Система електричного пуску двигунів

 

1. Система електричного пуску двигунів.

2. Призначення і конструкція стартерних акумуляторних батарей.

3. Основні характеристики свинцевих акумуляторних батарей.

4. Стартери.

 

1. Системи пуску призначені для переводу двигуна із стану спокою в режим стійкої самостійної роботи. У функції системи входять підготовка оптимальних умов для пуску і розкручування колінчастого валу до пускової частоти, що забезпечує утворення і запалювання робочої суміші.

Система пуску складається з акумуляторної батареї стартера, електричного ланцюга (дротів, вимикачів, реле) і засобів, що полегшують пуск.

Мінімальна пускова частота обертання, при якій можливий пуск восьми-циліндрового V-подібного карбюраторного двигуна, при 0 ^оС складає близько 0,5 с^-1, а за температури мінус 30 ^оС - більше 1,3 с^-1. Пускова частота однотипного дизеля рівна 1,3 і 2,8 с^-1 відповідно при температурах 0 ^оС і мінус 15 ^оС. З пониженням температури момент опору і пускова частота обертання збільшуються, а момент, що розвивається стартером, знижується. Для забезпечення пуску холодних двигунів застосовують підігріваючі пристрої (свічки розжарювання, електрофакельні підігрівачі) і пускові рідини.

Схема системи пуску автомобілів (рис. 103) оснащених генератором змінного струму, складається із стартера 9 з тяговим реле 5, додаткового реле 3, акумуляторній батарея 4, вимикача 2 запалення і стартера. При включенні стартера вимикач замикає ланцюг обмотки додаткового реле (хвильові стрілки). Контакти останнього замикаються і включають ланцюг втягуючої 7 і утримуючої 6 обмоток тягового реле (суцільні прямі стрілки). Одночасно через контакти додаткового реле (а в деяких автомобілів через додаткові контакти стартера) поступає струм в котушку запалення, минувши додатковий резистор. Струм втягуючої (послідовної обмотки) тече через обмотку збудження і якір стартера. Схема системи пуску трактора К-701 показана на рис. 104.

 

До катушки запалення

Рис. 103. Схема системи пуску автомобіля ГАЗ-53А: 1 – покажчик струму; 2 – вимикач запалення і стартера; 3 – додаткове реле; 4 – акумуляторна батарея; 5 – тягове реле; 6 – утримуюча обмотка; 7 – втягуюча обмотка; 8 – шестерня приводу стартера; 9 – з’єднання обмоток стартера

 

Рис. 104. Схема системи пуску трактора К-701

 

2. Акумуляторна батарея на тракторах і автомобілях призначена для живлення стартера під час пуску двигуна і інших споживачів, коли ще не працює генератор.

На вітчизняних тракторах і автомобілях застосовують свинцево-кислотні акумуляторні батареї стартерів. Акумуляторна батарея – це хімічне джерело струму багатократної дії, який необхідно заздалегідь заряджати. В процесі зарядки акумулятори одержують певну кількість електричної енергії від джерела постійного струму. При цьому відбувається перетворення електричної енергії в хімічну. В процесі розрядки відбувається зворотне перетворення, і споживачі одержують електричну енергію.

Найбільш важкий режим роботи акумуляторної батареї – живлення стартера, споживаючого під час пуску струм від 150 до 800 А, а іноді і більш. Тому акумуляторні батареї, здатні віддавати великий струм при незначному падінні напруги, називають стартерними.

Акумуляторні батареї (рис. 105, а) складаються з трьох або шести послідовно сполучених акумуляторів, розміщених в загальному корпусі, – моноблоці 8, який розділений перегородками відповідно на три або шість осередків. У кожному осередку поміщені напівблоки позитивних і негативних пластин. Напівблоки складається з декількох однойменних позитивних 3 або негативних 1 пластин, сполучених між собою паралельно за допомогою бареток 5. До останньої приварений вивідний штир 6, який служить виводом “+” або “–“ напівблока. Негативних електродів у напівблоках звичайно на один більше, ніж позитивних. Таким чином, кожний позитивний електрод знаходиться між двома негативними і, працюючи обома сторонами, не окислюється.

