холла. В коммутаторе при- Рис. 6.10. Принципиальная электрическая схема зажигания с коммутатором 36.3734 менена микросхема L497B. Стабилизация величины вторичного напряжения достигается в схеме двумя путями - во-первых, регулированием времени нахождения транзистора VT1 в открытом состоянии, т.е. времени включения первичной цепи обмотки зажигания в сеть, во-вторых, ограничением величины тока в первичной цепи величиной около 8 А. Последнее, кроме того, предотвращает перегрев катушки. Схема работает следующим образом - с датчика Холла на вход коммутатора приходит сигнал прямоугольной формы, величина которого приблизительно на 3 В меньше напряжения питания, а длительность соответствует прохождению выступов экрана мимо чувствительного элемента датчика. Нижний уровень сигнала 0,4 В соответствует прохождению прорези. В момент перехода от высокого уровня к низкому происходит искрообразование. В микросхеме коммутатора сигнал в блоке формирования периода накопления энергии сначала инвертируется, затем интегрируется. На выходе интегратора образуется пикообразное напряжение, величина которого тем больше, чем меньше частота вращения двигателя. Это напряжение поступает на вход компаратора, на другой вход которого подано опорное напряжение. Компаратор преобразует величину напряжения во время. Сигнал на входе компаратора имеет место тогда, когда величина пилообразного напряжения достигает опорного и превышает его. При большой частоте вращения величина пилообразного напряжения мала, соответственно мала и длительность сигнала на выходе компаратора. С исчезновением выходного сигнала компаратора через схему управления открывается транзистор VT1, и первичная цепь зажигания включается в сеть. Следовательно, время накопления энергии в катушке соответствует времени отсутствия сигнала на выходе компаратора. Уменьшение длительности выходного сигнала компаратора позволяет увеличить относительную величину времени накопления энергии и тем самым стабилизировать ее абсолютное значение. Блок ограничения силы выходного тока срабатывает по сигналу, снимаемому с резисторов, включенных последовательно в первичную цепь зажигания. Если этот сигнал достигает уровня, соответствующего силе тока 8 А, блок переводит выходной транзистор в активное состояние с фиксированием этой величины тока. Блок безискровой отсечки отключает катушку зажигания в случае, если включено электропитание, но вал двигателя неподвижен. При этом, если при остановленном двигателе выходное напряжение датчика соответствует низкому уровню, катушка отключается сразу, в противном случае отключение происходит через 2 - 5 с. Схема насыщена элементами защиты от всплесков напряжения и включения обратной полярности питания. Регулировка угла опережения зажигания осуществляется традиционными способами, т.е. центробежным и вакуумным регуляторами. Микросхема L497B применяется в двухканальном коммутаторе 64.3734-20 для систем с низковольтным распределителем энергии. В коммутаторе 6420.3734 применен выходной транзистор BY 931 ZPF1 с внутренней защитой от перенапряжений, что в значительной мере повысило надежность работы коммутатора. 6.4.3. Микропроцессорные системы зажигания В микропроцессорной системе зажигания применяется электронное управление углом опережения зажигания. Как правило, микропроцессорная система одновременно управляет и системой топливоподачи либо полностью (система «Motronic» фирмы «Bosch»), либо каким-либо ее элементом, чаще всего экономайзером принудительного холостого хода (автомобиль BA3-21083, ГАЭ-3302 "Газель" и др.). Центральной частью микропроцессорной системы является контроллер (микро-ЭВМ, микропропроцессор). На рис. 6.11 представлена структурная схема контроллера МС2713 "Электро-ника“, применяющаяся на некоторых модификациях автомобилей «Волга», «Газель», ЗИЛ-4314, BA3-21083. В задачу контроллера входит обработать информацию, поступающую от датчиков, и в соответствии с