2. CHARAKTERYSTYKA OSPRZTU ELEKTRYCZNEGO POJAZDÓW

Transkrypt

1 2. CHARAKTERYSTYKA OSPRZTU ELEKTRYCZNEGO POJAZDÓW Zastosowanie energii elektrycznej w pojedzie mechanicznym, ograniczone pocztkowo do zapłonu silnika, obejmuje obecnie wikszo elementów wyposaenia pojazdu. Wobec dynamicznego rozwoju elektrotechniki i elektroniki wzrasta procentowy udział wyposaenia elektrycznego w pojedzie mechanicznym. Instalacje elektryczne w pojazdach s instalacjami prdu stałego lub kombinacjami instalacji elektrycznej prdu stałego oraz prdu przemiennego. W obydwu rodzajach instalacji warto napicia jest uwarunkowana obecnoci akumulatora, o napiciu znamionowym 6, 12 lub 24V. Napicie znamionowe 12V stosuje si w samochodach osobowych i dostawczych, natomiast w pojazdach ciarowych i autobusach napicie 24V, z moliwoci podłczania odbiorników 12V. Wszystkie instalacje elektryczne ze wzgldu na liczb przewodów łczcych odbiorniki energii elektrycznej ze ródłem energii dzieli si na : a). układ dwuprzewodowy, w którym jeden przewód stanowi metalowe czci konstrukcji pojazdu, tzw. "masa". W układzie tym odbiorniki s połczone jednym zaciskiem, za pomoc przewodu ze ródłem prdu, a drugim z mas pojazdu, do której jest dołczony drugi biegun ródła prdu. Układ taki nazywany jest take układem jednoprzewodowym; b). układ dwuprzewodowy izolowany, w którym kady odbiornik jest połczony dwoma przewodami ze ródłem prdu; c). układ dwuprzewodowy dwunapiciowy, w którym "masa" stanowi przewód "zerowy". W układzie tym wszystkie odbiorniki, z wyjtkiem rozrusznika zasilane s napiciem 12V, natomiast rozrusznik w czasie rozruchu napiciem 24V; d). układy wieloprzewodowe, które łcz odpowiednie odbiorniki z odpowiednimi ródłami prdu o okrelonej wartoci napicia. Kada instalacja elektryczna w pojedzie obejmuje kilka obwodów, a urzdzenia elektryczne bdce w tych obwodach spełniaj okrelone funkcje. Wyrónia si wic : - obwód zasilania w energi elektryczn, - obwód rozruchowy, - obwód zapłonowy, - obwód elektronicznego sterowania wtryskiem paliwa, - obwód owietleniowy, - obwody przyrzdów kontrolno - pomiarowych, - obwód urzdze sygnalizacyjnych, - obwód urzdze dodatkowych, - obwód urzdze pomocniczych UKŁAD ZASILANIA W ENERGI ELEKTRYCZN Zadaniem obwodu zasilania jest dostarczenie energii elektrycznej do rozruchu silnika, do obwodu zapłonowego silnika i do pozostałych odbiorników elektrycznych. Zadanie to wykonuje akumulator współpracujcy z prdnic i regulatorem prdnicy Akumulator Akumulator jest statycznym odwracalnym ródłem energii elektrycznej, która jest w nim magazynowana w postaci energii chemicznej. Proces przemiany energii (ładowanie i wyładowanie) odbywa si na drodze reakcji elektrochemicznej na granicy elektrolit -

2 elektroda, polegajcych na wymianie elektronów miedzy elektrodami i jonami elektrolitu, w wyniku czego midzy elektrodami akumulatora powstaje siła elektromotoryczna. Dla pojazdów mechanicznych stosuje si "akumulatory rozruchowe", których konstrukcja pozwala na krótkotrwały pobór prdu o nateniu znacznie przekraczajcym natenie znamionowe, bez wywierania niekorzystnego wpływu na trwało akumulatora. S to najczciej akumulatory kwasowe, zwane czsto akumulatorami kwasowo-ołowiowymi. Inne rodzaje akumulatorów takie jak: elazowo-niklowe, kadmowo-niklowe, srebrowocynkowe s znacznie wiksze, cisze i drosze. Charakteryzuj si te wysz wytrzymałoci zwarciow, która wynika z ich duej rezystancji wewntrznej, co czyni je jednak mniej przydatnymi do celów rozruchowych. 1. Budowa i działanie akumulatora kwasowego Akumulator składa si z ogniw, których głównymi elementami składowymi s (rys. 2.1) : a) elektrody - płyty elektrod wykonuje si w postaci krat ołowiowych z dodatkiem antymonu (zwiksza lejno i wytrzymało stopu) lub krat wykonanych ze stopu ołowiowo - wapniowego (mniejsza tendencja do samowyładowania), wypełnionych mas czynn. Płyty dodatnie wypełnia si mas zawierajc dwutlenek ołowiu PbO 2, a płyty ujemne ołowiem gbczastym Pb. Płyty jednoimienne połczone s midzy sob równolegle i obydwa zestawy płyt montuje si w naczyniu tak, e płyty dodatnie i ujemne s ustawiane na przemian przy czym płyt ujemnych jest o jedn wicej ni dodatnich. Midzy płyty wstawia si wkładki odległociowe, tzw. separatory z materiału porowatego, odpornego na działanie kwasu. Jako separatory stosuje si preparowane drewno z igielitem, mikroporowat gum kwasoodporn i mikroporowate tworzywa sztuczne. Rys Budowa akumulatora kwasowego rozruchowego 1-obudowa z tworzywa sztucznego, 2-masa uszczelniajca, 3-otwór wlewowy, 4-kocówka biegunowa, 5-korek otworu wlewowego, 6-łcznik midzyogniwowy, 7- kocówka bieguna ujemnego, 8-siatka ochronna, 9-kocówka bieguna dodatniego, 10-płyta dodatnia,11-separator, 12-płyta ujemna b) elektrolit - jest nim roztwór kwasu siarkowego. Wskutek dysocjacji powstaj jony wodoru H oraz jony reszty kwasowej SO 2, które w przypadku podłczenia do elektrod zewntrznego ródła napicia staj si nonikami ładunków elektrycznych i umoliwiaj przepływ prdu elektrycznego. Gsto elektrolitu naładowanego akumulatora (2,7V/ogniwo) wynosi w temperaturze T= 393K (20 o C) γ = (1,28 ±0.005) g/cm 3. Siła elektromotoryczna jednego ogniwa w zalenoci od gstoci elektrolitu wyraa si wzorem empirycznym : E = ( γ), [V] (2.1) za chcc przeliczy gsto elektrolitu na gsto w temperaturze 20 o C korzysta si ze wzoru: γ 20 = γ T (T - 20 o C), [g/cm 3 ] (2.2) gdzie : γ 20 - gsto elektrolitu odniesiona do temperatury 20 o C γ T - gsto elektrolitu mierzona w temperaturze T [ o C] c) naczynie akumulatorowe - zestaw płyt dodatnich i ujemnych poszczególnych ogniw zanurzonych s w elektrolicie znajdujcym si w szczelnym naczyniu z materiału kwasoodpornego (ebonit, polipropylen) z pokryw uszczelnian kwasoodporn mas zalewow. W pokrywie znajduj si otwory na ołowiane sworznie zaciskowe i otwory wlewowe do uzupełniania elektrolitu, które zatyka si korkami odpowietrzajcymi (w przypadku akumulatorów obsługowych). W przypadku akumulatorów bezobsługowych, które nie wymagaj dolewania wody destylowanej szczelne wieczko ma jedynie otwory odpowietrzajce oraz wbudowany areometr z kompensacj ciepln, który pozwala na szybk ocen stopnia naładowania

