Генератор и аккумуляторная батарея. Автомобильные источники электроэнергии
Для чего автомобилю с двигателем внутреннего сгорания нужен мощный источник электрической энергии?
— Ответ вполне очевиден.
Разумеется, для обеспечения его запуска и бесперебойной работы. Ведь, топливовоздушную смесь в цилиндрах двигателя поджигает электрическая искра. Без электрической энергии бензиновый двигатель не будет работать.
А как же дизель?
Ведь процессы сгорания топлива в нем происходят от сжатия и нагрева воздуха в момент впрыска топлива. Ему для работы вообще не нужна электроэнергия?
— Это не совсем так.
Для обеспечения быстрого пуска дизелю как и бензиновому двигателю нужен мощный электрический стартер. А для его работы уже необходим мощный источник питания. Кроме этого, современным двигателям для обеспечения их работы нужно гораздо больше электрической энергии.
Например, распределенный электронный впрыск на бензиновом и дизельном двигателях требует надежного и бесперебойного источника электропитания как самих клапанов форсунок, так и электронного блока управления (ЭБУ) и при малейшем сбое электропитания двигатель просто перестанет работать, а электронные блоки и вовсе могут выйти из строя.
Эволюция систем электропитания
Рассмотрим вкратце «эволюцию» систем автомобильного электропитания. В начале ХХ века, когда автомобиль все еще был похож на моторизированную карету, одной из самых сложных деталей двигателя было магнето.
— Это устройство представляло собой одновременно и генератор высокого и низкого напряжения, служащего для подачи искры в момент сжатия горючей смеси.
Долговечность и надежность такой системы была под вопросом, потому как напряжение в ней генерировалось за счет размыкания контактов прерывателя. при выходе их из строя отказывала высоковольтная часть магнето. Да и надежность искры также не была высокой, поскольку для устойчивой работы магнето двигателю нужно поддерживать довольно высокие обороты.
Поэтому, магнето вскоре уступило место более надежной системе батарейного зажигания с распределением высокого напряжения. Однако, в отличие от магнето, принцип работы которого был основан на электромагнитной индукции, более совершенная система зажигания требовала наличия источника электропитания.
Так, на автомобили стали устанавливать аккумуляторные батареи, что можно считать точкой развития автомобильной электроники, которая со временем стала полностью обеспечивать работу всех систем автомобиля.
Наличие мощной аккумуляторной батареи, способной давать ток в несколько сотен ампер послужило изобретению и установке на автомобиль мощных ламп накаливания и электростартера, способного прокрутить коленчатый вал и запустить двигатель, не прибегая к физическим усилиям. Автомобиль стал еще более комфортным и надежным.
«Классическая» аккумуляторная батарея представляет собой прочную и герметичную емкость из диэлектрического материла, разделенную на секции – «банки». Внутри каждой секции залит раствор электролита – раствора серной кислоты. В неё погружены свинцовые пластины с активным слоем.
При зарядке или разрядке аккумуляторной батареи происходит обратимая химическая реакция с выделением взрывоопасных токсичных газов, поэтому производить зарядку необходимо только в тщательно проветриваемом помещении.
В настоящее время на автомобилях применяются как кислотные, так и щелочные аккумуляторные батареи. Современные батареи имеют более высокую надежность и больший срок эксплуатации благодаря специальным наполнителям в виде инертного геля или стеклоткани, в которой электролит остается более стабильным и не плещется, активный слой с пластин практически не осыпается, а площадь контакта пластин с электролитом значительно возрастает.
С получением мощного источника электроэнергии возникла серьезная необходимость в другом устройстве, которое будет способно заряжать кислотный аккумулятор и обеспечивать бесперебойную работу всего электрооборудования в процессе работы двигателя. На автомобиль стали устанавливать еще один мощный электрический прибор – генератор.
