Альтернативные источники электрической энергии

К альтернативным источникам электрической энергии на ав­томобиле относятся: конденсаторы, маховики, топливные элементы, солнечные батареи.

Так называемые ультраконденсаторы предназначены для улуч­шения способности бортовой энергосистемы воспринимать пиковые нагрузки.

Маховичный накопитель энергии представляет собой мотор-ге­нератор с ротором-маховиком из композитных материалов. Ротор вращается с большой скоростью в вакуумированном корпусе на маг­нитных подвесах. При отдаче энергии ротор притормаживается, при зарядке - разгоняется. При частоте вращения 36000 об/мин маховичные накопители могут запасать энергию, которой хватит для 400-600 км пробега. Срок их службы - десятки лет, масса - 60-200 кг.

Топливные элементы вырабатывают электрическую энергию при соединении водорода и кислорода. Известно пять видов топливных элементов. Наиболее реальными для применения в автомобиле яв­ляются топливные элементы, называемые протонообмеными мембра­нами. Они компактны, обладают высокой энергоемкостью (до 1000 Вт/л), функционируют при 20-120 "С. Топливный элемент на протонообменных мембранах представляет собой цилиндр из двух кон­центрически распложенных пористых газопроницаемых электродов, между которыми находится мембрана, окруженная с обеих сторон катализатором - углеволокном с платиновым покрытием. К аноду (внутреннему электроду) подается газообразный водород, к катоду (внешнему электроду) - сжатый увлажненный воздух. Водород разлагается на аноде, протоны проходят сквозь мембрану к катоду, а электроны устремляются по электрической цепи в нагрузку и приходят на катод, где образуют вместе с протонами и кислородом воздуха воду.

Все топливные элементы имеют существенный недостаток - вы­сокую стоимость. Другими недостатками являются опасность хранения на борту и заправки водородом, необходимость применения криогенных и гидридных баков и т.д. Одним из возможных реше­ний является получение водорода на борту с помощью реформинга из природного газа или бензина. В этом случае бензин из бака по­дается в подогреваемый испаритель, а потом сгорает в первом реак­торе, представляющем собой металлическую емкость со свечой зажигания. Благодаря ограниченному доступу воздуха происходит частичное окисление топлива с образованием водорода и окиси уг­лерода СО. Во втором промежуточном реакторе СО взаимодейст­вует с водяным парок и в присутствии катализатора превращается в углекислый газ СО (гораздо менее опасный для человека и мем­бран топливных элементов) и дополнительный водород. Завершается процесс реформинга в третьем реакторе. В результате из бензина получаются водород, преобразуемый топливными элемен­тами в электричество, и попутно - углекислый газ, вода и азот. Рабочая температура системы 80 °С. Избыточное тепло можно удалять обычным автомобильным радиатором. Расход бензина по рас­четам не должен превышать 3 л/100 км.

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.