Зажигание

Система зажигания предназначена для воспламенения топливо-воздушной смеси в точно установленный момент времени. В двигателях с искровым зажиганием это достигается за счет электрической искры, т.е. электроискрового разряда, создаваемого между электродами свечи зажигания. Надежное зажигание в широком диапазоне режимов работы двигателя является существенным фактором для эффективной работы каталитического нейтрализатора. Пропуски зажигания приводят к догоранию смеси в каталитическом нейтрализаторе, перегреву и выходу его из строя.

Зажигание рабочей смеси

Если состав рабочей смеси не соответствует стехиометрическому, для воспламенения каждой порции смеси электрической искрой требуется энергия, превышающая 0,2 МДж. Для зажигания богатой смеси необходима энергия свыше 0,3 МДж. Если достаточная энергия зажигания не может быть получена, то смесь не воспламенится, т. е. произойдет пропуск зажигания.

Воспламенение искрой небольшого облака мелкодисперсионной смеси может быть достаточным для инициирования всего процесса воспламенения.

После воспламенения этого небольшого объема смеси пламя распространяется по оставшемуся объему рабочей смеси в цилиндре, обеспечивая начало горения топлива. Способность к воспламенению топлива повышается за счет его эффективного распыления и хорошего доступа смеси к электродам свечи, а также за счет увеличения продолжительности искрового разряда и длины самой искры (увеличенный зазор между электродами свечи).

Свеча зажигания определяет длину искры; продолжительность искрового разряда зависит от типа и конструкции системы зажигания, а также от условий, при которых происходит зажигание.

Получение искры

Для возникновения искры напряжение между электродами свечи должно рез-

ко возрасти от нуля до напряжения, необходимого для образования дуги. После возникновения искрового разряда напряжение падает до уровня, необходимого для распространения искры; топливо-воздушная смесь может воспламениться в любой момент этой фазы. Затем искра исчезает и напряжение падает до нуля.

Хотя интенсивное завихрение рабочей смеси является желательным явлением с точки зрения ее сгорания, оно может погасить искру, приводя к неполному сгоранию смеси. Поэтому энергия, запасенная в катушке зажигания, должна быть достаточной для получения одного или нескольких последовательных искровых разрядов.

Получение высокого напряжения и накопление энергии

В батарейных системах зажигания используется катушка зажигания, работающая подобно автотрансформатору и аккумулирующая энергию зажигания. При замыкании контактов прерывателя ток поступает на первичную обмотку катушки. Энергия тока переходит затем в энергию магнитного поля до момента размыкания контактов прерывателя. Магнитное поле при этом исчезает, наводя во вторичной обмотке ток высокого напряжения, поступающий на одну из свечей зажигания. Уровень энергии в 60...120 МДж внутри катушки зажигания соответствует регистрируемым значениям напряжения в 25...30 кВ.

Резервы высокого напряжения и энергии зажигания должны быть достаточны для того, чтобы компенсировать все электрические потери. Неправильное обслуживание системы зажигания уменьшает эти резервы и ведет к нарушениям в процессах воспламенения и сгорания. При этом возрастают потери мощности в двигателе и увеличивается расход топлива. Кроме того, может произойти нарушение в работе или повреждение каталитического нейтрализатора, значительно затруднится пуск двигателя (особенно в холодном состоянии).

Системы зажигания, используемые на высокофорсированных двигателях, снабжаются емкостными аккумуляторами энергии (GDI). Эти системы накапливают энергию в электрическом поле конденсатора перед тем, как в специальном трансформаторе она будет преобразована в импульс высокого напряжения и поступит на свечу зажигания.

Момент зажигания и регулировка его установки

Между начальным моментом зажигания рабочей смеси и ее полным сгоранием проходит приблизительно 2 мс. Поэтому образование искры должно происходить несколько ранее, чем поршень достигнет ВМТ, что позволит получить оптимальное сгорание при всех условиях работы двигателя. Выбранный момент зажигания должен обеспечивать: максимальную мощность двигателя; малый расход топлива; отсутствие детонации; минимальную токсичность.

Так как невозможно одновременно удовлетворить всем этим требованиям, оптимальный момент зажигания определяется в соответствии с широкой гаммой факторов. Наиболее важные из них - частота вращения коленчатого вала двигателя, нагрузка, конструктивные особенности двигателя, качество ^топлива и условия работы в данный момент (запуск, холостой ход, величина открытия дросселя и т.п.). Механизм, обеспечивающий установку момента зажигания, должен быть чувствителен к ^изменениям частоты вращения коленчатого вала двигателя и степени разрежения во впускном коллекторе.

Эти две стратегии регулирования могут реализовываться как по отдельности, так и одновременно.

При полной нагрузке педаль газа нажимается до упора и дроссельная заслонка открывается полностью. Увеличение частоты вращения коленчатого вала сопровождается ростом угла опережения зажигания, что поддерживает процесс сгорания на уровне, необходимом для получения оптимальных характеристик. Обеднение рабочей смеси в режиме неполной нагрузки затрудняет процесс зажигания. Так как на воспламенение смеси в этом случае потребуется больше времени, то момент зажигания должен происходить раньше. При открытии дроссельной заслонки разрежение сначала возрастает, но при приближении дроссельной заслонки к положению полного открытия, начинает падать.

На диаграмме показаны кривые изменения давления в камере сгорания четырехтактного двигателя при правильной и неправильной установках моментов зажигания. Даже в случае первоначальной правильной установки момента зажигания при отсутствии должного контроля со временем она может сбиться. Если при этом произойдет смещение момента зажигания в сторону более позднего зажигания, то результатом явится повышенный расход топлива, в то время как чрезмерное опережение зажигания приведет к выходу из строя свечей зажигания, а в крайних случаях, и самого двигателя. Уровень токсичности отработавших газов при этом также возрастет.

Зажигание и токсичность

Из-за того, что процесс сгорания непосредственно влияет на токсичность, можно сказать, что установка момента зажигания также оказывает на нее значительное влияние. Так как потенциальными критериями для оптимизации являются различные (а иногда и взаимно противоречащие друг другу) факторы, такие как топливная экономичность, динамика автомобиля и т.д., добиться идеальной регулировки момента опережения зажигания для получения минимальной токсичности отработавших газов удается не всегда.

Катушка зажигания

Катушка зажигания выполняет функции устройства для накопления энергии и трансформатора. Катушка, на которую поступает напряжение постоянного тока от электросети автомобиля, обеспечивает выработку импульсов зажигания для свечей зажигания в виде необходимого высокого напряжения разрядного тока. Удельное сопротивление первичной обмотки и индуктивность определяют количество энергии, запасаемой в магнитном поле катушки зажигания. Вторичная обмотка катушки должна иметь такие характеристики, которые позволяют получить требуемые пиковое напряжение, силу тока и продолжительность самого разряда.

Контакты прерывателя, используемые в системе батарейного зажигания с катушкой (система CI), могут обеспечивать только прерывание тока силой приблизительно до 5 А. Системы зажигания TCI, ESA и DLI могут работать практически на токе любой силы. В системе CI используются дополнительные сопротивления (они служат в качестве шунта, отключаемого для увеличения тока во время холодного пуска двигателя). В системах электронного зажигания в их использовании нет необходимости, так как посредством электронной схемы момент срабатывания катушки зажигания можно определить на основе напряжения аккумуляторной батареи и частоты вращения коленчатого вала, что обеспечивает получение максимальной энергии зажигания.

Каждая катушка зажигания должна быстро заряжаться для последующей выдачи напряжения и энергии, что особенно важно при высоких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Важными приоритетами в этом случае являются малая индуктивность первичной обмотки и, в ряде случаев, повышенный прерываемый ток.

Конструкция и работа катушки зажигания Катушки зажигания с битумной или масляной изоляцией в металлическом корпусе все больше заменяются катушками ^с заполнителями на основе эпоксидной ^смолы. Эти катушки обеспечивают большую свободу в выборе геометрических размеров (могут иметь меньшие размеры), типов и числа электрических клемм, а также лучше сопротивляются вибрациям и имеют малую массу. Первичная обмотка катушки, являющаяся основным источником теплоты, располагается как можно ближе к сердечнику в целях получения лучшей теплопередачи и экономии меди.

Синтетические материалы, применяемые в катушке зажигания, обеспечивают получение хорошего сцепления между всеми высоковольтными компонентами и заливаемой эпоксидной смолой.

