Текст
                    «РЕМОНТ» №50
Д.А. Соснин
АВТОТРОНИКА
электрооборудование и системы бортовой
автоматики современных легковых автомобилей
Учебное
пособие
Системы впрыска
бензина
Автоматика
гидротормозов
и КПП
Противоугонная
защита
Современное
электрооборудование
Электронное
управление двигателем
Цветные
рисунки и
схемы!

Московский государственный автомобильно-дорожный институт (технический университет) 13 декабря 1930 года постановлением Совета Народных Комиссаров СССР на базе автодорожного факультета Московского института инженеров транспорта был создан Московский автомобильно-дорожный институт (МАДИ). Уже в 1931 году институт выпустил 36 инженеров-дорожников высокой квалификации. В 1940 году МАДИ окон- чили 350 человек, которые получили дипломы не только по дорожно-строительной специальности, но и по ремонту и эксплуатации автомобилей. Так сложился основной профиль института автомобильно-дорожный. В 1992 году Московский автомобильно-дорожный институт получил статус Государственного технического уни- верситета и встал в один ряд с такими крупнейшими московскими вузами, как МГТУ им. Баумана, Московский энер- гетический институт (МЭИ), Московский авиационный институт (МАИ) — тоже теперь техническими университетами. В наши дни МАДИ(ТУ) —- это ведущий учебный и научно-методический центр по подготовке высококвалифици- рованных инженеров и ученых для нужд автомобильного транспорта, для дорожного, мостового и аэродромного строительства, для ряда новых автомобильно-дорожных отраслей, зародившихся в условиях рыночной экономики. Институт выпускает инженеров-механиков и электромехаников, инженеров-экономистов и системотехников, ин- женеров по эксплуатации и ремонту автотранспорта, инженеров по организации и безопасности дорожного движе- ния, программистов и других специалистов по 21-ой современной специальности, готовит офицеров в резерв для Российской армии. При желании студенты старших курсов могут получить начальную научную подготовку бакалав- ра .1 по окончании института защитить диссертацию на степень магистра. Подготовка специалистов ведется по дневной, вечерней, а с 2000-го года, и по заочной формам обучения. На ба- зеМАДИ(ТУ) создан Московский центр автомобильно-дорожного образования (МЦАДО). в который входят 44 шко- ды, 4 лицея, 3 колледжа и 1 гимназия. МЦАДО осуществляет довузовскую подготовку учащихся'Москвы и Москов- Ксой областк^^^^~ jjK Сегодня в институт® обучается около 8000 студентов. В их распоряжении 15 факульп лов кафедр »<а Московс Сродная учебнс исследов я классов, сод е цительскому х производстве *ных предприятиях и 4 институтских ил.^лаь j ст •тр, б нерн <8 4£|<Tf • 1 тй tat эртивных с •и около одной цммская полик. кафедр, 6 филиа- ад Лзссии, за- э F з явка, учеб а| и учебных а* то С /чению во- п* на темпляров ', с -временное -иничного типа. — fl * Профессорско-преподавательский и научный коллектив института последние 18 лет возглавлялся ректором ин- стйкута, членом-корреспондентом Российской академии наук, доктором технических наук, профе адом Валенти- ном Николаевичем Луканиным. 13 марта 2001 года институт отметил его 70-летие. 22 мая сего года состоялись вы- боры нового ректора МАДИ (ТУ). Им был избран президент Российского мониторингового комитета по инженерной педагогике, первый вице-президент Ассоциации инженерного образования России, лауреат премии Президента Рос- сийской Федерации, доктор технических наук, профессор Вячеслав Михаилович Приходько. В МАДИ(ТУ) работают 1140 ученых и педагогов высокой квадификацим^Среди них 3 члена-корреспондента РАН, 44 академика отраслевых российских академий, 28 заслуженных деятелей науки РФ, 16$ профессоров и док- торов наук, 516 доцдогЗв и кандидатов наук, 212 ассистентов и преподавателей. Учебн</-< спомогательный и админи- стративно-хозяйственный перегнал института -—815 человек. Для подготовки научных й педагогических кадров в МАДИ(ТУ) име*отся: 9 вузовских НИИ, 7 научных отделений, оч- ная и заочная аспирантура. Руковсд'‘в*жмшу*|ными работами и ас.жрантами осуществляют ведущие ученые, профессо- ра и заведующие кафедрами института. Факультетским и объединенным советом института дано право принимать к за- щите кандидатские и докторские диссертации. Имеется возможность для завершения научной работы в докторантуре. Для повышения квалификации сотрудников автотранспортных и дорожно-строительных предприятий, а также для преподавателей высших и средних учебных заведений автомобильно-дорожного профиля при МАДИ(ТУ) открыт Институт повышения квалификации. ИПК при МАДИ(ТУ) окончило более 6500 человек. За прошедшие 70 лет в МАДИ(ТУ) подготовлено свыше 50000 инженеров, 1700 кандидатов и 240 докторов на- ук. Среди них есть широко известные имена. В прошлом это: замнаркома автотранспорта РСФСР С.П. Артемьев, ми- нистр автомобильной промышленности СССР В.Н. Поляков, министр автомобильных дорог РСФСР А. А. Николаев, ректор МАДИ Л.Л. Афанасьев и многие, многие другие. Все они в разные годы окончили МАДИ. Выпускником МА- ДИ является и нынешний руководитель Российского правительства премьер-министр М.М. Касьянов. В МАДИ(ТУ) подготовлено 2500 специалистов, 130 кандидатов и 15 докторов наук для 70-ти зарубежных стран. Вступив в свой 71-ый год плодотворной работы, который совпадает с первым годом нового тысячелетия ректо- рат, профессорско-преподавательский, учебно-вспомогательный и административно-хозяйственный персонал МА- ДИНУ) смотрит в будущее с оптимизмом: в трудные годы перестройки, на переломе людских судеб коллектив ин- ститута продолжал трудиться, сохранил свой потенциал и своих студентов. Сегодня как и прежде говорят: «Учиться в МАДИ престижно и интересно. Мадиец — это звучит достойно». 70-ти летняя история МАДИ(ТУ) — тому свидетель. На правах рекламы
Д. А. Соснин АВТОТРОНИКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И СИСТЕМЫ БОРТОВОЙ АВТОМАТИКИ СОВРЕМЕННЫХ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ Учебное пособие специалисту по ремонту и владельцам автомобилей СОЛОН-Р Москва 2001
Посвящается 70-летию МАДИ (ТУ) УДК 629.113.066 ББК 39.33-04 Соснин Д. А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики современных легковых автомобилей: Учебное пособие. М.: СОЛОН-Р, 2001,272 с. В учебном пособии в популярной форме изложены основные сведения о конструктивных особенностях, принципах действия, эксплуатационных характеристиках электрооборудования и систем бортовой автоматики современных легковых автомобилей. Описаны составные компоненты систем, диагностирование и ремонт некоторых из них. Учебное пособие написано по конспекту лекций, читаемых автором для студентов старших курсов автотранспортного факультета МАДИ (ТУ) в рамках элективной дисциплины “Электрическое и электронное оборудование импортных автомобилей”. Однако, книга ориентирована не только на вузовскую аудиторию, но и на самостоятельное изучение новой автомобильной техники как специалистами по ремонту современных легковых автомобилей, так и ремонтниками-автолюбителями. Может быть полезна студентам технических ВУЗов, слушателям автомобильных колледжей, учащимся старших классов средней школы. Цв. ил. 239. Табл. 31. Библиогр.: 21 назв. Рецензент: д-р техн, наук, профессор Воробьев В. А. Консультант: Митин В. А. ISBN 5-93455-087-Х © Соснин Д. А., 2001, иллюстрации авторские © Издательство “СОЛОН-Р", 2001 Компьютерная графика, верстка и обложка.
Предисловие Дмитрий Александрович Соснин родился в 1935 го- ду в Ростове-на-Дону. Учился в Ленинградской Воен- ной Краснознаменной инженерной академии связи (ВКИАС) им. С.М. Буденного. После увольнения в за- пас окончил Московский электротехнический ин- ститут связи (МЭИС). Работал в радиопромышлен- ности. Принимал участие в разработках и испыта- ниях электронных систем управления для специаль- ной военной техники. Мастер спорта и тренер по ав- тоспорту. В настоящее время высококвалифициро- ванный преподаватель высшей школы. Доктор элек- тротехники. Разработал и внедрил в учебный про- цесс новую техническую дисциплину “Автотроника” в Московском автомобильно-дорожном институ- те (техническом университете), в Московском учеб- ном центре Департамента труда и занятости Пра- вительства Москвы, на Автопредприятии № 1 при Управлении делами Президента РФ. Член редакцион- ной коллегии научно-технического журнала “Ремонт и Сервис” — коллективного члена Академии электро- технических наук Российской Федерации. ПРЕДИСЛОВИЕ Современная наука об автомобильном бортовом оборудовании развивается в двух направлениях: в направлении поиска способов улучшения парамет- ров и характеристик существующих устройств, сис- тем, аппаратов и приборов; в направлении разработ- ки новых функциональных узлов, систем и блоков для нужд автоматизации и механизации рабочих процес- сов на автомобиле. Так, на базе научных исследований за короткий исторический срок реализовано кардинальное усо- вершенствование классического электрооборудова- ния, а также создан целый ряд совершенно нетради- ционных для автомобиля бортовых систем автомати- ческого управления Это стало возможный. благодаря достижениям в об- ласти полупроводниковой и микроэлектронной техноло- гии изготовления электросхем, которые составляют не- малую часть автомобильного бортового оборудования. • Теперь автомобили оснащаются не электрокон- тактными (батарейными), а чисто электронными сис- темами зажигания. Автомобильная бортовая система электроснабжения оборудуется генератором много- фазного переменного тока с мощным полупроводни- ковым выпрямителем и с интегральным регулятором напряжения. Электростартер автомобиля также зна- чительно видоизменился. Самым “консервативным” компонентом в составе классического электрообору- дования остается бортовая аккумуляторная батарея. Но и здесь есть новые наработки. Изменился дизайн, повысилась эффективность наружной световой тех- ники. Основные технические достижения, внедрен- ные в устройства классического электрооборудова- ния, подробно рассматриваются в главах 1...12. Наряду с усовершенствованием известных борто- вых устройств разработаны и в настоящее время все более широко применяются совершенно новые сис- темы бортовой автоматики, основные из которых следующие: системы впрыска топлива для бензино- вых двигателей; микропроцессорные системы зажи- гания; системы очистки выхлопных отработавших га- зов; системы антиблокировки гидравлических тормо- зов; системы вспомогательной механизации в уст- ройствах комфортного назначения. • Совокупность систем автомобильной бортовой автоматики получила наименование “Автотронное оборудование”. Автотронное оборудование изучается в рамках новой учебной дисциплины “Автотроника”, которая теперь преподается в технических вузах и в ряде средних специальных учебных заведений. В отличие от электрического и электронного, ав- тотронное оборудование по основному (физическо- му) принципу действия не классифицируется. Напри- мер, нельзя говорить “электрическое автотронное оборудование” или “гидравлическое автотронное 3
Предисловие оборудование", так как термин “автотронное” — это синоним таких обобщающих определений, как "ком- бинированное” или “комплексное”. Автотронное оборудование автомобиля состоит из отдельных автотронных систем, которые в свою очередь состоят из отдельных составных частей (компонентов). Автотронные системы принято классифицировать по основной исполнительной функции. Например: ав- тотронная система впрыска топлива; автотронная си- стема антиблокировки тормозов; автотронная систе- ма очистки выхлопных отработавших газов и т.д. Компонентами автотронных систем могут являть- ся самые разнообразные технические устройства, отличающиеся друг от друга как по принципу дейст- вия, так и по конструктивному исполнению. Это могут быть и электрические, и электронные, и электронно- вычислительные, и механические, и пневматичес- кие, и гидравлические, и любые другие технические изделия, способные выполнять соответствующие функции автотронной системы. Автотронные системы имеют одно общее свойст- во — они управляют неэлектрическими процессами, но сами управляются от электронной автоматики, при этом первичными источниками управляющих сигна- лов являются человек (водитель), программа, зало- женная в электронную память, и входные неэлектри- ческие воздействия. Каждая автотронная система имеет широко раз- ветвленную периферию и электронно-вычислитель- ный блок управления с постоянной и оперативной па- мятью — бортовой компьютер. Для согласования входной периферии с компьютером и компьютера с выходной периферией применяется интерфейсная (соединительная) подсистема. Из сказанного ясно, что автотронная система — это бортовой комбинированный комплекс автоматиче- ского управления, включающий в свой состав различ- ные технические устройства, которые соединены в единое целое с целью выполнения конкретного неэле- ктрического действия. Например, автотронная систе- ма впрыска топлива — это не только электронный блок управления впрыском, и не только электрическая схе- ма соединений, но и входные датчики, работающие от неэлектрических сигналов первичных задатчиков; это и сами неэлектрические задатчики с механическими соединителями: это выходные исполнительные устрой- ства неэлектрического принципа действия, например форсунки впрыска, а также все гидравлические и пневматические клапаны системы; это и механическое устройство привода дроссельной заслонки при работе двигателя на холостом ходу. В автотронной системе впрыска с электронным управлением электрические сигналы (как на входе, так и на выходе) выполняют роль промежуточных (опосредованных) носителей ин- формации для неэлектрических устройств (внешней пе- риферии). При этом сама неэлектрическая периферия выполняет основные функции автотронной системы впрыска: дозирование количества впрыскиваемого бензина при изменении неэлектрических параметров двигателя или под воздействием водительской педали газа. Описанию автотронных систем и их составных компонентов посвящены главы 13...27. • В приложении рассмотрен двигатель внутренне- го сгорания как объект автоматического управления. Это позволит читателю легко ориентироваться в сложных вопросах взаимосвязи силового агрегата автомобиля с бортовыми автотронными системами. • Книга написана по конспекту лекций, читае- мых автором для студентов Московского автомо- бильно-дорожного института (Технического универ- ситета) и в ряде других учебных заведений. Но из- ложение материала в данной книге ориентировано не только на вузовскую аудиторию, но и на само- стоятельное изучение новой автомобильной техни- ки и специалистами по ремонту современных лег- ковых автомобилей, и ремонтниками-автомобилис- тами. В качестве дополнительной учебной литера- туры книга будет полезна студентам технических вузов. Она будет интересна также слушателям ав- томобильных колледжей, любознательным учащим- ся средней школы, владельцам импортных и совре- менных отечественных легковых автомобилей. Сло- вом, такая книга — это подспорье каждому, кто за- хочет познать все то новое, чем оборудован совре- менный легковой автомобиль. • В работе над учебным пособием автор учел за- мечания и полезные советы кандидатов технических наук Фещенко А.И. и Попова О.Ю. (преподаватели МАДИ-ТУ), ведущего специалиста по "Автотронике” Московского учебного центра КТиЗ Правительства Москвы Триодина Н.П,, начальника технического от- дела Автопредприятия № 1 при Управлении делами Президента РФ Быкова В.И., научного консультанта журнала “Ремонт и Сервис" Митина В.А. Всем пере- численным коллегам автор выражает глубокую при- знательность за сотрудничество. Особая благодарность рецензенту книги, заведу- ющему кафедрой “Автоматизация производствен- ных процессов” МАДИ-ТУ, доктору технических наук, профессору Воробьеву В. А. за прочтение и принци- пиальные исправления рукописи книги. Издательство “СОЛОН-Р” полагает, что учебное пособие ‘Астотроника”, написанное опыт- ным преподавателем технического университета, вызовет широкий читательский интерес, как у специалистов по ремонту автомобилей, так и у автолюбителей. “СОЛОН-Р” 4
Введение ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Современный легковой автомобиль состоит из четырех основных агрегатов: двигателя, кузова, шасси и ходовой части. Эти агрегаты обеспечивают выполнение главной функции легкового авто- мобиля — перевозку пассажиров. Но для того, чтобы перевозка была безопасной и комфортной, а основные агрегаты работали безотказно, автомобиль оснащен достаточно большим числом са- мых разнообразных устройств, которые принято называть бортовым оборудованием. Во введении рассматриваются общие сведения об автомобильном оборудовании и тенденции его развития. В.1. Предварительные замечания Бортовое оборудование по функциональному на- значению и по месту, которое оно занимает, можно подразделить на комфортное (внутреннее оборудо- вание кузова), навесное (оборудование двигателя) и функциональное (оборудование кузова, шасси и хо- довой части). По принципу действия и устройству бортовое обо- рудование может быть механическим, пневматичес- ким, гидравлическим, электрическим, электронным и автотронным. По выполняемым функциям устройства, входящие в состав автомобильного бортового оборудования, исключительно разнообразны. Работа многих из них связана с необходимостью использования какого-ли- бо вида энергии. Самым удобным видом энергии для применения на борту автомобиля является электри- ческая энергия. Поэтому значительная часть борто- вого оборудования относится к электрооборудова- нию автомобиля. • Для обеспечения электроэнергией автомобиль оснащен автономной бортовой электроэнергетичес- кой системой, которую принято называть системой электроснабжения. В эту систему входят: бортовая аккумуляторная батарея, электрогенератор, а также подсистема соединительных проводов с моноблоком предохранителей и набором коммутационных уст- ройств. Таким образом, эта система представляет собой электрическую бортовую сеть. • Второй электроэнергетической частью бортового оборудования является система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания. В эту систему входят: стартерный электродвигатель, механическая подсистема передачи вращения от электродвигателя к двигателю внутреннего сгорания, стартерная аккуму- ляторная батарея, подсистема управления стартером и большеточные соединительные электропровода. • В электрооборудование автомобиля входит так- же система электроискрового зажигания (если на ав- томобиле установлен бензиновый двигатель), которая преобразует энергию постоянного тока бортовой се- ти в импульсное напряжение высоковольтного искро- вого разряда на свечах зажигания. • Перечисленные электротехнические устройства принято относить к навесному оборудованию двигате- ля, так как все они (кроме аккумуляторной батареи) установлены на двигателе. К навесному оборудова- нию относятся также некоторые устройства системы топливного питания, например карбюратор с воздуш- ным фильтром или форсунки впрыска топлива, а так- же подсистема выпуска отработавших газов. • К комфортному оборудованию кузова относят подсистему электроподогрева сидений; внутреннее освещение и отопление; вентиляцию и кондициони- рование; электроприводы стеклоподъемников, люка на крыше, радиоантенны; центральный замок две- рей; прикуриватели; средства противоаварийной за- щиты водителя и пассажиров, а также все средства теле-аудио-видео-радио и телефонной техники. В ком- фортное оборудование включают также и противо- угонные устройства*. • Третьей группой бортового оборудования авто- мобиля является так называемое функциональное оборудование. По отношению к кузову функциональ- ное оборудование — это все устройства наружного освещения и сигнализации, наружные зеркала, ос- текление кузова, стеклоочистители и стеклоомывате- ли, бампера, молдинги и прочее. Из этой группы в электрооборудование включают систему наружного освещения, приборы наружной световой и звуковой сигнализации, а также электропривод и электроподо- грев наружных зеркал заднего вида. Внутри кузова к функциональному электрообору- дованию относятся контрольно-измерительные при- боры, водительский пульт управления, внутренняя световая и звуковая сигнализация. * Почти все устройства комфортного оборудования для завода, вы- пускающего автомобиль, являются покупными изделиями, и при рас- смотрении бортового оборудования, как правило, не описываются. 5
Введение • Немалая часть функционального оборудования установлена на шасси и на ходовой части автомоби- ля. Здесь устройства функционального оборудования в основном механического или гидромеханического принципа действия. Прежде эти устройства рассмат- ривались как составные части механических агрега- тов и никакой автоматикой не оснащались. Но в по- следние годы чисто механические устройства (короб- ка переключения передач, гидравлические тормоза, подвеска автомобиля) автоматизируются с примене- нием электронного управления. Появились совер- шенно новые устройства и системы, созданные с ис- пользованием всех известных (электрических и не- электрических) способов и средств автоматизации. Такие устройства и системы теперь являются неотъ- емлемой составной частью общего комплекса авто- матизированного бортового оборудования и называ- ются автотронными. В.2. Классификация автомобильного бортового оборудования по поколениям Развитие автомобильного бортового оборудова- ния идет по двум направлениям: по пути дальнейше- го совершенствования существующих и по пути кон- струирования и построения совершенно новых элек- трических, электронных и автотронных устройств. • Усовершенствованию подлежит так называемое классическое* электрооборудование, которое теперь относят к электрооборудованию первого поколения. Вторым поколением принято считать электричес- кие узлы, блоки и системы, в которых широко исполь- зуется дискретная электронная схемотехника на по- лупроводниковых приборах. Начало развития второго поколения приходится на 50-е годы XX века, когда бортовая комплекта- ция автомобиля электрическими устройствами ста- ла заметно расширяться. Появились самые разно образные электротехнические средства дополни- тельной бортовой механизации: электрозеркала, электроантенны, электрические стеклоподъемни- ки, электролюки, электроустановка и электроподо- грев сидений, электровентиляторы, кондиционеры и т.п. Управление электросхемами и электроприво- дами этих устройств потребовало применения в электрических схемах автомобиля значительного количества электромагнитных реле и полупровод- никовых приборов, которые к этому времени уже выпускались серийно. Так на борту автомобиля стали применяться средства электроавтоматики и электроники. * Классическими принято называть такие изделия, которые широ- ко применялись ранее и послужили прототипами для разработки новой современной техники. Таким образом, второе поколение автомобильно- го электрооборудования — это первый этап внедре- ния полупроводниковых устройств и релейных средств автоматики в автомобильные электросети. Ко второму поколению относят также полупроводни- ковые выпрямительные схемы электрогенераторов и первые контактно-транзисторные системы зажига- ния. Сюда же включают электронные и релейные ус- тройства управления вспомогательными бортовыми подсистемами, имеющими общее название “элект- ропакет’’’. На автомобиле стало широко использо- ваться радио. а В последние годы в отечественной промышленно- сти наметилась тенденция к ускоренному внедрению автомобильного оборудования третьего поколения. Третье поколение — это не только электрическое и электронное оборудование, но и все прочие средства бортовой автоматики, которые стали широко внед- ряться передовыми зарубежными фирмами с начала 70-х годов. В первую очередь, это электронные систе- мы управления гидромеханикой впрыска топлива и электроискровым зажиганием, а также электронные системы управления гидравлическими тормозами, трансмиссией и узлами подвески автомобиля. К треть- ему поколению относят и современные электронные устройства бортового контроля и самодиагностики. Важно заметить, что для оборудования третьего поколения прежний термин “электро” утратил свой определяющий смысл, так как теперь в системах бор- товой автоматики, помимо традиционных механичес- ких и электрических, стали широко применяться са- мые разнообразные средства гидравлики, пневмоав- томатики, оптоэлектроники, локации, радиотехники, ультра- и инфразвука, компьютеризации. Так появил- ся термин “Автотроника", объединивший все, что от- носится к автомобильной бортовой автоматике, а со- временные комплексные системы автомобиля теперь чаще называют “автотронным оборудованием”. Особенностью автотронного оборудования явля- ется то, что оно создается с применением самых разнообразных физических принципов и средств ав- томатического управления и регулирования, а управ- ляется электронной цифровой автоматикой, в осно- ве которой лежит бортовой компьютер с постоянной и оперативной памятью. • Но фантазии автомобилестроителей этим не ог- раничиваются. Появились первые признаки приме- нения на автомобиле суперсложной автоматики уп- равления четвертого поколения. Уже опробованы идеи применения систем радарно-компьютерной и спутниковой автонавигации и систем определения * Электропакет — разговорный технический термин. Широко ис- пользуется в быту и в газетных рекламных объявлениях. Обозна- чает совокупность технических устройств вспомогательного (чаше всего комфортного) назначения, которые в состав классического оборудования не включаются. 6
Тенденции развития автомобильного оборудования координат на местности для упрощения автоматизиро- ванного передвижения автомобиля по городским и шоссейным автодорогам, а также для поиска и нахож- дения нуждающегося в помощи автотранспорта. Для ряда крупнейших городов мира составлены “элек- тронные карты”, которые записаны на лазерных дис- ках. С помощью дисковода, компьютера и цветного дисплея маршрут движения выдается водителю авто- матически. Переключается система от реперных ме- ток на местности. В четвертое поколение бортового оборудова- ния автомобиля, основным признаком которого будет полная компьютеризация процессов управ- ления, регулирования и контроля, войдут также и такие специальные системы, как самоуправление автомобиля в режиме автопилота, самозащита ав- томобиля от аварийных ситуаций, электронное ре- зервирование функций управления и многое, мно- гое другое. • На рис. В.1 приведена условная классификация автомобильного бортового оборудования по поколе- ниям. Признаком классификации по поколениям являет- ся поэтапное внедрение новой техники: 1. Первое поколение — электрофикация автомо- биля; создание классического электрооборудования. 2. Второе поколение — внедрение аналоговой по- лупроводниковой схемотехники на дискретных ра- диоэлементах: создание простейших электронных схем для управления электрическими устройствами. » ► Переход в следующее поколение Рис. В.1. Классификация автомобильного оборудования по поколениям: ЭО — электрооборудование автомобиля; MX — механический; ЭМ — электромеханический; АКБ — аккумуляторная батарея; КИП — контрольно-измерительные приборы; ЭН — электронный; СЗ — система зажигания; КСЗ — контактная система за- жигания; МПСЗ — микропроцессорная система зажигания; ПП — полупроводниковый; СВТ — система впрыска топлива; АБС — тормозная система с электронным управлением, СД — система диагностики; СК — система путевого контроля; V3C — ультразвуковая система; 3CAV — электронная система автоматического управления; ЭК — экологическая система автомобиля; ПОС — приборы освещения и сигнализации; К —механический непрерывный распределенный по цилиндрам впрыск для смешанного смесеобразования; L — прерывистый распределенный впрыск для внешнего смесеобразования; М — система впрыска, интегрированная в ЭСАУ двигателем; Д — прерывистый распределенный впрыск для внутреннего смесеобразования; ЦБК — центральный бортовой компьютер; ДВС — двигатель внутреннего сгорания. 7
Введение 3. Третье поколение — широкое внедрение на борту автомобиля электронного оборудования циф- рового принципа действия. Создание новых систем бортовой автоматики, таких как: электронный впрыск топлива, цифровое управление зажиганием, электронное управление тормозами, экологические системы автомобиля, бортовая самодиагностика, схемотехническое резервирование и т.п. 4. Четвертое поколение — полная компьютериза- ция процессов автоматического управления, контроля и регулирования с применением центрального борто- вого компьютера и со значительным расширением вы- полняемых функций. Оборудование автомобиля радар- ными средствами. Создание совершенно новых прин- ципов управления автомобилем и его агрегатами. В.З. Электромобили Следует сказать отдельно о новых, еще не разра- ботанных моделях автомобилей. Это эвристические модели будущего (концепткары). В среде автомобилестроителей уже давно диску- тируется вопрос о целесообразности широкого ис- пользования электромобилей вместо автомобилей. • Классическая схема электромобиля показана на рис. В.2. Схема включает высоковольтную (не ни- же 100 вольт) ходовую аккумуляторную батарею ХАКБ, электродвигатель ЭД (либо монотипа, либо ко- лесный — для каждого ведущего колеса отдельно) и устройство управления VV (контроллер), которое уп- равляет энергией ходовой АКБ при ее подаче к элек- тродвигателю ЭД. Первоначально считалось, что такой электромо- биль предельно прост и вся проблема сведется к разработке новых конструкций ходовой АКБ и элек- Рис. В.2. Классическая схема электромобиля: ХАКБ — ходовая аккумуляторная батарея; VV — электрон- ное устройство управления (контроллер); ЭД — ходовой электродвигатель. тродвигателя ЭД. Но в этой трехзвенной модели не менее сложным оказалось создать устройство уп- равления УУ. Кроме того, было совершенно не яс- но, от чего и где можно будет подзаряжать ХАКБ. Стали также подвергать критическому анализу глав- ное преимущество электромобилей перед автомо- билями — экологическое. Сначала как аксиома бы- ло принято предположение, что электромобиль аб- солютно чистое транспортное средство, наподобие троллейбуса без проводов. Однако ходовые бата- реи и станции их обслуживания сами по себе могут стать источниками ядовитого загрязнения окружа- ющей среды. Нетрудно себе представить, что будет с Москвой, когда хотя бы каждый третий из 3 мил- лионов столичных автомобилей станет электромоби- лем. В среднем 20 тысяч тонн сернокислотного эле- ктролита, будут кататься по московским улицам. В Москве ежедневно регистрируется до 20-30 аварий с крупными повреждениями автомобилей. В мос- ковские реки будет выливаться около тонны серной кислоты в сутки. Значит, и в атмосфере прибавится загрязнений. К этому надо добавить, что ежедневная подзаряд- ка ХАКБ для одного миллиона электромобилей потре- бует от Мосэнерго дополнительно электроэнергии еще столько же, сколько оно вырабатывает. • В настоящее время ведется ряд научных разра- боток в направлении поиска новых химических ис- точников тока (ХИТ). Опробованы на электромобилях и щелочные аккумуляторы, и солнечные батареи, и топливные элементы. Топливные элементы — это од- норазовые химические источники тока (ХИТ), кото- рые работают по принципу превращения энергии вы- сокотемпературной химической реакции в электри- ческую энергию. Обладают малыми габаритами и ве- сом, интенсивной токоотдачей, но непродолжитель- ны в действии. Широко применяются в специальной военной аппаратуре. Для электромобилей могут ока- заться перспективными щелочные воздух-алюминие- вые топливные элементы, в которых “выгорает" лис- товой алюминий и в которых можно легко и быстро сменить реагенты. Такой топливный элемент может быть многоразовым. Однако применяемость его в электромобилях ограничена высокой стоимостью ка- тализаторов, входящих в состав воздух-алюминие- вых ХИТ, и сложностью реализации многократных ос- тановок химической реакции на непродолжительное время (стояночный режим электромобиля). Однако с использованием перечисленных источников тока до- стичь для электромобиля уровня технических показа- телей автомобиля-прототипа пока не удается. Из ска- занного ясно, что классический электромобиль — это не автомобиль будущего. • Теперь идет поиск других вариантов. Например, на автомобиль (рис. В.З) устанавливается обычный ДВС (1), но работает он не грямо на ходовую часть, а 8
Тенденции развития автомобильного оборудования на мощный электрогенератор (2). Этот электрогенера- тор запитывает через электронное устройство управ- ления (3) электродвигатель (4), сочлененный через ко- робку переключения передач КПП (5) с обычной ходо- вой частью (7) автомобиля. Возможен и такой вари- ант компоновки узлов и агрегатов бензоэлектромоби- ля, при которой на трансмиссию будут работать два двигателя — бензиновый и электрический. Какие преимущества это дает перед классичес- ким автомобилем? Во-первых, так как ДВС работает на электрогене- ратор, режимы ДВС тривиальны: холостой ход, сред- няя ходовая нагрузка (городской режим движения) и полная нагрузка. Этим трем режимам могут соответ- ствовать три совершенно точных по исполнению сво- их функций режима работы системы впрыска топли- ва и электроискрового зажигания. Более того, бен- зиновый двигатель электромобиля может работать и в стационарном режиме, т.е. с постоянным числом оборотов коленвала. Одно это позволит получить не только экономию топлива, но главное — более чистый по составу вы- хлоп отработавших газов. Таким образом, двигатель, работающий без переходных режимов, — первое ожидаемое преимущество бензоэлектромобиля пе- ред обычным автомобилем. Во-вторых, электрогенератор будет работать не только на электропривод автомобиля, но и на заряд ходовой АКБ. Следовательно, может быть эффектив- но решена проблема подзарядки ХАКБ. В тех случаях, когда бензоэлектромобиль будет заезжать в центр города, ему не обязательно дви- гаться с работающим ДВС. Переключив электропри- вод на ХАКБ, можно достаточно долго перемещаться от энергии химического источника тока (ХИТ). Допол- нительная подзарядка ходовой батареи при тормо- жении может осуществляться и в режиме рекупера- ции. Рекуперация — возврат части энергии процесса движения для повторного использования. Рекупера- тивное торможение электромобиля реализуется с по- Рис. В.З. Бензоэлектромобиль: 1 — бензиновый ДВС: 2 — электрогенератор: 3 — контрол- лер (ЭБУ); 4 — ходовой электродвигатель: 5 — коробка пе- реключения передач: 6 — ходовая АКБ; 7 — дифференциал ведущего моста; К — ведущие колеса (движители) мощью ходовой электрической машины, которая пе- реводится из режима двигателя в режим генерато- ра; кинематическая энергия массы движущегося электромобиля преобразуется в электрическую с це- лью заряда ХАКБ. Теперь водителю не надо будет беспокоиться — доедет ли его электромобиль до зарядной станции. Для бензоэлектромобиля емкость ходовой АКБ может быть значительно снижена. А значит, вес, габариты ХАКБ и литраж перевозимого по городу электролита можно будет свести к разумной норме. При меньших габаритах для ХАКБ на борту транспортного средства найдется аварийно безопасное место. Остается одна проблема — утилизация отработавших ХАКБ. Отечественный завод "Ижмаш" на базе универ- сального автомобиля ИЖ-21261 создал бензоэлект- ромобиль с гибридной силовой установкой ДВС+ЭДВ+АКБ (8x12 В) и с параллельным соединени- ем двигателей через специальный редуктор. Экспе- риментальные образцы выпускаются с 1998 года. Недостатки: высокая стоимость, малый запас элект- рохода (12 км); возможность попадания агрессивной среды в салон, отсутствие багажного отделения, тя- желее прототипа на 120 кг, небольшая мощность энергоустановки, низкая приемистость. Преимущест- ва: уменьшенный расход бензина 3 л/100 км (у про- тотипа 6,5 л/100 км). , Что же может статься с бортовым оборудовани- ем будущего бензоэлектромобиля? Ясно, что роль бортовых электрических устройств резко возрастет. Особенно это касается устройств ходового электро- привода и его управления. Некоторые системы видо- изменятся, например система стартерного пуска ДВС может стать другой, так как пуск можно будет осуществлять от ходового электродвигателя и борто- вой ХАКБ. Навесное оборудование ДВС (впрыск топ- лива, зажигание, утилизация отработавших газов) может упроститься, так как число рабочих режимов ДВС будет ограничено. Что касается навигационного и комфортного оборудования, оно может и не пре- терпеть изменений. Возможно, приобретут большее значение электросистемы внутрисалонной вентиля- ции, изменится конструкция самого кондиционера, будут установлены аварийные средства пожарной безопасности и защиты от короткого замыкания в электрических цепях больших токов. ( Однако не исключено и такое развитие событий, при котором электромобильная схема силового при- вода все-таки не найдет широкого применения на лег- ковых автомобилях. Альтернативой электромобилю может стать автомобиль с двигателем на водородном топливе. Или будет разработан настолько совершен- ный легкотопливный двигатель, что его замена на ав- томобиле станет нецелесообразной. Так. если будет разработан бензиновый двигатель с чисто электрон- ным управлением клапанами газораспределительно- 9
Введение го механизма, то в совокупности с уже разработанны- ми микропроцессорными системами управления впрыском топлива, зажиганием и экологией двигате- ля это позволит сократить расход бензина до 2,5 л/100 км пробега, при объеме двигателя не ме- нее 1600 см3. Такому бензиновому двигателю не мо- жет быть разумной альтернативы при его установке на легковом автомобиле в ближайшие 30-50 лет. В.4. Электроника на автомобиле Первым электронным устройством на автомобиле был ламповый радиоприемник. Питание анодных це- пей радиоламп требует применения высокого напря- жения (не менее 100 В). Такого напряжения в борт- сети автомобиля нет. Его получали с помощью элект- ромеханического вибропреобразователя, который формировал на первичной обмотке повышающего трансформатора переменное по величине (прерыви- стое) напряжение 12 В. На вторичной обмотке трансформатора получали требуемое высокое напря- жение. Включение лампового приемника во время длительной стоянки автомобиля не допускалось, так как даже простейший трехламповый радиоприемник с вибропреобразователем потреблял от аккумулятор- ной батареи не менее 50 Вт. После промышленного освоения полупроводнико- вых приборов (начало 50-х годов) автомобильные ра- диоприемники стали транзисторными, с прямым пи- танием от бортсети автомобиля. На правительствен- ных автомобилях и на автомобилях высокого потре- бительского класса появились первые радиотелефо- ны. Но все это прямого отношения к автомобильной электронной автоматике не имело. • Первая автомобильная электронная схема уп- равления была внедрена в электроискровую систему зажигания: контактная пара прерывателя в цепи первичного тока была заменена мощным транзисто- ром, который по базе управляется от прежней кон- тактной пары (см. далее рис. 1.8, а). С появлением мощных и высоконадежных полу- проводниковых диодов стало возможным примене- ние на автомобилях бесколлекторных генераторов переменного тока. А с применением полупроводни- ковой схемотехники регуляторы напряжения автомо- бильных генераторов стали чисто электронными (см. далее главу 7). Дальнейшее развитие электронной полупроводни- ковой автоматики управления позволило полностью отказаться от электромеханических устройств в ав- томобильной системе зажигания. Их заменили бес- контактные преобразователи неэлектрических вели- чин в электрические сигналы (бесконтактные датчи- ки). Так появились чисто электронные системы зажи- гания (см. далее рис. 1.8, г). • Электронная автоматика оказалась настолько универсальной, что помимо электроискрового зажи- гания с ее помощью стало возможным управление и системой топливного питания, и системой нейтрали- зации отработавших газов, и системой утилизации паров бензина из бензобака, и системой управления двигателем на холостых оборотах, и системой запус- ка холодного двигателя, и многими другими система- ми, функционирование которых связано с работой автомобильного двигателя. В настоящее время автомобильное электронное оборудование настолько разнообразно, что рассмат- ривать его лучше в составе конкретных бортовых си- стем автоматического управления. Следует только иметь ввиду, что электроника на современном легко- вом автомобиле — это комплекс технических средств, предназначенных в основном для работы в информационных (низкоуровневых), а не в исполни- тельных (высокоэнергетических) контурах управле- ния. Другими словами, электроника применяется там, где требуется зафиксировать, преобразовать, обработать, передать, запомнить, вычислить или за- кодировать текущую информацию о технических па- раметрах устройств и агрегатов автомобиля. Там, где приходится иметь дело с прямым или об- ратным высокоуровневым энергетическим преобразо- ванием, используются электротехнические устройства. • Однако на современном автомобиле задачи ав- томатизации управления с применением электричес- кого и электронного оборудования могут быть реше- ны только частично. В.5. Автотронное оборудование автомобиля Современный легковой автомобиль должен быть экономичным, экологически чистым, элегантным, вы- соконадежным, комфортабельным и высокоскорост- ным транспортным средством. Чтобы обеспечить та- кие требования, на современном автомобиле, поми- мо классического оборудования, устанавливаются новейшие средства автоматического управления, контроля и регулирования. Теперь помимо рабочих процессов двигателя автоматизируются и гидротор- моза, и агрегаты ходовой части, и механическая под- веска, и сам процесс движения автомобиля. Таким образом современная бортовая автоматика включа- ет в свой состав не только электрические, электрон- ные, механические, но и прочие самые разнообраз- ные по принципу действия технические устройства. Ясно, что системы автоматического управления, со- ставленные из таких различных устройств, не могут относиться ни к одному из прежних видов бортового оборудования. Так появился новый технический тер- мин: “Автотронное оборудование автомобиля”. Этим 10
Тенденции развития автомобильного оборудования термином обозначают новейшие изделия автомо- бильной бортовой автоматики управления, контроля и регулирования. • Автотронное оборудование, которое изучается в новой специальной учебной дисциплине “Автотрони- ка”*, — это совокупность комплексных автоматичес- ких систем управления, контроля и регулирования, ус- тановленных на автомобиле. Сама автоматическая система в этом случае называется автотронной. Автотронная система представляет собой слож- ный многофункциональный бортовой комплекс, со- стоящий из самых разнообразных по принципу дей- ствия и устройству компонентов, которые объедине- ны в единое целое с целью выполнения заданной функции управления, контроля или регулирования. В автотронную систему могут входить и механиче- ские, и гидравлические, и пневматические, и электри- ческие, и электронные и любые другие устройства. Главной особенностью автотронной системы яв- ляется обязательное наличие в ее составе электрон- ного блока, который управляет всеми остальными со- ставными частями (компонентами) системы. Электронный блок управления (ЭБУ) может ра- ботать как в аналоговом, так и в дискретном или цифровом режиме, но он всегда “имеет дело” с электрическими сигналами. Для согласования сиг- налов и воздействий, имеющих разную энергетиче- скую природу, ЭБУ автотронной системы по входу оснащен преобразователями неэлектрических воз- действий в электрические сигналы (различные входные датчики), а по выходу — обратными пре- образователями электрических сигналов в неэлект- рические воздействия (исполнительные устройст- ва). Входные и выходные преобразователи состав- ляют внешнюю периферию электронного блока уп- равления и одновременно являются компонентами автотронной системы. Когда на выходе ЭБУ энергетическое преобразо- вание не требуется, применяются выходные элек- тронные усилители электрических сигналов. При этом исполнительное устройство может представлять со- бой отдельную, достаточно сложную систему управ- ления неэлектрического принципа действия, в кото- рой электрический исполнитель является лишь акти- ватором основного действия. По схемотехническому исполнению автотронная си- стема может быть как разомкнутой, так и замкнутой системой автоматического управления. В последнем * Автотроника — это учебная дисциплина, в которой рассматрива- ется полный комплекс всех бортовых систем автоматического уп- равления на современном автомобиле. Вузовскую программу по “Автотронике” разработал автор в 1994 г. В рамках элективного курса объемом в 144 уч. часа “Автотроника” читается студентам автотранспортного факультета Московского автомобильно-дорож- ного института (МАДИ-ТУ) и в ряде других московских учебных за- ведений. случае в автотронной системе используются самые разнообразные задатчики сигналов обратной связи. В большинстве случаев современная автотронная система выполняет свои функции по заранее задан- ной программе, и поэтому в ЭБУ всегда имеются за- поминающее устройство и микропроцессор, в кото- рых теперь чаще всего применяются число-импульс- ные методы и средства обработки информации (ра- нее в автомобильных электронных системах управле- ния, например в системе зажигания, применялись и аналоговые вычислительные устройства). Другой особенностью автотронной системы явля- ется ее “узкая специализация”. Впрочем, это свойст- во присуще любой системе бортового оборудования. Однако на основе нескольких автотронных систем мо- гут создаваться большие бортовые комплексы авто- матического управления, регулирования и контроля с обслуживанием от общего универсального централь- ного бортового компьютера (УЦБК). Такие комплексы дополнительно включают в себя бортовой информа- ционный терминал (BIT), который обслуживается спе- циальным электронным интерфейсом (бортовым кон- троллером связи — CAN). Их задача — обеспечивать коммутацию (подключение) периферийных устройств к УЦБК с соблюдением последовательности и приори- тета. Первый шаг в этом направлении уже сделан — разработана и широко применяется на легковых ав- томобилях комплексная электронная система автома- тического управления бензиновым двигателем внут- реннего сгорания (ЭСАУ-Д). Простейший универсаль- ный электронный блок управления для таких систем серийно выпускается фирмой BOSCH (ФРГ) под на- званием — авторегулятор “Motronic”. • Автотронные системы по своему устройству, на- значению, способу обработки информации и испол- нению функций уже сегодня являются прототипами будущих полностью компьютеризированных больших универсальных систем автоматического управления, контроля и регулирования на автомобиле. Но в на- стоящее время на современных легковых автомоби- лях наиболее распространены не универсальные, а специализированные автотронные системы. К ним относятся: 1. Системы впрыска топлива для бензиновых дви- гателей. 2. Экологические системы автомобиля. 3. Микропроцессорные системы электроискрово- го зажигания с дополнительными функциями регули- рования. 4. Комплексные электронные системы автомати- ческого управления бензиновым двигателем внут- реннего сгорания (ЭСАУ-Д). 5. Электронные системы управления гидравличес- кими тормозами. 6. Системы электронного управления автоматиче- ской коробкой переключения передач. 11
= Глава 1................................... СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Электрооборудование автомобиля является главной составной частью полного комплекса бор- тового оборудования. В электрооборудование включают все те бортовые устройства, работа которых непосредственно связана с электричеством. Первыми такими устройствами были маг- нето и свечи зажигания. Потом на борту автомобиля стали устанавливаться аккумуляторная батарея, электрогенератор и электростартер. Появилось наружное электроосвещение, систе- ма зажигания стала батарейной. Перечисленные электрические устройства в совокупности со- ставляют классическое электрооборудование автомобиля. В настоящей книге классическое электрооборудование детально не рассматривается. Желающим подробно ознакомиться с этим разделом можно порекомендовать учебники С.П. Банникова [1], В.Е. Ютта [2] и Ю.П. Чижко- ва, А.В. Акимова [3]. Однако дать краткий обзор общих принципов построения систем класси- ческого электрооборудования здесь необходимо. 1.1. Общие сведения 1.2. Система электроснабжения Существующее на борту автомобиля уже много десятков лет электрооборудование первого поколе- ния теперь называют классическим. В его состав входят следующие функциональные системы: • Система электроснабжения — электрогенера- тор. реле-регуляторы, аккумуляторная батарея. • Система пуска двигателя внутреннего сгора- ния — стартер, стартерные цепи, аккумуляторная батарея. • Система электроискрового зажигания — катуш- ка зажигания, прерыватель-распределитель, свечи зажигания с высоковольтными проводами (на авто- мобилях с дизельным ДВС отсутствует или заменена сис гомой калильного зажигания). • Система освещения и сигнализации — фары, наружные фонари габаритных огней и световой сиг- нализации, звуковой сигнал, внутреннее освещение, устройства специальной сигнализации. • Система контрольно-измерительных приборов, дополнительного и вспомогательного электрообору- дования — щиток приборов, водительский пульт уп- равления, электрические провода, предохранитель- ные и релейные моноблоки, коммутационные устрой- ства, а также электроприводные устройства, напри- мер стеклоочистители и электровентиляторы. Перечисленные системы являются неотъемлемой составной частью автомобильной бортовой автома- тики и всегда будут присутствовать в ее составе. За последние 30-40 лет составные компоненты классических систем автомобильного электрообору- дования претерпели значительные усовершенство- вания, но состав самих систем остался прежним. Рассмотрим эти системы. В систему электроснабжения современного ав- томобиля входят: необслуживаемая или монолитная кислотная аккумуляторная батарея (АКБ) и генера- тор (ГТ) трехфазного переменного тока с мощным полупроводниковым выпрямителем (ВП) и электрон- ным регулятором (Р) напряжения, которые вмонти- рованы в конструкцию генератора. АКБ подключена встречно-параллельно и непосредственно к выход- ным клеммам генератора. Эта система обеспечива- ет электроэнергией все бортовые электропотреби- тели. Применение новых типов аккумуляторных ба- тарей и генератора переменного тока вместо гене- ратора постоянного тока с многоламельным коллек- торно-щеточным механизмом, применявшимся ра- нее совместно с вибрационными реле-регулятора- ми, позволило значительно повысить качество* на- пряжения и надежность системы бортового элект- роснабжения. Ее габаритно-весовые параметры также улучшились. Следует заметить, что повышение мощности, качества электричества и надежности системы электроснабжения не самоцель, а насущная необ- ходимость современного автомобилестроения. Те- перь на борту автомобиля устанавливаются до 120 потребителей электроэнергии, значительная часть из которых полупроводниковые и интеграль- ные схемы. * Качество напряжения (иногда говорят качество электричест- ва)— технический термин, обозначающий высокую степень стабильности параметров напряжения на выходе блока (или си- стемы) электроснабжения, а также отсутствие в выходном на- пряжении высокочастотных гармоник и случайных всплесков ("драбезга"). 12
Системы автомобильного электрооборудования • Система электроснабжения, структурная схема и токоскоростная характеристика которой показаны на рис. 1.1, работает следующим образом. Когда ротор генератора не вращается (п = О), на- пряжение 11с бортовой сети равно напряжению АКБ (Uc = 116) и потребители запитываются током батареи (1Н = 1е). Если после пуска ДВС напряжение 11г мень- ше напряжения U6 батареи, что будет иметь место при частотах п вращения ротора в пределах О < п < По, бортовые потребители будут запитывать- ся только от АКБ (11с = 116, 16 = 1н), а ток генератора пока еще будет оставаться приблизительно равным нулю (1г = 1р). На токоскоростной характеристике — участок до п = п0. В точке п = п0 напряжение 11г генератора почти станет равным напряжению 116 батареи, а следова- тельно, и напряжению 11с бортовой сети (11г = U6 = Uc). При встречно-параллельном включении двух источни- ков электроэнергии с одинаковыми напряжениями обмена током между ними не происходит, т.е. ток 13 заряда АКБ пока еще нулевой (13 = О). Регулятор Р на- чинает потреблять ток 1р от генератора, а бортовые электропотребители получают электроэнергию от обоих источников (1н = lr + 1в)- Частота п0 вращения ротора генератора несколько ниже граничных оборо- тов холостого хода прогретого ДВС. Поэтому переда- 11 п = о: иг = о; иБ = const: i„ = 1Б: ис = иБ: 2) О < n < n0: Urt. но меньше СБ: 1г = lP; Uc = иБ: 1н 1Б: 3| п = По, и, = иБ > ис: 1з = 0; 1г = 1Р: 1Б -1„; 4) no < n < nH: Urt и больше иБ: I, = 1Н + 13 + 1Р = f(n); ис U,: 5) пн < п < ns; Ur = const: lrв 1н + h + Ip = f A®);Uc Ur! 6) n > ns: Uc = llr = const: lr*= const (самоограничение тока). Рис. 1.1. Система электроснабжения с генератором переменного тока: АКБ — аккумуляторная батарея с напряжением 11б: 1е — разрядный ток АКБ; 13 — зарядный ток АКБ; ГТ — трехфаз- ный генератор синусоидального переменного тока; 1г. — пе- ременный ток генератора; I. — ток возбуждения генерато- ра; Р — регулятор напряжения генератора по току I, воз- буждения; ВП — трехфазный двухполупериодный выпрями- тель (Ларионова); 1р — ток, потребляемый регулятором Р; 1Г. — постоянный ток генератора; Ur — постоянное напря- жение генератора; 11Б — напряжение бортсети автомобиля; 1н — общий ток нагрузки системы электроснабжения; К — контрольная лампа генератора, п — обороты приводного шкива генератора; Ф — магнитный поток. точное отношение между шкивами двигателя и гене- ратора выбирается таким образом, чтобы на нижних оборотах холостого хода электроэнергией от генера- тора обеспечивались по крайней мере основные бор- товые потребители (система зажигания, впрыск топ- лива, габаритные огни в ночное время). Тогда после запуска ДВС коленвал развивает обороты холостого хода и наступает состояние, при котором п > п0, а напряжение генератора становится больше напря- жения U6 аккумуляторной батареи (11г > 116). При дальнейшем увеличении частоты вращения п генера- тор обеспечивает электроэнергией все бортовые по- требители и начинает заряжать АКБ (1г = 1н + 13 + 1р). Ток 1г генератора становится почти линейной функци- ей 1г = f(n) от частоты вращения п, а напряжение 11с бортовой сети — равным напряжению 11г генератора (11с = 11г) и теперь полностью определяется регулято- ром Р напряжения (вплоть до состояния п = пн). На повышенных оборотах ДВС, когда частота п вращения ротора генератора лежит в пределах от пн до ns, напряжение Ur генератора перестает увеличи- ваться (11г = const) и даже может несколько падать из-за размагничивающего действия токов статора под большой нагрузкой, но ток 1г генератора все еще может возрастать, приближаясь к самоограничению dr = 1н + Ь + >р = A®)! Uc = Ur). Явление самоограни- чения наступает при большом токе 1г генератора (когда lr = lrmax) и при высокой частоте вращения (п > ns) рото- ра, как следствие насыщения этим током магнитных це- пей генератора. При этом магнитный поток Ф, связыва- ющий магнитное поле Вг ротора с витками Ws обмотки статора, частично уничтожается противодействующим (наведенным током 1г) магнитным полем Bs статора. Ток 1Г перестает быть функцией от частоты вращения п и начиная с n = ns становится постоянным. В современных генераторах переменного тока максимальное значение тока 1г является рабочим и для генераторов автомобилей представительского класса с мощным ДВС может достигать 100 А. • Конструктивной особенностью современных гене- раторов трехфазного переменного тока является нали- чие в них дополнительной диодной сборки d, а также включение фазных обмоток генератора не “звездой", а “треугольником”. Это позволяет упростить схему кон- трольной лампы К генератора, а также изолировать цепь питания регулятора Р напряжения от большеточ- ной выходной цепи "Вых”. Таким способом исключает- ся возможность нежелательного разряда аккумулятор- ной батареи через регулятор напряжения и обмотку возбуждения при неработающем двигателе, но вклю- ченном зажигании. Кроме того, соединение фазных обмоток “треугольником” позволяет применять более тонкие провода для фазных обмоток генератора. На- дежность генератора при этом также повышается. Как следствие, современные автомобильные генераторы проходят без ремонта до 250000 км пробега. 13
Глава 1 • Ограничивать ток заряда АКБ в современных системах электроснабжения не требуется, так как регулятор Р напряжения на средних и умеренно по- вышенных оборотах ДВС, а самоограничение тока генератора на высоких оборотах ДВС не допускают перезаряда автомобильной аккумуляторной батареи. Однако следует заметить, что заряд аккумуляторной батареи на борту автомобиля осуществляется при по- стоянном напряжении. И когда АКБ сильно разряже- на, ток 1э заряда может быть значительным. Если но- минальная емкость Сн установленной на автомобиле АКБ не согласована с максимальным током автомо- бильного генератора, возможен или перегрев сильно разряженной АКБ в начале ее заряда, или постоян- ный недозаряд батареи, что в обоих случаях снижа- ет срок ее службы. Поэтому на автомобилях с гене- раторами большой мощности не рекомендуется уста- навливать АКБ малой емкости. И наоборот, АКБ боль- шей емкости не следует устанавливать на автомоби- лях с генератором малой мощности. Другими слова- ми, автомобильный генератор и аккумуляторная ба- тарея, работающие на борту автомобиля как единая автономная система электроснабжения, должны под- бираться по токовым параметрам. При замене АКБ следует придерживаться условия [ЗСН = 21ГГП0Х]*. Ос- новные компоненты системы электроснабжения — аккумуляторная батарея и электрогенератор совре- менного легкового автомобиля — подробно описаны в последующих главах. 1.3. Система пуска ДВС Следующей классической системой электрообору- дования автомобиля является система электростар- терного пуска ДВС. Следует заметить, что электростартерная система пуска — это не единственная пусковая система для автомобильных ДВС. Но для легковых автомобилей Рис. 1.2. Блок-схема системы пуска ДВС: АКБ — аккумуляторная батарея; ВЗ — ключ зажигания; PC — реле стартера; ТР — тяговое реле; ЭДВ — электродви- гатель стартера; Р1 — планетарный редуктор; Р2 — основ- ной понижающий редуктор; МСХ — муфта свободного хода; ДВС — двигатель. * Квадратные скобки указывают на равенство числовых величин в формуле без учета размерностей. все прочие системы (гидравлическая, инерционная, пневматическая) бесперспективны Современная система электростартерного пус- ка — это совокупность электростартера, бортовой аккумуляторной батареи и стартерных электроцепей. Элементом системы пуска является также венечная шестерня маховика ДВС. Для автомобилей в север- ном исполнении в систему пуска ДВС иногда включа- ют средства для облегчения пуска [3]. • Блок-схема электрической системы пуска ДВС современного легкового автомобиля приведена на рис. 1.2. Главным агрегатом такой системы является Рис. 1.3. Электростартер: а — конструкция стартера; б — электрическая схема соеди- нений; в — планетарный редуктор стартера; 1 — корпус 2 — направляющий вал с витыми пазами; 3 — венечная шестерня маховика ДВС, 4 — муфта СХ; 5 — водило с са- теллитами; 6 — сателлитная шестерня; 7 — шестерня на валу ротора; 8 — электродвигатель стартера; 9 — ось са- теллита; 10 — планетарная шестерня с внутренним зацеп- лением; 11 — корпус планетарной шестерни; 12 — ротор электродвигателя; 13 — ламели на коллекторе; 14 — щетки в щеткодержателе; 15 — статорная обмотка (возбужде- ния); 16 — рычаг привода МСХ; ВЗ — включатель зажига- ния: PC — реле стартера. 14