ней, установив оптимальный для данного режима угол опережения зажигания, дать команду через коммутатор на образование искры зажигания. В режиме принудительного холостого хода контроллером выдается команда на прекращение топливоподачи. Контроллер получает информацию от индукционных датчиков: начала отсчета НО, установленного на картере сцепления так, что он генерирует импульс напряжения в момент прохождения в его магнитном поле стального штифта, укрепленного на маховике, при положении в верхней мертвой точке поршней 1 и 4 цилиндров, и датчика угловых импульсов УИ, реагирующего на прохождение зубьев венца маховика и снабжающего контроллер информацией о частоте вращения и угле поворота коленчатого вала двигателя, полупроводникового датчика температуры охлаждающей жидкости t порогового типа, информирующего о достижении температуры заданного уровня, датчика разряжения во впускном коллекторе Р тензометрического типа, информирующего о нагрузке двигателя. Для управления экономайзером принудительного холостого хода (ЭПХХ) сиг- Рис. 6.11. Структурная схема микропроцессорной системы зажигания с контролером МС-2713 нал поступает с концевого выключателя КВ от дроссельной заслонки. Сигналы с датчиков НО и УИ преобразуются преобразователем сигналов в прямоугольные импульсы с логическими уровнями интегральных микросхем, сигнал с датчика разряжения, величина которого по напряжению пропорциональна разряжению, также преобразуется во временные импульсы. Система работает следующим образом: в постоянно запоминающем устройстве ПЗУ контроллера записана информация об оптимальном угле опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя. Информация записана в двух вариантах - характеристики для холодного (температура охлаждающей жидкости ниже 65°С) и прогретого двигателя. Нужная характеристика выбирается по сигналу с датчика температуры, поступающего на 10-й разряд адреса ПЗУ А10. Процессор Р, выполненный на микросхеме КМ1823ВУ1, формирует сигнал «старт АЦП», по которому устройство ввода-вывода (УВВ) запускает преобразователь «напряжение - время» и начинает изменение напряжения с датчика загрузки двигателя в цифровой код. По сигналу "Конец преобразования" устанавливается в сети адрес ПЗУ в разрядах А5-А9 с допуском к необходимой информации. Начало измерения загрузки двигателя и вычисления угла опережения зажигания синхронизировано с импульсом НО. Вычисление угла опережения зажигания реализуется процессором по жесткому алгоритму. Когда величина вычисленного угла совпадает с углом поворота коленчатого вала, по сигналу с процессора через УВВ включается блок ФИЗ (формирователь импульсов зажига- Рис. 6.12. Схема микропроцессорной системы зажигания ГАЗ-3302 с контролером МС-2713-01 и коммутатором 6420.3734: / - свечи зажигания; 2 - датчик начала отсчета; 3 - датчик угловых импульсов; 4,5- катушки зажигания; 6 - датчик температуры; 7 - коммутатор; В - контроллер; 9 - штекерная колодка; 10- комбинация приборов; 11 - электромагнитный клапан экономайзера принудительного холостого хода; 12 - реле разгрузки выключателя зажигания; 13- выключатель зажигания; 14 - микровыключатель чия) на микросхеме КМ1823АГ1, вырабатывающий импульсы зажигания постоянной скважности, подаваемые через ключ СЗ на выход блока управления. Каналы управления многоканального коммутатора выбираются по сигналу ИЗ. через ключ выбора канала ВК. На рис. 6.12 представлена схема соединении микропроцессорной системы автомобиля ГАЗ-3302 "Газель" 6.5. Элементы систем зажигания 6.5.1. Катушка зажигания В настоящее время применяются два вида катушек - с разомкнутым и замкнутым магнитопроводом. Они могут выполняться по трансформаторной и автотрансформаторной схемам соединения обмоток. В автотрансформаторной схеме уменьшается число выводов, и в создании высокого напряжения участвует и первичная катушка, включенная последовательно со вторичной. Трансформаторная связь обычно применяется в