3 akumulatora. Na dnie naczynia znajduj si wystajce ebra, na których opieraj si płyty co zapobiega zwarciom przez osadzajce si na dnie osady. Przebieg reakcji w czasie ładowania i wyładowania jest nastpujcy : PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb > PbSO 4 + 2H 2 O + PbSO 4 - wyładowanie PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb < PbSO 4 + 2H 2 O + PbSO 4 - ładowanie Z przebiegu reakcji wynika, e po wyładowaniu obie płyty staj si chemicznie jednakowe, zatem rónica potencjałów maleje. Równie maleje gsto elektrolitu wskutek wytwarzania si czsteczek wody. Przy ładowaniu płyty staj si chemicznie róne, wskutek czego rónica potencjałów zwiksza si. Gsto elektrolitu zwiksza si wskutek wytwarzania si czsteczek kwasu siarkowego. 2. Wielkoci elektryczne akumulatora kwasowego: a) pojemno akumulatora - pojemnoci akumulatora nazywa si jego zdolno do kumulowania ładunku elektrycznego. Definiuje si j jako iloczyn natenia prdu wyładowania przez czas wyładowania tym prdem do chwili osignicia okrelonego napicia przez akumulator (1,7V/1 ogniwo) i podaje si j w amperogodzinach. Pojemno akumulatora zaley od: - rozmiarów i liczby płyt w jednym ogniwie; im wiksza jest czynna powierzchnia i grubo płyt, tym wicej energii mona zmagazynowa w akumulatorze; - gstoci elektrolitu; zmiana gstoci elektrolitu wpływa na liczb zdysocjonowanych czsteczek kwasu co powoduje zmian przewodnoci elektrolitu (rys.2.2). Optymalny przedział gstoci dla roztworu kwasu siarkowego wynosi (1,27-1,285 ) g/cm 3 ; Rys Własnoci elektrolitu w funkcji jego gstoci 1- przewodno elektryczna, 2-temperatura krzepnicia elektrolitu - temperatury elektrolitu; wraz z podwyszeniem temperatury zmniejsza si rezystancja wewntrzna akumulatora, ponadto maleje jego gsto co przypiesza proces dyfuzji w głb masy czynnej płyt (rys. 2.3). Optymalny przedział temperatury dla roztworu kwasu siarkowego wynosi ( ) K; Rys Wpływ temperatury na rozruchowe wyładowanie akumulatora 12V - natenia prdu wyładowania; ze wzrostem prdu wyładowania maleje pojemno akumulatora gdy nie wszystkie jony zd przenikn w głb masy czynnej i procesy elektrochemiczne maj coraz bardziej charakter powierzchniowy (rys.2.4); Rys Charakterystyki wyładowania akumulatora i jego pojemnoci w funkcji prdu wyładowania akumulatora - od warunków eksploatacji; zanieczyszczenie elektrolitu, pokrywy i zacisków akumulatora sprzyja samowyładowaniu akumulatora. b) sprawno akumulatora -wyrónia si w tym zakresie: - sprawno elektryczn: η el = Q w (2.3) Q L gdzie: Q w - ilo elektrycznoci, wyraona w Ah, pobranej z akumulatora do osignicia napicia 1.75V /ogniwo; Q L - ilo elektrycznoci zuytej na naładowanie akumulatora. Sprawno elektryczna prawidłowo eksploatowanego akumulatora wynosi od 0,8 do 0,9.

4 - sprawno energetyczn: η en = A w (2.4) A L gdzie: A w - energia pobrana z akumulatora do osignicia napicia 1.75V / ogniwo; A L - energia zuyta do naładowania akumulatora. Sprawno energetyczna prawidłowo eksploatowanego akumulatora wynosi η en = 0,6-0,7. c) napicie akumulatora - wyrónia si napicie znamionowe, napicie wyładowania oraz napicie ładowania. Napicie znamionowe jest równe sile elektromotorycznej akumulatora bdcej rónic potencjałów jego zacisków biegunowych. Siła elektromotoryczna jednego ogniwa zaley od stanu akumulatora, gstoci elektrolitu oraz temperatury elektrolitu i rednio wynosi 2V. Napicie wyładowania U w jest to rónica potencjałów zacisków biegunowych akumulatora podczas wyładowania go prdem o nateniu I w. U w = E - I w R w (2.5) gdzie : E - siła elektromotoryczna, R w - rezystancja wewntrzna akumulatora. W czasie wyładowania siła elektromotoryczna E maleje, natomiast iloczyn I w R w ronie, maleje wic napicie akumulatora.. Im warto natenia prdu I w jest wiksza i im temperatura jest nisza, tym mniejsze jest napicie kocowe wyładowania. Dla I w = 0,05Q 20 (warto znamionowa) napicie kocowe nie moe by nisze ni 1.7V / 1 ogniwo. Napicie ładowania U ł akumulatora jest to rónica potencjałów jego zacisków biegunowych podczas ładowania akumulatora prdem ładowania o nateniu I ł. U ł = E + I ł R w (2.6) W trakcie ładowania siła elektromotoryczna ronie za iloczyn I ł R w maleje (maleje rezystancja R w ), wic napicie akumulatora ronie. Warto maksymalna napicia ładowania waha si w przedziale (2,4-2,75)V / ogniwo i zaley od wartoci I ł, rodzaju i okresu eksploatacji akumulatora oraz temperatury elektrolitu. Rezystancja wewntrzna zaley od stanu elektrycznego akumulatora, jego konstrukcji i temperatury elektrolitu. Podczas wyładowania akumulatora rezystancja wewntrzna wzrasta. Rezystancja wewntrzna zaley od liczby płyt w ogniwie, odległoci miedzy nimi i rodzaju separatorów. Ze wzrostem liczby płyt czyli wzrostem pojemnoci akumulatora rezystancja wewntrzna maleje według wyraenia : R w = K Q w (2.7) gdzie : K - współczynnik rezystancji wewntrznej, zaley on od stopnia naładowania, temperatury elektrolitu, prdu wyładowania i konstrukcji akumulatora Prdnica Prdnica jest ródłem energii elektrycznej w pojedzie i współpracuje z akumulatorem. Moc prdnicy jest tak dobierana aby pokrywała pełne zapotrzebowanie na energi elektryczn urzdze wyposaenia elektrycznego, w tym równie ładowanie akumulatora. W stosunku do prdnicy formułuje si nastpujce wymagania : - pokrycie zapotrzebowania mocy wszystkich stale włczonych odbiorników w zakresie eksploatacyjnych prdkoci jazdy pojazdu;

5 - dostatecznej rezerwy mocy do doładowywania akumulatora, a take jednoczesnego zasilania wszystkich stale włczonych odbiorników; - stało napicia w szerokim zakresie prdkoci obrotowych twornika, w zmiennych warunkach obcienia i temperatur, ze wzgldu na wraliwo niektórych odbiorników na zmiany napicia; - prawidłowa współpraca z akumulatorem, tzn. szybkie i dostateczne ładowanie akumulatora oraz niemoliwo wyładowywania si akumulatora przez prdnic. - trwało i niezawodno działania w zmiennych warunkach otoczenia (temperatura, wilgotno, zapylenie); - cichobieno pracy; - prosta i mało pracochłonna obsługa; - zwarto i lekko konstrukcji. Dobór prdnicy do pojazdu polega na wyznaczeniu mocy znamionowej prdnicy. W celu wyznaczenia mocy prdnicy sporzdza si bilans energetyczny, w którym oblicza si energi pobieran A o1 przez odbiorniki uytkowane w sposób cigły oraz w sposób dorywczy A o2 w okrelonych warunkach ruchu wzgldnie w okrelonych porach doby. Nastpnie oblicza si energi dostarczan przez prdnic A p, przy których uwzgldnia si ponadto jazd miejsk z odpowiednim współczynnikiem oddawania pełnej mocy k 1 =0.6 oraz jazd poza miastem ze współczynnikiem k 2 =0.95. Porównujc obie energie moliwe jest okrelenie czy prdnica zasili wszystkie odbiorniki i czy jest rezerwa energii do ładowania akumulatora, tzn. A p > A o1 + A o2 A p = P p (k 1 t 1 + k 2 t 2 ) (2.9) gdzie : t 1 - czas jazdy w miecie, t 2 - czas jazdy poza miastem. A. Prdnica prdu stałego 1. Budowa i zasada działania Prdnica samochodowa jest maszyn bocznikow o regulowanym prdzie wzbudzenia i składa si z nastpujcych czci (rys. 2.5) : - stojan z nabiegunnikami i uzwojeniami wzbudzenia, - wirnik z uzwojeniem twornika i komutatorem, - trzymadła szczotkowe ze szczotkami, - tarcze łoyskowe z łoyskami tocznymi, - wentylator. Rys Budowa prdnicy 1-szczotkotrzymacz, 2-szczotka, 3-łoysko, 4-wał twornika, 5-tarcza łoyskowa od strony komutatora, 6-uzwojenie twornika, 7-biegun, 8-uzwojenie wzbudzenia, 9-koło pasowa z wentylatorem, 10- komutator, 11-jarzmo magnenicy, 12-rdze twornika, 13-tarcza łoyskowa od strony napdu Zasad działania prdnicy prdu stałego przedstawia rys.2.6. Wewntrz pola magnetycznego, wytworzonego przez biegun N-S, obraca si wirnik napdzany przekładni pasow przez silnik spalinowy. Na wirniku nawinite s zwoje drutu miedzianego pokrytego lakierem izolacyjnym przy czym pocztek i koniec kadego zwoju s dołczone do ssiednich wycinków komutatora. Podczas obracania si wirnika zwoje przecinaj pole magnetyczne powodujc cigł zmian strumienia magnetycznego obejmujcego zwój, co powoduje indukowanie w nim siły elektromotorycznej według wyraenia :

