Электрохимические процессы в свинцовых аккумуляторах.

Аккумуляторные батареи

Аккумуляторные батареи в автомобиле обеспечивают электропи­тание потребителей при недостаточной мощности энергии, выраба­тываемой генератором (например, при неработающем двигателе, при пуске двигателя, при малых оборотах двигателя).

Основными требованиями, предъявляемыми к автомобильным аккумуляторным батареям, являются:

- малое внутреннее сопротивление;

- большая емкость при малых объеме и массе;

- устойчивость к низкой температуре;

- простота обслуживания;

- высокая механическая прочность

- длительный срок службы;

- незначительный саморазряд;

- невысокая стоимость.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.

Электрохимические процессы в свинцовых аккумуляторах.

Аккумулятор накапливает и хранит в себе химическую энергию активных материалов и преобразует её в электрическую.

Активными веществами заряженной аккумуляторной батареи яв­ляются двуокись свинца РbO2 (положительный электрод), губчатый свинец Рb (отрицательный электрод) и электролит — водный рас­твор серной кислоты (H2SO4 + Н2O).

Разряд аккумулятора

На отрицательном электроде:

Pb + SO > PbSO₄ +2e

На положительном электроде:

РbО₂ + 4Н⁺ + SO + 2е > PbSO₄ + 2Н₂О

Суммарная реакция:

РbО₂ + Рb + 2H₂SO₄ > 2PbSO₄ + 2Н₂О

Заряд аккумулятора

На отрицательном электроде:

PbSO₄ + 2е > Рb + SO

На положительном электроде:

PbSO₄ + 2Н₂О - 2е > РbО₂ + 4Н⁺ + SO

Суммарная реакция:

2PbSO₄ + 2Н₂О > РbО₂ + Рb + 2H₂SO₄

В конце заряда аккумулятора плотность электролита перестает изменяться, т.к. процессы преобразования веществ на электродах заканчиваются. При продолжении заряда происходит интенсивное разложение воды на кислород и водород, что создает эффект кипе­ния электролита. Неизменность плотности электролита или его ки­пение служат признаком окончания зарядного процесса.

Устройство аккумуляторов и батарей .

Аккумуляторные батареи можно разделить на три группы:

1)традиционные;

2)малообслуживаемые;

3)необслуживаемые.

Традиционные батареи.Традиционные батареи собираются в корпусах с отдельными крышками и в корпусах с общей крышкой.

Батареи с общей крышкой

Все батареи с общей крышкой изготавливают в пластмассовых моноблоках. Эластичность пластмассы позволяет соединять аккуму­ляторы в батарею сквозь отверстия в перегородках моноблока. Это делает возможным на 0,1-0,3 В повысить напряжение батареи при стартерном разряде и уменьшить расход свинца в батарее на 0,5-3 кг. Применение термопластичных пластмасс позволило значи­тельно снизить массу корпуса батареи.

Использование пластмассового моноблока и общей крышки по­зволило произвести герметизацию батареи методом контактно-тепло­вой сварки, что обеспечило надежную герметичность при темпера­турах от -50° до +70° С.

Малообслуживаемые батареи

В малообслуживаемых батареях содержание сурьмы в сплаве токоотводов снижено в 2-3 раза по сравнению с традиционными бата­реями. Ряд производителей к малосурьмянистому свинцу добавляют различные лигирующие вещества, в частности, серебро и селен. Это обеспечивает подзаряд батареи в интервале регулируемого напря­жения практически без газовыделения. В традиционных батареях заметное газовыделение начинается при напряжении 14,4 В. Вместе с тем скорость саморазряда малообслуживаемой батареи снижена примерно в 5-6 раз.

Малообслуживаемая батарея имеет улучшенную конструкцию. Один из аккумуляторных электродов в ней помещен в сепаратор-конверт, опорные призмы удалены, электроды установлены на дно моноблока. В результате этого электролит, который в традицион­ных батареях был под электродами, в малообслуживаемых батареях находится над электродами. Поэтому доливка воды в такую батарею необходима не чаще чем 1 раз в 1,5-2 года. В традиционных батаре­ях доливка необходима 1—2 раза в месяц.

