Техническая эксплуатация системы электроснабжения. Методы диагностирования

Интерес к вопросу о качестве напряжения в последние годы возрос. Связано это в первую очередь с широким применением на автомобиле электроники, требующей строгого соблюдения реко­мендуемых режимов эксплуатации и имеющей незначительную пе­регрузочную способность. Повышенная пульсация создает значи­тельную разницу между средним и действующим напряжениями и, следовательно, разные условия работы для потребителей, реаги­рующих на то или другое значение напряжения. При этом также возрастает статическая ошибка регулирования и ухудшаются усло­вия работы потребителей и аккумуляторной батареи. Так, напри­мер, при уменьшении напряжения на 5% световой поток ламп уменьшается на 20%, а при таком же увеличении напряжения срок службы ламп светосигнальной аппаратуры уменьшается в 2 раза. Повышение регулируемого напряжения на 10... 12% приводит к сни­жению срока службы аккумуляторной батареи в 2...2,5 раза.

На современных отечественных автомобилях для контроля за уровнем регулируемого напряжения и зарядом батареи применяют­ся стрелочные приборы - амперметры, вольтметры, а также лам­повые индикаторы, устанавливаемые на панели приборов. Ампер­метр подключают последовательно с батареей таким образом, что­бы через него проходил только зарядный или разрядный ток бата­реи (за исключением тока мощных потребителей электроэнергии

кратковременного действия - стартера, звукового сигнала, прикури­вателя и т. д.). Вольтметр непосредственно измеряет напряжение в бортовой сети автомобиля. Ламповый индикатор, контролирующий заряд батареи, управляется специальным реле, включенным между «плюсом» генератора и нулевой точкой фазных обмоток генератора (РС702 для автомобилей ВАЗ-2101, -2102 и др.), либо функции управления совмещены в одном узле с блокировкой стартера (РБ для автомобилей ЗАЗ, ЛуАЗ).

Большинство зарубежных фирм для контроля исправности гене­раторных установок включают контрольную лампу между «плюсом» основного силового выпрямителя и «плюсом» дополнительного. Такая же схема применена на автомобиле ВАЗ-2108 (см. рис. 1.11).

Однако необходимо отметить, что по показаниям этих приборов и индикаторов невозможно в полной мере оценить работу системы электроснабжения. Например, применение лампового индикатора, управляемого реле контроля заряда, не позволяет обнаружить по­вышение напряжения. При включении контрольной лампы между «плюсом» основного и дополнительного выпрямителей обеспечи­вается обнаружение неисправностей, связанное только с невозбуждением генератора, - обрыв цепи обмотки возбуждения, про­скальзывание или обрыв приводного ремня. Пользование вольт­метром или амперметром требуют от водителя знания специфики работы системы электроснабжения.

Полную информацию о работоспособности и возникших неис­правностях получают при диагностировании системы электроснабжения. При этом используется специальная диагностическая аппаратура (например, Элкон С-300, Э240, Э242 и др.).

Для контроля технического состояния аккумуляторных батарей используется аккумуляторный пробник (рис. 1.47), позволяющий измерять напряжение батареи под нагрузкой.

Рис. 1. 47. Аккумуляторный пробник:

1 - вольтметр; 2- нагрузочный резистор; 3 и 5- контакты;

4 - выключатель резистора

Срок службы аккумуляторных батарей определяется продолжи­тельностью с начала эксплуатации до момента, когда ее емкость снизится до 40% номинального значения. При прочих равных усло­виях срок службы батареи зависит от интенсивности ее эксплуата­ции. Реально автомобильный аккумулятор имеет срок службы 2-4 года.