6 e = d Φ dt (2.10) za dla prdnicy: E = c Φ n (2.11) gdzie : c - stała zalena od konstrukcji prdnicy, Φ - strumie magnetyczny, n - prdko obrotowa wirnika. Rys Zasada działania prdnicy prdu stałego Do komutatora przylegaj szczotki wglowe, do których przyłczony jest odbiornik energii elektrycznej. Komutator pełni w prdnicy funkcj prostownika mechanicznego, poniewa siła elektromotoryczna w jednym zwoju zmienia kierunek podczas obracania si wirnika (rys. 2.7). Rys Rodzaje maszyn prdu stałego a-prdnica obcowzbudna, b-prdnica bocznikowa samowzbudna, c-prdnica bocznikowa samowzbudna, d-prdnica szeregowa, e-prdnica szeregowo-bocznikowa 2. Charakterystyki prdnicy a) Charakterystyka samowzbudzenia prdnicy (rys.2.8)- okrela samowzbudzenie si prdnicy bocznikowej : U = f ( n ) ; I o = 0, I o = 0,5I n, I O = I n Rys Charakterystyki samowzbudzenia prdnicy Samowzbudzenie zachodzi na skutek: - wystpienia magnetyzmu szcztkowego w nabiegunnikach, - zgodnoci strumienia magnetycznego prdu magnesujcego I m (zwrot i kierunek) ze strumieniem magnetycznym szcztkowym, - wartoci rezystancji obwodu wzbudzenia mniejszej od rezystancji krytycznej. b) Charakterystyki zewntrzne prdnicy (rys. 2.9)- okrelaj zaleno napicia prdnicy w funkcji prdu obcienia przy rónych prdkociach obrotowych wirnika: U = f ( I p ) ; n const. Rys Charakterystyki zewntrzne prdnicy Jak wida z rys.2.9 prd maksymalny prdnicy jest ograniczony (2-3)I zn wskutek reakcji twornika zmniejszajcej strumie Φ oraz spadku napicia w obwodzie twornika. Jednak ze wzrostem prdkoci obrotowej zwiksza swoj maksymaln warto, co wymusza konieczno ograniczania maksymalnej wartoci prdu poniej wartoci dopuszczalnej. B. Alternatory W wyposaeniu samochodów coraz czciej stosuje si prdnice prdu przemiennego wyposaone w półprzewodnikowy mostek prostowniczy zwane alternatorami. Przyczyny tego s nastpujce: - alternator moe oddawa znacznie wiksz moc w zakresie małych prdkoci silnika spalinowego ni prdnica prdu stałego (rys. 2.14); - trwało alternatora jest znacznie wiksza, (2-3) razy ni prdnicy prdnicy prdu stałego;

7 - alternator posiada kilkakrotnie wyszy wskanik mocy z 1 kg masy ni prdnica; 1. Budowa i zasada działania Alternator składa si ze stojana z uzwojeniem twornika, wirnika z uzwojeniem wzbudzenia, magnenicy oraz prostownika (rys.2.10). Na wałku magnenicy nawinite jest uzwojenie wzbudzenia. Po obu stronach cewki uzwojenia wzbudzenia s nałoone dwie tarcze stalowe z pazurami pełnice funkcj biegunów, powodujce powstanie osiowego strumienia magnetycznego. Na wałku magnenicy znajduj si równie dwa odizolowane od niego, piercienie lizgowe, do których podłczone s dwa koce uzwojenia wzbudzenia. Do piercieni przylegaj dwie szczotki, doprowadzajce prd stały z akumulatora. Na zewntrz wirnika znajduje si stojan z uzwojeniem trójfazowym twornika. Twornik wykonany jest z pakietu blach stalowych, w którego rowkach ułoone s zwoje uzwojenia. Rys Budowa alternatora 1-dioda prostownicza prdowa, 2-radiator diod prostowniczych masowych, 3-piercie lizgowy uzwojenia wzbudzenia, 4-uzwojenie trójfazowe stojana, 5,6-łoyska toczne wałka magnenicy, 7- szczotka, 8-jarzmo stojana, 9-rdze pazurowy magnenicy, 10-wentylator Prostownik w alternatorze składa si z krzemowych diod prostowniczych, przy czym 3 diody umieszczone s w tarczy łoyskowej (diody masowe, ujemne) oraz 3 diody w radiatorze izolowanym od masy (diody prdowe, dodatnie). W tarczach łoyskowych znajduj si łoyska toczne kulkowe. Umieszczony na wałku wirnika wentylator zapewnia intensywne chłodzenie prostownika i twornika alternatora. Schematy elektryczne przykładowych alternatorów przedstawia rys Rys Schematy elektryczne alternatorów a - alternator dziewiciodiodowy z wbudowanym elektronicznym regulatorem napicia b - alternator szeciodiodowy z przyłczonym regulatorem napicia i przekanikiem Działanie alternatora polega na indukowaniu siły elektromotorycznej w uzwojeniu twornika przez wirujce pole magnetyczne magnenicy i prostowaniu prdu przemiennego przez mostek prostowniczy. Ttnienia napicia wyjciowego s zalene od prdkoci obrotowej wirnika (rys.2.12). Rys Przebieg napicia wyjciowego alternatora 2. Charakterystyki alternatora: a) charakterystyka zewntrzna (rys.2.13) - okrela zaleno napicia alternatora od prdu obcienia (prd zwarcia jest ograniczony). U = f ( I ); n = const., I w = const. Rys Charakterystyka zewntrzna alternatora U 0 -napicie na zaciskach alternatora przy braku prdu obcienia, I z -prd zwarcia, b) charakterystyka prdkociowa obcialnoci (rys.2.14) - okrela zaleno prdu obcienia alternatora w funkcji prdkoci obrotowej wirnika. Umoliwia ustalenie maksymalnej wartoci prdu obcienia i prdkoci obrotowej wirnika przy obcieniu znamionowym. I = f ( n ) ; U = const., I w = const. Rys Charakterystyka prdkociowa obcialnoci alternatora i prdnicy prdu stałego Regulatory prdnic Regulator w obwodzie alternatora słuy jedynie do regulacji napicia, poniewa zaworowe działanie diod prostowniczych alternatora eliminuje stosowanie wyłcznika

8 samoczynnego, a wewntrzna samoregulacja prdu obcienia alternatora sprawia, e ogranicznik prdu staje si zbdny. Regulator w obwodzie prdnicy prdu stałego spełnia trzy funkcje : a) utrzymuje napicie prdnicy na stałym poziomie co jest konieczne dla prawidłowej pracy odbiorników elektrycznych; b) reguluje prd pobierany z prdnicy, zabezpieczajc j przed przecieniem; c) włcza prdnic do równoległej współpracy z akumulatorem w momencie gdy napicie na jej zaciskach wzronie do odpowiedniej wartoci (wyszej od napicia akumulatora). Realizuje to regulator prdnicy składajcy si z trzech podzespołów, odpowiednio: a) regulator napicia; b) ogranicznik prdu; c) wyłcznik samoczynny. A. Przekanikowy regulator prdnicy prdu stałego Składa si z trzech przekaników, które realizuj funkcje regulatora napicia, ogranicznika prdu i wyłcznika samoczynnego lub z dwóch przekaników-jeden przekanik pełni funkcj wyłcznika samoczynnego, drugi regulatora napicia i ogranicznika prdu. Regulator napicia Zasada działania polega na rozwieraniu zestyku S 1 (rys.2.15) włczaniu w obwód wzbudzenia prdnicy rezystora R d, gdy napicie przekroczy okrelon warto U 1 i na zwieraniu styków S 1 pod działaniem spryny przekanika z chwil, gdy napicie spadnie poniej zadanej wartoci napicia U z. Zasad regulacji napicia przedstawiono na rys Na regulator R oddziałuje rónica U pomidzy dwoma sygnałami: napicia zadanego U z oraz napicia rzeczywistego U r. Zasada działania regulatora polega na zmniejszaniu wartoci U do zera, a tym samym utrzymywaniu napicia prdnicy na wymaganym poziomie. Rys Schemat regulatora napicia 1-twornik prdnicy, 2-uzwojenie wzbudzenia prdnicy, 3-przekanik regulatora napicia Rys Zasada działania regulatora napicia R-regulator, P-prdnica, US-układ sprzenia zwrotnego, U-napicie prdnicy, U Z - zadane napicie, U R -napicie rzeczywiste W regulatorach przekanikowych napicia sygnał napicia zadanego U z jest odwzorowany przez nacig spryny odcigajcej zwor przekanika, sygnał U r natomiast przez sił przycigania zwory przez elektromagnes, a układ sprzenia zwrotnego stanowi cewka odwzorowujca napicie na proporcjonaln do niego sił przycigania zwory. Sterowanie prdem wzbudzenia w regulatorze polega na okresowych skokowych zmianach prdu wzbudzenia lub okresowym zwieraniu uzwojenia wzbudzenia z odpowiedni czstotliwoci, powodujc tym samym regulacj wartoci redniej strumienia magnetycznego prdnicy. Ogranicznik prdu Ograniczanie prdu jest konieczne w celu zabezpieczenia prdnicy przed uszkodzeniem spowodowanym przegrzaniem si uzwoje w wyniku obcienia prdnicy prdem wyszym od znamionowego. Długotrwały przepływ takiego prdu grozi przepaleniem si uzwoje lub powstaniem zwarcia midzyzwojowego wskutek wzrostu temperatury uzwojenia. Zasada działania polega na rozwieraniu zestyku S 2 (rys.2.17) i włczenie w obwód wzbudzenia prdnicy rezystora R d, gdy natenie prdu przekroczy warto znamionow i na zwieraniu styków S 2 pod działaniem spryny przekanika z chwil, gdy natenie prdu spadnie poniej wartoci znamionowej. Rys Schemat ogranicznika prdu