Необслуживаемые батареи

Необслуживаемые батареи отличаются малым расходом воды и не требуют ее долива в течение всего срока службы. Вместо сурьмы в сплаве решеток аккумуляторов используется другой элемент (обычно кальций). Применение кальция позволило уменьшить газо­выделение более чем в десять раз. Столь медленное «выкипание» большого объема воды можно «растянуть» на весь срок службы ак­кумулятора, вообще отказавшись от заливных отверстий. Такой ак­кумулятор получается действительно необслуживаемым, т.к. зали­вать воду в него невозможно.

Необслуживаемые батареи другого типа вместо электродных пластин включают в свой состав электроды, скрученные в плотные рулоны. Между электродами проложен тонкий сепаратор, пропи­танный электролитом. При плотной упаковке электроды не требуют упрочнения сурьмой. Электролит в таких батареях связан губчатой прокладкой и не вытекает даже при повреждении корпуса батареи. При непродолжительном перезаряде газы, проходя по каналам се­паратора, вступают в реакцию и превращаются в воду. При дли­тельном перезаряде газы, не успев прореагировать друг с другом, выходят через предохранительный клапан. Количество электролита будет в этом случае уменьшаться. Для своевременного предотвращения перезаряда в автомобиле необходимо устанавливать сигнали­затор аварийного напряжения. Аккумуляторы, изготавливаемые по данной технологии, получили название «спиральные элементы» (Spiral Cell). Преимуществами этих аккумуляторов являются: 1) большой ток холодной прокрутки; 2) стойкость к вибрациям и ударам; 3) большое число циклов пуска двигателя (в три раза больше, чем у традиционных батарей); 4) малый саморазряд (срок хранения без подзарядки — более года).

Однозначно ответить на вопрос «Какие аккумуляторы лучше?» достаточно затруднительно. Батареи с решетками из кальциевого свинца отличаются малым потреблением воды, высокой корро­зионной стойкостью решеток из сплава мелкозернистой структуры и способностью «самовыключаться», то есть переставать принимать ток в заряженном состоянии. Кроме того, кальциевые аккумуля­торы отличаются малым саморазрядом. Но при глубоких разрядах на положительных решетках таких аккумуляторов может проис­ходить образование сульфата кальция, а это, в отличие от образо­вания сульфата свинца, необратимо. Поэтому некоторые модели необслуживаемых батарей изготавливают по технологии «Кальций плюс» (Са+): отрицательные решетки выполняются из кальциевого свинца, а положительные - из малосурьмянистого.

Перспективным представляется комбинированное использование на автомобиле разных типов батарей — одни работают при быстрых разрядах, другие обеспечивают большой запас энергии.

Подготовка аккумуляторной батареи к эксплуатации

Приготовление электролита. Существуют два способа приго­товления электролита. 1-й способ: концентрированная серная кис­лота плотностью 1,83 г/см³ добавляется в дистиллированную воду (но не наоборот). 2-й способ: электролит плотностью 1,40 г/см³ добавляется в дистиллированную воду или в электролит с плот­ностью, ниже необходимой. Следует учитывать, что плотность элек­тролита для различных времен года и климатических условий долж­на быть различной. Например, в районах с умеренным климатом (со среднемесячной температурой в январе минус 15...минус 8 °С) плотность электролита должна быть равна 1,26 ± 0,01 г/см³; в рай­онах с холодным климатом (со среднемесячной температурой в ян­варе минус 30...минус 15 °С) плотность электролита должна быть равна 1,28±0,01 г/см³.

Заливка батареи электролитом. Температура заливаемого электролита должна быть в пределах +15...+30 °С. Его плотность зависит от климатических условий эксплуатации батареи. Перед за­ливкой необходимо отвернуть вентиляционные пробки и удалить элементы, герметизирующие вентиляционные отверстия. Элект­ролит заливают до тех пор, пока он не достигнет нижнего торца ту­буса горловины крышки или определенного уровня выше предохранительного щитка (для традиционных аккумуляторных батарей уровень электролита равен 10 мм). Плотность электролита, зали­ваемого в новую батарею, должна быть на 0,02 г/см³ меньше той, которая должна быть в конце заряда для данной климатической зо­ны. Если через два часа после заливки сухозаряженной батареи плотность электролита будет на 0,03 г/см³ ниже плотности этого электролита через 20 минут после заливки, то батарею следует за­рядить, а затем скорректировать плотность электролита. Но жела­тельно все же заряжать батарею в любом случае.