Основными причинами выхода батарей из строя являются:

необратимая сульфатация электродов в результате частого раз­ряда током стартерного режима, длительного хранения при поло­жительной температуре без подзаряда и высокой плотности элек­тролита; коррозия решеток вследствие содержания в электролите посторонних примесей, оголения электродов (низкий уровень электролита), длительного перезаряда и длительного хранения сухозаряженных батарей (более 3 лет);

коробление электродов из-за неравномерности реакции по поверхности электродов вследствие большого разрядного тока, а также при большом зарядном токе;

выпадание активной массы положительных электродов, происходящее при перезаряде, а также при заряде, когда температура электролита больше 40°С; от сильной вибрации; после замерзания электролита;

короткое замыкание электродов осыпающейся активной массой. Одним из важнейших параметров, определяющих срок службы батарей, является так называемый ток перезаряда. Он имеет мсто при повышенном регулируемом напряжении автомобильного генератора (рис. 1.48). В результате перезаряда происходит обильное газовыделение («кипение»), что приводит к интенсивному разрушению активной массы электродов.

 

Рис. 1.48. Зависимость тока перезаряда от регулируемого напряжения при различной температуре электролита

Стартерные аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться при температурах окружающей среды от -40 до +60°С и на высоте над уровнем моря до 3000 м. Повышенная температура электролита способствует быстрому разрушению электродов, ускоряет сульфатацию и сокращает срок службы батареи. Для уменьшения химической активности электролита и электродов при высоких температурах в жаркой и теплой влажной климатических зонах в батареи заливают электролит пониженной плотности. Условия заряда батарей значительно ухудшаются при низких температурах. Холодные батареи заряжаются медленнее и часто остаются недозаряженными.

 

 

Рис. 1.49. Среднесуточный самораз­ряд свинцовой стартерной аккумуляторной батареи при хране­нии в течение 14 суток в зависимости от температуры:

1 - новой батареи; 2- в середине срока службы; 3- в конце срока службы

 

Причиной снижения срока службы батарей может быть также повышенный саморазряд, который зависит от многих факторов, главными из которых являются чисто­та электролита и его температу­ра. Иногда саморазрядом назы­вают быструю потерю емкости вследствие коротких замыканий внутри аккумулятора.

Ионы примесей (например, железа) в электролите действуют как переносчики заряда либо способствуют протеканию побоч­ных реакций, приводящих к рас­ходованию реагентов. Интенсив­ность этих реакций увеличивает­ся с температурой (рис. 1.49). Из рис. 1.49 видно, что с понижени­ем температуры электролита саморазряд уменьшается и при тем­пературах ниже нуля у новых батарей он практически прекращает­ся. Поэтому хранить батареи рекомендуется при пониженных тем­пературах.

Подготовка к работе аккумуляторных батарей сводится к состав­лению электролита, последующей проверке его плотности и заряду батарей. Электролит приготовляют из аккумуляторной серной ки­слоты и дистиллированной воды. Плотность электролита, заливае­мого в батарею, зависит от района эксплуатации, времени года и должна соответствовать данным табл. 1.3.

Климатическая зона	Время года	Плотность электролита, г/см^3, приведенная к температуре 25°С
заливаемого	заряженной батареи
Очень	Зима	1,29	1,31
холодная	Лето	1,25	1,27
Холодная	Круглый год	1,27	1,29
Умеренная	То же	1,25	1,27
Жаркая	«	1,23	1,25
Теплая влажная	«	1,21	1,23

 

При эксплуатации батарей в первую очередь обращают внимание на контроль зарядного тока, чтобы не допустить излишнего перезаряда или недозаряда, сокращающих срок их службы. Для этого необходимо постоянно сле­дить за техническим состоя­нием регулятора напряжения. Основными операциями тех­нического обслуживания акку­муляторных батарей являют­ся:

- постоянная проверка чис­тоты батарей и их вентиляци­онных отверстий;

- проверка уровня электро­лита и при необходимости корректировка его;

- проверка заряженности ба­тареи по замеру плотности электролита с учетом темпе­ратуры.