Між позитивними і негативними електродами встановлені сепаратори 2, що виготовляються з пористих кислотостійких матеріалів: мікропористої гуми (Р – міпор), мікропористої пластмаси (М – міпласт) або пористого полівінілхлориду. Сепаратори оберігають різнойменні електроди від замикання.

Акумуляторні батареї, призначені для роботи в тяжких умовах, роблять з подвійними сепараторами, що складаються з міпора або міпласта і скловолокна, що укладається до позитивного електрода. Зверху над сепараторами в кожний акумулятор встановлений перфорований щит 4 з ебоніту або пластмаси, який оберігає сепаратори від пошкодження під час проб електроліту і вимірі температури.

 

Рис. 105. Акумуляторні батареї: а – із зовнішнім з’єднанням акумуляторів; б – зі з’єднанням через перегородку під загальною кришкою; в – зі з’єднанням крізь отвір в перегородці; 1 – негативні пластини; 2 – сепаратор; 3 – позитивна пластина; 4 –запобіжний щит; 5 – баретка; 6 – вивідний штир; 7 – клема “+”; 8 – моноблок; 9 – мастика ущільнююча; 10 – пробка; 11 – кришка; 12 – міжелементні перемички акумуляторів;13 – вентиляційний отвір; 14 – клема “–”; 15 – опорне ребро

 

Моноблоки виготовляють з ебоніту або пластичних мас. На дні осередків моноблоку є опорні призми, на які встановлюють блоки електродів. Простір між призмами служить для збору випадаючого під час роботи осадка і запобігання замикання їм різнойменних електродів. Кожний осередок моноблоку зверху закривають окремою кришкою з ебоніту або пластмаси. В кришках зроблено три отвори: середнє різьбове, що закривається пробкою, служить для заливки електроліту; два крайніх, армованих свинцевими втулками, – для вивідних штирів негативних і позитивних електродів.

Стики кришки зі стінами і перегородками моноблоку герметизують заливальною бітумною мастикою.

Акумулятори в батареї сполучають послідовно свинцевими перемичками 12, які розташовані над кришками і приварені до штирів та свинцевих втулок. В батареях 6СТ-55 сполучні перемички розташовані нижче поверхні кришок і залиті мастикою, при цьому довжина штирів і їх електричний опір зменшений (рис. 105, б).

Випускаються також батареї (6СТ-55П) із загальною для всіх осередків полипропиленовою кришкою, яка приварена до корпусу і утворює з ним загальний нерозбірний моноблок. Еластичність пропилену дає можливість з’єднати акумулятори між собою через отвори в перегородках моноблоку (рис. 105, в), за рахунок чого зменшено довжину і масу міжелементних з’єднань і майже удвічі знижено їх електричне опір, що забезпечило підвищення розрядної напруги на 0,1... 0,2 В.

Заливні отвори кришок закривають різьбовими пробками 10 з вентиляційними отворами для виходу газів і відбивачами для запобігання вихлюпування електроліту під час руху. В більшості сучасних поліетиленових пробок вентиляційні отвори закінчуються глухим приливом у верхній частині пробки, що забезпечує герметизацію акумуляторів під час зберігання. Перед експлуатацією батареї прилив обов’язково треба зрізати.

На штирі крайніх акумуляторів виходів наварені конусні полюсні висновки стандартних розмірів. Позитивні і негативні електроди є решітками, відлитими із сплаву свинцю (93...95 %) і сурми (5...7 %) і заповнені активною масою. Сурма підвищує міцність і поліпшує ливарні якості. Активна маса позитивних електродів у зарядженому стані – двоокис свинцю (РЬО₂) темно-коричневого кольору, а негативних – губчастий свинець (РЬ). Перед введенням в дію акумуляторні батареї заливають електролітом, що є розчином сірчаної кислоти (в дистилюючій воді).