Заряд аккумуляторных батарей. Аккумуляторные батареи можно заряжать от любого источника постоянного тока при усло­вии, что его напряжение больше напряжения заряжаемой батареи. Для полного заряда батарея должна принять 150 % своей емкости. Различают два основных способа заряда: при постоянном токе и при постоянном напряжении.

Заряд при постоянном токе. Оптимальная сила тока заряда равна I₃ = 0,1С₂₀. При повышении температуры электролита до 45 °С необходимо снизить зарядный ток в два раза или прервать за­ряд для охлаждения электролита до 30-35 °С.

Методом заряда при постоянном токе можно заряжать п после­довательно включенных аккумуляторов при напряжении на выходе зарядного устройства U₃ > 2,7n.

Достоинствами данного метода являются: 1) простота зарядных устройств; 2) простота расчета количества электричества, сообща­емого батарее, которое, как известно, равно произведению тока и времени заряда.

Недостатком метода при малом токе заряда является большая длительность заряда, а при большом — плохая заряжаемость к кон­цу заряда и повышенная температура электролита.

Заряд при постоянном напряжении. Данный метод исполь­зуется, в частности, для заряда аккумулятора, уже установленного на автомобиле. Метод имеет два недостатка, проявляющихся в на­чале заряда полностью разряженных батарей: 1) зарядный ток дос­тигает 1,0-1,5 C ; 2) из-за большого зарядного тока перегревается аккумулятор. Поэтому для предохранения генератора от перегрузки на автомобиле устанавливаются ограничители тока.

Продолжительность заряда при использовании обоих методов одинакова. Недостатки, присущие этим методам, преодолеваются комбинированными способами заряда.

Заряд ступенчатым током (ступенчатый заряд). Способ за­ключается в том, что сначала заряд выполняют номинальным током до заданного напряжения, затем ток снижают в 2-3 раза и доводят заряд до конца. Используются двух-, трех- и четырехступенчатые режимы заряда.

Смешанный способ заряда. При данном способе сначала осу­ществляется заряд при постоянном токе, а затем - при постоянном напряжении.

Уравнительный заряд. Сущность заряда заключается в заряде при постоянном токе, равном 0,1С , до тех пор, пока плотность электролита и напряжение батареи не будут постоянными в течение 3-х часов. Такой заряд необходим для выравнивания степени заряженности всех аккумуляторов батареи и устранения сульфатации электродов. Явление сульфатации заключается в образовании крупных труднорастворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата свинца) на поверхности электродов и на стенках пор ак­тивного вещества. В результате сульфатации не все активное веще­ство электродов может участвовать в работе. Поэтому емкость бата­реи снижается. Сулъфатацию определяют по ЭДС аккумулятора. Если ЭДС аккумулятора, измеренная вольтметром, будет меньше ЭДС, подсчитанной по плотности, то электроды аккумулятора сульфатированы.

Форсированный заряд. Заряд производится током до 0,7С .При токе, равном 0,7С , время заряда - 30 мин; при токе 0,5С - 45 мин; при токе 0.ЗС - 90 мин. В процессе заряда при нагреве электролита до 45 °С дальнейший заряд необходимо прекращать. Форсированный заряд применяется в исключительных случаях.