9 1-twornik prdnicy, 2-uzwojenie wzbudzenia prdnicy, 3-przekanik ogranicznika prdu Wyłcznik samoczynny. Zapobiega wyładowaniu akumulatora przez twornik prdnicy podczas okresu, w którym napicie prdnicy jest nisze od napicia akumulatora. Zasad działania wyłcznika ilustruje rys W chwili gdy napicie prdnicy przekroczy napicie akumulatora o pewn warto, nastpuje zamknicie styku S 3 łczcego prdnic z akumulatorem do pracy równoległej. Napicie włczania styku mona regulowa, np. dla instalacji 12V wynosi ono ( )V. Rozwarcie styku S 3 wystpi gdy napicie prdnicy bdzie nisze od napicia akumulatora i popłynie prd zwrotny I z o wartoci około 6A. Schemat obwodu zasilania z regulatorem przekanikowym przedstawia rys Rys Schemat wyłcznika samoczynnego prdu zwrotnego 1 - twornik, 2 - uzwojenie wzbudzenia, 3 - przekanik wyłcznika samoczynnego, 4 - akumulator Rys Schemat obwodu zasilania w energi elektryczn z regulatorem przekanikowym prdnicy: WZ-wyłcznik zapłonu, AK-akumulator, PPS-prdnica (L 1 -uzwojenie wzbudzenia prdnicy, Tw-twornik prdnicy, RP-regulator prdnicy (RN-regulator napicia, OP-ogranicznik prdu, WS-wyłcznik samoczynny prdu zwrotnego) B. Przekanikowy regulator alternatora Regulator alternatora posiada tylko układ regulacji napicia. Schemat obwodu zasilania z regulatorem przekanikowym alternatora przedstawia rys Jest to regulator o działaniu dwustopniowym, w którym w stosunku do regulatora jednostopniowego nisza jest rezystancja rezystora dodatkowego R d przez co zmniejsza si warto mocy rozłczanej przez styki przekanika. Regulacja napicia alternatora jest dwustopniowa, przy czym tylko w pierwszym stopniu prd przepływa przez rezystor dodatkowy. W drugim stopniu nastpuje zwarcie styków i zbocznikowanie uzwojenia wzbudzenia. Wykres napicia regulowanego przez regulator dwustopniowy alternatora przedstawia rys Rys Schemat regulatora alternatora Rys Przebieg prdu wzbudzenia i napicia alternatora w funkcji prdkoci obrotowej wirnika dla dwustopniowego regulatora napicia C. Elektroniczne regulatory prdnic Elektroniczne regulatory prdnic wystpuj przewanie jako regulatory napicia i działaj na tej samej zasadzie co regulatory przekanikowe, osłabiajc okresowo prd wzbudzenia prdnicy. Osłabianie prdu wzbudzenia odbywa si jednak nie przez przekanik tylko przez tranzystor. Typowe połczenie tranzystora, przerywajcego prd wzbudzenia, z prdnic przedstawia rys Tranzystor spełnia tu funkcj zaworu, przez który płynie prd wzbudzenia prdnicy. Zawór ten jest na przemian zamykany i otwierany za pomoc sygnału, który doprowadzany jest do bazy tranzystora T1. Podczas pracy prdnicy zmienia si długo okresu przepływu prdu wzbudzenia i długo czasu przerwy przepływu. Wzajemny czas trwania tych okresów zaley od parametrów układu regulatora. Impulsy prdu bazy tranzystora generuje układ sterowania elektromechanicznego (przekanik) lub elektronicznego. W układzie sterowania nastpuje porównanie napicia wyjciowego prdnicy U r z napiciem zadanym U z. Gdy napicie U r > U z nastpuje spadek prdu bazy, zamknicie tranzystora i odcicie prdu wzbudzenia. Wskutek odwzbudzenia napicie prdnicy maleje do wartoci napicia zadanego powodujc skokowy wzrost prdu bazy, otwarcie tranzystora i przepływ prdu wzbudzenia. Rys Schemat blokowy elektronicznego regulatora napicia

10 PPS - prdnica prdu stałego, RN - regulator napicia, 1 - twornik prdnicy, 2 - uzwojenie wzbudzenia prdnicy, T 1 - tranzystor, R 1 - rezystor Schemat obwodu zasilania z elektronicznym regulatorem napicia przedstawia rys Rys Schemat obwodu zasilania z regulatorem elektronicznym prdnicy: WZ - wyłcznik zapłonu, AK - akumulator, WM - wyłcznik masy, A - amperomierz, L 1 - uzwojenia twornika alternatora, L 2 - uzwojenie wirnika alternatora, D 1 -D 6 - diody prostownicze alternatora, T 1 -T 3 - tranzystory, D 10 - dioda Zenera, L 3 -dławik regulatora 2.2 UKŁAD ROZRUCHOWY Jednym z waniejszych obwodów elektrycznych w samochodzie jest układ rozruchowy silnika spalinowego, składajcy si z akumulatora, rozrusznika i urzdzenia sprzegajcego, ułatwiajcego rozruch. Rozrusznik jest szeregowym lub szeregowo bocznikowym silnikiem elektrycznym prdu stałego. Rozruch silnika - to pokonanie momentu sił tarcia, momentu potrzebnego do sprenia czynnika w cylindrach silnika i momentu bezwładnoci mas wirujcych. Opory te zale od rodzaju silnika spalinowego, jego pojemnoci skokowej, liczby cylindrów i temperatury otoczenia. W celu uruchomienia silnika spalinowego naley nada jego wałowi korbowemu pocztkow prdko obrotow, przy której zaczyna si regularny proces zapłonu. Wanym elementem obwodu rozruchowego jest akumulator, przejmujcy obcienie w czasie rozruchu, współpracujcy z rozrusznikiem. Pojemno akumulatora powinna by tak dobrana, aby podczas rozruchu w niskiej temperaturze otoczenia (poniej 0 o C) nie było nadmiernych spadków napicia na jego zaciskach, a take zmniejszenie si prdkoci obrotowej rozrusznika. Dla warunków rodkowoeuropejskich przyjmuje si, e w temperaturze 258\K(-15 o C) obwód rozruchowy powinien zapewni : - silnikowi o zapłonie iskrowym -10 rozruchów w cyklu: włczenie 10s, przerwa 60s; - silnikowi z zapłonem samoczynnym -3 rozruchy w cyklu : włczenie 15s, przerwa 60s; przy czym prdko obrotowa wału korbowego podczas ostatniego rozruchu nie powinna by mniejsza ni : - dla silników z zapłonem iskrowym - (50-100) obr./ min.; - dla silników z zapłonem samoczynnym - ( ) obr./ min. Ponadto dla rozrusznika wymaga si właciwej pracy w temperaturze otoczenia ( ) K, duego momentu rozruchowego i niewielkich wymiarów. Urzdzenie sprzgajce silnik rozrusznika z kołem zamachowym silnika spalinowego powinno zapewni natychmiastowe odłczenia si zbnika rozrusznika po uruchomieniu silnika spalinowego, gdy w przeciwnym przypadku rozrusznik byłby naraony na uszkodzenie mechaniczne. Zasady doboru rozruszników Dobór przełoenia Moment oporowy silnika spalinowego jest wielkoci zmienn, zalen głównie od lepkoci oleju a wic i od temperatury silnika. Przełoenie midzy silnikiem a rozrusznikiem powinno by tak dobrane aby, w warunkach najbardziej niekorzystnych, rozrusznik mógł zapewni wałowi korbowemu odpowiedni prdko obrotow. Wymaga to duego przełoenia, pozwalajcego rozrusznikowi rozwin odpowiedni prdko obrotow. W wikszoci współczesnych konstrukcji przyjmuje si p = Dobór mocy rozrusznika i pojemnoci akumulatora. Istnieje kilka metod doboru mocy rozrusznika i pojemnoci akumulatora. Jedna z nich jako kryterium oceny własnoci rozruchowych przyjmuje minimaln prdko obrotow wału korbowego (n min ) i temperatur rozruchu (T r )-rys.2.24.