катушках электронных систем зажигания во избежанив опасных воздействий всплесков напряжения при разряде на электронные элементы. На рис. 6.13, а представлена катушка с разомкнутым магнитопроводом. Сердечник катушки набран из листов электротехнической стали. Вторичная обмотка, намотанная на изоляционную втулку, располагается на сердечнике. Число витков этой обмотки лежит в пределах 16-40 тыс., диаметр провода 0,06-0,09 мм. Поверх вторичной обмотки через изоляционную прокладку располагается первичная обмотка. Такое расположение способствует лучшему ее охлаждению. Обмотка имеет 260 - 330 витков провода диаметром 0,5-0,9 мм. Начало вторичной обмотки соединено с пружиной и латунной вставкой для соединения с высоковольтным проводом. На низковольтные выводы подводятся совместное соединение вторичной и первичной обмоток и вывод первичной обмотки. Обмотки с сердечником помещены в кожух, от которого сердечник изолирован керамическим изолятором. Рядом с кожухом располагается витой наружный магнитопровод, увеличивающий индуктивность катушки. Между кожухом катушки и крышкой, выполненной из высоковольтной пластмассы, проложена герметизирующая прокладка. Соединение крышки с кожухом выполнено завальцовкой, что делает конструкцию неразборной. Внутренняя полость катушки заполнена трансформаторным маслом. У катушек систем с регулируемым временем накопления энергии, имеющих низкое сопротивление первичной обмотки {0,4 - 0,5 Ом), позволяющее ускорить процесс нарастания первичного тока, в случае отказа ограничителя тока в контроллере чрезмерный перегрев катушки может вызвать взрыв. Для его предотвращения некоторые катушки снабжены предохранительным клапаном, срабатывающим при повышении давления внутри катушки. После срабатывания клапана катушка восстановлению не подлежит. Катушки с замкнутым магнитопроводом (рис. 6.13, б) получают в последнее время все большее распространение. Наличие замкнутого магнитопровода позволяет накопить необходимую для воспламенения рабочей смеси энергию в Рис. 6.13. Конструкция катушек зажигания: а - Маслонаполненной, с разомкнутым магнитопроводом; 6 - сухой, с замкнутым магнитопроводом; 1 - крышка; 2 - корпус: 3 - магнитопровод; 4 - вторичная обмотка; 5 - первичная обмотка; 6 - керамический изолятор; 7 - наборный сердечник: В - низковольтный вывод; 9 - высоковольтный вывод: 1C - масло значительно меньшем объеме катушки, снизить расход обмоточной меди, трудоемкость изготовления. Малые размеры специальных катушек позволяют размещать их прямо на свечах зажигания. Магнитопровод катушки набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Его только условно можно назвать замкнутым, так как в нем имеется воздушный зазор 0,3-0,5 мм, препятствующий насыщению магни-топровода, сдерживающего изменения магнитного потока магнитопровода и, следовательно, вредно влияющего на образование вторичного напряжения. Вторичная обмотка намотана на секционный пластмассовый каркас. Такая конструкция обмотки уменьшает ее емкость и снижает вероятность межвитко-вого пробоя. Обмотки катушки помещаются в пластмассовый корпус и заливаются эпоксидным компаундом. Полученная монолитная конструкция собирается вместе с магнитопроводом. В четырехвыводных катушках, имеющих первичную обмотку, разделенную на две части, работающие попеременно, что обеспечивает возможность в системах с низковольтным распределением энергии обслужить одной катушкой сразу четыре цилиндра, в катушку вставляются высоковольтные разделительные диоды. Технические данные некоторых катушек зажигания приведены в табл. 6.1. Катушки Первичная обмотка Вторичная обмотка Коэффициент трансфор мации, Добавочный резистор Сопротивление, Ом Индуктивность, мГн Сопротивление, кОм Емкость, * - экранированное исполнение. 