Уровень электролита контролируется стеклянной трубкой, кото­рую опускают вертикально в заливное отверстие до упора в предо­хранительный щиток. Затем верхний конец трубки зажимают паль­цем и вынимают ее из аккумулятора. Высота столбика электролита в трубке соответствует уровню электролита в аккумуляторе над предохранительным щитком. Нормальным считается уровень в пределах 10...15 мм.

Рис. 1.49. Среднесуточный саморазряд свинцовой стартерной аккумуляторной батареи при хранении в течение 14 суток в зависимости от температуры:

1 - новой батареи; 2- в середине срока службы; 3- в конце срока службы

 

Для проверки технического состояния батареи и оценки способ­ности ее к холодному пуску двигателя разработан специальный ди­агностический режим - разряд током «холодной прокрутки» при t = -18°С. Диагностическими параметрами при этом являются на­пряжение на 30-й и 150-й секундах разряда (соответственно кон­трольные точки КТ1 и КТ2 на рис. 1.50). Они должны быть соответ­ственно не менее 9 и 6 В у полностью заряженной батареи. Также используется такая характеристика, как сила тока, вызывающего падение напряжения до 1,2 В на аккумуляторе в течение 30 с.

Существуют методы диагностирования, основанные на контроле внутреннего сопротивления батареи и определении параметров ее эквивалентной электрической схемы. Неисправности, возникающие в батарее, по-разному влияют на диагностические параметры.

Наибольшей чувствительностью к неисправностям обладает ско­рость падения напряжения на линейном участке разрядной кривой U₆(t) (см. рис. 1.50) в стартерном режиме разряда . Этот па­раметр позволяет с достаточной для практических целей точностью оценить степень разряженности батареи в процессе электростартерного пуска двигателя.

При появлении коррозии решеток положительных электродов изменяется как показатель , так и внутреннее омическое сопротивление R0, при оплывании активной массы - 6Un/6t и поляризационное сопротивление Rп.

Диагностирование батареи может производиться также в процессе заряда или путем организации специальных тестовых воздействий (разряд ступенчатым, импульсным током и т. д.).

 

Рис. 1.50. Диагностический режим для проверки технического состояния аккумуляторной батареи при пуске двигателя

Вопросы для самоконтроля

1. Какие конструкции генераторов переменного тока применяются на современных автомобилях?

2. Из каких основных элементов состоит генератор переменного тока с клювообразным ротором?

3. За счет чего в современных автомобильных генераторах происходит ограничение максимального тока?

4. Каким образом происходит процесс регулирования напряжения генератора?

5. Какие бывают типы регуляторов напряжения, в чем их преимущества и недостатки?

6. Какие физико-химические процессы происходят в свинцово-кислотной аккумуляторной батарее при заряде и разряде?

7. Как осуществляется маркировка аккумуляторных батарей?

8. Что такое емкость аккумуляторной батареи в 20-часовом режиме разряда?

9. Какие существуют способы заряда аккумуляторных батарей?

10. Чем отличаются «необслуживаемые» аккумуляторные батареи?

11. Методы диагностирования аккумуляторных батарей.

 

 

ГЛАВА 2. Система пуска

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Система пуска представляет собой комплекс устройств, обеспечивающих принудительное вращение вала ДВС. Тип системы пуска определяется видом используемой энергии и конструкцией основного пускового устройства (стартера). В практике автомобилестроения встречаются инерционные стартеры, пневматические и гидропневматические системы пуска. Однако наибольшее распространение получила электростартерная система пуска, обладающая целым рядом положительных качеств. Эта система компактна и на-дежна в работе, обеспечивает возможность автоматизации процесса пуска с помощью несложных электротехнических устройств. Она состоит из аккумуляторной батареи, стартерной цепи (провода, коммутационная аппаратура управления), стартера и средств облегчения пуска (рис. 2.1).