Системы автомобильного электрооборудования электростартер (рис. 1.3). Это такое устройство, в ко- тором конструктивно совмещены четыре функцио- нальных узла системы: электродвигатель ЭД постоян- ного тока, электромагнитное тяговое реле ТР, допол- нительный понижающий (чаще всего на современ- ных легковых автомобилях — планетарный) редуктор Рх и муфта МСХ свободного хода с шестерней зацеп- ления. Шестерня зацепления образует с венечной шестерней маховика ДВС основной понижающий ре- дуктор Р2 с передаточным числом не более 18. До- полнительный планетарный редуктор Рх применяется в современных электростартерах с быстроходным электродвигателем. Его передаточное число не бо- лее 4-х и определяется как: ip = l+Zp/Zk, где Zp — число зубцов планетарной шестерни, Zk — число зуб- цов шестерни на оси якоря электродвигателя. Пуск стартера осуществляется посредством вклю- чения ключа зажигания ВЗ, который через реле стартера PC подает напряжение аккумуляторной ба- тареи АКБ на тяговое реле ТР. Реле ТР выполняет две функции: подключает электродвигатель стартера непосредственно к АКБ и механически сочленяет ше- стерню зацепления муфты свободного хода МСХ с венечной шестерней маховика ДВС (т.е. включает на время пуска механический редуктор Р2). Муфта МСХ и электрическое управление стартером современного автомобиля устроены таким образом, что как только ДВС запускается, то сначала редуктор Р2, а затем и электродвигатель ЭД выключаются. Дополнительный планетарный редуктор Р± нахо- дится внутри конструкции стартера в постоянно включенном состоянии. Он располагается соосно с электродвигателем и муфтой свободного хода. Планетарный редуктор, который иногда называют редуктором Джемса, может иметь два варианта ис- полнения: с неподвижной планетарной шестерней и с вращающимся водилом, на котором установлены Рис. 1.4. К пояснению принципа действия электродвигателя: а — правило левой руки; I — ток; В — магнитное поле; F — механическая сила; NS — постоянный магнит, б — модель ЭДВ; 1я — ток якоря; R — якорь (токопроводная рамка); F1 и F2 — пара сил; X — ось вращения якоря; М — щетки КЩМ, е — ламели коллектора; ш — частота вращения. сателлитные шестерни, а также с вращающейся пла- нетарной шестерней и с неподвижными сателлитами (подробно см. далее в главе 8). • Электродвигатель стартера — это электричес- кая машина постоянного тока, преобразующая элек- трическую энергию W3 от АКБ в механическую энер- гию WM вращения якоря: WM = f(W3). Принцип действия электродвигателя основан на использовании второго закона электромагнитной ин- дукции, согласно которому механическая сила F, дей- ствующая на проводник L с током I, который поме- щен в магнитное поле с индукцией В, определяется как F = BLI. Направление действия силы F определя- ется по правилу левой руки (рис. 1.4, а). Если проводник L изогнуть витком в виде токопро- водной рамки R и поместить в магнитное поле В, обра- зуется наглядная модель электродвигателя (рис. 1.4, б). В этой модели постоянный магнит NS — это неподвиж- ный статор с главным магнитным полем В, а токопро- водная рамка R — это вращающийся якорь. Машины постоянного тока являются коллекторны- ми машинами, т.е. они обязательно содержат в сво- ем составе коллекторно-щеточный механизм (КЩМ). КЩМ — это устройство, которое обеспечивает контактную гальваническую электросвязь между вра- щающимся якорем (на модели — рамка R) и внешней электроцепью. КЩМ состоит из контактных медных ламелей К, изолированных друг от друга и собранных на оси якоря в виде коллекторного цилиндра, а также из контактных медно-графитовых щеток М, прижатых пружинами к ламелям коллекторного цилиндра. Щетки помещены в щеткодержатели, которые для щеток яв- ляются прижимными центрирующими устройствами, а для внешней электрической цепи — выводными кон- тактами якоря. Число ламелей на коллекторном цилин- дре равно удвоенному числу токопроводных рамок на якоре. Число контактных щеток в современном стар- терном электродвигателе обычно равно четырем. Они включаются по схеме, показанной на рис. 1.3, б. Модель электродвигателя постоянного тока, при- веденная на рис. 1.4, б, работает следующим обра- зом. Пусть рамка R в исходном состоянии находится в положении, указанном на чертеже (угол а поворо- та рамки относительно магнитных силовых линий по- ля В равен нулю). На клеммы (+) и (—) щеток М от внешнего источника электрической энергии W3 пода- ется постоянное напряжение 11д. Под действием на- пряжения ид потокопроводной рамке R, согласно за- кону Ома, начнет протекать ток якоря 1я = Кд/R (где R — омическое сопротивление рамки R). Как видно из чертежа, ток 1я якоря в верхнем стержне рамки R, протекая от плюса к минусу, на- правлен “слева-направо”, а в нижнем стержне — “справа-налево”. Ток 1я, вступая в электромагнитное взаимодействие с магнитным полем В статора, обра- зует пару сил (Fx и F2), каждая из которых равна 15
Глава 1 F = BsLrl„cosa. Пара сил развернет рамку R по часо- вой стрелке(согласно правилу левой руки) на угол, равный 90°. В этом месте (точка a = 90°) силы Fx и F2 станут равными нулю (cos 90° = О), а ток 1я разомк- нется, так как ламели КЩМ выйдут из соприкоснове- ния со щетками. Дальнейшее вращение рамки R яко- ря электродвигателя до момента обратного подклю- чения щеток к ламелям будет протекать по инерции. Обратное подключение рамки R к внешнему постоян- ному напряжению 11д приведет к восстановлению то- ка 1я в прежнем по отношению к магнитному полю Bs направлении. Силы F± и F2, действуя в прежнем на- правлении, начнут возрастать по закону косинуса от нуля в точке a=90° до значения BLI в точке а= 180° и далее от значения BLI до нуля в точке а=270°. В этой точке (а =270°) ламели под щетками снова по- меняют свое положение на противоположное, и сно- ва повторятся процессы, описанные для точки a = 90°. В результате поочередного механического воздействия пары сил Fx и F2 на стержни токопро- водной рамки R вал X якоря электродвигателя начнет постоянно вращаться со скоростью о в направлении действия пары сил. • В реальных стартерных электродвигателях чис- ло токопроводных рамок на якоре не менее 12 (24 ламели на коллекторе). Это обеспечивает электро- двигателю плавность хода, более высокий КПД, мак- симальное значение вращающего момента в любом положении якоря, а также отсутствие таких состоя- ний в КЩМ, при которых ток 1я якоря размыкается. Пара сил действует постоянно. В описанной модели электродвигателя главное магнитное поле машины на статоре формируется по- стоянным магнитом NS. В реальных стартерных эле- ктродвигателях такая система наведения главного магнитного поля стала применяться только в послед- нее время, когда появились малогабаритные силь- ные постоянные магниты. Ранее для пуска многоци- линдровых ДВС электростартер с возбуждением от постоянных магнитов не применялся. В таких случа- ях использовались стартерные электродвигатели с внешним возбуждением, т.е. с возбуждением глав- ного магнитного поля электродвигателя от внешнего источника электрической энергии. Это достигается заменой постоянного магнита статора на статорный электромагнит. Обмотка тако- го электромагнита называется обмоткой возбужде- ния. На время работы стартера обмотка возбужде- ния подключается к аккумуляторной батарее через обмотку якоря (последовательное возбуждение). Иногда обмоток возбуждения две (параллельно-по- следовательное возбуждение). • Основными функциональными особенностями стартера являются кратковременность его работы и способность развивать на короткое время пуска большой крутящий момент. Первая особенность поз- воляет изготавливать электродвигатели стартеров со значительным уменьшением веса и габаритов, а вто- рая — обеспечивается значительным увеличением пускового тока по сравнению с обычными электро- двигателями, что допустимо только на короткое вре- мя. Мощность стартера определяется моментом про- кручивания холодного ДВС во время пуска при низ- ких температурах и достигает для некоторых двигате- лей легковых автомобилей 2 кВт. • С другой стороны, в обычных условиях эксплуа- тации мощность стартера может быть значительно меньше. В связи с этим разрабатывается и уже экс- периментально проверена идея двухрежимного стар- терного пуска, при котором хорошо прогретый двига- тель запускается от так называемого конденсаторно- го стартера (путем быстрого разряда предваритель- но медленно заряженной конденсаторной батареи на значительно уменьшенный в весе и габаритах бы- строходный электродвигатель с редуктором), а холод- ный двигатель при очень низких температурах запус- кается не от конденсаторов, а от внешней электро- сети. Основная перспектива применения такой сис- темы пуска ориентирована на реализацию режима экономии топлива при движении в городе, когда под каждым светофором двигатель автомобиля выклю- чается, а при прикосновении к педали акселератора вновь автоматически запускается. Такая система пу- ска называется “стоп-стартером". В городском режи- ме движения автомобиля стоп-стартер может функ- ционировать безотказно. По оценке некоторых ис- следователей, это может дать экономию топлива около 30% [3]. • Но даже в классическом исполнении современ- ные системы пуска уже сегодня в целом более совер- шенны, чем им предшествующие. Так, сам стартер- ный электродвигатель стал меньше в размерах, бо- лее надежным и более легким за счет применения современных технологий сборки и новых электромаг- нитных материалов. Значительно усовершенствова- на механическая передача энергии вращения от стартера к венцу маховика двигателя. Теперь эта пе- редача на мощных ДВС стала редукторной, что так- же позволило уменьшить вес и габариты стартерно- го электродвигателя благодаря повышению его ми- нимальных оборотов и уменьшению пусковых токов. Потребление электрической энергии стартером от АКБ при этом стало более рациональным (чем мень- ше пусковой ток стартера, тем больше напряжение АКБ при пуске ДВС). Следует заметить, что стартерный режим работы АКБ значительно отличается от ее работы в системе электроснабжения. Современный стартер позволяет работать АКБ в более щадящем режиме, что делает современную систему пуска более надежной. Подробно современный автомобильный электро- стартер описан в главе 8 настоящей книги. 16
Системы автомобильного электрооборудования 1.4. Системы электроискрового зажигания Говоря об электроискровом зажигании, следует заметить, что в самом начале на автомобилях оно реализовывалось от магнето. • Магнето — это электрическая машина индук- торного типа. Преобразует механическую энергию непосредственно в энергию искрового разряда. Ра- ботает независимо от бортовой электросети. Конструктивно в магнето совмещены (рис. 1.5): индукторный электрогенератор ИГ; повышающий трансформатор ТР, первичная обмотка W± которого является индуктивным накопителем энергии; контакт- ный прерыватель Р тока с кулачковым толкателем К; распределитель S. Ротор (постоянный магнит М) ин- дукторного генератора ИГ. кулачок прерывателя Р и редуктор R распределителя S механически соединены общей осью и приводятся во вращение от коленвала (КВ) ДВС. Когда индукционный ток в первичной об- мотке трансформатора ТР достигает максимального значения, контакты прерывателя Р размыкаются. Во вторичной обмотке W2 повышающего трансформато- ра наводится высоковольтное напряжение, которое распределяется по свечам распределителем S. Магнето и теперь еще достаточно широко использу- ется на тракторных пусковых и на малоцилиндровых, например мотоциклетных двигателях. Но на современ- ных автомобилях магнето теперь не применяется. Этому есть две причины: низкая надежность электро- механического магнето с высоковольтным распределе- нием при его работе на многоцилиндровых ДВС и невоз- можность получения высокой энергии искрового разря- да при низких оборотах вращения коленвала двигателя (наиболее сказывается при пуске холодного ДВС). • Классической для автомобилей является бата- рейная система зажигания (рис. 1.6). Ее компонент- ный состав прост: катушка зажигания КЗ, прерыва- тель КП с распределителем РП и свечи зажигания СВ с высоковольтными проводами. Источником энергии для системы зажигания является бортовая система электроснабжения (U6), а источниками управляющих сигналов — механический привод ПР от распредели- тельного вала ДВС и пневмопривод ВР от разреже- ния во впускном коллекторе ВК. Интересной особенностью батарейной системы зажигания является то, что в ней изначально были найдены два совершенно уникальных технических ре- шения: индуктивный накопитель (катушка зажигания) и высоковольтный электроискровой разрядник (свечи зажигания). До тех пор, пока воспламенение топливо- воздушной смеси на легкотопливных ДВС будет осу- ществляться от высоковольтной искры, свечи зажига- ния и катушка зажигания в автомобильной системе зажигания будут присутствовать всегда. Были попыт- ки применить пьезокерамические генераторы высо- кого напряжения, а также полупроводниковые свечи Рис. 1.5. Магнето: С — конденсатор; К — кулачок прерывателя; Р — контакты прерыва- теля; М — постоянный магнит NS на роторе; ИГ — индуктор; W1, W2 — первичная и вто- ричная обмотки индук- торного трансформато- ра Тр; S — высоко- вольтный распредели- тель; R — редуктор 2/1; ш — частота вращения привода магнето; КВ — коленчатый вал ДВС. Рис. 1.6. Контактная (батарейная) система зажигания (КСЗ): а — электрическая схема КСЗ; б — компоненты КСЗ; АКБ (U6) — аккумуляторная батарея; КЗ — катушка зажигания с первичной W1 и вторичной W2 обмотками; КП — контактная пара прерыва- теля; ВР — вакуумный регулятор; ЦР — центробежный регуля- тор: РП — распределитель; ПР — привод от распределительного вала; С1 — конденсатор первичной цепи; С2 — распределенная емкость вторичной цепи; Rv — добавочное сопротивление КЗ; ВЗ — включатель зажигания; ЗС — замыкатель на стартере; СВ — свечи; ВК — разрежение во впускном коллекторе. 17
Глава 1 зажигания с поверхностным тлеющим разрядом. Но высокая сложность их конструкции и низкая надеж- ность оставили эти попытки на уровне научно-иссле- довательских разработок. Системы зажигания с ем- костным накопителем также не нашли широкого рас- пространения, так как не обеспечивают требуемой для стандартных ДВС длительности электроискрового разряда. Таким образом, катушка зажигания и свечи зажигания составляют выходную электрическую схе- му в любой современной системе зажигания. Существуют контактные системы зажигания, в ко- торых число таких выходных электрических схем рав- но числу цилиндров двигателя, что позволяет отка- заться от высоковольтного электромеханического пепеключателя-расп ределителя. • В двигателях с парным числом цилиндров воз- можно применение двухвыводных трансформаторов или катушек зажигания, когда оба вывода используют- ся как рабочие (рис. 1.7). Искрообразование от двух- выводной КЗ в обеих свечах S происходит одновре- менно. При этом одна свеча в денном цикле рабочая, другая — холостая. Свечи устанавлиь- тся в те цилин- дры, в которых поршни имеют одинаковый лод во всех фазах движения. Для 4-х цилиндрового ДВС это пер- вый и четвертый, а также второй и третий цилиндры. Для нормальной работы 4-х цилиндрового ДВС необхо- димы две двухвыводные катушки зажигания; для 6-ти цилиндрового — три; для 8-ми цилиндрового — четы- ре. В двигателях, оборудованных двухвыводными КЗ, порядок работы не нарушается, так как — когда в од- ном цилиндре сжатие и зажигание, в другом — выпуск отработавших газов. Установочный угол опережения зажигания в таких ДВС больше обычного. Инжектором носителей зарядов в одной свече (S+) является корпус- ной электрод, в другой свече (S-) — центральный эле- ктрод (Rn — помехоподавительный резистор). Все многовыводные системы зажигания с индуктив- ным накопителем требуют значительного увеличения электроэнергии для их питания. Так, двухканальная сис- тема зажигания современного 4-х цилиндрового авто- мобильного двигателя потребляет от бортовой сети не 20-30 Вт, как бата- рейная система за- жигания, а до 100 Вт. Это не явля- ется недостатком, так как в классичес- кой батарейной сис- теме зажигания ма- лый ток потребления объясняется не ре- альной потребностью электроэнергии на оптимальное искро- образование, а не- возможностью еде- Направление потока электронов Рис. 1.7. Двухвыводная катушка зажигания лать этот ток больше из-за наличия в системе электро- механических контактов прерывателя, которые подвер- жены быстрой эрозии и выгоранию при большом ком- мутируемом токе. Кроме этого, в контактных системах зажигания с высоковольтным распределителем (одной катушкой зажигания) угол замкнутого состояния кон- тактов (время накопления энергии в катушке зажига- ния) ограничен. В многовыводных системах зажигания накопление энергии в индуктивном накопителе проис- ходит более продолжительное время. • Главным достижением в конструировании и со- вершенствовании автомобильных систем зажигания является широкое применение в их схемах полупро- водниковых приборов. Так возникли контактно-тран- зисторная (рис. 1.8, а), бесконтактно-транзисторная (рис. 1.8, б) и тиристорная (рис. 1.8, в) системы уп- равления первичным током катушки зажигания. Эле- ктронная часть этих систем получила название элек- тронного коммутатора зажигания. С внедрением электронных коммутаторов появи- лись совершенно новые возможности реализации ав- томатического управления энергией индуктивного на- копителя, так как коммутация тока первичной обмотки катушки зажигания стала теперь также электронной. Дальнейшее развитие систем зажигания шло по пу- ти внедрения электронного управления временем на- копления и моментом искрообразования. Электронные блоки управления, реализующие эти функции, получили название контроллеров. Контроллер зажигания управ- ляется от датчиков, а управляет — электронным комму- татором системы зажигания (рис. 1.8, г). Так появились системы зажигания с чисто электронным управлением. Все это повысило такие эксплуатационные харак- теристики системы зажигания, как функциональная точность, продолжительность наработки на отказ, энергия высоковольтной искры, универсальность применения, надежность. • О надежности системы зажигания надо сказать отдельно. Известно, что эксплуатационная надеж- ность N сложной технической системы определяется в основном двумя факторами: надежностью пт каж- дого из составных компонентов системы и их числом m: N = пх • п2 • п3 • • пт. Для многокомпонентных систем это означает, что самый ненадежный элемент сводит “на нет" надеж- ность всех остальных. Так, если контактная пара пре- рывателя (п = 0,75) в классической батарейной систе- ме зажигания перегорает, то высоконадежный эле- мент этой системы — катушка зажигания (п = 0,99) — не защищает систему от выхода из строя. А в батарей- ной системе зажигания низконадежных элементов не- мало. Кроме электрических контактов прерывателя и распределителя (п = 0,85), это еще и такие механичес- кие составные части системы, как центробежный регу- лятор (п = 0,80), вакуумный регулятор (п = 0,95), при- вод (п = 0,90) от коленвала ДВС. 18
Системы автомобильного электрооборудования Как следствие низкой надежности составных час- тей, батарейная система зажигания хотя и содержит всего шесть конструктивных составных элементов, имеет низкую надежность: Nk = 0,75 0,99 0,85 • 0,80 • 0,90 • 0,95 = 0,435. Многоэлементная бесконтактная электронная си- стема зажигания, в которой число элементов не ме- нее 120, но каждый элемент m обладает высокой на- дежностью (не менее 0,99), имеет достаточно высо- кую надежность: N3 = п™ = 0,99128 = 0,88. Статистически установлено, что из общего числа отказов, приходящихся на навесное электрооборудо- вание двигателя, на батарейную систему зажигания приходится более половины, в то время как на элек- тронную систему зажигания — всего 12%. Помимо конструктивной надежности электронные системы зажигания имеют очень высокую функцио- нальную надежность, что в первую очередь опреде- ляется высокой точностью и быстродействием испол- нения операций управления в электронных схемах. На повышение надежности электронных схем ока- зывает влияние еще и тот факт, что в них легко осуще- ствить схемотехническое резервирование исполнитель- ных функций. К примеру, если какой-либо из датчиков современной системы зажигания отказывает, это не приводит к отказу всей системы в целом, так как его функции по среднему уровню начинает отрабатывать специальная электронная схема резервирования (ис- ключение составляет датчик частоты вращения ДВС). В схемотехническом отношении электронные сис- темы зажигания являются самыми сложными устрой: ствами электрооборудования автомобиля. Подробно современные системы зажигания опи- саны в главе 9. 1.5. Система освещения и сигнализации Система освещения и сигнализации современных автомобилей развивается в основном по двум на- Рмс. 1.8. Системы зажигания с электронными коммутаторами: а — контактно-транзисторная СЗ: б — бесконтактно-полупроводниковая СЗ с датчиком Холла; в — контактно-тиристорная СЗ с накоплением энергии в емкости С и с трансформатором зажигания ТЗ; г — структурная схема ЭСЗ с контроллером, без распределителя; ЭК — электронный коммутатор; КЗ — катушка зажигания; ТЗ —трансформатор зажигания; ПР — пре- рыватель-распределитель; РП — распределитель; КП — контактная пара прерывателя; СВ — свечи; ВЗ — включатель зажи- гания; АКБ — батарея; Т — транзистор; ТД — тиристорный диод; С — емкостной накопитель; Пн — преобразователь напря- жения 12/400 В; ДХ — датчик Холла; R — дополнительный резистор; РД — реле дополнительного резистора. 19
Глава 1 правлениям: по пути совершенствования оптики и конструкций наружных осветительных и светосиг- нальных приборов, а также по пути развития элект- росетей коммутации в цепях больших токов для све- тотехнического и сигнального оборудования. • На современном автомобиле наружные освети- тельные приборы оборудованы либо стеклоочистите- лем, либо стеклоомывателем, либо и тем и другим вместе. Пока это в основном относится к передним фарам. Именно поэтому передняя фара автомобиля уже давно многофункциональна. В ней сразу все — и дальний, и ближний, и противотуманный свет, и га- баритные огни, и указатели поворотов (рис. 1.9, а). • Задние фонари большинства современных ав- томобилей также многофункциональны. Здесь в еди- ном монолитном блоке за общим защитным стеклом размещаются электролампы габаритных огней, стоп- сигналов, стояночных огней, указателей поворотов, сигналов заднего хода, освещения номерного знака, противотуманных задних огней, катофоты, огни ава- рийной и противоугонной сигнализации (рис. 1.9, б). Единый монолитный блок заднего фонаря позво- ляет в перспективе применить и на нем стеклоомы- ватель или стеклоочиститель. Это особенно важно для обеспечения должной безопасности движения автомобилей на загрязненных автодорогах. На ряде автомобилей внедорожного класса специального на- значения это уже делается. Разработана также оптоэлектронная система для определения степени загрязнения стекол наружных ос- ветительных приборов. Эта система позволяет автома- тически включать стеклоочиститель и стеклоомыватель передних и задних фонарей при их загрязнении [4]. Рис. 1.9. Наружные осветительные приборы в моноблочиом исполнении: а — многофункциональная фара: 1 — корпус фары, 2 — лампа указателя поворота, 3 — внутренний рассеиватель указателя поворота, 4 — лампа габаритного света, 5 — блок двухннтевой лампы дальнего и ближнего света, 6 — отражатель, 7 — корректор, 8 — защитное стекло монобло- ка; б — моноблок заднего фонаря: 1 — рассеиватель стоп- сигнала, 2 — лампа стоп-сигнала, 3 — фонарь заднего хо- да, 4 — катофот, 5 — задний габаритный свет, 6 — лампа в блоке указателя поворотов, 7 — корпус моноблока задне- го фонаря; 7 — печатная плата электрических соединений. • Еще одна из задач совершенствования наружно- го освещения — повышение эффективности светоот- дачи передних фар дальнего, ближнего и противоту- манного света. Здесь сходятся воедино дьа противо- речивых требования: с одной стороны, надо бы иметь больше света впереди автомобиля в ночное время, но с другой — мощный свет ослепляет водителей на встречном транспорте. Так в свое время появились национальные стандарты на освещение дороги авто- мобильными фарами. Были разработаны и созданы самые разнообразные конструкции фарных отражате- лей (рефлекторов) и корректоров положения фар. Наиболее сложным (с точки зрения формирования в фаре), всегда являлся ближний свет. В универсаль- ных фарах он требует смещения нити электролампы на строго определенное расстояние от фокуса оптики, а также установки специального экрана под нитью. Наст- ройка такой фары при совмещении в ней дальнего све- та — обязательная эксплуатационная процедура. Последние достижения в области усовершенство- вания передних фар подрообно описаны в главе 12. • Звуковые сигналы современного автомобиля те- перь чаще всего выполняют две функции: предупреж- дающего сигнала во время движения (разрешен в экстремальных ситуациях) и сигнала тревоги во вре- мя несанкционированного проникновения в автомо- биль. Эти два сигнала управляются от двух независи- мых друг от друга устройств коммутации и запитыва- ются от различных источников электроэнергии. Современные противоугонные системы сигнализа- ции помимо звуковых сигналов подают сигналы тре- воги проблеском габаритных огней и устанавливают- ся непосредственно на автомобильном заводе. В си- стему защиты автомобиля от угона теперь включает- ся и так называемый кодированный ключ зажигания. 1.6. Система контрольно-измерительных приборов и вспомогательного электрооборудования Эта система включает в себя щитковые контроль- но-измерительные приборы и коммутационные орга- ны управления, которые расположены на водитель- ском пульте, а также все те устройства, которые яв- ляются вспомогательными в бортовой системе элект- рооборудования. Сюда относятся релейные и предо- хранительные монтажные блоки, соединительные эле- ктропровода, а также большое количество самых разнообразных приводов от электрических двигате- лей, начиная от стеклоочистителей и вентиляторов и кончая электроприводами для стеклоподъемников и для наружных зеркал заднего вида. Сюда же относят- ся и те устройства комфортного электрооборудова- ния, которыми широко оснащаются современные ав- томобили (радиотелефон, кондиционер, обогрев сиде- 20
Системы автомобильного электрооборудования ний, теле- радио- и аудиоаппаратура, телескопическая радиоантенна, обогрев заднего стекла кузова, салон- ная вентиляция, прикуриватели и тому подобное). • Современный щиток приборов (рис. 1.10) и пульт управления водителя значительно отличаются от своих предшественников, которые устанавливались на ста- рых моделях автомобилей. Многие приборы теперь ста- ли электронными с выходной цифровой индикацией. Это и спидометры, и часы, и указатели уровня топлива в бензобаке, и цифровые указатели автомобильного бортового компьютера путевого контроля. Все они тре- буют для своего функционирования электронных схем управления, специально разработанных для этих целей. • Необходимость коммутации токов в лампах на- каливания большой мощности (в фарах), а также зна- чительное увеличение числа других мощных потреби- телей электроэнергии на борту автомобиля привели к неизбежности применения в цепях коммутации элек- тромагнитных реле с "сухими" контактами. Реле с “су- хими" контактами — это обычное электромагнитное реле, которое в разомкнутом состоянии исключает гальваническую связь между коммутируемыми цепя- ми. Это особенно важно в большеточных электричес- ких цепях. Число релейных устройств на современном автомобиле доходит теперь до 30 единиц. Отсюда возникла необходимость установки в систему автомо- бильных проводов не только блоков с предохраните- лями, но и специальных монтажных блоков для реле и для их соединительных разъемов. Число предохрани- телей также возросло до 20-30 единиц. • В последнее время все электрооборудование на борту автомобиля условно разбивают на три группы: на группу потребителей, постоянно включенную в борто- вую электросеть при работающем двигателе (устройст- ва, обеспечивающие работоспособность основных уз- лов и агрегатов автомобиля): на группу потребителей. Рис. 1.10. Комбинация приборов современиого автомобиля: в комбинации сочетаются традиционные стрелочные прибо- ры и цифровой дисплей на жидких кристаллах или электрон- ных световых индикаторах. Добавлена звуковая предупре- дительная сигнализация для водителя. которые подключаются к электросети автомобиля на некоторое время (стартер, система освещения и сиг- нализации, стеклоочиститель); на группу комфортного электрооборудования (прикуриватели, вентиляторы, кондиционер в салоне, электропривода стеклоподъем- ников, теле-, радио- и аудиоаппаратура и т.п.). Ясно, что по степени важности для движения ав- томобиля эти три группы электропотребителей имеют разное значение. Но если на работающем автомоби- ле включить все три группы потребителей одновре- менно, то на некоторых современных автомобилях это может привести к отбору от бортовой сети до 1,5 кВт мощности (и это не считая стартера). Пере- грузка бортовой сети чревата серьезными повреж- дениями в системе электроснабжения. Чтобы не до- пустить нежелательных перегрузок в системе элект- роснабжения на современных автомобилях применя- ют распределение электроэнергии по группам потре- бителей. При этом в каждой группе также не допус- кается одновременное включение нескольких мощ- ных приборов. Так, например, на время включения стартера все остальные потребители, кроме систем впрыска топ- лива и зажигания, а также габаритных огней в ноч- ное время, от аккумуляторной батареи отключаются. Это отключение обеспечивает современный замок зажигания. Другой пример: в салонном кондиционере теперь очень часто устанавливают специальный автоматиче- ский переключатель, который на время работы конди- ционера делает невозможным подключение к элект- росети таких потребителей, как электроподогрев сте- кол, электрообогреватели сидений, электродвигатели стеклоподъемников и салонных вентиляторов. Этим же целям отвечает и центральный переклю- чатель света современных автомобилей, который не допускает одновременного включения дальнего и ближнего света. Все это говорит о том, что электроэнергии на бор- ту современного автомобиля уже в ближайшее время может оказаться недостаточно. Отсюда встает зада- ча значительного уменьшения потребляемой электро- энергии отдельными бортовыми электропотребителя- ми. А это становится возможным только с применени- ем современных прогрессивных технологий и новых конструктивных материалов при изготовлении совре- менного автомобильного электрооборудования. При- мером такого подхода может служить установка в фа- рах высокоэкономичных газоразрядных ламп с высо- кой светоотдачей вместо галогенных (потребляемая мощность последних значительно выше). • Задача улучшения энергетических параметров бортовых устройств при сохранении их функций явля- ется одним из главных направлений в совершенство- вании электрических и электронных компонентов бортового оборудования. 21
Глава вторая АВТОМОБИЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ Сразу заметим: из всех электротехнических устройств современного высоконадежного и дол- говечного легкового автомобиля аккумуляторная батарея — самое ненадежное и недолговеч- ное. Низкая надежность наиболее отчетливо проявляется зимой при попытке запустить про- мерзший двигатель в те дни, когда температура воздуха не превышает -30°С. К сожалению, двигатель может и не завестись. Виной тому, как правило, аккумуляторная батарея. Недолго- вечность всем хорошо известна: любой самый современный автомобильный аккумулятор рабо- тает не более трех-пяти лет. В чем же здесь дело? Давайте разберемся. 2.1. Общие сведения Автомобильная аккумуляторная батарея (АКБ)* — это обратимый (многократно заряжаемый) химичес- кий источник электрического тока, состоящий из ше- сти отдельных кислотно-свинцовых аккумуляторов, электрически соединенных последовательно и конст- руктивно скомпонованных в единый моноблок. • По конструктивному исполнению (рис. 2.1) стар- терн1 ie АКБ подразделяют на: обслуживаемые, мало- обслуживаемые, необслуживаемые и монолитные. Внешние отличительные признаки указанных че- тырех типов батарей следующие: 1. Обслуживаемая АКБ (рис. 2.1, а) имеет корпус- ной моноблок из черного эбонита, разделенный на несколько отдельных аккумуляторных банок. В каж- Рис. 2.1. Стартерные аккумуляторные батареи: а — обслуживаемая АКБ; б — малообслуживаемая АКБ; в — необслуживаемая АКБ; г — монолитная АКБ; 1 — моноблок; 2 — крышка; 3 — устройство вентиляции; 4 — клемма АКБ; 5 — индикатор зараженности; 6 — внутреннее соединение аккумуля- торов (АК); 7 — соединительный мостик; 8 — положительный электрод; 9 — сепаратор; 10 — отрицательный электрод; 11 — заливное отверстие; 12 — блок электродов АК; 13 — опора на дно; 14 — перемычка для наружного соединения АК; 15 — за- ливочная масса; 16— опорная призма; 18 — пробка; 19 — прокладка под заливку; 20 — активная масса электрода; 21 — свинцовая решетка электрода; 22 — сепаратор; 23 — измеритель уровня электролита, помещенный в пробку. * Автомобильная аккумуляторная батарея в повседневной речи чаще называется автомобильным аккумулятором. В на- учно-технической литературе под термином -аккумулятор, принято понимать один отдельно взятый аккумуляторный эле- мент. входящий в состав батареи. 22
Автомобильные аккумуляторныебатареи дую банку помещается один аккумуляторный элемент (аккумулятор) борнами (токовыми выводами) вверх. Каждый аккумулятор накрывается защитной пласт- массовой пластиной с двумя отверстиями под борны и с одним центральным резьбовым отверстием под пробку для заливки электролита. Поверх пластины ак- кумулятор заливается разогретой до текучего состоя- ния термопластичной массой, например битумной ма- стикой. Выступающие вверх токовые выводы (борны) соединяются наружными свинцовыми перемычками, которые припаиваются к борнам. Соединения выпол- няются так, чтобы все аккумуляторы оказались соеди- ненными последовательно. На краевые борны напаи- ваются полюсные выводы (свинцовые выходные клеммы) батареи, которые имеют конусную форму и разные диаметры у вершины и основания. Конструкция обслуживаемой АКБ позволяет про- водить проверку технического состояния каждого ак- кумулятора в отдельности (по плотности электролита и разрядному току на контрольную вилку) и в случае его выхода из строя — заменять на новый аккумуля- торный элемент. К основным недостаткам обслуживаемой АКБ отно- сятся: большие габариты и вес (в основном из-за при- менения тяжелого и массивного эбонитового корпуса); повышенное омическое сопротивление батареи (в том числе из-за наличия протяженных наружных соедине- ний); вероятность саморазряда по грязевым мостикам на наружных соединениях; наличие возможности про- течек и испарения электролита через пробки. 2. Малообслуживаемая АКБ (рис. 2.1, б) собира- ется в полупрозрачном пластмассовом корпусном мо- ноблоке (из полипропиленовой или полиэтиленовой термопластмассы) с применением внутренних соеди- нений между отдельными аккумуляторами под общей герметичной крышкой. Это уменьшает габариты и вес АКБ, а также исключает случайный саморазряд по внешним грязевым мостикам. Каждый аккумулятор имеет отдельную заливную пробку, что позволяет контролировать его состояние по плотности и уровню электролита. Внутреннее со- противление меньше, чем у обслуживаемых АКБ. Главный недостаток малообслуживаемой АКБ — не- возможность измерить напряжение на каждом аккуму- ляторном элементе в отдельности и исключительная трудоемкость при его замене на новый аккумулятор. 3. Необслуживаемая АКБ (рис. 2.1, в) принципи- ально отличается от малообслуживаемой отсутствием пробок для заливки электролита и наличием на корпу- се индикатора заряженности. Имеется также венти- ляционный клапан. Батарея заправляется электроли- том на заводе-изготовителе. Внутренние соединения выполняются через стенки аккумуляторных банок. Не- обслуживаемая АКБ считается неремонтопригодной. Основное преимущество — повышение эксплуатаци- онной надежности из-за исключения потребности в доливке и в контроле за уровнем электролита и как следствие — более длительный срок службы. 4. Монолитная АКБ (рис. 2.1, г) — это новый тип автомобильной аккумуляторной батареи, созданный с применением ленточных электродов, которые после сборки аккумуляторных элементов и пропитки электро- литом сворачиваются в трубки. Основные внешние от- личия — аккумуляторы имеют цилиндрическую форму и внешние соединения с обеих сторон аккумуляторных цилиндров. Главные преимущества: малогабаритность, значительное увеличение тока холодной прокрутки, долговечность. Недостаток — высокая стоимость. • Основное назначение АКБ на борту автомоби- ля — это работа на электростартер при пуске двигате- ля внутреннего сгорания (ДВС). Именно поэтому ее ча- сто называют стартерной аккумуляторной батареей. В исправной автомобильной стартерной батарее отдельные аккумуляторы совершенно идентичны. Это позволяет рассматривать устройство и работу батареи на примере эдного аккумулятора. Каждый аккумулятор в АКБ представляет собой активную электрохимическую систему: [-Pb][H2SO4 + Н20][+РЬ02], (2.1) включающую в себя пластины из губчатого свинца РЬ и пластины из двуокиси свинца РЬ02, которые разделены друг от друга сепараторами, помещены в кислотостойкую аккумуляторную банку и залиты сер- нокислотным электролитом 42S04 + Н20. В общем случае электролит — это жидкое, желе- образное или даже твердое химическое соединение, обладающее ярко выраженной ионной электропро- водностью. В таких веществах имеет место электро- литическая диссоциация, т.е. полный или частичный распад растворенного вещества на ионы вследствие его взаимодействия с растворителем. В автомобильных аккумуляторах электролитом явля- ется 30%-ный водный раствор серной кислоты H2S04 в дистиллированной воде Н20 с массовой концентраци- ей в 28...40% и с плотностью 1,21...1,31 г/см3. Рабо- чая температура для такого сернокислотного электро- лита лежит в интервале -ЗО...+5О°С. Конструктивно каждый аккумулятор содержит не- сколько положительных и несколько отрицательных пластин, которые по знаку полярности собраны в по- лублоки. Таким образом, каждый полублок представ- ляет собой аккумуляторный электрод, набранный из параллельно соединенных пластин. При сборке акку- мулятора полублоки вдвигаются друг в друга и тем са- мым образуют аккумуляторный моноблок. Внутри мо- ноблока все пластины разделены сепараторами. Классическая конструкция аккумуляторного моно- блока показана в правой части рис. 2.1, а. Аналогич- ную конструкцию пластинчатых электродов имеют все современные батареи (рис. 2.1, б, в), кроме мо- 23
Глава 2 нолитных. Известные конструкции электродов моно- литных аккумуляторов представляют собой длинные тонкие свинцовые ленты, между которыми проложе- ны пропитанные электролитом ленточные сепарато- ры, и все это свернуто в трубку (рис. 2.1, г). 2.2. Устройство аккумулятора Как положительные, так и отрицательные пласти- ны аккумулятора содержат внутри жесткий каркас, выполненный в виде тонкой сетчатой решетки из ле- гированного сурьмой, мышьяком, кадмием, оловом или кальцием свинцового сплава, что делает решет- ку жесткой. Свинцовые решетки выполняют также роль внутренних электросоединителей. Оптимальная толщина свинцовых решеток в современных аккуму- ляторах не превышает 1,2 мм для отрицательных и 1,5 мм для положительных электродных пластин. Масса решеток составляет около половины от пол- ной массы электродов. - В ячейки решеток вмазываются пастообраз- ные активные массы. Активная масса отрицательных пластин — губча- то-пористый свинец РЬ с диаметром пор не более 5 мкм, а положительных пластин — мелкопористая двуокись свинца РЬ02 с ячейками 10...15 мкм. Активные массы для электродных пластин форми- руются из свинцовых порошков сурика РЬ304 и глета РЬО, которые растираются в слабом водном раство- ре (5...8%) серной кислоты до пастообразного состо- яния. Приготовленные таким образом пасты вмазы- ваются в ячейки свинцовых решеток. Решетки су- шатся и формуются постоянным электрическим то- ком, в результате чего на пластинах с суриком обра- зуется красно-коричневая положительно сухозаря- женная двуокись свинца РЬ02, а на пластинах с гле- том — серо-бурая, отрицательно заряженная свинцо- вая губчатая поверхность. Адгезия (сцепление) ак- тивных масс с решетками достаточно высокая и при заливке аккумулятора электролитом еще несколько повышается за счет химического спекания. Для увеличения площади соприкосновения электро- лита с электродами активные массы имеют пористую структуру. Такая структура на положительных пласти- нах РЬ02 создается добавлением в сурик РЬ304 расши- рительных волокон, например из полипропилена. По- мимо расширения, волокна армируют двуокись свин- ца. На отрицательных пластинах пористость создается вспениванием микрочастиц порошкового глета РЬО при его электротермическом преобразовании в губча- тый свинец в присутствии микрозернистого, например гуматного, расширителя и сернокислого бария BaS04. Сразу после изготовления электродных пластин пористые ячейки в активных массах непроницаемы, так как между пустотами остаются тонкие пленочные перегородки. После первичной заливки аккумулято- ра пленочные перегородки протравливаются серной кислотой, что приводит к образованию микрокана- лов для проникновения электролита в глубину актив- ных масс. При этом в губчатом свинце образуются микроканалы с проходным сечением в 20...25 мкм2, а в массе двуокиси свинца, наполненной волокнис- тым расширителем, каналы достигают сечений в 250 мкм2. Микроканалы увеличивают рабочую по- верхность электродных пластин в 50-80 раз по срав- нению с их геометрическими размерами. Технология изготовления ленточных электродов для трубчатых аккумуляторов аналогична производст- ву оксидных конденсаторов. Однако состав свинцо- вых сплавов для электродных лент и состав веществ для активных реагентов разработчиком и фирмами- изготовителями не публикуются. • Сепаратор, расположенный между электродны- ми пластинами, — это легко проницаемая для элект- ролита и легко им смачиваемая сетчатая или крупно- пористая пластина из кислотостойкого изоляционно- го материала. В качестве сепараторов используются, например, полихлорвиниловые пористые пластины (мипласт), сетчатые пластины из тонкого листового эбонита (мипор). Для монолитных аккумуляторов в качестве сепараторов применяют натуральный шелк- сырец на стекловолоконной подоснове или стекло- войлок. Такие сепараторы обладают высокой гигро- скопичностью и легко сворачиваются в трубки. 2.3. Электрохимические процессы в аккумуляторе Электрохимическую систему [-Pb][H2S04 + Н20][+РЬ02] свинцово-кислотного аккумулятора конструктивно можно представить в виде двух электродных пластин +РЬ02 и -РЬ, опущенных в банку с сернокислотным электролитом H2S04 (рис. 2.2). • Из химии хорошо известно, что если свинцовую пластину опустить в раствор серной кислоты, то на ее поверхности начнет протекать химическая реакция растворения. Отходными продуктами этой реакции станут сульфат свинца PbS04 и атомарный водород Н: РЬ + H2S04 -> PbSO4 + 2НТ. (2.2) Аналогичная реакция растворения будет иметь место и на поверхности пластины, которая покрыта двуокисью свинца: РЬ02 + H2S04 -> PbS04 + Н20 + ОТ. (2.3) Здесь отходные продукты — все тот же сульфат свинца, вода и свободный кислород. Стрелки вверх (Т) указывают на наличие газовыделения. 24
Автомобильные аккумуляторныебатареи Однако химические уравнения (2.2) и (2.3) не со- держат информации о промежуточных электрохи- мических процессах, которые приводят к появле- нию электрических потенциалов на электридных пластинах аккумулятора. Восполним этот пробел следующими замечаниями. Появление электрической разности потенциалов в любом химическом источнике тока связано с про- теканием в нем окислительно-восстановительной ре- акции, при которой активное вещество отрицатель- ного электрода отдает электроны, т.е. окисляется, а активное вещество положительного электрода при- нимает электроны и тем самым восстанавливается. Вещество, отдающее электроны, называется восста- новителем электрохимической системы, а вещество, принимающее электроны — окислителем. При этом и окислитель, и восстановитель предварительно рас- творяются электролитом. На положительной пластине (на окислителе) по- следовательность процесса растворения и появле- ния электрического потенциала связана с восстанов- лением ионов свинца РЬ4+ из двуокиси РЬ02 свинца. Сначала серная кислота, взаимодействуя с дистилли- рованной водой, диссоциирует, т.е. распадается на положительные ионы Н+ водорода и на отрицатель- ные ионы HS04" серной кислоты: (H2S04) Н20-> (HS04~ + Н+) Н20. При этом электролитическая диссо- циация кислоты приводит к появлению свободных но- сителей зарядов в электролите: H2S04 + Н20 = HS04" + ЗН+ + 2е + О. Ионизированный раствор серной кислоты HS04“ является активным растворителем металлов и их окислов. Поэтому на пластине [+РЬ02] частично растворяется двуокись свинца с образованием сульфата свинца и двух молекул химически актив- ной воды: Pb02 + (HS04“ + ЗН+ + 2е) = PbS04 + 2Н2О. Молекулы Н20, только что вышедшие из химичес- кой реакции, обладающие свойствами агрессивного растворителя, интенсивно взаимодействуют с дву- окисью свинца, в результате чего образуются четы- рехвалентные ионы РЬ4+ свинца и одновалентные ио- ны ОН" гидроксилов: РЬ02 + 2Н20 = РЬ4+ + 40Н". Тя- желые ионы свинца не покидают пластину РЬ02 и за- ряжают ее положительно, а ионы ОН", оставаясь в растворе, заряжают граничную зону электролита от- рицательно. Общее уравнение, описывающее электрохимиче- ские процессы и равновесие электрических зарядов на положительной пластине, имеет следующий вид: 2РЬО2 + H2S04 + Н20 = 2РЬ02 + [HS04~ +ЗН+ + + О + 2е] = [PbS04 + Pb4+] + [40Н" + О], (2.4) где [PbSO4 + Pb4+] — реагенты на пластине РЬ02; [40Н" +0] — реагенты электролитного раствора. Из уравнения (2.4) видно, что в процессе электро- литического растворения пластина РЬ02 получает по- ложительный заряд, а раствор электролита относи- тельно пластины РЬ02 - отрицательный. Возникающая таким образом разность потенциа- лов, достигая определенных значений, прекращает растворение активной массы РЬ02, так как при этом наступает нейтрализация сил электролитического рас- творения силами электростатического поля. Энергия химических реакций растворения двуокиси свинца переходит в энергию электрического потенциала <р+о. Уравнение (2.4) наглядно проиллюстрировано рис. 2.3. который представляет собой топограмму гра- ничной зоны у положительной пластины +РЬ02 и отоб- ражает следующее: - Электролит (H2S04 + Н20) смачивает поверх- ность положительного электрода (блок а). - Происходит диссоциация кислоты, и ионизиро- ванная серная кислота HS04“ растворяет активную массу 2РЬ02. Свободный кислород О пузырьками вы- деляется в электролит (блок б). - При растворении активной массы образуются молекулы воды Н20 и сульфат свинца PbS04. Суль- фат оседает на поверхность пластины РЬ02 (блок в). - Молекулы воды, только что вышедшие из реак- ции, активно растворяют двуокись свинца РЬ02 на поверхности положительной пластины (блок г). - При растворении из двуокиси РЬ02 свинца вос- станавливается чистый свинец в виде четырехва- лентных ионов РЬ4+, которые остаются на поверхно- сти пластины РЬ02 и заряжают ее положительно; ио- ны ОН" гидроксильных групп образуют условную по- верхность граничной зоны и тем самым заряжают электролит отрицательно (блок д). - Возникшая разность потенциалов (блок е) на- зывается равновесным потенциалом положительно- 25
Глава 2 го электрода, или просто электродным потенциалом Ф+= <Р+о - <P”r- На отрицательной пластине (на восстановителе) имеет место электролитическое растворение свинца, при котором губчатый свинец окисляется до четырех- валентного иона РЬ4+. В растворении участвует сер- ная кислота. Свинец расщепляется на положитель- ные ионы РЬ4+, которые выпадают в раствор элект- ролита и заряжают его положительно. Образовавши- еся свободные электроны остаются на поверхности свинцовых пластин, которые таким образом приоб- ретают отрицательный заряд. Возникает разность потенциалов <р_ = фо~ - <p+R в граничной зоне у отри- цательных пластин аккумулятора, которая называет- ся равновесным потенциалом отрицательного элект- рода, или электродным потенциалом <р_. Когда потен- циал <р_ уравновешивает силы растворения, электро- литический процесс прекращается. Энергия химиче- ской реакции растворения губчатого свинца перехо- дит в энергию электрического потенциала <р_. Общее уравнение химической реакции и электриче- ского равновесия у отрицательных пластин имеет вид: Рис. 2.3. Рис. 2.4. 2Pb + H2S04 -> PbS04 + 2е + 2Н- + РЬ4+ + + 4е -> [PbSO4 + 4е] + [РЬ4+ + Н2], (2.5) где [PbS04 + 4е] — реагенты на отрицательно заря- женной пластине РЬ; [РЬ4+ + Н2] — реагенты в поло- жительно заряженном электролитном растворе. Уравнение (2.5) графически пояснено голограм- мой граничной зоны у отрицательной пластины -РЬ (рис. 2.4). Так происходит первичное накопление положи- тельных электрических зарядов на пластинах РЬ02 и отрицательных зарядов — на пластинах РЬ после первичной заливки аккумулятора сернокислотным электролитом. Разность потенциалов между электродами — есть электродвижущая сила (ЭДС) Еа аккумулятора. Она определяется как разность значений электродных по- тенциалов Еа = <р+ - <р_ у противоположных пластин, которая для свинцово-кислотных аккумуляторов в обычных условиях в среднем равна 2,1 В. Так как чис- ло аккумуляторов в АКБ равно шести, ЭДС залитой су- хозаряженной автомобильной батареи равна 12,6 В. Из сказанного ясно, что первично сформирован- ная ЭДС аккумуляторной батареи не является следст- вием ее заряда от внешнего источника электричес- кой энергии, а есть результат начальных электрохи- мических превращений в сухозаряженной АКБ при ее заливке электролитом. Спустя два-три часа после заливки батарея набирает 80...90% номинальной ем- кости и готова к эксплуатации без подзарядки. Полу- чается так: в аккумуляторе при его заливке электро- литом часть активных масс и серной кислоты расхо- дуется на первичное формирование разности потен- циалов между электродами, тем самым аккумулятор приводится в рабочее состояние. На это затрачива- ется часть от номинальной емкости аккумулятора (не более 5%), которая быстро восстанавливается в пер- вом зарядном цикле. В необслуживаемых и монолит- ных АКБ заправка электролитом производится в за- водских условиях, где после этого емкость батареи доводится до номинальной. 2.4. Первичный разряд аккумулятора В каждом аккумуляторе полностью заряженной батареи еще до подключения ее к внешней нагруз- ке на положительных электродах сосредоточено зна- чительное количество четырехвалентных ионов РЬ4+ свинца (см. уравнение 2.4), а на отрицательных эле- ктродах — значительное количество свободных эле- ктронов (уравнение 2.5). В электролите в граничных зонах электродов сосредотачиваются ионы гидро- ксильных групп ОН (у пластин РЬ02) и ионы свинца РЬ4+ (у пластин РЬ). Такое состояние является состо- янием устойчивого электрохимического равновесия 26
Автомобильные аккумуляторные батареи и может сохраняться в аккумуляторе достаточно долго. Но как только внешняя электрическая цепь будет замкнута, под действием ЭДС аккумулятора начнется движение свободных электронов через на- грузку от минусовой клеммы аккумулятора к плюсо- вой, а также свободных ионов внутри аккумулятора через электролит. Так возникает электрический ток 1р разряда акку- мулятора. На положительных электродах под дейст- вием излишка приходящих электронов начинается восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентного состояния: РЬ4+ + 2е = РЬ2*. На от- рицательных электродах под действием истечения уходящих электронов будет иметь место окисление губчатого свинца: РЬ - 2е = РЬ2*. Образовавшиеся под действием разрядного тока двухвалентные ионы свинца и на положительных, и на отрицательных пластинах вступают в химическую ре- акцию сульфатации с ионизированной серной кисло- той электролита. На положительных пластинах сульфа- тация протекает в присутствии ионов гидроксильных групп с образованием сернокислого свинца и воды: РЬ2* + HS04~ + ОН' -> РЬ2+ + Н* + so42- + ОН' = PbS04 + Н20. На отрицательных пластинах аналогичная химиче- ская реакция начинается после того, как на их по- верхность поступят свободные ионы ОН- гидроксилов от положительных пластин, т.е. после возникновения разрядного ионного тока в электролите аккумулятора. Таким образом, при разряде и на положительном, и на отрицательном электродах предварительно скапли- ваются положительные двухвалентные ионы РЬ2+ свинца, которые затем легко вступают в ковалентные связи с отрицательными двухвалентными ионами кис- лотного основания S042-, что и приводит к образова- нию сульфата свинца: РЬ2* + S042' -> PbS04. Так как электронный ток 1р разряда протекает по внешней электрической цепи под действием установив- шегося на клеммах АКБ напряжения U6p = 6 Uap, то ба- тарея за время tp разряда совершит работу, равную эле- ктрической энергии, отданной АКБ во внешнюю цепь: W = f lp(t)U6p(t)dt. Отдавая энергию, батарея разряжается, и ее на- пряжение U6p постепенно падает. Если падающее во времени значение напряжения U6p(t) в подынте- гральном выражении заменить средним значением U6p за время tp разряда, то при постоянном токе 1р разряда (1р = const) можно определить энергию раз- ряда батареи: W6p = U6p lp tp = U6p Ср, где Ср = 1р tp — разрядная емкость батареи. Интересно отметить, что разрядная емкость батареи равна раз- рядной емкости одного отдельно взятого аккумулято- ра, т.е. Ср = Сра. Это имеет место потому, что ем- кость батареи есть токо-временной, а не энергетиче- ский показатель, и ток батареи не может быть боль- ше тока, протекающего через один аккумулятор. Из сказанного ясно — во время разряда АКБ от- дает электрическую энергию во внешнюю цепь, при этом электроды всех ее аккумуляторов “обрастают" сульфатом свинца, а плотность электролитного рас- твора в аккумуляторных банках падает: РЬ + РЬ02 + 2H2S04 (разряд) -» 2PbS04 + 2Н2О. (2.6) 2.5. Заряд аккумулятора от внешнего источника тока Совершенно очевидно, что электрическая энер- гия электродных потенциалов, первоначально полу- ченная в аккумуляторе за счет его заливки электро- литом, рано или поздно истощится. Это может про- изойти как от работы аккумулятора на полезную на- грузку, так и от длительного его хранения за счет са- моразряда. В этом смысле аккумуляторы ничем не отличаются от одноразовых гальванических элемен- тов, которые относят к химическим источникам тока (ХИТ) первого рода. Однако, электрохимическая система [—Pb][H2S04 + Н20][+РЬ02] аккумулятора обладает свойствами восстановления химических реагентов под воздействием обратного тока от внешнего источника электрической энергии. При этом внешняя электричес- кая энергия превращается в потенциальную химичес- кую энергию восстановленных реагентов. Химические источники тока, обладающие свойстаом вновь заря- жаться от внешнего зарядного устройства, относятся к ХИТ второго рода. В таких источниках имеет место не накопление электрической энергии в виде энергии за- рядов в конденсаторе, а аккумуляция, т е. обратное со- бирание в элементах электрохимической системы хи- мически активных реагентов, ранее растраченных на токообразование в прямом направлении. На отрицательной пластине РЬ обратное электро- химическое преобразование при заряде аккумулято- ра протекает по следующей закономерности: PbSO4 + Н20 -> H2S04 + РЫ- 01, а на положительной пластине РЬ02: PbS04 + 2Н20 -> H2S04 + РЬ02 + 2Н1. Стрелки вниз (1) указывают на перемещение ре- агентов в электролите. Данные химические реакции протекают под воз- действием внешнего электрического тока от заряд- ного устройства, что вначале приводит к разложе- нию сульфата свинца на ионы: PbS04 + Н20 -> Pb2* + S042- + Н20 — на отрица- тельной пластине; PbS04 + 2Н20 -> РЬ2* + S042- + 2Н20 — на поло- жительной пластине. 27
Глава 2 Далее на отрицательной пластине двухвалентный свинец нейтрализуется поступившими от зарядного устройства электронами и происходит восстановле- ние губчатого свинца: РЬ2+ + 2е = РЬ. Одновременно образуется серная кислота и отрицательный ион О2- кислорода: Н20 + S042- = H2S04 + О2-. На положительной пластине при избытке воды двухвалентный ион свинца отдает два электрона во внешнюю цепь (зарядному устройству) и доокисляет- ся до четырехвалентного иона РЬ4+, который вступа- ет в реакцию с водой и соединяется с двумя ионами атомарного кислорода 202", за счет чего восстанав- ливается активная масса положительной пластины: РЬ4+ + 2Н20 = РЬ02 + 4Н+. Здесь так же образуется серная кислота в элект- ролите и два иона водорода: 4Н+ + S042~ -> H2S04 + 2Н+. Ионизированные атомы кислорода, образовав- шиеся у отрицательной пластины, и ионизирован- ные атомы водорода, образовавшиеся у положи- тельной пластины, в современных необслуживаемых аккумуляторах перемещаются в электролите в про- тивоположных направлениях: отрицательные ионы О2- кислорода к положительной пластине +РЬ02, а положительные ионы Н+ водорода — к отрицатель- ной пластине -РЬ. На положительных пластинах от- рицательные ионы кислорода отдают электроны и переходят в атомарный кислород: О2- - 2е = О. На отрицательных пластинах положительные ионы во- дорода нейтрализуются свободными электронами 2Н+ + 2е = Н2, что приводит к «дефициту» электро- нов на отрицательном электроде, и как следствие — к постепенному уменьшению тока заряда. Далее на пластинах происходит накопление ионов до тех пор, пока созданный ими дополнительный электродный потенциал не повысит напряжение на клеммах акку- мулятора до запорного значения U3 = 2,5...2,7 В. При этом внутреннее сопротивление аккумулятора резко возрастет, а ток заряда практически прекра- тится. Наступает состояние полного заряда (полного восстановления активных реагентов) аккумулятора. После этого вся энергия электрического тока от за- рядного устройства начнет затрачиваться только на разложение воды на водород и кислород: Н20 —> 2Н + О. В прежних конструкциях аккумулято- ров в конце заряда имело место интенсивное газо- выделение, что являлось признаком окончания про- цесса заряда. В современных необслуживаемых и монолитных аккумуляторах газовыделение не проис- ходит, так как наступает эффект запирания заряд- ного тока в начале газовыделения. Общее токообразующее уравнение химических пре- вращений в аккумуляторе при его заряде примет вид: 2PbS04 + [ЗН2О + H2S04] (заряд) -> РЬ02 + РЫ- [3H2S04 + Н20]. (2.7) Из выражения 2.7 видно, что в процессе заряда аккумулятора восстанавливаются не только реагенты, но и увеличивается концентрация серной кислоты: в электролите свободных молекул воды становится меньше, а молекул серной кислоты больше. Ясно, что при этом увеличивается плотность электролита, кото- рая может служить мерой заряженности аккумулятора. 2.6. Обратимость процессов в аккумуляторе Токообразующее уравнение 2.7 показывает, что свинцово-кислотный аккумулятор при заряде не на- капливает электрическую энергию, а преобразует ее в число молекул химически активных реагентов. При разряде химическая энергия реагентов в процессе реакции растворения переходит в электрическую энергию электродных потенциалов, которая и созда- ет ЭДС аккумулятора. В уравнении 2.7 из правой и левой части можно исключить по одной молекуле во- ды Н20 и по одной молекуле серной кислоты H2S04. Тогда станет очевидным, что выражения 2 6 и 2.7 совершенно идентичны, но направления описывае- мых ими электрохимических превращений противо- положны. Это означает, что химические реакции разряда и заряда взаимообратимы, и для их обрати- мости необходимо и достаточно поменять направле- ние тока внутри аккумулятора. Тогда разрядно-зарядному циклу химических пре- вращений в аккумуляторе будет отвечать уравнение общей токообразующей реакции: РЬ + 2H2S04 + РЬ02 <— (заряд) (разряд) -> 2Pb S04 + 2Н20. (2.8) Формула 2.8 отображает обратимость химичес- ких процессов, происходящих в аккумуляторе, что было впервые описано теорией двойной сульфата- ции еще в 1883 г. Д. Гладстоном и А. Трайбом. Эта теория применительно к свинцово-кислотным аккуму- ляторам говорит о том, что когда аккумулятор разря- жается, часть активных химических реагентов пере- ходит в сульфат свинца и в воду. При заряде аккуму- лятора химические реакции протекают в обратном направлении и активные реагенты восстанавливают- ся. Однако следует иметь в виду, что полного восста- новления активных масс во время заряда не проис- ходит даже в совершенно новом аккумуляторе и да- же при идеальных условиях заряда. От цикла к циклу на электродах в АКБ накапливается сернокислый свинец (сульфат), и рано или поздно батарея оконча- тельно выходит из строя. Этому же способствует и так называемый саморазряд аккумулятора, который невозможно исключить полностью. 28
Глава третья ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Во второй главе подробно рассмотрены теоретические аспекты принципа действия и конструк- тивного исполнения автомобильных аккумуляторных батарей. Настоящая глава посвящена опи- санию основных параметров и характеристик этого устройства. 3.1. Предварительные замечания Уже отмечалось, что идентичность отдельных акку- муляторов в исправной аккумуляторной батарее (АКБ) позволяет рассматривать ее устройство и принцип действия на примере одного аккумулятора. То же са- мое можно допустить при рассмотрении параметров и характеристик. Под параметрами электротехнического устройст- ва принято понимать совокупность эксплуатационно- технических показателей, каждый из которых отоб- ражает то или иное его свойство. Характеристикой устройства называют зависимость одного параметра от другого при постоянстве всех остальных. К основным параметрам свинцово-кислотного аккумулятора относятся: — электродвижущая сила ЭДС Еа (в вольтах): — плотность электролита у в аккумуляторе (в г/см3); — полное внутреннее сопротивление Ra (в омах); — напряжение на клеммах аккумулятора Ua (в вольтах); — номинальная емкость аккумулятора Сн (в ам- пер-часах); — продолжительность хранения txp и срок службы tc„ (в месяцах). Основными характеристиками аккумулятора явля- ются электродная характеристика Еа = f(y) и времен- ные разрядно-зарядные характеристики (зависи- мость основных параметров от времени tp разряда или времени t3 заряда). Рассмотрим указанные параметры и характерис- тики свинцово-кислотного аккумулятора. 3.2. Электродвижущая сила аккумулятора Электродвижущая сила Еа является основным па- раметром свинцово-кислотного аккумулятора. Она опре- деляется активностью химических реагентов (РЬ, РЬ02, H2S04, Н20), входящих в состав электрохимической си- стемы аккумулятора, но при этом никак не зависит от количества электролита и активных масс на электрод- ных пластинах, а также от их форм и размеров. Величина ЭДС Еа определяется как разность рав- новесных электрических потенциалов <р между элект- родами при отсутствии протекающего через аккуму- лятор электрического тока: Еа = <р+ - <р_. Так как <р+ > <р_, то ЭДС всегда положительна. Таким образом, ЭДС является стационарным физико-химическим параметром, зависящим от природы взаимодействующих реагентов и указыва- ющим на потенциальную способность аккумулятора поддерживать на электродах электрическое напря- жение в токовой цепи. Электродвижущая сила заряженного аккумулято- ра сохраняется достаточно продолжительно. Численное значение Еа может быть найдено из теоретической закономерности: Еа = 2,047 + KTIna, (3.1) где Т — абсолютная температура; К — постоянный коэффициент, характеризующий физико-химические свойства активных масс электродов; а — коэффици- ент, характеризующий активность электролита. Однако на практике пользуются эмпирической формулой для определения ЭДС: Еа = 0,84 + [0,00075 (Т - 25) + ут1, (3.2) где выражение в квадратных скобках соответствует значению плотности у25 электролита, приведенному к температуре 25°С; ут — плотность электролита при температуре Т°С измерения. Химическая активность реагентов, собранных в электрохимическую систему аккумулятора, слабо за- висит от температуры, что наглядно может быть по- казано дифференцированием выражения (3.1) по температуре: dE/dT = 0,0004 (В/°С). При изменении температуры от -30 до +50°С (в рабочем диапазоне для АКБ) электродвижущая си- ла каждого аккумулятора в батарее изменяется всего на 0,04 В. На практике таким незначитель- ным изменением пренебрегают и считают, что ЭДС Еа, выраженная в вольтах, зависит только от приведенной плотности электролита, выраженной в г/см3: 29