Внешне генератор напоминает электродвигатель, поскольку также имеет вращающийся вал, обмотки и контакты. Как и в электродвигателе, в основе работы генератора лежит принцип электромагнитной индукции, только в отличие от электродвигателя, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую, генератор сам производит электрическую. Крутящий момент передается на генератор от коленчатого вала при помощи ремня. Это не лишено смысла, поскольку в случае заклинивания генератора двигатель и его системы не получат механических повреждений.
Изначально, на большинство автомобилей ушедшей эпохи устанавливались генераторы постоянного тока. Это были довольно массивные электрические приборы, способные выдавать до 80 ампер постоянного тока. Этого вполне достаточно для обеспечения зарядки аккумулятора и нормального функционирования всех систем двигателя.
Однако, производительность генератора сильно зависит от оборотов двигателя. На холостом ходу, когда обороты коленчатого вала двигателя составляют не более 700 – 800 об/мин, выработка электроэнергии недостаточна даже для питания потребителей, поэтому в работу включается аккумулятор. При повышении оборотов возрастает и напряжение, которое может быстро перейти к критической отметке в 15 вольт. При дальнейшем повышении напряжения возможен выход из строя всех электроприборов, закипание электролита аккумулятора и даже возгорания электропроводки.
Для стабилизации вырабатываемого напряжения вместе с генератором устанавливали реле-регулятор вибрационного типа. Как следует из самого названия, этот прибор регулирует напряжение, вырабатываемое генератором. В основе его работы лежит довольно простой принцип. При повышении напряжения свыше 15 В., через обмотку реле проходит больший ток. В результате чего замыкаются контакты, идущие от генератора на специальный нагрузочный резистор.
При прохождении тока через резистор, напряжение в бортовой сети снижается и реле снова размыкает контакты, а лишняя электрическая энергия преобразуется в виде тепла, которое отводится на металлический кузов автомобиля. Замыкание и размыкание контактов реле-регулятора происходит циклически. Частота этих циклов может достигать несколько десятков раз в секунду.
В результате, напряжение в бортовой сети держится в пределах 12,8 – 15,8 В, вне зависимости от оборотов двигателя. Такой регулировки было вполне достаточно для основных элементов бортовой электросети, однако для современного автомобиля такой вид регулировки неприемлем из-за довольно больших перепадов напряжения и импульсных электрических помех, возникающих в результате искрения контактов реле-регулятора. Да и сам регулятор нельзя было назвать надежным из-за механического износа и подгорания контактов реле.
Многие до сих пор ошибочно называют реле-регуляторами современные интегральные регуляторы напряжения, расположенные в корпусах современных генераторов.
Тандем генератора постоянного тока и электромеханического регулятора напряжения просуществовали на автомобилях довольно долго. Но, при наступлении эпохи господства полупроводников на смену громоздким и архаичным генераторам постоянного тока пришли другие, более совершенные электрические приборы: генераторы переменного тока.
В отличие от электрических машин, генерирующих постоянный ток при помощи вращения вала якоря коллекторного типа, генераторы переменного тока используют несколько другой принцип. В отличие от массивного и тяжелого генератора постоянного тока с его мощными обмотками статора и якоря и постоянно изнашивающимися контактами, генератор переменного тока имеет три независимые друг от друга обмотки и якорь с более долговечными контактами.
При подаче постоянного напряжения номиналов 12 В на обмотки и вращении якоря, в них возникает переменное электрическое напряжение, которое может достигать 100 и более Вольт. Разумеется, переменное напряжение, да еще такой величины нельзя подавать в бортовую сеть автомобиля. Сначала его необходимо понизить и преобразовать в постоянное.
С этой функцией справляется блок полупроводниковых приборов, способных «выпрямить» переменный ток и напряжение. Это диодный мост. Его основа – полупроводниковые диоды, которые пропускают ток в одном направлении и почти не пропускают его в другом, оказывая значительнее сопротивление.