Равномерное распределение нагрузки между изолирующими элементами вместе с высоким диэлектрическим сопротивлением позволяет получить компактные размеры катушки с размещением изолирующих слоев фольги и бумаги между проволочными слоями. При этом собственная емкость обмотки также уменьшается.

Катушки зажигания на одну и две свечи применяются как альтернатива общепринятым системам с распределителем зажигания; эти катушки используются в системах без распределителя зажигания.

Когда катушка работает на одну свечу зажигания, изменяющийся ток в первичной обмотке позволяет получить импульс зажигания на отдельной свече в точно установленный момент времени. Дополнительные разрядники или высоковольтные диоды применяются для предотвращения положительных высоковольтных импульсов тока (1...2 кВ), которые могут привести к преждевременному искровому разряду.

На катушке, обслуживающей две свечи зажигания, вторичная обмотка электрически изолирована от первичной обмотки. Каждый из двух выводов высокого напряжения соединен со свечой зажигания для выработки электродуговых разрядов на обеих свечах при отсечке тока в первичной обмотке. Как в случае обычного распределения высокого напряжения по отдельным свечам зажигания, данная система обычно не требует применения специальных мер для предотвращения появления разряда во время выключения зажигания.

Подсоединение и установка таких катушек зажигания облегчается за счет комбинации нескольких катушек и размещения их в одном общем корпусе. Однако и при этом отдельные катушки продолжают работать как независимые приборы. Сочетание катушек зажигания и задающих каскадов дает возможность использовать укороченные проводники, ведущие к первичной обмотке (т.е. обеспечивается небольшое падение напряжения).

Свеча зажигания

Функции

Свеча зажигания служит для передачи тока высокого напряжения, выработанного в катушке зажигания, к электродам в камере сгорания, где этот ток производит искровой разряд для зажигания рабочей смеси. Свеча зажигания, таким образом, играет важную роль в обеспечении надежной и оптимальной работы двигателя.

Конструктивные требования Свеча зажигания должна удовлетворять большому количеству разнообразных требований. Она подвергается циклическим воздействиям внутри камеры сгорания, а также внешним климатическим факторам.

Одним из основных требований является обеспечение работоспособности свечи при напряжении зажигания свыше 30 кВ и использование изоляции, не разрушаемой при температурах до 1000°С.

Так как свеча зажигания подвергается воздействию нагрузок в форме периодических пиковых давлений (вплоть Д" 30 бар) внутри камеры сгорания, материалы, из которых изготовлена свеча, должны обладать сверхбольшим сопротивлением тепловым нагрузкам и непрерывно действующим вибрациям. Между тем, та часть свечи зажигания, что входит в камеру сгорания, подвергается воздействию высокотемпературных химических процессов, поэтому свеча должна обладать и свойством сопротивления агрессивным, продуктам, сгорания (сопротивление высокотемпературной коррозии). Другим важным моментом для обеспечения надежной работы свечи зажигания является эффективный теплоотвод. Так как свеча подвергается быстрым изменениям температурных режимов (между горячими продуктами сгорания и холодной рабочей смесью), керамический изолятор должен обладать высоким сопротивлением тепловым нагрузкам (тепловому удару).

Конструкция свечи зажигания электропроводящий элемент из литого стекла образует соединение  между центральным электродом и контактной головкой в изоляторе, который выполнен из специального высококачествен-1юго керамического материала. Стеклянный элемент одновременно играет роль уплотнения от прорыва газов, находящихся под высоким давлением. Свеча также имеет резистор для подавления помех.

Конец изолятора полируется для защиты от загрязнений. Соединение между ним и стальным корпусом с никелевым покрытием выполнено газонепроницаемым. Боковой электрод, аналогично центральному электроду, производится, в основном, из никелевых сплавов, что позволяет ему сопротивляться высоким тепловым нагрузкам. Этот электрод приваривается к корпусу свечи. Характеристики теплопроводимости центрального и бокового электродов могут быть улучшены путем использования композитного материала (оборочка - никелевый сплав, сердцевина - медь). В особых случаях для изготовления электродов применяются серебро и платина или платиновые сплавы. Свечи зажигания имеют на своей контактной головке резьбу М4 или стандартную резьбу SAE в зависимости от типа высоковольтного соединения. Свечи зажигания с металлическими экранами используются для водонепроницаемых систем и для максимального подавления помех.

Калильное число

Калильное число свечи зажигания -это показатель ее способности противостоять тепловым нагрузкам. Численное значение этого показателя определяется на основе сравнительных измерений данной и эталонной свечей. Выбор правильного калильного числа для конкретного двигателя зависит от количества теплоты, получаемой и отводимой при сгорании. Величина температуры свечи зажигания в современных двигателях не является существенным критерием. Таким критерием можно назвать вероятность зажигания, определяемую измерениями ионного тока.

Для определения оптимальных калильных чисел свечей, различающихся моментами зажигания в процессе сгорания, разработана процедура измерения ионного тока. Соответствующее калильное число определяется разностью между моментом зажигания и моментом преждевременного воспламенения (калильного зажигания). Двигатель при этом работает точно в таких условиях, когда преждевременное воспламенение наиболее вероятно. Нарушение процесса сгорания особенно часто имеет место во время прогрева двигателя до рабочей температуры в условиях холодного окружающего воздуха или после повторного пуска. При таких условиях температуры на центральном электроде и наконечнике изолятора часто поднимаются выше 150°С, что увеличивает вероятность образования отложений из несгоревших углеводородов и масла на холодных частях свечи.

Для снижения вероятности появления перебоев в зажигании при холодных свечах, необходимо как можно быстрее обеспечить нагрев изолятора свечи зажигания до температур выше 400°С, когда происходит выгорание отложений на наконечнике изолятора (самоочищение). Рабочий диапазон свечи зажигания определяется в соответствии с приведенными температурными пределами:

свеча зажигания должна быть быстро нагрета до температуры самоочищения, т.е. выше 400°С;

должен поддерживаться достаточный резерв температур в тепловом ряде для предотвращения калильного зажигания, приводящего к повреждению свечи и двигателя;

должна поддерживаться максимальная температура порядка 850°С для увеличения ресурса свечи.

Для изготовления центрального электрода свечи применяются материалы, обладающие высокой теплопроводностью (серебряные или никелевые сплавы, сердцевина из меди), что дает возможность значительно удлинить наконечник изолятора свечи без изменения калильного числа свечи. Это, в свою очередь, расширяет рабочий диапазон температур в сторону снижения температуры и уменьшает вероятность нагарообразования.

Уменьшение вероятности перебоев в воспламенении (и связанное с этим значительное увеличение выбросов углеводородов) снижает токсичность отработавших газов и улучшает показатели топливной экономичности двигателя, работающего на режиме частичных нагрузок.

Зазор между электродами свечи зажигания и пробивное напряжение зажигания

Желательно иметь максимальные зазоры между электродами свечи, так как они позволяют искре зажигать относительно большие объемы топливно-воздушной смеси, что обеспечивает надежное сжигание этой смеси и хорошие мощностные характеристики двигателя. С другой стороны, этот зазор не должен быть слишком велик для обеспечения гарантии того, что пробивное напряжение будет достаточным для получения устойчивого электродугового разряда Даже в конце срока службы свечи зажигания и при неблагоприятных обстоятельствах. Часто бывает невозможно достичь устойчивой работы двигателя на холостом ходу и при слишком узком зазоре между электродами свечи. ⁽ На нормируемое пробивное напряжение зажигания влияет множество Факторов, таких как зазор между электродами свечи, форма свечи, рабочие температуры и используемый материал, а также факторы, относящиеся к конкретной камере сгорания (отношение воздуха к топливу в рабочей смеси, скорость газового потока, турбулентность и давление продуктов сгорания).

Высокие значения пробивного напряжения зажигания необходимы в следующих случаях: высокие степени сжатия и двигатели с наддувом; неоднородная рабочая смесь, особенно при переходе от разгона к режиму холостого хода и при бедных смесях; холодные электроды и рабочие смеси; большой зазор между электродами свечи (обгорание электродов).

На современных двигателях, характеризующихся высокими степенями сжатия и турбулентностью заряда, для обеспечения надежного зажигания и исключения пропусков воспламенения за весь период службы свечи следует особо соблюдать нормируемый зазор между электродами свечи.

Путь искры

Траектория перемещения искрового разряда определяется взаиморасположением электродов свечи зажигания.

Искровой промежуток Линейный искровой разряд, возникающий непосредственно между центральным и боковым электродами, обеспечивает зажигание рабочей смеси между этими электродами.