Контрольный разряд аккумуляторной батареи. Он проводится для определения исправности полностью заряженной батареи. Сила разрядного тока поддерживается равной 0,1 C . Когда на зажимах одного из аккумуляторов напряжение понизится до 1,7 В (или 10,2 В на батарее), разряд заканчивают. Батарея считается исправной, если время разряда будет не менее 7,5 ч для батарей с электролитом плот­ностью 1,29 г/см³; 6,5 ч - для 1,27 г/см³; 5,5 ч - для 1,2.5 г/см³. В противном случае батарея является неисправной. К основным при­чинам плохой заряжаемости батарей относятся: 1) высыпание ак­тивной массы из решеток вследствие коробления последних при за­ряде большими токами, замерзании электролита и т.п.; 2) наличие в аккумуляторном электролите примесей веществ, которые, осаждаясь на электродах, экранируют часть их рабочей поверхности, препят­ствуя протеканию на ней основной токообразующеи реакции, и спо­собствуют усиленному разложению воды и газовыделению; 3) сульфатация электродов из-за хранения батареи в теплом поме­щении при высокой плотности электролита. Из-за систематических недозарядов батареи, высокого саморазряда, длительного бездейст­вия батареи в разряженном (частично или полностью) состоянии, снижения уровня электролита ниже верхней кромки электродов возникает необратимая сульфитация.

Устранение сульфитации электродов. Сульфатацию устраняют несколькими циклами разряда-заряда при малой плотности электроли­та (1,11-1,12 г/см³). Заряд производят током не более 0,05 С ам­пер, доводят плотность электролита до нормы, а затем проводят контрольный разряд батареи при силе тока 0,1 С - Разряд закан­чивают, когда на зажимах одного из аккумуляторов напряжение понизится до 1,7 В (или 10,2 В на батарее). Батарея считается ис­правной, если время разряда будет не менее 7,5 ч для батарей с электролитом плотностью 1,29 г/см³; 6,5 ч - для 1,27 г/см³; 5,5 ч - для 1,25 г/см³. В противном случае батарею подвергают не­скольким циклам заряда-разряда. Если при повторных циклах вре­мя разряда не увеличивается, то батарея требует ремонта.

Хранение аккумуляторных батарей. Новые, не залитые элект­ролитом батареи хранятся при температуре не ниже -50 °С. Макси­мальный срок хранения сухих батарей — три года. Заряженные ба­тареи с электролитом хранятся, по возможности, при температуре не выше 0 °С. Минимальная температура их хранения: -30 °С. При чрезмерно низких температурах электролит может замерзнуть. При плотности электролита γ25 ⁼ 1,31 г/см³ электролит замерзает при температуре ниже -40 °С; при γ25 ⁼ 1.27 г/см³ электролит замерзает при температуре до -30 °С. Срок хранения батарей с электролитом при отрицательной температуре - до 1,5 лет, при положительной температуре - до 9 месяцев. Батарею не рекомендуется ставить на длительное хранение, если ее контрольный разряд током 0,1 С при температуре 25 °С и плотности электролита 1,24; 1,26; 1,28 г/см³ длится менее 5,5; 6,5 и 7,5 часов соответственно. Перед постановкой на хранение несухозаряженной батареи необходимо:

1) полностью зарядить батарею;

2) скорректировать плотность электролита;

3) если потребовалась коррекция плотности, то следует подзарядить батарею в течение 30 минут для выравнивания плотности электролита по объему каждой банки;

4) удалить с батареи токопроводящий слой, используя для этого раствор питьевой соды или нашатыря.

1.1.6. Условное обозначение аккумуляторных батарей емкостью свыше 30 А*ч

Обозначение состоит из букв и цифр, расположенных в сле­дующем порядке:

1) цифра, указывающая число последовательно соединенных ак­кумуляторов в батарее (цифра 3 - в 6-вольтовой батарее и цифра 6 - в 12-вольтовой батарее):

2) буква, обозначающая тип электрохимической системы (С - свинцовая);

3) буква, обозначающая назначение батареи (Т — стартерная);

4) дефис;

5) число, указывающее номинальную емкость батареи в ампер-часах при 20-часовом режиме разряда;

6) буквы или цифры, которые содержат дополнительные све­дения об использовании батареи (Н — несухозаряженная; 3 - зали­тая электролитом и заряженная; Л — необслуживаемая) и приме­няемых для ее изготовления материалах (А - пластмассовый моно­блок с общей крышкой; Э - моноблок из эбонита; Т - моноблок из термопласта; П - моноблок из полиэтилена; М - сепаратор из поливинилхлорида типа "минпласт"; Р - сепаратор из мипора; Ф - хладостойкая мастика).