Глава 3 Еа = 0,84 + у25 (В). (3.3) Так, если плотность электролита в банках полно- стью заряженной батареи при Т = 25°С равна 1,28 г/см3, электродвижущая сила в каждом аккуму- ляторе Еа = 0,84 + 1,28 = 2,12 В, а ЭДС батареи рав- на 12,72 В. Практически электродвижущую силу аккумулятор- ной батареи можно измерить вольтметром с высо- ким внутренним сопротивлением. 3.3. Плотность электролита Электролит в автомобильном свинцово-кислотном аккумуляторе — это 30%-ный раствор серной кисло- ты H2S04 в дистиллированной воде Н20. Аккумуляторная серная кислота, поступающая в продажу, содержит 94% химически чистой кислоты H2S04. Она прозрачна, не имеет цвета и запаха, ки- пит при температуре 33°С, имеет плотность ук = 1,83 г/см3. Чаще в торговую сеть поставляется электролитный раствор с плотностью уЭА = 1,4 г/см3 или с плотностью, требуемой для данного климатиче- ского региона. Под плотностью электролитного раствора (или кислоты) понимают отношение массы вещества (в граммах) к занимаемому им объему (в см3). Таким образом, плотность — это параметр электролита, по- добный его удельному весу. Плотности электролита 1,10...1,30 г/см3 соответствует массовая концен- трация серной кислоты в 28...40%. В исправной автомобильной аккумуляторной бата- рее плотность электролита может находиться в преде- лах от 1,07...1,3 г/см3. Разброс значений плотнос- ти электролита в банках полностью заряженной исправной АКБ не должен превышать 0,01 г/см3. Если батарея разряжена, значение плотности в банках АКБ может быть различным. Это зависит от состояния разряженности данного аккумулятора, от его технического состояния, а также от плотности первоначально залитого в него электролита. При выборе плотности электролита для первоначаль- ной заливки приходится выбирать между продолжитель- ностью срока службы АКБ, который с уменьшением плотности увеличивается, и емкостью батареи, которая с понижением плотности электролита уменьшается. Кроме того, с увеличением плотности электроли- та до 1,30 г/см3 батарея может храниться при бо- лее низкой температуре (Tlt30 =-60°С) без причи- нения ей ущерба (без размораживания активных масс электродов). В рабочем свинцово-кислотном аккумуляторе плотность ниже 1,07 г/см3 недопустима, и не только из-за раннего замерзания электролита (Т107 = -5°С), но и по причине падения емкости аккумулятора при Таблица 3.1 Ти-ПЛОТНОСТЬ Климати* Время При Т=25*С, (г/смэ) ноская эон1 (ям.) года (замерз.) при после заливке заряда АКБ Очень холодная (Заполярье) -50...-30 -15...-5 зима лето -(64...68) -(50...58) 128 1.24 1.30 126 Холодная —30...—15 весь год -(5В...64) 1.26 1.28 Московский регион -9 тоже -(52...60) 1 25 1.27 Умеренно холодная -15...-5 тоже -(50—58) 1.24 1.28 Теплая сухая -5...+5 тоже -(40—50) 1.22 1.24 । Теплая влажная 0...+5 тоже -(28...40) 1.20 1.22 Жаркая влажная (субтропики) +5...+10 тоже -(22-28) 1.18 1.20 нормальных температурных условиях (Т > 10°С). Та- ким образом, плотность электролита во всех аккуму- ляторных банках автомобильной стартерной батареи должна поддерживаться одинаковой и в определен- ных границах в соответствии с заданными условиями эксплуатации, которые значительно отличаются для разных климатических регионов. ГОСТ 16360-80 определяет климатические регио- ны по среднемесячной температуре tcPoC воздуха в январе. С учетом требований ГОСТа составлена таблица 3.1. Проводить сезонное изменение плотности элект- ролита необходимо только в широтах, где средняя температура января ниже -30°С. Электролит приготавливают вливанием кислоты в воду, а не наоборот. Важно отметить, что в начале составляют электролит в пропорции 0,42 л 94%-ной кислоты и 0,65 л дистиллированной воды. При этом получается электролит с плотностью 1,4 г/см3 (при Т = 25°С). Далее электролит разбавляют до нужной плотности в дистиллированной воде. Для получения одного литра электролита требуемой плотности при эксплуатации батареи в средних широтах России 0,6 л электролита с плотностью у25 = 1,40 г/см3 не- обходимо влить в 0,4 л дистиллированной воды. По- лучится электролит с плотностью у25 = 1,24 г/см3. После полной зарядки плотность во всех банках АКБ достигает номинального значения 1,26 г/см3. Для московского региона круглогодичная плотность в полностью заряженной батарее несколько выше — 1,27 г/см3. Если необходимо повысить плотность электролита непосредственно в аккумуляторе, то доливают нв кислоту, а электролит с плотностью 1,4 г/см3. При этом производят также выравнивание плот- ности и уровня электролита в разных банках, что де- лают в процессе заряда батареи. Измеряют уровень с помощью стеклянной мерной трубочки, а плотность электролита — с помощью ден- симетра (аэрометра) или с помощью поплавкового плотномера. Необходимо также наличие градусника. 30
Параметры и характеристики автомобильных аккумуляторных батарей —— —. ..................................... После измерения плотности и температуры элект- ролита измеренную плотность приводят к температу- ре +25°С по формуле у25 = Ут + 0,0007 (Т-25) или с помощью графика, показанного на рис. 3.1, на кото- ром слагаемое 0,0007 (Т-25) обозначено как вели- чина температурной поправки Ду (г/см3). Из графика видно, что в интервале температур (2О...ЗО°С) величина поправки Ду незначительна и ею можно пренебречь. Если же плотность электроли- та измеряется за пределами указанного диапазона, приведенная плотность определяется с учетом по- правки: у25 = ут + Ду, где ут — плотность электролита при температуре измерения Т. Например, если измеренная при температуре Т = -5°С плотность ут = 1,28 г/см3, то согласно гра- фику это означает, что при температуре +25°С плот- ность электролита у25 = 1,28 - 0,02 = 1,26 (г/см3). Возможно и обратное использование графика: если известно, что при температуре +25°С плотность электролита 1,26 г/см3, то при температуре +40°С она изменится и определится как: Удо = У25 - Ут = 1.26 - 0,01 = 1,25 (г/см3). Разность между плотностью полностью заря- женного аккумулятора уэ и полностью разряженно- го (Ур) при температуре 25°С всегда равна 0,16 г/см3, а ДСр = 100 (уэ-у25)/(Уэ-Ур). Тогда, если известна начальная плотность ун полностью заряженной аккумуляторной батареи, по измерен- ной плотности ут электролита можно определить степень разряженности ДСР (%) каждого аккумуля- тора в отдельности: ДСР = 625 (у„ - ут + Ду)% (3.4) Следует помнить, что серная кислота, входя щая в состав электролита, исключительно актив- ное химическое вещество, способное вызвать опасные кислотные ожоги на теле человека. Па- рами кислоты можно отравиться. Работа с элект- ролитом требует особой осторожности, специаль- ной химической посуды и индивидуальных средств защиты. 3.4. Электродная характеристика аккумулятора Отличительным свойством свинцово-кислотного аккумулятора является почти линейная зависимость ЭДС Еа от плотности у. Эта зависимость называется электродной характеристикой и отображает влияние плотности электролита на равновесные потенциалы электродов и на электродвижущую силу аккумулятора при определенной температуре. Графики функций: Ф+ = Пу); Ф- = f(y); Еа = «У) приведены на рис. 3.2. В диапазоне изменения плотности (1,05...1,35 г/см3) все три функции абсолютно ли- нейны и не зависят от конструкции и степени заря- женности аккумулятора. Установлено, что ЭДС Еа любого исправного свинцово-кислотного аккумулятора при плотности электролита у = 1,30 г/см3 и температуре Тэ = 20°С равна 2,1В, а при у= 1,10 г/см3, ЭДС Еа=1,9В (рис. 3.2). Однако плотность электролита незначи- тельно уменьшается при увеличении температуры (0,0007 г/см3 на один градус) и очень заметно уве- личивается при повышении степени заряженности аккумулятора. Получается так: в разряженном акку- муляторе с плотностью уэ = 1,30 г/см3 ЭДС Еа - 2,1 В. А в заряженном аккумуляторе с плотностью уэ = 1,20 г/см3 — ЭДС Еа = 2,0 В (при одинаковой температуре аккумуляторов Т = 20°С). Таким обра- зом, электродная характеристика показывает, что электродвижущая сила Еа не может служить метро- логическим параметром для определения степени заряженности (или разряженности) аккумулятора. Как было показано ранее, таким параметром явля- ется плотность электролита. 3.5. Внутреннее сопротивление аккумулятора Представим теперь электрохимическую систему [-РЬ] [H2S04 + Н2О] [+РЬО2] аккумулятора в виде эле- 31
Глава 3 Рис. 3.3. ментов электрической цепи. На рис. 3.3 показана модель системы, составленная из реальных резис- тивных масс, имеющих место в аккумуляторе: РЬК — свинцовая масса внутренних электрических соедине- ний с омическим сопротивлением RK1 и Rk2; РЬр — масса свинцового сплава электродных решеток с со- противлением Rpl и Rp2; РЬм — активная масса от- рицательного электрода (губчатый свинец) с сопро- тивлением RM1; ЭК — масса электролита с сопротив- лением R31 и R32; С — электропроводная масса сепа- ратора — параллельное соединение R3 и Rc, где Rc — сопротивление материала сепаратора; РЬ02 — ак- тивная масса положительного электрода (пористый сульфат свинца) с сопротивлением Rm2. Если допустить, что в объеме перечисленных ре- зистивных масс удельное сопротивление распределе- но равномерно и по аккумулятору электрический ток не протекает, то сумму внутренних резистивностей аккумулятора (согласно рис. 3.3) можно представить как последовательное соединение сосредоточенных омических сопротивлений: Ro = [(Rki + й«г) + (Rpi + Rpa)l + (Rpi + Rp2) + [R3 Rc/(Rp + RJl + (Rmi + RM2). где Ro — суммарное сопротивление реальных внут- ренних резистивностей, которое называется внут- ренним омическим сопротивлением аккумулятора. Если слагаемые для Ro объединить по приблизитель- ному равенству удельных сопротивлений, то в сумме Ro останется четыре слагаемых: Ro = RT + R3 + Rc + R„; все они — омические сопротивления: RT — сопротивление внутренних тоководов (RK + Rp); R3 — сопротивление электролита (R31 + R32); Rc — сопротивление сепаратора [R3 RC/(R3 + Rc)]; RM — сопротивление активных масс (RM1 + Rm2). Сопротивление R3 электролита в свинцово-кислот- ном аккумуляторе составляет примерно 50% от внут- реннего омического сопротивления Ro. При разряде аккумулятора активные массы +РЬ и +РЬ02 частично превращаются в сульфат свинца PbS04, а электролит теряет часть своей кислоты. Это приводит к увеличению внутреннего омическо- го сопротивления Ro. Еще более заметное влияние на величину Ro оказывает температура. При изме- нении температуры в диапазоне (-4О...+ЗО°С) ве- личина удельного сопротивления электролита Gt = гро (1 + а3Т°) изменяется более чем в 8 раз (а3 — температурный коэффициент сопротивления). При этом более чем в 3 раза изменяется внутрен- нее омическое сопротивление Ro аккумулятора (см. рис. 3.4). При прохождении тока через аккумулятор к его внутреннему омическому сопротивлению Ro добавля- ется сопротивление Rn токовой поляризации, и тогда полное внутреннее сопротивление аккумулятора оп- ределяется как: Ra = Ro + Rn. Поляризационная со- ставляющая Rn полного внутреннего сопротивления Ra аккумулятора в сильной степени зависит от тока через аккумулятор, а также от температуры (рис. 3.5). Рис. 3.5. 3.6. Напряжение аккумуляторной батареи Напряжение U6 аккумуляторной батареи — это сумма напряжений Ua от шести последовательно со- единенных аккумуляторов. Так как напряжения отдель- ных аккумуляторов равны между собой, то U6 = 6 Ua. При этом под напряжением U6 понимается раз- ность потенциалов на выводах батареи, когда по ней протекает электрический ток 1а. То же самое отно- сится и к отдельному аккумулятору. Напряжение, как и электродвижущая сила, из- меряется в вольтах, но является более удобным 32
Параметры и характеристики автомобильных аккумуляторных батарей эксплуатационным параметром. Его принято рас- сматривать для каждого аккумулятора в отдельнос- ти и подразделять на напряжение разряда Uap и напряжение заряда Ua3. (Одним из недостатков не- обслуживаемых АКБ является невозможность из- мерения напряжения на каждом аккумуляторе в отдельности.) Значения Uap и Ua3 легко определяются по эквива- лентным электрическим схемам замещения (рис. 3.6). Когда аккумулятор находится под установившим- ся током 1ар разряда (рис. 3.6, а), то уравнение ба- ланса потенциалов, согласно второму закону Кирхго- фа, имеет вид: Еа = lap (R„ + Ra) = lapR„ + lapRa, где RH — внешняя резистивная нагрузка; Ra — полное внутреннее сопротивление аккумулятора. Тогда 1арйн = Uap = Еа - lapRa. (3.5) При заряде аккумулятора (рис. 3.6, б) постоянным током 1аз баланс потенциалов в замкнутом контуре зарядной цепи определяется как равенство алгебра- ической суммы ЭДС и суммы падений напряжений (тот же второй закон Кирхгофа): Еа - Еа = la3Ra + la3Ra, здесь Еа, Ra — ЭДС и внут- реннее сопротивление выпрямительного устройства. Так как Еа - la3Ra = Ua3, то Ua3=Ea+la3Ra. (3.6) В алгебраической сумме ЭДС (Еа - Еа) знак минус означает, что Еа и Еа при заряде должны быть вклю- чены встречно, и Еа должна быть больше Еа. Таким образом, зарядное устройство подключа- ется к АКБ по правилу “плюс с плюсом — минус с минусом и т.д.”. Из формул 3.5 и 3.6 следует, что напряжение акку- мулятора при разряде меньше ЭДС Еа, а при заряде больше — на величину падения напряжения Ua = laRa на полном внутреннем сопротивлении Ra аккумулятора. Следует заметить, что на формирование текуще- го значения напряжения Ua(t) аккумулятора как при разряде, так и при заряде большое влияние оказы- вают переходные процессы токовой поляризации у электродных пластин. Эти процессы учитываются в формулах 3.5 и 3.6 полным внутренним сопротивлением Ra аккумулято- ра: Ra = Ro + Rn- В состав Ra входят сопротивление Rn поляризации и омическая составляющая внутрен- него сопротивления — Ro. Поляризация — это явление изменения потенциа- лов электродов от их значения в обесточенном акку- муляторе до значения потенциалов под током. Скорость протекания процессов поляризации на электрических эквивалентных схемах замещения учи- тывается введением поляризационной емкости Сп. Поляризация является основной причиной потерь внутри аккумулятора при переходе его из режима разряда в режим заряда или при обратном переходе (подробно о поляризации см. [2] и [5]). 3.7. Емкость и разрядно-зарядные характеристики аккумулятора Сухозаряженная свинцово-кислотная аккумуля- торная батарея (АКБ) после первичной заливки электролитом и пропитки электродов практически полностью заряжена и готова к эксплуатации без подзарядки. • Если теперь АКБ поставить под разряд, то в те- чение некоторого времени батарея будет поддержи- вать на нагрузке электрический ток разряда. При не- изменном сопротивлении нагрузки ток разряда будет постепенно уменьшаться, пока не станет равным ну- лю. Тогда количество электричества, отданное бата- реей в нагрузку, можно определить как: Сп = Jo1 l(t) dt, где Сп — полная емкость аккумуля- тора; l(t) — ток разряда на постоянную нагрузку; t — продолжительность полного разряда. За время t произойдет полный, т.е. предельно глу- бокий, разряд батареи (до 1р = О), что в реальных ус- ловиях эксплуатации недопустимо из-за дальнейшей непригодности батареи к работе. Поэтому на практи- ке емкость аккумулятора определяют при его частич- ном, например при 60%-ном разряде постоянным то- ком 1р, а время разряда tp ограничивают достижени- ем наперед заданной величины напряжения UpH раз- ряда на клеммах аккумулятора. 2 Автотроника 33
Глава 3 В 1,95В г/см* aJ-yVu Конец заряда Конец Начало гаэоеыделения з(2,70В) I разряда Еа Еао I б) Начало э Еа ч 2.11В JUOB) 15 Перезаряд 10 с, 12 « Рис. 3.7. - Г- & Г1! / I 'I В Время разряда время заряда Тогда: С„ = lp tp. (3.7) где tp — время разряда (в часах) постоянным током разряда 1р (в амперах) до заданного напряжения разряда UpH (в вольтах); Сн — нормированная раз- рядная емкость батареи (в ампер-часах). Так как нормированная емкость Сн определяется на- перед заданными величинами — разрядным током 1р и конечным напряжением разряда UpK, то время разряда tp является метрологическим параметром, по которому при заданных 1р и UpK можно определить емкость. В формуле 3.7 конечное напряжение разряда в явном виде не присутствует, но именно по нему оп- ределяется конечное время разряда. Таким обра- зом, величины 1р, tp, UpK являются исходными пара- метрами выбора для определения величины норми- рованной емкости батареи, которая в разных стра- нах выбирается по-разному. Общий подход такой: нормированная емкость Сн должна быть меньше полной емкости Сп на столько, чтобы при разряде новой полностью заряженной батареи на величину Сн она не теряла бы своей способности к полному восстановлению при заряде. Кроме того, имеется в виду, что конечное напряжение разряда не мо- жет быть меньше 6 В, так как иначе нарушается работоспособность бортовых электрических и элек- тронных устройств автомобиля. Для определения номинальной емкости батареи разряд проводят при постоянном токе 1р = 0,05С2О. В процессе экс- плуатации значение нормированной емкости бата- реи принимается за номинальное (рабочее) значе- ние Сн. При этом переменной величиной является напряжение разряда. Зависимость основных пара- метров аккумулятора от продолжительности разря- да называется временными разрядными характе- ристиками (рис. 3.7). Обычно считается (при Т = 25°С и 1р = 0,05 С20), что при достижении конечным напряжением разря- да значения UpK = 10,2 В (1,7 В на отдельном аккуму- ляторе) батарея полностью разряжена, хотя до пол- ного истощения ее емкости еще далеко (Сн = 0,4 Сп). • Величина нормированной емкости батареи, вы- бранная в качестве паспортного параметра, называ- ется номинальной емкостью батареи. Согласно российскому стандарту ГОСТ 959-91Е па- раметрами, по которым определяется номинальная емкость новой батареи, являются температура Т = 25°С, конечное напряжение разряда UpK = 10,2 В, время разряда tp = 20 ч, ток разряда 1р = 0,05 С20 (А), где С20 — емкость батареи при 20-ти часовом разря- де при температуре измерения Т = 25°С до значения Ср = 0,4Сп. Полная емкость Сп определяется экспери- ментально на этапе конструктивной разработки и ис- пытаний новой модели аккумуляторной батареи. (В обычных обслуживаемых АКБ полная емкость С„ в 3- 4 раза меньше теоретически возможной (конструк- тивной) емкости Ск, которая рассчитывается по коли- честву активных масс реагентов, затрачиваемых на получение одного ампер-часа количества электриче- ства при разряде.) АКБ паспортизуется по номиналь- ной емкости, которую часто указывают как С20. Однако для оценки пусковых качеств стартерной батареи ее номинальная емкость С20 малоинформа- тивна. При стартерных токах разряда 200...500 А и особенно при температурах ниже -18°С количество электричества, которое может отдать батарея элект- ростартеру, ограничивается из-за ускоренной суль- фатации электродов под действием больших токов, а при понижении температуры еще и за счет загусте- ния электролита. Для стартерных режимов разряда ГОСТ 959-91Е рекомендует определять пусковую способность бата- реи при двух различных значениях температуры (25°С и -18°С) и не по номинальной емкости С20, а по току разряда 1р = 3 С20 и по заданному конечному напряжению разряда UPK. Так, для необслуживаемой батареи разряд током 3 С20 при температуре +25°С до напряжения 9 В должен длиться не менее 30 с. Это означает, что ба- тарея номинальной емкостью С20 до стартерного разряда была полностью заряжена при температуре +25°С. Если батарея разряжается током 3 С20 при температуре -18°С, то за время 30 с она должна разрядиться до напряжения UpK > 6 В. • Немецкий стандарт DIN несколько ужесточает требования к автомобильным АКБ, вводя нормиро- вание по току холодной прокрутки. Это такой ток (близкий к значению 1р = ЗС2О), при котором в кон- це 30-й секунды разряда при температуре -18°С ко- нечное напряжение разряда становится равным за- данной величине (для DIN UpK = 7,2 В). Добавляется также требование обеспечения напряжения UPK = 6 В в конце 150-й секунды разряда при темпе- ратуре +25°С. Английский (BSR) и американский (ASR) стандар- ты по основным требованиям близки к немецкому стандарту DIN. 34
Параметры и характеристики автомобильных аккумуляторных батарей Если на импортной батарее не указана номиналь- ная емкость С20, ее можно ориентировочно опреде- лите по току 1хп холодной прокрутки: С2о = 1ХП/3 (А»ч). • Для оценки способности батареи к восприимчи- вости заряда введено понятие зарядной емкости С3. Эта емкость определяется как количество электричест- ва, которое необходимо сообщить каждому аккумуля- тору, чтобы в его электрохимической системе произо- шло полное восстановление химических реагентов, ра- нее израсходованных на прямое токообразование. Существуют два основных способа заряда АКБ: при постоянном, токе заряда (13 = const) и при посто- янном напряжении (U3 = const). При постоянном токе заряда емкость определяет- ся как Сэ = l313, где t3 — время заряда до заданного конечного напряжения заряда U3K. В отличие от разрядной, зарядную емкость норми- ровать невозможно. Ее можно только приблизитель- но оценить по количеству электричества, отданного зарядным устройством аккумулятору. Для всех свинцово-кислотных аккумуляторов но- минальным током заряда являются значения 13 = 0,1 С20 и 1э = 0,05 С20. Конечное напряжение заряда для различных конструкций АКБ может не- сколько отличаться. Для обслуживаемых батарей U3K = 16,2 В, для необслуживаемых U3K = 14,5 В. Однако окончание заряда контролируют не только по конечному напряжению U3K, но и по интенсивно- му газовыделению у обслуживаемых батарей или по резкому падению тока заряда у необслуживаемых. В стационарных условиях АКБ чаще заряжают в режиме постоянного тока (13 = 0,05 С20). На автомо- билях — в режиме постоянного напряжения (U3X = 14,5 В), при ограничении максимального тока заряда значением 1зтвх = (0,2...0,3) С20. Время заряда непосредственно зависит от степе- ни разряженности батареи до начала заряда и изме- ряется в процессе заряда в часах. Время заряда пол- ностью разряженной батареи током 13 = 0,05С2о рав- но 20-ти часам, а током 13 = 0,1С20 — 10-ти часам. • Зависимости всех основных параметров акку- мулятора от продолжительности заряда (от времени заряда t3) при постоянном токе заряда называются временными зарядными характеристиками. На рис. 3.7 приведены такие характеристики для 13 = 0,1 С20 с продолжительностью заряда 12...13 ч. В момент включения зарядного устройства на- пряжение U3 = Еа0 + l3Ro устанавливается мгновен- но. Далее начинается переходный процесс токовой поляризации (нелинейный участок на зарядной ха- рактеристике) и U3 = Еа0 + ДЕ, где ДЕ = l3Ra — так называемая электродвижущая сила поляризации. После этого равновесная электродвижущая сила Еао аккумулятора начинает линейно возрастать из-за ли- нейного возрастания плотности электролита под действием постоянного тока заряда. Этот процесс будет длиться 8...9 ч (при 13 = 0,1 Сн) до тех пор, по- ка активные массы на поверхности электродов пол- ностью не восстановятся. Напряжение заряда на аккумуляторе станет равным 2,4 В, и далее при рос- те U3 ток заряда будет “работать" на газообразова- ние и разложение воды. Достигнув значения 2,7 В в обслуживаемой батарее, рост зарядного напряже- ния прекратится, и U3 будет оставаться постоянным на протяжении всего времени последующего заря- да. Участок зарядной характеристики U3 = f (t3), на котором параметры U3, у, 13 длительно не изменяют- ся. соответствует процессу перезаряда аккумулято- ра. Обычно перезаряд продолжают 2...3 ч с целью более полного восстановления активных реагентов в порах электродных масс; в этом случае перезаряд выполняет функции ремонтно-восстановительного заряда, выравнивающего в аккумуляторах батареи значения величин у и ЕОа. Во время перезаряда эле- ктролит бурлит в аккумуляторах от газовых пузырь- ков. Газы, выделяющиеся из заливных отверстий, взрывоопасны. • Принципиальным отличием современных акку- муляторных батарей является отсутствие в них актив- ного газовыделения, а также участка перезаряда на зарядной характеристике. Это позволяет делать АКБ необслуживаемыми (без заливных пробок) и даже мо- нолитными (без аккумуляторных банок). Достигнутое реализовано исключением из актив- ных масс электродов и конструктивных свинцовых сплавов веществ, способствующих образованию га- зовыделения. Очень важную роль, как положительную, так и от- рицательную, в прежних конструкциях аккумуляторов играла сурьма. Она вводилась в состав свинцового сплава решеток (до 6%) для придания им требуемой жесткости. Но, попадая в электролит, сурьма пони- жает напряжение начала газовыделения (до U3= 2,3 В), которое наступает задолго до полного заряда аккумулятора. В современных аккумуляторах про- центное содержание сурьмы значительно снижено (не более 1,2%). Это позволило приблизить напряже- ние начала газовыделения (U3 = 2,4 В) к напряже- нию окончания заряда (U3 = 2,41 В). При достиже- нии зарядным напряжением значения 14 5 В (2,416 В на один аккумулятор) даже при попытке удерживать U3 постоянным и равным 2,45 В ток за- ряда начинает падать. Это приводит к эффекту запи- рания процесса заряда; газообразования при этом не происходит. Разрушительный перезаряд необслуживаемой ба- тареи может иметь место при длительном ее заряде напряжением U3 более 14,6...15 В. То, что касается жесткости пластин, которая при уменьшении содержания сурьмы ослабевает, то она компенсируется как внесением в конструктивные свин- цовые сплавы новых добавок, так и новым конструк- 35
Глава 3 тивным исполнением электродов, например помеще- нием пластин электродов в сепараторные конверты, в которых некоторое коробление пластин неопасно. 3.8. Саморазряд аккумуляторной батареи Саморазрядом называют разряд бездействую- щей аккумуляторной батареи, от которой на борту автомобиля отключены все потребители или которая снята с автомобиля для хранения. Саморазряд мож- но подразделить на случайный, ускоренный и естест- венный. Случайный и ускоренный протекают непо- средственно на автомобиле и являются следствием нарушения правил эксплуатации АКБ. Случайный саморазряд — это неучтенный разряд АКБ скрытым током утечки на корпус автомобиля, на- пример слаботочной утечкой через неисправные бортовые электронные схемы, которые постоянно подключены к АКБ. Ускоренный саморазряд — это преждевремен- ный разряд токами утечки через грязевые мостики снаружи батареи между ее клеммами или внутри ак- кумуляторов из-за наличия случайно попавших посто- ронних примесей, а также из-за замыкания между пластинами при осыпании активных масс. Естественный саморазряд — это неотвратимое, присущее любому ХИТ падение его заряженности при длительном пребывании в обесточенном состоя- нии. Применительно к автомобильной АКБ, естест- венный саморазряд имеет место главным образом не на автомобиле, а при хранении на складе. Естест- венный саморазряд есть проявление постоянного взаимодействия химически активных реагентов ак- кумулятора, как между собой, так и с окружающей средой. В естественном саморазряде проявляется физическая природа активных химических веществ терять со временем свою активность. Если АКБ не заправлена электролитом, она под- вержена воздействию кислорода воздуха, его темпе- ратуры и влажности. Как следствие, электроды сухо- заряженных АКБ могут утратить свою активность, а свинцовые решетки и внутренние электросоедине- ния — окислиться. Такая батарея при ее заливке эле- ктролитом не наберет номинальной емкости даже по- сле тренировочного зарядного цикла. Чтобы свести к минимуму вредное влияние атмо- сферного воздуха на батареи, хранящиеся в сухоза- ряженном состоянии, в последнее время заводы-из- готовители стали поставлять свою продукцию потре- бителю только в герметичной целлофановой упаков- ке и в картонной коробке. В таком состоянии сухоза- ряженная АКБ может храниться до 3-х лет на складе при пониженной температуре. Но особенно сложно защитить от саморазряда уже залитую электролитом и полностью заряженную АКБ. В такой батарее естественный саморазряд свя- зан со следующими причинами: а) оседание серной кислоты в электролите ^име- ет место перераспределение плотности электролита по высоте, и как следствие — возникновение внут- ренних токов разряда); б) проникновение электролита к свинцовым ре- шеткам через трещины в активных массах (вспучи- вание активных масс внутренней сульфатацией и возникновение разрядных токов между решеткой и активной массой); в) появление поверхностной сульфатации на эле- ктродах и на внутренних тоководах (возникновение крупных кристаллов сульфата свинца и образование поверхностных токов утечки); г) наличие примесей в химически активных ве- ществах на электродах и в свинцовых сплавах реше- ток (образование мелких узлов сульфатации и микро- токов разряда вокруг них). Все эти причины приводят к медленному, но неот- вратимому разряду запасенной в батарее емкости. Они же являются причинами сокращения срока службы АКБ. Показателем случайного и ускоренного самораз- ряда является самопроизвольный разряд батареи на борту автомобиля за непродолжительное время, на- пример за одну ночь, который проявляется по мед- ленной прокрутке ДВС стартером, в обычных услови- ях пуска. • Естественный саморазряд неустраним. Он нор- мируется ГОСТом 959-91Е по среднесуточному раз- ряду в процентах от номинальной емкости полностью заряженной батареи. Для обычной батареи средне- суточный разряд, рассчитанный за 14 дней хране- ния, не должен быть более 0,5% от С20 и не более 0,7%, рассчитанный за один месяц. Для новых необслуживаемых батарей самораз- ряд в течение одного года не превышает 40% от но- минальной емкости. Это в среднем около 0,1% само- разряда в сутки от величины С20 и не менее четырех лет надежной работы при правильной эксплуатации. По рекламным данным фирм, выпускающих моно- литные трубчатые АКБ, их саморазряд за один год хранения не превышает 25...30% от С20, а срок службы, выраженный в пусковых циклах, равен 10...12 тыс. (7-8 лет ежедневной эксплуатации.) На рис. 3.8 показано, как снижается скорость са- моразряда и увеличивается срок службы по мере со- вершенствования конструкций аккумуляторных бата- рей. На рисунке цифрами 1, 2, 3. 4 соответственно обозначены обслуживаемая, малообслуживаемая. необслуживаемая и монолитная батареи. Следует заметить, что при любой конструкции АКБ суточный саморазряд протекает медленнее при уменьшении плотности электролита и при понижении его температуры. 36
Параметры и характеристики автомобильных аккумуляторныхбатарей Рис. 3.8. С уменьшением плотности электролита уменьша- ется концентрация серной кислоты, что понижает ин- тенсивность растворения свинца на отрицательных пластинах. Саморазряд батареи замедляется. При из- менении плотности в интервале от 1,3 до 1,15 г/см3 суточный саморазряд уменьшается на 10. ..15%. Срок службы батареи при этом увеличивается. При падении температуры ниже 0°С саморазряд резко ограничивается. Из этого следует практичес- кая рекомендация хранить залитые электролитом ба- тареи при минусовой температуре и в полностью за- ряженном состоянии. При температуре хранения Т = -30°С естествен- ный саморазряд практически прекращается. Бата- рея может храниться достаточно долго (более 8... 10 лет) и в сухозаряженном, и в залитом состоя- нии. Так же, как и при обычном разряде, плотность электролита может служить достоверной мерой са- моразряда батареи АС (%) = 625 (Уз-Угэ)- Именно по плотности электролита в заряженной и залитой батарее определяют состояние ее разряженности при хранении в складских условиях. Следует отметить, что по мере углубления само- разряда скорость его возрастает. Это приводит к не- обходимости постоянного подзаряда АКБ во время хранения. Скорость саморазряда возрастает и к кон- цу срока службы батареи. Батарея, потерявшая при хранении более 30...40% своей номинальной емкос- ти, непригодна для установки на автомобиль без про- ведения полного цикла зарядно-разрядной трениров- ки в стационарных условиях. Если после такой процедуры АКБ не набирает больше 60% от номинальной емкости, она подлежит утилизации. В заключение приведена сводная таблица 3.2 ос- новных параметров необслуживаемых АКБ. Таблица 3.2. Основные параметры аккумуляторных батарей Тип батареи См(Ач); 1я(А| Габариты (мм) Вас (кг) Объем (дм3) Стартовый режим разряда приТ„ = -18’С Применяемость нае/м Длина Ширин Высота без э/л залит ый э/л АКБ 1р(А) иЕ(В) на 30-й с tp (мин) AoU№ н (Вт-ч/кг) N (В’-ч/дм3) “1 6СТ-44А 44/2.2 215 175 215 - 13,9 3.» ко 220 7,2 ЗАЗ, 'Москвич’ 6СТ-55АЗ J 55/2,8 250 175 215 10,7 15.9 4,1 8,9 255 9.0 2.5 5.6 Ю,2 ВАЗ, 'Москвич’ 6СТ-66А •66/3,3 300 175 210 13,6 19,5 4,7 11.2 300 9.0 2.5 5.6 9,6 ГАЗ. УАЗ 6СТ-77А 77/3,9 340 175 210 15,2 22,1 5.4 12.5 9.0 2.5 5.6 10,0 ГАЗель 6СТ-88А 88/9,4 380 175 210 17,0 25,0 6.4 13,9 410 9,0 2.5 5.3 9.5 ЗИЛ VRLA 56/2,9 245 172 199 - 17.7 - - 850 7.2 2.0 - - Импортные А- батарея с общай крышкой (рис. 1,6); 3 залитая электролитом батарея без пробок (рис. 1, в); VRLA - батарея монолитной конструкции (рис. 1, г); N - удельная энергия. 37
= Глава четвертая ... СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Предыдущие главы по автомобильным аккумуляторам, вторая и третья, представляют собой краткое учебное пособие для самостоятельной подготовки специалиста частного автосервиса, имеющего желание углубить свои теоретические познания. Настоящая глава завершает тему практическими рекомендациями по техническому обслуживанию аккумуляторных батарей в условиях частного автосервиса. 4.1. Общие сведения Современные автомобильные аккумуляторные ба- тареи (АКБ) имеют малообслуживаемую или полно- стью необслуживаемую конструкцию и, в отличие от прежних, ремонту с разборкой не подлежат. Тогда эксплуатационно-технические мероприятия по сервисному обслуживанию АКБ нового поколения сводятся к следующему: — Хранение новых батарей, сухозаряженных или залитых. — Первичная заливка малообслуживаемых сухо- заряженных АКБ. — Снятие АКБ с автомобиля на временное хра- нение. — Профилактический подзаряд АКБ. — Восстановительно-ремонтный (уравнительный) заряд АКБ. — Контрольно-тренировочный зарядно-разряд- ный цикл. — Сезонное обслуживание АКБ. Сервисное обслуживание предполагает проведе- ние работ в условиях аккумуляторного участка на станции технического обслуживания или на авто- транспортном предприятии. Если имеются необходи- мые технические средства, то перечисленные меро- приятия могут проводиться и в условиях частного ав- тосервиса. В этом случае необходимо иметь набор следующих технических средств: а) Специально отведенное место, поближе к вы- тяжке или к свежему воздуху, где следует оборудо- вать небольшой аккумуляторный стенд. На стенде в неприспособленном под аккумуляторный участок помещении можно проводить техническое обслу- живание только одной аккумуляторной батареи. Приготовление электролита в таких условиях про- водить не следует. б) Зарядно-разрядное устройство с сетевым трансформатором ТС мощностью не менее 300...400 ВА. с комплектом измерительных прибо- ров V, А и реостатом R (рис. 4.1). ) зарядим устройство -220В Рис,*4,В в) Набор аксессуаров, в который входят: часы t со звуковым сигналом; аэрометр у (денсиметр), или поплавковый плотномер; лабораторный термометр Т (1О...5О)°С; нагрузочная вилка НВ с удлиненным гибким проводом; три аптечные бутыли с притерты- ми пробками из толстого стекла разных оттенков емкостью не более 2...3 литров (для хранения дис- тиллированной воды, доливочного и готового к упо- треблению электролита); мерная посуда М и лейки Л 38
Сервисное обслуживание автомобильных аккумуляторных батарей из пластмассы; захватные щипцы Н| для переноса АКБ (рис. 4.2). г) Комплект индивидуальных средств защиты от кислотных ожогов и отравления: фартук, резиновые перчатки, защитные очки и респиратор, мыло и ем- кость (8... 10 л) с питьевой водой (рис. 4.3). Рис. 4.3. 4.2. Хранение батарей Срок хранения до начала эксплуатации и условия хранения малообслуживаемых сухих и необслуживае- мых залитых АКБ, как правило, указаны в сервисной книжке или в прилагаемой инструкции. Стандартные условия хранения следующие: а) Не следует вскрывать заводскую целлофановую упаковку батареи до начала эксплуатации. Упаковка предохраняет АКБ от прямого контакта с атмосфер- ным воздухом, кислород и влага которого ускоряют •старение» активных реагентов и токовых выводов аккумуляторной батареи. Герметично упакованная су- хозаряженная АКБ может храниться до 3-х лет. б) В летнее время хранить АКБ лучше в прохлад- ном помещении, защищенном от прямых солнечных лучей. Зимой температура в хранилище может быть минусовой. При этом следует иметь ввиду, что АКБ с плотностью электролита у < 1,15 может замерзнуть уже при -14°С. Замерзший электролит несет в себе угрозу растрескивания и последующего оползания активных масс аккумуляторов. в) Умеренно пониженные температуры благопри- ятны для хранения АКБ, залитых электролитом (необ- служиваемых и снятых с эксплуатации), так как при этом резко ограничивается саморазряд АКБ. г) Общего тока саморазряда для всех аккумулято- ров в АКБ быть не может, так как саморазряду под- вергается каждый аккумулятор в отдельности. Если при этом в один из них случайно попадает частица грязи или металла, процесс саморазряда в этом ак- кумуляторе заметно ускоряется. Как следствие, в АКБ, снятой с эксплуатации после длительного ее хранения без подзаряда, наблюдается неравномер- ность плотности электролита, а значит, и степени разряженности аккумуляторов в разных банках. Если такую АКБ не подвергнуть уравнительному заряду, она быстро выходит из строя. д) Саморазряд проходит медленнее при пониже- нии температуры. Так, если заряженная АКБ хранит- ся при температуре 0°С, то она разряжается на 0,5% за 8-9 месяцев. При температуре +15°С саморазряд протекает в 4 раза быстрее. При хранении АКБ без подзаряда в жарких регионах она полностью разря- дится за один год и придет в негодность. Из сказанного ясно, что хранит^ любую аккумуля- торную батарею лучше при пониженной температуре. е) Хранение снятых с эксплуатации АКБ более трех месяцев, а необслуживаемых более шести ме- сяцев в обычных условиях без подзаряда может стать причиной заметного снижения их емкости и ус- коренного старения. Подзарядка новых необслужи- ваемых АКБ при хранении не разрешена заводом-из- готовителем. Поэтому срок хранения новых залитых электролитом необслуживаемых батарей не может быть более полугода. При покупке новой необслужи- ваемой АКБ это надо иметь в виду. ж) Снятые с эксплуатации АКБ для хранения в обычных условиях должны быть сразу полностью за- ряжены и в дальнейшем регулярно подвергаться профилактическому подзаряду не реже одного раза в 3 месяца. 39
Глава 4 4.3. Первичная заливка аккумуляторной батареи При первичной заливке аккумуляторов стартер- ной батареи в условиях частного автосервиса следу- ет придерживаться следующих правил: а) Нельзя приготавливать электролит из концент- рированной серной кислоты в неприспособленном для этого помещении. В крайнем случае можно при- готавливать электролит на открытом воздухе с со- блюдением всех мер предосторожности. б) Приготовление электролита реализуется влива- нием серной кислоты в дистиллированную воду. Обрат- ное вливание является грубейшим нарушением техни- ческой безопасности, так как может иметь место ин- тенсивное вскипание и разбрызгивание кислоты. в) Приготавливать и заливать электролит в АКБ следует при температуре 15...25°С. Плотность элект- ролита, измеренная при приготовлении и заливке, приводится к температуре 25°С по формуле Узь = Ут + 0,0007 (Т - 25), где ут — плотность эле- ктролита при температуре измерения Т. г) Сначала приготавливают электролит с плотно- стью у25 = 1.40 г/см3, для чего в 650 объемных час- тей дистиллированной воды вливают 423 части кон- центрированной 94%-ной аккумуляторной серной кис- лоты. Использование технической серной кислоты недопустимо. При растворении серной кислоты в воде выделяется большое количество теплоты. Заливать в АКБ можно только остывший электролит (15 < Тэ < 25°С). д) Нормы расхода компонентов для приготовле- ния 1 дм3 (л) электролита приведены в табл. 4.1 [5]. е) При заливке электролита в АКБ приведенная плотность у25 электролита обязательно указывается в сопроводительном документе на батарею — это не- обходимо для определения степени разряженности в дальнейшем. ж) Плотность электролита при первичной заливке должна соответствовать климатической зоне эксплу- атации АКБ, а для влажных и холодных регионов так- же и времени года. и) Для предполярных и полярных широт необходи- мо учитывать возможность замерзания электролита в зимний период (см. табл. 4.2). Из таблицы видно, что увеличение плотности электролита выше значе- ния 1,31 г/см3 приводит к повышению температуры замерзания. к) Для точной подгонки плотности электролита при его заливке в батарею необходимо иметь дистиллиро- ванную воду и электролит с повышенной плотностью 1,4 г/см3. Если приготовленный электролит имеет плотность ниже требуемой, то в него доливается не аккумуляторная кислота, а электролит с повышен- ной плотностью. При необходимости понизить плот- ность в электролит доливают дистиллированную воду. Таблица 4.1 Плотность у25 Количество компонентов в электролите у25, л электролите, приведенная к температуре 25’С, г/см3 Н20 H2S04 1,83 г/см3 Н20 Электролит плотностью 1,40 г/см3 S 0,859 0,200 - - 1,21 0.849 0,211 0,475 0,525 1.22 0,839 0,221 0,450 0,550 1,23 0,829 0,231 0,425 0,575 1.24 0,819 0,242 0,400 0,600 1,25 0,809 0,252 0,375 0,625 1,26 0,800 0,263 0,350 0,650 1.27 0,790 0,274 0,325 0,675 1,26 0,781 0,285 0,300 0,700 1,29 0,771 0,296 0,275 0,725 1,30 0,761 0,306 0,250 0,750 1.31 0,750 0.316 0.225 0.775 1,40 0,850 0.423 1 1.000 Таблица 4.2 Taf/cu’ 1,00 1,15 1.20 1,25 1.29 1,30 1.31 1,32 1,35 1,40I ГС 0 -14 J 1 1 -27 -50 I I -74 I -72 I ; -68 -64 I -49 -38 J л) Для удобства составления электролита с требуе- мой плотностью приведена табл. 4.3 [5]. 4.4. Способы заряда батарей Одной из главных процедур сервисного обслужи- вания аккумуляторной батареи является ее заряд в стационарных условиях. Для заряда аккумуляторной батареи в условиях частного автосервиса необходимо иметь источник постоянного тока с регулируемым выходным напря- жением 11в. Обычно это мощный полупроводниковый выпрямитель с сетевым трансформатором, которые совместно образуют зарядное устройство 3V (рис. 4.1, а). Для заряда одной АКБ максимальное выходное напряжение 3V без нагрузки должно быть не менее 25.. 30 В, а под нагрузкой 10 А — не менее 17 В. С помощью такого зарядного устройства можно эф- фективно и быстро заряжать батареи с номинальной емкостью до 100 А-ч, т.е. батарею любого современ- ного легкового автомобиля. Следует иметь ввиду, что зарядное устройство и аккумуляторная батарея включаются встречно-парал- лельно (•+» с«+»;«-» с •-»), и ток заряда будет иметь место только при соблюдении условия 11в > 116э. При UB = и63 ток заряда 13 = О, а при 11в < 116з батарея начнет разряжаться на зарядное устройство. Существует несколько способов заряда аккумуля- торных батарей [2]. 40
Сервисное обслуживание автомобильных аккумуляторных батарей Таблица 4.3 Корректировка плотности электролита в объеме 1 л Плотность электроли* та в аккуму- До 1,25 г/см3 Добавки, см3 Количество Эмто. До 1,27 г/см3 Добавки, см3 Количество Эмгпм. До 1,29 г/см3 Добавки, см3 Количество а„в™. До1 Количество ,31 г/см3 Добавки, см3 ляторе, отбиреемо- лита Дистил- отбираемо- лита Дистил- отбираемо- лита Дистил- отбираемо- Электролита г/см’ го электро- плотно- лирован- го электро- плотно- лирован- го электро- плотно- лироваи- го электро- плотностью лита стью 1,40г/см3 ной воды лита стью ной воды 1,40г/см3 лита стью ной воды 1,40г/смэ лита 1,40 г/см3 1.24 61 62 - 173 175 - 252 256 - - - 1,25 - 118 119 - 215 219 - - - 1,26 39 - 40 6Ь 66 — 174 1В0 - 290 294 1.27 78 - ВО - - - 122 124 - 246 249 . . -1 1.28 117 - 120 40 42 63 64 * 198 201 1.29 157 - 161 75 - 78 - - - 143 145 1.30 109 113 38 - 37 79 81 1,31 - ’ - 143 146 72 - 76 - - Примечание: плотность электролита увеличивается на 0,0007 г/с»? при понижении температуры на ГС. Первые два из них основные и на их основе воз- можны комбинации: а) Заряд при номинальном постоянном токе 13 = 0,1 Сн или 13 = 0,05 Сн (рис. 4.4, а). б) Заряд при постоянном напряжении U63 = 14,5 ± 0,1 В (рис. 4.4, б). в) Ступенчатый заряд при постоянном токе на каждой ступеньке, обычно двухступенчатый заряд при l3i = 0,1 Сн и 1з2 = 0,05 Сн (рис. 4.4, в). г) Смешанный заряд, сначала при постоянном то- ке 13 = 0,1 Сн, а затем при постоянном напряжении U63 = 14,5 ± 0,1 В (рис. 4.4, г). д) Ускоренный заряд (быстрый подзаряд в экстре- мальных случаях) при увеличенном постоянном токе: - при 30-минутном заряде 13 = 0,7 Сн, С3 = 0,35 Сн; - при 45-минутном заряде 13 = 0,5 Сн, С3 = 0,37 С„; - при 90-минутном заряде 13 = 0,3 Сн, С3 = 0,45 Сн. Для батарей, находящихся в длительной эксплуа- тации, ускоренный заряд проводить не рекомендует- ся. Это может стать причиной их выхода из строя. е) Уравнительный заряд при постоянном токе — это длительный (не менее 10 часов) заряд током 13 = 0,1 Сн под обязательным контролем плотности, температуры и напряжения в каждой аккумулятор- ной банке. Он проводится как профилактический пе- ред зимней эксплуатацией, или как восстановитель- но-ремонтный для сильно разряженной батареи в за- рядно-разрядном тренировочном цикле. Уравнитель- ный заряд обязательно предусматривает 2...3-х ча- совой перезаряд, в процессе которого плотность эле- ктролита и напряжение заряда в каждом аккумуля- торе исправной и полностью заряженной батареи становятся одинаковыми. ж) Перезаряд — это уравнительный заряд бата- реи (при 13 = const; U3 = const; уэ = const) в течение 2...3-х часов после того, как плотность электролита и напряжение заряда перестают возрастать под дейст- вием постоянного тока заряда. и) В отличие от заряда в стационарных условиях, заряд АКБ на борту автомобиля может быть реализо- 41
Глава 4 ван от генераторной установки только при постоянном напряжении (U3 = 14,5 В), но при ограничении макси- мального тока заряда, который не должен быть более 13 = 0,3 С„. Это достигается подбором генератора и его регулятора напряжения к данному типу батареи и сезонной подстройкой регулятора. Из сказанного сле- дует, что батарея, регулятор напряжения и автомо- бильный электрогенератор должны быть совместимы. 4.5. Контроль параметров при заряде Проводя заряд аккумуляторной батареи, надо по- мнить следующее: а) Перезаряд в течение более 3-х часов небезо- пасен для целостности активных масс на электрод- ных пластинах аккумулятора. б) Температура электролита при перезаряде не должна превышать 45°С. в) Нагрев электролита при заряде АКБ свыше +45°С может стать причиной разрушения аккумуля- торных электродов. Так, при температуре +60°С ак- тивные массы теряют адгезию с решетками и начи- нают отслаиваться и осыпаться. Это приводит к ко- роткому замыканию в аккумуляторах. (Осыпание ак- тивных масс может иметь место и после оттаивания замерзшего в аккумуляторе электролита.) г) Если температура электролита в одной из сред- них банок станет выше +45°С, заряд АКБ необходи- мо временно прекратить. А) Заряд АКБ при отрицательных температурах малоэффективен. Номинальным диапазоном темпе- ратур для заряда АКБ является +15°С < Тэ < +30°С. е) После окончания заряда можно оценить теку- щее состояние генераторной установки автомобиля, на котором работала данная АКБ. Для этого необходимо контролировать и постоян- но регистрировать напряжение 113 заряда, ток 13 за- ряда, температуру Тэ электролита и время t3 заряда. По значениям этих параметров проводится расчет степени разряженности батареи, а по степени раз- ряженности судят о генераторной установке. 4.6. Принудительный разряд батареи При сервисном обслуживании АКБ помимо заряда очень часто приходится проводить ее принудитель- ный разряд. Это делается в процессе контрольно-тре- нировочного цикла с целью «раскачки» батареи, а также с целью определения ее рабочей емкости (С6), которой батарея обладает в данном техническом со- стоянии (на данном этапе срока службы). Процесс разряда следует проводить под контро- лем тока 1р разряда и времени tp разряда до конеч- ного напряжения Ибр разряда. Номинальными токами разряда для всех типов свинцово-кислотных аккумуляторов (при Т = 15...25°С) являются значения номинальных то- ков заряда 131 = 0,05 Сн и 1з2 = 0,1 Сн. В этих услови- ях батарея разряжается более равномерно, т.е. с бо- лее полным участием глубинных активных масс в об- разовании тока разряда. Время разряда определяется конечным напряже- нием разряда (10,2 В при Т = 25°С). Для определения разрядной емкости батареи С6р = Ip tp ток разряда 1р необходимо поддерживать постоянным, что легко реализовать с помощью ни- жеописанного зарядно-разрядного устройства (см. далее рис. 4.6). В тех случаях, когда такого устройства нет, раз- ряд батареи с целью раскачки емкости проводит- ся с применением неконтролируемого разряда. Это когда к предварительно заряженной батарее подключают лампу от автомобильной фары (12 В х 55 Вт) на десять часов и в конце разряда измеряют напряжение батареи, которое при Т = 2О...25°С должно быть не менее 10,5 В (для батареи со стандартной емкостью 45...55 А«ч). Разряжать батарею до напряжения менее 10 В не следует. Затем батарею снова заряжают и вновь разряжа- ют на ту же лампу (tp = 10 ч). Если конечное напря- жение разряда при втором разряде будет не менее первого, то батарея исправна и ее следует снова полностью зарядить. Если батарея не выдерживает тренировки, ее можно попытаться восстановить трехчасовым перезарядом или контрольно-трениро- вочным зарядно-разрядным циклом. 4.7. Контрольно-тренировочный цикл Процедуры контрольно-тренировочного зарядно- разрядного цикла (КТЦ) выполняются на снятой с ав- томобиля батарее и сводятся к следующему: — снятию батареи с автомобиля и проверке ее пригодности к дальнейшей эксплуатации; — приведению работоспособной батареи к нор- мальному внешнему виду; — проведению полного цикла заряда номиналь- ным постоянным током 13 = 0,1 Сн с целью оп- ределения состояния разряженности батареи; — проведению полного цикла разряда с целью тренировки батареи под нагрузкой в освети- тельном режиме (1р = 0,1 Сн); — проведению повторного цикла заряда номи- нальным током 13 = 0,05 С„ с целью определе- ния рабочей (остаточной) емкости батареи и остаточного срока службы; — проведению выравнивания плотности электро- лита и его уровня по всем банкам в батарее; 42
Сервисное обслуживание автомобильных аккумуляторных батарей — проведению трехчасового перезаряда батареи с целью полного восстановления активности хи- мических реагентов в порах электродных масс; — аттестации батареи и ее установки на авто- мобиль. • КТЦ начинается с проверки пригодности'бата- реи к дальнейшей работе на автомобиле. Для этого проводится измерение ЭДС и разрядного напряже- ния на клеммах каждого аккумулятора или батареи в целом с помощью аккумуляторного пробника, кото- рый иногда называют нагрузочной вилкой. Если ЭДС батареи меньше 6 В (менее 1 В на ак- кумуляторе), а напряжение разряда батареи на но- минальную нагрузку аккумуляторного пробника не более 3 В (0,5 В на аккумуляторе) в конце 5-ой сек разряда, то, скорее всего, АКБ к дальнейшей эксплу- атации не пригодна. • Работоспособную АКБ промывают снаружи теп- лой проточной водой со щеткой и удаляют затвердев- шие пятна грязи (предварительно заклеив липкой лентой, например скотчем, все вентиляционные от- верстия). Во время мойки батарея не должна пере- ворачиваться или наклоняться более чем на 45 угло- вых градусов. После высыхания корпуса батареи его необходимо внимательно осмотреть. • Если на корпусе мало проработавшей батареи обнаружатся места протечек электролита (короткие трещины, сколы, протертости), их можно устранить, за- лив повреждения эпоксидной смолой, армированной обрезками ниток стеклоткани. Залить электролит об- ратно в аккумулятор необслуживаемой батареи можно через просверленное сверху аккумулятора отверстие, которое после заливки электролита надо заделать. Работы по устранению протечек хотя и относятся к мелкому ремонту, но без соответствующего опыта проводить их не следует, результат будет отрицатель- ный. Ремонт батареи с ее разборкой для замены от- дельных аккумуляторов в рамках сервисного обслу- живания не практикуется. • Затем проводят зачистку клемм АКБ крупной наждачной бумагой и проверку уровня, а также плот- ности электролита во всех банках. Для этого все пробки выворачивают из аккумуляторов. Аккумулято- ры, уровень электролита в которых ниже электродов, обязательно доливают дистиллированной водой. Плотность электролита в банках на этом этапе вы- равнивать не следует, но ее и температуру электро- лита необходимо зафиксировать до начала заряда. • Далее аккумуляторную батарею надо поставить под заряд ступенчатым током с контролем и регист- рацией времени заряда и температуры. Начальный ток заряда устанавливают равным 0,1 С20 А, и заря- жают батарею до напряжения 14,4±0,1 В постоян- ным током. Затем ток заряда уменьшают до 0,05 С20 А и, поддерживая его постоянным, продол- жают заряд до состояния полной заряженности. Это состояние у обслуживаемой батареи проявляет- ся началом интенсивного газовыделения, примерным равенством и неизменностью плотности электролита в банках и достижением напряжения на аккумуляторах величины 2,65...2,7 В или 15,9...16,2 В на батарее. • Далее необходимо зафиксировать время заря- да и продолжать заряд АКБ еще два часа (при посто- янных токе 13 заряда, напряжении 113 заряда и плот- ности у электролита). За эти два часа происходит вос- становительный переразряд батареи, при котором сульфат свинца растворяется в самых тонких и глубо- ких канальцах активных масс. По истечении двух ча- сов перезаряда, не прерывая тока заряда, необходи- мо провести окончательную коррекцию плотности и уровня электролита по банкам и продолжать переза- ряд еще в течение одного часа. После коррекции за один час перезаряда аккумуляторы в исправной ба- тарее становятся идентичными по всем параметрам. • На протяжении всего времени заряда надо сле- дить за тем, чтобы температура электролита в одной из средних банок не стала выше 45°С. Если это про- изойдет, заряд надо временно прекратить. После окончания 3-х часового перезаряда бата- рею необходимо обесточить и дать ей остыть до тем- пературы в помещении 17...25°С. • Количество электричества С3, которое получит батарея за время ступенчатого заряда, можно рас- считать по формуле: С3 = l31t3i + 1з2132, где 13i,t з2 — продолжительности заряда током 131 = 0,1 Сн и током 1з2 = 0,05 Сн (в часах). Время перезаряда в продол- жительность t32 не включается. • Теперь АКБ необходимо поставить на трениро- вочный разряд током 0,05 Сн А и зафиксировать время начала разряда, а также начальную темпера- туру разряда. Поддерживая ток разряда постоянным и записывая через 2...3 часа температуру электроли- та, надо не пропустить тот момент, когда напряже- ние разряда на батарее станет равным 10,5±0,1 В или 1,75 В на отдельном аккумуляторе. Это напряже- ние является конечным напряжением разряда и ука- зывает на то, что АКБ полностью разрядилась. • Емкость С6р, отданная батареей при разря- де, определяется следующим образом: С6р = 0,05 Сн t р/[1 + 0,01 (Тср - 25)], где Сн — паспортная (номинальная) емкость бата- реи в ампер-часах, указанная на заводской этикет- ке; tp — продолжительность разряда в часах; Тср — (Ti + Т2 +...+ Тп)/п — средняя температура электролита в °C за время разряда; п — число и но- мер измерений. • Величина С6р, измеренная и рассчитанная опи- санным способом, называется рабочей (остаточной) емкостью батареи. Она должна быть не менее 50% от Сн, чтобы батарея могла еще некоторое время по- работать на борту автомобиля. Батарею, еще пригод- ную для последующей эксплуатации с С6р > 0,5 Сн_ 43
Глава 4 снова полностью заряжают постоянным током 1Э = 0,05 С20 А в течение 20-ти часов. • Если батарея имеет остаточную емкость менее 0,8 С20, ее заряд током 13 = 0,05 С20 до состояния пол- ной заряженности будет продолжаться менее 20-ти часов, но трехчасовой перезаряд и в этом случае не- обходимо выполнить. Состояние полной заряженности аккумуляторной батареи определяют так же, как и при первом трени- ровочном заряде. 4.8. Тренировка необслуживаемых батарей Что касается необслуживаемых и монолитных АКБ, то их сервисное обслуживание отличается только в части процедуры заряда. Их заряжают в основном при постоянном напряжении 113 = 14,5±1 В. Однако, если батарея сильно разряже- на, ее заряжают смешанным способом. Началь- ный ток заряда устанавливают не более 0,1 Сн А и поддерживают его постоянным до тех пор, пока зарядное напряжение на батарее не станет рав- ным 13,5±0,1 В при температуре в зарядном по- мещении 25±5°С. После этого батарею заряжают не менее 20-ти часов при постоянном напряже- нии. Далее напряжение заряда устанавливают 14,5 В и поддерживают его постоянным на протя- жении десяти часов заряда. Полная заряженность необслуживаемой и монолитной батарей проявля- ется по резкому падению тока заряда почти до ну- ля (при постоянном напряжении заряда 14,5 В). Временные зарядные характеристики для случая смешанного заряда необслуживаемой АКБ приве- дены на рис. 4.4, г. Если напряжение на АКБ не превысит значения 14,5 В (что иногда имеет место при заряде на борту автомобиля от генератора с неисправным регулято- ром напряжения), то перезаряда в необслуживае- мых батареях не происходит. По этой причине даже для батарей с малой остаточной емкостью увеличе- ние продолжительности заряда до 30-ти часов не представляет опасности. Остаточная емкость необ- служиваемых и монолитных батарей определяется в режиме тренировочного разряда так же, как и для обычных АКБ. Но так как температура электролита в аккумуляторах, не имеющих пробок, измерена быть не может, в формулу для расчета С6р вместо средней температуры Тср электролита подставляют среднее значение температуры в зарядном помещении и при- бавляют к нему 10°С на самопрогрев АКБ при заря- де. Тогда С6р = 0,05 С20 tp / [1 + 0,001 (Т - 25)], где Т = Тк + 10°С; Тк — температура в помещении (2О...ЗО°С). 4.9. Определение остаточного срока службы батареи Степень разряженности батареи, определенная сразу после ее снятия с автомобиля, служит важным показателем технического состояния автомобильной бортовой системы электроснабжения. Так, если после проведения контрольно-трениро- вочного цикла выясняется, что АКБ поступила на сер- висное обслуживание со степенью разряженности более 10% от остаточной емкости С6р, то это говорит о том, что батарея постоянно недозаряжалась авто- мобильным генератором. Недозарядка, как и пере- зарядка, понижает срок службы АКБ. Причинами недозаряда чаще всего являются: — слабое натяжение ремня генератора; — несоответствие климатической зоне эксплуата- ции автомобиля рабочего диапазона регулиро- вания напряжения генератора; — низкая плотность электролита в АКБ зимой; — скрытая неисправность в генераторе. Основной причиной перезаряда АКБ на автомоби- ле является повышенное напряжение генератора. Перезаряд, полученный батареей от автомобильного генератора, проконтролирован быть не может. Экспериментально установлено, что по остаточ- ной емкости С6р можно ориентировочно определить ее остаточный срок службы КоСТ (в месяцах): КоСТ = К6 [(2 С6р / С20) - 1], где К6 — номинальный срок службы батареи при соблюдении правил эксплуатации. Данная эм- пирическая формула хорошо согласуется с практи- кой. Из этой формулы следует, что аккумуляторная батарея с остаточной емкостью менее 50% от но- минальной емкости Сн не имеет остаточного срока службы. Однако такую батарею можно использо- вать на автомобиле летом до полной выработки ресурса. 4.10. Зарядно-разрядное устройство Практика показала, что даже глубоко разря- женную батарею иногда можно привести в рабо- чее состояние специальными тренировками. Кро- ме того, нормально работающую батарею на вто- ром-третьем году работы перед зимней эксплуата- цией, необходимо подвергать профилактической тренировке. Для проведения тренировок помимо зарядного ус- тройства необходимо иметь устройство для разряда батареи. Оно включает в себя вольтметр постоянно- го тока, амперметр постоянного тока и ламповый ре- остат (рис. 4.1, б). Схема для разряда батареи может быть собрана совместно с зарядным выпрямителем, и тогда полу- 44