11 Rys Zaleno minimalnej rozruchowej prdkoci obrotowej od temperatury silnika spalinowego W przypadku, gdy do nowo projektowanego silnika spalinowego dobiera si rozrusznik i akumulator tok postpowania jest nastpujcy : 1. Znajc moment oporowy silnika M S [Nm] i minimaln prdko obrotow n min [obr./min] w zadanych warunkach rozruchu, moc rozrusznika P R [kw] oblicza si według wzoru : P R = ( M S. n min ) / 9550 η p [kw] (2.12) w którym η p = 0,85 - sprawno przekładni zbatej. 2. Moment obrotowy rozrusznika M R [Nm] i jego prdko obrotow n R [obr./min.] oblicza si z zalenoci : M R = M S / p. η p [Nm] (2.13) n R = n min. p ; [obr./min.] przy czym : p = z 2 / z 1 (2.14) gdzie : z 1 - liczba zbów zbnika, z 2 - liczba zbów wieca koła zamachowego. Jeli charakterystyki momentów oporowych silnika spalinowego, podczas rozruchu nie s znane, moc rozrusznika P R oblicza si ze wzorów empirycznych : a) dla silnika zapłonem iskrowym : PR = 30 V SS [Nm] (2.15) b) dla silników z zapłonem samoczynnym : PR = (50-70) V SS [Nm] (2.16) 3. Wykorzystujc charakterystyki mechaniczne rónych typów rozruszników, przeznaczonych do współpracy z okrelonym akumulatorem przy jego dopuszczalnym stopniu wyładowania dobiera si taki rozrusznik, którego charakterystyka n R = f (P R ) jest redni z moliwych charakterystyk mechanicznych (rys. 2.25). Rys Wykres do wyboru rozrusznika według jego charakterystyk mechanicznych 1-charakterystyka mechaniczna rozrusznika przy maksymalnej pojemnoci akumulatora, maksymalnej temperaturze elektrolitu, minimalnym rozładowaniu akumulatora; 2--charakterystyka mechaniczna rozrusznika przy minimalnej pojemnoci akumulatora, minimalnej temperaturze elektrolitu, maksymalnym dopuszczalnym stopniu rozładowaniu akumulatora; 3,4-proste odpowiadajce maksymalnej i minimalnej prdkoci obrotowej wału korbowego podczas rozruchu; 5-mechaniczna charakterystyka rozrusznika, odpowiadajca danym warunkom rozruchu 4. Wyznaczy charakterystyki mechaniczne n R = f (I R ) oraz P R = f (I R ) wybranego typu rozrusznika i charakterystyk zewntrzn akumulatora U A = f ( I R ). 5. Na charakterystyce P R = f (I R ) zaznacza si punkt pracy (a)-rys.2.25, przy którym moment jest równy momentowi obliczonemu według wzoru (2.13) a na charakterystyce n R = f (I R ) okrela si prdko n * odpowiadajc temu momentowi. 6. Porównujc dalej warto prdkoci obrotowej rozrusznika n R obliczon według wzoru (2.14) z wartoci n * tej prdkoci.. Jeli wartoci te s róne, to naley wyznaczy now charakterystyk n R =f(i R ) (na rys.2.26 linia kreskowa przechodzca przez punkt odpowiadajcy obliczonej według wzoru (*) prdkoci n R ) oraz now charakterystyk U A =f(i R ) prosta (2), przy których wartoci n R i n * bd takie same. W tym celu naley zbudowa charakterystyk spadków napicia na rezystancjach rozrusznika U R = f ( I R ), przedstawion na rys.2.26 przez Rys Wyznaczenie charakterystyki zewntrznej akumulatora przy obliczonych wartociach momentu i prdkoci obrotowej rozrusznika

12 prost (1), i nastpnie okreli napicie indukowane w rozruszniku, niezbdne do uzyskania obliczeniowej prdkoci obrotowej: * E n R E = (2.17) * n gdzie : E * - napicie indukowane w rozruszniku wyznaczone graficznie przy prdkoci obrotowej wirnika rozrusznika n * n R - obliczeniowa (niezbdna prdko obrotowa wirnika ) wyznaczona według wzoru (2.13). Po wyznaczeniu napicia indukowanego w rozruszniku buduje si obliczeniow charakterystyk prdowo - napiciow, przy której jest zapewniona zadana prdko obrotowa wału korbowego silnika z wybranym typem rozrusznika (prosta 2 na rys.2.26). 7. Uwzgldni spadek napicia U w przewodach łczcych i zestykach obliczony dla prdu I K. Spadek ten dodaje si do bilansu napi przy prdzie I K i rysuje si now charakterystyk akumulatora U A = f ( I R ) - ( prosta 3 na rys. 2.26). 8. Punkt pracy oznaczony na rys jako (U N, I N ) zapewnia niezbdne dla rozrusznika wartoci M R i n R, a prd zwarciowy odpowiadajcy obliczeniowej charakterystyce akumulatora wynosi : I NU A0 I AK = (2.18) U A0 U N 9. Przy doborze akumulatora oblicza si warto prdu jednej płyty dodatniej I +, dla zadanych warunków rozruchu (temperatura elektrolitu T e, dopuszczalny stopie wyładowania akumulatora Q, liczba rozruchów N r ) oraz oblicza si liczb płyt dodatnich akumulatora: n + = I IA K + (2.19) oraz pojemno akumulatora : Q 20 = Q 20 n + (2.20) gdzie : Q 20 - pojemno przy 20 godzinnym prdzie wyładowania odniesiona do jednej płyty dodatniej (Q 20 = 15 Ah). Obliczon warto pojemnoci akumulatora zaokrgla si do najbliszej pojemnoci katalogowej. Znane s równie literaturowo [9,12,16] bardziej uproszczone metody doboru rozruszników i akumulatorów. Rozruszniki elektryczne We współczesnych samochodach zazwyczaj s stosowane róne rodzaje rozruszników (rys.2.27), a najczciej rozruszniki elektryczne wirujce. Rozrusznik taki składa si z silnika prdu stałego szeregowego lub szeregowo - bocznikowego, mechanizmu sprzgajcego i zbnika. O wyborze rodzaju silnika elektrycznego do rozrusznika decyduje warto maksymalnego momentu obrotowego w pocztkowej fazie rozruchu i prdko obrotowa jak powinien osign silnik spalinowy. Na rys przedstawiono charakterystyki: moment oraz prdko obrotow w funkcji prdu obcienia dla silnika szeregowego, szeregowo - bocznikowego i bocznikowego. Z zalenoci tych wynika, e najkorzystniejsze dla rozruchu silnika spalinowego s charakterystyki silników szeregowych i szeregowo - bocznikowych, poniewa dla okrelonego poboru prdu z akumulatora prdko obrotowa jest wiksza ni silnika bocznikowego, co jest bardzo istotne dla obwodu rozruchowego z uwagi na ograniczon pojemno akumulatora w pojedzie. Stosowanie przekładni zbatej pomidzy

13 silnikiem i rozrusznikiem o przełoeniu o wartoci p=8-20, w zalenoci od rodzaju i wielkoci silnika spalinowego, pozwala na zmniejszenie momentu elektromagnetycznego niezbdnego do rozruchu i zastosowanie rozruszników o małych wymiarach. Coraz czciej stosuje si te rozruszniki, w których silniki elektryczne wyposaa si w magnesy trwałe (zamiast uzwoje wzbudzenia i nabiegunników), za mechanizmy sprzgajce w przekładnie planetarne, co zwiksza przebiegi midzyobsługowe (pierwsza obsługa rozrusznika przy przebiegu 500 tysicy km). Moce rozruszników dla rónych typów i wielkoci silników spalinowych zawieraj si w przedziale (0.5-15) kw. Rys Klasyfikacja rozruszników Rys Zaleno momentu elektromagnetycznego i prdkoci obrotowej silników prdu stałego: szeregowego (s), szeregowo-bocznikowego (s-b) i bocznikowego (b) w funkcji prdu akumulatora Zazbienie rozrusznika z wiecem koła zamachowego silnika spalinowego nastpuje poprzez mechanizm sprzgajcy. Pod wzgldem jego budowy rozrónia si : -rozrusznik ze rubowym mechanizmem sprzgajcym o włczeniu jedno lub dwustopniowym; -rozrusznik z przesuwnym zbnikiem o włczeniu jedno lub dwustopniowym; -rozrusznik ze rubowo - przesuwnym zbnikiem; -rozrusznik o przesuwnym wirniku. Mniejsze rozruszniki włczane s jednostopniowo, a wiksze dwustopniowo, dziki czemu uzyskuje si korzystniejszy przebieg prdu rozrusznika. Rozrusznik ze rubowym urzdzeniem sprzgajcym o włczeniu jednostopniowym Rozwizanie mechanizmu tego typu jest stosowane w rozrusznikach małej mocy. Schemat budowy i zasady działania ilustruje rys Zbnik, zwany kołem Bendix zaopatrzony w przeciwciar, porusza si po gwincie trapezowym wałka lub tulejki zwizanej z wałkiem wirnika tward spryn rubow. Z chwil włczenia zasilania rozrusznika prdem, wirnik rozrusznika zaczyna si obraca i pod wpływem bezwładnoci zbnik przemieszcza si do zazbienia z wiecem koła zamachowego. Jeeli zby zbnika i wieca przypadkowo natrafiaj na siebie, to pokonujc opory tarcia zbnik przekrca si a do zazbienia. Spryna rubowa działa jako amortyzator zapobiegajcy zbyt gwałtownemu zazbianiu. cicia na zbach zbnika ułatwiaj zazbianie w przypadku natrafienia zb na zb. Kiedy silnik zacznie pracowa, prdko obrotowa zbnika napdzanego przez wieniec koła zamachowego przewysza prdko obrotow wirnika rozrusznika, co powoduje samoczynne wyzbienie zbnika z wieca koła zamachowego. Rys Rozrusznik ze rubowym urzdzeniem sprzgajcym o włczeniu jednostopniowym 1-uzwojenie wzbudzenia, 2-biegun stojana, 3-korpus rozrusznika (jarzmo obwodu magnetycznego), 4- zacisk przewodu od akumulatora, 5-opaska ochronna od strony komutatora, 6-komutator, 7-wirnik, 8- spryna rubowa, 9-zbnik, 10-tuleja z gwintem trapezowym Rozrusznik ze rubowo - przesuwnym zbnikiem o włczeniu dwustopniowym. Mechanizm sprzgajcy ze rubowo-przesuwnym zbnikiem stosowany jest w rozrusznikach z silnikami elektrycznymi o mocy do kilku kw. Na rys przedstawiono schemat budowy i zasad działania rozrusznika ze rubowo - przesuwnym zbnikiem o włczeniu dwustopniowym. Zazbienie zbnika z wiecem na kole zamachowym silnika nastpi za porednictwem wyłcznika elektromagnetycznego. Włcznikiem rozrusznika zamyka si obwód zasilajcy napicie uzwojenia elektromagnesu - wcigajce i podtrzymujce. Elektromagnes powoduje ruch dwigni i przesuwanie tulei ze sprzgłem i zbnikiem w kierunku wieca koła zamachowego. Pomidzy tulej a sprzgłem i zbnikiem znajduje si spryna, która zostaje cinita w przypadku trafienia zba zbnika na zb wieca koła