Конструктивна особливість необслуговуваних батарей – установка електродів у сепараторах (конвертах) на рівне дно моноблоків або на укорочені призми. При цьому виключається замикання різнополярних пластин і збільшується рівень електроліту над верхньою кромкою електродів, що дозволяє подовжити терміни між поповненням води в акумулятори.

У маркуванні батарей включаються: тип батареї, матеріал моноблоку і сепараторів і виконання. Тип батареї визначають за числом послідовно сполучених акумуляторів (3 або 6), що характеризує номінальну напругу (6 або 12 В); за призначенням – стартер (СТ); за номінальною місткістю при 20-вартовому режимі розряду (6СТ-75). Матеріал моноблоку позначають буквою після номінальної місткості: Е – ебоніт, Т – термопласт; матеріал сепараторів – буквами: М – міпласт, Р – міпор, С – стекловолокно; виконання також буквами: А – із загальною кришкою; Н – несухозаряжений (наприклад, 6СТ-75ТМСН).

Окрім умовного найменування, на кожній батареї нанесені: товарний знак підприємства-виготівника, дата випуску (місяць, рік), позначення стандарту або технічних умов.

 

3. Електрорушійна сила. Електрорушійною силою (ЕРС) акумулятора називають різницю потенціалів між позитивними і негативними електродами, зміряну при розімкненому зовнішньому ланцюзі. Значення ЕРС можна визначити приблизно за допомогою вольтметра, що має великий внутрішній опір (не менш 300 Ом/В) і акумулятора (або батареї), що підключається до висновків, паралельно.

Електрорушійна сила свинцевих акумуляторів залежить від густини електроліту, від температури (трохи) й абсолютно не залежить від розмірів електродів і кількості активної речовини. Залежність ЕРС спокою від густини електроліту відображає емпірична формула:

Ео = 0,847 + γ,

де γ – густина електроліту при температурі 25^оС, г/см³.

Під час розряді густина електроліту в порах активної маси знижується, а при заряді підвищується порівняно з густиною у спокої внаслідок утворення відповідно води або кислоти. Тому ЕРС акумулятора при розряді (Ер) буде на величину Δ Е менше, а при заряді більше, ніж при спокої.

Внутрішній опір акумуляторів проходженню зарядного або розрядного струмів складається з омного опору електродів, сепараторів, електроліту, інших частин, що проводять струм, і опору поляризації, який викликає зміну потенціалів електродів при проходженні струму. В зарядженому стані при позитивній температурі воно невелике і складає тисячні частки ома, а опір розрядженого акумулятора зростає більше ніж в 2 рази.

З пониженням температури електроліту від 30 до –40 ^оС його питомий опір зростає приблизно в 8 разів.

ЕРС при розряді акумулятора розподіляється на подолання внутрішнього опору й опору споживачів на зовнішній ділянці ланцюга. Втрати на внутрішній ділянці ланцюга називають внутрішнім падінням напруги (I_pr), а ту частину ЕРС, яка прикладена до зовнішньої ділянки ланцюга, – напругою розряду (Up). Напруга акумулятора під час розрядження менше ЕРС розряду на величину внутрішнього падіння напруги:

,

де r – внутрішній опір акумулятора, Ом; I_p – струм розряду, A; R – опір зовнішньої ділянки ланцюга, Ом.

З наведеної залежності видно, що напруга на клемах акумулятора залежить в основному від значень зарядного і розрядного струмів і внутрішнього опору. Внутрішній опір залежить від конструкції і розмірів акумулятора. По напрузі, заміряній при певному розрядному струмі, судять про ступінь разряжен-ности акумуляторів. Напругу заміряють вилкою навантаження або акумуляторними пробниками Е 107 і Е 108.