Полуповерхностный искровой промежуток

Искровой разряд формируется между центральным электродом и наконечником изолятора перед тем, как электрическая дуга пройдет через зазор, заполненный газом, и достигнет бокового (заземленного) электрода свечи.

Перевод части пути распространения искры на этот обходной путь позволяет увеличить искровой промежуток, который при данном напряжении может обеспечить возникновение искрового разряда.

Такие увеличенные искровые промежутки могут затем быть использованы для получения более оптимального зажигания.

 

Батарейная система зажигания

Многие автомобили все еще снабжаются обычной батарейной системой зажигания, в которой ток от аккумуляторной батареи (или генератора) идет через первичную обмотку катушки зажигания. В установленный момент контакты прерывателя размыкаются и разрывают цепь, что перекрывает магнитный поток и во вторичной обмотке наводится высокая ЭДС индукции. Напряжение от катушки зажигания направляется через провод высокого напряжения к распределителю зажигания, а от него к свечам зажигания. Ниже приведена зависимость между числом искровых разрядов в 1 минуту и частотой вращения коленчатого вала четырехтактного двигателя с искровым зажиганием:  f=z*n/2

где f - частота искровых разрядов; z -число цилиндров; n - частота вращения коленчатого вала двигателя.

При малых частотах вращения коленчатого вала продолжительность замкнутого состояния контактов прерывателя остается достаточно большой, что позволяет использовать всю энергию, запасенную в катушке. При более высоких частотах вращения период замкнутого состояния контактов становится

короче и, вследствие уменьшения запасенной энергии, на выход катушки зажигания подается ток меньшего напряжения.

Катушки зажигания созданы для выработки высокой ЭДС, достаточной для работы свечей зажигания даже на режимах максимальных частот вращения коленчатого вала двигателя. Загрязнения на изолирующих деталях приводят к увеличению нагрузки на систему зажигания и, в крайних случаях, к пропускам зажигания.

Распределитель зажигания

Распределитель зажигания выполняет следующие функции: распределяет в определенной последовательности импульсы зажигания по отдельным свечам двигателя (в батарейной CI, транзисторной TCI и электронной ESA системах зажигания); выдает импульсы зажигания при размыкании контактов прерывателя тока в цепи низкого напряжения или при срабатывании импульсного генератора в системах без прерывателя (CI, TCI, ESA в некоторых случаях): изменяет момент зажигания посредством механизма опережения зажигания, имеющегося ъ обычных системах зажигания (CI, TCI).

В современных электронных системах зажигания, работающих отдельно или в комбинации с системой впрыска топлива (Motronic), распределитель обычно содержит только ротор, соединенный с распределительным валом, и крышку распределителя с высоковольтными проводами.

Контакты прерывателя и механизм опережения зажигания выполняют различные функции, но сочетаются в одном узле. Центральная клемма с контактным угольком служит для подачи импульса высокого напряжения на вращающуюся пластину ротора, которая распределяет ток зажигания по неподвижным клеммам крышки распределителя. Отсюда ток высокого напряжения направляется по проводам высокого напряжения к отдельным свечам. Иногда на высоковольтную часть устройства устанавливается пылезащитная крышка.

Контакты прерывателя

Кулачок при своем вращении прерывает цепь низкого напряжения катушки зажигания (первичная цепь). Число выступов кулачка соответствует числу цилиндров двигателя. Угол поворота, при котором контакты кулачка остаются замкнутыми, носит название угла замкнутого состояния контактов (угол (3). С контактами прерывателя может происходить следующее:

 

 

 

обгорание контактов; износ рычажка (истирание); деформация и местное сжатие контактирующих металлических элементов.

Обгорание контактов имеет место при искрении. Для устранения искрения используется конденсатор. Хотя износ контактов и износ из-за переноса металла с одного контакта на другой взаимно компенсируют друг друга, это может привести к смещению момента зажигания в сторону запаздывания.

Механизмы регулирования опережения зажигания

Распределители зажигания обычно снабжаются двумя механизмами изменения угла опережения зажигания: центробежным и вакуумным регуляторами.

Центробежный регулятор

Центробежный механизм обеспечивает автоматическое регулирование момента зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Пластина, на которой закрепляются грузики, вращается вместе с валиком распределителя; при увеличении частоты вращения эти грузики расходятся и поворачивают пластину с кулачком по направлению его вращения на некоторый угол а, чем и обеспечивается более раннее размыкание контактов прерывателя, т.е. увеличивается опережение зажигания.

Вакуумный регулятор

Вакуумный регулятор обеспечивает изменение опережения зажигания в зависимости от разрежения во впускной системе и мощности двигателя.

Работа механизма опережения зажигания

Так как на малых нагрузках рабочая смесь сгорает несколько медленнее, то она должна зажигаться с большим опережением, чем при полной нагрузке. Между тем доля остаточных газов в камере сгорания возрастает, и рабочая смесь за счет этого обедняется. Разрежение в механизме опережения зажигания воспринимается непосредственно через отверстие, расположенное у кромки дроссельной заслонки. При уменьшении нагрузки на двигатель разрежение в вакуумном регуляторе увеличивается, что приводит к перемещению диафрагмы, при этом шток обеспечивает поворот подвижной пластины прерывателя навстречу вращению валика распределителя, что увеличивает опережение зажигания.

Работа механизма запаздывания зажигания

Этот механизм соединен с впускным коллектором (где имеется разрежение) за закрытым дросселем. Вакуумный механизм изменения момента зажигания в сторону запаздывания позволяет уменьшить содержание токсичных веществ в отработавших газах за счет уменьшения опережения зажигания при определенных условиях работы двигателя (например, на холостом ходу). Диафрагма и управляющий шток перемещаются под действием разрежения, при этом шток поворачивает подвижную пластину прерывателя вместе с контактами в направлении вращения валика распределителя. Механизм уменьшения опережения зажигания работает независимо от механизма опережения зажигания. Механизм опережения зажигания при наличии вакуума одновременно в обоих устройствах, имеет приоритет.

 

Транзисторная система зажигания (TI)

В обычной батарейной системе зажигания энергия зажигания и максимальное напряжение ограничиваются целым рядом факторов, ухудшающих процесс замыкания-размыкания контактов прерывателя. Требования, предъявляемые к таким системам, часто превышают те возможности, которыми обладает прерыватель в качестве токового выключателя. В электронных системах зажигания контакты играют вспомогательную роль или полностью устраняются и заменяются управляющими устройствами. Транзисторная система зажигания с катушкой зажигания применяется как в контактном, так и бесконтактном вариантах.

Бесконтактно-транзисторная система зажигания

В таких системах прерыватель заменяется магнитоэлектрическим импульсным генератором, создающим импульсы тока и напряжения бесконтактным способом, которые, в свою очередь, посредством электронных устройств вырабатывают импульсы высокого напряжения. Импульсный генератор размещается в распределителе зажигания.

Импульсные генераторы индукционного типа Такие генераторы переменного тока с постоянным возбуждением имеют статор и ротор. Число пар полюсов ротора соответствует числу цилиндров двигателя. Частота и амплитуда переменного тока, создаваемого в генераторе, изменяются в соответствии с изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Электронный блок управления (ECU) обрабатывает информацию о напряжении переменного тока и использует ее для управления зажиганием.

Импульсные генераторы Холла Принцип действия этого генератора основан на эффекте Холла. Чувствительное к изменению скорости вращения магнитное поле создает в электрозаряженном полупроводниковом слое импульсы напряжения, которые подаются в ECU.

Бесконтактно-транзисторная система зажигания:

1 - аккумуляторная батарея; 2 - выключатель зажигания; 3 - катушка зажигания; 4 - электронный блок; 5 - распределитель зажигания с центробежным и вакуумным механизмами регулирования опережения зажигания; 6а - импульсный генератор индукционного типа; 6Ь - импульсный генератор, основанный на эффекте Холла (альтернативный вариант); 7 - свечи зажигания

Импульсные генераторы обладают существенным преимуществом над механическими прерывателями, т. к. они не подвержены износу и, таким образом, не требуют обслуживания. Они также обеспечивают точное управление моментом зажигания.

Электронные блоки управления

Фактически все современные блоки управления имеют в первичной цепи регуляторы тока, а также замкнутый контур изменения момента зажигания по углу поворота коленчатого в.ала двигателя.

Регулятор_тока в первичной цепи служит для ограничения тока в целях защиты катушки зажигания. Если катушка зажигания имеет малое сопротивление первичной обмотки, то регулятор обеспечивает получение большого пускового тока даже при низком напряжении аккумуляторной батареи.