Сервисное обслуживание автомобильных аккумуляторных батарей чается универсальное зарядно-разрядное устройст- во — 3PY. Отечественная промышленность малоформатные 3PY для обслуживания одного аккумулятора не выпу- скает. А такие изделия зарубежного производства имеют высокую стоимость. Поэтому для владельца частного автосервиса целесообразно изготовить за- рядно-разрядное устройство своими силами. На рис. 4.1 приведена принципиальная электри- ческая схема 3PY. Для сборки схемы потребуется силовой трансфор- матор мощностью 300...400 В-A, например от старо- го цветного лампового телевизора; мощный полупро- водниковый выпрямительный мост, диоды которого рассчитаны на прямой ток 30...50 А и на рабочее на- пряжение не менее 50 В; четыре мощных радиатора для выпрямительных диодов; амперметр постоянно- го тока со шкалой О...30 А; вольтметр постоянного тока со шкалой О...30 В; ламповый реостат R, изго- товленный по приведенной на рис. 4.5 схеме. Телевизионный силовой трансформатор надо ра- зобрать и с его катушек смотать все обмотки, кро- ме сетевых, которые, как правило, расположены первыми к каркасу. На освободившееся место нуж- но намотать новую вторичную обмотку с 4-мя отво- дами, проводом (или плоской шиной) с двойной изо- ляцией и с сечением не менее 4-х кв. мм. Число вит- ков WB новой обмотки следует определить экспери- ментально по числу витков WH смотанной накальной обмотки: WB = 4 WH. Отводы нужно сделать от вит- ков, занимающих в новой обмотке места: 0,5 WB; 0,6 WB; 0,7 WB; 0,8 WB. После обратной сборки трансформатора необхо- димо проверить полученные выходные напряжения на отводах. Они должны быть близкими к ряду: 14,0; 16,5; 19,5; 22,5; 28,0 В. Ламповый реостат можно собрать из девяти авто- мобильных одноконтактных электроламп 12 В х 21 Вт, каждая из которых имеет сопротивле- ние около 7 Ом, и девяти аналогичных ламп 12 В х 4 Вт (Рл = 36 Ом). Конструктивно ламповый реостат собирается из 18-ти ламповых патронов, со- единенных параллельно и установленных на общем алюминиевом основании, которое одновременно бу- дет являться радиатором охлаждения для ламп. Управлять таким реостатом очень просто: надо вынуть или вставить определенное количество элект- роламп. При этом общее сопротивление лампового реостата можно изменять в очень широком диапазо- не от 0,65 до 36 Ом с большим числом промежуточ- ных значений. Перемычкой всех ламп сопротивление реостата делается равным нулю. Переключатель П можно изготовить из штекер- ных клемм К и гибкого провода с наконечником N, рассчитанных на ток не менее 15 А. Все элементы схемы, кроме лампового реостата и измерительных приборов, можно собрать на общей горизонтальной плате. Ламповый реостат лучше расположить сверху над трансформатором и выпрямителем на отдельном радиаторе (на приподнятом листе алюминия). Изме- рительные приборы следует установить на отдельной вертикальной плате. Примером исполнения может служить конструк- ция зарядно-разрядного устройства, показанная на рис. 4.6. Самое большое неудобство при работе с таким 3PY состоит в том, что приходится вынимать горячие лам- пы из гнезд при необходимости их отключения. Во из- бежание ожогов лампы следует вынимать в кожаной перчатке или с помощью деревянных щипцов с пено- пластовыми губками. Такие щипцы надо изготовить. 45
Глава 4 На описанном стенде можно проводить все виды зарядно-разрядных работ, в том числе и контрольно- тренировочный цикл. 4.11. Выводы и рекомендации Специалисту частного автосервиса, занятому тех- ническим обслуживанием автомобильных аккумуля- торных батарей, следует иметь в виду: • новая малообслуживаемая сухозаряженная ба- тарея до начала эксплуатации должна храниться в герметичной целлофановой упаковке; • срок хранения новой сухозаряженной АКБ до продажи не должен превышать 12 месяцев со времени выпуска; • не следует покупать новую необслуживаемую залитую электролитом батарею, если вмонтиро- ванный в нее указатель степени заряженности указывает на разряженное состояние батареи; • при самостоятельной заливке батареи электро- литом необходимо строго соблюдать правила приготовления электролита и техники безопасно- сти при работе с серной кислотой и ее раствора- ми. Применение индивидуальных средств защи- ты обязательно; • после заливки и зарядки батареи необходимо откорректировать приведенную плотность у2в электролита под условия эксплуатации батареи в данном регионе и зафиксировать плотность y2s в сопроводительном документе на АКБ; • хранить АКБ следует только в заряженном состо- янии и при пониженной температуре, летом в прохладном помещении, зимой — при темпера- туре не ниже -20°С; • снятую с автомобиля АКБ для хранения следует подзаряжать не реже одного раза в 3 месяца (в теплых регионах) и не реже одного раза в 6 ме- сяцев (в холодных регионах); • после 2...3-х лет эксплуатации батарею необходи- мо подвергать ежегодному профилактическому контрольно-тренировочному зарядно-разрядному циклу; • номинальная (паспортная) емкость Сн батареи является ее рабочим параметром только для но- минальных условий эксплуатации (Т = 15...30°С). При отрицательных температурах рабочая ем- кость полностью заряженной батареи значитель- но ниже паспортной; • отдача по емкости исправной и полностью заря- женной АКБ прежде всего зависит от температу- ры и тока разряда. В осветительном режиме (когда 1р = 0,05 Сн при Т > 15°С) отдача может составить 95% от Сн. В режиме тока холодной прокрутки (1р = 3 Сн при Т = -18°С) отдача не превышает 8... 10% от Сн. 46
= Глава пятая ---- ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Генератор является источником электрической энергии на автомобиле при работающем двига- теле. Когда двигатель не работает, электроэнергия поступает в бортсеть от аккумуляторной ба- тареи. Таким образом, электрогенератор и аккумуляторная батарея образуют автономную бор- товую электроэнергетическую установку, которую принято называть системой электроснабже- ния автомобиля. Когда в этой системе применялся генератор постоянного тока, то она облада- ла недостаточно высокой эксплуатационной надежностью и низким качеством* * вырабатывае- мого электричества. Кроме того, технология изготовления генераторов постоянного тока слож- ная и дорогостоящая. Все это привело к необходимости применения на автомобилях генерато- ров переменного тока, дооборудованных мощным полупроводниковым выпрямителем и элек- тронным регулятором напряжения. Основные сведения об автомобильных электрогенераторах нового поколения рассматриваются в данной главе. 5.1. Закон электромагнитной индукции Принцип действия любого электрогенератора ос- нован на первом законе электромагнитной индукции. Для одновитковой токопроводной рамки, вращаю- щейся в постоянном магнитном поле U-образного магнита, этот закон имеет вид Е = -В L V, где Е— электродвижущая сила (ЭДС), наведен- ная в рамке; В — магнитная индукция поля постоян- ного магнита; L — длина той части рамки, которая находится в магнитном поле; V — вектор линейной скорости перемещения рамки относительно непо- движного магнитного поля. Если рамка содержит несколько витков W. то ин- дуцированная ЭДС Ек является суммой электродви- жущих сил в этих витках и определяется как: Ек = -W В L V. (5.1) Знак “минус”, который часто опускается, но всегда подразумевается, означает, что если под действием ЭДС Е^ по рамке начнет протекать электрический ток (при подключении нагрузки), то созданное этим током магнитное поле будет противодействовать механичес- кой силе F, приводящей рамку во вращение. Формула 5.1, отображающая закон электромаг- нитной индукции для многовитковых рамок, может быть представлена в другом виде, если линейную скорость V перемещения витков рамки L относи- тельно магнитного поля В выразить через путь dx пе- ремещения витков W по периметру окружности вра- щения с диаметром X за время dt поворота рамки на соответствующий угол. Тогда V = dx/dt, и форму- ла для ЭДС Ек несколько изменится: Ек = -W В L V = -W В L dx/dt._____________________ * См. сноску на стр. 12 главы 1. Выражение В L dx соответствует изменению маг- нитного потока d® при повороте рамки на шаг dx за время dt. Изменение магнитного потока реализуется вра- щением ротора с диаметром X в магнитопроводе ста- тора, когда площадь витка ротора (S = LX), пронизан- ная магнитным потоком Ф = BS, постоянно изменя- ется во времени t, и тогда: Ек = -WK d®/dt. (5.2) Эта формула является основным расчетным выра- жением для определения индуцированной электро- движущей силы еф, возникающей в фазных обмотках электрических машин переменного тока под воздей- ствием изменения магнитного потока через обмотки: еф = -Юф d®/dt = -№ф d®m cos wt/dt = Ефт sin wt, где Фт и Ефт — амплитудные значения величин Ф и ЭДС еф. При этом под фазной обмоткой подразумевают электропроводную катушку, в которой наводится ЭДС еф и которая в генераторах переменного тока всегда расположена на неподвижном статоре. 5.2. Модели автомобильных генераторов переменного тока Генератор — это такая электрическая машина, которая способна непрерывно вырабатывать элект- рическую энергию из механической. Генераторы бы- вают постоянного и переменного тока. Наиболее просто непрерывность работы генерато- ра переменного тока можно обеспечить вращением постоянного магнита в неподвижном магнитопрово- де статора, на котором размещена фазная обмотка. 47
Глава 5 Рис. 5.1. Бесконтактный генератор переменного тока с возбуждением от постоянного магнита: а — модель генератора; б — ротор с коаксиальным (цилиндрическим) постоянным магнитом NS и с шестью когтеобразны- ми полюсами; в — шестиполюсный статор с тремя фазными обмотками, соединенными ‘звездой"; NS — кооксиальный (ци- линдрический) постоянный магнит с полюсами N и S; М — магнитопровод статора; R — магнитопровод ротора в виде ког- теобразных наконечников из твердой стали; Ф — магнитный поток ротора; d — воздушный зазор; ууф — фазная обмотка статора; Еф — ЭДС, наведенная в фазной обмотке; ш — круговая частота вращения ротора; 1, 2, 3, общ. — выводы фазных обмоток, соединенных ‘звездой*. На рис. 5.1, а представлена модель однофазно- го синхронного генератора переменного тока с возбуждением от постоянного магнита, в котором вращающийся ротор — это двухполюсный постоян- ный магнит NS, а неподвижный магнитопровод М с одной фазной обмоткой \Л/Ф — это статор. Синхрон- ным он назван потому, что электрическая частота наведенной в фазной обмотке ЭДС еф строго соот- ветствует (синхронна) частоте вращения постоян- ного магнита. Так как в данном типе генераторов отсутствует коллекторно-щеточный механизм (КЩМ), то их то- же относят к группе бесконтактных генераторов переменного тока. В реальных генераторах переменного тока с по- стоянными магнитами на роторе используются мно- гополюсная система ротора (рис. 5.1, б) и многофаз- ная (чаще всего трехфазная) система обмоток на статоре (рис. 5.1, в). При определенной конфигурации полюсных нако- нечников (на роторе и статоре) можно получить из- менение электродвижущей силы генератора по зако- ну синуса еф = Еф sin rut. где ы = 2 р f — круговая, а f — электрическая частота генератора. Электрическая частота f генератора измеряется в герцах (1 Гц = 1/с = с'1) и связана с числом оборотов (п) ротора генератора выражением f = р п, где р — число пар полюсов постоянного магнита ротора. Ясно, что для генератора, модель которого пока- зана на рис. 5.1, а, — число пар полюсов ротора равно единице. В таком случае fr (Гц) = nR (об/с). Если же постоянный магнит на роторе многопо- люсный, электрическая частота генератора fr (Гц) увеличивается в число пар полюсов. Так, для гене- Рис. 5.2. Синхронный генератор переменного тока с контактными кольцами (с внешним возбуждением от постоянного напряжения ив) и с клювообразным ротором: а — модель генератора; б — расчлененный ротор с катушкой возбуждения Wb и с шестью северными N и шестью южными S клювообразными полюсами постоянного электромагнита; в — упрошенная конструкция генератора; 1 — магнитопровод М статора с фазными обмотками У'ф; 2 — клювообразные полюсные наконечники ротора; 3 — обмотка воз- буждения Wb; 4 — крыльчатка вентилятора; 5 — приводной шкив; 6 — магнитопровод R ротора; 7 — корпусные крышки; 8 — встроенный выпрямитель; 9 — контактные кольца К; 10 — щеткодержатель КЩМ со щетками. 48
Принципы построения автомобильныхгенераторов Индукторный генератор переменного тока с расположением обмоток Wb электромагнитного возбуждения на статоре: а — модель генератора: б — схема соединения обмоток на однофазном статоре; в — упрощенная конструкция генератора: 1 — паз ротора; 2 — подшипник: 3 — вал ротора; 4 — полюс ротора; 5 — корпус генератора: Wb, №ф — обмотки возбуждения и фазные. ратора с тремя парами полюсов на роторе (рис. 5.1, б) электрическая частота в три раза вы- ше частоты генератора, отвечающего модели рис. 5.1а (fr = р п = 3 п). Следует заметить, что число N полюсов у ротора с постоянными магнитами может быть только четным, т.е. N всегда равно 2р, где р — любое целое положи- тельное число (1, 2, 3...). • Вращающийся постоянный магнит на роторе может быть и электромагнитом. Тогда на ротор поме- щается обмотка Wb возбуждения. Вращающаяся обмотка возбуждения соединяет- ся с внешней электрической цепью при помощи контактных колец на роторе и неподвижных щеток на крышке генератора, который в таком случае на- зывается генератором переменного тока с контакт- ными кольцами. Модель такого генератора показа- на на рис. 5.2, а. Его принципиальным отличием от предыдущего ге- нератора с постоянными магнитами является воз- можность изменения величины магнитодвижущей си- лы ротора, что позволяет регулировать величину вы- ходного напряжения генератора. Необходимость уп- равления напряжением автомобильного генератора связана с его работой в условиях непрерывно изме- няющихся оборотов ротора. Так как в генераторе с роторной обмоткой возбуждения электродвижущая сила Ег есть функция двух переменных Ег = f (В, п), то увеличение электродвижущей силы при повышении оборотов (п) двигателя внутреннего сгорания можно компенсировать соответствующим уменьшением то- ка 1В возбуждения в роторной обмотке возбуждения. Функцию управления В = f (1в) выполняет регуля- тор напряжения генератора. • Возможен и третий вариант конструктивного исполнения автомобильного генератора переменно- го тока, когда ротором является магнитомягкая пас- сивная ферромасса (например, спрессованный на- бор тонких пластин из трансформаторного железа), а обмотка возбуждения постоянного магнита поме- щена вместе с фазной обмоткой на статоре (рис. 5.3, а). Такие генераторы называются индукторными и в последнее время находят применение на автомобилях. 5.3. Получение синусоидальной ЭДС в автомобильных генераторах Несмотря на простоту приведенных моделей, они позволяют наглядно представить устройство и рабо- ту электрогенераторов переменного тока (ГПТ). Вра- щающая часть во всех ГПТ называется ротором R. Неподвижный магнитопровод М с рабочими обмот- ками Мф и WB называется статором S; Мф — фазная статорная обмотка; WB — обмотка возбуждения (ли- бо на роторе, либо на статоре). Если ротор выполнен как вращающийся электромагнит, то обмотка WB на- зывается роторной обмоткой возбуждения. Два магнитопровода (статорный и роторный) сов- местно образуют главную магнитную цепь генерато- ра, в замкнутый контур которой обязательно входит воздушный зазор d между вращающимся ротором и неподвижным статором. Как в электрической, так и в магнитной замкну- той цепи имеет место закон Ома: I = U/R. Только в магнитных цепях под током понимается магнитный поток Ф, под разностью потенциалов — магнитодви- жущая сила (МДС) F, а резистивностью является маг- нитное сопротивление RM замкнутой магнитной цепи. Тогда Ф = F/RM = FGM. По-аналогии с электрической, магнитная проводи- мость Gm определяется как обратная величина рези- стивности: GM = 1/RM = 1/(RO + Rd). Так как в электрических машинах магнитное со- противление воздушного зазора Rd всегда значи- 49
Глава 5 тельно больше магнитного сопротивления Ro маг- нитопровода, то вся магнитодвижущая сила глав- ного магнитного поля машины приходится на воз- душный зазор. Тогда очевидно, что изменение магнитного пото- ка ОФ = d(FGM) может иметь место либо при измене- нии MAC Fd воздушного зазора, либо при изменении магнитной проводимости Gd самого воздушного за- зора. Возможно также одновременное изменение обоих параметров. С учетом сказанного, электродвижущая сила, ин- дуцированная в фазной обмотке №ф генератора пе- ременного тока, может быть определена так: еф =-W0 dC/dt =-W0d(FdGd)/dt. (5.3) Из выражения (5.3) следует, что ЭДС еф можно навести в фазной обмотке \Л/Ф на статоре генерато- ра тремя способами: а — изменением МДС Fd в воздушном зазоре, когда еф = -W^,Gd(dFd/dt); б — изменением магнитной проводимости Gd воз- душного зазора, когда еф = -V\^Fd(dGd/dt); в — изменением обоих параметров одновремен- но, когда еф = —V^Jj(dGd/dt)(dFd/dt). И то, и другое, и третье можно реализовать вра- щением ротора относительно неподвижного статора. В этом суть принципа действия любого генератора переменного тока, в котором всегда еф = \Л/Ф d®/dt = -Юф d®m cos cot/dt = Ефт sin 2р f t. 5.4. Конструктивное исполнение генераторов переменного тока • Бесконтактный генератор с возбуждением от постоянного магнита. В генераторе, выполненном по модели рис. 5.1а, вращающийся ротор — это по- стоянный магнит, а фазные обмотки \Л/ф — это ка- тушки на неподвижном статоре. Такой генератор на- зывается бесконтактным генератором переменного тока с возбуждением от постоянного магнита. В генераторе реализуется принцип Еф = -W4,Gd(dFd/dt), при неизменной индукции BR ро- тора (BR = const). Он может быть однофазным или многофазным. Генератор прост по конструкции, на- дежен, не боится грязи, не требует электрического возбуждения, не имеет трущихся электроконтактов, срок службы определяется высыханием изоляции фазных обмоток. Но на современных легковых авто- мобилях генератор с возбуждением от постоянного магнита не применяется из-за невозможности стро- го поддерживать в нем постоянное рабочее напря- жение при изменении оборотов двигателя внутрен- него сгорания (применяется на тракторах для пита- ния ламп в фарах). • Генератор переменного тока с к кювообраз- ным ротором и с контактными кольцами, отвечаю- щий модели рис. 5.2а, имеет многофазный статор, аналогичный вышеописанному (рис. 5.1, в), но ротор генератора имеет некоторые отличия: вместо посто- янного цилиндрического магнита NS между клювооб- разными полюсами установлена обмотка WB возбуж- дения (рис. 5.2, б). Обмотка WB своими выводами подключена к контактным кольцам К, которые в свою очередь через щетки КЩМ соединяются с внешней электрической цепью возбуждения. Таким способом клювообразный ротор становится многопо- люсным постоянным электромагнитом, магнитодви- жущая сила которого (F = WB 1в) может легко регули- роваться путем изменения тока 1в возбуждения, что очень важно для автомобильных электрогенерато- ров. Здесь реализуется принцип Еф = -V\^Gd(dFd/dt), с управлением индукцией BR ротора (BR = var). Генератор с клювообразным ротором и с кон- тактными кольцами имеет самое широкое примене- ние на современных легковых автомобилях. Упро- щенная конструкция такого генератора показана на рис 5.2, в. • Индукторный генератор переменного тока. На рис. 5.3, а изображена модель индукторного генера- тора переменного тока. Основным отличием этого генератора является то, что его вращающийся ро- тор — это пассивная магнитомягкая ферромасса, а обмотка возбуждения WB установлена на неподвиж- ном статоре вместе с фазными обмотками №ф. Для уменьшения магнитных потерь ферромасса ротора, как и статора, выпол! ,ена набором тонких пластин из электротехнической стали. Генератор является бес- контактным. Работа такого генератора основана на периоди- ческом прерывании постоянного магнитного пото- ка ®s статора, что при вращении ротора достигает- ся периодическим изменением величины воздуш- ного зазора между статором и ротором. Ясно, что при этом магнитный поток Фв периодически изме- няется с частотой, кратной частоте вращения рото- ра. Таким образом, индукторный генератор являет- ся синхронным и управляется по напряжению с по- мощью изменения тока 1в возбуждения в статор- ной обмотке WB. В индукторном генераторе реализуется принцип получения ЭДС путем изменения магнитной проводи- мости Gd в воздушном зазоре: Еф = —V^F<J(dGd/dt), при управлении величиной индукции Вв магнитного поля статора. Соответствующим подбором конфигурации по- верхности пассивного ротора и полюсных наконечни- ков статора можно приблизить периодичность изме- нения магнитного потока Фв к синусоидальному зако- ну, что обеспечивает синусоидальную форму рабоче- му напряжению генератора: еф = Еф sin cot. 50
Принципы построения автомобильных генераторов Индукторный генератор, как и вышеописанные типы генераторов, может быть однофазным или многофазным. Это зависит от числа фазных кату- шек на статоре, от их расположения и от способа их соединения. На рис. 5.3, б приведена схема соединения обмо- ток и их расположения на однофазном статоре ин- дукторного генератора. Многофазный индукторный генератор, упрощен- ная конструкция которого показана на рис. 5.3, в, обладает всеми преимуществами бесконтактных ге- нераторов, и в последнее время стал постепенно внедряться в систему электроснабжения современ- ного легкового автомобиля. Так, Алтайский завод тракторного электрообору- дования (АЗТЭ) освоил выпуск ряда бесщеточных ин- дукторных генераторов для легковых автомобилей, которые поставляются в запчасти и имеются в про- даже. Для автомобилей ВАЗ этот завод выпускает ин- дукторный генератор с пятифазным статором. Однако следует заметить, что по таким параметрам, как КПД, масса и габариты, индукторные генераторы пока уступают генераторам с контактными кольцами. 5.5. Выпрямители автомобильных генераторов Любой современный автомобильный генератор переменного тока обязательно содержит мощное по- лупроводниковое выпрямительное устройство, вмон- тированное непосредственно в корпус генератора. Выпрямитель генератора выполняет функцию преобразования синусоидального напряжения, вы- рабатываемого генератором, в постоянное напря- жение бортовой сети автомобиля. Простейшее звено выпрямительного устройст- ва — это мощный полупроводниковый диод, который обладает односторонней проводимостью электричес- кого тока. Через такой диод одна полуволна синусои- дального напряжения проходит, а другая отсекается. Получается однополупериодное выпрямление одно- фазного синусоидального напряжения. При выпрямлении многофазной (например, 3-х фазной) системы напряжений, которую вырабаты- вает современный автомобильный генератор, для двухполупериодной схемы на каждую фазу требует- ся по два диода. Комбинацией полупроводниковых диодов можно создать различные схемы выпрямителей (рис. 5.4): а— однополупериодную; б — двухполупериодную; в — двухполупериодную мостовую; г — двухполупе- риодную многофазную. Наибольшее распространение в автомобильных генераторах переменного тока получили двухполупе- риодные 3-х фазные выпрямители, собранные по Рис. 5.4. Схемы выпрямителей автомобильных генераторов схеме Ларионова (рис. 5.4, г). В этой схеме для каж- дой фазы генератора имеет место четырехдиодная мостовая сборка (см. красную часть схемы рис. 5.4, г). Такая схема выпрямляет оба полуперио- да в системе линейных синусоидальных напряжений: иф1 = иг sin cot Ыф2 = из sin (cot - 120°) иф3 = u3 sin (cot - 240°). По постоянному току схема Ларионова работает на одну общую нагрузку RH. Обмотки статора генератора при этом могут быть включены как “звездой" (рис. 5.5), так и “треуголь- ником” (рис. 5.6). Следует заметить, что когда максимальный ток в одной фазе генератора превышает допустимый ток для одного диода, то каждое плечо выпрямительного моста может содержать два параллельно включенных диода. Тогда в силовой диодной сборке на три фазы в выпрямителе Ларионова устанавливаются 12 диодов. 51
Глава 5 Рис. S.6. Схема 3-х фазного выпрямителя с соединением статорных обмоток генератора “треугольником” (а) и временные диаграммы фазных напряжений с огибающей постоянного тока генератора (6) Все полупроводниковые диоды, которые выпуска- ются специально для автомобильных генераторов, имеют корпусную таблеточную конструкцию. Для удоб- ства сборки на радиаторной плате генератора диоды прямой полярности имеют на корпусе положительный электрод, а диоды отрицательной полярности — отри- цательный электрод. В некоторых генераторах для питания обмотки возбуждения применяется отдельная группа из 3-х до- полнительных диодов малой мощности прямого на- правления (зеленые диоды на рис. 5.5). Это исключает разряд аккумуляторной батареи полным током обмот- ки возбуждения при включенном зажигании, но при неработающем двигателе внутреннего сгорания. К дополнительной диодной сборке подключается и кон- трольная лампа HL генератора (рис. 5.5). В автомобильных генераторах с обмотками стато- ра. включенными по схеме “звезда”, в лучах звезды имеют место третьи гармоники синусоидальных фаз- ных напряжений. Энергия этих гармоник может быть добавлена к общей энергии генератора. Для этой це- ли между нулевой точкой “звезды” и выводами (+) (-) генератора устанавливаются два дополнительных си- ловых диода (красные диоды на рис. 5.5). Мощность генератора при этом увеличивается на 12...15%. Автомобильные генераторы переменного тока со встроенным выпрямителем часто называют вентиль- ными генераторами. Многофазный выпрямитель вен- тильного генератора дает высокую частоту и малую амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения. На рис. 5.6, б приведены временные диаграммы фазных напряжений UBb, Ubc. UCB для 3-х фазного статора и их совместное действие на общую нагруз- ку RH со стороны постоянного напряжения генерато- ра (огибающая L) Следует также заметить, что в современных ав- томобильных генераторах большой мощности (Рг > 0,9 кВт) чаще применяется схема включения обмоток статора “треугольником". При этом линей- ный ток в плече выпрямителя больше тока в фазной обмотке на величину >13, что позволяет применять более тонкий провод для фазных обмоток. Кроме то- го, значительно упрощается схема контрольной лам- пы генератора (рис. 5.6, а). Подавляющее большинство современных авто- мобильных генераторов несут на своем корпусе ми- кроэлектронный (интегральный) регулятор напря- жения. Описанию этого устройства посвящена глава 7. 52
= Глава шестая ------- ------ . КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Данная глава посвящена рассмотрению конструкций современных автомобильных электрогенераторов импортного [6] и отечественного производства. Приведены тре- бования к техническому обслуживанию автомобильных генераторов и способы их ремонта. 6.1. Современные автомобильные генераторы фирмы BOSCH Фирма BOSCH выпускает автомобильные генера- торы с 1913 года. Ею освоены все стадии совершен- ствования этого изделия, и в настоящее время она является передовой фирмой на мировом рынке авто- мобильных генераторов. Генераторы фирмы BOSCH обладают исключитель- но высокой надежностью и техническим совершенст- вом. При правильной технической эксплуатации они работают не менее 300 тыс. км пробега. По лицензи- ям и образцам этой фирмы изготавливается подавля- ющее большинство автомобильных электрогенерато- ров нового поколения во всех европейских странах. • Генератор KC14V4S/80A фирмы BOSCH, пока- занный на рис. 6 1, является новой разработкой фирмы и относится к компактным автомобильным ге- нераторам (Compact Generator). Основные его отли- чия от традиционного генератора следующие: а — на валу ротора генератора установлены две крыльчатки вентилятора, которые теперь расположе- ны внутри корпуса генератора с обеих сторон от ро- тора. Это значительно увеличило воздушный поток Рис. 6.1. Автомобильный генератор компактной конструкции: 1 — шкнв; 2, 6 — передняя н задняя крышки; 3 — венти- лятор: 4 — статор: 5 — ротор: 7 — узел "щеткодержатель- регулятор напряжения"; 8 — контактные кольца: 9 — вы- прямительный блок; 10 — крепежная лапа. Рис. 6.2. Автомобильный генератор традиционной конструкции (K114V23/55A- Bosch): 1 — шкив: 2 — вентилятор; 3 — передняя и задняя крышки: 4 — статор; 5— обмотка возбуждения; 6 — клювообразный ротор; 7 — контактные кольца; 8 — кре- пежная лапа; 9 — узел “щеткодержатель-регулятор напряжения"; 10 — подшипник. 53
Глава 6 охлаждения, и при сохранении габаритов генератора его мощность увеличилась на 10...12%; б — контактные кольца ротора и щеткодержатель вместе с выпрямительным блоком вынесены за пе- риферию тыльной крышки генератора, что позволи- ло уменьшить габариты корпуса генератора, контакт- Рис. в.з. Конструктивные компоненты генератора K114V23/SSA фирмы BOSCH: 1 — задний подшипник; 2 — обмотка возбуждения трехфазно- го генератора; 3 — кольцевой коллектор; 4 — ротор (вращаю- щаяся часть) генератора; 5 — крепежная пластина; 6 — перед- ний подшипник; 7 — крышка корпуса генератора; 8 — дистан- ционная шайба; 9 — крыльчатка вентилятора; 10 — приводной шкив генератора; 11 — гровершайба; 12 — стяжная гайка; 13 — интегральный регулятор KV напряжения; 14 — корпус ге- нератора; 15 — монтажная пластина для полупроводниковых выпрямительных диодов VD; 16 — трехфазная статорная об- мотка S генератора с магнитопроводом статора; В — магнит- ное поле между ротором и статором; АКБ — аккумуляторная батарея; d — дополнительная диодная сборка; HL — контроль- ная лампа генератора; S — статор; R — ротор; VD — силовые диоды; KV — интегральный регулятор напряжения. ные кольца уменьшить в диаметре, а подшипник — перенести в воздушный поток охлаждения. Это обес- печило уменьшение износа контактных колец и ще- ток КЩМ и увеличило срок безотказной работы под- шипников; в — привод компактного генератора осуществля- ется посредством эластичного клинового (или поли- клинового) ремня через проточенный приводной шкив уменьшенного диаметра. Передаточное отно- шение привода увеличено до 3,5. Это позволяет по- лучать ток заряда аккумуляторной батареи уже при холостых оборотах двигателя внутреннего сгорания. • Генератор K114V23/55A фирмы BOSCH пока- зан на рис. 6.2. Он относится к генераторам тради- ционной конструкции, которая включает в себя трех- фазный статор, включенный “треугольником”, клю- вообразный ротор с контактными кольцами и с об- моткой возбуждения в виде монолитной катушки, шестидиодный силовой вентильный выпрямитель и дополнительные диоды. На валу ротора со стороны привода установлена крыльчатка вентилятора с при- водным шкивом под зубчато-клиновый ремень. Такая конструкция вентильного генератора пере- менного тока уже давно стала классической, и по- давляющее большинство современных легковых ав- томобилей, как зарубежных, так и отечественных, оборудованы такими генератороми. Комплектующие детали генератора и их взаимное расположение в генераторе показаны на конструк- тивном чертеже (рис. 6.3). Здесь же приведена эле- ктрическая схема генератора. 6.2. Автомобильный генератор 955.3701 (АЗТЭ) Общая характеристика. Отечественный генера- тор 955.3701 (рис. 6.4) Алтайского завода трактор- ного оборудования выпускается как альтернативная запасная часть к легковым автомобилям ВАЗ. Этот генератор является бесщеточным (бескон- тактным) индукторным генератором переменного то- ка с неподвижной аксиально-продольной катушкой 11 возбуждения в передней корпусной крышке гене- ратора. Ранее такие генераторы на легковых автомо- билях не применялись. Генератор оборудован пятифазной обмоткой 5 на статоре 6, шестилучевым ротором 8 и пятифазным выпрямителем 4. собранным по схеме Ларионова (применен выпрямительный блок БПВ62-100). Име- ется также дополнительная диодная сборка. Сило- вые диоды рассчитаны на ток 20 А, а дополнитель- ные — на 2 А. На задней корпусной крышке 19 генератора (снаружи) расположен интегральный регулятор 21 напряжения Я112Б с подстроечным резистором 54
Конструктивное исполнение современных автомобильных генераторов в 6 , W19 5 Бесщеточный индукторный генератор 955.3701: 1 — кожух: 2 — вал; 3, 14 — подшипники: 4 — выпрями- тельный блок генератора: 5 — обмотка статора: 6 — маг- нитопровод статора: 7 — постоянный магнит; 8 — звездоч- ка ротора; 9 — стяжной винт; 10 — магнитопровод индук- тора в передней крышке; 11 — обмотка возбуждения; 12 — втулка индуктора: 13 — втулка ротора: 15 — гайка; 16 — шкив; 17 — крыльчатка вентилятора; 18 — передняя крышка с крепежной лапой; 19 — задняя крышка; 20 — выходная клемма (+) генератора: 21 — интегральный регу- лятор напряжения (ИРН); 22, 23 — крепежные детали; 24 — подстроечный резистор; 25 — помехоподавительный конденсатор; Y — впадина звезды ротора; Z — зубец звез- ды ротора; R — ротор; S — статор. 24, включение которого обеспечивается специаль- ным переключателем посезонной регулировки. Здесь же расположен помехоподавляющий конден- сатор 25 емкостью 2.2 мкФ. который на современ- ных генераторах переменного тока является обяза- тельной деталью. Ротор 8 генератора выполнен в виде шестилуче- вой звезды, набранной из тонких листов электротех- нической стали (из магнитомягкого материала). Во впадинах звезды расположены постоянные магниты 7, которые способствуют началу самовозбуждения генератора и несколько повышают его мощность. На передней крышке 18 (изнутри) располагает- ся индуктор с магнитопроводом 10 и с втулкой 12, на которую намотана обмотка возбуждения 11. На- значение индуктора — создавать на статоре глав- ное магнитное поле генератора. Поскольку рассма- триваемый генератор имеет смешанное возбужде- ние (от постоянных магнитов и от индукторной об- мотки возбуждения), то для расширения рабочего диапазона регулирования тока возбуждения на ин- дукторную втулку 12, кроме основной обмотки воз- буждения 11, намотана встречно ей включенная размагничивающая обмотка Wp, нейтрализующая действие постоянных магнитов на высоких оборо- тах ротора генератора. Магнитные цепи и ЭДС генератора. Магнитные цепи индукторного генератора 955.3701 показаны на рис. 6.4, б. Обмотка статора расположена на десяти зубцах статорного магнитопровода (зубцовый шаг 36°) и разбита на пять фазных секций по две зубцовых ка- тушки в каждой секции. Зубцовые катушки одной и той же фазной секции разнесены друг от друга по периметру внутренней окружности статора на 180 уг- ловых градусов. Таким образом, 10-ти катушечная статорная обмотка является пятифазной. Фазные секции соединены между собой в пятиугольник. Возможны и другие варианты исполнения статора. Ротор генератора представляет собой шестилуче- вую звезду Z из магнитомягкого материала. Таким образом, в магнитные цепи генератора входят: 10-ти зубцовый магнитопровод статора 6, магнитопроводная шестилучевая звезда ротора 8 и индукторная втулка 12. При вращении звезды Z под каждым зубцом ста- тора перемещается то зубец, то впадина звезды Z, и процесс повторяется через 60° поворота ротора. При этом меняется воздушный зазор между стато- ром и ротором, а, следовательно, и магнитное сопро- тивление Rd зазора (см. рис. 5.3 в главе 5). В резуль- тате магнитный поток в воздушном зазоре индуктор- ного генератора изменяется от максимальной вели- чины Фтвх до минимальной Фт|п без изменения на- правления (рис. 6.5). Пульсирующий магнитный по- ток имеет постоянную Фо и переменную Ф~ состав- ляющие Ф = Фо + Ф~ = Фо + Фт cos cot. Постоянная составляющая магнитного потока ©о = (®твх + ®min)/2 в наведении ЭДС в статорной обмотке не участвует и бесполезно намагничивает магнитопровод статора генератора. Как следствие, магнитопровод статора в индукторном генераторе более массивный, чем в синхронных генераторах с контактными кольцами. Этим объясняется более ши- рокое применение индукторных генераторов на гру- зовых автомобилях. Переменная составляющая Ф~ магнитного пото- ка с амплитудой Фт = (Фтах - Фтт)/2 наводит ЭДС в катушках статорной обмотки: ек = -W d®/dt = -W d®m cos cot/dt = E„ sin 2nft, где W — число витков в катушке; Еп, — амплитудное значение ЭДС ек. Как видно из рис. 6.4, б, в индукторном генерато- ре зубец и впадина ротора образуют пару полюсов, поэтому число пар полюсов ротора равно числу зуб- цов ротора р = Z. Тогда частота переменного тока в 55
ГЛЛВ!в Пульсирующий магнитный поток индукторного генератора: 1 — электромагнитное возбуждение; 2 — смешанное (с по- стоянными магнитами) возбуждение. статорной обмотке, выраженная в Гц, равна f = Z х п/60 (п — число оборотов ротора в об/мин). Таким образом, при вращении ротора индуктор- ного генератора в витках катушек обмотки статора индуцируется переменная (пульсирующая) ЭДС, по форме близкая к синусоиде, с частотой, синхронной (пропорциональной) частоте вращения ротора. Индукторные генераторы характеризуются коэф- фициентом Кф использования магнитного потока, ко- торый определяется как: Кф ~ Фиг/Фсг = (1 — ®mln/®max)» где Фсг = Фтах cos cot аля традиционного генера- тора с контактными кольцами, Фиг = 0,5 (Фтах - ®min) cos cot для индукторного генератора. В идеальном случае, когда Фт|П = О, коэффициент Кф = 0,5. В реальных индукторных генераторах ®min/®mex = 0,3...0,4 И Кф = 0,3. ТаКИМ ОбрЭЗОМ, при одинаковой мощности индукторные генераторы имеют большие габариты и массу, чем синхронные генераторы с контактными кольцами. На расширение диапазона изменения магнитного потока работают постоянные магниты, которые уста- новлены во впадинах звезды ротора (полярность их полюсов, обращенных к статору, противоположна по- лярности зубцов ротора, см. рис. 6.4, б). При этом ми- нимальная величина Фт1п магнитного потока в воз- душном зазоре может быть значительно понижена (см. рис. 6.5), а отдаваемая генератором мощность увеличена, что приближает индукторный генератор к генератору с клювообразным ротором (в последнем имеет место знакопеременный магнитный поток). Электрическая схема генератора. В отличие от традиционных автомобильных генераторов, индук- торные генераторы могут иметь как трехфазный, так и многофазный статор. Генераторы мощностью бо- лее 700 Вт выполняются с пятифазной или семифаз- ной обмоткой статора, причем фазные секции стато- ра соединены в многоугольник. Электрическая схема генератора 955.3701 при- ведена на рис. 6.6. Пять фазных секций статора соединены в пяти- угольник с последовательностью включения 1-4-2-5- 3-1. Эта последовательность подчиняется опреде- ленной логике. Дело в том, что при кольцевом со- единении фаз статорной обмотки в ней, помимо пя- ти фазных напряжений, наводится пять междуфаз- ных: Uac, Uce, Ueb, Ubd, Uda (см. рис. 6.6). А так как пространственный угол сдвига между пятью фазными секциями по периметру статора меньше 120°, то фазные напряжения становятся меньше междуфазных и выпрямитель начинает выпрямлять междуфазные напряжения. При этом энергетика генератора нарушается, т.е. падает мощность и ко- эффициент полезного действия (КПД). Чтобы этого не происходило, выбирают такой порядок соедине- ния катушек, чтобы электрический угол <р сдвига фаз между пульсирующими напряжениями, кото- рые поочередно подаются на выпрямитель, был бы близким к 120°. В общем случае для этой цели конец первой фаз- ной секции соединяете? с началом той фазной сек- ции, номер которой на число К больше, и так далее по кругу статора. Число К называется шагом включения фаз и оп- ределяется как: К = [m/n] + 1, где m — число фазных секций в статоре, п — число катушек в одной фазе (из дроби т/3 берется только целая часть). Тогда для пятифазного статора с двумя катушками в фазной секции К = 3, ф = 108°, и последователь- ность включения катушек получается такой: 1-4-2-5-3- 1. Порядок включения трехкатушечной секции для 5-ти фазного статора будет другим: 1-3-5-2-4-1 (К = 2; ф = 144°). Выпрямление системы пятифазных пульсирующих напояжений, по форме близких к синусоиде: Рис. 6.6. Электрическая схема генератора 955.3701: 1, 4. 2. 5. 3 — нумерация фазных секций: a, b, с, d, е — точки соединения фаз; VD1...VD10 — силовые диоды (20 A); VD11...VD15 — дополнительные диоды (2 А); Rh — омическая нагрузка генератора. 56
Конструктивное исполнение современных автомобильных генераторов U1 = Uea sin cut 1 U3 = Uab sin (cut-108°) 115 = Ubc sin (cot - 216°) Ъ U2 = Ucd sin (cot - 324°) I U4 = Ude sin (cot - 432°) J реализуется с помощью пятифазной выпрямительной схемы Ларионова, в которой силовые вентильные ди- оды работают попарно с чередованием порядка про- пускания тока по фазным плечам выпрямителя: U1 — VD1, VD9; U3 — VD3, VD6; U5 — VD5, VD8; U2 — VD2, VD10; U4 — VD4, VD7. Таким образов, в любой момент времени на на- грузку генератора RH работают только два диода: один — прямой, другой — обратной полярности. В любой многофазной системе статора, собранной по схеме многоугольника, фазные токи всегда меньше линейных (выпрямляемых) на величину корня из т, что позволяет выполнять катушки фазных обмоток более тонким проводом. Именно поэтому в индуктор- ных генераторах большой мощности (Рг>1,0 кВт) число фаз на статоре делают увеличенным (5, 7, 9), и тогда общий ток в нагрузке генератора формирует- ся поочередной отдачей энергии от нескольких ли- нейных токов 1г, каждый из которых равен lr/m. При этом частота пульсаций fn выпрямленного на- пряжения будет несколько выше, чем в трехфазном генераторе. 6.3. Техническое обслуживание генераторов Современный генератор является надежным из- делием автомобильного электрооборудования. Его техническое обслуживание в эксплуатации сведено к минимуму. * Работы по проверке текущего технического со- стояния и обслуживанию генератора проводятся че- рез 50...80 тыс. км пробега, но не реже одного ра- за в два года. Прежде всего проверяется надеж- ность крепления генератора к двигателю и натяже- ние приводного ремня. На рис. 6.7 показаны основ- ные детали стандартного крепления генератора к двигателю. Натяжная рейка 4 крепления генератора имеет продолговатую прорезь под фиксирующий болт 3, что позволяет натягивать приводной ремень генератора до требуемой нормы (8... 15 мм). Крон- штейн 1 должен быть надежно привернут к двигате- лю, а болт 5, проходящий через кронштейн 1 и пово- ротную втулку генератора, после регулировки натя- жения ремня крепко затянут. Недостаточно жесткое крепление генератора к двигателю приводит к изло- му натяжной рейки 4 и других деталей крепления. Слабо натянутый ремень 2 проскальзывает по шкиву 6, что способствует ускоренному износу ремня и шкива, а также снижению частоты вращения ротора генератора под нагрузкой и уменьшению напряже- ния на его выводах. Аккумуляторная батарея при этом не дозаряжается. Превышение усилия натяже- ния ремня приводит к перегрузке подшипников, их перегреву и выходу из строя. Правильность натяже- ния проверяется по прогибу ремня в средней части нажатием на него торцом динамометра (или паль- цем) с усилием 3...10 кГс (в зависимости от типа ав- томобиля). Прогиб А ремня (см. рис. 6.7) должен со- ответствовать требованиям инструкции по эксплуата- ции конкретного автомобиля (как правило, величина прогиба лежит в пределах 8...15 мм). • Периодически целесообразно проверять нор- мальную работоспособность генераторной установки. Контрольная лампа на щитке приборов не фиксирует неисправность в системе электроснабжения в случае повышения выходного напряжения генератора. По- этому бортовым вольтметром, а при его отсутствии вольтметром, подключенным к клеммам аккумулятор- ной батареи, необходимо замерить величину борто- вого напряжения, установив среднюю частоту враще- ния коленчатого вала двигателя (2600...3000 мин-1) и включив дальний свет фар. У исправно работаю- щей генераторной установки напряжение должно на- ходиться в пределах 13,5... 14,8 В. Оно не должно по- вышаться при увеличении частоты вращения или сни- Рис. 6.9. Роторный узел: 1 — подшипник; 2, 3 — контактные кольца роторной обмотки возбуждения. 57
Глава 6 жаться при включении других потребителей, напри- мер стеклоочистителя, более чем на ±0,1 В. • При сезонном техническом обслуживании гене- раторной установки, содержащей переключатель по- сезонной регулировки на регуляторе напряжения (см. рис. 6.4 поз. 21 и 24), весной этот переключа- тель переводится в положение “Лето”, осенью — в положение “Зима”. Посезонная корректировка регу- лируемого напряжения обеспечивает оптимальный заряд аккумуляторной батареи, что благоприятно сказывается на ее сроке службы. • При каждом очередном снятии генератора с автомобиля (через 100...150 тыс. км пробега) для профилактики необходимо провести осмотр щеток (рис. 6.8) и контактных колец (рис. 6.9). Минимально допустимое выступание щеток из щеткодержателя указано в инструкции по эксплуатации автомобиля. Если выступание К щеток (см. рис. 6.8) менее 4...5 мм, их следует заменить. Контактные кольца можно зачистить мелкозернистой наждачной бума- гой. Если износ колец ротора более 0.5 мм по диаме- тру, необходимо разобрать генератор и на роторе в сборе проточить кольца. • Подшипники ротора (см. рис. 6.9) закрытого типа и не требуют смазки в течение гарантийного срока службы генератора. Но при ремонте генерато- ра подшипники необходимо набить густой смазкой (защитные крышки легко снимаются шилом и легко устанавливаются обратно). 6.4. Ремонт генератора Автомобильный генератор может иметь как меха- нические, так и электрические повреждения. • К механическим повреждениям относятся: пе- ретирание шкива генератора приводным ремнем, разрушение подшипников ротора и износ деталей крепления. При значительном износе подшипников может иметь место соударение ротора со статором. Все эти неисправности, как правило, являются след- ствием нарушения технических условий эксплуата- ции генератора. Их устранение связано с заменой вышедших деталей из строя. • Электрические неисправности связаны с нару- шением целостности электрических цепей в генера- торе или с их коротким замыканием. Информацию об электрических неисправностях генератора можно получить по осциллограммам вы- прямленного напряжения (рис. 6.10), не прибегая к его снятию с автомобиля. Для этого используется мо- тор-тестер с осциллоскопом, фирменный сканер или обычный осциллограф. Для генератора, снятого с ав- томобиля, данная проверка осуществляется на кон- трольно-диагностическом стенде или с помощью ци- фрового мультиметра. • К часто встречающимся электрическим неис- правностям генератора относятся: перегорание с об- рывом или короткое замыкание диодов выпрямитель- ного блока; нарушение контакта в месте пайки выво- дов обмотки возбуждения к контактным кольцам; об- рыв, межвитковое замыкание или замыкание на “массу" обмоток статора и обмотки возбуждения. • Неисправный генератор после мойки кероси- ном или соляркой и просушки подлежит разборке на составные узлы и проверке их работоспособности. Для выявления электрических неисправностей необ- ходимо иметь мультиметр (тестер). Фирмы-изготовители поставляют в запчасти та- кие узлы, как ротор в сборе, статор в сборе, выпря- мительный блок, щеткодержатель с регулятором на- пряжения в сборе. Однако в некоторых случаях при- ходится самостоятельно восстанавливать отказав- шие узлы. Для этого генератор необходимо полно- стью разобрать на отдельные составные части. Выпрямительный блок. При стандартном испол- нении выпрямительного блока (рис. 6.11) в нем ис- пользуются серийно выпускаемые полупроводнико- вые диоды таблеточной конструкции. Выпрессовку поврежденного таблеточного диода следует прово- дить с помощью ручного пресса, а не молотком, что- бы не повредить посадочное отверстие в радиатор- ной плате. В крайнем случае диод можно выдавить из гнезда с помощью тисков через оправку. У сило- вых диодов отечественного производства, которые поставляются в запчасти, диаметр корпуса увеличен на 0.5 мм по сравнению со стандартным, поэтому от- верстие под запрессовку необходимо несколько раз- исправное состояние m обрыв основных диоде прямой полярное™ обрыв основных диодов обратной полярности обрыв дополнительного дкодг прямой полярности Рис. 6.10. Осциллограммы выпрямленного напряжения генератора: ив — напряжение на выходе силового выпрямителя; UD — напряжение на выходе дополнительного выпрямителя. короткое замыкание основных ДИОДОВ прямой полярности короткое замыкание основных диодов обратной полярности или дополнительных ДИОДОВ обрыв или короткое замыкание фазы 58
Конструктивное исполнение современных автомобильных генераторов вернуть (до диаметра 13,12 мм). Следует обратить внимание на полярность нового диода, которая должна соответствовать полярности заменяемого. Полярность диода обозначается на его корпусе либо краской, либо знаком (“+” — красный цвет; "—" — черный цвет). Усилие при запрессовке диода должно приклады- ваться вертикально, возрастать плавно и не превы- шать 50 кГс. При соблюдении осторожности запрес- совку можно выполнить через оправку и с помощью обычных тисков. После запрессовки диод припаива- ют к соединительной шине. Продолжительность пай- ки не должна превышать 15 сек паяльником мощно- стью 60...100 Вт. Фазные обмотки статора. Если устранить неис- правность в обмотке статора (рис. 6.12) без пере- мотки не представляется возможным, то проводится замена статора или перемотка обмотки. Прежде чем удалять из пазов статора поврежденную обмотку, не- обходимо определить ее тип (“звезда” или “треуголь- ник”), схему соединения секций, диаметр провода, число витков в катушках и их распределение по сло- ям. Для того чтобы легко снять обмотку, статор поме- щают в электропечь, где при температуре 500...600°С в течение 5 ч происходит тепловое раз- рушение изоляции обмотки. После охлаждения об- мотка без труда извлекается из пазов статора. Очи- стив статор от следов старой изоляции, в его пазы укладывают пленкоэлектрокартон ПЭК толщиной 0,27...0,32 мм или полиэтилентерефталатную пленку ПЭТФ толщиной 0,2 мм. В крайнем случае можно применить тонкую стеклоткань. Новая обмотка мо- жет быть намотана проводом ПЭТ-200, ПЭТД-180, ПЭВ-2, ПЭСВ-3 или ПЭТВМ. Витки катушек обмотки укладываются плотно друг к другу, их число и распре- деление в ряду должно соответствовать удаленной обмотке. После окончания намотки в пазы забивают клинья и проводят пропитку обмотки любым жидким электротехническим лаком. Применяются пропиточ- ные лаки МЛ-92 или ГФ-95 с добавлением 15% смолы К-421-02, а также компаунды КП50, ЭД-20. Режим сушки указывается на этикетке тары используемого Рис. 6.11. Выпрямительный блок фирмы BOSCH Рис. 6.12. Статорный магнитопровод с фазными обмотками электролака. Применять случайные лаки (например, мебельный нитролак) не следует. Обмотка возбуждения. Проверку целостности об- мотки возбуждения выполняют с помощью тестера без разборки роторного узла, внешний вид которого показан на рис. 6.9. Чаще всего обрыв обмотки воз- буждения связан с некачественной пайкой ее выво- дов к контактным кольцам. При проверке необходимо с помощью иглы пошевелить выводы обмотки в мес- тах пайки. Если электрический контакт то появляется, то исчезает — выводы обмотки следует пропаять. Если соединения выводов с контактными кольца- ми надежны, а проверка тестером показывает обрыв обмотки, то необходимо определить место обрыва. При обрыве обмотки возбуждения в верхних вит- ках катушки ее иногда можно восстановить без раз- борки ротора. При наличии внутреннего обрыва, вы- званного проворотом каркаса обмотки возбуждения, при коротком замыкании обмотки на массу генерато- ра (проверяется тестером между корпусом и кольца- ми), а также в случае почернения и осыпания изоля- ции с проводов обмотки, требуется ее перемотка. Для перемотки разбирают ротор с помощью съемника или пресса, предварительно отпаяв выводы обмотки от контактных колец, затем удаляют с каркаса дефект- ную обмотку и наматывают новую. Рекомендуются об- моточные провода: ПЭТД-180, ПЭТ-200, ПЭТ-155, ПЭТВ-1, ПЭТВ-2. При намотке каркас должен быть на- дет на втулку. Число витков наматываемой обмотки и диаметр провода должны соответствовать прежним данным. После окончания намотки и сборки ротор пропитывают электротехническим лаком и просуши- вают так же, как и обмотку статора. Для некоторых конструкций современных генера- торов напрессовка полюсных половин на вал выпол- нена таким образом, что их снятие с вала становит- ся невозможным. В этом случае при выходе из строя обмотки возбуждения заменяют ротор в сборе. Интегральный регулятор напряжения. Современ- ные автомобильные генераторы переменного тока содержат в своем конструктивном составе интег- ральный регулятор напряжения (ИРН). Такой регуля- тор имеет малые габариты, не перегревается, доста- точно надежен в работе и, как правило, монтируется совместно с щеткодержателем К1ЦМ в едином блоке (см. рис. 6.8). Электрическая схема ИРН в процессе эксплуата- ции крайне редко выходит из строя. Однако, так как она составляет единую деталь со щеткодержа- телем и со щетками, а щетки К1ЦМ требуют замены в среднем через 200...250 тыс. км пробега, то весь узел вместе с пригодной ИРН приходится ути- лизировать из-за выхода щеток и щеткодержателя из строя. Однако следует заметить, что в ряде случаев истер- тые щетки К1ЦМ можно заменить на новые, если в уз- 59
Глава 6 ле предусмотрен доступ к местам пайки (или свар- ки) медных жгутиков от щеток. В таком случае щетки следует извлечь из гнезд, зачистить мес- та пайки (или сварки) от остатков старых жгути- ков и запаять с примене- нием теплоотвода новые щетки. Сама электрон- ная схема ИРН ремонту не подлежит. Но в неко- торых конструкциях гене- раторов ИРН монтирует- ся на щеткодержателе (см. рис. 6.8) или непо- средственно на корпусе генератора (см. рис. 6.4, б) как самостоятельная конструктивная деталь. В таком случае ее замена не вызывает проблем. Подшипники ротора. Уже отмечалось, что под- шипники ротора — закрытого типа. Они набиты гус- той смазкой при изготовлении и специального ухода не требуют. Однако при случайном попадании в под- шипник жидкого растворителя (например, бензина) консистенция смазки нарушается, тогда подшипник быстро выходит из строя. Учитывая сказанное, опус- кать снятые с генератора подшипники в любую мою- щую жидкость не следует. Другой причиной разрушения подшипников может стать перетяжка приводного ремня генератора. Достоверным признаком выхода подшипника из строя является характерный шум (свист) в генерато- ре, который исчезает при снятии приводного ремня. Но в двигателях с наружной водяной помпой анало- гичный шум могут издавать и неисправные подшип- ники помпы. В таком случае шум можно локализовать прослушиванием с помощью медицинского стетоско- па или с помощью длинной пластмассовой трубки. Для замены роторных подшипников, пришедших в не- годность, генератор требуется снять с двигателя и полно- стью разобрать. Передний подшипник с вала генератора следует снимать вместе с корпусной крышкой винтовым съемником (рис. 6.13). При сбивании подшипников можно значительно повредить торцы вала генератора Заменять подшипники можно только на абсолютно аналогичные. Ино- гда подшипник с одинаковым номером отличается наличи- ем или отсутствием защитной крышки для смазки. Подшип- ники открытого типа в автомобильных генераторах устанав- ливать не следует. В заключение отметим, что генератор импортно- го автомобиля, не подлежащий ремонту, можно за- менить на отечественный, если последний подходит по электрическим параметрам. Детали крепления генератора к двигателю в та- ком случае приходится изготавливать самостоятель- но с их подгонкой по месту, что для квалифицирован- ного ремонтника не представляет трудностей. 6.5. Маркировка генераторов • Обозначение (маркировка) отечественных ав- томобильных генераторов производится по схеме хххх.3701 или хххх.3771. Согласно ГОСТу 3701 и 3771 — это типовые подгруппы “Генератор". На ме- сте знаков “х" в обозначении ставятся цифры от О до 9. Первые две цифры, начиная с 11, обозначают порядковый номер модели, третья цифра — модифи- кацию изделия, четвертая цифра — исполнение. Предусмотрены ледующие виды исполнения генера- торов: 1 — для холодного климата, 2 — общеклима- тическое исполнение, 3 — для умеренного и тропиче- ского климата, 6 — экспортное исполнение, 7 — экс- портное исполнение для тропического климата, 8 — экспортное исполнение для стран с холодным клима- том, 9 — общеклиматическое экспортное исполне- ние. Цифры до точки, кроме первых двух, могут опу- скаться. Если изделие имеет несколько вариантов исполнения одной и той же модификации, то такой вариант также обозначается цифрами, проставлен- ными справа от основного обозначения через тире. Например, вариант генератора 583.3701 со встро- енным регулятором напряжения Я112В1, поставляе- мый в запчасти для автомобилей ВАЗ-2108, -2109 имеет условное обозначение 583.370120, что сле- дует читать так: 58-я модель третьей модификации генератора 3701 в 20-м варианте конструктивного исполнения (т.е. с Я112В1). Кроме того, отечественной промышленностью по- прежнему выпускается ряд изделий с буквенно-циф- ровым обозначением, например Г221-А, где Г — ге- нератор, 221 — номер модели, А — модификация. • Иной подход к маркировке генераторов принят у иностранных фирм-изготовителей. Как правило, в обозначении отражен базовый размер генератора (наружный диаметр статора) и его основные электри- ческие параметры. Рассмотрим условные обозначения генераторов фирмы BOSCH (Германия), которые устанавливаются на легковых автомобилях. Генераторы традиционной конструкции (см. рис. 6.2) имеют фирменную маркировку, которая со- держит буквенное обозначение предельных разме- ров для наружного диаметра статора: G- 100...109 мм, К-120...129 мм, N-130...139 мм. Циф- ра после буквы обозначает тип системы возбужде- ния: 1 — клювообразные полюса, 2 — явно выра- женные полюса, 3 — неподвижная обмотка возбуж- дения (бесконтактное исполнение) Далее указыва- ются номинальное напряжение и два значения тока, разделенных косой чертой (при частотах вращения 60
Конструктивное исполнение современных автомобильных генераторов Таблица 6.1. Основные параметры отечественных электрогенераторов для современных легковых автомобилей № п/п Тип генератора Применяемость на отечественных автомобилях Частота вращения без нагрузки менее, 1/мин Номинальное напряжение, В 1 Номинальный ток, А Дополнительный выпрямитель Интегральный регулятор напряжения 1 Г221А ВАЗ-2101, -2102, -21011.-2103. -2106 1150 42 2 Г222 ВАЗ-2105. ВАЗ-2104, ВАЗ-1111, ЗАЗ-1102 1250 14,310,5 50 - есть 3 37-3701 ВАЗ-2106. -2109 1100 14,1±0.5 55 есть есть 4 16.3701 ГАЗ-2410. -3102, -31029 1100 - 65 - - 5 581.3701 'Москвич-214Г 1400 13,9±0,5 52 - есть 6 583.3701-20 ВАЗ-2106, -2109 1150 14,2±0,5 60. -J есть есть 7 955.3701 ВАЗ-2110 1050_ 14,210.5 есть есть ротора 1500 и 6000 мин’1). Частота вращения 1500 мин-1 примерно соответствует частоте враще- ния коленчатого вала автомобильного двигателя в режиме холостого хода, а частота 6000 мин’1 — ре- жиму максимального тока отдачи генератора. Маркировка вентильного генератора фирмы BOSCH с клювообразными полюсами, с наружным диаметром статора 125 мм, с номинальным напря- жением 14 В и с токами отдачи 23 и 55 А при часто- тах вращения ротора 1500 и 6000 мин’1 (соответст- венно) имеет следующий вид: K114V23/55A. • Ранее фирма BOSCH указывала после номи- нального напряжения максимальный ток отдачи ге- нератора и число, в 100 раз меньшее частоты вра- щения ротора, при которой генератор отдает ток, равный 2/3 максимального. Например, маркировку K114V55A20 следует читать так: 55 А — максималь- ный ток 1махг генератора при п = 6000 мин’1, 20 — число, соответствующее частоте вращения ротора 2000 мин’1, при которой генератор отдает ток, рав- ный 0,67 1махг = 55 х 0,67 = 37 А. • Генераторы компактной конструкции обознача- ются по несколько иной схеме, когда обозначение типа системы возбуждения (цифра после первой бук- вы) заменена буквой С — Compact-Generator (ком- пактное исполнение). Буквенное обозначение наружного диаметра ста- тора также изменено G-116 мм, К-125 мм, N-138 или 142 мм. В отличие от генераторов традиционной конструк- ции, компактные генераторы рассчитаны на более высокое передаточное отношение привода, поэтому в режиме холостого хода двигателя внутреннего сго- рания частота вращения ротора генератора выше и составляет 1800 вместо 1500 мин’1. Например, маркировка KC14V45/80A обознача- ет: вентильный генератор компактной конструкции с клювообразным ротором, наружным диаметром ста- тора 125 мм, номинальным напряжением 14 В, мак- симальным током отдачи 80 А и током отдачи 45 А при п = 1800 мин’1. Кроме того, фирма BOSCH после обозначения ти- па генератора указывает десятизначное число, так называемый каталожный номер, который отобража- ет специальную информацию об особенностях той или иной модификации (присоединительные разме- ры, расположение выводов, способы защиты от по- падания воды, пыли, грязи; уровень регулируемого напряжения, наличие силовых стабилитронов и др.). Такая информация является достоянием фирменных каталогов. 61