Общим элементом для систем пуска и электроснабжения является аккумуляторная батарея. Однако режим ее работы в этих системах различен. В системах электроснабжения батарея работает в режиме циклического разряда и заряда, причем токи не превышают номинальной емкости (0,5...0,7)Q0- В системе пуска батарея разряжается в прерывистых режимах при силе тока (2...5)С20-

Развиваемая батареей мощность соизмерима с мощностью стартера. Поэтому ее характеристики зависят от режима стартерного разряда (силы тока, температуры, продолжительности пуска) и влияют на характеристики самого стартера и тем самым на процесс пуска двигателя.

Наиболее важными параметрами батареи, влияющими на процесс пуска двигателя, являются ее емкость и число электродов в аккумуляторе (так называемый счет сборки

п+ / п.), температура электролита 4 и степень разряженности батареи Д_Ср.

Рис. 2.1. Структурная схема электростартерной системы пуска 6* 83

 

 

Батарея в процессе пуска двигателя должна дать определенный ток без уменьшения напряжения ниже заданного минимального значения (6,0...8,0 В для системы на 12 В). Это значение определяется, с одной стороны, характеристиками стартера, который должен

обеспечить прокручивание двигателя с частотой не ниже мини­мальной пусковой, а с другой - требованиями системы зажигания к минимальному напряжению в первичной цепи катушки зажигания (для бензиновых двигателей) и минимальным напряжением на тя­говом реле стартера при пуске (для дизелей).

В связи с повышением требований к минимальным температу­рам пуска на ряде двигателей предусмотрена установка средств облегчения пуска холодного двигателя. Как правило, эти устройства за период своей работы (около 30 мин) потребляют энергию от ба­тареи. Таким образом, возникла новая разновидность стартерного разряда холодной аккумуляторной батареи: вначале на устройствах облегчения пуска двигателя сравнительно малым током - до 0,5С^₀. а затем на стартер большим током - (2,5...4,0)С₂₀

В качестве стартерного электродвигателя применяется электро­двигатель постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения. Его основными параметрами являются: номинальное напряжение U„ (12, 24 В); номинальная мощность Р_сн; номинальная частота вращения якоря п_сн и момент М_т\ ток при максимуме мощ­ности /_сн. Стартер как электрическая машина характеризуется ком­плексом электромеханических характеристик - зависимостями мо­мента, частоты вращения якоря, мощности, КПД и напряжения на зажимах от потребляемого тока /_с.

Стартер связан с маховиком двигателя зубчатой передачей, ос­новными параметрами которой являются: передаточное отношение

(цс ⁼ -^мах /

z_c (где z_Max - число зубьев венца маховика, z_c - число зубьев шестерни стартера); модуль зуба т, КПД зубчатой передачи T)_z = 0,85...0,9.

Стартер во время эксплуатации автомобиля работает со значи­тельной нагрузкой. Так, средняя частота его включений на 100 км пробега составляет в условиях города для легковых автомобилей 28, а для грузовых - 22.

Приводной механизм системы пуска представляет собой уст­ройство, обеспечивающее ввод и удержание шестерни стартера в зацеплении с венцом маховика во время пуска, передачу необхо­димого вращающего момента коленчатому валу и предохранение якоря стартерного электродвигателя от разноса вращающимся ма­ховиком работающего двигателя. Тяговое реле стартера является одновременно элементом как приводного механизма, обеспечивая его перемещения по оси вала якоря, так и стартерной цепи, замы­кая в конце хода якоря тягового электромагнита силовые контакты цепи питания стартера.

Средства облегчения пуска представляют собой устройства, по­зволяющие увеличить частоту прокручивания коленчатого вала двигателя за счет снижения момента сопротивления прокручива­нию или повышения энергетических возможностей пусковой систе­мы, улучшить условия смесеобразования и воспламенения топли­ва. Выбор способа и устройства, облегчающих пуск, определяется конструктивными особенностями двигателя, условиями эксплуата­ции и экономическими факторами.