Цепь изменения момента зажигания по углу поворота коленчатого вала уменьшает до минимума время работы цепи регулирования тока. Это позволяет снизить потери тока в ECU, а также компенсировать изменения напряжения аккумуляторной батареи и температуры катушки зажигания. Эта цепь осуществляет регулирование момента зажигания вплоть до достижения средних частот вращения коленчатого вала двигателя. При высоких частотах вращения угол опережения зажигания определяется

временем разомкнутого состояния контактов, необходимым для получения искрового разряда. Остаточная энергия остается в катушке зажигания после размыкания контактов. Эта энергия обеспечивает оптимальный заряд катушки в условиях уменьшенного времени замкнутого состояния контактов.

Без искровой коммутатор тока в замкнутой цепи отключает ток в первичной цепи при включенном зажигании и выключенном двигателе с целью исключения подачи искры свечой зажигания. Также имеются системы TC-I (с импульсным генератором индукционного типа), характеризующиеся возможностью отключения тока в замкнутой цепи.

Транзисторное зажигание иногда используется вместе с вспомогательными устройствами для регулирования опережения зажигания, например, устройством управления работой двигателя на холостом ходу, которое устанавливается между генератором Холла и ECU. При малой частоте вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу это устройство обеспечивает при дальнейшем снижении частоты вращения установку большего опережения зажигания, что позволяет увеличить крутящий момент и предотвращает снижение частоты вращения. Электронный блок уменьшения опережения зажигания срабатывает при высоких частотах вращения коленчатого вала двигателя для предотвращения детонации. Этот блок подсоединяется параллельно ECU. В настоящее время обе этих функции интегрированы в электронные системы регулирования момента зажигания.

Гибридные устройства сделали блок ECU стандартным в транзисторных системах зажигания из-за возможности размещения в небольшом объеме многих электронных элементов, малой массы и очень высокой надежности. Такие гибридные устройства заменяют печатные платы (применяется подложка из AI₂0₃). Полупроводниковые элементы и конденсаторы в форме чипов составляют электронную схему.

 

 

 

 

 

Системы пуска двигателей

Большинство систем пуска двигателей внутреннего сгорания содержат электродвигатель постоянного тока (двигатель стартера) с питанием от аккумуляторной батареи автомобиля, механизм включения, устройство управления и соответствующую электропроводку. Так как частота вращения коленчатого вала двигателя, необходимая для его пуска (для бензиновых двигателей около 60-100 мин-¹, для дизельных двигателей около 80-200 мин-¹', намного ниже, чем частота вращения двигателя стартера, привод от стартера к двигателю осуществляется посредством пары шестерен (шестерня на валу стартера и зубчатый венец маховика двигателя) с передаточным отношением от 10:1 до 20:1.

Влияющие переменные

Величина крутящего момента на коленчатом валу двигателя и минимальная частота его вращения, необходимые для пуска двигателя, зависят от типа двигателя, его рабочего объема, числа цилиндров, степени сжатия, потерь на трение, дополнительных нагрузок, создаваемых при работе двигателя, системы управления подачей топлива,сорта используемого масла и температуры двигателя.

Потребные значения крутящего момента и частоты вращения для пуска двигателя возрастают при снижении температуры, что ведет к необходимости повышения мощности стартера. Минимальная температура, при которой обеспечивается пуск двигателя, является основным фактором, определяющим потребную мощность при пуске.

Стартеры

Стартер состоит из электродвигателя, шестеренчатого привода, обгонной муфты (муфты свободного хода).

Шестерня на валу электродвигателя стартера сначала начинает взаимодействовать с зубчатым венцом маховика двигателя. После пуска двигателя частота вращения шестерни стартера становится выше частоты вращения вала электродвигателя стартера, что может привести к выходу стартера из строя из-за возникающего центробежного усилия. Для предотвращения этого нежелательного явления между шестерней стартера и его якорем устанавливается обгонная муфта, которая отключает стартер от двигателя, как только частота вращения коленчатого вала начинает превышать частоту вращения вала стартера.

Электродвигатель стартера

В большинстве случаев в стартере применяется электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, характеризуемый высокой частотой вращения без нагрузки, что поддерживает необходимую частоту вращения коленчатого вала двигателя во время его пуска. Прогресс, достигнутый в сфере технологии производства ферритов, позволяет использовать в стартерах электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, стойких к размагничиванию. Стартеры с якорями, вращающимися с более высокими скоростями, но развивающими меньший крутящий момент, имеют меньшие размер и массу. Для них становится возможным увеличение передаточного отношения между двигателем и якорем стартера. Диаметр зубчатого венца маховика не может быть увеличен и поэтому увеличение этого передаточного отношения осуществляется путем использования дополнительной передаточной ступени (стартеры с шестеренчатым редуктором).

Виды стартерных приводов

Стартеры с инерционным приводом Инерционный привод, применяемый, например, в газонокосилках, является самой простой формой шестеренчатого привода. Обгонная муфта перемещается на валу якоря на спиральных шлицах при вращении этого якоря. При включении стартера ненагруженный якорь начинает свободно вращаться. При этом шестерня стартера и обгонная муфта еще не вращаются из-за своей инерции и выталкиваются вперед по шлицам. Как только шестерня входит в зацепление с зубчатым венцом маховика, она удерживается от вращения и проталкивается вперед еще дальше до контакта со стопорным кольцом. В это время крутящий момент от якоря электродвигателя стартера передается на двигатель через обгонную муфту, шестерню стартера и зубчатый венец маховика.

Как только коленчатый вал начинает вращать шестерню стартера со скоростью, превышающей скорость вращения якоря стартера, обгонная муфта прерывает передачу усилия от двигателя на эту шестерню и препятствует ускорению вращения якоря. При этом обгонная муфта и шестерня стартера перемещаются по спиральным шлицам вала назад. Этот процесс разъединения шестерни стартера и зубчатого венца маховика усиливается посредством возвратной пружины, которая обеспечивает удержание шестерни в положение разъединения от двигателя при неработающем стартере.

Стартеры с приводом предварительного включения В стартерах такого типа зацепление шестерни стартера с зубчатым венцом маховика двигателя обеспечивает соленоид, имеющий контакты включения стартерного тока. При замыкании выключателя стартера ток поступает в обмотку Н (см. рис. внизу), течет по цепи с последовательно включенными в нее втягивающей обмоткой Е и электродвигателем стартера. Соленоид захватывает обгонную муфту и шестерню и перемещает их вперед посредством рычага включения и буферной пружины.

Если зубья шестерни оптимально входят во впадины между зубьями венца маховика, контактный мостик пускового реле замыкает контакты и на электродвигатель стартера начинает поступать полное напряжение. Если зубья шестерни не сразу входят во впадины между зубьями венца маховика, рычаг включения сжимает буферную пружину, контакты реле замыкаются и электродвигатель проворачивает шестерню до тех пор, пока ее зубья не войдут в зацепление с зубьями венца маховика и буферная пружина не сместит шестерню и обгонную муфту вперед.

При прекращении подачи тока к обмотке соленоида возвратная пружина перемещает сердечник соленоида и шестерню вместе с обгонной муфтой в их первоначальное положение.

 

Стартеры со скользящей шестерней При замыкании контактов выключателя стартера напряжение аккумуляторной батареи поступает в цепь удерживающей обмотки Н (см. рис.) соленоида и управляющего реле. Реле начинает работать, но удерживается в первом контактном положении (первая стадия) посредством разобщающего рычага и фиксатора. Напряжение аккумуляторной батареи прикладывается к втягивающей обмотке Е соленоида и шунтовой обмотке электродвигателя, которые соединены между собой параллельно и последовательно с якорем. Стартер начинает вращаться, но развивает только небольшой крутящий момент из-за высоких сопротивлений в обмотках, соединенных последовательно с обмоткой якоря. Соленоид одновременно с этим смещает шестерню стартера в направлении зубчатого венца маховика и вскоре после окончания зацепления освобождается заблокированное управляющее реле, которое сразу же перемещается во второе контактное положение (вторая стадия). Пусковой ток начинает проходить через сериесную обмотку и якорь. Переключающий контакт на соленоиде соединяет шунтовую обмотку параллельно якорю и сериесной обмотке.

 

Виды обгонных муфт

Обгонная муфта роликового типа Стартеры небольшого и среднего размеров обычно снабжаются обгонными муфтами, в которых ролики с помощью пружин отжимаются в клинообразные выемки между наружной обоймой муфты и ее внутренней обоймой (валом шестерни). Когда стартер начинает работать, крутящий момент усиливает эффект заклинивания роликов и это-момент передается от наружной обоймы на вал шестерни.