14 zamachowego. Pod wpływem siły spryny nastpuje zazbienie, gdy wirnik silnika obraca si po zamkniciu zestyku wyłcznika elektromagnetycznego. Rys Schemat elektryczny rozrusznika ze rubowo-przesuwnym zbnikiem o włczeniu dwustopniowym 1-akumulator, 2-przycisk rozruchowy, 3-spryna zwrotna, 4-styki wyłcznika elektroma-gnetycznego, 5-uzwojenie podtrzymujce, 6-uzwojenie wcigajce, 7-uzwojenie wzbudzenia silnika elektrycznego, 8-komutator, 9-wirnik, 10-wielowypust rubowy, 11-piercienie prowadnicy, 12-sprzgło jednokierunkowe, 13-zbnik, 14-wieniec koła zamachowego, 15-nabiegunnik stojana Dziki zastosowaniu skrtnego ruchu zazbianego zbnika, uderzenie zbnika w wieniec koła zamachowego jest łagodne, w rezultacie zuycie zbów jest znacznie mniejsze. Zastosowanie sprzgu jednokierunkowego uniemoliwia napdzanie wirnika rozrusznika z chwil rozpoczcia pracy przez silnik spalinowy. Po wyłczeniu napicia zasilajcego tuleja z zbnikiem cofa si do pozycji wyjciowej. Rozrusznik z przesuwnym zbnikiem o włczeniu dwustopniowym Rozruszniki o duej mocy znamionowej przewanie posiadaj przesuwny zbnik włczany dwustopniowo. Dwustopniowe włczanie rozrusznika jest realizowane specjalnym wyłcznikiem sterujcym (rys.2.31). Z chwil zamknicia styków przycisku rozrusznika pojawia si napicie na uzwojeniu wyłcznika sterujcego i uzwojeniu podtrzymujcym wyłcznika głównego. Nastpuje zwarcie ruchomego styku wyłcznika sterujcego, co powoduje zasilanie napiciem z akumulatora: uzwojenie bocznikowe i uzwojenie pomocnicze silnika elektrycznego oraz równolegle z nim połczone uzwojenie wcigajce wyłcznika głównego oraz czci napicia znamionowego, ograniczonego spadkiem napicia na uzwojeniu pomocniczym, wirnika silnika. Wirnik pod wpływem niewielkiego prdu zaczyna obraca si a wyłcznik główny przesuwa zbnik w kierunku koła zamachowego. Niewielki moment obrotowy wytwarzany przez silnik wystarczy na łagodne zazbienie si zbnika z wiecem koła zamachowego nawet w przypadku gdy zb zbnika natrafi na zb wieca. W kocowej fazie nastpuje zwarcie styku mostka stykowego wyłcznika głównego, co powoduje zasilanie pełnym napiciem uzwojenia szeregowego i wirnika silnika. Rozrusznik wytwarza maksymalny moment obrotowy, rozpoczynajc rozruch silnika spalinowego. Rys Schemat elektryczny rozrusznika z przesuwnym zbnikiem o włczeniu dwustopniowym 1-wirnik, 2-uzwojenie szeregowe silnika elektrycznego, 3-uzwojenie wcigajce, 4-uzwojenie dodatkowe, 5-uzwojenie podtrzymujce, 6-mostek stykowy, 7-główny wyłcznik elektromagnetyczny, 8-sterujcy wyłcznik elektromagnetyczny, 9-uzwojenie hamujce, 10-akumulator, 11-przycisk rozruchowy Zastosowane w rozruszniku sprzgło tarczowe zabezpiecza wirnik przed napdzaniem go od silnika spalinowego.dodatkowe uzwojenie bocznikowe w silniku rozrusznika ogranicza wzrost prdkoci obrotowej wirnika silnika rozrusznika w przypadku nie zazbienia si zbnika z wiecem koła zamachowego i pracy na biegu jałowym. W niektórych typach rozruszników stosuje si dodatkowy obwód łczcy z odpowiednim przekanikiem uniemoliwiajcym powtórne włczenie rozrusznika, gdy obraca si jego wirnik. Rozrusznik z przesuwnym wirnikiem Rozrusznik z przesuwnym wirnikiem (rys.2.32) ma oprócz uzwojenia głównego, uzwojenie pomocnicze i uzwojenie podtrzymujce. W stanie spoczynku wirnik rozrusznika, pod wpływem spryny, wysunity jest z pola biegunów silnika a zbnik jest wyzbiony z wieca koła zamachowego. Rys Schemat elektryczny rozrusznika z przesuwnym wirnikiem o włczeniu dwustopniowym a - pierwszy stopie włczenia, b - drugi stopie włczenia

15 1-przycisk rozruchowy, 2-akumulator, 3-wyłacznik elektromagnetyczny, 4-mostek zwierajcy (przechylny), 5-dwignia zwalniajca mostek 4, 6-spryna zwrotna, 7-tarcza zwalniajca dwigni 5, 8-wirnik, 9-wieniec zbaty koła zamachowego, 10-zbnik, 11-uzwojenie szeregowe silnika elektrycznego, 12-uzwojenie pomocnicze, 13-uzwojenie podtrzymujce W pierwszej fazie pracy rozrusznika, pod wpływem pola magnetycznego uzwojenia podtrzymajcego i pomocniczego, wirnik jest wcigany midzy bieguny i jednoczenie powoli si obraca. Zbnik zazbia si wówczas z wiecem koła zamachowego. W kocowej fazie zazbiania zbnika dwignia, której ruch zaley od przesunicia si wirnika, włcza pełne zasilanie głównego uzwojenia rozrusznika, rozrusznik wytwarza pełny moment obrotowy i uruchamia silnik spalinowy. Gdy silnik zacznie pracowa, wirnik rozrusznika jest napdzany przez koło zamachowe, wskutek tego wzrasta siła elektromotoryczna w wirniku rozrusznika co powoduje zmniejszenie natenia prdu w uzwojeniu głównym i zmniejszenie, wywieranego na wirnik, momentu magnetycznego (zaley od kwadratu natenia prdu). Aby wirnik przypadkowo nie wysunł si z pola biegunów podczas nieregularnego pocztkowo biegu silnika, uzwojenie podtrzymujce nadal jest zasilane prdem z akumulatora. Dopiero wyłczenie włcznika rozrusznika powoduje zanik prdu w uzwojeniu podtrzymujcym i powrót wirnika do pozycji wyjciowej. Sprzgło tarczowe umieszczone w rozruszniku słuy jako zabezpieczenie rozrusznika przed przecieniem i jednoczenie, podobnie jak sprzgło jednokierunkowe, chroni wirnik przed napdzaniem od silnika spalinowego. Charakterystyczne parametry rozruszników: a) maksymalny moment obrotowy - okrela si wzorem : C (E U M max = A sz ) (2.21) R gdzie : C - stała konstrukcyjna silnika, E A - SEM akumulatora, ΣU sz - spadek napicia na szczotkach silnika, ΣR - suma rezystancji akumulator - rozrusznik. b) maksymaln moc rozrusznika - okrela si wzorem : P max = (E A 4 U ) 2 sz R (2.22) c) prdko obrotow - okrela si ze wzoru : n = E U - I R A sz R (2.23) C Φ gdzie : Φ - strumie magnetyczny silnika elektrycznego, I R - prd pobierany przez rozrusznik. d) napicie na zaciskach rozrusznika okrela si wzorem : U R = E A - I R ( R A + R p ) (2.24) gdzie : R A - rezystancja wewntrzna akumulatora, R p - rezystancja przewodów łczcych rozrusznik z akumulatorem. Parametrami znamionowymi rozrusznika s : - moc znamionowa - jest to maksymalna moc, któr oddaje rozrusznik przy okrelonym napiciu i pojemnoci ródła zasilajcego; - napicie znamionowe - jest to napicie odpowiadajce napiciu znamionowemu akumulatora (6V, 12V, 24V); - znamionowa prdko obrotowa - jest to prdko jak posiada silnik rozrusznika przy oddawaniu mocy maksymalnej. Urzdzenia ułatwiajce rozruch