2.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В РЕЖИМЕ ПУСКА

Электростартер является основным потребителем энергии ак­кумуляторной батареи. В зависимости от мощности стартера и ус­ловий пуска ДВС сила тока стартерного разряда составляет

100... 1500 А. Работа в стартерном режиме определяет тип и конструкцию батареи.

Основные параметры батареи оцениваются по вольт-амперной и временной характеристикам. Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость напряжения батареи Us от тока разряда /_б. Временная характеристика - это зависимость напряже­ния от времени разряда при постоянной силе разрядного тока. Производными от вольт-амперной и временной характеристик яв­ляются мощностные характеристики - зависимости мощности, от­даваемой батареей в нагрузку, от тока или времени разряда.

Вольт-амперная характеристика батареи может быть получена экспериментально или рассчитана для заданных условий разряда. Она выражается сложной кривой (рис. 2.2), имеющей квазилиней­ный участок в зоне от /₆ = С₂₀ до U, = 0,4U_HOM (кривая 1). Нелиней­ность этой характеристики объясняется нелинейностью внутренне­го сопротивления батареи, в основном его поляризационной со­ставляющей. С достаточной для инженерной практики точностью реальную вольт-амперную характеристику заменяют линейной, ко­торая образуется при продолжении квазилинейного участка в обе стороны до пересечения с осями тока и напряжения. Точки пересе­чения отсекают на осях координат отрезки, пропорциональные ус­ловному начальному разрядному напряжению U_Hp и условному току

 

Рис. 2.2. Вольт-амперные (1) и мощностные (2) характеристики батареи при температурах +25°С и -20°С.

короткого замыкания /_бк. Прямая, проведенная через эти две точки, называется расчетной вольт-амперной характеристикой аккуму­ляторной батареи.

Внутреннее сопротивление батареи по такой характеристике

R_б =U_нр/ I_бк

и пропорционально тангенсу угла наклона ф расчетной волы* амперной характеристики от оси тока.

В процессе разряда на нагрузку R_H батарея развивает активнук* мощность Р₆ = U₅I₅ = IqR_u (кривая 2).

Так как для расчетной вольт-амперной характеристики

U_б ⁼ U_нр ^- I_бR_б ⁼ /_бRн

то

P_б = U_НР²R_H

(r_н+r₆)²'

При R₆ = R_H мощность будет достигать своего максимального значения

При этом /_б = 0,5/бк и U₆ = 0,5L/_Hp (см. рис. 2.2). С уменьшением температуры батареи увеличивается ее внутреннее сопротивление R₅

и соответственно уменьшается максимальная мощность Ртах.

Для оси абсцисс вольт-амперной характеристики используются различные масштабы: сила тока разряда батареи /6 (А), ток разряда на один положительный электрод аккумулятора /6+ = Уп+ (А/п+), ток разряда на 1 А-ч номинальной емкости батареи J = I5/C20 [А/(А-ч)]. Удельные параметры дают возможность сравнивать вольт- амперные характеристики батарей различной емкости.

Учитывая, что максимум мощности батареи при ее разряде находится при значениях напряжения, близких к половине номинального (6 В для батареи на 12 В), рабочий участок характеристики в режиме пуска находится слева от тока разряда, равного 0,5/бК.

В виду линейного характера вольт-амперной характеристики ее расчет сводится к определению начального разрядного напряжения u_нр (/б = 0) и условного тока короткого замыкания /бк (Ue = 0).

Начальное разрядное напряжение определяется следующей эмпирической зависимостью:

(2.1)

где rn - число аккумуляторов в батарее; f3 - температура электролита; ДСР - разряженность батареи, %.

Очевидно, что ток короткого замыкания /бк невозможно определить экспериментально. Однако его можно рассчитать, имея координаты какой-либо рабочей точки а (/б, U6)

где /+ - условный ток короткого замыкания, приходящийся на один положительный электрод; - число положительных электродов в аккумуляторе.