Глава седьмая РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Современный автомобильный двигатель внутреннего сгорания (АВС) работает в широком интер- вале изменения оборотов 600... 7000 мин*). Соответственно изменяется и частота вращения ротора автомобильного генератора, а значит, и его выходное напряжение. Зависимость выход- ного напряжения генератора от оборотов ДВС недопустима, так как напряжение в бортсети ав- томобиля должно быть постоянным не только при изменении оборотов двигателя, но и при изме- нении тока нагрузки. Функцию автоматического регулирования напряжения в автомобильном генераторе выполняет специальное устройство — регулятор напряжения. Донная глава посвя- щена рассмотрению регуляторов напряжения современных автомобильных генераторов пере- менного тока. 7.1. Регулирование напряжения в генераторах с электромагнитным возбуждением Способы регулирования. Есди гдавное магнитное поле генератора наводится электромагнитным воз- буждением, то электродвижущая сила Ег генератора может быть функцией двух переменных: частоты п вращения ротора и тока 1в в обмотке возбужде- ния — Е,- = f (п, 1в). Именно такой тип возбуждения имеет место во всех современных автомобильных генераторах пере- менного тока, которые работают с параллельной об- моткой возбуждения [1]. * При работе генератора без нагрузки его напря- жение Ur равно его электродвижущей силе ЭДС Е,: Ur = Ег = С Ф п. (7.1) Напряжение Ur генератора под током 1н нагрузки меньше ЭДС Ег на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении гг генератора, т.е. можно записать, что Е,- = Ur + 1н гг = Ur (1 + Р). (7.2) Величина Р = lH rr/Ur называется коэффициентом нагрузки. Из сравнения формул 7.1 и 7.2 следует, что на- пряжение генератора Ur = п С Ф/ (1 + Р), (7.3) где С — постоянный конструктивный коэффициент. Уравнение (7.3) показывает, что как при разных частотах (п) вращения ротора генератора (п = Var), так и при изменяющейся нагрузке (Р = Var), неиз- менность напряжения Ur генератора может быть по- лучена только соответствующим изменением маг- нитного потока Ф. Магнитный поток Ф в генераторе с электромагнит- ным возбуждением формируется магнитодвижущей силой FB = W 1в обмотки WB возбуждения (W — число витков обмотки WB) и может легко управляться с по- мощью тока 1в в обмотке возбуждения, т.е. Ф = f (1в). Тогда Ur = f [n, р, f (1в)], что позволяет удерживать на- пряжение Ur генератора в заданных пределах регули- рования при любых изменениях его оборотов и на- грузки соответствующим выбором функции f (1в) регу- лирования. * Автоматическая функция f (1В) регулирования в регуляторах напряжения сводится к уменьшению максимального значения тока 1в в обмотке возбуж- дения, которое имеет место при 1в = Ur/Rw (Rw — активное сопротивление обмотки возбуждения) и может уменьшаться несколькими способами (рис. 6.1): подключением к обмотке WB параллельно (а) или последовательно (б) дополнительного сопро- тивления Ra; закорачиванием обмотки возбужде- ния (в); разрывом токовой цепи возбуждения (г). Ток через обмотку возбуждения можно и увеличи- вать, закорачивая последовательное дополнитель- ное сопротивление (б). Все эти способы изменяют ток возбуждения скач- кообразно, т.е. имеет место прерывистое (дискрет- ное) регулирование тока. В принципе возможно и аналоговое регулирование, при котором величина последовательного дополнительного сопротивления в цепи возбуждения изменяется плавно (д). Но во всех случаях напряжение Ur генератора удерживает- ся в заданных пределах регулирования соответст- вующей автоматической корректировкой величины тока возбуждения. Дискретно-импульсное регулирование. □ менных автомобильных генераторах магнитодвижу- щую силу FB обмотки возбуждения, а значит, и маг- 62
Регуляторы напряжения автомобильных генераторов Рис. 7.1. Способы управления током возбуждения: Г — генератор с параллельным возбуждением; Wb — обмотка возбуждения; Ra — дополнительное сопротивление; R — бал- ластное сопротивление; К — коммутатор тока (регулирующий орган) в цепи возбуждения; а, б, в, г, д — указаны в тексте. нитный поток Ф изменяют периодическим прерыва- нием или скачкообразным уменьшением тока 1в воз- буждения с управляемой частотой прерывания, т.е. применяют дискретно-импульсное регулирование ра- бочего напряжения Ur генератора (ранее применя- лось аналоговое регулирование, например, в уголь- ных регуляторах напряжения [2]). Суть дискретно-импульсного регулирования станет понятной из рассмотрения принципа действия гене- раторной установки, состоящей из простейшего кон- тактно-вибрационного регулятора напряжения, и ге- нератора переменного тока (ГПТ). • Функциональная схема генераторной установки, работающей совместно с бортовой аккумуляторной батареей (АКБ), показана на рис. 7.2, а, а электриче- ская схема — на рис. 7.2, б. В состав генератора входят: фазные обмотки V/ф на статоре СТ, вращающийся ротор R, силовой выпря- митель ВП на полупроводниковых диодах VD, обмотка возбуждения WB (с активным сопротивлением Rw). Ме- ханическую энергию вращения Ам = f (п) ротор генера- тора получает от ДВС. Вибрационный регулятор напря- жения PH выполнен на электромагнитном реле и вклю- чает в себя коммутирующий элемент КЭ и измеритель- ный элемент ИЭ. Коммутирующий элемент КЭ — это вибрационный электрический контакт К. замыкающий или размыкаю- щий дополнительное сопротивление RA, которое вклю- 63
Глава 7 чено с обмоткой возбуждения WB генератора последо- вательно. При срабатывании коммутирующего элемен- та (размыкание контакта К) на его выходе формирует- ся сигнал т RA (рис. 7.2, а). Измерительный элемент (ИЭ, на рис. 7.2, а) — это та часть электромагнитного реле, которая реализует три функции: 1) функцию сравнения (СУ) механической упругой силы Fn возвратной пружины П с магнитодвижущей силой Fs = Ws ls релейной обмотки S (Ws —число вит- ков обмотки S, ls — ток в релейной обмотке), при этом результатом сравнения является сформированный в зазоре о период Т (Т = tp +t3) колебаний якоря N; 2) функцию чувствительного элемента (ЧЭ) в це- пи обратной связи (ЦОС) регулятора напряжения, чувствительным элементом в вибрационных регуля- торах является обмотка S электромагнитного реле, подключенная непосредственно к напряжению Ur генератора и к аккумуляторной батарее (к послед- ней через ключ зажигания ВЗ); 3) функцию задающего устройства (3V), которое реализуется с помощью возвратной пружины П с си- лой упругости Fn и опорной силой Fo. • Работа регулятора напряжения с электромагнит- ным реле наглядно может быть пояснена с помощью скоростных характеристик генератора (рис. 7.3 и 7.4). Пока напряжение 11г генератора ниже напряже- ния U6 аккумуляторной батареи (Ur < U6), электромаг- нитное реле не срабатывает и возвратная пружина П удерживает контакт К в замкнутом состоянии. При этом ток 1в6 в обмотке WB возбуждения не изменяет- ся, так как определяется постоянным напряжением U6 батареи (ключ зажигания ВЗ — включен) и сопро- тивлением Rw обмотки возбуждения: 1в6 = Uc/Rw Ре- гулирования напряжения не происходит (на рис. 7.3 участок O...nmin). При увеличении оборотов ДВС напряжение гене- ратора возрастает и при достижении некоторого значения UMBx > Щ магнитодвижущая сила Fs релей- ной обмотки становится больше силы Fn возвратной пружины П, т.е. Fs = ls Ws > Fn Электромагнитное реле срабатывает, и контакт К размыкается, при этом в цепь обмотки возбуждения включается до- полнительное сопротивление RA. Еще до размыкания контакта К ток 1в в обмотке возбуждения достигает своего максимального значе- ния 1в мах = Ur Rw > 1в6, от которого сразу после размы- кания контакта К начинает падать, стремясь к свое- му минимальному значению lB min = Ur/(RW + RA). Вслед за падением тока возбуждения напряжение ге- нератора начинает соответственно уменьшаться Ur = f (1в), что приводит к падению тока ls = Ur/Rs в релейной обмотке S, и контакт К вновь размыкается усилием возвратной пружины П (Fn > Fs). К моменту размыкания контакта К напряжение генератора Ur становится равным своему минимальному значению Изменение Ur, 1в, Re во времени t: а — зависимость текущего значения выходного напряжения генератора от времени t — U, = f (t); б — зависимость текуще- го значения в обмотке возбуждения от времени — 1В = f (t); в — зависимость среднеарифметического значения сопротив- ления в цепи возбуждения от времени t — RB = f (t); t — вре- мя, отвечающее частоте (п) вращения ротора генератора. Umln, но остается несколько больше напряжения акку- муляторной батареи (Ur min > U6). Начиная с момента размыкания контакта К (п = nmin, рис. 7.3), даже при неизменной частоте п вращения ротора генератора, якорь N электромаг- нитного реле входит в режим механических автоко- лебаний, и контакт К, вибрируя, начинает периодиче- ски, с определенной частотой коммутации fK = 1/Т = l/(tp + t3) то замыкать, то размыкать дополнитель- ное сопротивление RA в цепи возбуждения генерато- 64
Регуляторы напряжения автомобильных генераторов ра (зеленая линия на участке n = пср = const, рис. 7.3). При этом сопротивление RB в токовой цепи возбуждения изменяется скачкообразно от значе- ния Rw до величины Rw + RA. Так как при работе регулятора напряжения кон- такт К вибрирует с достаточно высокой частотой fK коммутации, то RB = Rw + тр RA, где величина тр — это относительное время разомкнутого состояния кон- такта К, которое определяется по формуле: тр = tp/(t3 + tp), где l/(t3 + tp) = fK — частота ком- мутации. Теперь среднее, установившееся для дан- ной частоты fK коммутации значение тока возбужде- ния может быть найдено из выражения: 'в ср = Up Cp/Rp = Ur Cp/(Rw + Тр RJ = Ur Cp/(Rw + Кд tp/Тк)» где RB — среднеарифметическое (эффективное) значение пульсирующего сопротивления в цепи воз- буждения, которое при увеличении относительного времени тр разомкнутого состояния контакта К так- же увеличивается (красная линия на рис. 7.4. в). • Рассмотрим более подробно, что происходит при коммутациях с током возбуждения. Когда контакт К длительно замкнут, по обмотке WB возбуждения протекает максимальный ток возбуждения 1в = Ur/Rw. Однако обмотка возбуждения WB генератора представляет собой электропроводную катушку с большой индуктивностью и с массивным ферромаг- нитным сердечником. Как следствие, ток через об- мотку возбуждения после замыкания контакта К на- растает с замедлением. Это происходит потому, что скорости нарастания тока препятствует гистерезис в сердечнике и противодействующая нарастающему току — ЭДС самоиндукции катушки. При размыкании контакта К ток возбуждения стремится к минимальной величине, значение кото- рой при длительно разомкнутом контакте определя- ется как 1в = Ur/(RW + RJ Теперь ЭДС самоиндукции совпадает по направлению с убывающим током и не- сколько продлевает процесс его убывания. Из сказанного следует, что ток в обмотке возбужде- ния не может изменяться мгновенно (скачкообразно, как дополнительное сопротивление RJ ни при замыка- нии, ни при размыкании цепи возбуждения. Более то- го, при высокой частоте вибрации контакта К ток воз- буждения может не достигать своей максимальной или минимальней величины, приближаясь к своему средне- му значению (красная линия на рис. 7.4, б), так как ве- личина tp = Tp/fK увеличивается с увеличением часто- ты fK коммутации, а абсолютное время t3 замкнутого состояния контакта К уменьшается. Из совместного рассмотрения диаграмм, пока- занных на рис. 7.3 и рис. 7.4, вытекает, что среднее значение тока возбуждения (красные линии б на рис. 7.3 и рис. 7.4) при повышении оборотов п уменьшается, так как при этом увеличивается сред- неарифметическая величина (зеленая линия в на рис. 7.3, в и красная линия на рис. 7.4, в) суммарно- го, пульсирующего во времени сопротивления RB це- пи возбуждения (закон Ома). При этом среднее зна- чение напряжения генератора (Ucp на рис. 7.3 и рис. 7.4) остается неизменным, а выходное напря- жение Ur генератора пульсирует в интервале от UmBX до Umln. цели же увеличивается нагрузка генератора, то регулируемое напряжение Ur первоначально падает, при этом регулятор напряжения увеличивает ток в обмотке возбуждения настолько, что напряжение ге- нератора обратно повышается до первоначального значения. Таким образом, при изменении тока нагрузки ге- нератора (Р = Var) процессы регулирования в регуля- торе напряжения протекают так же, как и при изме- нении частоты вращения ротора. Пульсации регулируемого напряжения. При по- стоянной частоте п вращения ротора генератора и при постоянной его нагрузке рабочие пульсации тока возбуждения (Д1В на рис. 7.4, б) наводят соответству- ющие (по времени) пульсации регулируемого напря- жения генератора. Амплитуда пульсаций Д11г = 0,5 (UmBX - Umin)* регу- лятора напряжения Ur от амплитуды токовых пульса- ций Д1в в обмотке возбуждения не зависит, так как определяется заданным с помощью измерительного элемента регулятора интервалом регулирования. По- этому пульсации напряжения Ur на всех частотах вра- щения ротора генератора практически одинаковы. Однако скорость нарастания и спада напряжения Ur в интервале регулирования определяется скоростью нарастания и спада тока возбуждения и, в конечном счете, частотой вращения (п) ротора генератора. Когда нагрузка генератора и частота вращения его ротора не изменяются, частота вибрации контак- та К также неизменна (fK = l/(t3 + tp) = const). При этом напряжение Ur генератора пульсирует с ампли- тудой Д11р = 0,5 (Umax— Umin) около своего среднего значения Ucp (красная линия на рис. 7.4, а). При изменении частоты вращения ротора, напри- мер. в сторону увеличения или при уменьшении на- грузки генератора, время t3 замкнутого состояния ста- новится меньше времени tp разомкнутого состояния (t3 < tP). а значит, среднее значение тока 1в возбужде- ния 1в ср = Ur Cp/(Rw + Ra tp/fK) падает. При этом рабо- чие пульсации Д1в тока возбуждения также падают, а напряжение Ur генератора остается в заданных пре- делах регулирования с прежней амплитудой диг пуль- саций (см. 7.4 при п = nmBX = const). При уменьшении частоты ротора генератора (nJ.) или при увеличении нагрузки ((ЗТ) среднее значение ♦ Следует заметить, что пульсации 2AUr являются неизбежным и вредным побочным проявлением работы регулятора напряжения. В современных генераторах они замыкаются на массу шунтирую щим конденсатором Сш, который устанавливается между плюсо- вой клеммой генератора и корпусом (обычно = 2,2 мкФ). 3 Автотроника 65
Глава 7 тока возбуждения и его пульсации будут расти. Но на- пряжение генератора будет по-прежнему колебаться с амплитудой AUr вокруг неизменной величины Ur ср. Постоянство среднего значения напряжения Ur генератора объясняется тем, что оно определяется не режимом работы генератора, а конструктивными параметрами электромагнитного реле: числом вит- ков Ws релейной обмотки S, ее сопротивлением Rs, величиной воздушного зазора о между якорем N и ярмом М, а также силой Fn возвратной пружины П, т.е. величина Ucp есть функция четырех переменных: Ucp = f(Ws, Rs, о, Fn). Электромагнитное реле с помощью подгиба опо- ры возвратной пружины П настраивается на величи- ну Ucp таким образом, чтобы на нижней частоте вра- щения ротора (п = nmin — рис. 7.3 и рис. 7.4) контакт К начинал бы размыкаться, а ток возбуждения успе- вал бы достигать своего максимального значения 1В = Ur/Rw. Тогда пульсации Д1В и время t3 замкнутого состояния — максимальны. Этим устанавливается нижний предел рабочего диапазона регулятора (п = nmin). На средних частотах вращения ротора время t3 примерно равно времени tp, и пульсации тока воз- буждения становятся почти в два раза меньше. На частоте вращения п, близкой к максимальной (п = Птах — рис. 7.3 и рис. 7.4), среднее значение тока 1в и его пульсации Д1В — минимальны. При п > nmax про- исходит срыв автоколебаний регулятора и напряже- ние Ur генератора начинает возрастать пропорцио- нально оборотам ротора. Верхний предел рабочего диапазона регулятора задается величиной дополни- тельного сопротивления RA (при определенной вели- чине сопротивления Rw). tluPWi Вышесказанное о дискретно-импульсном регулировании можно обобщить следующим обра- зом: после пуска ДВС, с повышением его оборотов, наступает такой момент, когда напряжение генерато- ра достигает верхнего предела регулирования (Ur = Umax)- В этот момент (п = пт|п) в регуляторе на- пряжения размыкается коммутирующий элемент КЭ и сопротивление в цепи возбуждения скачкообразно увеличивается. Это приводит к уменьшению тока воз- буждения и, как следствие, к соответствующему па- дению напряжения Ur генератора. Падение напряже- ния Ur ниже минимального предела регулирования (Ur = Umin) приводит к обратному замыканию коммутиру- ющего элемента КЭ, и ток возбуждения начинает сно- ва возрастать. С этого момента регулятор напряже- ния входит в режим автоколебаний и процесс комму- тации тока в обмотке возбуждения генератора пери- одически повторяется, даже при постоянной частоте вращения ротора генератора (п = const). При дальнейшем увеличении частоты враще- ния п, пропорционально ей начинает уменьшаться время t3 замкнутого состояния коммутирующего эле- мента КЭ, что приводит к плавному уменьшению (в соответствии с ростом частоты п) среднего значения тока возбуждения (красные линии б на рис. 7.3 и рис. 7.4) и амплитуды Д1в его пульсации. Благодаря этому напряжение Ur генератора начинает тоже пульсировать, но с постоянной амплитудой диг около своего среднего значения (Ur = Ucp) с достаточно вы- сокой частотой колебаний. Те же процессы коммутации тока 1в и пульсации напряжения Ur будут иметь место и при изменении тока нагрузки генератора (см. формулу 7.3). В обоих случаях среднее значение напряжения Ur генератора остается неизменным во всем диапазо- не работы регулятора напряжения по частоте п (Urcp = const, от nmin до nmax) и при изменении тока нагруз- ки генератора от 1г = О до lr = max. В сказанном заключается основной принцип регу- лирования напряжения генератора с помощью преры- вистого изменения тока в его обмотке возбуждения. 7.2. Электронные регуляторы напряжения Рассмотренный выше вибрационный регулятор напряжения (ВРН) с электромагнитным реле (ЭМ-ре- ле) имеет ряд существенных недостатков: 1) как механический вибратор, ВРН ненадежен; 2) контакт К в ЭМ-реле подгорает, что делает ре- гулятор недолговечным; 3) параметры ВРН зависят от температуры (сред- нее значение Ucp рабочего напряжения Ur генерато- ра плавает); 4) ВРН не может работать в режиме полного обесточивания обмотки возбуждения, что делает его низкочувствительным к изменению выходного напря- жения генератора (высокие пульсации напряжения Ur) и ограничивает верхний предел работы регулято- ра напряжения; 5) электромеханический контакт К электромагнит- ного реле ограничивает величину максимального то- ка возбуждения до значений 2...3 А, что не позволя- ет применять вибрационные регуляторы на совре- менных мощных генераторах переменного тока. • С появлением полупроводниковых приборов контакт К ЭМ-реле стало возможным заменить эмит- терно-коллекторным переходом мощного транзисто- ра с его управлением по базе тем же контактом К ЭМ-реле. Так появились первые контактно-транзисторные регуляторы напряжения [2]. В дальнейшем функции электромагнитного реле (CV, КЭ, УЭ) были полностью реализованы с помощью низкоуровневых (малоточ- ных) электронных схем на полупроводниковых прибо- рах. Это позволило изготавливать чисто электронные (полупроводниковые) регуляторы напряжения [3]. Особенностью работы электронного регулятора (ЭРН) является то, что в нем отсутствует дополнитель- 66
Регуляторы напряжения автомобильных генераторов Рис. 7.5. Принципиальная схема регулятора напряжения Я-112А: R1...R6 — толстопленочные резисторы; Cl, С2 — навесные миниатюрные конденсаторы; VI...V6 — бескорпусные полу- проводниковые диоды и транзисторы. ный резистор Яд, т.е. в цепи возбуждения реализует- ся практически полное выключение тока в обмотке возбуждения генератора, так как коммутирующий элемент (транзистор) в закрытом (разомкнутом) со- стоянии имеет достаточно большое сопротивление. При этом становится возможным управление более значительным током возбуждения и с более высокой скоростью коммутации. При таком дискретно-им- пульсном управлении ток возбуждения имеет им- 'пульсный характер, что позволяет управлять как час- тотой импульсов тока, так и их длительностью. Одна- ко основная функция ЭРН (поддержание постоянст- ва напряжения Ur при п = Var и при Р = Var) остает- ся такой же, как и в ВРН. • С освоением микроэлектронной технологии ре- гуляторы напряжения сначала выпускались в гибрид- Hoi.1 исполнении, при котором бескорпусные полупро- водниковые приборы и навесные миниатюрные ра- диоэлементы включались в электронную схему регу- лятора вместе с толстопленочными микроэлектрон- гыми резистивными элементами. Это позволило зна- 4ительно уменьшить массу и габариты регулятора на- пряжения. 1 ч Примером такого электронного регулятора напря- жения может служить гибридно-интегральный регуля- тор Я-112А, который устанавливается на современ- ных отечественных генераторах. Регулятор Я-112А (см. схему на рис. 7.5) является типичным представителем схемотехнического реше- ния задачи дискретно-импульсного регулирования на- пряжения Ur генератора по току 1в возбуждения. Но в конструктивном и технологическом исполнении вы- пускаемые в настоящее время электронные регуля- торы напряжения имеют значительные различия. Что касается исполнения регулятора Я-112А, все его полупроводниковые диоды и триоды бескорпус- ные и смонтированы по гибридной технологии на об- щей керамической подложке совместно с пассивны- ми толстопленочными элементами. Весь блок регуля- тора герметичен. Регулятор Я-112А, как и описанный выше вибра- ционный регулятор напряжения, работает в преры- вистом (ключевом) режиме, когда управление током возбуждения не аналоговое, а дискретно-импульс- ное. Принцип работы регулятора Я-112А заключает- ся в следующем. Пока напряжение Ur генератора не превышает наперед заданного значения, выходной каскад V4-V5 находится в постоянно открытом состоянии и ток 1в обмотки возбуждения напрямую зависит от напря- жения Ur генератора (участок 0-п на рис. 7.3 и рис. 7.4). По мере увеличения оборотов генератора или уменьшения его нагрузки 11г становится выше порога срабатывания чувствительной входной схемы (VI, R1-R2), стабилитрон пробивается, и через усили- тельный транзистор V2 выходной каскад V4-V5 за- крывается. При этом ток 1в в катушке возбуждения выключается до тех пор, пока Ur снова станет мень- ше заданного значения Umin. Таким образом, при ра- боте регулятора ток возбуждения протекает по об- мотке возбуждения прерывисто, изменяясь от 1в = О до 1в = Imax- При отсечке тока возбуждения напряже- ние генератора сразу не падает, так как имеет мес- то инерционность размагничивания ротора. Оно мо- жет даже несколько увеличиться при мгновенном уменьшении тока нагрузки генератора. Инерцион- ность магнитных процессов в роторе и ЭДС самоин- дукции в обмотке возбуждения исключают скачкооб- разное изменение напряжение генератора как при включении тока возбуждения, так и при его выклю- чении. Таким образом, пилообразная пульсация на- пряжения Ur генератора остается и при электронном регулировании. Логика построения принципиальной схемы элек- тронного регулятора следующая: VI — стабилитрон с делителем Rl, R2 образуют входную цепь отсечки то- ка 1в при Ur > 14,5 В; транзистор V2 управляет выход- ным каскадом; V3 — запирающий диод на входе вы- ходного каскада: V4, V5 — мощные транзисторы вы- ходного каскада (составной транзистор), включенные последовательно с обмоткой возбуждения (коммути- рующий элемент КЭ для тока lB); V6 — шунтирующий диод для ограничения ЭДС самоиндукции обмотки 67
Глава 7 Таблица 7.1 Перечень автомобильных электрогенераторов переменного тока зарубежных фирм (только для легковых автомобилей с номинальным напряжением в бортсети 12... 14 В), которые оборудованы интегральными регуляторами напряжения Г1 "фирма BOSCH (AHU): К114V20/45A; KI 14V20/45A; K114V23/55A; К114V23/65A; KH4V28/7QA;K114V3Q/mNTl«6/8QA; N114V36/80AJM1«WQ^"Й114\Й6/Й5А,Г~ | N1I4V25/14QA; GC14V27/50A; CG14V27/60A; CG14V30/60A; KC14V40/70A; KC14V4O/8OA; КС14О45/8-А; KC14V45/90A; NC14V50/100. NC14B60/120A; NC14V40/140A ~ концерн VALEO (Франция): A13N12V5CA; A13N14V50A; A13N14V6QA; A13N14V7QA; A13N14V8QA; A14N14V75A; A14N14W4W; A14N14V9QA; A14N14V1O5A; А11VI2H4V35/70; " A11VI22-14V30160; A13VU0-I4V40/90 3 Фирма LUCAS (Великобритания): A127-14V45A; A127-14V55A; A127-14V65A; A127-14V7M; A127-14V72A 4 Фирма MAGNETI-MARELU (Италия): AA125R14V45A; AA125R14V55A; AA125R14V65A Фирмы DELCO-REM1 и MOTORCRAFT (США): 1DSI100-14V23/63A; 12SI100-14V30/66A/7&V94A; 15SI100-14V35/ZQA; 15SI100-14V40/85; 17SI100/14V45/108A; 27SI100/14V44/80A; 5 27Si100-14V30/10QA _ Филиал фирмы DELCO-REMI (Франция): CS121-14V20/61A; CS121-14V43/74A; CS130-14V26/85A; CS130-14V50/100A. CS130-14V62/10SA; CS144-14V48/108A; CS144- b 14V63/120A; CS144-14VB3/14QA Рис. 7.6. Конструкция интегрального регулятора фирмы BOSCH возбуждения; R4, Cl, R3 — цепочка обратной связи, ус- коряющая процесс отсечки тока 1в воз- буждения. Еще более со- вершенным регуля- тором напряжения является электрон- ный регулятор в ин- тегральном испол- нении. Это такое исполнение, при котором все его компоненты, кроме мощного выходного каскада (обычно это составной транзистор), реализованы с помощью тонкопленочной микроэлектронной техно- логии. Эти регуляторы настолько миниатюрны, что практически не занимают никакого объема и могут устанавливаться непосредственно на корпусе гене- ратора в щеткодержателе. Примером конструктивного исполнения ИРН мо- жет служить регулятор фирмы B0SCH-EL14V4C, ко- торый устанавливается на генераторах переменного тока мощностью до 1 кВт (рис. 7.6). В заключение следует отметить, что интегральные регуляторы напряжения, в принципе, ремонту не подлежат. Кроме некоторых отдельных случаев, ко- торые подробно описаны ранее в главе 6. 68
= Глава восьмая------- 1 - : ЭЛЕКТРОСТАРТЕР СОВРЕМЕННОГО ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ В автомобильном электростартере нового поколения электродвигатель не имеет статорных об- моток возбуждения, которые заменены на постоянные магниты, а механический привод дообо- рудован понижающим планетарным редуктором, который установлен непосредственно в корпу- се стартера. Это позволило сделать стартер высокооборотистым, легким, малых размеров и бо- лее эффективным в работе. 8.1. Стартерный электродвигатель Классический* электростартер — это устройство, состоящее из электродвигателя (ЭДВ) постоянного то- ка с последовательной обмоткой возбуждения, кото- рый на время пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) подключается к аккумуляторной батарее (АКБ) с помощью пускового тягового реле (ПТР). Это же ре- ле посредством рычага с вилкой перемещает по оси стартера муфту свободного хода (МСХ) и тем самым механически сочленяет шестерню на валу стартерно- го электродвигателя непосредственно с венечной ше- стерней маховика ДВС (см. далее рис. 8.8). Конструкция стартера, при которой вал электро- двигателя соединяется прямо с маховиком ДВС, име- ет ряд недостатков. Так, передаточное число главно- го редуктора, состоящего из венечной Шестерни ма- ховика и шестерни МСХ, не может быть достаточно высоким. Ограничения накладываются расчетным размером диаметра маховика, а также числом, раз- мером и прочностью зубцов шестерни МСХ. В такой редукторной паре соотношение зубцов не может быть более 16—18. Это приводит к необходимости использовать в стартере такой электродвигатель, у которого оборо- ты якоря «мягко» сочетаются с механической нагруз- кой на валу. К таким относятся электродвигатели с последовательной обмоткой возбуждения, обладаю- щие мягкой механической характеристикой (рис. 8.1, а). Именно такие ЭДВ широко применяют- ся в классических электростартерах. Конструктивным недостатком ЭДВ с последователь- ным возбуждением является то, что в нем ток возбуж- дения, равный току якоря, делает обмотку возбужде- ния громоздкой, сильно нагревающейся, а магнитную систему статора недостаточно эффективной и с низ- ким КПД. Даже при заданном ограничении на время работы стартер получается тяжелым и больших разме- ров. Кроме того, ЭДВ с последовательным возбуждени- ем в режиме холостого хода может пойти “вразнос". * См. сноску на стр. 6 главы 1. От указанных недостатков свободны ЭДВ с неза- висимым (от тока якоря) возбуждением. Независимое возбуждение магнитного поля на статоре ЭДВ можно получить тремя способами: — обмоткой возбуждения, которая подключена к отдельному от якоря источнику электрической энер- гии (управляемое независимое возбуждение — рис. 8.1, б); — обмоткой возбуждения, подключенной парал- лельно якорю ЭДВ (параллельное возбуждение — рис. 8.1, в); — постоянными магнитами на статоре (возбуж- дение от постоянных магнитов относится к неуправ- ляемому независимому возбуждению — рис. 8.1, д). Электродвигатель с питанием обмотки возбуждения от независимого источника (рис. 8.1, б) в автомобиль- ной системе электростартерного пуска не используется, так как на борту автомобиля один пусковой источник электрической энергии — аккумуляторная батарея. Электродвигатели с чисто параллельным возбуж- дением (рис. 8.1, в) в автомобильных электростарте- рах неэффективны, так как напряжение АКБ при пу- ске ДВС в зимнее время (при температуре ниже -20°С) резко падает до 8-9 В При этом намагничи- вающая сила параллельной обмотки возбуждения, а следовательно, и крутящий момент стартера значи- тельно ослабевают, пуск ДВС становится невозмож- ным. Кроме того, характеристика ЭДВ с параллель- ным возбуждением жесткая, что недопустимо при низком передаточном соотношении между оборота- ми стартерного ЭДВ и оборотами коленвала ДВС, так как это может привести к ударным перегрузкам и по- ломквм в зубцах механического привода. Однако жесткость характеристики ЭДВ обеспечи- вает плавность хода стартера, а также ограничен- ность оборотов холостого хода, и поэтому параллель- ное возбуждение иногда вводится в ЭДВ классичес- кого электростартера дополнительно к последователь- ному (рис. 8.1, г). Такое возбуждение обеспечивает ЭДВ усредненную (умеренно жесткую) механическую характеристику и называется смешанным. Использу- ется, например, в стартерах для автомобилей ВАЗ. 69
Глава 8 Исключительно удачным техническим решени- ем для автомобильного электростартера является наличие в его конструкции электродвигателя с не- зависимым возбуждением от постоянных мвгни- тов (рис. 8.1, д) и дополнительного понижающего планетарного редуктора, установленного непо- средственно внутри корпуса стартера между ва- лом электродвигателя и осью, по которой переме- щается муфта свободного хода (о планетарных ре- дукторах см. ниже). Такие стартеры имеют следующие преимущества. Во-первых, главное магнитное поле электродвига- теля с постоянными магнитами на статоре не зави- сит ни от тока якоря, ни от падения напряжения АКБ при пуске ДВС. Во-вторых, система постоянных магнитов нв ста- торе электродвигателя делвется многополюсной (не менее шести полюсов), что позволяет заметно уменьшить габариты магнитной системы (постоян- ные магниты значительно меньше электромагнитов), а следовательно, и всего стартера в целом. КПД и обороты стартерного электродвигателя с многопо- люсным статором также выше. В-третьих, сами постоянные магниты выполняют- ся не из сплавов дорогостоящих металлов, а из спе- каемых ферритовых порошков с большой коэрцитив- ной силой, что делает магниты легкими, прочными, технологичными и, как следствие, дешевыми. В-четвертых, наличие дополнительного понижаю- щего редуктора в электростартерной системе пуска позволяет оптимально согласовать жесткую механи- ческую характеристику электродвигателя независи- мого возбуждения с минимальной пусковой частотой вращения коленвала ДВС при максимальной механи- ческой нагрузке стартера. И наконец, в-пятых, стартерный ЭДВ с независи- мым возбуждением от постоянных магнитов и с до- полнительным редуктором может работать в режиме повышенных оборотов при пуске холодного двигате- ля, потребляя при этом от АКБ меньший ток по срав- нению с классическим стартером. КПД стартерного режима АКБ и надежность пуска ДВС увеличиваются. Как и любая новая техника, электростартеры с пла- нетарным редуктором и с возбуждением от постоян- ных магнитов на начальном этапе внедрения обладали некоторыми недостатками: они были значительно до- роже классических за счет высокой стоимости посто- янных магнитов и планетарного редуктора; в них быст- рее изнашивались щетки из-за более высоких оборо- тов; их работа сопровождалась повышенным шумом. Современная технология изготовления старте- ров нового поколения исключает эти недостатки. Так, постоянные магниты, как уже отмечалось, ста- ли ферритовыми. Главная шестерня планетарного редуктора изготавливается литьем под давлением из термореактивной пластмассы. Пластмассу арми- руют бронзой, что делает планетарную шестерню прочной, износостойкой, технологичной и дешевой. Остальные детали дополнительного редуктора обыч- ного исполнения. Планетарный редуктор с пласт- массовой шестерней не шумит. Быстрый износ кол- лекторных щеток устранен применением в них бо- лее жесткого графита и удалением из него порош- ковой меди. Последнее стало возможным за счет понижения величины якорного тока. Уменьшена си- ла прижатия щеток к коллектору. Однако следует заметить, что стоимость стартера нового поколения пока еще несколько выше стоимо- сти классического. Но если 15 лет назад разница в цене была около 150%, то в последнее время она не превышает 50%. 70
Электростартер современного легковогоавтомобиля 8.2. Устройство стартера На рис. 8.2, а приведена конструкция стартера с по- стоянными магнитами на статоре ЭДВ и с дополнитель- ным планетарным редуктором. Аналогичную конструк- цию имеет стартер фирмы BOSCH типа DW:12/1.1 се- рии 0.001.108.009 (рис. 8.2, б), на примере которого 4 5 5 7 В е 10 11 12 13 27 2В 25 24 23 222120 10 1В [ [ Конструкте* | | Пупсом рот | | Якоре □ Плантарный родуктор I I Постоянный ыапагт м муфта саободногохода * > Рис. 8.2. Стартер с возбуждением от постоянных магнитов н с планетарным редуктором: а — внешний вид стартера BOSCH-DW:12/1.1 (статор снят); ’ б — конструкция стартера; 1 — задняя (тыльная) крышка; г 2 — ламельный коллектор; 3 — токовый провод; 4, 26 — по- стоянные ферритовые магниты; 5 — токовый контактор тяго- вого реле; 6 — пусковое тяговое реле (ПТР); 7 — включатель ПТР; 8 — соленоид ПТР; 9 — возвратная пружина; 10 — тол- катель включателя; 11 — тяговый керн ПТР; 12 — резиновая заглушка; 13 — втулка с осью для вилки МСХ; 14 — вилка муфты МСХ; 15 — передняя (лобная) крышка — станина стартера; 16 — шток поводковой муфты; 17 — вторичный (выходной) вал; 18 — шестерня МСХ; 19 — муфта свободно- го хода (МСХ); 20 — большая неподвижная шестерня плане- тарного редуктора; 21 — водило на торце вторичного вала; 22 — сателлитная шестерня; 23 — первичный вал (вал ЭДВ) .0 ведущей шестерней планетарного редуктора; 24— якорь ЭДВ; 25 — ярмо (магнитопроводящее кольцо) статора; 26 — постоянный магнит; 27 — щетка КЩМ. рассмотрим особенности устройства электростартеров современных легковых автомобилей. Любой автомобильный электростартер, как клас- сический, так и современный, состоит из пяти основ- ных функциональных узлов: якоря 24 — это вращаю- щая часть ЭДВ стартера; статора 4, 25, 26 — непо- движная часть ЭДВ; коллекторно-щеточного меха- низма (КЩМ) 2, 27; пускового тягового электрореле (ПТР), 5...11 и передаточного механизма внутри стартера 14...22. С помощью двух стартерных кры- шек 1 и 15 и статорного ярма 26, являющегося так- же корпусом стартера, функциональные узлы сочле- няются в единую конструкцию пускового устройства — электростартер, который по отношению к ДВС яв- ляется навесным агрегатом. Назначение всех перечисленных функциональных узлов в классическом стартере общеизвестно и не требует пояснений. Современный электростартер по сравнению с классическим имеет два основных конст- руктивных отличия: статор не имеет обмоток возбуж- дения, так как оснащен постоянными магнитами 4, 25, а передаточный механизм, находящийся внутри стартера, дополнен планетарным редуктором 20...22. Рассмотрим детально указанные отличия. 8.3. Статор Замена статорных обмоток возбуждения постоян- ными магнитами, помимо изменений электромагнит- ных параметров ЭДВ, повлекла за собой принципи- альные конструктивные изменения в устройстве ста- тора и роторного узла. На рис. 8.3 приведено схематическое изображе- ние электрических и магнитных цепей статора с по- стоянными магнитами. На рисунке обозначено: NS — северный (синий) и южный (красный) полюсы постоянных магнитов ста- 71
Глава 8 тора; a, b, с, d — щетки КЩМ (желтый цвет), соеди- ненные попарно (a+d — проводом Б+, Ь+с — прово- дом Б-); В — силовые линии (зеленый цвет) главного магнитного поля ЭДВ; (1—6), (14—19), (15—20), (28—5) — номера токопроводных стержней якорной обмотки (оранжевый цвет), подключенные к щеткам и находящиеся в магнитном поле; ю — вал якоря. Массивная литая станина ярма статора заменена легким статорным цилиндром К, который свернут из ли- стового железа (1,6 мм). Соединительный шов на по- верхности цилиндра «зашит» фигурными замками, ко- торые для надежности проварены точечной электро- сваркой. Защелки фигурных замков и все прочие кре- пежные элементы вырубаются или продавливаются штамповкой еще до свертки листа в цилиндр. Отдель- ным штампом на обечайку наносится маркировка. После свертки и сварки во внутрь магнитного яр- ма статора устанавливаются постоянные магниты. Постоянные магниты из ферритов твердые, но хруп- кие. Их крепление к ярму не может быть механичес- ки жестким (под болт), так как, находясь под затяж- кой, ферриты даже при незначительных ударах могут растрескаться. Проблема крепления и фиксации ферритовых магнитов решена с помощью шести пружинных фик- саторов Ф, вдвинутых между магнитами. Каждый фиксатор — это продольная упругая стальная пласти- на с П-образным профилем и с упорами с одной сто- роны. В собранном виде ферритовые магниты рас- перты упругими усилиями этих фиксаторов, за счет чего надежно прижаты к внутренней поверхности статорного цилиндра. Точная установка и фиксация собранной магнитной системы “по месту” обеспечи- вается защелками фиксаторов, которые представля- ют собой окна в упругих пластинах, надвинутые при сборке на зубцовые вырубы в статорном цилиндре. Ферритовые магниты установлены на статорном ярме с чередованием полярности, что образует шес- типолюсный (N-S-N-S-N-S) статор современного стар- терного электродвигателя (см. рис. 8.3). Указанные конструктивные отличия обеспечивают статору малые габариты и вес, компактность, просто- ту в сборке и высокую эксплуатационную надежность. 8.4. Якорь Якорь электродвигателя стартера B0SCH-DW: 12/1.1 является составной частью роторного узла (рис. 8.4). Якорь состоит из магнитопровода 4, рабо- чей якорной обмотки 3. ламельного коллектора 2 и вала вращения 1. Магнитопровод собран из 64 магнитомягких плас- тин толщиной 0,46 мм, изолированных друг от друга лаком, спрессованных и склеенных в единое цельное тело. В магнитопровод запрессован вал 1 вращения. Рис. 8.4. Роторный узел стартера B0SCH-DW:12/l.l: 1 — первичный вал (вал ЭДВ); 2 — ламельный коллектор; 3 — якорная обмотка; 4 — магнитопровод якоря; 5 — про- дольная балансировочная выборка; 6 — паз якорного маг- нитопровода; 7 — фиксатор планетарной шестерни; 8 — ведущая шестерня планетарного редуктора (на валу ЭДВ); 9 — неподвижная планетарная шестерня; 10 — поводко- вая муфта; 11 — муфта свободного хода (МСХ); 12 — шес- терня МСХ; 13 — проточка под запорное пружинное коль- цо; 14 — крьшка запорного пружинного кольца; 15 — за- порное пружинное кольцо; 16 — вторичный (выходной) вал стартера. на одном конце которого нарезано 11 зубцов веду- щей шестерни 8, а на другом установлен 28-ламель- ный коллектор 2. Магнитопровод якоря имеет 28 па- зов 6, расположенных точно напротив ламелей. В каждый паз магнитопровода вложено по два то- копроводящих стержня рабочей обмотки, которые та- ким образом образуют двухстержневую (парную) по- лурамку. Каждый стержень — это половина U-образ- ного витка, изогнутого по шаблону и вложенного в па- зы якорного магнитопровода с лобной стороны в сто- рону коллектора. На ламелях концы U-образных вит- ков попарно свариваются контактной электросвар- кой, при этом на якоре образуется 28 якорных рамок, соединенных последовательно и замкнутых в кольцо. U-образные витки уложены в пазы за пять обхо- дов по окружности якоря. На рис. 8.5 схематически показана последовательность подсоединения U-об- разных витков к коллекторным ламелям при первом (сплошные линии) и втором (штриховые) обходах ок- ружности якоря. Из рисунка очевиден порядок сбор- ки якорной обмотки: первая волна — задействова- ны ламели 1-6-11-16-21-26-3; вторая волна — ламе- ли 3-8-13-18-23-28-5; третья волна — ламели 5-10-15- 20-25-2-7: четвертая волна — ламели 7-12-17-22-27- 4-9; пятая волна — задействованы ламели 9-14-19- 24-1. Ясно, что начало первого витка и конец послед- него 28-го короткозамкнуты на одну (условно пер- вую) ламель коллектора, так как они уложены в один (условно первый) паз якорного магнитопровода. Таким образом из 28 U-образных токопроводя- щих круговых рамок складывается последовательная волновая коротко замкнутая пятиобходная якорная обмотка на якоре барабанного типа. 72
Электростартер современного легкового автомобиля 1-й обход: 1-6-11-16-21-26-3 (Выводы на 1 и 3) 2-й обход: 3-8-13-18-23-28-5 (Выводы на 3 и 5) 5-й обход: 9-14-19-24-1 (Выводы на 9 и 1) Рнс. 8.5. Последовательность подсоединения витков якорной обмотки к ламелям коллектора (стартер B0SCH-DW:12/l.l): 1...28 — номера ламелей (коллектор развернут); желтый цвет — щетки КЩМ в положении якоря на рис. 8.3; крас- ный и синий цвет — зоны действия южного и северного по- люсов статорных магнитов; — стержни якорных витков. Следует заметить, что в данном случае число якорных рамок, равное 28, не кратно числу статор- ных полюсов, которых шесть. Здесь важно другое: при любой конструкции барабанного якоря ширина каждой его токопроводящей рамки должна быть рав- на ширине полюсного деления на статоре (полюсное деление п —расстояние между центрами соседних разноименных магнитных полюсов, см. рис. 8.3). Этим обеспечивается наибольшее потокосцепление между магнитным полем статора и витками якорной обмотки, чем в свою очередь достигается макси- мальный КПД электродвигателя. В конструкции стартера BOSCH-DW:12/1.1 сказан- ное достигается охватом одной токопроводящей рам- кой сразу четырех якорных полюсов. Так как четыре якорных полюса по ширине совпадают с шириной од- ного полюса на статоре, то потокосцепление полное. Еще одной особенностью конструкции якоря явля- ется то, что четыре несимметрично расположенных щетки КЩМ делят обмотку якоря на четыре ветви, не равных по числу витков. При этом электрическая схема включения ветвей получается такой, как пока- зано на рис. 8.3. Из рисунка видно, что рабочий ток якоря протека- ет по ветвям а b и с d, в каждой из которых по че- тыре витка. Таким образом, во время работы ЭДВ под рабочим током якоря находятся только 8 стерж- ней из 56 или 4 рамки из 28. Остальные рамки в формировании крутящего момента ЭДВ участия не принимают до тех пор, пока при повороте якоря их положение не станет рабочим. Для каждого рабочего положения рамок создает- ся момент вращения ЭДВ стартера: Мст = 8FR, где 8 — число стержней, включенных в работу; F — сила электромагнитного взаимодействия электрического тока якоря и магнитного поля статора; R — средний радиус якорной рамки. Во время работы ЭДВ происходит переключение витков якорной обмотки с помощью КЩМ. Щетки относительно магнитной системы статора и внешней электрической цепи всегда неподвижны. Это обеспечивает постоянство крутящего момента ЭДВ как по направлению, так и по величине. Макси- мальный крутящий момент ЭДВ в заторможенном стартере BOSCH-DW:12/1.1 около 15 Нм. Еще одной интересной особенностью описывае- мого стартерного ЭДВ является наличие на его ста- торе «неработающих» постоянных магнитов. Дейст- вительно, как следует из положения якоря, показан- ного на рис. 8.3 под полюсами N1 и S3, витки якор- ной обмотки в секциях (28...20) и (14...6) коротко замкнуты соединительными проводами Б+ и Б- меж- ду щетками a d и с Ь. Ясно, что закороченные секции якорной обмотки нерабочие. Казалось бы, можно до- пустить, что и полюса N1 и S3 нерабочие. Однако магнитная система статора рассчитана и сконструи- рована таким образом, что эти полюса выполняют три рабочие функции; обеспечивают равномерное распределение главного магнитного поля по всему круговому периметру воздушного зазора между ста- торными магнитами и магнитопроводом якоря; опти- мизируют положение физической нейтрали магнит- ного поля якоря относительно щеток КЩМ и, таким образом, являются компенсационными (дополнитель- ными) полюсами; уменьшают противоэлектродвижу- щую силу на щетках, улучшая коммутацию. В этой связи сами щетки несколько развернуты (на угол 12°) относительно геометрической нейтрали статор- ных полюсов в сторону против вращения якоря. И последнее. Якорь современного электростарте- ра обязательно точно балансируется. Эта технологи- ческая операция стала необходимой, так как элект- родвигатель стартеров нового поколения высокообо- ротистый. Балансировку реализуют проточкой якоря после того, как он окончательно собран и залит эпоксидным компаундом. Точная доводка баланси- ровки осуществляется с помощью продольных выбо- рок на полюсах якорного магнитопровода (см. рис. 8.4). Выборки прорезаются алмазным кругом. 8.5. Планетарный редуктор Уже отмечалось, что основной отличительной чер- той передаточного механизма стартеров нового по- коления является наличие в нем понижающего пла- нетарного редуктора (рис. 8.6). Планетарный — это такой редуктор, у которого большая шестерня 1 имеет зубцы с внутренним за- цеплением и сочленена с малой ведущей шестер- ней 4 наружного зацепления через несколько сател- литных шестерен 5. При этом и ведущая, и ведомая шестерни соосны, а сателлиты находятся между ни- ми и внутри большой (планетарной) шестерни. Оси сателлитных шестерен могут быть установлены как 73
Глава 8 б) Рнс. 8.6. Планетарный редуктор: а — с неподвижной планетарной шестерней и с сателлитами на вращающемся водиле; б — с вращающейся планетарной шестерней и с сателлитами на корпусе; 1 — планетарная ше- стерня; 2 — водило; 3 — ось якоря ЭДВ; 4 — шестерня на валу ЭДВ; 5 — сателлитная шестерня; 6 — корпус редуктора; 7 — подшипник; 8 — муфта свободного хода. на корпусе первичного приводного устройства (рис. 8.6, а), так и непосредственно на торцевом водиле вторичного (выходного) вала редуктора (рис. 8.6, б). В первом случае большая планетарная шестерня вращается и сама является водилом выходного вала; во втором — она неподвижна, так как жестко за- креплена в корпусе 6 редуктора. Во втором случае сателлиты, установленные на водиле 2 и сочленен- ные с шестерней 4 первичного вала, обегают внут- ренние зубья неподвижной планетарной шестерни 1 и тем самым приводят водило 2 во вращение. В автомобильных электростартерах более широ- кое распространение получил планетарный редуктор второго типа. На рис. 8.7 показан внешний вид передаточного механизма стартера BOSCH-DW:12/1.1, в состав ко- торого входит планетарный редуктор. Для удобства восприятия передаточный механизм, показанный на фото, частично разобран: планетарная шестерня снята с сателлитов 2, а муфта свободного хода 8 — сдвинута с направляющих пазов 6 выходного вала 10 стартера. Как и любой другой, планетарный редуктор состо- ит из двух основных шестерен (рис. 8.4): ведущей 11-зубцовой шестерни 8 на валу 1 ЭДВ и большой планетарной шестерни 9, изготовленной из пласт- массы. Последняя, имеющая 37 зубцов внутреннего зацепления, неподвижно установлена в корпусе стартера с помощью фиксирующих шпилек 7. Внут- ренние детали планетарного редуктора показаны на рис. 8.7: водило 3 установлено на торце выходного вала 10, оно одновременно является установочной площадкой для осей 1 вращения трех сателлитов. Са- теллитные 13-зубцовые шестерни 2 (сателлиты) пла- нетарного редуктора, их три, упираясь в неподвиж- ную планетарную шестерню, передают вращение ва- ла ЭДВ на водило. Оси 1 после установки на них са- теллитных шестерен 2 запрессованы в тело води- ла 3, поэтому сателлиты с осей — несъемные. При сборке, когда узел (7,8,9) муфты свободного хо- да снят с вала 10, пластмассовая планетарная шестер- ня надвигается на посадочное место 4 выходного вала стартера (до упора в торец водила). В пластмассу плане- тарной шестерни залита бронзовая втулка, которая для вторичного вала является опорным подшипником. Вто- рым опорным подшипником для вала с водилом являет- ся бронзовая втулка, запрессованная в лобную крышку стартера. Планетарная шестерня фиксируется на валу для предотвращения обратного продольного смещения с помощью плоской пружинной защелки, под которую подкладывается дистанционная шайба. Планетарная шестерня накрывает сателлиты, которые при этом вхо- дят в зацепление с ее внутренними зубцами. При окончательной сборке стартера шестерня ва- ла ЭДВ вдвигается своими зубцами между тремя са- теллитами, а подшипниковый торец вала ЭДВ входит в бронзовую втулку, запрессованную в водило. Эта втул- ка является передним подшипником скольжения для якоря ЭДВ. Задним подшипником служит бронзовая втулка, запрессованная в тыльную крышку стартера. Все три подшипника скольжения (медно-графито- вые втулки) являются съемными и при ремонте стар- тера могут быть заменены на новые. В некоторых автомобильных электростартерах встроенный понижающий редуктор может быть не планетарным, а простым рядным, имеющим обычное внешнее или внутреннее зацепление двух шестерен. Из отечественных автомобилей таким стартером впервые был оснащен правительственный автомо- биль ЗИС-110. Рнс. 8.7. Приводной механизм стартера BOSCH-DW: 12/1.1: 1 — ось сателлита; 2 — сателлит планетарного ре- дуктора: 3 — водило на торце вторичного вала; 4 — поса- дочное место для планетарной шестерни (шестерня снята); 5 — проточка под пружинную защелку; 6 — направляющие спиральные пазы для МСХ; 7 — поводковая муфта; 8 — муфта свободного хода (МСХ); 9 — шестерня МСХ; 10 — вторичный (выходной) вал стартера. 74
Электростартер современного легкового автомобиля Однако планетарный редуктор, который иногда называют редуктором Джемса, имеет преимущества перед всеми известными конструкциями: он малога- баритен; компактен; обладает равномерным распре- делением нагрузки по зубцам, а значит, более наде- жен в работе; имеет одно направление вращения входного и выходного валов; обеспечивает повы- шенное передаточное число п при относительно ма- лых размерах (п = 1 + W2/Wi); планетарный редук- тор с пластмассовой шестерней не требует обильной смазки, что особенно важно при работе в привод- ном механизме автомобильного электростартера. Благодаря применению стартера с планетарным редуктором передаточное число между оборотами коленвала ДВС и якорем стартерного электродвига- теля может быть увеличено до 80 (вместо 16 при классическом исполнении стартера). 8.6. Диагностика неисправностей Из общеизвестных неисправностей к стартеру с постоянными магнитами и планетарным редуктором относятся: износ коллекторных ламелей и щеток, из- нос бронзовых подшипников скольжения, выход из строя муфты свободного хода, окисление силовых проводов стартера, эрозия токовых контактов пуско- вого тягового реле и ослабление крепления стартера к двигателю. Проявление этих неисправностей такое же, как и на обычном стартере. Специфическими неисправностями данного стар- тера являются нарушение целостности пластмассо- вой шестерни планетарного редуктора и очень редко раскол ферритовых магнитов, расположенных внут- ри статорного цилиндра. За исключением якоря, тягового реле и муфты свободного хода, все узлы электростартеров фирмы BOSCH разборны. Это позволяет проводить качест- венный ремонт электростартеров, если нет проблем с запчастями. Целостность пластмассовой шестерни чаще всего нарушается зимой. С понижением температуры со- противление прокручиванию вала ДВС резко возрас- тает. При этом возрастает нагрузка на зубцы плане- тарной шестерни, а также на всю шестерню в це- лом. Как следствие, пластмассовое тело планетарной шестерни может быть расперто изнутри металличес- кими сателлитами, что приводит к появлению трещин в теле шестерни и к сколу зубьев. В таком состоянии стартер может продолжать ра- ботать некоторое время за счет упругости пластмас- сы или за счет попадания сателлитов на уцелевшие зубцы планетарной шестерни. При очередной попыт- ке запустить ДВС эта неисправность проявляется в виде прокручивания электродвигателя стартера “вхо- лостую", аналогично тому, как это бывает при выхо- де из строя муфты свободного хода. Включая и вы- ключая электростартер ключом зажигания, можно случайно запустить ДВС, но разрушение планетарной шестерни при этом только прогрессирует, и стартер окончательно выходит из строя. Итак, если стартер при запуске ДВС начинает ра- ботать с прокручиванием — это достоверный при- знак того, что либо МСХ, либо ее привод, либо плане- тарная шестерня пришли в негодность. Признаком раскола и высыпания статорных ферритовых магни- тов является прекращение вращения стартера или вращение рывками. Однако надо помнить, что якорь стартера не будет вращаться и при выходе из строя контактора в пусковом тяговом реле. Ясно, что для устранения перечисленных неис- правностей стартер необходимо снять с автомобиля и разобрать. 8.7. Ремонт Рассмотрим особенности ремонта стартера B0SCH-DW:12/l.l, который устанавливался на авто- мобилях АУДИ-100-5 (модели до 1991 г.). Перед снятием стартера надо повторно убедиться в том, что он надежно закреплен. После недавно проводившегося ремонта стартера бывает так, что исправный стартер прокручивается вхолостую, так как он не дотянут до посадочного места. В таком слу- чае необходимо затянуть крепежные болты и вновь проверить стартер. Стартер крепится к ДВС двумя болтами с головка- ми под ключ 19. Верхний болт со стороны коробки переключения передач завернут в резьбу в крепеж- ной проушине стартера, а нижний через нижнюю проушину без резьбы затягивается гайкой на 19 со стороны моторного отсека. • Перед снятием стартера с его токовой клеммы необходимо отсоединить силовые провода, привер- нутые к клемме гайкой на 13, а также отсоединить провода управления. Снятый стартер перед разбор- кой необходимо промыть соляркой или керосином, просушить воздухом или протереть ветошью. • Разбирать стартер следует в следующем поряд- ке (см. рис. 8.2): — Снимите пусковое тяговое реле (ПТР) 6, для чего отверните три крепежных болта «строгой» отверт- кой (болты крепко посажены, и можно легко по- вредить шлицы). Затем выньте тяговой керн 11 с возвратной пружиной 9 из соленоида 8, освобо- див керн от зацепления с рычагом вилки 14. — Отверните два длинных болта, стягивающих кор- пус стартера, выньте их и расчлените стартер на две части: лобную (переднюю) с механизмом при- вода и заднюю (тыльную) с якорем и КЩМ стар- терного электродвигателя. 75
Глава 8 — С помощью затупленной отвертки извлеките ре- зиновую заглушку 12, которая удерживает в крышке пластмассовую втулку 13 с рычагом вил- ки 14, строньте втулку с места и выньте переда- точный механизм из лобной крышки 15 вместе с муфтой свободного хода 19 и с ее вилкой. — Снимите вилку 14 со штока 16 поводковой муф- ты, для чего слегка разведите один конец вилки (вилка изготовлена из эластичной пластмассы). — Разберите и снимите запорное устройство 14,15 (см. рис. 8.4) с вала. Разобрать запорное устрой- ство можно без специального инструмента. Для этого прочную отвертку с тонким и узким (1,5 мм) жалом надо вставить в проточку 13 на валу в том месте, где запорная пружина 15 разомкнута. За- тем, упершись жалом отвертки в проточку, сдвинь- те крышку 14 с пружины до положения, при кото- ром хотя бы один ее конец выйдет из-под крышки. (Сразу всю крышку сдвинуть с пружины невозмож- но.) Резко, но несильно ударьте молотком через металлическую прокладку (лучше через трубку, на- детую на вал) по выступающему вверх торцу за- щитной крышки, при этом она сойдет с запорной пружины. Снимите запорную пружину, а также крышку с вала и стащите с него муфту свободного хода. Снимите пластмассовую планетарную шес- терню, для чего вытолкните из проточки 5 (см. рис. 8.7) плоскую фигурную защелку. Планетарную шестерню тщательно осмотрите и убедитесь в ее целостности и целостности ее зубцов. Если на ше- стерне имеются даже незначительные трещины или зубцы частично истерты, шестерню необходи- мо заменить. Теперь разберите электродвигатель стартера. — Снимите защитную планшайбу с приводной шес- терни электродвигателя. — Вытолкните якорный узел из корпуса статора, на- жимая большим пальцем одной руки на ось ЭДВ и удерживая другой рукой корпус. При этом постоян- ные магниты статора будут препятствовать вытал- киванию, втягивая якорный узел обратно. Не допу- скайте обратного удара якорем по магнитам стато- ра. Может иметь место раскол ферритов. — Внимательно осмотрите статорный цилиндр, внут- ри которого с помощью распорных плоских и длин- ных пружинных защелок Ф (см. рис. 8.3) установ- лены и жестко зафиксированы шесть постоянных магнитов. Вынимать ферритовые магниты из ста- торного цилиндра без надобности не следует, так как их обратная установка — достаточно сложная процедура. Если при осмотре статора обнаружит- ся, что один или два ферритовых магнита имеют трещины, но при этом жестко сидят на своих мес- тах, заменять их не следует, так как магниты со- храняют свою работоспособность и в таком состо- янии. В этом случае ферритовые магниты следует пропитать клеем БФ. Если ферриты расколоты на- столько, что высыпаются из креплений, то все шесть ферритовых магнитов необходимо вынуть из статорного цилиндра, предварительно пометив их расположение и полярность краской. Рассыпав- шиеся ферриты необходимо заменить целыми, взятыми от другого такого же стартера. Если такой возможности нет, можно попытаться склеить рас- колотый феррит эпоксидным клеем. Обратная установка ферритовых магнитов в ста- торный цилиндр требует особой осторожности. Нель- зя допускать путаницы с полярностью и расположе- нием магнитов. Если один или несколько магнитов заменены новыми, то их полярность при установке должна соответствовать полярности системы. Магни- ты устанавливают в статорный цилиндр с чередова- нием полюсов, при этом образуется круговой шести- полюсный постоянный магнит N-S-N-S-N-S. Некоторые фирмы, изготовляющие ферритовые магниты для электростартеров, помечают полярность краской или знаками (+), (-), обычно синий цвет и (+) — это север- ный полюс. Если меток на ферритовом магните нет, то его полярность можно определить по притягива- нию разноименных полюсов N-S. • Установка ферритов — достаточно сложная процедура. В заводских условиях ферритовые магни- ты предварительно подсобираются в специальной разборной оправке, которая затем вместе с магни- тами вставляется в статорный цилиндр. При ремонт- ной сборке «вручную» последовательность действий может быть следующей: между магнитами поочеред- но вдвигаются распорные пружины. При этом каж- дая пружина защелкивается на фиксирующем высту- пе внутренней поверхности статорного цилиндра. Если среди шести устанавливаемых ферритов есть склеенные, их должно быть не более двух. Уста- навливать склеенные магниты лучше в позициях до- полнительных полюсов (N1 и S3 на рис. 8.3). Последний пружинный фиксатор следует вставлять на место с особой осторожностью, т.к. при большом усилии его можно согнуть, а деформированный фик- сатор к дальнейшему использованию не пригоден. После фиксации последней пружины качество сборки проверяется осмотром. • Теперь о ремонте якорного узла. Ремонтные операции на якоре традиционные. Ес- ли имеется заметный износ коллекторных ламелей, то коллектор необходимо проточить на токарном станке. Здесь надо иметь в виду, что толщина новой медной ламельной пластины 1,2 мм. Обтачивать кол- лектор можно на глубину не более 0,3 мм. После про- точки коллектор необходимо отполировать тонкой шкуркой, промыть и тщательно продуть воздухом. При выработке подшипниковых торцов якорного вала их можно обработать на токарном станке, но не резцом, а вращающимся шлифовальным камнем. В 76
Электростартер современного легкового автомобиля таком случае втулки подшипников скольжения необ- ходимо изготови.ъ из бронзы или латуни под новые размеры торцов вала. Отверстия втулок после свер- ления необходимо пройти разверткой. Однако чаще достаточно заменить втулки без об- работки вала. Втулки поставляются в продажу как запчасти. Две подшипниковые втулки в крышках стартера легко выпрессовываются из своих посадоч- ных мест оправкой. Втулка, запрессованная в торец водила, может быть расколота тонким зубильцем или извлечена резьбовой вверткой. После установки но- вых втулок необходимо убедиться, что они не прово- рачиваются, в противном случае их необходимо по- садить на эпоксидный клей. Подкернивать втулки не рекомендуется, т.к. медно-графитовый материал (из которого изготавливаются втулки) легко колется. Щетки КЩМ, как правило, требуют замены. Ще- точный узел лучше приобрести новый, так как его ка- чественный ремонт связан с необходимостью прове- дения точечных электросварочных работ. Однако в крайнем случае провода щеток можно припаять к то- ководам с помощью мощного электропаяльника. Щетки можно взять от отечественных электростар- теров, подогнав их по форме надфилем, а по разме- ру —наждачной бумагой на притирочной плите. Муфта свободного хода (МСХ) — деталь, которая при выходе из строя ремонту не подлежит. Если она неисправна, ее необходимо заменить. Проверить ра- ботоспособность МСХ можно так: зажмите МСХ в ти- сках через медные или алюминиевые прокладки за зубцы шестерни и попытайтесь вручную через наж- дачную бумагу, покачивая, провернуть муфту в об- ратном направлении. Если муфта исправна, то про- вернуть ее не удастся. • Токовый медный жгут 3 (рис. 8.2) стартера из- готовлен из очень тонких проволочек. Окисляясь, они рвутся внутри жгута, и весь электропровод мо- жет выйти из строя. Новый жгут можно изготовить из оголенных медных проводов и пропаять по месту вместо старого. Блок-схема системы пуска ДВС: АКБ — аккумуляторная батарея; ВЗ — ключ зажигания; PC — реле стартера; ТР — тяговое реле; ЭДВ — электро- двигатель стартера; Р1 — планетарный редуктор; Р2 — ос- новной понижающий редуктор; МСХ — муфта свободного хода; ДВС — двигатель внутреннего сгорания. • Уже отмечалось, что пусковое тяговое реле (ПТР) неразборное. Однако, если обмотки соленои- да 8 не нарушены, а при срабатывании тягового ре- ле 6 электрическое соединение в токовом контакто- ре 5 отсутствует, такую неисправность можно устра- нить, развернув на 180° токовые клеммы контакто- ра. Для этого с клемм отворачивают гайки и фикси- рующие шайбы, тогда клеммы можно будет протолк- нуть во внутрь и развернуть. • После завершения ремонтных работ на отдель- ных узлах стартер надо собрать в обратной последо- вательности по отношению к разборке. Стартер, отремонтированный с соблюдением опи- санной технологии, может надежно работать не ме- нее 80...100 тыс. км пробега. • В заключение приведены основные параметры стартера B0SCH-DW:12/l.l в сравнении с парамет- рами классического стартера B0SCH-EF:12/0.95 (см. табл. 8.1). Таблица 8.1 № _ BOSCH- BOSCH- 101 Параметры DW:12,'1.1 EF:12 0.95 1 Допустимое изменения рабочего напряжения, В б.. 15 8.. 15 L Мощность Рс номинальная, кВт 1.1 0,95 3 Ток потребления на холостом ходу, не более, А 70 50 4 Частота вращения якоря на холостом хо- ду, об/мин 2800 7200 5 Ток потребления при заторможенном якоре, А 450..550 500...600 н 7 Напряжение на клеммах заторможенного стартера, В 3,2 7,5 Крутящий момент на заторможенном якоря (тормозной момент Мст), Н - м 12 13,2 к Минимальное напряжение срабатывания тягового реле, В 6 8 9 Максимальный КПД 0,72 0.58 10 Передаточное число ЭДВ/ДВС для различных моделей ДВС 69; 74; 73 16; 17; 16 11 Вес стартере в сборе, кг 3.5 3.9 1 12 Вес стартерного электродвигателя, кг 1.6 22 13 Приведенный вес стартера, кг/кВт 3,18 4,1 14 Приведенный вес стартерного электродвигателя, кг/кВт 1,45 “ 1 И последнее. Электростартер входит составной частью в систему пуска автомобильного двигателя внутреннего сгорания, которая включает в себя так- же аккумуляторную батарею и стартерные электро- цепи (рис. 8.8). Надежность работы системы пуска во многом оп- ределяет эксплуатационную надежность автомобиля в целом. Система пуска, оборудованная вышеопи- санным электростартером нового поколения и совре- менной необслуживаемой аккумуляторной батареей, делает современный легковой автомобиль комфор- табельным и безотказным при запуске ДВС. 77