16 W celu ułatwienia rozruchu silników spalinowych stosuje si układy ułatwiajce rozruch, do których nale: wiece arowe, nagrzewnice, wiece płomieniowe, podgrzewacze rozruchowe sterowane przez specjalne układy elektromechaniczne lub elektroniczne. wiece arowe umieszczane s w komorze spalania i podgrzewaj sprone powietrze ułatwiajc samozapłon wtrynitego paliwa. W najbardziej popularnym prtowym wykonaniu wiecy arowej (rys. 2.33) składa si ona z nagwintowanego rdzenia metalowego o niskiej rezystancji, który wraz z uzwojeniem rubowym jest osadzony w proszku ceramicznym o wysokiej przewodnoci ceramicznej, wypełniajcym rozgrzewany prt rurowy o zalepionym kocu. Prt wraz z rdzeniem jest osadzony szczelnie w obudowie wiecy wkrcanej w głowic silnika. Uzwojenie grzewcze wiecy składa si z dwóch czci łczonych laserowo, z których dolna cz pełni funkcj wyłcznie grzewcz, natomiast górna zapewnia samo stabilizacj temperatury na podanym poziomie. Rys wieca arowa Bosch 1-gwintowana kocówka rdzenia, 2-nakrtka, 3-podkładka izolujca, 4-uszczelnienie gumowe, 5- proszek ceramiczny o duej przewodnoci elektrycznej, 6-gwint obudowy, 7-stokowy czop uszczelniajacy, 8-obudowa wiecy arowej, 9-uzwojenie regulujce temperatur, 10-powierzchnia połczenia laserowego, 11-uzwojenie grzewcze, 12-arowy prt rurowy Nagrzewnica lub wieca płomieniowa umieszczona jest w kolektorze sscym silnika i podgrzewa powietrze zasysane do cylindrów. Podgrzewacz rozruchowy stanowi zespół złoony z silnika elektrycznego, pompy paliwowej, dmuchawy i pompy wodnej. Ciepło uzyskane w wyniku spalania paliwa w odpowiednim kotle, podgrzewa ciecz chłodzc silnik w wymienniku ciepła podgrzewacza oraz olej w misce olejowej, ułatwiajc w ten sposób rozruch silnika w niskich temperaturach (poniej 273K). 2.3 UKŁAD ZAPŁONOWY Zapłon mieszanki paliwowo - powietrznej W przestrzeni midzy elektrodami wiecy, w wyniku przyłoonego napicia, nastpuje jonizacja lawinowa czsteczek. Przestrze midzy elektrodami wypełnia si mostkiem poruszajcych si elektronów, jonów ujemnych i jonów dodatnich. Jest to tzw. wyładowanie pojemnociowe. Wytwarzana w tej fazie energia kinetyczna noników ładunku elektrycznego w postaci przeskoku iskrowego i łuku, któremu towarzyszy intensywne wydzielanie si ciepła. Kanał iskrowy inicjuje zapalenie si mieszanki. Energia konieczna do zapłonu mieszanki wynosi około 0.4 MJ. Płomie pojawia si w mieszance dopiero po pewnym czasie po wyładowaniu iskrowym (15-20) o OWK. Okres midzy przeskokiem iskry a pojawieniem si płomienia nazywany jest okresem indukcji lub spalaniem zimnym, w którym odbywaj si w mieszance porednie reakcje utleniania paliwa i tworzenia nadtlenków i aldehydów. Druga faza procesu spalania rozpoczyna si z chwil pojawienia si płomienia w komorze spalania. Powstały płomie ogarnia szybko coraz dalsze strefy komory spalania wskutek czego gwałtownie podwysza si cinienie (około 0,6 MN/m ) i temperatura ładunku cylindra (około 2200K). Proces spalania mieszanki charakteryzowany jest prdkoci rozprzestrzeniania si płomienia w mieszance. Prdko ta zaley od składu mieszanki, intensywnoci zawirowania, cinienia sprania oraz temperatury mieszanki i wynosi (20-30) m/s. Napicie inicjujce wyładowanie zaley od : - kształtu elektrod wiecy - w celu przypieszenia jonizacji stosuje si elektrody ostro zakoczone; - odstpu midzy elektrodami - stosuje si odstp (0,6-0,9) mm;

17 - materiału elektrod i ich powierzchni - elektrody nie powinny zbyt szybko utlenia si, za chropowata powierzchnia powoduje obnienie napicia przebicia; - szybkoci narastania napicia - im szybciej narasta napicie na elektrodach wiecy tym wysze jest napicie przebicia; - biegunowo instalacji - przy biegunie "+" połczonym z mas przebicie przestrzeni midzy elektrodami, ze wzgldu na wysz temperatur rodkowej elektrody wiecy zapłonowej, nastpuje przy niszej wartoci napicia przebicia; - właciwoci mieszanki. Powysze właciwoci ujmuje empiryczny wzór Paschena, odwzorowany na rys.2.34: U = kap, [V] (2.25) T gdzie: k - współczynnik zaleny od materiału, ukształtowania i rozmieszczenia elektrod, a - odstp midzy elektrodami [mm], p - cinienie [MPa], T - temperatura [K}. oraz ilustruj wykresy na rys Rys Zaleno napicia przebicia na wiecy zapłonowej od cinienia i temperatury w cylindrze silnika Zapłon akumulatorowy Budowa i działanie układu - obwód zapłonu akumulatorowego (rys. 2.35) składa si: - ze ródła prdu (akumulator, prdnica); - z cewki zapłonowej, przetwarzajcej niskie napicie (12V) na wysokie (10-24kV), niezbdne do wywołania przeskoku iskry pomidzy elektrodami wiecy zapłonowej; - aparatu zapłonowego składajcego si z przerywacza w obwodzie niskiego napicia i rozdzielacza w obwodzie wysokiego napicia oraz regulatorów kta wyprzedzenia zapłonu; - kondensatora, który włczony jest równolegle do styków przerywacza i przypiesza zanikanie strumienia magnetycznego w cewce, co zapewnia wzrost napicia indukowanego oraz zmniejsza iskrzenie midzy stykami; - wiec zapłonowych, do wyładowa iskrowych w komorach spalania silnika; - przewodów niskiego i wysokiego napicia; Rys Schemat elektryczny bateryjnego układu zapłonowego silnika czterocylindrowego 1-wyłcznik zapłonu, 2-akumulator, 3-uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej, 4-przerywacz prdu pierwotnego, 5-uzwojenie wtórne cewki zapłonowej, 6-krzywka, 7-rozdzielacz wysokiego napicia, 8-wieca zapłonowa W zjawiskach wystpujcych w obwodzie zapłonowym wyrónia si trzy okresy : - zamknicie si styków przerywacza i proces narastania prdu w obwodzie pierwotnym, - otwarcie styków przerywacza i proces indukowania si w uzwojeniach cewki sił elektromotorycznych, - wyładowanie iskrowe na elektrodach wiecy zapłonowej. Okres 1 Po zamkniciu si styków przerywacza w obwodzie pierwotnym układu płynie prd i 1, którego warto wyraa si wzorem : i 1 = U R {1 - exp (- t T z )} (2.26) gdzie : U - napicie akumulatora, R - rezystancja obwodu pierwotnego, T - stała czasowa obwodu pierwotnego, t z - czas zamknicia styków przerywacza. Prd i1 narasta według krzywej wykładniczej i po czasie 5T równa si w przyblieniu :