Например, условное обозначение батареи "6СТ-55ЭМ" указыва­ет на то, что батарея состоит из 6 последовательно соединенных аккумуляторов свинцовой электрохимической системы, предназна­чена для стартерного пуска двигателя, номинальная емкость батареи равна 55 ампер-часам при 20-часовом режиме разряда, корпус бата­реи сделан из эбонита, сепаратор - из мипласта.

Кроме условного обозначения, маркировка батареи должна со­держать:

—товарный знак завода-изготовителя;

—знаки полярности "+" и (или) "-";

—месяц и год изготовления;

—массу батареи в состоянии поставки.

На аккумуляторных батареях с. общей крышкой дополнительно маркируют номинальную емкость в ампер-часах и номинальное на­пряжение в вольтах. Если ток стартерного разряда превышает но-минальную емкость более чем в три раза, то его величина также указывается в составе маркировочных данных.

Регуляторы напряжения

Выходное напряжение генератора зависит от трех величин: 1) частоты вращения его ротора; 2) выходной силы тока генерато­ра; 3) силы тока в обмотке возбуждения генератора. Так как первые две величины в автомобильном генераторе постоянно изменяются, то для обеспечения стабильного напряжения необходимо соответст­вующим образом воздействовать на силу тока в обмотке возбужде­ния генератора. Для этого в генераторную установку вводится регу­лятор напряжения.

Любой регулятор напряжения (рис. 1.11) содержит измери­тельное устройство, устройство сравнения, задающее устройство и устройство воздействия. Измерительное устройство преобразует выходное напряжение генератора в величину, пропорциональную этому напряжению. Устройство сравнения, сравнивает величину на выходе измерительного устройства с эталонной величиной.

Рис. 1.11. Структурная схема регулятора напряжения

Эта­лонной величиной может быть, как напряжение, так и любая другая достаточно стабильная физическая величина, например, сила натяжения пружины в вибрационных и контактно-транзисторных ре­гуляторах. Значение эталонной величины устанавливается с по­мощью задающего устройства. В зависимости от результатов срав­нения устройство сравнения формирует соответствующий сигнал и подает pro на устройство воздействия. Устройство воздействия не­посредственно влияет на силу тока, протекающего , через обмотку возбуждения генератора.

По своей конструкции регуляторы делятся на вибрационные (реле регуляторы), контактно-транзисторные и бесконтактные (.транзисторные) регуляторы.

В вибрационных регуляторахустройством сравнения является электромагнитное реле. При повышенном напряжении на выходе ге­нератора это реле своими контактами включает в цепь питания об­мотки возбуждения добавочный резистор. При пониженном напря­жении добавочный резистор отключается (шунтируется). Основным недостатком вибрационных регуляторов является искрение контак­тов, вызывающее их ускоренный износ.

Контактно-транзисторный регуляторработает аналогично вибрационному. Отличие заключается в том, что контакты электромагнитного реле, входящего в состав контактно-транзисторного ре­гулятора, служат для управления транзистором. Транзистор рабо­тает в ключевом режиме и выполняет ту роль, которую в вибра­ционном регуляторе выполняют контакты электромагнитного реле. Так как управление транзистором осуществляется малыми токами, то износ контактов в контактно-транзисторном регуляторе сущест­венно ниже, чем в вибрационном.

Общим недостатком вибрационных и контактно-транзисторных регуляторов является нестабильность регулируемого напряжения, вызываемая старением возвратной пружины электромагнитного ре­ле. Этот недостаток полностью исключается в бесконтактных ре­гуляторах напряжения(рис. 1.12).

Рис. 1.12. Принципиальная схема бесконтактного регулятора напряжения

Функции задающего устройства и устройства сравнения в бесконтактном регуляторе напряжения выполняют стабилитрон VD и транзистор VT2, функцию измерительного устройства - делитель напряжения на R2 и R3, функцию устройства воздействия - ре­зистор R_д, транзистор VT1 и резистор R1. При снижении напря­жения генератора ниже регулируемого значения стабилитрон VD закрывается, вследствие чего закрывается транзистор VT2, обеспе­чивая открытие транзистора VTI. Открытый транзистор VT1 шун­тирует добавочный резистор R_a, что приводит к возрастанию тока, питающего обмотку возбуждения генератора. Повышение напря­жения на выходе генератора вызовет пробой стабилитрона VD (сни­жение его сопротивления). Поэтому транзистор VT2 перейдет в от­крытое состояние, а транзистор VT1 - в закрытое. Ток, питающий обмотку возбуждения генератора, снизится, так как в этом случае он будет протекать не через открытый транзистор VT2, а через до­бавочный резистор R_д.