= Глава девятая...................................... = СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ На легковых автомобилях, оборудованных бензиновым двигателем внутреннего сгорания, при- меняются различные системы электроискрового зажигания: контактные, контактно-транзис- торные, бесконтактно-транзисторные, электронно-цифровые, микропроцессорные. Общие сведения о системах зажигания рассмотрены в главе 1. В данной главе описываются систе- мы зажигания, которые наиболее широко используются на двигателях современных легковых автомобилей. 9.1. Транзисторные системы зажигания Транзисторные системы зажигания принято под- разделять на две группы: контактно-транзисторные (КТСЗ) и бесконтактно-транзисторные (БТСЗ). В контактно-транзисторной системе зажигания контактная пара прерывателя в первичной цепи ка- тушки зажигания отсутствует и заменена транзис- торным ключом. Но сам транзисторный ключ управ- ляется по базе контактной парой механического пре- рывателя прежней конструкции (см. рис. 1.8, а). Это позволило уменьшить ток разрыва в контактной па- ре и за счет усиления в транзисторе увеличить ток разрыва в индуктивном накопителе (в первичной об- мотке катушки зажигания) При этом коэффициент запаса по вторичному (выходному) напряжению уве- личился. Эксплуатационная надежность системы за- жигания стала несколько выше. Наряду с контактно- транзисторными системами зажигания были разра- ботаны также и контактно-тиристорные системы с емкостным накопителем (см. рис. 1.8, в), которые не нашли широкого практического применения. Бесконтактно-транзисторная система зажига- ния (БТСЗ) — это первая система с чисто электрон- ным устройством управления первичным током ка- тушки зажигания и с бесконтактным электроим- пульсным датчиком момента зажигания, который, как и контактная пара в классическом прерывате- ле-распределителе, расположен на подвижной пло- щадке приводного валика механического высоко- вольтного распределителя (см. рис. 1.8, б). Поло- жение подвижной площадки относительно оси при- водного валика (угол разворота) может регулиро- ваться аппаратами опережения зажигания (цент- робежным и вакуумным). Подвижная площадка и установленный на ней активатор бесконтактного датчика представляют собой, электромеханическое устройство управления моментом зажигания. Та- кое устройство управления в совокупности с высо- ковольтным распределителем образуют так назы- ваемый датчик-распределитель. Электронное устройство управления первичным током в БТСЗ конструктивно выполнено в виде от- дельного блока, который называется коммутатором. По выходу коммутатор соединен с катушкой зажига- ния, а по входу— управляется электроимпульсным входным датчиком на распределителе. Таким образом, бесконтактно-транзисторная сис- тема зажигания (рис. 9 1) — это совокупность элек- тронного коммутатора К, датчика-распределителя РР. катушки зажигания КЗ и традиционной выходной исполнительной периферии: высоковольтных прово- дов ВВП и свечей зажигания 1...4. • Бесконтактно-транзисторные системы зажига- ния (БТСЗ) стали устанавливаться на легковых авто- мобилях в конце 60-х годов и с тех пор постоянно со- вершенствовались. В качестве бесконтактных входных датчиков с ме- ханическим приводом от распредвала ДВС были ис- пытаны магнитоэлектрические, индукционные, элект- ромагнитные генераторные, параметрические, опто- электронные и прочие преобразователи механичес- кого вращения в электрический сигнал (рис. 9.2). Бесконтактный датчик выполняет в системе зажига- ния следующие функции: задает установочный угол* опережения зажигания: управляет моментом зажи- * Установочным называется угол опережения зажигания на пре- дельно низких (холостых) оборотах двигателя, когда центробеж- ный и вакуумный регуляторы еще не работают, Называется также начальным углом зажигвния. 78
Современные автомобильные системы зажигания гания при изменении частоты вращения и нагрузки двигателя; определяет твктность работы ДВС. По со- вокупности перечисленных функций бесконтактный датчик выдает на вход коммутатора сигнал S, фикси- рующий оптимальную величину текущего значения угла опережения зажигания для различных режимов работы двигателя. Вначале, как более простой и достаточно надеж- ный, широкое практическое применение получил магнитоэлектрический датчик. Но с разработкой ак- тиватора на эффекте Холла последний стал основ- ным элементом для всех последующих бесконтакт- ных датчиков электронных систем зажигания. • Не менее значительной модернизации подвер- гались электронные коммутаторы БТСЗ. От тиристор- ных коммутаторов быстро отказались, так как систе- ма зажигания с емкостным накопителем выдает на свечи очень короткий импульс высокого напряжения (не более 250...300 мкс), что неприемлемо для боль- шинства современных бензиновых автомобильных двигателей. Первые простейшие транзисторные коммутаторы работали без ограничения амплитуды первичного то- ка, т.е. в режиме постоянной скважности импульсов зарядного тока для индуктивного накопителя (отече- ственный коммутатор 13.3734). В системах зажигания с такими коммутаторами амплитуда высоковольтного импульса на вторичной обмотке катушки зажигания, как и в контактной сис- теме, зависит от частоты вращения двигателя, а так- же от напряжения в бортсети автомобиля. На смену коммутаторам с постоянной скважно- стью (КПС) пришли коммутаторы с нормируемой скважностью (КНС), в которых ток заряда индуктив- ного накопителя поддерживается в заданных преде- лах ограничения путем управляемого насыщения вы- ходного транзистора. Это защищает выходной тран- зистор коммутатора от перегрузки по току, а также стабилизирует амплитуду тока заряда при изменении Рис. 9.2. Разновидности бесконтактных входных датчиков для БТСЗ: а — контактный датчик (контактная пара) прерывателя-распределителя батарейной, контактно-транзисторной и контактно- тиристорной систем зажигания. Формирует момент зажигания размыканием контактов (кулачком К). Недостатки — неста- бильность сигнала, малая наработка на отказ; б — магнитоэлектрический датчик частоты вращения ДВС. Работает по принципу генерирования одиночного импульса в мо- мент замыкания магнитного потока Ф ферромагнитным ротором R через магнитопровод обмотки W датчика. Недостатки — невозможность получения стабильного сигнала на низких оборотах ротора; в — феррорезистивный датчик Работает по принципу изменения электрического сопротивления в феррорезисторе В при изменении магнитного потока Ф от постоянного магнита. Недостатки — зависимость сигнала от температуры; г — датчик Холла. Наиболее распространенный датчик частоты вращения ДВС в современных ЭСЗ. Работает по принципу прерывания магнитного потока Ф от постоянного магнита NS ферромагнитным аттенюатором А. Недостатки — сложная тех- нология изготовления. Преимущества — стабильность параметров сигнала при любой частоте вращения ДВС; д — электрогенераторный датчик частоты вращения ДВС. Работает по принципу прерывания электромагнитного высокочастот- ного поля металлическим экраном Э. Недостатки — сложность схемы. Преимущества — цифровой счет скорости вращения ДВС; е — фотоэлектрический датчик частоты вращения ДВС. Работает по принципу прерывания светового потока С оптическим атте- нюатором В. Недостатки — возможность загрязнения и перегорания лампы L (низкая надежность). Преимущество — простота; ж — оптоэлектронный датчик. Работает по принципу прерывания светового потока С между элементами оптопары (свето- вой диод и фототранзистор). Недостатки — загрязнение оптического канала. Преимущества — возможность применения ча- стотной модуляции светового потока; и — генераторный датчик с частотной модуляцией. Работает по принципу срыва автоколебаний генератора. Недостатки — сложность. Преимущества — независимость амплитуды сигнала от частоты вращения ротора 4. 79
Глава 9 напряжения в бортсети. Выходное напряжение 112 при этом также стабилизируется. Но ограничение тока мощного транзистора насы- щением приводит к значительному выделению тепло- вой энергии на коллекторно-эмиттерном переходе и, как следствие, к низкой функциональной надежно- сти системы зажигания в целом. Исключить этот недостаток в коммутаторах с нор- мируемой скважностью можно введением в схему электронного регулятора времени накопления энер- гии (времени протекания тока заряда через индуктив- ный накопитель). Так появились коммутаторы с про- граммным регулятором времени накопления (комму- татор 36.3734), а вслед за ними и более совершен- ные коммутаторы с адаптивным регулированием (коммутатор 3620.3734). Последние, помимо основ- ной функции регулирования времени, обеспечивают более высокую точность поддержания параметров то- ка заряда при воздействии на систему зажигания различных дестабилизирующих факторов (неустойчи- вая работа двигателя, окружающая среда, старение и уход номиналов радиоэлементов и пр.). • Электронные коммутаторы БТСЗ исключительно разнообразны не только по схемотехническому, но и по технологическому исполнению. Электронные схе- мы коммутаторов, первоначально аналоговые и на дискретных радиоэлементах, были вытеснены интег- ральными микросхемами с цифровым принципом дей- ствия. Стали появляться коммутаторы на так называ- емых заказных (специально разработанных для АСЗ) больших интегральных и монокристальных схемах. Известно более 30-ти разновидностей бескон- тактных систем зажигания с электронными коммута- торами, серийно выпускаемых за рубежом. Из отече- ственных транзисторных коммутаторов наиболее распространены одноканальные 36.3734 и 3620.3734, а также двухканальный 6420.3734 [2]. • В качестве примера схемной реализации бес- контактно-транзисторной системы зажигания рас- смотрим один из вариантов ее принципиальной элек- трической схемы (рис. 9.3). Рис. 9.3. Принципиальная электрическая схема бесконтактно- транзисторной системы зажигания Выходной каскад ВК, помимо традиционной ка- тушки зажигания и транзисторного ключа VT3, содер- жит ряд дополнительных элементов. VD1 — диод для защиты транзисторного ключа VT3 от обратного про- хождения тока (от инверсного включения) во время емкостной фазы разряда, когда имеет место обрат- ная полуволна напряжения в первичной обмотке ка- тушки зажигания (инверсное включение VT3 образу- ется и при случайном обратном включении аккумуля- торной батареи). VD2 — стабилизирующий диод для ограничения величины падения напряжения на участ- ке эмиттер-коллектор закрытого (разомкнутого) тран- зистора VT3 (защита от перенапряжения). Конденса- тор С1 с первичной обмоткой катушки зажигания об- разует последовательный колебательный контур удар- ного возбуждения, что увеличивает скорость нараста- ния выходного напряжения системы зажигания. Ре- зистор R3 ограничивает ток разряда конденсатора С1 через открытый (замкнутый) ключ VT3. Для того чтобы ключ VT3 работал стабильно, т.е. при включе- нии и выключении обеспечивал крутые фронты и по- стоянство амплитуды импульса первичного тока в ка- тушке зажигания, управляющий (базовый) импульс тока транзистора VT3 должен быть с крутыми фронта- ми и достаточно большим по амплитуде для глубокого насыщения транзистора. На формирование управ- ляющего импульса тока работает предварительный усилитель-ограничитель на транзисторе VT1 и стаби- лизирующий транзистор обратной связи VT2. Перечисленные элементы составляют электричес- кую схему коммутатора ТСЗ. • Датчик-распределитель содержит механическое устройство управления моментом зажигания, в кото- рое входят магнитная система М датчика Холла с ин- дукцией поля В, активатор ЭХ датчика Холла, усилитель- ограничитель Y0, триггер Шмитта ТШ, разделительный транзистор VT и стабилизатор напряжения СТ. В датчик-распределитель входят также центробеж- ный (ЦБР) и вакуумный (ВР) регуляторы, магнитный аттенюатор А датчика Холла и собственно сам ротаци- онный высоковольтный распределитель РР. Следует отметить, что электронный коммутатор в БТСЗ явля- ется лишь формирователем формы импульса тока в первичной обмотке катушки зажигания, а значит, и скорости нарастания вторичного напряжения 112, но к формированию момента зажигания коммутатор пря- мого отношения не имеет. Момент зажигания в БСЗ, как и в контактных системах, формируется электро- механическим устройством управления — бескон- тактным датчиком на распределителе. Это обстоя- тельство является принципиальным недостатком всех бесконтактно-электронных систем зажигания. Второй недостаток — наличие в системе ротационного вы- соковольтного распределителя. Дальнейшее совер- шенствование автомобильных систем зажигания шло по пути устранения этих недостатков. 80
Современные автомобильные системы зажигания 9.2. Электронные и микропроцессорные системы зажигания Рассмотренные выше системы зажигания (КТСЗ, БТСЗ) в настоящее время имеют ограниченное при- менение, а на импортных легковых автомобилях вы- сокого потребительского класса, начиная с середины 90-х годов, вообще не используются. Им на смену пришли системы зажигания четвертого поколения — это системы с электронно-вычислительными устрой- ствами управления и без высоковольтного распреде- лителя энергии по свечам в выходном каскаде. Та- кие системы принято подразделять на электронно- вычислительные или просто на электронные (ЭСЗ) и микропроцессорные (МСЗ). Электронные и микро- процессорные системы зажигания имеют три прин- ципиальных отличия от предшествующих систем: 1. Их устройства управления (YV) являются элек- тронно-вычислительными блоками дискретного прин- ципа действия, выполнены с применением микроэле- ктронной технологии (на универсальных или на боль- ших интегральных микросхемах) и предназначены для автоматического управления моментом зажига- ния. Эти устройства называются контроллерами. 2. Применение микроэлектронной технологии, помимо получения преимуществ по надежности, позволяет значительно расширить функции элек- тронного управления. Стало возможным внедрение в автомобильную систему зажигания бортовой са- модиагностики и принципов схемотехнического ре- зервирования. 3. Выходные каскады этих систем в подавляю- щем большинстве случаев многоканальные и, как следствие, не содержат высоковольтного распреде- лителя зажигания. • Электронные и микропроцессорные системы зажигания отличаются друг от друга способами фор- мирования основного сигнала зажигания, т.е. того сигнала, который от ЭБУ подается на спусковое уст- ройство накопителя. В ЭСЗ основной сигнал зажигания формируется с применением время-импульсного способа преобразо- вания информации от входных датчиков. Это когда контролируемый процесс задается временем его про- текания, с последующим преобразованием времени в длительность электрического импульса. Таким обра- зом, в ЭСЗ контроллер содержит электронный хроно- метр и управляется аналоговыми сигналами. Компо- нентный состав современной ЭСЗ показан на рис. 9.4. В МСЗ, структурная схема которой показана на рис. 9.5, для формирования сигнала зажигания приме- няется число-импульсное преобразование, при котором параметр процесса задается не временем протекания, а непосредственно числом электрических импульсов. Функции электронного вычислителя здесь выполня- ет число-импульсный микропроцессор, который работа- ет от электрических импульсов, стабилизированных по амплитуде и длительности (от цифровых сигналов). По- этому между микропроцессором и входными датчиками в ЭБУ МСЗ устанавливаются число-импульсные преоб- разователи аналоговых сигналов в цифровые (ЧИПЫ). В отличие от электронной, микропроцессорная си- стема зажигания работает по заранее заданной для данного двигателя внутреннего сгорания программе управления. Поэтому в вычислителе микропроцессор- ной системы зажигания имеется электронная память (постоянная и оперативная). • Программа управления для конкретной конструк- ции двигателя определяется экспериментально, в про- цессе его разработки. На испытательном стенде ими- тируются все возможные режимы двигателя при все> Рис. 9.4. Компоненты современной ЭСЗ: а — выходные электрические схемы; б — электронные бло- ки: в — входные устройства (датчики); Р, М', М" — сигналы от датчиков дроссельной заслонки; к, D, Т — сигналы от датчиков кислорода, детонации и температуры двигателя (соответственно); о, Р в — сигналы от датчика Холла. 81
Глава 9 возможных условиях его работы. Для каждой экспери- ментальной точки подбирается и регистрируется опти- мальный угол опережения зажигания. Получается на- бор многочисленных значений угла для момента зажи- гания, каждое из которых отвечает строго определен- ной совокупности сигналов от входных датчиков. Гра- фическое изображение такого множества представля- ет собой трехмерную характеристику зажигания, кото- рая в виде матрицы показана на рис. 9.6. Координаты трехмерной характеристики “зашиваются" в постоян- ную память микропроцессора и в дальнейшем служат опорной информацией для определения угла опереже- ния зажигания в реальных условиях эксплуатации дви- гателя на автомобиле. Изменение опорного (взятого из памяти) угла 6 опережения зажигания осуществля- ется автоматически. Увеличение угла 6 происходит при повышении оборотов, при уменьшении нагрузки и при понижении температуры ДВС. Уменьшение угла 6 име- ет место при увеличении нагрузки, при падении оборо- тов и при повышении температуры ДВС. Если в МСЗ помимо основных датчиков используют- ся дополнительные (например, датчик детонации в ци- линдрах ДВС), то в микропроцессоре осуществляется коррекция опорного значения угла опережения зажига- ния по сигналам этих датчиков. При этом корректиров- ка производится по каждому цилиндру в отдельности. • Электронные блоки управления для ЭСЗ и МСЗ, помимо функциональных и схемотехнических, имеют и принципиальные конструктивные различия. В ЭСЗ блок управления является самостоятель- ным конструктивным узлом и называется контролле- ром (рис. 9.7). На входы контроллера подаются сиг- налы от входных датчиков системы зажигания, а по выходу — контроллер работает на электронный ком- мутатор выходного каскада (см. рис. 9.4). Все элек- тронные схемы контроллера низкоуровневые (потен- циальные), что позволяет включать их в состав дру- гих бортовых электронных блоков управления (напри- мер, в ЭБУ системы впрыска топлива). В МСЗ все функции управления интегрированы в центральный бортовой компьютер автомобиля и пер- сональный блок управления для системы зажигания может отсутствовать. Функции входных датчиков МСЗ выполняют универсальные датчики комплексной системы автоматического управления двигателем. Основной сигнал зажигвния подается на электронный коммутатор выходного каскада МСЗ непосредствен- но от центрального бортового компьютера. 82
Вовр' > гт^е автомобмлыилс стстеж а ажлra^Ti • Несмотря на значительные различия электронных и микропроцессорных систем зажигания, по устройст- вам управления выходные каскады этих систем имеют идентичное схемотехническое и конструктивное испол- нение, при котором каждая свеча зажигания на много- цилиндровом ДВС получает энергию для новообразо- вания по отдельному каналу. Такое распределение на- зывается статическим или многоканальным. Что это дает автомобильной системе зажигания? Надо вспомнить, что кроме обычных недостатков механического переключателя (низкая надежность и малая наработка на отказ вращающихся и трущихся частей) классический распределитель зажигания имеет и тот, что в нем реализуется коммутация высо- ковольтной энергии через электрическую искру. Это, помимо дополнительных потерь энергии, приводит к неравномерному выгоранию контактов в изоляцион- Рис. 9.7. Внешний вид контроллера электронной системы зажигания ной крышке распределителя и, как следствие, к явле- нию разброса искр по цилиндрам и к низкой функци- ональной надежности системы зажигания. Разброс искр между выводами даже исправного механичес- кого распределителя может достигать 2...3 угловых градусов по повороту коленвала ДВС. Ясно, что в электронных и особенно в микропро- цессорных системах зажигания, высоконадежных и высокоточных в функциональном отношении, форми рование момента зажигания в которых реализуется с точностью 0,3...0,5° для каждого цилиндра в отдель- ности, применение высоковольтного механического распределителя совершенно недопустимо. Здесь при- емлемы электронные способы переключения каналов на низкопотенциальном уровне непосредственно в электронном блоке управления с дальнейшим стати- ческим разделением каналов по высокому напряже- нию на многовыводных или индивидуальных катушках зажигания. Это неизбежно приводит к многоканаль- ности выходного каскада системы зажигания. 9.3. Выходные каскады с многовыводныым катушками зажигания Реализация многоканального распределения энергии может быть осуществлена в системах зажи- гания несколькими способами. Наиболее простой из них — применение двухвыводного высоковольтного выходного трансформатора или двухвыводной ка- тушки зажигания в выходном каскаде. Такой способ разделения каналов приемлем для реализации в сис- теме зажигания с любым типом накопителя. Откуда пришла такая идея? Известно, что в систе- ме зажигания, на зыходе которой установлен аысоко- вольтный распределитель, во время разряда накопи- теля имеют место две искры: одна основная (рабочая) в свече зажигания и другая вспомогательная — меж- ду бегунком распределителя и контактом одного из его свечных выводов. Вторичная обмотка выходного трансформатора (катушки зажигания) высоковольт- Направление потока электронов Рис. 9.8. Соедииения свечей зажигания с двухвыводной катушкой 83
Глаь<> 9 ным выводом соединена с центральным бегунком рас- пределителя, а другой вывод обмотки является нуле- вым, так как во время разряда накопителя соединяет- ся с "массой" автомобиля (см. рис. 9.3). Энергия вспо- могательной искры в распределителе тратится беспо- лезно, и эту искру стремятся всячески подавить. Отсю- да ясно, что вспомогательную искру из-под крышки распределителя можно перенести во вторую свечу за- жигания, соединив ее с первой через “массу" головки блока цилиндров последовательно. Для этого достаточ- но исключить распределитель из выходного каскада, отсоединить от “массы" автомобиля заземляемый вы- вод катушки зажигания и подключить к нему вторую электроискровую свечу (рис. 9.8). При одновременном искрообразоаании в двух све- чах зажигания одна искра является высоковольтной (12...20 кВ) и воспламеняет топлиаовоздушную смесь в конце такта сжатия (рабочая искра). При этом другая искра низковольтная (5...7 кВ), холостая. Явление пе- рераспределения высокого напряжения от общей вто- ричной обмотки между искровыми промежутками в двух свечах зажигания есть следствие глубоких разли- чий условий, при которых происходит искрооборазова- ние. В конце такта сжатия незадолго до появления ра- бочей искры температура топливовоздушного заряда еще недостаточно высокая (2ОО...ЗОО°С), а давление, наоборот — значительное (10...12 атм). В таких усло- виях пробивное напряжение между электродами све- чи — максимально. В конце такта выпуска, когда име- ет место искрообразование в среде отработавших га- зов, пробивное напряжение минимально, так как тем- пература выхлопных газов высокая (8ОО...1ООО°С), а давление низкое (2...3 атм). Таким образом, при стати- ческом распределении высокого напряжения с помо- рие. 9.9. Система зажигания для 4-х тактного двухцилиндрового ДВС: 1 — АКБ; 2 — ключ зажигания; 3 — двухвыводная катушка; 4 — механический прерыватель; 5 — свечи; R — дополни- тельный резистор; S — электромеханические контакты пре- рывателя; С — конденсатор. Рис. 9.10. Диагоамма последовательности искрообразования щью двухвыводной катушки зажигания (на двух после- довательно соединенных свечах — одновременно) поч- ти вся энергия высоковольтного электроискрового раз- ряда приходится на рабочую искру. • Впервые двухвыводная катушка была примене- на в контактной батарейной системе зажигания для двухцилиндрового 4-х тактного двигателя. Примером может служить система зажигания для двигателя польского автомобиля ФИАТ-126Р (рис. 9.9). Анало- гичная по принципу действия система зажигания ус- тановлена на отечественном автомобиле ОКА (с электронным управлением). Если в ДВС четыре цилиндра, потребуются две двухвыводные катушки зажигания и два раздельных энергетических канала коммутации в выходном кас- каде (см. рис. 9.5). На рис. 9.10 приведена диаграм- ма последовательности искрообразования в цилинд- рах 4-х цилиндрового четырехтактного двигателя, ос- нащенного системой зажигания с двумя двухвывод- ными катушками зажигания. Для шестицилиндрового двигателя потребуются три двухаыводные катушки зажигания и три энергетических канала. • В настоящее время разработан ряд автомо- бильных систем зажигания, в которых две двухвы- водные катушки зажигания собираются на общем Ш-образном магнитопроводе и тем самым образует- ся одна 4-выводная катушка зажигания (например, для автомобиля ВАЗ-2110). Такая катушка имеет две первичные и две вторичные обмотки и управляется от двухканального коммутатора. Четырехвыводная катушка зажигания может иметь и одну вторичную двухвыводную обмотку при двух первичных. Вторич- ная обмотка такой катушки дооборудована четырьмя высоковольтными диодами — по два на каждый вы- соковольтный вывод (см. далее главу 11). • Недостатком любой системы зажигания с двух- выводными катушками является то, что в одной све- че искра развивается от центрального электрода к 84
Современные автомобильные системы зажигания массовому (боковому), а во второй свече — в обрат- ном направлении (см. рис. 9.8). Так как центральный электрод заострен и всегда значительно горячее бо- кового, то истечение носителей заряда с его острия при искрообразовании требует затраты меньшего количества энергии, чем при истечении с бокового электрода (на центральном электроде начинает про- являться термоэлектронная эмиссия). Это приводит к тому, что пробивное напряжение на свече, работаю- щей в прямом направлении, становится несколько ниже (на 1,5...2 кВ), чем на свече с обратным вклю- чением полярности. Для современных электронных и микропроцессорных систем зажигания с большим коэффициентом запаса по вторичному напряжению и с управляемым временем накопления энергии это не имеет принципиального значения. 9.4. Выходные каскады с индивидуальным статическим распределением В современных электронных и микропроцессор- ных системах зажигания широко используются вы- ходные каскады с индивидуальными катушками за- жигания для каждой свечи в отдельности. Примером может служить система зажигания фирмы BOSCH, интегрированная в электронную систему автоматиче- ского управления (ЭСАУ) двигателем, которая извест- на под названием Motronic. На рис. 9.11 показана функциональная схема ЭСАУ Motronic М-3,2, которая устанавлиаается на че- тырехцилиндровых двигателях автомобилей AUDI-A4 (выпуск после 1995 года). В контроллере J220 имеется микропроцессор с блоком памяти, в котором хранится трехмерная ха- рактеристика зажигания (см. рис. 9.6). По этой ха- рактеристике, а также по сигналам датчика ДО G-28 (датчик частоты вращения двигателя) и датчика ДН G-69 (датчик нагрузки двигателя) устанавливается начальный угол 6 = F(n) опережения зажигания. Да- лее по сигналам датчиков ДХ G-40, ДТ G-62 и ДД G-66 в цифровом микропроцессоре производится вычис- ление текущего (необходимого для данного режима работы ДВС) значения угла опережения зажигания, который с помощью электронной схемы переключе- ния каналов подается в виде основного импульса S зажигания в соответствующий канал электронного коммутатора К-122. К этому времени в этом канале индуктивный накопитель N находится в заряженном (от бортсети +12 В) состоянии и по сигналу S разря- жается на соответствующую свечу зажигания. Через 180° поворота коленвала описанные процессы будут иметь место в следующем (по порядку работы двига- теля) канале коммутатора. Основные преимущества системы зажигания, ин- тегрированной в ЭСАУ Motronic, состоят в следующем: — индивидуальное статическое распределение высокого напряжения по свечам зажигания; — катушки зажигания с заземленной вторичной обмоткой: — все входные датчики (датчик Холла, датчик ча- стоты вращения ДВС, датчик температуры ДВС, дат- чики дроссельной заслонки, датчик детонации) — это формирователи электрических сигналов из неэлект- рических воздействий бесконтактного принципа дей- ствия. Аналоговые сигналы от этих датчиков преоб- разуются в контроллере в цифровые сигналы; — селективная коррекция угла опережения зажи- гания по детонации (в каждом цилиндре в отдельности); — отключение цилиндров ДВС при перебоях в ис- крообразовании (защита дорогостоящих компонен- Рис. 9.11. Функциональная схема ЭСАУ Motronic М-3.2: ДН — датчик нагрузки ДВС (дроссельный потенциометр): ДХ — датчик угла опережения зажигания (датчик Холла); ДО — дат- чик частоты вращения (магнитоэлектрический датчик на ко- ленвалу); ДТ — датчик температуры двигателя (термистор); ДД — датчик детонации (пьезоэлектрический); S — сигнал за- жигания, поочередно подаваемый на входы коммутато- ра: А, В — контакты соединительного разъема; VI — силовые транзисторы коммутатора; N — индуктивные накопители; ТЗ —- трансформаторы зажигания; СВ — свечи зажигания. 85
Глава 9 тов — кислородного датчика и каталитического газонейтрвлизатора экологической системы автомо- биля от повреждений); — наличие в контроллере функций самодиагнос- тики и резервирования. 9.5. Выходной каскад с управляемым трансформатором зажигания Известны попытки применить в многоканальном выходном каскаде автомобильной системы зажигания высоковольтный трансформатор с насыщающимися сердечниками. Если магнитопровод трансформатора ввести в ре- жим насыщения, то его коэффициент трансформа- ции резко падает и энергия из первичной обмотки во вторичную не трансформируется. Электрическая схема выходного каскада с транс- форматором насыщения показана на рис. 9.12. Вы- ходной трансформатор имеет два магнитопрово- да — Мх и М2, охваченных общей первичной обмот- кой Wx. Каждый магнитопровод оснащен отдельной обмоткой управления (WB' и WB") и отдельной двухвы- водной вторичной обмоткой (W2’ и W2"). Когда по управляющей обмотке М/в' протекает ток, достаточный для насыщения сердечника Mi, а обмотка WB" обесточена, то высокое напряжение бу- дет наводиться только во вторичной обмотке W2". Ес- ли обесточить управляющую обмотку М/в’ и пропус- тить ток насыщения по обмотке WB", то насытится сердечник М2 и высокое напряжение будет транс- формировано только в обмотку W2'. Система зажигания с трансформатором насы- щения обладает высокой надежностью, малыми га- баритами и весом, но ее промышленный выпуск пока не реализован из-за значительных техничес- ких трудностей изготовления (для трансформатора насыщения требуются тороидальные сердечники из высококачественного пермалоя. Намотка мно- говитковых обмоток на такие сердечники крайне затруднена). 9.6. Высоковольтные провода В системах зажиганиях с высоковольтным механиче- ским распределителем длина высоковольтных проводов всегда значительна (20...60 см). И так как по проводам в момент электроискрового разряда в свечах протекает высокочастотный ток высокого напряжения, то длин- ные проводе излучают радиопомехи. Источниками ра- диопомех являются также свечи зажигания и распреде- литель. Есть три способа подавления радиопомех от АСЗ: экранизация высоковольтных проводов, свечей, катушки зажигания и высоковольтного распределителя; введение в центральный токовод высоковольтного про- вода распределенной индуктивности и распределенного сопротивления; установка помехоподавительного резис- тора непосредственно в изолятор свечи зажигания. Экранизация требует увеличения запаса по вто- ричному напряжению и делвет выходной каскад АСЗ громоздким. Высоковольтный провод с распределен- ными параметрами имеет недостаточно высокую конструктивную надежность, сложную технологию изготовления и высокую стоимость. В современных системах зажигания применяют све- чи с помехоподавительным резистором 4...10 кОм, а длину высоковольтных проводов стремятся свести к ми- нимуму. Последнее становится возможным благодаря применению индивидуальных катушек зажигания, уста- новленных непосредственно на свечах (см. рис. 9.11). Высоковольтные провода подразделяют на низко- омные (до 0,5 Ом/м — в устаревших конструкциях проводов) и высокоомные (1...10 кОм/м). Провода маркируются двумя способвми: цветом и текстовой надписью вдоль провода. Отечественные провода светлокоричневой или пест- рой расцветки—низкоомные. Провода красного или ро- зового цвета ПВВП-8 обладают распределенным сопро- тивлением 20001200 Ом/м; синего цвета ПВППВ40 — 25501250 Ом/м. На высоковольтных проводах импорт- ного производства электрические параметры чаще обо- значаются текстом вдоль провода. Содержание текста можно расшифровать по фирменному каталогу. Любой из трех указанных способов подавления радиопомех приводит к некоторому падению высоко- вольтного выходного напряжения системы зажига- ния, что иногда сказывается при пуске холодного двигателя в слякотную зимнюю погоду, когда прово- да покрываются тонким инеем. Чтобы устранить этот недостаток, в современных микропроцессорных сис- темах зажигания стали применять грязевлагозащиту высоковольтных проводов и свечей зажигания (ук- рытие проводов в изоляционную трубку или под пластмассовую крышку вместе со свечами). • В заключение следует отметить, что принципы построения электронных схем для электроискровых систем зажигания надолго останутся такими же, как и в современных микропроцессорных системах. 86
= Глава десятая ------- АВТОМОБИЛЬНЫЕ СВЕЧИ ЗАЖИГАНИЯ Электроискровая свеча является важнейшим компонентом любой современной автомобильной системы зажигания. От совершенства ее конструкции и правильного подбора в значительной степени зависит надежность работы двигателя внутреннего сгорания (АВС) с принудительным воспламенением топливовоздушной рабочей смеси. По принципу работы различают свечи с ис- кровым воздушным зазором, со скользящей искрой, полупроводниковые, эрозийные и комбини- рованные. При любом исполнении свеча зажигания является быстродействующим искровым за- палом топливовоздушной смеси в цилиндрах АВС. Наибольшее распространение на автомобиль- ных двигателях получили искровые свечи с воздушным зазором, что объясняется их высокой надежностью, простотой конструкции и технологичностью изготовления. Такие свечи рассматриваются в данной главе. 10.1. Особенности электроискрового разряда Для образования искры в свече зажигания с воз- душным зазором на ее электроды подается высокое напряжение, источником которого на современных легковых автомобилях является индуктивный нако- питель энергии — катушка зажигания. Как только разность потенциалов на электродах свечи достига- ет значения пробивного напряжения, между элект- родами происходит электроискровой разряд. Пробивное напряжение зависит от параметров самой свечи (материал и форма электродов, вели- чина воздушного зазора между электродами, по- лярность центрального электрода), от параметров, характеризующих условия воспламенения рабочей смеси в камере сгорания (давление в момент про- боя искрового промежутка, температура рабочей смеси и электродов, состав и скорость движения смеси в зоне искрового промежутка); пробивное напряжение зависит также от скорости нараста- ния напряжения на электродах свечи, т.е. от пара- метров выходного каскада системы зажигания. Величина пробивного напряжения воздушного промежутка в свече зажигания лежит в пределах 8 кВ < Unp < 12 кВ. Максимальное значение пробив- ного напряжения характерно для режимов пуска и разгона двигателя, минимальное — для работы на установившихся режимах. Для надежной и беспере- бойной работы системы зажигания максимальное напряжение U2max, развиваемое катушкой зажига- ния, должно превышать неооходимое пробивное на- пряжение 11пр на всех режимах работы двигателя с достаточным запасом: U2max = 1.5 11пр. Энергия, за- пасенная в индуктивном накопителе (в катушке за- жигания), выделяется между электродами свечи в виде электрической искры. Электроискровой разряд является источником тепла, а также сильной иониза- ции и протекает практически мгновенно. Температу- ре канала разряда (ионизированного искрового жгу- та) радиусом 0,2...0,6 мм превышает 1ОООО°К. Эле- ктроискровой разряд энергии, накопленной в катуш- ке зажигания, всегда распадается на две фазы: ем- костную и -'ндуктвную (рис. 10.1). После того как ток 1Х в первичной (накопитель- ной) обмотке катушки зажигания прерывается, на- чинает быстро исчезать магнитное поле, накоплен- ное вокруг первичной обмотки за время протекания по ней первичного тока. При этом напряжение 112 на вторичной обмотке, а значит, и на электродах свечи зажигания, возрастает. Когда напряжение 112 стано- вится равным пробивному (11пр), между электродами свечи происходит электроискровой разряд. В начале разряда будет иметь место емкостная фаза (участок а...6), а затем индуктивная (участок б...в). Емкостная фаза представляет собой разряд энер- гии, накопленной к моменту пробоя в электрических Изменение напряжения между электродами свечи зажи- гания во время электроискрового разряда: 1 — максимальное значение напряжения на вторичной об мотке катушки зажигания — U2max = 1-5 U„p; 2 — пробив- ное напряжение Unp, при котором возникает электрическая искра (масштаб U2tnex и Urp — уменьшен); 3 — напряжение ид электрической дуги тлеющего разряда при индуктивной фазе разряда; а...б — емкостная фаза разряда; б...в — ин- дуктивная фаза разряда. 87
Глава 10 полях системы зажигания. Эти поля образуются в со- средоточенной емкости первичной и распределенной емкости вторичной цепи выходного каскада системы зажигания. Поскольку искровой промежуток сильно ионизирован и его сопротивление мало, ток емкост- ной фазы может достигать нескольких десятков и да- же сотен ампер, однако длительность этой фазы не- значительна —1...3 мкс. Индуктивная фаза разряда следует сразу вслед за емкостной и представляет собой тлеющий разряд в догорающих газах той части энергии магнитного поля катушки зажигания, которая осталась в ней по- сле завершения емкостной фазы разряда. Продол- жительность индуктивной фазы значительно больше емкостной и достигает нескольких миллисекунд, но ток тлеющего разряда не превышает десятков мил- лиампер. Для систем зажигания с индуктивным на- копителем энергия емкостной фазы находится в пределах 5...15 мДж, а индуктивной фазы — 50...100 мДж. В нормально работающем двигателе рабочая смесь в камере сгорания воспламеняется во время емкостной фазы разряда, когда температура в ис- кровом промежутке свечи зажигания достигает мак- симальных значений (ЮООО’К и более). Однако ин- дуктивная фаза играет более значительную роль при догорании топливовоздушной смеси и особенно на низких оборотах и на переходных режимах работы двигателя. В таких условиях индуктивная фаза раз- ряда (длительность, энергия) оказывает более суще- ственное влияние, чем емкостная фаза, на выход- ные характеристики двигателя (мощность, эконо- мичность, токсичность). Однако емкостная фаза, яв- ляясь первичным “поджигателем” топливовоздуш- ной смеси, определяет устойчивость и эффектив- ность работы ДВС, а также является основным сред- ством стабильности и высокоточного управления мо- ментом зажигания в цилиндрах ДВС. Следует отметить, что емкостная фаза сопровож- дается высокочастотными колебаниями, которые яв- ляются источником радиопомех. 10 2. Устройство автомобильной свечи зажигания На рис. 10.2 представлена наиболее распрост- раненная конструкция автомобильной свечи зажи- гания, основными частями которой являются: кор- пус 7, изолятор 3 и электроды 10, 11. Корпус свечи имеет внешнюю резьбовую часть 9 и шестигранную головку 6 под свечной ключ. Опор- ная поверхность корпуса может быть плоской или конусной. В первом случае между головкой блока ци- линдров и свечой устанавливается уплотнительное кольцо 8, которое может быть как съемным, так и несъемным. Использование свечей зажигания с ко- нусной опорной поверхностью дает возможность по- Рис. 10.2. Электроискровая свеча зажигания: 1 — контактный колпачок; 2 — резьба под колпачок; 3 — керамический изолятор центрального электрода; 4 — фир- менная метка; 5 — ребро изолятора; 6 — гайка под свеч- ной ключ: 7 — корпус свечи: 8 — уплотнительное кольце 9 — резьба на корпусе и ее длина; 10 — центральный эле- ктрод; 11 — боковой (массовый) электрод; 12 — воздуш- ный зазор между центральным электродом и керамическим изолятором; 13 — тепловой конус (юбочка) керамического изолятора; 14 — полость для заполнения горючей смесью; 15, 16 — теплоотводящие и фиксирующие кольца; 17 — теплоотводящий и токопроводящий стеклогерметик; 18 — тело корпуса; 19 — центрирующее теплопроводное кольцо; 20 — ребристая часть центрального электрода (фиксатор); 21 — токопроводящая или резистивная часть контактной головки; 22 — воздушный зазор; 23 — контактная головка; 24 — тело головки блока (крышка цилиндра); красные ли- нии — направления потоков, отводящих тепло от конуса изолятора; 25 — зона первоначального воспламенения. 88
Автомобильные свечи зажигания лучить надежную герметизацию при меньшем уси- лии затяжки свечи и позволяет отказаться от уплот- нительного кольца. Такие свечи широко применяют- ся на американских автомобилях. Внутри корпуса располагается изолятор 3 — важ- нейший элемент свечи. Материал изолятора свечи должен обладать высокой механической и электриче- ской прочностью, высокой коррозийной стойкостью, большим объемным и поверхностным сопротивлени- ем, быть термостойким, не поглощать воду и иметь высокую удельную теплопроводность. Во многом от свойств материала изолятора зависят качество и ха- рактеристики свечи зажигания. В настоящее время изоляторы искровых свечей изготовляются в основ- ном из корундовой керамики с содержанием около 95% оксида алюминия А1203. В состав керамики так- же входят минеральные добавки в виде оксидов кремния, кальция, магния, кобальта и ниобия, кото- рые улучшают основные характеристики изолятора и придают керамике голубой цвет. Герметичность между изолятором и корпусом свечи осуществляется кольцевыми уплотнителями 15,16,19. Уплотнительные кольца 15 и 16 улучша- ют отвод тепла от изолятора через корпус к голо- вке блока цилиндров. Нижняя часть изолятора 3 является тепловым ко- нусом 13 (иногда называется юбочкой теплового ко- нуса). В некоторых типах свечей тепловой конус изо- лятора выступает за торец корпуса, что обеспечива- ет хороший доступ топливовоздушной смеси в искро- вой промежуток между электродами 10,11 и лучшее охлаждение нижней части изолятора во время вса- сывания холодной смеси. Внутри верхней части изо- лятора расположена контактная головка 23, а в ниж- ней части — центральный электрод. Герметизация центрального электрода и контактной головки в изо- ляторе осуществляется теплопроводящим стеклогер- метиком 17. Искровой разряд между электродами свечи за- жигания является источником радиопомех. Для по- давления этих помех между центральным электро- дом и контактной головкой может быть установлен помехоподавительный резистор, выполненный в виде угольного стержня или специального резис- тивного герметика. Такие свечи устанавливаются на двигатель с проводами высокого напряжения без помехоподавительных средств. Кроме того, встроенный помехоподавительный резистор спо- собствует уменьшению эрозии электродов. Материал электродов должен обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью, жаропроч- ностью, хорошо проводить тепло. Удовлетворитель- ными свойствами обладают сплавы с большим со- держанием никеля и хрома. Кроме того, никель при высоких температурах способствует ионизации ис- крового промежутка, что несколько снижает про- бивное напряжение между электродами свечи. Од- нако при использовании в топливе антидетонацион- ных добавок (например, тетраэтилсвинца) коррозия электродов из сплава на основе никеля ускоряется. В этом случае лучше себя зарекомендовал сплав на основе хрома. Для большинства свечей зажигания отечественного производства в качестве материа- ла центрального электрода применяются хромотита- новая сталь 13Х25Т или нихром Х20Н80. Аналогич- ные сплавы применяются за рубежом. Для современных форсированных двигателей применяются свечи, центральный электрод кото- рых выполнен из меди и покрыт никель-хромовой оболочкой. Медный сердечник обеспечивает луч- ший теплоотвод при больших нагрузках двигателя, а жаропрочная оболочка повышает износоустойчи- вость электрода. Для форсированных двигателей спортивных авто- мобилей свечи зажигания изготовляются с серебря- ным центральным электродом. Среди металлов сере- бро обладвет самой высокой теплопроводностью, это дает возможность изготовить центральный элек- трод более тонким, что облегчает доступ горючей смеси к искровому промежутку и тем самым снижа- ется вероятность пропусков воспламенения. Однако свечи с серебряным электродом имеют меньший срок службы. В современной свече зажигания между ее цен- тральным электродом и изолятором предусмотрен продолговатый воздушный канал 12, наличие кото- рого предотвращает разрушение изолятора из-за расширения центрального электрода. Расширение электрода происходит не только под действием вы- соких температур в камере сгорания, но и за счет химической реакции между никелем, содержа- щимся в сплаве электродов, с серой, образующей- ся при сгорании топлива. В результате высокотем- пературной химической реакции образуется сер- нистый никель, который увеличивает диаметр цен- трального электрода. Это может привести к по- вреждению изолятора, если посадка электрода в изоляторе была бы плотной (без зазора). Однако следует заметить, что указанный воздушный канал ухудшает теплоотвод от самой горячей части цент- рального электрода и это сказывается на тепловой характеристике свечи. Высокими эксплуатационными свойствами обла- дают свечи зажигания с платиновым электродом, который спекается непосредственно с керамичес- ким изолятором. В таких свечах воздушный канал 12 не требуется. Благодаря высокой коррозийной и эрозионной стойкости платины центральный элект- род делается очень тонким, что обеспечивает хоро- ший доступ горючей смеси в искровой промежуток и гарантирует ее надежное воспламенение. Малые размеры центрального электрода из платины в соче- 89
Глава 10 тании с заостренной формой бокового электрода, а также каталитическое действие платины, способст- вуют понижению пробивного напряжения между электродами. Для свечей с платиновым центральным электродом характерны надежное искрообразова- ние в течение всего срока службы и хорошие пуско- вые свойства. Однако высокая надежность и долго- вечность таких свечей сочетаются с повышением их стоимости (в 4...5 раз по сравнению с обычными свечами). Массовый электрод 11 приваривается контакт- ной микросваркой к ободку корпуса свечи. Как у отечественных, так и у зарубежных свечей, массо- вый электрод изготовляется из никель-марганцевого сплава. Этот сплав надежно сваривается с корпус- ной сталью свечи. Эксплутационные характеристики свечи зажига- ния улучшаются, если массовый электрод имеет медную вставку по типу центрального электрода. Свечи, у которых медь используется как в цент- ральном, так и в массовом электродах, впервые были выпущены в 1988 г фирмой "Champion" под маркой "Double Copper". Для надежного искрообразования в течение всего срока службы и для обеспечения долговечности в све- чах устанавливают несколько боковых электродов. Су- щественное влияние на эксплуатационные параметры свечи и теплопроводность электродов, доступность го- рючей смеси в искровой промежуток, на износостой- кость электродов, пробивное напряжение оказывает форма массовых (боковых) электродов (рис. 10.3). Наибольшее распространение получил одиночный торцовый массовый электрод 1,,однако есть свечи, в которых применяются массовые электроды различной формы: крючкообразный 2, парные сплющенные 3, углубленные боковые 4, кольцевой 5, тангенсаль- ный 6, подковообразный 7, одиночный боковой 8. От формы электродов зависит вид искрового про- межутка и, как следствие, траектория искрового разряда. Форма поперечного сечения электродов может быть различной (круглой, прямоугольной, тре- угольной и др.). На поверхности массовых электро- дов могут быть нанесены канавки или они могут иметь осевые отверстия, что способствует самоочи- щению электродов. Между электродами искровой свечи зажигания устанавливается определенный для данного типа двигателя зазор. Для двигателя современного лег- кового автомобиля с электронной системой зажи- гания величина зазора воздушного промежутка между электродами находится в пределах 0,7... 1.2 мм. Для двигателей прежних конструкций с классической системой зажигания — 0,5...0,8 мм. При неправильно установленной ве- личине зазора ухудшаются показатели работы ав- томобильного двигателя, в частности, увеличива- ется расход топлива и ухудшается экология вы- хлопных газов. Для современных двигателей, рабо- тающих на бедных смесях, требуется увеличенный зазор между электродами свечи. Но с увеличени- ем зазора возрастает пробивное напряжение ис- крового промежутка, поэтому современная систе- ма зажигания имеет более высокий запас по вто- ричному напряжению, чем исключается вероят- ность пропусков искрообразования. Если воздуш- ный промежуток между электродами слишком мал, то увеличивается вероятность его “зарастания" нагаром и становятся возможными пропуски за- жигания. Это крайне отрицательно сказывается на экономичности двигателя. Так, при одной нера- ботающей свече зажигания в шестицилиндровом двигателе расход топлива увеличивается на 25%. В тех случаях, когда пропуски зажигания недопу- стимы (например, на вертолетных ДВС или на двига- телях спортивных автомобилей), в каждый цилиндр устанавливают по две свечи зажигания. 10.3. Тепловая характеристика Электроискровая свеча зажигания на автомо- бильном двигателе работает в крайне тяжелых усло- виях, так как подвергается комплексному цикличес- кому воздействию механических, термических и эле- ктрических нагрузок, изменяющихся в широких пре- делах. Кроме того, детали свечи зажигания подвер- гаются химическим воздействиям со стороны топли- вовоздушной смеси, а также со стороны продуктов сгорания топлива и моторного масла. Во время работы двигателя в тепловом отноше- нии свеча подвергается воздействию колебаний температуры газовой среды в камере сгорания от 60 до 3000°С. В результате тепловой конус изолято- ра и электроды нагреваются до некоторой средней температуры. При неполном сгорании топливовйз- душной смеси, а также из-за попадания моторного масла в камеру сгорания на поверхности тепловою конуса изолятора образуется токопроводящий на- гар, шунтирующий искровой промежуток свечи. Из- за шунтирующего действия нагара, сопротивление которого при работе двигателя может изменятьсяот 90
Автомобильные свечи зажигания 0,5 до 1,0 МОм (в холодном состоянии чиствя свечв зажигания имеет сопротивление изолятора 500...10000 МОм), во вторичной цепи системы за- жигания появляется ток утечки. Ток утечки еще до пробоя искрового промежутка в свече вызывает па- дение напряжения во вторичной цвпи. В результате напряжение, подводимое к электродам свечи, уменьшается и может оказаться равным или даже меньше пробивного напряжения искрового проме- жутка. Это приводит к пропускам искрообразования или искра между электродами вообще не возникает. Утечка тока может иметь место и по наружной по- верхности изолятора, если она загрязнена или по- крыта влагой. Вредное влияние нагара, влаги и за- грязнений может быть уменьшено внутри свечи пу- тем увеличения пути для протекания токв утечки, что достигается удлинением теплового конуса, а снару- жи — ребрением поверхности изоляторе и ее укры- тием под грязезащитный колпачок. При нагреве теп- лового конуса изолятора до температуры 400,..500®С нагар на его поверхности отслаивает- ся. Эта температура называется температурой само- очищения свечи. Для быстрого нагрева теплового конуса до температуры самоочищения он должен быть достаточно длинным. С другой стороны, при ра- боте двигателя под полной нагрузкой температура теплового конуса и электродов не должна превы- шать 850...900°С. Иначе может возникнуть само- произвольное воспламенение топливовоздушной смеси (калильное зажигание) от сильно разогретых частей свечи зажигания (причиной калийного зажи- гания часто является нагар не только на свечах, но и на других частях камеры сгорания). Калильное за- жигание возникает во время сжатия еще до момен- та появления искры в свече и хврактеризуется рез- ким ростом температуры и дввления гвзов в камере сгорания. Процесс сгорания топливовоздушной сме- си становится неуправляемым, мощность двигателя падает, а его перегрев может привести к серьезным поломкам поршней, клапанов, коленчатого вала, разрушению изолятора свечвй и выгоранию элект- родов. Таким образом, чтобы свечв нв покрывалась нагаром и не вызывала калильного зажигания, тем- пература ее теплового конуса должна быть в преде- лах 400...900°С. Температуру 400...900°С теплово- го конуса изолятора называют тепловым пределом работоспособности свечи, который для всех свечей практически одинаков. Однако двигатели сущест- венно различаются по мощности, по типу используе- мого бензина, по степени сжатия, в, следовательно, и по тепловой напряженности. Чвм больше форси рован двигатель, тем большее количество твпла вы- деляется в камере сгорания, тем лучше должно от- водиться тепло от свечи, чтобы она не перегрева- лась. Основная часть тепла (80%) отводится чврез центральный электрод по тепловому конусу изолято- ра. Далее одна часть данного теплового потока про- ходит по теплоотводящей шайбе и резьбовой части корпуса, а другая — через опорную поверхность корпуса и прокладку. Таким образом, чтобы выдер- жать тепловой предел работоспособности свечи, размеры ее конструктивных элементов и их формы (главным образом, теплового конуса изолятора) должны быть согласованы с тепловой напряженно- стью двигвтеля. Отсюдв следует, что для различных двигателей требуются свечи зажигания с различной тепловой характеристикой. Для определения “тепловая характеристика све- чи зажигания” однозначного терминологического соглашения пока нв существует. Чаще всего тепло- вая характеристика свечи зажигания выражается калильным числом. Калильное число свечи зажига- ния представляет собой некоторое условное число, которое хврактеризует способность свечи рабо- тать в условиях специального эталонного двигателя без калильного зажигания. Согласно российскому ГОСТу 2043-74, под калиль- ным числом понимается условное число из ряда 8, 11, 14, 17, 22, 23, 26, которое пропорционально среднему индикаторному дввлению, при котором во время испытания свечи зажигания на тарировочном одноцилиндровом двигателе в цилиндре двигателя на- чинает появляться калильное зажигание. Ряд зарубежных фирм под калильным числом при- нимает величину, пропорциональную времени, по ис- течении которого свеча, установленная на специаль- ный испытательный двигатель, работающий при опре- деленном режиме, начинает даввть калильное зажи- гание. В некоторых случаях для оценки свечей различ- ных типов используется показатель — относительное калильное число свечи зажигания. Этот показатель является произведением длины теплового конуса изо- лятора свечи (в мм) на ее калильное число. Реже в качестве тепловой характеристики исполь- зуется тепловое число, которое представляет собой от- ношение литровой мощности (в л.с.) двигателя к пло- щади поверхности нижнвй части изолятора (см2), вос- принимающей тепло. Такая характеристика является мерой тепловой напряженности свечи зажигания. В общем случае, тепловая характеристика кон- кретной свечи зажигания зависит от теплопровод- ности ве центрального электрода и центрального изолятора; от площади и кривизны поверхности теп- лового конуса изолятора; от формы запальной поло- сти, доступной для рабочей смеси и других факто- ров. Изменяют тепловую характеристику свечей, в основном, изменением длины теплового конусв изо- лятора и площадью вго соприкосновения с корпу- сом свечи (рис. 10.4). Свеча, преднвзначенная для низкооборотисто- го двигателя с умеренным тепловым режимом, имеет длинный тепловой конус (рис. 10.4, а). Изо- 91
Глава 10 лятор такой свечи получает во время работы дви- гателя большое количество тепла и нагревается до температуры 600...700°С. Такая свеча называет- ся "горячей". Свеча для быстроходного двигателя с высокой степенью сжатия и напряженным тепло- вым режимом имеет короткий тепловой конус (рис. 10.4, в), утопленный в корпусе и близко к не- му прилегающий. Благодаря этому доступ горючей смеси к запальной полости несколько затруднен, но путь отвода тепла при этом значительно укоро- чен. Как следствие, изолятор получает меньшее количество тепла и лучше охлаждается (средняя температура нагревания изолятора не превышает 500...600°С). Такую свечу называют "холодной”, и она работает без калильного зажигания при на- Рис. 10.4. Различие свечей по калильному числу: а — горячая свеча; б — свеча с умеренным калильным чис- лом; в — холодная свеча; г — разновидности электродов. Таблица 10.1 _ _ 1 Ряды калильных чисе» свечей зажигания Фирма, страна Калильное число "Горячая' саеча "Холодная' саеча Россия 8 11 14 17 20 23 26 "Веги", "Bosch'. Германия 13 12 11 10...3 2 1 09 08 07 Об "Champion', Англия '25 24 23 ...3 2 1 "AC Delco", США 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ’Eyquem" франция 30 32 42 52 58 62 72 82 96 'NGIC. Япония 2 4 5 6 12 13 14 пряженном тепловом режиме двигателя. Однако в холодной свече зажигания короткий тепловой ко- нус изолятора становится более восприимчивым к шунтирующему действию нагара. Современные двигатели легковых автомобилей характеризуются высокими значениями литровой мощности, что требует расширения теплового пре- дела диапазона работоспособности свечей зажига- ния. Одним из способов решения этой задачи явля- ется увеличение теплопроводности центрального электрода путем использования медного сердечни- ка, покрытого жаропрочной оболочкой, т.е. состав- ного электрода из двух различных металлов. Благо- даря хорошему теплоотводу от составного электрода может быть увеличена длина теплового конуса изо- лятора для холодной свечи зажигания (рис. 10.4, б). Это обеспечивает надежное самоочищение свечи на режимах малых нагрузок и холостого хода и дела- ет конструкцию свечи зажигания менее чувствитель- ной к образованию шунтирующего нагара. Хорошая теплопроводность составного электрода снижает ве- роятность перегрева деталей свечи и возникнове- ния калильного зажигания. В зависимости от принятого способа определе- ния тепловой характеристики для свечей зажига- ния установлены ряды калильных чисел (табл. 10.1). Эти ряды составляются фирмами-изго- товителями и отличаются друг от друга по инфор- мационной значимости условных единиц. Калиль- ное число обязательно указывается в маркировке любой свечи зажигвния. 10.4. Обслуживание В течение первых 2000...3000 км пробега про- бивное напряжение новой свечи зажигания повы- шается на 15...20% за счет округления кромок электродов. При дальнейшей работе под действием горючих газов, высокой температуры и искрового разряда электроды вырабатываются (выгорают) и 92