Когда крутящий момент меняет cboi знак на противоположный, ролики выходят из клинообразных выемок, и шестерня начинает вращаться свободно.

Многодисковая обгонная муфта Используется в стартерах грузовых автомобилей. Ведущий элемент с наружным! дисками соединен с якорем стартера, . вал и шестерня стартера принудительно соединены друг с другом. Внутренне диски размещены в направляющей внутренней муфты, которая может перемещаться в радиальном направлении п спиральным шлицам ведущего вала. I условиях отсутствия нагрузки диски ежи маются пружиной с небольшой силой, что позволяет передавать через муфту толь ко незначительный крутящий момент При увеличении нагрузки внутренняя муфта перемещается спиральными шлицами в направлении нажимной пружинь сжимая ее и обеспечивая одновременно этим более сильное сжатие дисков. Многодисковая обгонная муфта может пере давать повышенный крутящий момен при увеличении нагрузки стартера.

Обгонная муфта с храповым механизмом

Применяется в стартерах грузовых автомобилей. Муфта соединена с валом якоря, перемещаясь в осевом направлении (операция зацепления) за счет взаимодействия шлицев вала и втулки. Наружная поверхность втулки выполнена со спиральными шлицами и обеспечивает передачу крутящего момента к гайке полумуфты, которая затем передает этот момент к шестерне стартера через зубья пилообразной формы. После начала работы двигателя шестерня стартера завинчивает гайку полумуфты в обратном направлении через мелкопрофильные зубья и прерывает передачу усилий. Разъединяющее кольцо при этом также сдвигается назад и удерживается в разъединяющем положении сухарями. Центробежное усилие, создаваемое сухарями при малых скоростях вращения шестерни стартера, недостаточно для удержания обгонной муфты в положении разъединения, и пружина снова обеспечивает введение полумуфты в зацепление.

Многодисковая обгонная муфта:

1 - ведущий вал (соединен с шестерней стартера): 2 - нажимная пружина: 3 - ведущий элемент с наружными дисками; 4 - внутренняя муфта с внутренними дисками: 5 - спиральные шлицы; 6 - ведущий фланец (связан с якорем электродвигателя стартера)

 

Обгонная муфта с храповым механизмом:

1 - шестерня стартера; 2 - сухарь; 3 - радиальные зубья; 4 - разъединяющее кольцо; 5 - гайка полумуфты; 6 - пружина; 7 - спиральные шлицы; 8 — резиновый буфер; 9 - втулка; 10 - шлицы

 

 

Защита стартера

После продолжительной работы стартера, например, при пуске двигателя в условиях низких температур, он должен выключаться для охлаждения. В стартерах больших размеров используются термовыключатели (встраиваемые в угольные щетки электродвигателя). В стартерных системах с дистанционным управлением (на автобусах с задним расположением двигателя, электрогенераторах, используемых в аварийных ситуациях, дизельных двигателях тепловозов и т.п.) процесс пуска не может всегда контролироваться водителем автомобиля.

Ошибки при управлении такими операциями могут привести к повреждению стартера или зубчатого венца маховика двигателя.

Реле блокировки включения стартера Это реле блокирует случайное включение стартера при уже работающем двигателе и предотвращает слишком продолжительное действие стартера после запуска двигателя. В качестве индикатора пуска двигателя используется напряжение генератора, которое при этом возрастает. После выключения зажигания генератор больше не создает нужного напряжения; в этом случае таймер, встроенный в реле, блокирует любые попытки повторного включения стартера в течение нескольких секунд.

Реле повторного включения Это реле предотвращает выполнение операций по запуску двигателя, если шестерня все еще не вошла в зацепление с зубчатым венцом маховика, но стартер остается включенным. Реле прерывает поступление тока в обмотки.

Аккумуляторные стартерные батареи

Требования

и автомобильных системах электрооборудования аккумуляторные батареи иг-||рают роль химического источника запасенной электрической энергии, вырабатываемой генератором переменного тока. Аккумуляторная батарея должна быть способна давать ограниченный по продолжительности, но высокий по значению ток, предназначенный для запуска двигателя (особенно при низких температурах), и обеспечивать все другие важные компоненты системы электрической энергией в течение ограниченного времени работы двигателя на холостом ходу или при его выключении. Свинцовые аккумуляторные батареи представляют собой обычное средство для удовлетворения этих потребностей. Типичными напряжениями систем являются 12 В на легковых автомобилях и 24 В на грузовых автомобилях для перевозки универсальных тяжеловесных грузов, что достигается последовательным соединением двух двенадцати-вольтовых аккумуляторных батарей.

Аккумуляторные батареи специально разрабатывают в целях удовлетворения

отдельных требований по мощности пуска двигателя, емкости и величине тока при температурах от -30°С до +70°С. Существуют дополнительные требования для необслуживаемых аккумуляторных батарей, аккумуляторных батарей с защитой от вибраций.

Устройство аккумуляторной батареи

Автомобильные аккумуляторные батареи напряжением 12 В содержат шесть последовательно соединенных и отделенных перегородками гальванических элементов в полипропиленовом корпусе. Каждый гальванический элемент включает наборы положительных и отрицательных пластин. Эти наборы, в свою очередь, состоят из пластин (свинцовая решетка и активная масса) и микропористого материала (сепаратор), который изолирует пластины противоположных полярностей.

Электролит представляет собой раствор серной кислоты, который проникает в поры пластин и сепараторы, а также в пустоты гальванических элементов. Клеммы, соединительные элементы гальванических элементов и перемычки пластин выполнены из свинца: щели в перегородках межэлементных соединений тщательно уплотнены.

Для обеспечения герметичной связи цельной крышки с корпусом аккумуляторной батареи используется процесс горячей опрессовки.

На стандартных аккумуляторных батареях каждый элемент закрывается собственной пробкой с вентиляционным отверстием.

 

Автомобильная необслуживаемая аккумуляторная батарея:

1          - неразъемная крышка;

2       ~ крышка вывода;

3        - межэлементный соединитель;

4        - клемма;

5        - перегородка;

в ~ перемычка пластин;

7      ~ корпус;

8        - нижняя установочная

направляющая;

9        - положительные пластины,

помещенные внутрь сепараторов; W - отрицательные пластины

Конструкции аккумуляторных батарей

Аккумуляторные необслуживаемые батареи

Характеризуются решетками с наплавленным свинцом с низким содержанием сурьмы в целях уменьшения газогенерации и сопутствующей потери воды во время зарядки. Это позволяет продлить срок работы электролита и его проверки, которая производится каждые 25 месяцев или 40 тыс. км пробега для аккумуляторных необслуживаемых батарей (согласно стандартам DIN); аккумуляторные батареи с малым объемом технического обслуживания и ремонта проверяются каждые 15 месяцев или 25 тыс. км пробега.

У полностью необслуживаемых аккумуляторных батарей (свинцово-кальцие-вых) уровень электролита не контролируется. За исключением двух очень небольших вентиляционных отверстий этот тип батареи полностью герметизирован. Пока электрическая система нормально работает (U = const.), разложение воды минимально, и электролит сохраняет свой уровень выше активных пластин. Этот тип свинцово-кальциевых аккумуляторов имеет дополнительное преимущество за счет ограниченного саморазряда, делая его наиболее приспособленным для сохранения энергии до нескольких месяцев. Когда необслуживаемая аккумуляторная батарея повторно заряжается с помощью неавтомобильного зарядного устройства, то напряжение заряда никогда не должно превышать 2,3...2,4 В на гальванический элемент.

Аккумуляторные батареи глубокого

Нормальные аккумуляторные батареи реагируют на частые и крайне высокие разряды существенным износом положительных пластин (отделение и осаждение активного материала).

В аккумуляторных батареях глубокого разряда сепараторы имеют стек-ловолокнистые слои в целях обеспечения дополнительной защитой положительной массы от осыпания рабочего слоя. Продолжительность эксплуатации приблизительно в два раза превышает работу стандартной аккумуляторной батареи.

 

 

Виброустойчивые аккумуляторные батареи

В виброустойчивых аккумуляторных батареях крепления в виде литой смолы или пластика предупреждают разрушение пластин от вибрации. В соответствии с DIN этот тип аккумуляторов может выдерживать 20 ч нагрузки при синусоидальном колебании 22 Гц и максимальном ускорении 6 • g (требование, приблизительно в 10 раз превышающее уровень, который предусматривается для стандартных аккумуляторных батарей). Виброустойчивые аккумуляторные батареи маркируются буквами «Rf».