Диодный мост подключается к обмоткам статора генератора и при возникновении в них переменного напряжения преобразует его на выходе в постоянное. Для гашения импульсных помех применяется конденсатор – электрический прибор, имеющий свойство накапливать электрическую энергию и отдавать её в цепь при падении напряжения. Таким образом, достигается гашение паразитных электрических импульсов, дающих помехи бортовому электрооборудованию автомобиля. При выходе из строя конденсатора можно слышать характерный писк и «завывания» при прослушивании автомобильной акустической или мультимедийной систем.
Однако, для получения стабильного напряжения от генератора переменного тока применения одного конденсатора недостаточно. Необходим мощный и надежный регулятор напряжения. В настоящее время во всех автомобильных генераторах переменного тока применяется интегральный электронный регулятор напряжения.
В отличие от реле-регулятора вибрационного типа, электронный регулятор способен удерживать напряжение, производимое генератором в более узких пределах от номинала в 14,5 В на холостом ходу, до 13,5 В под максимальной нагрузкой, которая достигается включением всех мощных потребителей электрической энергии.
Регулятор также подает напряжение возбуждения на ротор генератора посредством угольных контактов и вращающихся контактных колец.
При выходе из строя регулятора напряжения или хотя бы одного элемента диодного моста нарушается или полностью пропадает работоспособность всего генератора.
Кроме всего прочего, современный автомобильный генератор содержит несколько дополнительных выводов. Один из них связан с контрольной лампой на приборной панели и показывает наличие возбуждения на обмотке ротора. При включении зажигания, среди других контрольных ламп и индикаторов, на приборной панели автомобиля загорается индикатор отсутствия зарядки. Обычно он выполнен в виде пиктограммы красного цвета, обозначающей аккумуляторную батарею.
При неисправности системы зарядки АКБ загорается именно этот индикатор или символ на встроенной жидкокристаллической панели.
Другая функция генератора – индикация контроля оборотов двигателя часто применяется на дизельных двигателях. В отличие от бензиновых, где показания тахометра могут браться от датчика положения коленвала или системы зажигания, в дизельных двигателях без электронного управления впрыском топлива показания оборотов двигателя берутся от частоты вращения ротора генератора. Кроме этих выводов, в современных автомобилях на генераторе имеются выводы для контроля напряжения, ведущие в блок управления двигателем и информационной цифровой шины CAN.
Современные генераторы переменного тока очень надежные электрические приборы. Однако, как и любые другие агрегаты автомобиля, они не застрахованы от неисправностей.
Все неисправности можно условно поделить на электрические и механические.
- К механическим неисправностям генератора следует отнести износ приводного ремня, шкива, подшипников ротора и щеток регулятора.
- К электрическим – обрыв или короткое замыкание проводов, обмоток ротора, статора, выход из строя полупроводниковых диодов, конденсатора и регулятора напряжения.
Если при работе двигателя слышен писк, свист, шум или вибрация со стороны генератора, необходимо проверить состояние его приводного ремня, форму и износ ручьев шкива, а также легкость вращения вала ротора. При выявленной неисправности необходимо произвести ремонт или замену генератора в сборе.
Частая проблема, возникающая при постоянной перегрузке генератора – износ контактных колец и угольных контактов регулятора. Если индикатор неисправности зарядки АКБ периодически загорается, затем снова гаснет, если заметно падение напряжения при включении мощных потребителей до 13,5 В и ниже, не исключен сильный износ контактов ротора. Неисправность устраняется заменой изношенных деталей.
При выходе из строя регулятора напряжения, генератор перестает работать. В этом случае, загорается индикатор неисправности, а работа двигателя происходит за счет аккумуляторной батареи. В этом случае необходима срочная замена регулятора. С подобной неисправностью можно добраться до места ремонта, отключив мощные потребители (вентилятор отопителя, фары, кондиционер и т.д.) и приняв меры предосторожности.
Профилактика неисправностей автогенератора