Тогда

Вольт-амперная характеристика может быть представлена в виде уравнения прямой в отрезках

Учитывая формулу (2.1), получим

 

Уравнение (2.2) дает возможность рассчитывать вольт- амперную характеристику для батарей любой емкости (п+) и напряжения (т). Вольт-амперная характеристика для случая, когда т = 1 и л+ = 1, является единой для батарей всех типов, собранных из одних и тех же электродов и сепараторов. Переход к конкретному типу батареи осуществляется за счет изменения масштаба координатных осей. На рис. 2.3 показаны единые расчетные вольт- амперные характеристики аккумуляторной батареи с 1₊ = const, ДСР = 0 и (э = +40...-40°С. Ось абсцисс соответствует п₊ = 1. Ниже

Рис. 2.4. Изменение тока замыкания батареи 6СТ-75 в зависимости от числа попыток пуска при ДСР = 25% и различных температурах электролита

показано преобразование масштаба для п+ = 2...6 (соответственно изменяется и номинальная емкость батареи). По оси ординат показано преобразование масштаба напряжения при переходе от т = 1 (один аккумулятор с номинальным напряжением 2 В) к т = 6 (батарея 12 В).

По существующим нормативам продолжительность попытки пуска бензинового двигателя составляет 10 с, дизеля - 15 с, интервал между попытками - 60 с. После трех попыток интервал - 3 мин.

Графическая иллюстрация изменения тока замыкания /6к и 1+ батареи 6СТ-75 в процессе пуска бензинового о двигателя в зависимости от числа 10-секундных попыток (Zn) и температуры электро-лита представлена на рис. 2.4.

Вертикальные линии /+ (Z„) показывают изменение тока /+ за одну попытку пуска, а наклонные соответствуют восстановлению емкости батареи за время между попытками (60 с) и некоторому увеличению /+.

Рис. 2.5. Изменение тока замыкания батареи 6СТ-75 от предпускового разряда (ДСпр, %) для различных температур электролита (предпусковой разряд проводился током 15 А (0,2-Сго)

Влияние предпускового раз­ряда ДС_пр батареи на средства облегчения пуска двигателя проявляется в снижении тока /₊ уже на первой попытке. Эта за­висимость изображена графиче­ски на рис. 2.5, где по оси абс­цисс отложены значения пред­пусковой разрядной емкости (в процентах от номинальной ем­кости С_2о = 75 А-ч), снимаемой с батареи 6СТ-75 током 15 А.

Рис. 2.5. Изменение тока замыка­ния батареи 6СТ-75 от предпус­кового разряда (ДСпр, %) для раз­личных температур электролита (предпусковой разряд проводил­ся током 15 А (0,2-Сго)

Как видно из графика, пред­пусковой разряд до 5% емкости С_2о при f₃ = 0... -25°С практически не влияет на вольт-амперные характеристики батареи (на изменение /+). С понижением f₃ и уве­личением ДС_пр это влияние возрастает. При t₃ = -40°С предпуско­вой разряд ДС_пр > 0,1 С_2о становится недопустимым.

Значительное влияние на напряжение и время разряда батареи, оказывает ее температура (рис. 2.6). При температуре электролита ниже -30°С разряд батареи током З С_2о не обеспечивает надежного пуска двигателя, так как напряжение батареи будет ниже 7,2 В (мини­мальное напряжение при надежной работе системы зажигания). Если пуск двигателя произ­водится при температуре -30°С, необходимо уменьшить ток раз­ряда. Это может быть достигну­то подогревом двигателя перед пуском или применением мало­вязких зимних масел. При раз­рядном токе больше З С_2о на­пряжение и время разряда буду! меньше, чем указано на рис. 2.6 Чтобы улучшить пусковые качества батареи при ее разряде стартерными токами, необходимо при температурах ниже - 25°С подогревать батарею или уменьшать силу разрядного тока (подогревать двигатель).

Рис. 2.6. Влияние температуры на временные характеристики стартерной батареи. Разрядный ток ЗСго- Батарея полностью заряжена