Аккумуляторные батареи повышенной надежности

Сочетают в себе характерные признаки виброустойчивых и батарей глубокого разряда.

Используются для грузовых автомобилей большой грузоподъемности, маркируются буквами «HD».

Аккумуляторная батарея типа «S» Аккумуляторные батареи типа Kt (или «S») заимствуют основную конструкцию батарей глубокого разряда, но имеют более толстые пластины меньшего количества. Для аккумуляторных батарей типа Kt конкретно не определяются нормы тока холодной разрядки, их пусковая мощность находится значительно ниже (35-40%) по сравнению с устройствами стандартных размеров. Используются в условиях экстремальных циклических изменений работы, например, в электроприводах (см. с. 545).

Рабочие состояния

Зарядка

Когда аккумуляторная батарея заряжается на автомобиле, то к ней прикладывается ограниченное по величине напряжение. Это соответствует схеме зарядки IU, при которой зарядный ток автоматически уменьшается в ответ на повышение напряжения аккумуляторной батареи.

Метод IU предотвращает вредное влияние перезарядки и обеспечивает более продолжительный срок службы аккумулятора.

Разрядка

Вскоре после начала процесса разряда напряжение аккумулятора уменьшается на небольшую величину; затем оно несколько стабилизируется и после этого постепенно уменьшается в соответствии с прикладываемой нагрузкой. Окончательное падение напряжения возникает только перед полной разрядкой, во время истощения одного или нескольких активных компонентов (положительной массы, отрицательной массы, электролита).

Саморазряд

Аккумуляторные батареи постоянно разряжаются даже при отсутствии нагрузки. При комнатной температуре современные аккумуляторные батареи с низким содержанием сурьмы теряют примерно 0,1...0,2% первоначального заряда в течение суток. По мере старения аккумуляторной батареи, эта величина возрастает до 1 % в сутки в результате перехода сурьмы к отрицательной пластине и различных загрязнений. Уровень саморазряда удваивается на каждые 10°С повышения температуры. У свинцово-кальциевых аккумуляторов он составляет одну пятую этой величины и остается постоянным в течение всего срока службы батареи.

Техническое обслуживание и ремонт аккумуляторной батареи Во время работы аккумуляторных батарей с малым объемом технического обслуживания уровень электролита должен проверяться в соответствии с требованиями инструкции завода-изготовителя; когда это необходимо по показаниям, он должен пополняться до отметки МАХ дистиллированной или деминерализованной водой.

Аккумуляторная батарея должна повторно перезаряжаться, когда плотность электролита становится ниже 1,20 г/мл или напряжение достигает менее 12,2 В. Клеммы, контактные зажимы и установочные крепления должны быть покрыты кислото-защитной консистентной смазкой.

Аккумуляторы, временно удаляемые из автомобиля на обслуживание, должны храниться в прохладном, сухом месте. Плотность электролита должна проверяться каждые 3-4 месяца.

Аккумуляторные необслуживаемые и батареи с малым объемом технического обслуживания и ремонта лучше всего заряжаются по методу IU при постоянном напряжении 14,4 В (продолжительность зарядки порядка 24 ч). Если используется метод зарядки постоянным током, то величина тока будет уменьшаться при выделении газов до 1/10 от номинального объема электролита. Зарядное устройство должно быть отключено примерно через 1 ч после этого и помещение проветрено.

Отказы аккумуляторных батарей

Повреждения или неисправности аккумуляторных батарей, которые в конечном счете приводят к отказам (короткое замыкание, сопровождающееся износом сепараторов или потерей активной массы, разрушение соединения между гальваническими элементами и пластинами), редко могут быть восстановлены ремонтом. Внутренние короткие замыкания проявляются в показаниях разности плотности электролита между гальваническими элементами (разность между max. и min. > 0,03 г/мл).

Если аккумуляторная батарея постоянно теряет зарядную емкость или перезаряжается (высокая потеря воды), то это может быть связано с неисправностью в системе электрооборудования автомобиля. Если аккумуляторная батарея остается сильно разряженной на сравнительно продолжительное время, то соединение PbS0₄ и его кристаллы в активной массе становятся крупнозернистыми, что затрудняет повторную зарядку аккумуляторной батареи,которая должна происходить при минимальном зарядном токе (составляющем 1/40 от тока при номинальной емкости) и приблизительно в течение 50 ч.

Предосторожности, связанные с безопасностью

Выполнение операций по обслуживанию Основной источник опасности таится в кислоте аккумуляторной батареи и в гремучем газе (смесь кислорода и водорода), который образуется во время зарядки.

Наклон, опрокидывание аккумуляторной батареи или неосторожность

во время проверки электролита могут привести к возгоранию в результате пролива серной кислоты. Дополнительная предосторожность должна соблюдаться во время зарядки и при подсоединении или разъединении навесных соединительных проводов сразу же после зарядки во избежание взрыва гремучего газа, связанного с внезапным коротким замыканием или разрывами в цепи. По причинам, перечисленным выше, помещения для зарядки аккумуляторных батарей должны быть хорошо проветриваемы, следует всегда иметь под руками средства для защиты глаз и специальные перчатки, когда выполняются какие-либо виды работ с аккумуляторной батареей.

Чтобы предупредить появление искры, когда подсоединяется или разъединяется аккумуляторная батарея, необходимо, чтобы все электрическое оборудование было отключено, а клеммы должны подсоединяться в правильной последовательности. Основные правила следующие: во время установки аккумуляторной батареи всегда подключайте первыми положительные соединительные провода и в последнюю очередь - отрицательный провод; при удалении аккумуляторной батареи сначала разъединяйте отрицательный провод и только затем положительный соединительный провод (предполагая, что отрицательный провод заземлен);

когда подсоединяется зарядное устройство или внешняя аккумуляторная батарея для усиления подсевшей батареи, которая находится на автомобиле, всегда начинайте подсоединение с положительной клеммы аккумуляторной батареи; затем подсоедините отрицательный провод от внешнего зарядного устройства или аккумуляторной батареи к незащищенной металлической поверхности автомобиля на расстоянии по крайней мере"0,5 м от аккумуляторной батареи;

всегда отсоединяйте провод от отрицательной клеммы перед началом проведения каких-либо работ вблизи батареи или в автомобильной системе электрооборудования.

Испытание стартерных аккумуляторных батарей

Технические условия и процедуры испытаний стандартных автомобильных стартерных аккумуляторных, батарей определяются в DIN 43 539.

Номинальная емкостыпредставдяет собой нормируемую емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах(А-ч) при конкретном токе разряда, зависящую от продолжительности разряда. Аккумуляторная батарея должна поддерживать выходной ток /2о (разрядный ток) в течение 20 ч при температуре 27"С без уменьшения конкретного разрядного напряжения ниже величины 10,5 В. Нормированный разрядный ток /2о соответствует номинальной емкости аккумуляторной батареи, которая обеспечивается во время определенного периода разряда: /2о = К₂₀/20 ч. Испытательный ток холодного разряда - высокоразрядный ток, назначаемый отдельно для каждой аккумуляторной батареи; он показывает индекс реагирования при низкотемпературном холодном запуске при определенных условиях нагрузки. Во время проверки холодного запуска принимается во внимание контрольный ток холодного разряда с момента работы аккумуляторной батареи при начальной ее температуре -18 ± 1°С и вплоть до периода отсечки напряжения (конечное напряжение разрядки) в 6 В.

Зарядные устройства аккумуляторов

Кривые зарядки

Наиболее общая схема зарядки определяется W-кривой, которая обычно предусматривается для нерегулируемых зарядных устройств, реагирующих на повышение напряжения в аккумуляторе посредством постоянного уменьшения зарядного тока (при продолжительности зарядки 12...24 ч).

Для заряда необслуживаемых аккумуляторных батарей должны использоваться зарядные агрегаты, которые ра-

ботают по схеме IU, IWU, или WU. Если используется кривая IU, то свинцово-кислотный аккумулятор (2,4 В на элемент) питается постоянным током зарядки (в целях защиты зарядного агрегата от перегрузки) до тех пор, пока не начинается газовыделение. Зарядное напряжение затем поддерживается постоянным, а зарядный ток резко уменьшается (обеспечивается защита аккумуляторной батареи от перезарядки). Продолжительность зарядки (до 80% от полной зарядки) в этом случае может составлять до 5 ч.