Ємність акумуляторних батарей – це кількість електрики, яка виражається в ампер-годинах, яке може бути отримане від батареї під час безперервного розряду і заданої температури до практично доцільної кінцевої напруги. Номінальна ємність батарей визначається під час безперервного 20-вартового розряду силою струму, рівної 1/20 номінальної ємності і (I_p = 0,05С20 А), до кінцевої напруги на виходах 5,25 В у батареї шестивольтної і 10,5 В у дванадцативольтної. При цьому температура електроліту повинна перебувати в інтервалі від 18 до 27 ^оС. Отриману розрядну ємність обчислюють за формулою:

,

де I_p – струм розряду, А; Тр – час розряду, год.

Ємність акумуляторних батарей залежить від ряду конструктивних і експлуатаційних чинників: розмірів і числа електродів, товщини і пористості активних матеріалів, конструкції і матеріалу сепараторів, густини і температури електроліту, величин і режимів зарядних і розрядних струмів, ступеня зарядженої і зносу. Збільшення густини електроліту підвищує місткість, але знижує термін служби акумуляторів. Тому густину електроліту збільшують до 1,30 кг/см3 тільки для зимової експлуатації в дуже холодній кліматичній зоні.

Зі збільшенням сили розрядного струму поверхневі шари більш інтенсивно беруть участь в хімічних процесах розряду, а сірчано-кислий свинець, що утворюється, закупорює пори активних мас і ускладнює проникнення електроліту до внутрішніх шарів електродів. Використовування активної маси, а отже, і ємність знижуються. Ось чому важливо дотримувати режими пуску двигуна стартером.

Пониження температури електроліту на один градус в області позитивних температур викликає зниження ємності приблизно на 0,6... 1,0 %, а при негативних температурах і збільшених розрядних струмах - до 2 % і більш.

Характеристика заряду акумулятора постійною силою струму, рівною 0,1С20, відображає залежність зміни напруги (U₃), ЕРС (Е₃) при заряді, густини електроліту (γ) і ЕРС спокою від часу заряду (рис. 106). Для заряду акумуляторної батареї її позитивний висновок сполучають з таким же полюсом зарядного пристрою, а негативний – з негативним. Напруга зарядного пристрою (U₃) повинна перевищувати ЕРС заряду (Е₃) акумуляторної батареї на I_pr. У міру зарядки лінійно зростають густина електроліту (від 1,11 до 1,27 г/см3) і ЕРС спокою (від 1,95 до 2,11 В). ЕРС заряду перевищує ЕРС спокою на Δ Е, обумовлену підвищеною густиною електроліту в порах пластин при зарядці щодо густини в судині. Коли в кінці зарядки велика частина сірчано-кислого свинцю переходить у двоокис свинцю і губчастий свинець, U₃ підвищується до 2,4 В. при цьому починається розкладання води, частина іонів водню і кисню нейтралізується і виділяється у вигляді пухирців газу, викликаючи кипіння електроліту. Незабаром після цього зарядна напруга досягне 2,7 В і припинить збільшуватися, що буде свідчити про закінчення заряду. Після виключення зарядного струму напруга падає до значення ЕДС заряду, а потім поступово, у міру вирівнювання густини електроліту, знижується до ЕРС спокою.

 

Рис. 106. Характеристики акумуляторів: а – зарядження струмом, рівним 0,1 С20; б – розрядження струмом, рівним 0,05 С20

 

Віддача акумуляторною батареєю електричної місткості при розряді завжди менше отриманої ним ємності при заряді, оскільки частина енергії витрачається на побічні процеси (нагрів, електроліз води). Відношення ємності (в амперах-година), отриманої під час розряду, до ємності, отриманої під час зарядки, називають коефіцієнтом віддачі за ємністю. Він для свинцево-кислотних акумуляторів приблизно рівний 0,85.

Саморозряд. Акумуляторні батареї, поставлені на зберігання з електролітом, втрачають ємність від саморозряду. Причина саморозряду – неминуча присутність у пластинах сторонніх домішок металів (сурми, срібло, мідь і др.), а також домішок (солі металів), внесених з електролітом і сепараторами, плівки електроліту, води та інших забруднень на поверхні акумуляторів.