Разновидностью бесконтактных регуляторов являются интег­ральные регуляторы, представляющие собой микросхему, имеющую небольшие размеры и способную работать при высоких тем­пературах Поэтому интегральные регуляторы легко встраиваются в генератор, что положительно сказывается на надежности генера­торной установки в целом.

Бортовая электрическая сеть

Бортовая электрическая сеть - это совокупность средств, обеспечивающих соединение источников и потребителей электрической энергии. Основными элементами электрической сети являются: со­единительные провода, средства зашиты цепей от перегрузок (пре­дохранители, автоматические выключатели), средства коммутации (выключатели, переключатели) и различные соединительные и рас­пределительные устройства. Соединение потребителей, в основном, осуществляется по однопроводной схеме. В качестве второго про­вода используется корпус автомобиля. Достоинствами такого соеди­нения являются уменьшение расхода меди, упрощение монтажа проводки, а недостатками - увеличенная возможность замыкания между проводами и корпусом.

Предохранители используются для защиты электрических цепей от перегрузок. На автомобилях широко применяются плавкие и термобиметаллические предохранители.

Плавкие предохранители имеют плавкую вставку, которая рассчитывается на длительное протекание тока номинального значения. При увеличении тока на 50% она расплавляется в течение 1 мин. Используемые в настоящее время плавкие предохранители делятся на цилиндрические, штекерные и пластинчатые. Цилиндрические предохранители — самые массовые на российских автомобилях. Их достоинством является простота определения сгоревшего предо­хранителя. Недостатком является ненадежность контакта при ослаб­лении прижимных лапок на блоке. Штекерные предохранители ме­ждународного стандарта имеют штекеры, залитые в корпус из цвет­ной пластмассы: светло-коричневый - 5 А; темно-коричне­вый - 7,5 А; красный — 10 А; синий - 15 А; желтый - 20 А; бе­лый — 25 А; зеленый — 30 А. Достоинствами этих предохранителей является компактность и надежность, недостатками - сложность ви­зуального определения сгорания предохранителя. Предохранители в виде пластинчатых вставок рассчитаны на ток 30 и 60 А. Они за­крепляются на блоках винтами.

Термобиметаллические предохранители делятся на предохра­нители много- и однократного действия. В их состав входит биме­таллическая пластина, которая при повышении тока в результате нагрева изгибается и размыкает электрическую цепь. В предохра­нителях многократного действия после остывания биметаллической пластины электрическая цепь восстанавливается. В предохрани­телях однократного действия для восстановления электрической це­пи необходимо нажать специальную кнопку.

Коммутационная аппаратура включает в себя различные типы выключателей и переключателей.Основным коммутационным устройством на автомобиле явля­ются выключатель с приводом от замкового устройства — замок-выключатель. Замок-выключатель обеспечивает включение первич­ной цепи системы зажигания, контрольно-измерительных приборов, стартера, стеклоочистителя, радиоприемника и других устройств. На автомобилях с карбюраторным двигателем замок-выключатель называют выключателем зажигания, а на автомобилях с дизе­лем — выключателем приборов и стартера.

Система пуска

Система пуска предназначена для принудительного вращения вала ДВС и облегчения пуска ДВС. Наибольшее распространение получила электростартерная система пуска. Она состоит из аккумуляторной батареи, стартерной цепи (проводов, коммутационной аппаратуры), стартера, средств облегчения пуска и ДВС (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структурная схема электростартерной системы пуска

Стартер

Автомобильный стартер (рис. 2.2) служит для сообщения коленчатому валу двигателя определенной начальной частоты вращения. У карбюраторных двигателей эта частота должна быть равна 50-100 об/мин, у дизелей - 150-200 об/мин. Пусковой ток у стартеров различного типа достигает 100-800 А.