18 i 1 ust = U R (2.27) Okres 2 Po rozwarciu styków przerywacza obwód pierwotny zamyka si przez kondensator C, stajc si obwodem drgajcym RLC z zanikajcym przepływem prdu i 1 (rys.2.36).uzwojenie wtórne jest równie obwodem drgajcym sprzonym indukcyjnie z obwodem pierwotnym, co powoduje indukowanie si siły elektromotorycznej e 2 max o wartoci : e 2 max = I 1 C z 1 z 1 L 2 + C 2 (2.28) gdzie:l- indukcyjno cewki zapłonowej, C 1 - pojemno obwodu pierwotnego, C 2 - pojemno obwodu wtórnego, z 1 / z 2 - przekładnia cewki zapłonowej. Rys Przebiegi prdu pierwotnego i 1 (a), napicia wtórnego e 2 (b) w funkcji czasu Okres 3 Przejciowy proces drga tłumionych e 2, wystpiłby wtedy gdyby nie doszło do przebicia na elektrodach wiecy zapłonowej (rys.2.36b - linia przerywana). W rzeczywistoci napicie przebicia U p na wiecy jest nisze od U 2 max i proces drga urywa si. W wyładowaniu na elektrodach wiecy wyrónia si nastpujce fazy: - wyładowanie iskrowe (pojemnociowe), wywołuje je energia zgromadzona w polu elektrycznym pojemnoci obwodu zapłonowego, trwa kilka mikrosekund, natenie prdu osiga warto chwilow ( ) ma, charakteryzuje si jasno - niebiesk iskr; - wyładowanie łukowe i nastpujce po nim wyładowanie jarzeniowe (indukcyjne), ródłem ich jest energia skupiona w polu magnetycznym układu zapłonowego, trwa kilka milisekund, natenie prdu jest nisze i wynosi kilkadziesit ma, charakteryzuje si słabym wieceniem o barwie czerwono - fioletowej. Zapłon elektroniczny W konwencjonalnym układzie z cewk zapłonow zarówno energia zapłonu jak i wysokie napicie s ograniczone mechaniczn wydajnoci łczeniow przerywacza. Za wzrost stopnia sprania silników spalinowych, domieszki antydetonacyjne wytwarzajce nagar na izolatorach wiec zapłonowych oraz stosowanie uboszych mieszanek, które wymagaj wikszych odstpów elektrod, determinuj wzrost mocy układu zapłonowego. Klasyczny układ zapłonowy nie moe prawidłowo spełnia tych wymaga, std konieczno stosowania elektronicznych układów zapłonowych. Wyrónia si tu: a) elektroniczne układy zapłonowe ze sterownikiem stykowym : - tranzystorowy układ zapłonowy, - kondensatorowy układ zapłonowy; b) elektroniczne układy zapłonowe ze sterownikiem bezstykowym. Tranzystorowy układ zapłonowy W układzie tranzystorowym, zwanym równie układem gromadzcym energi w indukcyjnoci, elementem sterujcym przepływ prdu w uzwojeniu pierwotnym jest tranzystor (rys.2.37). Obwód główny tranzystora zasilany jest z akumulatora. Prd bazy tranzystora, niezbdny do włczenia tranzystora, co jest równoznaczne z przepływem prdu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej (gromadzenie energii w indukcyjnoci cewki) moe płyn w przypadku zwarcia styków przerywacza. Prd ten jest znacznie mniejszy (20-50) razy od wartoci prdu płyncego przez złcze emiter - kolektor tranzystora i uzwojenie pierwotne cewki. W chwili zwarcia styków przerywacza tranzystor przestaje przewodzi, nagromadzona w indukcyjnoci energia zostaje rozładowana. Nagła zmiana prdu w

19 uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej powoduje indukowanie si impulsu wysokiego napicia w jej uzwojeniu wtórnym i wyładowanie elektryczne na elektrodach wiecy zapłonowej. Rys Schemat elektronicznego układu zapłonowego z gromadzeniem energii w indukcyjnoci (tranzystorowy układ zapłonowy) Układ tranzystorowy charakteryzuje si wyszym ni w układzie klasycznym napiciem wtórnym w zakresie niskich i wysokich prdkoci obrotowych silnika. Jest to spowodowane duo szybszym zanikiem prdu bazy (bez iskrzenia i o mniejszej wartoci ni prd cewki w obwodzie klasycznym) oraz impulsowej pracy tranzystora. Kondensatorowy układ zapłonowy Układ gromadzcy energi w pojemnoci zwany jest te układem tyrystorowym, a nazwa ta pochodzi od elementu sterujcego przepływem prdu w uzwojeniu pierwotnym cewki zapłonowej (tyrystora) najczciej stosowanego w układach kondensatorowych. Rys.2.38 przedstawia schemat wyjaniajcy zasad działania układu. Kondensator ładowany jest napiciem z akumulatora przez przetwornic. Rozładowanie energii nagromadzonej w kondensatorze nastpuje poprzez tyrystor na cewk zapłonow w chwili rozwarcia styków przerywacza. W wyniku rozładowania kondensatora, znajdujcego si w uzwojeniu pierwotnym cewki, w jej uzwojeniu wtórnym indukowany jest impuls wysokiego napicia wywołujcy przeskok iskry na elektrodach wiecy. Rys Schemat elektronicznego układu zapłonowego z gromadzeniem energii w pojemnoci (tyrystorowy układ zapłonowy) Elektroniczne układy zapłonowe ze sterowaniem bezstykowym Bezstykowy układ sterowania składa si z: - czujnika (zastpujcego krzywk układu stykowego) wytwarzajcego sygnał elektryczny w chwili zapłonu, - układu formujcego, przekształcajcego sygnał z czujnika na impuls wysterowywujcy tranzystor lub tyrystor układu zapłonowego. W układach zapłonowych ze sterowaniem bezstykowym stosowane s czujniki parametryczne i generatorowe. Stosuje si nastpujce czujniki parametryczne: - wzajemno indukcyjne, wykorzystujce zmienno indukcji wzajemnej kilku uzwoje, - fotooporowe, wykorzystujce zmian rezystancji pod wpływem wiatła. Czujniki te charakteryzuj si tym, e sygnał sterowany kształtuje si przez zmian parametrów obwodu, takich jak rezystancja, pojemno i indukcyjno. Sporód czujników generatorowych stosuje si : - magnetoelektryczny, składajcy si z nieruchomej cewki i wirujcego magnesu trwałego (liczba biegunów odpowiada liczbie cylindrów silnika spalinowego), - fotoelektryczny, zbudowany z nieruchomego ródła wiatła (dioda luminescencyjna) i obracajcej si z prdkoci obrotow silnia tarczy z naciciami, których ilo odpowiada liczbie cylindrów silnika. Elementami elektronicznymi stosowanymi w tym czujniku s fotorezystory, fotodiody i fototranzystory. Przykładowe rozwizanie elektronicznego układu zapłonowego ze sterowaniem za pomoc czujnika magnetoelektrycznego przedstawia rys Rys Schemat elektronicznego układu zapłonowego ze sterowaniem za pomoc czujnika magnetoindukcyjnego w samochodzie FSO Polonez Caro.

20 a) schemat pogldowy, b) schemat ideowy, c) połczenia modułu elektronicznego GL-118 z układem Dla porównania przestawionych układów zapłonowych podaje si ich charakterystyki napicia w obwodzie wtórnym oraz poboru prdu przez układ zapłonowy w funkcji prdkoci obrotowej silnika. Porównanie tych charakterystyk wskazuje na wyszo układów zapłonowych tyrystorowych ze sterowaniem bezstykowym UKŁAD ELEKTRYCZNY WTRYSKU PALIWA Cigłe zaostrzanie norm ograniczajcych dopuszczaln emisj zwizków toksycznych w spalinach, uniemoliwia obecnie ganikowym układom zasilania ich spełnienie. Aby spełni wymagania ekologiczne, zastosowano w silnikach o ZI wtryskowy system zasilania, pocztkowo w celu wyeliminowania wad zasilania ganikowego z analogiczn optymalizacj pracy silnika; na maksymaln moc N e i minimalne jednostkowe zuycie paliwa g e. Badania wykazały, e zastosowanie zasilania wtryskowego powoduje zmniejszenie emisji zwizków toksycznych w nieustalonych warunkach pracy silnika (przyspieszanie, hamowanie) o % w porównaniu z zasilaniem ganikowym. Obecnie najnowsze systemy wtrysku benzyny pozwalaj optymalizowa prac silnika o zapłonie iskrowym poprzez sterowanie mas powietrza dla potrzeb spalania stechiometrycznego (+/- 4%), przede wszystkim ze wzgldu na minimaln toksyczno spalin i minimalne zuycie paliwa. W tego typu układach dawka paliwa odmierzana jest precyzyjnie i podawana do układu dolotowego za porednictwem wtryskiwaczy, w zalenoci od stanu cieplnego silnika i jego obcienia, temperatury i cinienia powietrza atmosferycznego, masy zasysanego powietrza oraz składu spalin. Dodatkowo, obnienie koncentracji toksycznych składników spalin (CO, C, NO x ) uzyskuje si poprzez [3,4]: - elektroniczne sterowanie prac układu zapłonowego; - zastosowanie recyrkulacji spalin; - katalityczne dopalanie CO i CH oraz redukcja NOx w układzie wydechowym. Poszukiwania sposobów zwikszania sprawnoci silników o zapłonie iskrowym doprowadziły do stosowania silników z bezporednim wtryskiem benzyny do cylindrów silnika. Zaletami takich konstrukcji jest : znaczco wysza sprawno (jednostkowe zuycie paliwa wynosiło 270 g/ kwh), wysze koszty wytwarzania zwizane z wymagan dokładnoci wykonania czci i zespołów wtryskowych, bardzo dobre przygotowanie mieszanki i napełnianie cylindrów, gdy wystpuj mniejsze opory przepływu układów dolotowych pozbawionych ganików z ich gardzielami. utrzymywanie składu mieszanki na wymaganym poziomie niezalenie od cinienia powietrza wlotowego, jego temperatury, a nawet wilgotnoci oraz zdolno do uzyskiwania niezbdnej mocy np. do ruchu pojazdu natychmiast po uruchomieniu silnika (nawet przy niskich temperaturach otoczenia). Zasilanie w paliwo, przy wykorzystaniu metody niskocinieniowego wtrysku benzyny do układów dolotowego jednopunktowego i wielopunktowego, mona było jednak zastosowa dopiero po osigniciu dostatecznie wysokiego poziomu rozwoju elektroniki. Niezbdna jest bowiem dua trwało urzdze elektronicznych w rónych warunkach klimatycznych wystpujcych podczas eksploatacji pojazdu. Układ wtryskowy K- JETRONIC Układ wtryskowy K- Jetronic, stosowany w silnikach o zapłonie iskrowym, to