На саморозряд роблять вплив температура електроліту, термін служби і ступінь зарядженості акумуляторної батареї. Середньодобовий саморозряд звичайної зарядженої батареї протягом 14 суток при температурі оточуючого повітря 20 ± 5 ^оС на початку терміну служби не повинен перевищувати 0,7 % ємності, в середині терміну служби – біля 2 %, а в кінці – приблизно 4 %. При температурі -18 ^оС і нижче саморозряд практично відсутній і лише спостерігається в кінці терміну служби (близько 0,2 %).

 

4. Стартер СТ362 з електромеханічним включенням (рис107, а). Основні частини стартера: якір 24 (рис. 107, б) і сталевий циліндровий корпус 25, з внутрішньої сторони якого закріплено чотири полюсні наконечники 23 з котушками обмотки збудження. Якір обертається між полюсами статора в двох бронзових підшипниках ковзання, встановлених у кришках 19 і 27 корпуса. На валу 20 якоря розташовані торцевий колектор 26 і пакет пластин з електротехнічної сталі, в пазах якого укладена обмотка якоря. Дроти (шини) обмотки якоря сполучені з пластинами колектора. В гніздах кришки 27 поміщені щітки 4, притискуванні до колектора пружинами 1. Дві щітки “–“ сполучено із спеціальним утримувачем, через який відбувається електричний контакт з корпусом (“масою”) стартера, а дві щітки “+” ізольовано від (“маси”) і сполучено з обмоткою збудження.

Муфта вільного ходу складається із зовнішньої обойми 8, що веде, яка жорстко сполучена зі шліцьовою втулкою 1 (рис. 107, в), і веденої обойми 11, яка виконана разом з шестернею приводу. В чотирьох клиноподібних пазах обойми, що веде, встановлено чотири ролики 10. Ролики підтискаються пружинами 14 у вузькі частини пазів між обоймами, ведучою і веденою, через плунжери 13 (в плунжерній муфті) або через Г-подібні штовхачі 16 (в безплунжерній муфті). Якщо після пуску двигуна швидкість обертання веденої обойми перевищить частоту обертання ведучої, обойми розклинюються, оскільки ведена захоплює ролики в широку частину паза.

Рис. 107. Стартер СТ362: а – схема включення; б – загальний вигляд; 1 – пружина щітки; 2 – ковпак; 3 – стяжний болт; 4 – щітка; 5 – гайка; 6 – перемичка; 7 і 13 – зворотні пружини; 8 – контакти; 9 – контактний диск; 10 – котушка тягового реле; 11 – тягове реле; 12 – сердечник тягового реле; 14 – сережки; 15 – важіль; 16 – прокладка ущільнююча; 17 – муфта вільного ходу; 18 – кільце; 19 – кришка збоку приводу; 20 – вал якоря; 21 – шестерня приводу; 22 – шліцьова втулка приводу; 23 – обмотка збудження; 24 – якір стартера; 25 – корпус стартера; 26 – колектор; 27 – кришка збоку колектора; 28 – вимикач; 29 – послідовна обмотка; 30 – паралельна обмотка; 31 – вінець маховика; в – плунжерна муфта вільного ходу: 1 – втулка приводу; 2 – замкове кільце; 3 – опорне кільце; 4 – пружина; 5 – поводкова муфта; 6 і 7 – буферна пружина; 8 – обойма, що веде; 9 – кожух; 10 – ролик; 11 – втулка; 12 – шестерня; 13 – плунжер; 14 – пружина; 15 – упор пружини; г – безплунжерна муфта вільного ходу; 16 – штовхач

 

Схеми систем пуску, вживані на пускових двигунах тракторних дизелів та на автомобілях «Москвич-2140» і ВАЗ складаються з акумуляторної батареї, вимикача, тягового реле, що розташоване на корпусі стартера і служить для введення шестерні приводу в зачеплення з вінцем маховика, а також для виключення контактів ланцюга живлення стартера від батареї.

 

ЛЕКЦІЯ № 21