Рис. 2.2. Схема стартера с электромагнитным включением:

1 — аккумуляторная батарея; 2 — выключатель; 3 - обмотка тягового реле; 4 — подвижный сердечник (якорь);

5 - пружина; 6 — рычаг; 7 - шестерня; 8 — вал электродвигателя; 9 - маховик; 10 - электродвигатель

Стартер современного автомобиля состоит из электродвигате­ля 10, приводного механизма и тягового реле. Приводной механизм обеспечивает ввод и удержание шестерни 7 стартера в зацеплении с венцом маховика 9 во время пуска и предохранение якоря стартерного электродвигателя от разноса вращающимся маховиком ра­ботающего двигателя. Тяговое реле 3 является одновременно и ча­стью приводного механизма, обеспечивая его перемещение по оси вала якоря, и частью стартерной цепи, замыкая в конце хода якоря тягового электромагнита силовые контакты цепи питания стартерного электродвигателя. В качестве стартерного электродвигателя часто применяются электродвигатели постоянного тока с после­довательным возбуждением, так как в этом случае обеспечивается большой пусковой момент. Недостатком этих двигателей является значительная частота вращения при холостом ходе, что вызывает разрушение якоря. Данный недостаток частично устраняется ис­пользованием электродвигателей смешанного возбуждения, имею­щих дополнительную параллельную обмотку возбуждения. К общим недостаткам двигателей постоянного тока следует отнести повы­шенный износ электрических контактов в коллекторно-щеточном механизме, вызванный трением и искрением контактов. Коллектор, составленный из медных ламелей, является наиболее ответственным узлом электродвигателя. Коллекторы подвергаются значительным электрическим, тепловым и механическим нагрузкам. В стартерах применяют сборные цилиндрические коллекторы на металлической втулке (стартеры большой мощности), а также цилиндрические и торцовые - с пластмассовым корпусом. После пуска двигателя частота вращения коленчатого вала не должна передаваться через шестерню обратно на стартер. В про­тивном случае возможен разнос якоря стартера. Поэтому усилие от вала якоря к шестерне у большинства стартеров передается через муфту свободного хода (рже. 2.3), или обгонную муфту. Муфта обеспечивает передачу крутящего момента только в одном направ­лении - от вала якоря к маховику.

Рис. 2.3. Схема действия сил и роликовой муфте свободного хода

При включении стартера ролики муфты заклиниваются между обоймами муфты. Благодаря этому, крутящий момент от наружной ведущий обоймы передается роликами на внутреннюю обойму. Пос­ле запуска ДВС наружная обойма становится ведомой, ролики расклиниваются и муфта начинает пробуксовывать (ω > ω ). Основ­ными силами, действующими в роликовой муфте при включении стартера, являются: сила тяги F_тяги1, действующая со стороны на­ружной обоймы на ролики; сила тяги F_тяги2, действующая со сторо­ны роликов на внутреннюю обойму; сила трения F_тр1 (F_тр2) между поверхностями роликов и внешней обоймы (поверх­ностями роликов и внутренней обоймы); сила прижимной пружи­ны F . Муфта работает без пробуксовывания, если F_тяги1< F и F_тяги2< F

Одним из основных параметров муфты является угол закли­нивания α. В зависимости от него изменяются силы трения F , F и нагрузка, действующая на обоймы привода.

В стартерах большой мощности (более 5 кВт) роликовые муфты работаю: ненадежно. Поэтому для них разработаны специальные конструкции приводов. Примером таких конструкций является хра-повая муфта свободного хода. Принцип действия этой муфты следующий. При передаче вращающего момента от вала стартера к венцу маховика возникает осевое усилие, прижимающее ведомую и ведущую половины храповой муфты. Как только ДВС запускается, происходит пробуксовка храповой муфты. Во время пробуксовыва­ния ведущая половина отодвигается от ведомой и фиксируется в этом положении сухарями, смещающимися в радиальном направ­лении под действием центробежных сил. При выключении стартера ведомая половина прижимается к ведущей и при этом воздействует на сухари, заставляя их занять исходное положение.