Установки зарядного тока и напряжения

В зарядных агрегатах с управляемой схемой зарядки (например, IU - кривая) непрерывно контролируются мгновенные величины зарядного тока и напряжения, а также температура окружающего воздуха, если это необходимо. Сравниваются контролируемые данные (действительные значения) и номинальные величины, специфичные для конкретной аккумуляторной батареи. Этот тип устройства позволяет компенсировать изменения напряжения сети, которое может привести к изменениям зарядного тока, с целью увеличения срока эксплуатации аккумуляторной батареи.

Зарядный ток

Во время нормальной зарядки (IL =I10 ) аккумуляторная батарея питается током, приблизительно соответствующим 10% от ее емкости. Для полной зарядки аккумулятора требуется несколько часов. Может использоваться форсированная подзарядка батареи аккумуляторов (/_L = 5 • /₅) в целях получения до 80% от полной зарядки. Как только достигается величина напряжения с газовыделением, зарядный ток должен быть отключен (например, кривая Wa) или уменьшен до более низкого уровня (например, WOWa). Эти функции по переключению тока выполняются регулируемым ограничителем заряда или устройством автоматического отключения.

Генераторы переменного тока

Генерирование тока

Генератор должен снабжать систему электрооборудования автомобиля достаточным током при всех рабочих условиях для поддержания заряженное™ источника накопления электрической энергии (например, аккумулятора) на адекватном уровне. Скоростной режим генератора и токоскоростная характеристика должны выбираться в целях обеспечения того, чтобы количество тока, вырабатываемого генератором, было достаточным для потребления всеми электрическими устройствами.

Генератор вырабатывает переменный электрический ток, в то время, как для зарядки аккумуляторной батареи и работы электрического оборудования требуется постоянный.

Поэтому основными требованиями являются:

подача постоянного тока для электрического оборудования системы; обеспечение дополнительных резервов по мощности для обеспечения заряда аккумуляторной батареи даже при постоянно включенной нагрузке от непрерывно эксплуатируемых электрических устройств;

поддержание постоянного напряжения генератора в полном диапазоне скорости вращения и нагрузки; прочность конструкции, небольшая масса, компактные размеры и продолжительный срок эксплуатации; минимальный шум; высокий к. п. д.

Конструктивные факторы

Частота вращения

Эффективность работы генератора (удельная мощность выражается как отношение генерируемой энергии к массе) увеличивается при увеличении частоты вращения, что предполагает использование максимально высокого передаточного отношения между генератором и коленчатым валом двигателя.

Но при этом должны приниматься во внимание и другие факторы: возрастающие центробежные силы при высоких частотах вращения генератора;

шум от генератора и вентилятора; влияние высокой частоты вращения на продолжительность эксплуатации подверженных износу компонентов (подшипники, коллекторные кольца, угольные щетки);

влияние инерционных сил, передаваемых генератором на коленчатый вал и сопутствующие напряжения в ременной передаче.

Типичные передаточные отношения находятся в пределах 1:2-1:3; отношения до 1:5 используются для грузовых автомобилей большой грузоподъемности универсального назначения.

Температура

Потери, которыми сопровождается преобразование энергии, приводят к высокому нагреву деталей. Эффективность работы вентилятора повышается пропорционально рабочей скорости вращения, а величина тока, начиная с определенной скорости вращения, меняется мало. Поэтому температура нагрева деталей имеет максимум около 4000 мин-¹. Высокий нагрев генератора также является результатом излучения тепла от компонентов двигателя и вспомогательных устройств (таких как системы выпуска отработавших газов, турбонагнетатели). Нагрев является наибольшим, когда двигатель работает с высокой частотой вращения коленчатого вала и при высоких нагрузках. Подача охлаждающего воздуха обычно осуществляется из отсека двигателя. Все более широкое распространение получает капсулирование отсека двигателя как мера уменьшения шума с применением отдельного способа подачи свежего воздуха для генератора.

Внешние влияния

В зависимости от схемы установки и характеристики колебаний двигателя на генератор действуют ускорения порядка 500 - 800 м/с². Такое ускорение подвергает средства установки и компоненты генератора воздействию предельных сил, вынуждая принимать различные контрмеры. Крайне необходимо избегать резонансов.

Другим видом вредного воздействия является коррозия.

Характеристики и работа

Автомобильные генераторы переменного тока предназначены для подачи напряжения для зарядки в пределах 14 В (28 В для грузовых автомобилей большой грузоподъемности универсального назначения), чтобы обеспечить поддержание соответствующего заряда 12 В (или 24 В) аккумуляторных батарей.

Так как для зарядки аккумуляторной батареи требуется постоянный ток, то для преобразования трехфазного переменного тока синхронного генератора в постоянный ток требуется установка выпрямителя, который также предупреждает разрядку аккумуляторной батареи, когда двигатель выключен.

Генерирование электрического тока начинается с частоты вращения холостого хода, так называемая «0-ампер-ной частоты вращения». При высоких частотах вращения поле обратной намагниченности, генерируемое током нагрузки, предотвращает дальнейший рост тока, чем обеспечивается защита синхронного генератора от чрезмерного теплового напряжения.

Генераторы представляют собой синхронные устройства с самовозбуждением с 12 или 16 полюсами. Обмотка переменного тока укладывается в пазах статора, в то время как обмотка возбуждения помещается на ротор. Постоянный ток возбуждения, необходимый для питания обмотки возбуждения, подводится к вращающемуся ротору через контактные кольца и неподвижные контакты (угольные щетки). Ток, получаемый в обмотке переменного тока, передается по двум направлениям. Большая его часть протекает через положительные диоды основной мостовой выпрямительной схемы и в автомобильную систему электрооборудования, откуда он возвращается через отрицательные диоды. Меньшая часть используется как ток возбуждения, протекающий через три диода выпрямителя обмотки возбуждения к клемме D+ (см. рис.) и через регулятор напряжения и контактные кольца к вращающейся обмотке возбуждения. Оттуда он возвращается посредством трех отрицательных диодов основного выпрямителя.

Клемма D+ предназначена для нескольких функций: она соединяется с клеммой аккумуляторной батареи В+ и сигнальной лампой заряда в целях обеспечения предварительного возбуждения синхронного генератора. Как только оно произошло, уровень напряжения на клемме D+ становится подобным напряжению на клемме В+.

Во время пуска двигателя сигнальная лампа заряда должна получать конкретное минимальное питание, необходимое для предварительного возбуждения генератора (для улучшения возбуждения требуется резистор). Ток предварительного возбуждения определяет частоту вращения, при которой происходит первоначальное возбуждение, когда двигатель начинает работать. Эта частота значительно выше «0-амперной». Ее величина зависит от силы тока предварительного возбуждения. Резистор (приблизительно 68 Ом) может устанавливаться между лампой и заземлением (как можно ближе к лампе) в целях индикации обрыва в цепи возбуждения во время работы. Индикаторная лампа заряда должна загораться, когда включается зажигание, до начала пуска (функция контроля) и погаснуть во время начала работы двигателя.

Нагрузки на клемме D+ должны ограничиваться током регулятора напряжения, сигнальной лампой и дополнительной величиной тока в 0,2 А.

Конструктивные особенности

Клювообразно-полюсный синхронный

генератор Генератор переменного тока в автомобилях полностью заменил ранее использовавшийся генератор постоянного тока. При равной выходной мощности генератор переменного тока имеет меньшую на 50% массу, а также его значительно дешевле в изготовлении. Данная конструкция получила широкое распространение только тогда, когда стали доступными компактные, мощные, недорогие и надежные кремниевые диоды.

Поток рассеяния между клювообраз-ными полюсами ограничивает их длину и выходную мощность, которая может быть достигнута для любого заданного диаметра этого типа конструктивной

схемы. Классическая конструкция автомобильного генератора характеризуется внешним вентилятором, обеспечивающим однопоточную осевую вентиляцию.

Генераторы компактной конструкции Представляют собой новый вариант концепции генераторов с клювообраз-ным ротором,основанной на двухпоточ-ной вентиляции с двумя небольшими внутренними вентиляционными элементами. Охлаждающий поток направляется из окружающего воздуха вдоль оси и выходит из генератора радиально вблизи лобовых частей статорных обмоток через щели в подшипниковых щитках со стороны привода и со стороны контактных колец.

Основные преимущества генератора компактной конструкции: более высокие максимальные рабочие частоты вращения;

меньшие диаметры вентиляторов для уменьшения аэродинамического шума; уменьшение магнитного шума; большой срок службы щеток.

Генератор с явно выраженными полюсами

Требуются в тех специальных случаях применения, которые характеризуются предельными потребностями мощности (например, в туристических автобусах). Ротор оснащен отдельными магнитными полюсами, каждый из которых имеет свою собственную обмотку возбуждения.