6.5.2. Распределители зажигания Распределители зажигания управляют моментом искрообразования и распределением искры по цилиндрам. В зависимости от того, выполнен ли механизм искрообразования контактным или бесконтактным, распределители делятся на прерыватели-распределители и датчики-распределители. На рис. 6.14, а изображен прерыватель-распределитель, а на рис. 6.14, б - датчик-распределитель. Прерыватели-распределители имеют устоявшуюся конструкцию и отличаются, в основном, элементами подсоединения к двигателю и числом выводов, зависящим от числа цилиндров двигателя. Они объединяют в один узел контактный прерыватель тока в первичной цепи катушки зажигания, центробежный и вакуумный регуляторы угла опережения зажигания и высоковольтный распределитель. Кулачок прерывательного механизма имеет число выступов по числу цилиндров двигателя. Конструкция прерывательного механизма, а также центробежного и вакуумного автоматов была описана ранее. Высоковольтный распределитель содержит пластмассовый ротор с центральным электродом и боковые электроды, установленные в пластмассовой крышке. Ротор закреплен на валу, связанном с подвижной пластиной регулятора опережения зажигания. Импульсы высокого напряжения поступают на центральный электрод от катушки зажигания через подпружиненный угольный электрод и помехоподавительный резистор (1-6 кОм), закрепленный в углублении ротора. При вращении ротора импульсы высокого напряжения передаются от центрального электрода через зазор к боковым электродам, а от них через высоковольтные провода к свечам. Провода к боковым электродам подсоединяются в соответствии с порядком работы цилиндров. На корпусе распределителя закреплен конденсатор, включенный параллельно контактам прерывателя для уменьшения их искрения. У прерывателей-распределителей контактно-транзисторных систем зажигания зтот конденсатор отсутствует. Рис. 6.14. Распределитель зажигания 0.3705.01 (а) и датчик-распределитель 5301.3706 (б): 1 - приводной валик; 2 - вакуумный регулятор: 3 - центробежный регулятор; 4 - ротор распределителя («бегунок»); 5 - прерывательный механизм; 6 - конденсатор; 1 - бесконтактный датчик Датчики-распределители отличаются в основном тем, что у них контактный прерыватель замещен бесконтактным датчиком (микропереключателем). В бесконтактном датчике магнитоэлектрического типа число пар полюсов соответствует числу цилиндров двигателя, в датчике Холла этому числу соответствует число прорезей вращающегося магнитного экрана. Центробежный регулятор угла опережения зажигания в магнитоэлектрическом датчике поворачивает втулку с расположенным на ней ротором датчика, в датчике Холла поворачивается муфта с закрепленным на ней магнитным экраном (шторкой). Вакуумные автоматы поворачивают пластину крепления микропереключателя. Октан-корректор имеет шкалу со знаками <„<+» и «~» для увеличения и уменьшения угла опережения и риски, соответствующие изменению угла опережения зажигания.- . В последних конструкциях датчиков-распределителей, например, переднеприводных автомобилей ВАЗ, с целью повышения точности установки момента искрообразования привод распределителя осуществляется непосредственно от распределительного вала двигателя, при этом распределитель крепится на головку блока цилиндров двигателя. Крышка датчиков-распределителей бесконтактных систем зажигания обычно увеличена в диаметре по сравнению с распределителями контактной системы, что предотвращает вероятность высоковольтного пробоя между Распределитель Число обслуживаемых цилиндров Угоя опережения регуляторов, град центробежного , вакуумного 3,5-5,5/500 13-15/1500 4.5-6,5/0,027 7.5-9,5/0,033 9.5-11,5/1400 14.5-16,5/2500 3,75-5,75/0,019 9.5-11,5/1700 14.5-16,5/2500 3,75-5,75/0,019 3.25-5,25/1100 5,5-7,5/1300 8.25-10,25/2000 11-13/2800 3,25-5,25/0,02 4,5-6,5/1000 0-1,75/900 1.75-3,5/1200 4.75-6,5/1700 6.75-8,5/2300 8.5-10,5/2500 8.5-10,5/3000 0-2,5/0,013 3.5-6/0,015 9.5-12/0.02 9.5-12/0,027 1.5-3,5/500 3.5-5,5/800 5.5-7,5/1100 9.5-11.5/1500 11-13/2000 3.5-5.5/0,013 6.5-8,5/0,016
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я