Для увеличения вращающего момента на коленчатом валу при­меняется понижающая передача (с передаточным отношением 10-15), позволяющая использовать в стартерах быстроходные двигатели, требующие для своего производства небольшой расход активных материалов и имеющие малые габариты и массу. В настоящее время широкое распространение получают высокооборотные стартеры с встроенным редуктором. Редуктор устанавливается между ротором электродвигателя и шестерней, сидящей на выходном валу стартера. Наиболее перспективным редуктором является планетарный ре­дуктор Джемса (рис. 2.4). Его достоинствами является симметрич­ность передаваемых усилий и высокий КПД. При этом преиму­щества стартеров с редуктором проявляются, начиная с мощности примерно 1 кВт.

Рис. 2.4. Планетарный редуктор: 1 — сателлит; 2 — солнечное зубчатое колесо; 3 — коронное зубчатое колесо

Для маломощных стартеров, устанавливаемых на карбюратор­ных ДВС с небольшим рабочим объемом, применение редуктора не сокращает общую массу. Для них целесообразно применение не­посредственного привода.

Система зажигания

Система зажигания предназначена для образования электричес­кой искры в цилиндрах двигателя в те моменты работы двигателя, когда зажигание рабочей смеси является наиболее эффективным.

По типу источника питания системы зажигания делятся на ба­тарейные (рис.3.1) и магнетные. В настоящее время наиболее широ­кое распространение получили батарейные системы зажигания.

Рис. 3.1. Структурная схема батарейной системы зажигания

Батарейные системы зажиганиясостоят из следующих основ­ных элементов.

ИТ - источник тока (аккумуляторная батарея или генератор);

ВЗ -выключатель зажигания;

Д - датчик углового положения коленчатого вала;

РМЗ - регулятор момента зажигания, управляющий моментом подачи искры по положению коленчатого вала, по частоте вращения п коленчатого вала, по разрежению АР_К над дроссельной заслонкой (а значит, и по нагрузке двигателя, так как значение АР_К зависит от нагрузки ДВС) и по некоторым другим параметрам;

ИВН - источник высокого напряжения, служащий для накоп­ления энергии и формирования высокого напряжения, подаваемого на искровые свечи зажигания;

СР — силовое реле, служащее для перевода ИВН с режима накоп­ления энергии на режим формирования высокого напряжения и обратно; Р - распределитель импульсов высокого напряжения по со­ответствующим цилиндрам двигателя;

ПЭ - помехоподавителъные элементы - экранированные прово­да и помехоподавительные резисторы, размещенные либо в распределителе Р, либо в свечных наконечниках, либо в высоковольтных проводах в виде распределенного сопротивления;

ИСЗ - искровые свечи зажигания, образующие искровой разряд в камере сгорания двигателя.

Требования, предъявляемые к системам зажигания

Для надежной работы ДВС на всех режимах работы двигателя система зажигания должна удовлетворять следующим требованиям:

Ø энергия идлительность искры в свече зажигания должны быть
достаточными для надежного воспламенения рабочей смеси;

Ø момент зажигания должен выбираться таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение мощностных, экономических и экологических характеристик двигателя;

Ø высокая надежность системы зажигания.

Работа системы зажигания характеризуется следующими пара­метрами.

Вторичное напряжение U2_m - напряжение на вторичной обмотке катушки зажигания.

Пробивное напряжение U_np- напряжение пробоя искрового промежутка свечи. Пробивное напряжение для однородных полей прямо пропорционально давлению смеси р и зазору между элект­родами 5 и обратно пропорционально температуре смеси Т:

U = f

Кроме того, на напряжение U_np оказывают влияние состав смеси, длительность и форма приложенного напряжения, по­лярность пробивного напряжения, материал электродов и условия работы двигателя. Это напряжение имеет максимальное значение при пуске и разгоне двигателя и минимальное — при работе в уста­новившемся режиме при максимальной мощности. В течение первых 2 тыс. км пробега пробивное напряжение повышается на 20-25% за счет округления кромок электродов свечи. В дальнейшем напряжение растет за счет износа электродов и увеличения зазора, что требует проверки и регулировки зазора в свечах каждые 10-15 тыс. км пробега.

Коэффициент запаса по вторичному напряжению К₃ = U2_m/U_пр