 

Эта схема позволяет существенно увеличить длину статора относительно его диаметра no-сравнению с возможностями клювообразных конструкций генератора.

Тем не менее, токи возбуждения, требуемые для генератора с явно выраженными полюсами, являются значительно более высокими, чем токи для клювообразных устройств. В этой связи электронный регулятор напряжения должен устанавливаться отдельно от генератора в изолированном корпусе.

Генераторы с безобмоточным ротором Являются вариацией специальной конструкции клювообразно-полюсно-го устройства, в котором вращаются только клювообразные полюсы, тогда как обмотка возбуждения остается неподвижной. Одна из полюсных половин удерживается напротив другой полюсной половины посредством немагнитного кольца. Магнитный поток, кроме нормального рабочего зазора, должен пересекать два дополнительных воздушных зазора. С помощью этой конструкции выпрямитель подает ток в обмотку возбуждения непосредственно через регулятор напряжения, поэтому контактные кольца и скользящие контакты не нужны. Масса такого устройства несколько больше, чем у клювообразно-полюсных генераторов той же мощности.

Вентиляционные ограничения

Вентиляция

Вентиляция осуществляется внешним или внутренними радиальными вентиляторами. Размеры вентиляционных установок должны быть достаточными для обеспечения требуемых температур деталей.

На генераторах для грузовых автомобилей с тяжелым режимом эксплуатации комплект контактного кольца и угольной щетки обычно герметизируется. Компактные генераторы с ребрами охлаждения используются для определенных условий эксплуатации, в то время как экранированные генераторы с охлаждающей жидкостью (например, маслом) применяются только в критических случаях.

Установка

Приводимые от двигателя генераторы, имеющие стандартные ремни V-образ-ного сечения, устанавливаются на кронштейнах, которые обеспечивают натяжение ремня. При использовании клиновидных ремней, усиленных ребрами жесткости, генератор обычно устанавливается в фиксированное положение, а натяжение ремня поддерживается отдельным механизмом.

Силы, действующие на ремень, определяются в соответствии с геометрическими размерами приводной схемы и в зависимости от мощности всех других устройств, приводимых в действие ремнем. Еще один фактор - эффективный радиус шкива; радиусы больших размеров могут создавать существенно больший эффект рычага между рабочей поверхностью шкива и подшипниками со стороны привода. Напряжения, возникающие в результате этих статических факторов, дополняются динамическими силами, связанными с крутящим моментом и изменениями частоты вращения. Эти факторы должны рассматриваться во время определения размеров шариковых подшипников и проверки работы генератора.

Схема привода

Хотя стандартные ремни V-образного сечения обычно используются для привода генератора с передаточным отношением до 1:2,5, часто применяются и ремни V-образного сечения, снабженные ребрами жесткости. Поскольку эта конструкция допускает уменьшенные радиусы изгибов, то могут использоваться шкивы генераторов меньшего диаметра и более высокие передаточные отношения. Крайне необходимо, чтобы имелось Демпфирование крутильных колебаний, когда для приведения в работу генератора используется жесткий механический привод (без промежуточного ремня, например, от коленчатого вала или с помощью зубчатой передачи).

Коэффициент полезного действия

Потери являются неизбежными для всех процессов, при которых механическая энергия преобразуется в электрическую. Показатель эффективности или к.п.д. представляет собой отношение мощности, которая подается на какое-либо устройство, к мощности на выходе. Тремя основными источниками уменьшения энергии электрического тока являются потери в стали, в меди и механические потери. Потери в стали - результат явления гистерезиса и вихревых токов, наводимых переменными магнитными полями в железе статора и ротора Потери в меди возникают из-за сопротивления в обмотках статора и ротора Их величина пропорциональна мощности на единицу массы, т. е. отношению генерируемой электрической энергии к массе эффективных компонентов. Механические потери включают трение, возникающее в роликовых подшипниках и контактных кольцах, аэродинамическое трение в вентиляторе. Прежде всего, имеются потери мощности, необходимой для приведения в действие самого вентилятора, которые увеличиваются с повышением частоты вращения.

К.п.д. при средней частоте вращения коленчатого вала двигателя приблизительно составляет 50%.

 

Шум

Чем более малошумными становятся современные транспортные средства, тем более шум генераторов выделяется на общем фоне. Шум, создаваемый генератором, включает магнитную и аэродинамическую составляющие.

Магнитно-наводимый высокотоновый звук является слышимым, главным образом, при низкой скорости вращения (< 4000 мин-¹). Против него можно принять меры путем оптимизации магнитного поля и характеристик колебания и излучения.

Аэродинамический шум возникает во время работы на высоких скоростях. На него можно повлиять посредством оптимизации конструкции вентиляторов (например, асимметричного типа) и применения воздухоотвода.

 

Регулирование напряжения

Регулятор напряжения служит для поддержания верхней границы напряжения генератора при широких изменениях частоты вращения и нагрузки генератора. Уровень, до которого ограничивается напряжение генератора, обычно зависит от рабочей температуры. Напряжение несколько выше в зимний период с учетом того, что зарядка аккумуляторной батареи более затруднена. В летний период регулятор напряжения поддерживает величину напряжения системы на сравнительно более низком уровне в целях предупреждения перезарядки аккумуляторной батареи. В некоторых случаях ис-

пользуются стабилизаторы постоянного напряжения. Также возможно уменьшение напряжения в электрической схеме ниже напряжения, поддерживаемого регулятором в том случае, когда имеется существенное потребление тока при низкой скорости вращения генератора.

Регуляторы напряжения прежде разрабатывались на основе использования дискретных компонентов, однако в настоящее время все большее распространение приобретают методы включения гибридных и монолитных конструкций. Современные транзисторные регуляторы характеризуются гибридной технологией изготовления, в которой сочетаются все функции контроля и регулирования в пределах единственного герметично-непроницаемого корпуса. Корпус содержит керамическое основание с дискретными резисторами, конденсаторами и объединенными интегральными схемами (ИС), которые включают все функции управления. Транзистор большой мощности и гасящий диод припаяны непосредственно к металлическому гнезду в целях обеспечения достаточно хорошего рассеяния тепла.

При использовании монолитной технологии изготовления контрольная и регулирующая ИС, транзистор большой мощности и гасящий диод располагаются в одном блоке.

Регуляторы напряжения со вспомогательными функциями, известные как многофункциональные регуляторы, по-

лучают все более широкое распространение.

Защита от высокого напряжения

Электрическая прочность генераторов и регуляторов напряжения обычно бывает достаточной для обеспечения надежной работы полупроводниковых элементов, подсоединенных к автомобильному аккумулятору. Крайние случаи работы без аккумуляторной батареи характеризуются чрезмерными пиковыми значениями напряжений. Особо критическим является так называемое явление «снятия нагрузки», при котором ток основных потребителей внезапно прерывается. Поэтому для обеспечения полной надежности необходимо принять дополнительные меры.

Стабилитроны

Ограничивают максимальные напряжения до уровней, которые безвредны для синхронных генераторов или регуляторов. Дополнительно стабилитроны могут применяться для обеспечения дистанционной защиты другого чувствительного к напряжению оборудования, входящего в состав автомобильной электрической системы. Выпрямитель, снабженный стабилитронами, снижает напряжение 25...30 В до 14 В на генераторе.

Генераторы и регуляторы с повышенной электрической прочностью Повышенная электрическая прочность таких генераторов и регуляторов слу-

жит лишь для защиты самих этих устройств; эти меры не обеспечивают дополнительную защиту для другого оборудования в электрической системе.

Устройства защиты от высокого напряжения

Эти полупроводниковые устройства подсоединены к клеммам D + и D - (заземление) генератора (см. рис. внизу). Система реагирует на пиковые напряжения посредством закорачивания обмотки возбуждения генератора. Основными преимуществами этих устройств защиты от высоких напряжений являются защита генератора, регулятора и другого чувствительного к напряжению оборудования в электрической системе. Устройства защиты от высоких напряжений могут сочетаться с другим устройством, специально предназначенным для предупреждения последующего разрушения; такая схема предотвращает закипание аккумуляторной батареи, датчик в ее электролите должен реагировать на неисправность регулятора и давать сигнал на «включение».

Обычно генераторы не снабжаются средствами защиты от обратной полярности. Изменение же полярности в аккумуляторной батарее приводит к разрушению диодов генератора, а также подвергает опасности компоненты полупроводников других устройств в автомобиле.