Автомобильные свечи зажигания зазор в свече увеличивается в среднем на 0,015 мм на каждые 1000 км пробега автомобиля. В результате пробивное напряжение искрового промежутка постепенно возрастает, и рано или по- здно система зажигания начинает работать с пере- боями. В связи с этим через каждые 10 тыс. км пробега рекомендуется проводить регулировку ис- крового промежутка подгибкой бокового электро- да, а через 30...40 тыс. км пробега — заменять свечи на новые. Использовать свечи с пробегом бо- лее 50 тыс. км не следует. Перед вывертыванием свечей необходимо уда- лить вокруг них грязь и обдуть посадочные места сжатым воздухом, чтобы предупредить засорение камеры сгорания через свечное отверстие в голо- вке блока цилиндров. Вывертывать и завертывать свечу следует только при помощи свечного ключа со стандартным ворот- ком длиной не более 20 см. Использовать вороток большей длины не рекомендуется, так как при за- тяжке или отворачивании чрезмерно затянутой све- чи ее можно сломать. В случае использования свечи с конусной опорной поверхностью корпуса можно повредить не только саму свечу, но и посадочное гнездо в головке блока цилиндров. Для затяжки свечей лучше использовать динамо- метрический ключ, соблюдая рекомендуемый мо- мент затяжки (табл. 10.2), который зависит от раз- мера резьбы, вида опорной поверхности корпуса свечи и материала головки блока цилиндров. Если во время установки резьба свечи смазыва- ется графитовой смазкой, то момент затяжки следу- ет уменьшить от рекомендуемых в табл. 10.2 значе- ний на 20...25%. Новые фирменные свечи в смазке резьбы не нуждаются. При отсутствии динамометрического ключа посту- пают следующим образом. Завертывают свечу с чис- той резьбой рукой до упора. Далее, используя штат- ный свечной ключ, продолжают ввертывать свечу до задержки вращения. После этого следует довернуть свечу. Для новых свечей с плоской опорной поверх- Таблица 10.2 >ко иендуеь ьй > моменты затяжки (Н«м) свечей зарубежного производства Резьба Материал головки блока цилиндров ----------'т--------* Чугун Алюминиевый сплав Плоская М 10*1 10... 15 I0...15 М 12*1,25 15...25 I5...25 М 14*1,25 20...40 20-30 М 18*1,5 30...45 20-35 Конусная М 14*1,25 15...25 10.. 20 М 18*1,5 20...30 I5...23 ностью корпуса и уплотнительным кольцом доворот составляет-90°. Если свеча с уплотнительным коль- цом уже находилась в эксплуатации — доворот не бо- лее 30°. Свечу зажигания с конусной опорной по- верхностью корпуса и без уплотнительного кольца “доворачивают" всего на 15°. Более благоприятные условия воспламенения топ- ливовоздушной смеси достигаются в камере сгора- ния двигателя, если ввернутая в головку блока цилин- дров свеча располагается таким образом, чтобы бо- ковые электроды не препятствовали доступу горючей смеси в искровой промежуток при открытии впускно- го клапана. Такое положение свечи можно обеспе- чить в пределах допустимого угла затяжки, предва- рительно сделав метки на корпусе свечи и на поса- дочном месте головки блока. Метки должны соответ- ствовать оптимальному расположению свечи в каме- ре сгорания относительно впускного клапана. Наибо- лее просто это выполнить для свечи с одним боко- вым электродом. Было замечено, что при таком рас- положении свечи стенки камеры сгорания меньше покрываются нагаром, двигатель более устойчиво работает на холостом ходу, меньше потребляет топ- лива и его мощность несколько возрастает. Величина воздушного зазора свечи с нечетным числом боковых электродов проверяется круглым щу- пом, который вставляется продольно относительно бокового электрода и должен проходить между элек- тродами с едва ощутимым сопротивлением. Ясно, что плоским щупом точно измерить зазор невозмож- но, так как в результате электроэрозии на боковых массовых электродах образуются выемки, которые вносят погрешность в измерение искрового проме- жутка. Эта погрешность может составлять 40...60%, что необходимо иметь в виду при установке зазора в свече с нечетным числом боковых электродов. Основными неисправностями искровых свечей зажигания являются недостаточная герметичность по корпусу и центральному электроду, износ (выгора- ние) электродов, разрушение теплового конуса изо- лятора, образование нагара на внешней поверхнос- ти теплового конуса, что приводит к шунтированию воздушного зазора между электродами. Большинство неисправностей свечи зажигания можно определить внешним осмотром. Так, о нару- шении герметичности свечи говорит появление тем- ного налета в виде ободочка на наружной поверхно- сти изолятора вокруг корпуса. Вывернув свечу из головки блока цилиндров, по херактеру износа электродов и состоянию теплового конуса изолятора можно судить о техническом состо- янии не только свечи, но и двигателя. У неработающей свечи все внутренние ее части покрыты влажным нагаром, а сама свеча при рабо- те ДВС не нагревается выше средней температуры головки блока. 93
Глава 10 Ниже представлены типичные примеры внешнего вида внутренней торцовой части свечи зажигания, вывернутой из головки блока (рис. 10.5)*. • Нормальное состояние. Тепловой конус изо- лятора слегка покрыт нагаром от серо-желтого, светло-коричневого до серо-белого цвета. Электро- ды не обгоревшие, торцовый ободок корпуса чис- тый. Можно утверждать, что приготовление горю- чей смеси в системе питания и установка момента воспламенения в системе зажигания безупречны, отсутствуют пропуски искрообразования и воспла- менения. Калильное число свечи подобрано пра- вильно. Двигатель и его системы работают устойчи- во (поз. а). * Фотографии из рекламного журнала фирмы “Champion". • Отложения на изоляторе и электродах. Зна- чительные отложения на электродах, тепловом ко- нусе изолятора и на ободке корпуса свечи могут быть в виде шлака или в виде рыхлого, легко отле- тающего осадка. Основной причиной является на- личие непредусмотренных инструкцией по эксплуа- тации двигателя присадок в моторном масле или топливе. По калильному числу свеча подобрана правильно. Если очистка свечи не дает результата, ее следует заменить (поз. 6). • Свеча покрыта черным нагаром. Тепловой ко- нус изолятора, электроды и ободок корпуса покрыты бархатистым матово-черным нагаром. Причинами могут быть неисправности в системе питания двига- теля (карбюраторе или системе впрыска топлива), слишком богатая смесь, засорение воздушного фильтра; неисправность пускового устройства кар- бюратора или слишком длительный процесс пуска двигателя, преобладание перевозок на короткие рас- стояния, слишком "холодная" свеча. Вследствие об- разования такого нагара возможны пропуски искро- образования и затруднение пуска холодного двигате- ля. Увеличивается расход топлива. Если свеча подоб- рана правильно, тс после ее очистки и регулировки зазора, а также после устранения неисправностей в системах двигателя она может быть вновь установле- на на место (поз. в). • Замасленная свеча. Тепловой конус изолято- ра, электроды и корпус свечи покрыты глянцево- маслянистыми отложениями или плотным маслянис- тым нагаром. Причины: сломано маслосъемное кольцо, большой износ цилиндро-поршневой группы двигателя, высокий уровень масла в картере, мас- лосъемные сальники клапанов пришли в негод- ность, у двухтактного двигателя переизбыток масла в топливовоздушной смеси. Свечи, покрытые мас- лом, вызывают пропуски искрообразования, пуск двигателя затруднен или вообще невозможен. Пе- ред очисткой свечу необходимо промыть струей бензина под напором (псз. г). • Перегрев свечи. Внешний вид сильно пере- гретой свечи схож со свечой в нормальном состоя- нии. Отличие состоит в отсутствии нагара на элект- родах и тепловом конусе. Наиболее достоверно эту неисправность можно определить по сильному пе- регреву наружной части изолятора. Белый цвет изолятора и отсутствие на нем следов нагара сви- детельствуют о перегреве свечи, вызванного ран- ним моментом зажигания, бедной смесью, подсо- сом дополнительного воздуха в цилиндр двигателя, использованием топлива с низким октановым чис- лом, отсутствием уплотнительного кольца на свече с плоской опорной поверхностью корпуса, неис- 94
Автомобильные свечи зажигания правностью системы охлаждения двигателя, нали- чием нагара на днище поршня и в головке цилинд- ра или применением "горячей" свечи. Свечу с при- знаками перегрева следувт звменить, иначе в дальнейшем начнет развиввться выгорание элект- родов (поз л). • Выгорание электродов. Оплавление электро- дов (особенно центрального), следы расплава метал- ла на тепловом корпусе изоляторе, застывшие ша- рики металла на ободке корпуса говорят о чрезмер- ном перегреве свечи и калильном зажигании. При- чины такие же, как и в предыдущем случав. Во из- бежание поломок двигателя эксплуатацию автомо- биля следует прекратить до выяснения необнару- женных причин калильного зажигания (поз. е). • Разрушение теплового конуса изолятора. Разрушение теплового конуса изолятора в виде сколов или трещин. Эта неисправность чаще всего появляется на длительно и нормально работающих саечах, что может быть результатом постоянной детонации двигвтеля, перегрева свечи, расшире- ния центрального электрода под действием высо- ких температур или его коррозии, "зарастание" воздушного канала (см. поз. 12, рис. 10.1) между центральным электродом и изолятором нагарными отложениями, механического воздействия при не- аккуратном обращении со свечой. Следует заме- тить, что появление детонационных стуков в двига- теле может быть вызвано ранним зажиганием, ка- лильным зажиганием при перегреве двигателя или использованием топлива с несоответствующим ок- тановым числом. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как приводит к его преждевре- менному выходу из строя (поз. ж). • Металлизация электродов. При постоянном использоввнии бензина с антидетонационными при- садками на основе солей свинца срок службы све- чей звжигвния резко сокращается (с 50 тыс. до 10...15 тыс. км пробега). Объясняется это тем, что и центральный, и боковой электроды нормально ра- ботвющей свечи зажигания покрываются неустра- нимым налетом свинцовых соединений в виде тон- кой зеленоватой пленки. При появлении перебоев в системе зажигания такие свечи подлежат замене (поз. з). 10.5. Маркировка свечей зажигания Маркировка любой свечи зажигания несет в себе првктически полную информацию, необходимую для правильного выбора типа свечи к конкретному дви- гателю. К такой информации относятся данные о размере резьбы на корпусе, тепловой характеристи- ке, особенностях конструкции свечи и т.п. К сожалению, в мировой практике пока нет еди- ного подхода к маркировке свечей зажигания. Каж- дая фирма по-своему обозначает свою продукцию. Квк правило, зарубежные фирмы обозначают свои свечи зажигания различного назначения (автомо- бильные, мотоциклетные, авиационные и т.п.) по единой схеме. В России действует отраслевой стандарт ОСТ 37.003.081-87, который распространяется на обозначения неразборных, неэкранированных ис- кровых свечей зажигания всех типов двигателей вну- треннего сгорания, кромв авиационных (рис. 10.6). На рис. 10.7-10.12 в виде таблиц представлены расшифровки обозначений наиболее распростра- ненных марок свечвй зарубежного производства. 95
Глава 10 Следует отметить, что в отечественном стандарте для обозначения свечи используется десять информа- тивных разрядов. Информация каждого разряда рас- шифрована в табличном блоке. В маркировке отече- Рис. 10.7. Маркировка свечей зажигания фирмы BERU । Германия) Рис. 10.8. Маркировка свечей зажигания фирмы BOSCH (Германия) 96
Автомобильные свечи зажигания ственной свечи наиболее важная часть табличных другая часть — “пустотами” (см. табл, на рис. 10.6). В блоков обозначена соответствующими символами, а маркировке импортных свечей зажигания указывают- Рис. 10.10. Маркировка свечей зажигания фирмы AC DELCO (США) 4 Автотроника 97
Глава 10 ся не все перечисленные в таблице сведения, а толь- ко самые принципиальные отличия. Пустоты для обо- значения информативных табличных блоков в марки- ровке импортных свечей используются не всегда. Данные по взаимозаменяемости отечествен- ных и зарубежных свечей приведены в табл. 10.3. Таблица позволяет подобрать подходя- щую замену любой свече зажигания как на отече- Наличие •строенного помехоподавитсльного резистора Нет R 4,5. 9 кОм X 3.75... 11,25 кОм Особенности конструкции 5 Зазор между электродами, мм 1.1 6 1.3 DP Матерная центрального м массового электроде» - платина р Материал одного из электродов (центрального и массового) - платина т Малогабаритная свеча для мотопил н мотокюсилоя □ и и m ср qzfizh □ Диаметр резьбы, на корпусе, мм Размер под ключ, мм 14 21 14 16 D 12 18 F 14 16 К 18 21 т 10 16 Опорная поверхность корпуса плоская; ‘"конусам Длина резьбы, мм Опорная поверхность корпуса плоская конусная 12.7 ид А 11.1 С 9,5 7.8 L 19 ПЛ Н 25 Опорная поверхность корпуса плоская J конусная Выступание теплового конуса изолятора за торец корпуса нет S есть Z есть + внтннагарная технология Рис. 10.11. Маркировка свечей зажигания фирмы EYQUEM (Франция) Рис. 10.12, Маркировка свечей зажигания фирмы NGK (Япония) 98
Автомобильные свечи зажигания ственном, так и на импортном двигателе. В каче- стве примера в табл. 10.3 в красной строке при- ведены все возможные замены для отечествен- ной свечи зажигания А17ДВ. 10.6. Взаимозаменяемость свечей зажигания На практике часто приходится заменять свечи од- ного завода-изготовителя на свечи другого. Такая за- мена возможна, если новые свечи соответствуют по тепловой характеристике, а также по размеру, шагу и длине резьбы на корпусе. • Мина резьбы на корпусе свечи зажигания должна соответствовать длине резьбы в головке бло- ка цилиндров. Если резьбовая часть корпуса слиш- ком длинная, то свеча выступает в камеру сгорания. При этом возможны повреждения поршней; высту- пающие в камеру сгорания витки резьбы закоксовы- ваются, что может привести к невозможности вы- вертывания свечи; свеча перегревается. , Если длина резьбы свечи слишком короткая, то ее искровой промежуток находится внутри свечного от- верстия головки блока цилиндров. В результате ухуд- шаются условия воспламенения горючей смеси; све- ча не достигает температуры самоочищения и по- крывается нагаром, что приводит к пропускам искро- образования; нижние витки резьбы головки блока цилиндров закоксовываются. Короткую резьбу нель- зя компенсировать снятием уплотнительного кольца, так как нарушается герметичность посадки свечи в головке блока цилиндров и свеча перегревается. Также не допускается установка двух уплотнитель- ных колец. Категорически запрещается установка под свечи зажигания удлиняющих трубок (футорок). • При установке свечи зажигания другой моди- фикации следует обратить внимание на величину ис- крового промежутка, наличие или отсутствие смеще- ния теплового конуса изолятора по отношению к тор- цу корпуса, на вид опорной поверхности корпуса. Ес- ли свеча подобрана правильно по перечисленным признакам, а двигатель эксплуатируется в техничес- ки исправном состоянии, то обслуживание свечи сводится лишь к периодической проверке и регули- ровке искрового промежутка между электродами по мере их естественного износа. Размер искрового промежутка свечи зажигания в первую очередь определяется величиной номинального вторичного напряжения на высоковольтном выводе ка- тушки зажигания. В современных электронных систе- мах зажигания с цифровым программным управлением вторичное напряжение поддерживается постоянным на всех возможных режимах работы ДВС и в 1,5...1,6 раза выше среднего пробивного напряжения для выбранной под данный двигатель свечи зажигания. Взаимозаменяемость свечей зажигания отечественного и зарубежного производства Таблица 10.3 РОССИЯ BERU BOSCH CHAMPION LODGE KLG rotorcraft] autolite AC DELCO EYQUEM MARELLI NGK NIPPON DENCO Россия Германия Антия США Франция Италия Япония МВТ 18-10AU М10АС D16 втю C86 CW2N A6 АП 14-10А W10AC L86C CN F20 АЕ6 416 45F CW4N B4H W14F-U А13Н 14-7AU W9ACO L9OC FA50 А47С 43F CW3N B5HS А14В 14-8В W8BC L92YC F55P АЕ42 275 43FS C32S F7NC BP5HS W14FP АИД 14-8С W8CC N5C HBLN FE70 AG3 394 44X 60L CW5L B5ES WI6ES А14ДВ 14-8DU W8DC N11YC AG52 55 43XLS C52LS CW6LP BP5ES W16EP А17В 14-7BU W7BC L12Y CNY МТ65Р АЕ32 274 42FS C42S F6NC BP6HS W20FP А17Д 14-7С W7CC N4C HLN FE75 AG2 C44XL CW6L B6ES А17ДВ А17ДВ-10 14-7DU, 14-7D W7DC N9YC HL NY FE65P. FE55F AG252 53 42XLS C62LS F7LC BP6ES W20EP А17ДВР I4R-7DU WR7DC RN9YC AGR22C CR42XLS RC62LS F7LCR BPR6ES W20EPR А17В 14S-7F WS7F RCJ8Y CS42S BPM6A А20Д 14-6CU W5CC N7Y 2HLN FE85P AG4 43XL CW7L B7ES W20ES А23 14-5AU W5AC L82C FE80 АЕ2 42F C62 CW7N B8HS А23В 14-5В W5BC L82YC 4IXL CW8NP BP7HS W22EP А26ДВ W3DC N59G SHLNY AG90IRAC CW9L B9EV 99
Глава 10 • Уже отмечалось, что строгого соответствия между калильными числами для свечей зажигания разных фирм-изготовителей не существует. Из табл. 10.1 видно, что ряды калильных чисел совершенно произвольны. В рядах разнятся сами числа, их количество, их размерный шаг. Немецкие фирмы используют даже дробные числа. Направле- ние возрастания калильного числа у разных фирм принято обозначать также по-разному. Россия, Франция, Япония используют возрастающий ряд, от горячего до холодного состояния свечи. Германия, США и Англия — убывающий. Как следствие неодно- значности калильных чисел, все таблицы взаимоза- меняемости, в том числе и приведенная здесь табл. 10.3, имеют рекомендательный характер. • После подбора свечей зажигания по табл. 10.3 взаимозаменяемости их необходимо испытать на ра- ботающем двигателе. Калильное зажигание не долж- но возникать после пятичасовой езды на автомоби- ле по автотрассе с примерно одинаковой скоростью (при нагрузке ДВС, близкой к максимальной), а так- же после одного часа работы прогретого двигателя на холостых оборотах при постоянно включенном вентиляторе охлаждения радиатора. В обычном случае калильное зажигание прояв- ляется по детонации выключенного двигателя. Ес- ли двигатель не имеет отсекающего клапана в ка- нале холостого хода или системы принудительного холостого хода, то после выключения двигателя ключом зажигания зажигание следует снова вклю- чить через 2...3 с и удостовериться, что двигатель вновь не запустился. В противном случае имеет место калильное зажигание. Марка бензина при таких испытаниях должна со- ответствовать рекомендациям завода-изготовителя автомобиля, а двигатель и его системы — не иметь явных дефектов. После каждого такого испытания свечи необходимо вывернуть из гнезд и тщательно осмотреть. Правильно подобранные и нормально работающие свечи по внешнему виду внутренней части должны соответствовать рис. 10.5, а. • При работе современного двигателя от систе- мы впрыска с турбонаддувом, когда степень сжа- тия не менее 10, свечи зажигания имеют увели- ченный зазор (1,1...1.3 мм) и обладают хорошим теплоотводом (холодные свечи). При этом свечи работают совместно с электронной системой зажи- гания, которая имеет повышенный запас по вто- ричному напряжению (1,5...1,7). В таком случае свечи зажигания должны быть более устойчивы к высокому напряжению пробоя и к высокой темпе- ратуре. Электроды таких свечей, как правило, би- металлические, т.е. медные с хромоникелевым по- крытием или платиновые, а наружная часть изоля- тора — обязательно гофрирована ребрами. Заме- нять такие свечи можно только на абсолютно ана- логичные (той же модели). 100
Глава одиннадцатая -................... ----- АВТОМОБИЛЬНЫЕ КАТУШКИ ЗАЖИГАНИЯ Катушка зажигания — обязательный компонент любой автомобильной электроискровой систе- мы зажигания. По конструктивному исполнению катушки зажигания исключительно разнооб- разны. Помимо катушек стали часто применяться и трансформаторы зажигания. Описанию раз- личных современных катушек и трансформаторов зажигания посвящена настоящая глава. 11.1. Общие сведения В наиболее распространенных системах зажига- ния с накоплением энергии в индуктивности катушка зажигания представляет собой не только повышаю- щий импульсный трансформатор (или автотрансфор- матор). но и накопитель энергии. • Как индуктивный накопитель энергии, катушка зажигания должна обладать определенной вмести- мостью магнитного поля, которую называют индук- тивностью катушки. Для увеличения индуктивности первичной обмотки катушки зажигания применяют ферромагнитный сердечник. Чтобы сердечник не на- сыщался первичным током, что неизбежно приводит к уменьшению накапливаемой в магнитном поле энергии, магнитопровод делают разомкнутым. Это позволяет создавать катушки зажигания с индуктив- ностью первичной обмотки 5...10 мГн, при макси- мальной величине первичного тока 3...4 А. Такие па- раметры катушки приемлемы для контактной бата- рейной системы зажигания, так как в такой системе первичный ток не может быть выше 3...4 А из-за бы- стро прогрессирующей эрозии и обгорания контакт- ной пары прерывателя (максимально допустимый ток разрыва на контактах — 5 А). В катушке с индуктивностью 1_к = 10 мГн при мак- симальном токе 1х = 4 А и КПД = 50% можно запасти электромагнитной энергии WK не более 40 мДж (WK = 0,5 Ц I2). В первом приближении этого достаточно для ус- тойчивого функционирования системы зажигания на всех режимах работы двигателя внутреннего сгора ния (ДВС). Но с повышением “оборотистости” двига- теля и числа его цилиндров ток разрыва на контакт- ной паре из-за большой индуктивности катушки не успевает достичь своего максимального значения k = Ue/Ri = 4 А (11б — напряжение в бортсети авто- мобиля, R1 — сопротивление первичной обмотки ка- тушки зажигания), и запасаемая в индуктивности энергия начинает быстро (по квадратичному закону) падать. При этом накопитель не дозаряжается до расчетной величины и электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции во вторичной обмотке катушки зажи- гания, а следовательно, и вторичное (выходное) на- пряжение системы зажигания становятся меньше. Как следствие, коэффициент запаса по вторичному напряжению в контактной системе зажигания очень низкий (не более 1,2). Следует заметить, что увеличением индуктивности первичной обмотки катушки зажигания выше 10...11 мГн добиться повышения запасаемой энер- гии в контактной системе зажигания не удается, так как при этом увеличивается время нарастания пер- вичного тока и на высоких оборотах ДВС ток не успе- вает достичь требуемого значения. При уменьшении индуктивности накопителя скорость нарастания пер- вичного тока пропорционально растет, а активное со- противление первичной обмотки падает. Таким обра- зом, с уменьшением индуктивности первичной обмот- ки можно увеличивать ток разрыва до 9... 10 А и уп- равлять этим током, изменяя время накопления энер- гии. При этом запасаемая энергия возрастает до 80...100 мДж. Все это становится возможным, если заменить контактную пару в первичной обмотке ка- тушки зажигания на транзисторный ключ (электрон- ный коммутатор). Теперь при достаточной избыточно- сти энергии, накопленной в катушке зажигания, воз- можно нормировать время накопления с целью под- держания тока разрыва в строго заданных пределах. Это обеспечивает стабилизацию параметров систе- мы зажигания на всех режимах работы ДВС, в том числе и облегченный пуск холодного двигателя при падении напряжения в бортсети автомобиля. • Рассмотрим катушку зажигания как повышаю- щий импульсный трансформатор. Катушка содержит две обмотки — первичную и вторичную, намотанные на общий сердечник разомкнутого магнитопровода, выполненного из магнитомягкой электротехнической стали. Первичная обмотка состоит из небольшого чис- ла витков, а вторичная — из очень большого числа витков более тонкого провода. В системах зажигания с накоплением энергии в индуктивности первичная об- мотка катушки зажигания подключается непосредст- венно к бортсети автомобиля. При этом по ней проте- кает ток, который наводит вокруг витков катушки маг- нитное поле. Силовые линии этого поля, замыкаясь во- круг катушки, пронизывают витки обеих обмоток. К моменту разрыва токовой цепи в магнитном поле ка- тушки накапливается электромагнитная энергия Wk. Прерывание первичного тока 1г приводит к исчезнове- 101
Глава 11 нию магнитного поля и индуцированию в витках обеих обмоток ЭДС самоиндукции. Величина наведенной та- ким способом ЭДС пропорциональна индукции запа- сенного магнитного поля и скорости его исчезнове- ния, а также числу витков в обмотках. Так как вторич- ная обмотка состоит из очень большого числа витков, то ЭДС, наведенная во вторичной обмотке, достигает значительной величины (в современных катушках — до 35000 В), с избытком достаточной для пробоя ис- крового промежутка в свечах зажигания. Наведенная ЭДС в первичной обмотке не превышает 500 В. Устройство и параметры конкретной катушки за- жигания зависят от типа системы зажигания, в кото- рой данная катушка работает. Рассмотрим особенно- сти катушек различных систем зажигания. 11.2. Конструкция и параметры классической катушки зажигания Катушка зажигания классической батарейной си- стемы зажигания (рис. 11.1) представляет собой электрический автотрансформатор с разомкнутой магнитной цепью и с большой индуктивностью пер- вичной обмотки. • Сердечник 2 катушки набран из пластин элек- тротехнической стали толщиной 0,35...0,5 мм, изолированных друг от друга окалиной или лаком. Иногда сердечник изготавливают в виде пакета из отрезков отожженной стальной проволоки. На сердечник надета изолирующая трубка 16, по- верх которой намотана вторичная обмотка 4. Каждый слой вторичной обмотки изолирован ка- бельной бумагой 5, а высоковольтные слои намо- таны с зазором в 2...3 мм, чтобы уменьшить опас- ность междувиткового пробоя. Первичная обмот- ка 15 намотана на вторичную. Корпус 1 катушки штампуется из листовой стали или вытягивается из алюминия. Внутри корпуса по его стенке уло- жен наружный по отношению к обмоткам магни- топровод 14, выполненный в виде свертка широ- кой ленты из отожженной электротехнической стали. В электрическом отношении этот сверток представляет собой широкий ленточный виток во- круг катушки, разомкнутый бумажной изоляцией и заземленный одной точкой на корпус. В магнит- ном отношении такой виток из отожженной сталь- ной ленты является ограничивающим экраном для магнитного поля катушки. Соединение обмоток катушки следующее: начало вторичной обмотки соединяется с выводом ВВ высо- кого напряжения. Конец вторичной обмотки и нача- ло первичной обмотки соединены между собой и под- ведены к зажиму 10 (клемма “Б”). Конец первичной обмотки соединен с зажимом 7 (клемма “—"), кото- рый соединяется с прерывателем. Рис. 11.1. Катушка зажигания классической конструкции: а — внешний вид; б — катушка в разрезе; 1 — защитный кожух (корпус) катушки; 2 — центральный стержень (сер- дечник магнитопровода М); 3 — крепежная скоба; 4 — вто- ричная обмотка W2; б — междуслойная изоляция вторич- ной обмотки (кабельная бумага); 6 — верхняя пластмассо- вая крышка катушки; 7 — вывод конца первичной обмотки (клемма -'); 8 — изоляционное гнездо центрального высо- ковольтного вывода ВВ; 9 — фиксирующий контакт высоко- вольтного вывода; 10 — вывод начала первичной и конца вторичной обмоток (клемма *Б'); 11 — электрическое со- единение стержня с контактом 9 (пружина и контактная пластина); 12 — изолирующий теплопроводящий наполни- тель (трансформаторное масло); 13 — один из вариантов соединения начала вторичной обмотки со стержнем магни- топровода; 14 — наружный магнитопровод (сверток магни- томягкой стальной ленты); 15 — первичная обмотка W1; 16 — изолирующая трубка; 17 — керамическая изолирую- щая опора; 18 — один из вариантов соединения начала вторичной обмотки со стержнем магнитопровода. 102
Автомобильные катушки зажигания Указанная последовательность соединений имеет место в катушках зажигания, которые работают без добавочного резистора. Вывод высокого напряжения из катушки зажи- гания имеет оригинальное исполнение. Начало вторичной обмотки находится под высоким потен- циалом и соединено с центральным стержнем 2 магнитопровода (точка 13 или 18 на рис. 11.1). Далее через стержень 2 и электрическое соедине- ние 11 высокое напряжение вторичной обмотки поступает на контакт 9 центрального высоковольт- ного вывода 8 катушки зажигания. Таким образом центральный стержень магнитопровода и намо- танная на него вторичная обмотка являются высо- ковольтной сердцевиной катушки зажигания и на- ходятся на достаточном, с точки зрения электри- ческой прочности, удалении от корпуса. Чтобы сердцевина была жестко зафиксирована в корпу- се, но не имела с ним электрического контакта снизу установлена керамическая изолирующая опора 17, а сверху корпус завальцован пластмас- совой изоляционной крышкой 6. Первичная обмот- ка, как низкопотенциальная, но более нагреваю- щаяся под действием первичного тока, намотана поверх вторичной и находится ближе к защитному кожуху (корпусу катушки). Так как пустоты между корпусом и обмотками внутри катушки заполнены трансформаторным маслом (или другим теплопро- водящим наполнителем) 12, то такая конструкция обладает не только достаточно высокой электриче- ской и механической прочностью, но и хорошим теплообменом с “массой” автомобиля через за- щитный кожух. Реализованные таким способом внутренняя элек- трическая изоляция и естественное охлаждение ка- тушки повышают срок ее службы и эксплуатацион- ную надежность. Катушка зажигания крепится к кузову автомоби- ля с помощью скобы 3. Надежное крепление способ- ствует лучшему охлаждению катушки. • Некоторые катушки зажигания работают с до- бавочным резистором, который обычно устанавлива- ют под крепежную скобу в керамическом изоляторе (рис. 11.2). Схема соединений обмоток в таких катушках изменена. Так, общая точка соединения первич- ной W1 и вторичной W2 обмоток соединена не с клеммой Б (“+” напряжения бортсети), а через клемму 1 с прерывателем (“-“ напряжения бортсе- ти). При этом конец первичной обмотки выводится на дополнительную клемму ВК и далее через до- полнительный резистор Ra — на клемму Б. Таким образом, добавочный резистор подключается к первичной обмотке катушки зажигания последо- вательно и обмотка рассчитывается на понижен- ное напряжение 7...8 В. На рабочих режимах дви- гателя напряжение питания в бортсети автомоби- ля составляет 12...14 В. Часть этого напряжения гасится на добавочном резисторе. На пусковых режимах двигателя, когда напряжение на аккуму- ляторной батарее падает, добавочный резистор закорачивается вспомогательными контактами тя- гового реле стартера или контактами дополнитель- ного реле включения стартера (в зависимости от марки автомобиля), что обеспечивает первичной обмотке катушки зажигания необходимое рабочее напряжение 7...8 В. Добавочный резистор обычно наматывается из константановой или никелевой проволоки. В по- следнем случае он выполняет роль так называемо- го вариатора. Сопротивление вариатора изменяет- ся в зависимости от величины протекающего по не- му тока: чем больше ток, тем выше температура на- грева вариатора и тем больше его сопротивление. Величина первичного тока, потребляемого квтуш- кой зажигания, зависит от частоты вращения ко- ленчатого вала двигателя. При низкой частоте вра- щения, когда сила первичного тока к моменту его прерывания успевает достигнуть максимального значения, сопротивление вариатора также макси- Рис. 11.2. Катушка зажигания Б-115 с добавочным резистором: а — внешний вид; б — электрическая схема катушки: Яд — добавочный резистор 1 Ом в керамическом изоляторе; Б — клемма для подачи напряжения бортсети; ВК — клемма для подключения замыкателя; ВВ — высоковольтный вывод; 1 — клемма для соединения с прерывателем; 2 — корпус катушки; 3 — крепежная скоба ; 4 — магнитный экран вну- три корпуса. 103
Глава 11 мально. При повышении частоты вращения сила первичного тока падает, наглев вариатора ослабе- вает и его сопротивление уменьшается. Так как вторичное напряжение, развиваемое катушкой за- жигания, зависит от тока разрыва в первичной це- пи, то применение вариатора дает возможность снизить вторичное напряжение при малой и повы- сить при большой частоте вращения вала двигате- ля, что несколько уменьшает основной недостаток контактной системы зажигания — снижение вто- ричного напряжения с увеличением частоты враще- ния. Если добавочный резистор выполнен из кон- стантана, вариационные свойства в нем не прояв- ляются. Добавочный резистор может также уста- навливаться отдельно от катушки зажигания. На не- которых автомобилях, например, на автомобилях фирмы АвтоВАЗ, добавочный резистор в системе зажигания отсутствует, что обусловлено применени- ем аккумуляторной батареи с повышенными пуско- выми свойствами, напряжение которой при пуске двигателя снижается незначительно. • Катушка зажигания как повышающий транс- форматор характеризуется числом витков в обмотках. В зависимости от типа и назначения катушки число витков лежит в пределах 180...330 — для первичной и 18 000...26 000 — для вторичной обмоток. Соответ- ственно диаметр провода первичной обмотки — 0,53...0,86 мм, а вторичной — 0,07...0,095 мм. Ко- эффициент трансформации — 55...100. Для катушек зажигания без добавочного резистора сопротивление Rt первичной обмотки — 2,9...3,4 Ом. Если катушка зажигания включается в цепь питания через добавоч- ный резистор, то сопротивление первичной обмотки уменьшают до 1,5...2,1 Ом. При этом сопротивление добавочного резистора в зависимости от типа катуш- ки — 0,9... 1,9 Ом. Сопротивление R2 вторичной об- мотки может составлять несколько десятков килоом. Значения индуктивности Ц первичной обмотки катуш- ки зажигания для систем зажигания с индуктивным накопителем энергии находится в пределах 6...11 мГн. В системах зажигания с емкостным нако- пителем индуктивность первичной обмотки катушки зажигания не является накопителем энергии, поэтому ее значение может быть значительно меньше (до 0,1 мГн). Индуктивность 1_2 вторичной обмотки состав- ляет несколько десятков генри. • Катушки, работающие в контактных системах зажигания, обеспечивают следующие выходные ха- рактеристики: — максимальное вторичное напряжение 18...20 кВ; — скорость нарастания вторичного напряжения 200...250 В/мкс; — суммарная длительность фаз искрового разря- да 1,1...1,5 мс; — энергия искрового разряда 15...20 мДж. 11.3. Катушки зажигания электронных систем зажигания В контактно-транзисторных и транзисторных сис- темах зажигания прерывание первичного тока ка- тушки осуществляется не контактами механического прерывателя, а силовым транзистором. При этом пер- вичный ток 1х может быть увеличен до 10... 11 А. Это привело к необходимости создания специальных кату- шек зажигания с низкими значениями сопротивле- ния и индуктивности первичной обмотки и большим коэффициентом трансформации (см. табл. 11.1). • Длительное время катушки для электронных си- стем зажигания изготовлялись с электрически разде- ленными обмотками, т.е. с трансформаторной свя- зью. При такой схеме соединения один из выводов вторичной обмотки соединен с корпусом катушки, т.е. с “массой" автомобиля. Считалось, что примене- нием трансформаторной схемы включения обмоток можно избежать перегрузки выходного транзистора коммутатора дополнительным всплеском напряже- ния, возникающим в первичной обмотке во время разрядных процессов во вторичной цепи системы за- жигания. Это утверждение справедливо только тог- да, когда корпус катушки имеет надежный контакт с “массой" автомобиля. Однако окисление этого кон- такта, что довольно часто случается в эксплуатации, приводит к его нарушению, что становится причиной выхода из строя силового транзистора коммутатора. Поэтому в настоящее время катушки контактно-тран- зисторных и транзисторных систем зажигания выпу- скаются с автотрансформаторной схемой соедине- ния обмоток. Первичная обмотка катушки в таких системах за- жигания низкоомная и подключается к источнику пи- тания, как правило, через выносной добавочный ре- зистор. Иногда применяется блок из двух добавоч- ных резисторов. Тогда один из резисторов включен постоянно и ограничивает ток в низкоомной первич- ной цепи, а второй резистор выполняет роль доба- вочного резистора, как и в классической контактной системе зажигания. • Катушки зажигания, рассчитанные для работы с транзисторным ключом, являются мощными потре- бителями электрической энергии. Следует помнить, что если на автомобиле, оборудованном электронной системой зажигания, выйдет из строя генераторная установка, то на аккумуляторной батарее можно про- ехать всего несколько десятков километров, тогда как на автомобиле с контактной системой зажигания в аналогичном случае — сотни километров. • Катушки контактно-транзисторных и транзис- торных систем зажигания имеют классическую кон- струкцию и выполнены по традиционной технологии: они маслонаполненные, с разомкнутым магнитопро- водом и в металлическом корпусе. От катушек кон- 104
Автомобильные катушкизажигания тактной системы зажигания они отличаются только обмоточными данными. Расход обмоточной меди у них по сравнению с катушками обычной контактной системы больше в 1,2...1,3 раза за счет увеличения диаметра провода первичной обмотки и увеличения числа витков вторичной. Выходные характеристики катушек контактно-транзисторных и транзисторных систем зажигания близки к характеристикам кату- шек контактных систем. Однако последним они усту- пают по скорости нарастания вторичного напряже- ния (100...200 В/мкс) и, как следствие, более чувст- вительны к влиянию нагара на свечах. • В электронных системах зажигания высокой энергии с нормированным временем накопления (временем протекания первичного тока) применяют- ся катушки зажигания, аналогичные по конструкции вышерассмотренным: они имеют автотрансформа- торную схему соединения обмоток и разомкнутый магнитопровод. Но поскольку эти катушки развивают повышенное вторичное напряжение при работе на открытую цепь (до 35 кВ), их высоковольтная изоля- ция усилена. Кроме того, при выборе параметров ка- тушек для современных электронных систем зажига- ния учитываются следующие особенности работы этих систем: — длительность импульсов первичного тока фор- мируется таким образом, чтобы имел место минимум рассеиваемой мощности в катушке и на силовом транзисторе коммутатора; — время протекания первичного тока зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя и на- пряжения питания; — амплитуда импульсов первичного тока ограни- чивается на уровне 6,5...10 А в зависимости от типа электронного коммутатора; — при неработающем двигателе, но включенном зажигании, ток в первичной обмотке катушки зажи- гания не протекает. • Конструктивная особенность катушек зажига- ния, применяемых в электронных системах с норми- руемым временем накопления энергии, — наличие специального защитного клапана в высоковольтной крышке или в линии завальцовки крышки с корпу- сом. Этот клапан открывается в случае увеличения давления масла, что имеет место при повышении его температуры. Срабатывание клапана — это аварий- ная ситуация, возникающая тогда, когда выходит из строя система управления временем накопления энергии в электронном коммутаторе. При этом дли- тельность протекания первичного тока увеличивает- ся, катушка сильно нагревается и давление масла внутри ее корпуса повышается. Срабатывание за- щитного клапана предотвращает взрыв катушки. Но после этого катушка восстановлению не подлежит. Представительницей таких катушек является катуш- ка 27.3705, которая широко применяется в составе электронной системы зажигания, например, на авто- мобилях ВАЗ-2108, ВАЗ-2109. Эта катушка и подоб- ные ей работают без добавочного резистора, а ста- бильные выходные характеристики системы зажига- ния при пуске двигателя (при снижении напряжения питания до 6...7 В) обеспечиваются за счет низкого сопротивления первичной обмотки (0,4...0,5 Ом). 11.4. Катушки зажигания микропроцессорных систем зажигания В современных микропроцессорных системах за- жигания с накоплением энергии в индуктивности распределение высоковольтных импульсов по све- чам в цилиндрах двигателя осуществляется без высо- ковольтного распределителя и чаще всего с приме- нением двухвыводных катушек зажигания. Такой способ иногда называют статическим распределени- ем. Система зажигания с двухвыводными катушками пригодна для работы на четырехтактном двигателе с любым четным числом цилиндров (2, 4, 6, 8...). На рис. 11.3 показана схема выходного каскада системы зажигания для 4-х цилиндрового ДВС. Чтобы чередование воспламенений топливовоздушной сме- си в цилиндрах соответствовало порядку работы дви- гателя (1243 или 1342), первая свеча сгруппирована с четвертой, а вторая — с третьей. При таком соеди- нении свечей “рабочие" искры возникают в цилинд- рах в конце такта сжатия, а “холостые” искры — в конце такта выпуска. Ясно, что рабочие искры вос- пламеняют топливовоздушную смесь, а холостые — разряжаются в среде отработавших газов. • Первые двухвыводные катушки зажигания бы- ли изготовлены на базе традиционных одновыводных катушек с разомкнутым магнитопроводом в маслона- полненном металлическом корпусе. Они имели увели- ченные габариты и массу и значительно отличались А Рис. 11.3. Схема низковольтного распределения импульсов высокого напряжения с двумя двухвыводными катушками: А — выходной каскад двухканального электронного комму- татора; VT1, VT2 — транзисторы коммутатора; TV1, TV2 — катушки зажигания; FV1-FV4 — искровые свечи. 105
Глава 11 от прототипа по конструкции. Такие катушки не на- шли широкого применения. Разработка новых полимерных материалов, обла- дающих высокими диэлектрическими свойствами, позволила создавать так называемые “сухие" двух- выводные катушки зажигания. • Двухвыводная катушка зажигания (рис. 11.4) имеет разомкнутый магнитопровод и двухсекцион- ную вторичную обмотку. Вторичная обмотка располо- жена сверху первичной, что обеспечивает надежную изоляцию выводов высокого напряжения. Охлажде- ние первичной обмотки — через центральный стер- жень магнитопровода, который выступает наружу и имеет крепежное отверстие. Обмотки катушки про- питаны компаундом и опрессованы полипропиленом, из пропилена выполнены также корпус, гнезда высо- ковольтных и низковольтных выводов. • В настоящее время все большее распростране- ние получают трансформаторы зажигания, т.е. двух- выводные катушки зажигания с замкнутым магнито- проводом 1 (рис. 11.5). В таких катушках вторичная обмотка 3 имеет каркасную секционную намотку, позволяющую уменьшить вторичную емкость и уси- лить изоляцию вторичной обмотки. Катушка имеет пластмассовый каркас 9, в который вмонтированы обмотки. При сборке обмотки заливаются эпоксид- ным компаундом 8. Катушка в сборе с обмотками и выводами представляет собой монолитную конструк- цию с высокой стойкостью к механическим, электри- ческим и климатическим воздействиям. Сердечник катушки 1, набранный из тонких листов электротех- нической стали, состоит из двух симметричных поло- вин, при стягивании которых в центральном стержне образуется зазор 0,3...0,5 мм для некоторого увели- чения индуктивности первичной обмотки повышаю- щего трансформатора (см. поз. 7, рис. 11.5). Наличие замкнутого магнитопровода позволяет уменьшить габариты и вес катушки, повысить КПД 7 Рис. 11.4. Двухвыводная катушкв зажигания с разомкнутым магнитопроводом: а — внешний вид; б — катушка в разрезе; 1 — магнитопровод М с крепежным отверстием А; 2 — первичная обмотка W1.3 — кор- пус; 4 — вторичная обмотка W2; 5 — высоковольтные выводы; 6 — заливка полипропиленом; 7 — низковольтные выводы. Рис. 11.5. Двухвыводная катушка зажигания с замкнутым магнитопроводом: а — внешний вид; б — катушка в разрезе; 1 — замкнутый магнитопровод М с воздушным зазором; 2 — первичная об- мотка W1; 3 — вторичная обмотка W2; 4 — корпус (стяж- ные элементы магнитопровода); 5 — высоковольтные выво- ды; 6 — низковольтные выводы; 7 — воздушный зазор в центральном керне магнитопровода; 8 — заливка катушки полипропиленом; 9 — пластмассовый каркас. 106
Автомобильные катушки зажигания преобразования энергии, уменьшить расход обмо- точного провода и электротехнической стали, улуч- шить параметры искрового разряда, снизить трудо- емкость изготовления. • В некоторых модификациях микропроцессорных систем зажигания применяются четырехвыводные ка- тушки зажигания, состоящие из двухвыводных кату- шек, собранных на общем Ш-образном магнитопрово- де (рис. 11.6). В такой конструкции общим элементом является средний стержень магнитопровода, а взаим- ное влияние двух катушек друг на друга исключается с помощью двух воздушных зазоров 5. Величина этих зазоров может достигать 1...2 мм, чем увеличивается магнитное сопротивление в магнитопроводе и дости- гается развязка каналов. • Более распространенной является схема четы- рехвыводной катушки с высоковольтными диодами (рис. 11.7), которая содержит две встречно намотан- ные первичные обмотки и одну вторичную. Поляр- ность вторичного напряжения определяется направ- лением укладки витков в первичных обмотках. Если в точке S (см. рис. 11.7) напряжение имеет положи- тельную полярность, то открываются высоковольтные диоды VD1, VD4 и в соответствующих цилиндрах дви- гателя появляются искровые разряды (рабочая и хо- лостая искры). Вторая первичная обмотка намотана в Рис. 11.6. Четырехвыводная катушка зажигания с двумя воздушными зазорами в магнитопроводе: а — схема включения катушки: б — электрическая схема ка- тушки, VT1, VT2 — транзисторы двухканального коммутато- ра: Wl, W2 — первичная и вторичная обмотки; б — воздуш- ный зазор; FV1-FV4 — свечи зажигания; М — Ш-образный магнитопровод; N — соединительное ярмо магнитопровода. Рис. 11.7. Электрическая схема включения четырехвыводной катушки с высоковольтными диодами: VD1-VD4 — высоковольтные диоды; А — выходной каскад; TV — трансформатор зажигания; остальные обозначения по рис. 11.6. обратном направлении, и при прерывании в ней тока полярность вторичного напряжения в точке S изме- нится на отрицательную. При этом искровые разряды возникнут в двух цилиндрах двигателя со свечами FV2 и FV3. Для исключения взаимного влияния первичных обмоток в период образования импульсов высокого напряжения к их выводам низкого напряжения под- ключены разделительные диоды VD5, VD6. • К общим недостаткам систем зажигания с двух- и четырехвыводными катушками относится разнопо- лярность высоковольтных импульсов относительно “массы" автомобиля на спаренных свечах зажига- ния. За счет этого пробивное напряжение в свечах может отличаться на 1,5...2 кВ. * В системах зажигания с накоплением энергии в емкости катушка зажигания выполняет функцию только повышающего импульсного трансформатора, ее габариты при этом могут быть значительно умень- шены. Это позволяет изготовлять индивидуальные катушки зажигания для каждой свечи в отдельности и монтировать их непосредственно на свечах. Для та- кой системы не нужны высоковольтные провода, ко- торые являются источником радиопомех. Кроме то- го, исключается холостая искра. Вторичное напряже- ние несколько увеличивается и имеет только отрица- тельную полярность, что продлевает срок службы свечи зажигания. Для микропроцессорных систем зажигания с на- коплением энергии в индуктивности выпускаются ин- дивидуальные одновыводные катушки зажигания с замкнутым магнитопроводом — так называемые трансформаторы зажигания (см. рис. 11.8). • Катушки, работающие в составе современных электронных и микропроцессорных систем зажига- ния с накоплением энергии в индуктивности, обеспе- чивают высокие выходные характеристики: — максимальное вторичное напряжение до 35 кВ; — скорость его нарастания >700 В/мкс; 107
Глава 11 — суммарная длительность фаз искрового разря- да 2,0...2,5 мс; — энергия искрового разряда 80...100 мДж. Высокий уровень вторичного напряжения и пара- метров искрового разряда способствует выполнению жестких требований, предъявляемых к современному автомобильному двигателю по экономичности и ток- сичности. Повышение скорости нарастания вторично- го напряжения делает систему зажигания менее чув- ствительной к нагарообразованию на тепловом кону- се искровой свечи. Однако при этом на 20...30% воз- Рис. 11.8. Одновыводная катушка (трансформатор) зажигания: а — отечественного производства для систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности; б — производства фирмы BOSCH для систем зажигания с индуктивным накопи телем; 1 — свеча зажигания; 2 — высоковольтный вывод; 3 — многосекционная вторичная обмотка W2; 4 — первич- ная обмотка W1; 5 — сердечник магнитопровода М; 6 — низковольтный вывод; 7 — наружная заливка полипропиле- ном; 8 — изоляционный каркас для вторичной обмотки. растает пробивное напряжение на свечах, что объяс- няется соизмеримостью времени формирования ис- крового разряда в свече со временем нарастания на ней вторичного напряжения. При большом запасе по вторичному напряжению это не принципиально. 11.5. Техническое обслуживание Катушка зажигания — достаточно надежный ап- парат электрооборудования автомобиля, поэтому ее техническое обслуживание сведено к минимуму. • Прежде всего катушка должна быть чистой, как и другие высоковольтные элементы системы за- жигания. Часто после мойки автомобиля наличие влаги на крышке катушки зажигания является причи- ной отказа пуска двигателя. Поэтому в тех случаях, когда влага может попасть в моторный отсек авто- мобиля (мойка, дождь, длительная стоянка при повы- шенной влажности воздуха), перед поездкой необхо- димо просушить или насухо обтереть высоковольт- ные элементы системы зажигания. Особое внимание следует обратить на вывод высокого напряжения ка- тушки зажигания. Не вставленный до упора в гнездо катушки высоковольтный провод может привести к пробою изоляции, который обнаруживается по про- гару крышки или выплавлению пластмассового по- крытия (оболочки) корпуса. Если высоковольтный контакт в катушке почернел, но его изоляция не на- рушена, контакт зачищают до блеска мелкой шкур- кой, свернутой трубочкой. Таким же образом следу- ет обработать наконечник высоковольтного прово- да. После зачистки убеждаются в плотной посадке провода в контактное гнездо. При необходимости на- дежность контакта достигается увеличением шири- ны прорези наконечника высоковольтного провода. Рис. 11.9. Переносной разрядник: 1 — разрядные шары; 2 — микрометр; 3 — тефлоновый лимб микрометра; 4 — изоляционная подставка; 5 — кон- тактные гнезда для подключения высоковольтных прово- дов; 6 — измерительная шкала микрометра; 7 — высоко- вольтные соединительные провода разрядника; ТР — двух- выводная катушка зажигания с первичной W1 и вторичной W2 обмотками; о — измеряемый зазор между шарами; Unp — пробивное напряжение на выводах вторичной об- мотки катушки зажигания. 108
Автомобильные катушки зажигания Таблица 11.1 Системы зажигания Тип катушки Первичная обмотка Сопротивление, Индуктивность. Ом | мГн Вторичная обмотка Сопротивление, Индуктивность, кОм Гн Коэффициент трансформации Сопротивление добавочного резисторе, Ом Применяемость Ы15В 1,5-1,7 7,3-7,6 6,1...6.8 32.. 35 88 0.9...1.0 ГАЗ. УАЗ. ЗАЗ. АЗЛК. ИЖ Б117А 3.1...3,4 10...11 6,3—9,2 44-48 76 без резистора ВАЗ-2101.2107 Контактно- транзисторная Б114Б 0.37...0.41 2,9...3,4 21...23 174... 179 227 1.0... 1,04 ГАЗ-3102 Тр11змсторная Е116 0,76—0,8 5Д..5.6 15.6...16.5 90...111 153 1.0...1.04 ГАЗ-24-10, -11; ГАЗ-31029; ГАЗ-33021 Электронная, РФ 27.3705 0.4...0.5 3,7...3,8 4.5..Д5 22-25 82 без резистора ВАЗ-2108, -2109 Электронная, фирмы Bosch* 0.221.122.022. 0.52...0.76 2.0...3.2 2.4...3.5 18...20 80 без резистора AUDI-100, выпуск до 1989 г Микропроцессорная 29 3705* 0,45-0,55 4.1 ...4,4 11.0...12.5 27. 29 90 без резистора ВАЗ-21083, -21093. -2110 J 3009 3705** 0,4-0,55 5,6...6.2 6.3...6.4 27...32 70 без резистора 'Двухвыводная с разомкнутым магнитопроводом (см. рис. 11.4); ** Двухвыеодная с замкнутым магнитопроводом (см. рис. 11 5) Обеспечение надежного крепления катушки к ку- зову автомобиля предупреждает появление механи- ческих повреждений и улучшает ее охлаждение. Кро- ме того, в контактно-транзисторных и транзисторных системах зажигания с катушками типа Б114, Б116, у которых обмотки имеют трансформаторную связь, предотвращается выход из строя силового транзис- тора коммутатора. • Неисправность катушки классической конструк- ции можно обнаружить внешним осмотром с после- дующей проверкой ее работоспособности “на искру”. Внешним осмотром могут быть найдены трещины и электрические прожоги на крышке вокруг высоко- вольтного вывода. Для проверки катушки “на искру" отсоединяют центральный высоковольтный провод от распределителя и располагают его на расстоянии 5... 10 мм от корпуса двигателя. Затем стартером прокручивают коленчатый вал двигателя и наблюда- ют за искрообразованием в зазоре между наконеч- ником высоковольтного провода и “массой”. В кон- тактной системе зажигания проверять ценообразо- вание можно без вращения коленчатого вала. Для этого снимают крышку распределителя и устанавли- вают контакты прерывателя в замкнутое состояние. Затем, включив зажигание рычажком прерывателя или ротором распределителя, размыкают и замыкают контакты. Бесперебойное искрообразование свиде- тельствует об исправности катушки зажигания. • Двухвыводные катушки зажигания микропро- цессорных систем и электронных систем зажигания высокой энергии проверяют “на искру” с применени- ем специального переносного разрядника (рис. 11.9). Это делается для того, чтобы не получить трав- му или не вывести из строя электронные приборы на автомобиле. С помощью разрядника можно доста- точно точно измерить вторичное напряжение 11пр на любой катушке зажигания. Размер зазора между шарами разрядника почти линейно зависит от прило- женного к ним напряжения в момент появления ис- кры (см. график на рис. 11.9). При отсутствии искры в зазоре между корпусом двигателя и наконечником провода, отсоединенного от центрального вывода распределителя, или между электродами разрядника проверку катушки заверша- ют измерением сопротивлений обмоток. Если изме- ренные значения сопротивлений соответствуют нор- мальным (см. табл. 11.1), а высоковольтной искры не возникает, то в катушке может иметь место высо- ковольтный (неконтролируемый простым способом) пробой изоляции между витками или на корпус. Та- кая неисправность может быть обнаружена только на специальном испытательном стенде. В любом слу- чае катушка зажигания, в которой обнаружены неис- правности, не ремонтируется и подлежит замене. • В заключение следует отметить, что при напи- сании настоящей главы использовалась, в основном, информация по отечественным катушкам зажига- ния. Что касается катушек зажигания импортных ав- томобилей, то они имеют очень схожие параметры и конструктивные показатели, так как рассчитываются и изготовляются по совершенно аналогичным прин- ципам. Отсюда ясно, что замена импортных катушек зажигания отечественными возможна и вполне до- пустима. Следует только иметь ввиду, что катушки за- жигания от разных типов систем зажигания не взаи- мозаменяемы, например, батарейная катушка зажи- гания не будет работать в электронной системе и на- оборот — их параметры совершенно различны. При замене катушки зажигания на ее место под- бирают катушку со схожими рабочими параметрами, которые не должны отличаться более чем на 20...30%, а сами катушки должны иметь одинаковое конструктивное исполнение. В табл. 11.1 в качестве примера желтой строкой выделены параметры взаимозаменяемых катушек зажигания. 109
= Глава двенадцатая ............— ФАРЫ СОВРЕМЕННЫХ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ Фронтальные фары современных легковых автомобилей исключительно разнообразны как по конструкции, так и по внешнему виду. Но их формы, размеры, цвет и светимость обязательно отвечают строгим международным правилам. С созданием новых моделей автомобилей с обтекаемой формой передней части кузова появилась необходимость в разработке и освоении выпуска новых конструкций фронтальных фар. Их описанию посвящена данная глава. 12.1. Универсальные автомобильные фары Фара — это электрический фонарь в передней части автомобиля, предназначенный для освещения ввтодороги в темное время суток. Такой фонарь мо- жет быть выполнен как лампа-фара или как фара со сменной электролампой. В настоящее время наибо- лее распространены фары второго типа. По функциональному назначению левая и правая фары совершенно идентичны, но их конструктивное исполнение неодинаково и поэтому они, как прави- ло, не взаимозаменяемы. • Прежде фары имели конструкцию простого од- нолучевого электрического фонаря, в состав которо- го входили сферический отражатель с зеркальным покрытием, круглое гладкое защитное стекло и обыч- ная электролампа накаливания мощностью 20...30 Вт. Позже, когда скорости движения автомобилей возросли до 100 км/ч и более, отражатели в фарах стали параболическими, а электролампы более мощ- ными (до 100 Вт). Фронтальный свет стал более яр- ким, более узким и более “далеким”, а значит, и бо- лее неблагоприятным (слепящим) для водителей встречного автотранспорта. Свет фар стали разде- лять на дальний и ближний. В простом варианте для этого достаточно устано- вить впереди автомобиля четыре фары — две для дальнего и две для ближнего освещения дороги. Фа- ры ближнего света устанавливаются поближе к габа- ритным фонарям, а дальнего — к центру автомобиля. Но четыре фары — это двойная цена за “правиль- ный свет" и своеобразный дизайн передней части автомобиля. Не каждому покупателю это нравится. • Были разработаны двухлучевые универсаль- ные фары. Первые из них оставались круглыми, но со време- нем круглые универсальные фары стали заменяться прямоугольными, которые отличаются лишь тем, что вертикальный размер их отражателя несколько усе- чен, а горизонтальный — увеличен. В универсальной фаре используется одна электро- лампа, но с двумя нитями накаливания. Электронити помещаются в общую вакуумную колбу лампы и раз- носятся друг от друга на строго определенное рассто- яние. Этим достигается необходимое положение двух точечных источников света в параболическом отражателе фары относительно его оптического фо- куса. Первая нить накаливания для дальнего света устанавливается в центральном фокусе отражателя и по оси свечения экранируется светонепроницае- мым диском. Вторая электронить формирует направ- ление луча ближнего света. И чтобы этот луч не сле- пил, его нужно наклонить вниз ниже уровня глаз во- дителя встречного транспорта, находящегося на уда- лении 50 м, а также отвести его в сторону правой обочины на некоторый угол. Осуществить такую пе- реориентацию светового луча в универсальной фаре можно четырьмя способами (рис. 12.1): а) Смещением нити накаливания из фокуса пара- болического рефлектора вперед (луч расширяет- ся, см. рис. 12.1, а) и вверх (луч наклоняется вниз, см. рис. 12.1, б), а также влево (луч развора- чивается вправо, см. рис. 12.1, в). С таким смеще- нием нити ближнего света изготавливаются электро- лампы по американскому стандарту. Световое пятно от фары ближнего света на контрольном экране по- лучается таким, как показано на рис. 12.2, а. б) Смещением нити накаливания вперед с уста- новкой под ней теневого экрана (луч, отраженный только от верхней части рефлектор, наклоняется вниз, см. рис. 12.1, г). Ранее этот способ применял- ся при изготовлении электроламп для симметричного ближнего света. в) Срезом или разворотом левой части теневого экрана на угол a = 15° (световой луч раскрывается вниз и вправо, см. рис. 12.1, д). Такой способ фор- мирования луча применяется в фарах асимметрично- го ближнего света по европейскому стандарту (рис. 12.2, б). г) Наклоном или разворотом отражателя фары в нужном направлении. Переориентация отражателей фар реализуется с помощью корректора их положе- ния. На рис. 12.3 показаны наиболее распространен- ные конструкции корректоров положения фар. Следу- ет также отметить, что отражатель (рефлектор) совре- 110
Фары современных легковых автомобилей менной автомобильной фары помещается за защит- ным фронтальным стеклом, которое используется как окончательный оптический корректор световых лучей. Рис. 12.1. К пояснению способов формирования луча ближнего света: А — луч при положении нити накаливания в фокусе отража- теля (сфокусированный луч); а — луч расфокусирован осе-' вым смещением нити вперед (для однонитевых фар старой конструкции); б — расфокусированный луч, смещенный вниз поднятием нити вверх; в — луч, смешенный вниз и вправо поднятием нити вверх и смешением влево (американский ближний свет); г — луч, смешенный вниз теневым экраном под нитью (симметричный ближний свет); д — луч, смещен- ный вниз и вправо усечением слева теневого экрана под асимметричной нитью (асимметричный европейский ближ- ний свет); а‘, б', в', г', д' — световые пятна на дорожном по- лотне; 0 — оптическая ось параболического отражателя; Т — теневой экран под нитью накаливания; х — осевая ли- ния отражателя; S — раскрыв луча; а - угол наклона экрана. Рис. 12.2. Световое пятио иа контрольном экране от фары ближнего света: а — по американскому стандарту; б — по европейскому стандарту; L — осеввя линия отражателя; 0 — центр светового пятна. Рис. 12.3. Корректоры положения фар: а — механический корректор с натяжным троссиком TH; б — корректор с гидронагнетателем ГН; в — корректор с механическим управлением М от положения колес; г — кор- ректор с ЭБУ и электроприводом ЭП. 111
Глава 12 12.2. Специальные фары Со временем легковые автомобили стали приоб- ретать все более обтекаемую форму, чем достига- лось уменьшение аэродинамического сопротивления движению на больших скоростях. Появились низкие “приземистые” автомобили, у которых передняя часть кузова (от бампера до капота) стала очень уз- кой, размещение фронтальных фар на которой стало сложной технической проблемой. Автомобилестрои- тельные фирмы решают эту проблему по-разному. • Есть системы фронтального освещения (напри- мер, на японских автомобилях "Mazda"; на американ- ских — “Pontiac") с поднимающимися из крыльев фа- рами. Для подъема фар используется сервопривод. Система имеет то преимущество, что стекла фар боль- шую часть времени защищены от воздействия абра- зивных частиц, мелких камней и дорожной грязи. Но из-за наличия фароподъемников система обладает не- достаточно высокой эксплуатационной надежностью, кроме того поднимающиеся над крыльями фары явля- ются некоторой помехой для обзора дороги. • Другое решение предложила немецкая фирма Hella, которая разработала эллипсоидные фары фронтального света (рис. 12.4). В таких фарах уста- навливается удлиненный эллипсоидный отражатель, который может иметь малый диаметр. Это позволяет монтировать фары в узкую полоску передней части обтекаемого автомобиля. Световой луч, сформиро- ванный эллипсоидным отражателем, корректируется системой параболических зеркал на отражателе и фиксируется оптической линзой. Окончательная кор- рекция светового луча реализуется оптикой защитно- го стекла. Эллипсоидные фары изготавливаются от- дельно для дальнего и ближнего света. Недостатки таких фар — это сложная технология изготовления и, как следствие, высокая стоимость. • Фирма Lucas (Англия) разработала специаль- ную двухлучевую фару с гомофокальным отражате- лем. Это такой отражатель, в объемном пространст- ве которого объединены воедино несколько усечен- ных параболических отражателей с разными фокус- ными расстояниями, но фокусы которых помещены в общую фокальную точку. Гомофокальная фара мо- жет быть узкой, изогнутой и асимметричной по отно- шению к центральному направлению света. Это по- зволяет устанавливать ее на автомобиле с любой формой передней части кузова. Ее недостатки те же, что и у эллипсоидной фары, а также то, что для изготовления многопрофильного отражателя требу- ется специальная термостойкая пластмасса. • Современные круглые и прямоугольные фары с двухнитевой электролампой и с общим отражателем для дальнего и ближнего света в настоящее время начинают устаревать. Дело в том, что луч дальнего света от универсальных фар имеет нежелательно широкий горизонтальный раскрыв, а луч ближнего света за счет теневого экранирования — жесткую контрастную границу перехода от затемненного к светлому участку (см. рис. 12.2, б). Такое освещение дороги нерационально. Дальний свет скоростного автомобиля должен иметь узконаправленный, но дальнобойный луч, а ближний свет не должен иметь контрастной грани- цы. Контрастность освещения дороги при высокой скорости движения автомобиля приводит к напря- женному восприятию водителем дорожной ситуации. Глаза водителя быстро устают, а психика перенапря- гается. Теперь разрабатываются фары с более раци- ональным фронтальным светом и имеющие совре- менный внешний вид. Рис. 12.4. Эллипсоидная фара “Hella”: 1 — рассеивающая линза; 2 — передняя часть корпуса; 3 — задняя часть корпуса; 4 — однонитевая галогенная лампа; 5 — цоколь в ламподержателе; 6 — контактная фишка с проводом; 7 — корректирующий профиль отража- теля; 8 — эллипсоидный (удлиненный) отражатель; 9 — ли- ния разъема корпуса фары; 10 — корпус фары. 12.3. Многофункциональные фары Создавать фронтальные фары с малым размером по высоте и с эффективной светоотдачей можно с применением длинных эллипсоидных отражателей. Такие отражатели позволяют делать однолучевые фары, как ближнего, так и дальнего света, малогаба- ритными и помещать их за общим защитным стек- лом. Получается моноблок фронтального света. Же- лание иметь на автомобиле моноблочную конструк- цию фары продиктовано не только современным ди- зайном, но и необходимостью промывать и очищать защитное стекло на ходу автомобиля. Ясно, что это проще реализовать на стекле моноблока. В моноблоке размещаются не только фары, но и все остальные фронтальные фонари (габерит- ные огни, противотуманные фары, указатели пово- ротов). Таким образом, сам моноблок теперь ста- 112
Фары современных легковых автомобилей новится многофункциональной передней фарой. Такие фары в последнее время находят широкое применение. • Немецкая фирма BOSCH предложила так назы- ваемую тройную фару (рис. 12.5), которая объединя- ет в себе функции дальнего, ближнего, стояночного и противотуманного света. Сбоку к такой фаре “при- стегивается” или устанавливается непосредственно в моноблоке фонарь указателя поворота. Начиная с 1994 года такие фары (несколько измененных конст- рукций) устанавливаются на автомобилях “Volkswagen", “Audi”, “Opel”. Особенностью многофункциональных фар являет- ся то, что каждый из фронтальных фонарей имеет свой собственный, отдельный от других, оптический отражатель. Здесь больше не используются двухни- тевые электролампы, а каждый отражатель рассчи- тан с помощью компьютера таким образом, чтобы наиболее полно соответствовать назначению данно- го фонаря. Отражатель в фонаре ближнего света выполнен в виде разнопрофильных зеркал, каждое из которых ориентировано в нужном направлении. Это позволя- ет использовать всю поверхность отражателя (а не половину, как в обычных универсальных фарах) и от- казаться от теневого экранирования. При этом ос- лепление встречного водителя уменьшается на 30%, а яркость освещения дороги увеличивается на 20%. Для многофункциональных фар разработана новая галогенная однонитевая электролампа Н7 (фирма HELLA). Эта лампа более надежна, так как потребля- ет меньше электроэнергии (45 Вт), чем ее прото- тип — лампа Н1 (55 Вт). В описываемой тройной фаре лампа Н7 использу- ется для дальнего и ближнего света. В фонаре про- тивотуманного света установлена лампа Н1 прежней конструкции. • Для автомобилей высокого потребительского класса многофункциональные фары изготавливаются с применением всех известных способов повышения эффективности фронтального освещения. Фирма BOSCH выпускает новые фарные моноблоки "Litronic" (Litronic — в переводе с нем. означает “свет с элек- тронным управлением”). Внешний вид моноблока по- казан на рис. 12.6. В его конструкцию входят: а) фонарь дальнего света с галогенной лампой 6 типа Н7 (45 Вт) или НВЗ (60 Вт) и со сплющенным па раболическим отражателем 9; б) фонарь ближнего света 4 с газоразрядной лам- пой 5 типа D2S (35 Вт), с эллипсоидным малогабарит- ным отражателем и с рассеивающей линзой; в) противотуманный фонарь с галогенной лампой НЗ, с миниатюрным параболическим отражателем и с рассеивающей линзой; г) лампа 10 габаритного огня (5 Вт), установлен- ная в отражателе 9 дальнего света; д) фонарь 1 указателя поворотов, который уста- новлен на корпусе 8 фары сбоку и закреплен специ- альными пластмассовыми замками; е) корректор положения блока отражателей с электронно-управляемым электроприводом (поз. 13); ж) съемное защитное стекло 3 с корректирующей оптикой для ближнего и без оптики для дальнего све- та (устанавливается в пластмассовом корпусе 8 мо- ноблока на пружинных фиксаторах). Фары “Litronic” имеют несколько модификаций. Так, фара “Litronic-Bosch” О 301 047 202, блок отра- жателей которой показан на рис. 12.7, разработана специально для автомобиля “Audi-AB”. Она снабжена Рис. 12.6. Многофункциональная фара “Litronic”: 1 — фо.1арь правого указателя поворота; 2 — лампа фона- ря (21 Вт); 3 — защитное (фронтальное) стекло моноблока; 4 — эллипсоидный отражатель фонаря ближнего света; 5 — газоразрядная лампа (35 Вт); 6 — галогенная лампа (45 Вт): 7 — резиновое обрамление защитного стекла; В — пластмассовый корпус моноблока; 9 — параболический от- ражатель фонаря дальнего света; 10 — лампа габаритного огня (5 Вт); 11 — электронное устройство управления; 12 — высоковольтный блок зажигания для газоразрядной лампы; 13 — установочное место для корректора положения отражателей. 113
Глава 12 корректором положения отражателей, электронным блоком управления и прибором высоковольтного за- жигания для газоразрядной лампы (см. рис. 12.6). Эти устройства устанавливаются для каждой фары в отдельности на ее пластмассовом корпусе. • Газоразрядная лампа — это новый компонент в современной фаре. Светоотдача газоразрядной лампы в три раза выше по сравнению с галогенной лампой той же мощности. Очень интересным и важным новым качеством фонаря ближнего света на газоразрядной лампе яв- ляется тот факт, что он излучает свет, близкий к спе- ктру солнечного луча. Такой свет позволяет форми- ровать с помощью многопрофильного отражателя световое пятно на автодороге без контрастной гра- ницы перехода от светлого к темному. Это делает фару ближнего света еще более со- вершенной, так как активная безопасность движе- ния автомобиля в ночное время повышается. Все составные компоненты фары “ Litronic” (за- щитное стекло, электролампы, электронный блок уп- равления и коррекции, прибор зажигания) можно за- менять по отдельности и переставлять из одной фа- ры (кроме стекла) в другую. • В самое последнее время для многофункцио- нальных фар разработан фронтальный фонарь даль- Рис. 12.7. Блок отражателей фары ‘Litronic’ для аатомобиля‘Аи<11-А8’: 1 — фара ближнего света (БС); 2 — опора для водила кор- ректора положения блока отражателя; 3 — направляющая для винта ручной подстройки положения блока отражателя; 4 — эллипсоидный отражатель фары БС; 5 — держатель га- зоразрядной лампы; 6 — литье основания (силумин); 7 — патрон галогенной лампы для фары дальнего светв (ДС); 8 — вентиляционная щель для галогенной лампы ДС; 9 — параболический многопрофильный (гомофокальный) отра- жатель фары ДС из термостойкой пластмассы; 10 — многопрофильное покрытие зеркального отражателя фары ДС; 11 — корректирующие поверхности отражателя ДС; 12 — фара противотуманного и дополнительного дальнего света; 13 — фиксирующая линза фары 12; 14 — рассеива- ющая линза фары БС. Рис. 12.8. Фоиарь дальнего света со светоаодом: 1 — корпус фонаря; 2 — поворотная опора для световода; 3 — световод (стекловолоконный жгут); 4 — электролампа; 5 — блок оптических линз, формирующих световой луч; 6 — линза торца световода; 7 — фиксатор опоры; 8 — входная апертура световода. него света с применением стекловолоконной оптики. Одна из возможных конструкций такого фонаря по- казана на рис. 12.8. Торец световода полируется по форме рассеива- ющей линзы 6, и рефлектор отражателя практически не нужен. Это позволяет делать фару очень малых размеров (с диаметром менее 50 мм). Второй осо- бенностью фонаря со стекловолоконным жгутом 3 является то, что электролампа 4 находится вне объе- ма корпуса 1 фары. Теперь корпус, отражатель, рас- сеивающая линза, защитное стекло и все прочие де- тали фары могут изготовляться из пластмассы. Ма- лые размеры позволяют создавать многофункцио- нальные моноблоки фронтальных фар любой конфи- гурации, а расположенная вне отражателя фары эле- ктролампа более не является источником теплового излучения. Использование в стекловолоконном фонаре газо- разрядной электролампы делает луч дальнего света наиболее оптимальным. 12.4. Электролампы для автомобильных фар До недавнего времени в качестве источника света в автомобильных фарах применялись только электро- лампы с нитью накаливания. Самые простые из них — лампы с одной нитью в колбе силикатного стекла, из которой откачан воздух. Нить накаливания изготавли- вается в виде спирали, навитой из вольфрамовой про- волоки. Концы нити привариваются микросваркой к фиксирующим стойкам из никеля, которые одновре- менно являются электрическими выводами. Основным светотехническим параметром любой электролампы является так называемая световая от- дача, которая характеризует фотометрический КПД лампы. Светоотдача измеряется в люменах светово- 114
Фары современных легковых автомобилей го потока, приходящихся на один ватт электрической мощности, потребляемой лампой. Светоотдача воль- фрамовой нити накаливания, помещенной в вакуум- ную колбу из силикатного стекла, не превышает 20 лм/Вт. • В настоящее время обычные лампы накалива- ния применяются в основном в сигнальных наружных фонарях мощностью не более 25 Вт. В современных универсальных фарах устанавливаются двухнитевые электролампы (рис. 12.9). Их принципиальное отли- чие от маломощных ламп для сигнальных фонарей со- стоит в том, что обе нити накаливания устанавлива- ются с очень высокой точностью по отношению к фиксатору на цоколе. Этим обеспечивается необходи- мое для универсальных фар строго определенное по- ложение нитей в оптическом отражателе фары. • Самыми эффективными из ламп с нитью нака- ливания являются так называемые галогенные лам- пы. Галогенная лампа (рис. 12.10) — это миниатюр- ная кварцевая цилиндрическая колба 7 (диаметр 10...17 мм, высота 16...34 мм), наполненная инерт- ным газом в смеси с парами галогена, в их среду по- мещена вольфрамовая нить (или нити 3 и 4) накали- вания. В таком случае светоотдача вольфрамовой нити может быть повышена. В обычной лампе нака- ливания вольфрам, испаряясь с поверхности нити при высокой температуре, оседает на внутренней стенке стеклянной колбы, что делает ее менее про- зрачной и нарушает теплообмен колбы с окружаю- щим воздухом. Срок службы лампы быстро сокраща- ется, и она перегорает. В галогенной лампе имеет место возвратный цикл, за счет которого вольфрам, осевший на стенках колбы, возвращается обратно на нить накаливания. Значительного затемнения стекла не происходит на протяжении всего срока службы лампы Для поддержания возвратного цикла Рис. 12.9. Двухиитевая лампа автомобильной фары: 1 — электрический контакт: 2 — установочный диск; 3 — нить дальнего света; 4 — теневой экран; 5 — нить ближне- го света; 6 — колба лампы; 7 — цоколь температура нити должна быть не менее 1400°С, а температура колбы не ниже 700°С. При этом рассто- яние от нити до стенки колбы должно быть минималь- ным. Этим объясняются малые размеры галогенной лампы и изготовление ее колбы из кварцевого стек- ла. Переносчиком вольфрама в возвратном цикле может быть любой галоген, обычно йод или бром, или их соединения. Механизм переноса заключается в следующем. Сначала пары галогена, например, йо- да, вступают в высокотемпературную химическую ре- акцию с тонкопленочным вольфрамом, осевшим на колбе. Образуется йодистый вольфрам Wl2, который тут же испаряется с горячей поверхности стекла. Со- прикасаясь с сильно разогретой вольфрамовой ни- тью, йодистый вольфрам снова разлагается на пары йода и вольфрам. Пары йода возвращаются к менее нагретой поверхности колбы, а вольфрам оседает на более горячей поверхности нити накаливания. Опи- санный возвратный цикл защищает нить накалива- ния от перегорания, что позволяет повысить ее ра- бочую температуру до 3500°С. Светоотдача лампы увеличивается более чем в полтора раза (до 30...35 лм/Вт). В этом заключается главное преиму- щество галогенных ламп. Однако галогенная лампа по продолжительности безотказной работы не превосходит обычные лампы накаливания. Это объясняется тем, что возвратный цикл в галогенной лампе используется не для продле- ния срока ее службы, а для увеличения яркости све- чения. И хотя вольфрам нити накаливания в возврат- ном цикле частично восстанавливается, но продол- жительность наработки на отказ не увеличивается. Рис. 12.10. К пояснению устройства и формирования иаправления светоаых лучей в двухнитевой кварцевой галогенной электролампе: 1 — электроконтакт; 2 — установочный диск цоколя: 3 — электронить дальнего света; 4 — электронить ближнего све- та; 5 — теневой экран; 6 — теневой колпачок; 7 — кварце- вая колба; 8 — цоколь; 9 — отражатель фары; а — наклон- ные лучи ближнего света; 6 — прямые лучи дальнего света. 115
Глава 12 Рис. 12.11. Газоразрядная лампа: 1 — высоковольтный контактный разъем на цоколе: 2 — цо- коль; 3 — кварцевая трубка; 4 — рабочая зона лампы; 5 — стержневой электрод лампы в керамической трубке; 6 — высо- ковольтный токовод в керамическом изоляторе; 7 — фиксатор. При этом галогенная лампа стоит намного дороже обычной. Это является главным ее недостатком. Вто- рой недостаток — высокая температура колбы, чем ограничивается использование галогенных ламп в пластмассовых фонарях. Галогенные, как и обычные электролампы с нитью накаливания, могут быть однонитевыми или двухни- тевыми. В последнем случае нити дальнего и ближне- го света устанавливаются так, как показано на рис. 12.10. Расположением нитей формируются лучи дальнего и ближнего света в универсальной (двухлу- чевой) фаре. • Свободными от недостатков, присущих галоген- ным лампам, оказались электродуговые газоразряд- ные лампы. Конструкция газоразрядной лампы, кото- рую выпускает фирма BOSCH, показана на рис. 12.11. Электродуговая лампа не имеет нити на- каливания, чем объясняется исключительно продол- жительный срок ее службы (более срока службы са- мого автомобиля). Стержневые электроды 5 лампы помещены в продолговатую кварцевую трубку 3 с шарообразной центральной частью 4. Объем цент- ральной части 0,7...0,9 см3. Трубка наполнена инерт- ным газом ксеноном. Ксенон выбран не случайно — его спектр свечения белый, со слабым зелено-голу- бым оттенком. Такой свет наиболее эффективен, так как он близок к спектру солнечных лучей. Электрод- ные стержни лампы покрыты специальными галоген- ными соединениями (галогенидами), которые защи- щают электроды от выгорания в электрической дуге. В данной лампе восстанавливается не металл (как вольфрам в обычной лампе), а галогенидовое покры- тие на торцах электродных стержней. Такие лампы потребляют меньше электроэнергии, а значит, мень- ше нагреваются и при этом обладают большей све- тоотдачей (до 90 лм/Вт). Так, газоразрядная лампа на 35 Вт светит ярче галогенной (на 55 Вт) — в два раза. Основной недостаток газоразрядной лампы — это инерционность ее возгорания, что совершенно недопустимо в автомобильных фарах. Чтобы газо- разрядная лампа загоралась быстрее, на нее прихо- дится подавать высокое (15...30 кВ) напряжение за- жигания. Происходит кратковре юнный высоко- вольтный искровой разряд при токе 2.5...3 А, и меж- ду электродами лампы мгновенно возникает электри- ческая дуга. Далее электронный блок управления ус- танавливает в дуге ток 0,35 ..0,45 А и лампа начина- ет работать устойчиво от преобразователя напряже- ния 100 В/400 Гц при напряжении бортсети автомо- биля 12 В. Газоразрядная лампа допускает импульс- ный режим работы, что удобно при реализации мощ- ных световых спецсигналов. Если напряжение в бортсети резко падает, газоразрядная лампа может погаснуть, но тут же зажигается вновь от электронного устройства зажигания. Необходимость применения высоковольтного за- жигания является существенным недостатком при эксплуатации газоразрядных ламп. Во-первых — это повышенная опасность для че- ловека. Внимание! При вскрытии фары с газоразрядной лампой необходимо соблюдать меры техники безо- пасности. Во-вторых, электрическая дуга является интенсив- ным источником высокочастотных радиопомех. В-третьих, высокое напряжение требует примене- ния высококачественных изоляционных материалов для цоколя лампы и для ламподержателя. И хотя сама лампа как источник света достаточно надежна, но ее наружные соединения и высоковольтные контакты потенциально содержат угрозу электроискрового про- боя изоляции. Лампа при этом выходит из строя. В-четвертых, стоимость газоразрядной лампы в комплекте с электронным устройством управления и зажигания значительная. В настоящее время газоразрядные лампы приме- няются в фарах только для автомобилей высокого потребительского класса. • Справочная информация [7] по фарным 12-ти вольтовым электролампам различной конструкции сведена в табл. 12.1, и их внешний вид показан на рис. 12.12. При необходимости заменить электро- лампу в фаре следует иметь в виду следующее. Поч- 116
Фары современных легковых автомобилей Таблица 12.1 № п/п Техническое описание и основное назначение электролампы Категория (тип) по ЕЭК Обозначение поГОСТ 2023-90 ТипIEC и обозначение по E3K-R37 Внешний вид (см. рис. 12.12) i_L Одноконтактная ФЭЛ для фар ДС и БС старых конструкций R1 А12-55 S12V55W №1 Грехконтактная двухнитевая ФЭЛ для универсальных фар ДС и БС Й2 А12-45+40 P4J12V.45/-W №2(см.рис. 12 9) “3“ идноконтактная галогенная в кварцевой колбе ФЭП для фар ПС, БС и щ Н1 АКГ12Ч Ре .ZJ 55W №3 4 Двухвыводная галогенная в кварцевой колбе ФЭЛ для фар ДС и БС (французского производства) Н2 Аналога нет Х511.12/55 №4 5 Одновыводная галогенная в кварцевой колбе ФЭЛ для фар ПС и СД нз АКИ 2-55-1 PKs 12V. ‘ м №5 6 Трехконтактная двухнитевая галогенная в кварцевой колбе ФЭЛ для прямоугольных универсальных фарДСиБС Н4 Н4 АКП 2-60+55 Аналога нет Р43Т 12V. 60/55W P43t 12V. 100/9GW №6 7 То же, что и поз. Б, но с цокилем под круглые универсальные фары H4/TV Аналога нет Р45Г12V. 60/55W гт»7(смрис. 12.10) 8 Двухконтактная однонитевая галогенная в кварцевой колбе ФЭЛ для фар ПС и БС в четырехфарной системе Н7 Аналога нет РХ26. 12V55W №6 9 Го же, что и поз. 8, но с контактным разъемом на цоколе (для фар ДС) ню Аналога нет dot. 12V. еда 10 То же, что и поз. 9, но для фар БС НВ4 Аналога нет DOT. 12V 55W №10 11 Безнитевая газоразрядная с точечным источником света от электрической дуги ФЭЛ, с высоковольтным контактным разъемом на цоколе, для современных малогабаритных фар БС 01S D2S D2R Аналога нет Аналога нет Аналога нет PKd 85v/20kv'35W (c 1991 r.) Pd85V/25kV35W (с 1994 г.) Pd 85V/30kV 35W (c 1996 г.) №11 №12 (см рис. 12 11) “I 7 - Международная европейская директива №37 (ЕЭК ООН - Женева). ДС - дальний свет. БС - ближнии свет. ПС - противотуманный свет. СД - свет дополнительный. IEC - тип ФЭЛ - фарная электролампа Одноконтактные и одноеыводные ФЭЛ имеют электрическое соединение нити накаливания с корпусом цоколя. ти все фарные электролампы разрабатываются с ориентацией на вполне определенный тип фары. Это означает, что цоколь лампы и его установочное креп- ление могут быть различными даже для одинаковых по мощности и конструкции электроламп. С другой стороны, лампы с совершенно различными электри- ческими и размерными параметрами могут иметь одинаковое установочное крепление. Международ- ные европейские правила и нормы ЕЭК R37 (Элект- ролампы) не рекомендуют заменять лампы в фарах на лампы непредусмотренного типа, т.е. определен- ному типу фары должна соответствовать вполне кон- кретная категория (тип) электролампы. • В заключение следует отметить, что следую- щим шагом на пути совершенствования источника света для автомобильных фар может стать малогаба- ритный излучатель монохроматического поляризо- ванного света. 117
Глава тринадцатая г-:................... 1 1 = МЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ВПРЫСКА ТОПЛИВА ДЛЯ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГРУППА “К”) Самой распространенной автотронной системой на борту современного легкового автомобиля является система впрыска топлива. Такие системы по конструктивному устройству исключительно разнообразны. Но все они работают по общему принципу — с распылением топлива под давлением в поток всасываемого воздуха. При этом и количество топлива, и количество воздуха постоянно контролируется и дозируется, чтобы их соотношение в топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя, было бы наиболее оптимальным на всех режимах работы. Это обеспечивает двигателю значительную экономию топлива, улучшение его динамических параметров и характеристик, уменьшение выброса токсичных веществ с выхлопными отработавшими газами. Последующие одиннадцать глав (с 13 по 23) посвящены описанию самых разнообразных систем впрыска бензина и их компонентов*. 13.1. Предварительные замечания Топливное питание бензиновых двигателей на со- временных легковых автомобилях реализуется с при- менением систем впрыска. Эти системы по принципу действия принято подразделять на пять основных групп (рис. 13.1): К, Mono, L, М, D. 13.2. Преимущества систем впрыска Топливовоздушная смесь (ТВ-смесь) подается от карбюратора к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по длинным трубам впускного коллек- тора. Длина этих труб к различным цилиндрам двига- теля неодинакова, а в самом коллекторе имеет мес- то неравномерность нагрева стенок даже на полно- стью прогретом двигателе (рис. 13.2). Это приводит к тому, что из однородной ТВ-смеси, созданной в кар- бюраторе, в разных цилиндрах ДВС образуются нео- динаковые топливовоздушные заряды. Как следст- вие, двигатель не отдает расчетную мощность, теря- ется равномерность крутящего момента, расход топ- лива и количество вредных веществ в выхлопных га- зах увеличиваются. Бороться с этим явлением в кар- бюраторных двигателях очень сложно. Следует так- же отметить, что современный карбюратор работает на принципе пульверизации, при которой распыле- ние бензина происходит в струе всасываемого в ци- линдры воздуха. При этом образуются достаточно крупные капли топлива (рис. 13.3, а), что не обеспе- чивает качественного перемешивания бензина и воздуха. Плохое перемешивание и крупные капли об- легчают оседание бензина на стенках впускного кол- * Перед прочтением глав с описанием автотронных систем впрыс- ка и их компонентов целесообразно ознакомиться с работой двигателя внутреннего сгорания (ДВС), как с объектом автоматического управления [17,1В] (см. Приложение). Рис. 13.1. Классификация систем впрыска бензина ♦ЭСАУ-Д — электронная система автоматического управле- ния автомобильным двигателем. 118
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа *‘К”) 4 3 2 1 Рис. 13.2. Впускной коллектор ДВС и нерааномерность его нагрева Рис. 13.3. Факелы распыления бензина: а — карбюратором (капли 100...120 мкм); б — центральной форсункой под давлением 1.1 бар (капли 50. .60 мкм) в — клапанной форсункой закрытого типа под давлением 5,2 бар (капли 20...30 мкм). лектора и на стенках цилиндров во время всасыва- ния ТВ-смеси. Но при принудительном распылении бензина под давлением через калиброванное сопло форсунки частицы топлива могут иметь значительно меньшие размеры по сравнению с распылением бен- зина при пульверизации (рис. 13.3, б). Особенно эф- фективно бензин распыляется узким пучком под вы- соким давлением (рис. 13.3, в). Установлено, что при распылении бензина на ча- стицы диаметром менее 10... 15 мкм его перемеши- вание с кислородом воздуха происходит не как взве- шивание частиц, а на молекулярном уровне. Это де- лает ТВ-смесь более устойчивой к воздействию пере- падов температуры и давления в цилиндре и длинных трубах впускного коллектора, что способствует более полному ее сгоранию. При этом, помимо качествен- ного распыления и эффективного перемешивания бензина с воздухом, легко получать более высокую точность их дозирования в ТВ-смеси на всех возмож- ных режимах работы ДВС. Таким образом, за счет применения системы топ- ливного питания с впрыском бензина двигатели со- временных легковых автомобилей не имеют недо- статков, присущих карбюраторным двигателям, т.е. они более экономичны, обладают более высокой удельной мощностью, поддерживают постоянство крутящего момента в широком интервале частот вращения, а выброс вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами минимален. 13.3. Общие сведения о механических системах впрыска бензина Механические системы впрыска бензина изве- стны давно. Еще в конце тридцатых годов они при- менялись в самолетных системах топливного пита- ния. Это были системы впрыска бензина дизельно- го типа с топливным насосом высокого давления (ТНВД) и с закрытыми форсунками для каждого ци- линдра в отдельности (см. главу 18). При попытке установки на автомобиль такие системы не выдер- жали конкуренции с карбюраторами из-за значи- тельной сложности и высокой стоимости, продол- жительность наработки на отказ также оказалась недостаточной. На автомобиль система впрыска бензина низкого давления была впервые установ- лена западно германской фирмой MERSEDES в 1949 году (на легковом автомобиле “Mersedes- S300”) и превзошла карбюраторную систему топ- ливного питания по всем эксплуатационным пока- зателям. С тех пор идея впрыска бензина для авто- мобильных ДВС стала активно разрабатываться многими западными фирмами. Наиболее удачной, с точки зрения стоимости и эксплуатационной надежности, оказалась механиче- 119
Глава 13 ская система “K-Jetronic” фирмы BOSCH (ФРГ). Эта система была освоена серийным производством в 1951 году и полумиле широкое внедрение почти на всех марках европейских автомобилей. Название системы “K-Jetronic” составлено из трех сокращений: К — от нем. kontiniuerlich (непрерыв- ность); jet — от англ, (струя); ronic — традиционное окончание современных технических терминов. Со временем в группу "К” стали включаться все систе- мы непрерывного впрыска бензина. По рекламным данным фирмы BOSCH, различных механических систем впрыска группы “К” с 1951 г. по 1989 год выпущено более 50-ти миллионов. С 1989 года системы впрыске группы “К” на новых мо- делях автомобилей не устанавливаются, им на смену пришли системы впрыска бензина с электронным уп- равлением электромагнитными форсунками (см. гла- вы 14...19) Но дочерние предприятия фирмы BOSCH до сих пор продолжают выпуск компонентов механических систем на запчасти. На территории бывшего СССР эксплуатируется около 150 тысяч импортных автомобилей выпуска до 1989 года, значительная часть из которых оборудо- вана механическими системами впрыска. Система "K-Jetronic” устанавливалась на следую- щих автомобилях: “AUDI”: "Согре”; 80; 90; 100; 100 Turbo; Quattro; Turbo Quattro. “BMW”: серии 318: 320; 518: 520. “FERRARI”: все модели, кроме Т-348. “FORD”: Capri: Escort: Orion; Granada; Sierra. “LANCIA": Thema. "MERCEDES": серии 190; 230; 260; 280; 300; 350; 380; 420; 450; 500; 560. “PEUGEOT”: серии 504; 505; 604. “PORSCHE": серии 911; 930; 924; 294 Turbo. “RENAULT”: R5 Turbo; R25 V6, Turbo; R30 TX. “SAAB”: серии 99; 900. “VOLVO”: серии 142; 144; 145: 240; 242; 244; 262; 264; 265; 740; 7601. “VOLKSWAGEN": Golf GTI; Jetta GT; Passat GLI; Santana; Scirocco GTI. 13.4. Функциональные модели механических систем впрыска Система топливного питания, в которой бензин подается к форсункам закрытого типа под неболь- шим давлением (не более 8 бар), представляет собой механическую систему непрерывного впрыска. На рис. 13.4 представлена функциональная мо- дель такой системы для одноцилиндрового двигателя. Бензин из бензобака (ББ) с помощью электробензо- насоса (ЭБН) нагнетается в замкнутое топливное коль- цо (ЗТК), в которое входят: прямая бензомагистраль (ПБМ), подпорный накопитель топлива (ПНТ), фильтр тонкой очистки (ФТ0), рабочие каналы дозатора-рас- пределителя топлива (ДРТ) и обратная бензомагист- раль ОБМ (на рис. 13.4 замкнутое топливное кольцо окрашено в розовый цвет). Рабочее давление (6 бар) бензина в ЗТК устанавливается и поддерживается по- стоянным клапаном обратного давления (КОД), за кото- рым начинается обратная бензомагистраль (ОБМ). К рабочей форсунке закрытого типа (РФЗ) бензин подается по каналу (РК) под изменяющимся давлени- ем (от 3,5 до 6 бар), величина которого управляется мембранным дифференциальным клапаном (ДК) с поршне-щелевым вентилем (ПЩВ). Сам вентиль ПЩВ, включающий в себя поршень V и калиброванную щель КЩ, с одной стороны управляется расходомером воз- духа РВ (через систему рычагов P-Z-OT), а с другой (со стороны полости X) — регулятором управляющего дав- ления (РУД) и дроссельным жиклером (ДЖ). Дозирование и распределение бензина в этой си- стеме происходит в дозаторе-распределителе (ДРТ), а распыление — клапанной форсункой (РФЗ) закрыто- го типа. Дозатор-распределитель является гидравли- ческим формирователем впрыска. Воздух (В) через воздушный фильтр (ВФ) и пневмомеханический рас- ходомер воздуха (РВ) с воздушной заслонкой (ВЗР) расходомера поступает во впускной коллектор (ВК) с клапаном дополнительной подачи воздуха (КДВ) в байнасном канале (БК) с дроссельной заслонкой (ДЗ) и далее в предклапанную колбу (миксерную зону) впу- скного коллектора (МЗК) за счет поршневого всасы- вания, когда впускной клапан двигателя (ВКД) от- крыт. В системе, в основном, реализуется внешнее смесеобразование и частично — внутреннее. На рис. 13.5 показана модель механической сис- темы непрерывного впрыска с распределением бен- зина по четырем цилиндрам ДВС. Когда бензин из замкнутого топливного кольца (см. рис. 13.4) под давлением около 6 бар по прямому бензопроводу 1 поступает в дозатор-распределитель 2 (ДРТ), то поток топлива внутри распределителя растекается по рабо- чим каналам, число которых равно числу цилиндров ДВС (на рис. 13.5 поз. 3, 4, 5, 6). Каждый рабочий канал заканчивается закрытой клапанной форсункой РФЗ (на рис. 13.5. позиции а, Ь, с, d). Внутри каждой закрытой форсунки (см. гла- ву 22) имеется подпружиненный запорный золотник, который открывается только при определенном дав- лении (3,2 бар) и тем самым способствует интенсив- ному распылению бензина через сопло форсунки. Так как рабочее давление бензина в дозаторе- распределителе (около 6 бар) выше, чем давление срабатывания (открывания) форсунки (3,2 бар), то можно считать, что все форсунки при работе дви- гателя практически всегда открыты. Однако надо помнить, что реальные форсунки могут работать и в вибрационном режиме за счет противодействия 120
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “К”) возвратной пружины запорного клапана форсунки. При этом бензин веерообразно распыляется в предклапанные миксерные зоны (колбы) №1, №2, №3, №4 впускного коллектора (К) — сразу во все одновременно. Впрыснутый в предклапанные колбы бензин пред- варительно, еще до всасывания, испаряется от со- прикосновения с горячими клапанами, и пары бензи- на перемешиваются с воздухом, обрезуя богатую топливовоздушную смесь по способу внешнего сме- сеобразования. Когда один из впускных клапанов открывается (в том цилиндре, в котором начинается такт впуска), в рабочий объем цилиндра всасывается свежий воз- дух и вся богатая ТВ-смесь из предклапанной колбы данного цилиндра. При этом через открытый впуск- 1, 2, 3 — электрические контакты (+12В) Рис. 13.4. Функциональная модель механической системы непрерывного впрыска бензина для одноцилиндрового дангателя (обозначения в тексте) 121
Глава 13 Рис. 13.5. Модель механической системы непрерывного распределенного (многоточечного) впрыска бензина (обозначения в тексте) ной клапан (на рис. 13.4 поз. ВИД) в цилиндр продол- жает впрыскиваться бензин и впускаться чистый воздух. Рабочая смесь несколько обедняется и за счет движения поршня вверх в такте сжатия стано- вится нормальной уже непосредственно в цилиндре. Так внутреннее смесеобразование довершает про- цесс приготовления рабочей ТВ-смеси. Количество подаваемого во впускной коллектор воздуха регулируется водителем посредством дрос- сельной заслонки 8 (ДЗ) от педали акселератора и тут же измеряется расходомером воздуха 10 (РВ). Коли- чество проходящего через дозатор-распределитель бензина регулируется поршне-щелевым вентилем (ПЩВ) золотникового дозатора 9 (V), который, в свою очередь, управляется расходомером 10 посредством системы механических рычагов 15 (Р, Z, ОТ). При такой схеме управления процессом смесе- образования рабочая смесь может иметь опти мальное (стехиометрическое) соотношение бен- зин/воздух (a = 1) почти на всех низкооборотных режимах работы ДВС. При запуске холодного двигателя пусковая фор- сунка 12 открывается электроклапаном 11 (внутри самой форсунки) и бензин интенсивно впрыскивает- ся в миксерный (смесительный) ресивер 13 впускно- го коллектора К. Таким образом, сильно обогащен- ная рабочая ТВ-смесь приготавливается в ресивере 13 сразу для всех цилиндров двигателя. Клапанные форсунки в это время закрыты, так как при открытии пусковой форсунки 12 давление в прямой бензома- гистрали 1 (ПБМ) резко падает (до 2,8 бар), а золот- никовый дозатор 9 (V) до пуска ДВС также закрыт. Электрический сигнал 14 на электроклапан 11 (внутри пусковой форсунки) поступает от ключа за- жигания через пусковое термореле времени (см. гла- ву 22), что имеет место только при прокручивании стартером холодного двигателя. Если двигатель теп- лый, то пусковая форсунка 12 не включается, так как пусковое термореле разомкнуто и электроклапан 11 обесточен (см. далее рис. 13.15). Таким образом, при пуске прогретого двигателя сразу начинают функционировать клапанные форсунки. 13.5, Система “K-Jetronic" На рис. 13.6 приведена функциональная схема механической системы “K-Jetronic”. Эта система ра- ботает по принципу непрерывного впрыска бензина во все цилиндры двигателя одновременно. Как видно из чертежа, система “K-Jetronic" вклю- чает в свой состав замкнутое топливное кольцо (поз. 1.4.7.8.21.17.30.0БМ), воздушный (индукцион- ный) канал (поз. 15.18.С0.22.24), подсистему регули- рования управляющего давления (поз. 21.12.17.30), дозатор-распределитель (формирователь впрыска) с рабочими форсунками (поз. 21.26), подсистему запу- ска холодного ДВС и регулировки оборотов холостого хода (XX) на непрогретом двигателе (поз. 16.23.24.19), подсистему рециркуляции отрабо- тавших газов (ОГ) для понижения содержания в них оксидов азота N0x (поз. 13.14.25), подсистему регу- лирования состава ОГ для понижения содержания угарного газа СО и несгоревших углеводородов СН (поз. 14.20.27.28.29), подсистему нейтрализации токсичных компонентов в ОГ (поз. 10.11.14). Система “K-Jetronic” работает следующим обра- зом. Из бензобака 1 электробензонасос 4 нагнетает в подпорный накопитель 7 топлива бензин, который далее через топливный фильтр 8 под постоянным давлением около 6 бар по прямой бензомагистрали подается в дозатор-распределитель 21. В данной си- стеме дозатор-распределитель является гидравличе- ским формирователем впрыска топлива. Бензобак 1, бензонасос 4, подпорный накопитель 7 топлива и топливный фильтр 8 совместно с клапа- ном 17 обратного давления и редукционным клапа- ном 30 образуют замкнутое кольцо для циркуляции бензина под рабочим давленем в 6 бар. При работе ДВС всасываемый воздух приподни- мает заслонку 18 расходомера 15 воздуха, при этом золотник 33 в дозаторе-распределителе 21 перемещается вверх ровно на столько, сколько требуется пропустить бензина при данном количе- стве проходящего через расходомер воздуха. Пе- речисленными элементами реализован воздушный канал системы. Для автоматизации процесса регулирования ка- чественного состава ТВ-смеси золотник 33 дозато- ра-распределителя может управляться не только за- слонкой расходомера (ротаметром) 18 снизу, но и 122
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “К") изменением давления над золотником сверху. Это давление называется управляющим и формируется в специальном регуляторе 12 управляющего давле- ния. Регулятор 12 работает по принципу сброса из- лишнего давления над золотником 33. Излишний бензин возвращается по обратной бензомагистрали (ОБМ) в бензобак 1. Таким образом в клапанных форсунках 26 под- держивается давление бензина в пределах от 3,5 бар до 6,0 бар. Конкретное значение давления оп- ределяется положением поршневого золотника 33 относительно дозирующих щелей дифференциаль- ных клапанов. Под изменяющимся таким образом управляемым давлением бензин вытесняется в бензопроводы ра- бочих каналов и далее распыляется форсунками в предклапанные колбы впускного коллектора. Пуско- вая форсунка 23 и термореле времени 16 работают только при пуске холодного двигателя. Электроуправляемый клапан 19 дополнительной подачи воздуха работает при прогреве холодного ДВС, как автоматический регулятор частоты враще- ния на холостом ходу. Через него подается воздух в тех случаях, когда дроссельная заслонка 22 акселе- ратора полностью закрыта. Винтом СО над дрос- сельной заслонкой 22 регулируется число оборотов на холостом ходу. Ресивер 24 совместно с предкла- панными колбами образует миксерную (смеситель- ную) полость всасывающего коллектора для внеш- него смесеобразования. Работа подсистемы очистки выхлопных отрабо- тавших газов подробно рассмотрена в главе 20. | | отработавшие газы | | бенэомвтистрали | | компоненты ЭСК Г | воздух | | охлаждающая жидкость Рис. 13.6. Функциональная схема механической системы впрыска бензина “K-Jetronlc": 1 — бензобак: 2 — поплавковый указатель уровня топлива; 3 — сетчатый фильтр; 4 — электробензонасос (ЭБН); 5 — эле- ктродвигатель ЭБН; 6 — шиберный нагнетатель ЭБН; 7 — подпорный накопитель топлива (гидроаккумулятор); 8 — фильтр тонкой очистки бензина; 9 — блок ДВС; 10 — каталитический газонейтрализатор; 11 — выход отработавших газов в глуши- тельную подсистему; 12 — регулятор управляющего давления на непрогретом двигателе (регулятор прогрева); 13 — термо- пневмоклапан; 14 — выпускной коллектор; 15 — корпус расходомера воздуха; 16 — термореле времени; 17 — клапан об- ратного давления; 18 — воздушная заслонка расходомера (ротаметр); 19 — клапан дополнительной подачи воздуха через байпасный канал; 20 — датчик концентрации кислорода (ДКК); 21 — дозатор-распределитель топлива; 22 — дроссельная заслонка; 23 — пусковая форсунка; 24 — ресивер впускного коллектора; 25 — клапан подсистемы рециркуляции; 26 — ра- бочая клапанная форсунка; 27 — термоконтактор; 28 — тактовый гидроклапан (ТГК); 29 — электронный блок управления для ТГК; 30 — редукционный (стравливающий) клапан; 31 — контакты датчика уровня топлива; 32 — жидкость в системе охлаждения ДВС; 33 — золотниковый клапан (золотник) дозатора-распределителя. 123
Глава 13 13.6. Дозатор-распределитель На рис. 13.7 схематически представлен основной составной компонент механической системы непре- рывного впрыска бензина — дозатор-распредели- тель топлива (заштрихованная часть рисунка). Он со- стоит из дифференциальных клапанов Д1...Д4 (по числу цилиндров ДВС), из золотникового дозирующе- го вентиля ДВ, из распределителя топлива и из глав- ного топливного канала ГТМ. Конструктивно дозатор- распределитель выполнен таким образом, что диф ференциальные клапаны разделены на две каме- ры — верхнюю и нижнюю. Верхние камеры сообще- ны с рабочими форсунками Ф1...Ф4, а нижние — с прямой (подающей) бензомагистралью от топливно- го кольца (через фильтр). Золотниковый дозирующий вентиль ДВ с одной стороны управляется механичес- ким усилием М от ротаметра расходомера воздуха, а с другой — управляющим давлением (гидравличес- ким усилием) в полости X (сигналом CV2). Давление в полости X зависит от температуры Тд двигателя и уп- равляется посредством регулятора прогрева РП (ус* ройство управления). Топливные каналы дозатора-распределителя за- крытого типа, так как бензин проходит через них к клапанным форсункам Ф1...Ф4, не ответвляясь в об- ратную бензомагистраль. Функционирование дозатора-распределителя ста- нет понятным из рассмотрения работы составных его частей. 13.7. Дифференциальный клапан Модель дифференциального клапана ДК, который является главным функциональным устройством до- затора-распределителя, показана на рис. 13.8. Кла- пан ДК состоит из двух камер А и В, разделенных уп- ругой металлической мембраной 1, которая подпру- жинена со стороны верхней камеры А стальной пру- жиной 2. Дифференциальный клапан имеет четыре топливных канала: входной канал 3, выходной канал 4 и два перепускных канала 5 и 6. Выходной канал 4 может перекрываться мембраной 1, когда она про- гнута вверх. Так реализован выходной вентиль диф- ференциального клапана. Через перепускные кана- лы 5 и 6 верхняя камера А и нижняя камера В сооб- щаются между собой. В разрыв каналов 5 и 6 уста- новлен золотниковый дозатор Д с поршне-щелевым вентилем 8, который управляется воздушной заслон- кой (ротаметром) 10 расходомера воздуха 9 через систему механических рычагов 12. Дифференциальный клапан работает следующим образом. В исходном состоянии, когда двигатель не работает, мембрана 1 отжата пружиной 2 вниз и вы- ходной топливный канал 4 приоткрыт, что исключает образование воздушных и паровых пробок в форсун- ках и рабочих каналах. Поршне-щелевой вентиль 8 в золотниковом дозаторе Д полностью закрыт, т.к. пол- ностью закрыта заслонка 10 расходомера воздуха 9. При включении зажигания сразу начинает рабо- тать электрический бензонасос, и топливо под давле- нием в 6 бар подается в нижнюю камеру В через входной канал 3. При этом мембрана 1 под действи- ем давления бензина поднимается вверх и закрыва- ет выходной канал 4 в верхней камере А. Далее, как только стартер начинает прокручивать коленвал двигателя, воздух под действием разреже- ния при всасывании начнет приподнимать заслонку 10 расходомера воздуха 9. Заслонка 10 через рычаг 12 открывает поршне-щелевой вентиль 8 золотнико- вого дозатора Д, через который бензин из нижней ка- меры В начнет перетекать в верхнюю камеру А. Как только совместное усилие пружины 2 и давления бен- зина в верхней камере А превысит давление бензина в нижней камере В на величину не менее 0,1 бара, то мембрана 1 прогнется вниз, и бензин начнет посту- пать через выходной канал 4 к клапанной форсунке. 124
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа "К") Следует заметить, что давление бензина в верх- ней камере А может изменяться в пределах от 3,2 бар до 6 бар путем изменения пропускной способ- ности поршне-щелевого вентиля золотникового до- затора. При этом давление в нижней камере В все- гда остается постоянным и равным 6 бар. Количе- ство пропущенного к форсунке топлива зависит от степени прогиба мембраны 1, а сам прогиб мемб- раны может легко управляться давлением бензина в верхней камере посредством золотникового до- затора Д. Таким образом, количество пропущенного к фор- сунке бензина в строго заданной пропорции соответ- ствует количеству воздуха, пропущенного во впуск- ной коллектор через расходомер воздуха. В свою очередь, количество пропущенного возду- ха, а следовательно и число оборотов двигателя оп- ределяются степенью открытия дроссельной заслон- ки 11, которая управляется водителем посредством педали акселератора. 13.8. Золотниковый дозатор На рис. 13.9 показан золотниковый дозатор Д с поршне-щелевым вентилем. Он состоит из цилиндрической прорезной втулки 1 с калиброванными дозирующими щелями 2, число которых равно числу цилиндров ДВС, а также из пор- шне-стержневого золотника 3. Прорезная втулка 1, в которую с притиркой встав- лен золотник 3, совместно с ним образует перепуск- ной золотниковый дозатор 4 (на рис. 13.8 поз. Д). Дозатор 4 посредством полости 9 сообщается с ни- жними камерами В всех дифференциальных клапа- нов К через перепускные каналы 6. С верхними ка- мерами А полость 9 дозатора 4 сообщается посред- ством каналов 5, в каждый из которых вмонтирова- на калиброванная дозирующая щель 2. Золотниковый дозатор Д работает следующим образом. В исходном состоянии нижняя камера В наполня- ется бензином под давлением 6 бар через входное отверстие 11. Через перепускной канал 6 бензин пе- ретекает в полость 9 и далее во все нижние камеры дозатора-распределителя. При этом нижний край строго притертого поршня 7 находится на границе открытия калиброванной щели 2, но пока еще пере- крывает эту щель. Как только двигатель начнет вра- щаться, усилие F от рычага 8 расходомера воздуха 10 начнет поднимать золотник 3 вверх, калиброван- ная щель 2 начнет открываться и бензин из полости 9 дозатора 4 начнет поступать в верхнюю камеру А через канал 5. При полном поднятии вверх золотни- ка 3 поршень 7 полностью откроет калиброванную щель 2, и давление бензина в верхней камере А поч- ти сравняется с давлением в нижней камере В и ста- нет равным -6 бар. При этом пружина 12 верхней камеры А дифференциального клапана К полностью, до упора прогнет мембрану 13 и тем самым полно- стью откроет выходной квнал 14 дифференциально- го клапана. В промежуточных положениях поршня 7 давле- ние в верхней камере А будет изменяться по линей- ному закону в пределах от 3,2 бар до 5,8 бар. Разным значениям давления в верхней камере А соответствует различная степень прогиба диафрагмы 13, а, следовательно, и различная степень открытия выходного канала 14, что обеспечивает управление ко- личеством пропущенного к форсунке бензина. При этом строго линейная зависимость количества впрыс- нутого топлива от количества воздуха, пропущенного через расходомер воздуха, обеспечивает постоянство соотношения бензин/воздух в рабочей смеси, которое должно быть равно стехиометрическому соотношению 1/14,7. Нижний поршень 15 золотника 3 участия в уп- равлении давлением не принимает и служит лишь на- правляющей опорой для нижнего конца золотника 3. 13.9. Распределитель топлива На рис. 13.10 показан дозатор-распределитель топлива в сборе. Он состоит из верхней части R и ни- жней части S, между которыми стяжными болтами плотно зажаты упругая мембрана М — общая для всех дифференциальных клапанов К. и их подпорные пру- жины П. Верхняя часть R является распределителем топлива по клапанным форсункам (через выходные каналы 4). Распределитель топлива выполнен в виде верхней крышки к камерам А и В дифференциальных клапанов. Камеры А и В образованы в верхней R и ни- жней S частях корпуса фрезерованными пустотами. Топливные каналы 3.4.5.6 камер А и В просверлены в теле литого корпуса дозатора-распределителя. Прорезная цилиндрическая втулка 1 золотниково- го дозатора выполнена либо из металлокерамики, ли- 125
Глава 13 Рис. 13.10. Распределитель топлива (обозначения в тексте) бо из твердой стали и запрессована в корпус распре- делителя таким образом, что калиброванные щели 7 строго совпадают с топливными каналами 6 верхних камер А. Поршень 2 золотникового дозатора Д сво- бодно вдвигается в прорезную втулку 1 снизу. Свер- ху поршень 2 напряжен возвратным усилием Ру. Все топливные каналы снаружи заканчиваются резьбой для ввертывания в них штуцеров рабочих каналов бензопроводов. В верхней части R корпуса распределителя имеет- ся полость X, в которую подается бензин из прямой бензомагистрали под давлением Ру по специальному калиброванному гидродросселем каналу. Давление Ру называется управляющим (на рис. 13.9. поз. Р) и в полости X регулируется путем стравливания бензи- на обратно в бензобак. Регулировку давления Ру осу- ществляет специальный регулятор управляющего давления. Это позволяет автоматически изменять количество подаваемого в форсунки бензине при прогреве холодного двигателя. Следует отметить, что хотя дозатор-распредели- тель имеет разборную конструкцию, разбирать его фирма BOSCH не рекомендует, т.к. собрать его пра- вильно без специальной оснастки невозможно. 13.10. Регулятор прогрева и регулятор управляющего давления Механическая система непрерывного впрыска бензина “K-Jetronic" имеет много модификаций. Это объясняется тем, что фирма BOSCH продава- ла систему “K-Jetronic” для установки на самых разно- образных автомобилях. Например, система “K-Jetronic" для четырех- и пя- тицилиндровых ДВС автомобиля “Audi” отличается конструкцией регулятора давления. На 4-х цилиндровых двигателях это устройство (см. рис. 13.11) работает только как регулятор прогрева холодного двигателя, компенсируя конденсацию бен- зина на холодных частях в предклапанных зонах впу- скного коллектора. Регулятор прогрева своим нижним теплоприемным торцом S устанавливается снаружи блока цилиндров на специальную полированную пло- щадку Р, чем обеспечивается нужный темплообмен между блоком цилиндров и регулятором прогрева. Внутри регулятора прогрева имеется биметалличес- кая плоская пластина (А), на которую намотана спираль электрического подогревателя (В) и которая имеет на- дежный тепловой контакт (Н) с корпусом регулятора. Таким образом биметаллическая пластина А может прогибаться вниз или вверх на некоторый угол под воздействием нагрева либо от блока цилиндров ДВС, либо от электрического подогревателя В. Промежуточ- ное положение биметаллической пластины А зависит от соотношения этих двух тепловых воздействий. Регулятор прогрева работает следующим образом. Когда запускается холодный ДВС, то биметалличе- ская пластина А прогнута вниз настолько, насколько этот прогиб соответствует температуре холодного блока цилиндров. Если двигатель долго не работал, а температура окружающей среды ниже +1О°С, то пла- стина А прогнута полностью и диафрагма Д опущена вниз до упора, что приводит к полному открытию кла- пана К управляющего давления. Ясно, что при этом управляющее давление Ру в полости X (см. рис. 13.10) золотникового дозатора падает до мини- мального значения. При неизменной интенсивности всасывания воздуха золотник дозатора-распредели- теля и воздушная заслонка расходомера воздуха, ис- пытывая меньшее обратное воздействие со стороны Ру в полости X, поднимаются несколько выше, что Рис. 13.11. Регулятор прогрева системы “K-Jetronic': А — биметаллическая пластина; В — электроподогреватель; К — мембранный клапан регулятора; D — мембрана клапа- на К; Н — теплопроводная опора пластины A; S — теплопро- водный корпус регулятора Тд — тепловой поток от блока цилиндров ДВС; Р — блок цилиндров ДВС. 126
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа "К”) приводит к желаемому обогащению топливовоздуш- ной смеси. По мере прогрева ДВС биметаллическая пласти- на А регулятора прогрева РП медленно прогибается обратно вверх и тем самым постепенно начинает пе- рекрывать главный клапан К управляющего давле- ния до тех пор, пока этот клапан полностью не закро- ется. Температура ДВС в месте установки регулятора прогрева РП при этом достигает 65-70°С. Электрический подогреватель В биметаллической пластины А включается одновременно с бензонасо- сом специальным управляющим реле (см. далее рис. 13.15). Подогрев служит для ускоренного прекраще- ния процедуры обогащения. Делается это для того, чтобы недостаточно прогретый, но устойчиво работа- ющий двигатель не потреблял излишнего количества бензина на холостых оборотах. После того, как прогрев ДВС будет завершен, би- металлическая пластина устанавливается в верхнем положении, клапан К закрывается и дополнительное обогащение топливовоздушной смеси прекращается. При запуске горячего двигателя регулятор прогре- ва не оказывает влияния на процесс смесеобразова- ния, так как его биметаллическая пластина находит- ся в верхнем положении, а клапан К закрыт. • Регулятор прогрева для 5-ти цилиндрового дви- гателя, помимо обогащения ТВ-смеси при прогреве, обедняет ее в режимах XX прогретого двигателя и частичных нагрузок. Он также обогащает ТВ-смесь при максимальной нагрузке двигателя. Для выполне- ния этих функций регулятор прогрева дополнен ваку- Рис. 13.12. Регулятор управляющего давления системы “K-Jetronic": 1 — полость атмосферного давления; 2 — штуцер для со- единения с задроссельной зоной впускного коллектора; 3 — возвратная пружина мембранного клапана; 4 — пружи- на вакуумного экономайзера; 5 — диафрагма вакуумного экономайзера; 6 — полость разрежения; Рв — абсолютное давление (разрежение); остальные обозначения по рис. 13.11. умным экономайзером с гибкой пружинистой диа- фрагмой (рис. 13.12). Такой экономайзер работает от разрежения в задроссельной зоне впускного кол- лектора. и регулятор прогрева теперь выполняет функции регулятора управляющего давления (РУД). Хорошо известно, что когда двигатель работает на холостом ходу и особенно на принудительном XX или на ранних частичных нагрузках, то разрежение в задроссельной зоне может быть достаточно боль- шим. а при работе ДВС в режиме полной нагрузки указанное разрежение, падая, приближается к нор- мальному атмосферному давлению. Возникающий таким образом перепад давления в задроссельной зоне с помощью вакуумного шланга подводится к штуцеру вакуумной полости (1) диафрагменного эко- номайзера РУД, где усилием вакуумного разрежения Рв ослабляется действие главной возвратной пружи- ны 3 клапана К управляющего давления. Таким образом, при работе прогретого ДВС в ре- жиме холостого хода или частичных нагрузок, когда разрежение Рв увеличено, диафрагма экономайзера приподнимается вверх (на ПХХ до упора) и через вну- треннюю пружину (4) поднимает диафрагму главного клапана К, за счет чего увеличивается управляющее давление Ру в полости X над золотником дозатора- распределителя. Уже было сказано, что при этом топливовоздушная смесь объединяется, так как при неизменной массе прошедшего воздуха количество прошедшего к форсункам бензина будет уменьшено. Если двигатель переводится в режим принуди- тельного холостого’ хода (когда разрежение Рв макси- мально), то главный клапан К регулятора управляю- щего давления РУД полностью закрывается, обеспе- чивая минимальную подачу топлива к форсункам. При работе ДВС под полной нагрузкой, когда дроссельная заслонка полностью открыта, разреже- ние в задроссельной зоне, а значит, и в диафрагмен- ном экономайзере отсутствует, и внутренняя пружи- на (4), опускаясь вниз, увеличивает проходное сече- ние главного диафрагменного клапана К. Давление в полости X падает, и воздушная заслонка расходоме- ра вместе с поршнем золотникового дозатора подни- мается вверх. Ясно, что при неизменном количестве впускаемого воздуха количество пропущенного че- рез форсунки бензина увеличивается. Полученное таким образом обогащение топливовоздушной сме- си в режиме полной нагрузки двигателя обеспечива- ет увеличение его мощности. 13.11. Пусковая форсунка и ее управление Пусковая форсунка, которая иногда также назы- вается пусковым клапаном, является устройством с электромагнитным управлением (см. главу 22). Пус- ковая форсунка в обычной системе “K-Jetronic" сра- 127
Глава 13 батывает только при запуске холодного ДВС (Тд < 35°С), так как электрическая цепь ее включе- ния при более высокой температуре размыкается термоэлектрическим реле времени. Внутри форсунки имеется индуктивный соленоид, работающий на втягивание ферромагнитного керна. На керне закреплена запорная тарелочка выходного сопла форсунки, которая открывается при подаче на соленоид управляющего напряжения. Обычно пуско- вая форсунка рассчитана на рабочее напряжение 12 В, но срабатывает и при напряжении от 6 В и по- трябляет ток до одного ампера. Скорость срабатывания пусковой форсунки прин- ципиального значения не имеет, так как она работа- ет на значительное обогащение топливовоздушной смеси при медленном вращении двигателя. Пропуск- ная способность этой форсунки в 6-8 раз больше пропускной способности рабочей клапанной форсун- ки для одной и той же модели системы впрыска. В некоторых моделях механических систем впрыска пусковая форсунка имеет многоцелевое назначение. Так, для западногерманских автомобилей “AUDI”, на которых установлены пятицилиндровые двигатели серии JS и HP, пусковая форсунка сис- темы “K-Jetronic” дополнительно выполняет функцию обогащения топливовоздушной смеси при разгоне автомобиля с недостаточно прогретым двигателем. Эти автомобили поставляются в страны Северной Ев- ропы, где в зимнее время полного прогрева двигате- ля приходится ждать долго. Ясно, что в таком режиме пусковая форсунка ре- ализует импульсный впрыск бензина, который пре- кращается, когда двигатель прогревается до темпе- ратуры выше 35°С (так как при этом срабатывает термореле времени и отключает от “массы” пуско- вую форсунку). Выключение пусковой форсунки произойдет так- же и тогда, когда педаль акселератора будет отпуще- на, и сработает концевой микровыключатель дрос- сельной заслонки. Другой импульсный режим работы пусковой фор- сунки реализован в системе впрыска “K-Jetronic" для бензиновых двигателей с турбонаддувом. Из опыта эксплуатации бензиновых систем впрыска известно, что пуск горячего ДВС крайне затруднен при появле- нии в топливной системе паровых пробок или пу- зырьков воздуха. Пары и воздух, сжимаясь под напо- ром бензина, не дают ему возможности свободно пе- ремещаться по топливным магистралям, так как вы- сокое давление топлива демпфируется амортизаци- онным сжатием газов. Чтобы этого избежать, весь топливный канал системы впрыска надежно гермети- зируется. Однако при некоторых условиях эксплуата- ции двигателей герметизация не спасет от пробок. Чаще всего это имеет место при сильном перегреве двигателя или в двигателях, постоянно работающих на форсированных режимах. К последним относятся все двигатели с турбонаддувом, так как их нормаль- ная рабочая температура на 15-20°С выше обычных двигателей. Если двигатель с турбонаддувом заглушить после длительной поездки, то в нем на достаточно длитель- ное время возникают зоны местного перегрева, что, как правило, приводит к образованию внутрен- них бензиновых испарений, которые и создают па- ровые пробки в топливных магистралях. Наиболее вероятно образование паровых пробок в несколько подработанных клапанных форсунках. Избавиться от “засевших" в топливных магистралях паровых пробок можно только интенсивной прокачкой топ- ливной подсистемы бензином. Это легко достигает- ся путем пуска горячего двигателя не от “засорен- ных" газом клапанных форсунок, а от высокопроиз- водительной и поэтому "не засоряющейся” пуско- вой форсунки с принудительным электроуправлени- ем. Для этой цели в систему “K-Jetronic”, против обычной, добавлено электронное тактовое реле, ко- торое своими “сухими" контактами включено парал- лельно с термореле времени. Когда двигатель горячий, то контактная пара тер- мореле времени разомкнута. При подаче напряже- ния на клемму 50 замка зажигания, что имеет место при включении стартера, электронное тактовое реле начинает работать в прерывистом режиме, т.е. за- мыкает и размыкает свои “сухие” контакты с часто- той срабатывания 10-15 Гц. При этом с такой же ча- стотой срабатывает и пусковая форсунка, что позво- ляет запустить горячий двигатель без срабатывания основных клапанных форсунок. 13.12. Термореле времени Если пусковая форсунка, которая включается ключом зажигания одновременно со стартером, бу- дет работать по времени столько же, сколько и стар- тер, то при затруднительном пуске (например, при пу- ске двигателя при низких температурах, зимой) све- чи зажигания могут быстро забрызгаться бензином. Чтобы этого не происходило, в электрическую цепь включения пусковой форсунки последовательно с ней включено термореле, дающее задержку по вре- мени. Это реле удерживает свои контакты в замкну- том состоянии в зависимости от температуры охлаж- дающей жидкости в ДВС и в зависимости от продол- жительности включения пусковой цепи стартера. Устройство термореле времени описано в главе 22. Это реле размыкает свои биметаллические контакты при температуре 35-40°С, что может иметь место как при прогреве двигателя, так и под действием нагрева до 40-45°С от электроподогревателя. Термореле вре- мени подключено к напряжению 12 В бортовой сети. 128
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “К”) Если запускается теплый двигатель (Тэ > 35°С), то контактная пара термореле времени (ТРВ) еще до пу- ска разомкнута, и пусковая форсунка при таком пус- ке не используется. Если пускается холодный двига- тель (Та < 35°С), то время, через которое контактная пара термореле времени разомкнется, зависит от температуры Та двигателя. Таким образом, пусковая форсунка на непрогре- том двигателе при включении стартера будет откры- та ровно столько, сколько потребуется времени для прогрева биметаллической пластины до температуры размыкания контактов (см. рис. 13.13). 13.13. Клапан дополнительной подачи воздуха В воздушном канале некоторых систем “K-Jetronic” параллельно дроссельной заслонке установлен клапан дополнительной подачи воздуха (КДВ). Это так называ- емый “байпасный” воздушный клапан (рис. 13.14). Его основное назначение — увеличивать обороты коленвала при запуске холодного двигателя. Прин- цип действия заключается в том, что при пуске хо- лодного двигателя воздушная заслонка клапана КДВ открыта и добавочный воздух поступает в цилиндры не только через дроссельную заслонку, но и через байпасный канал. Ясно, что это приводит к дополни- тельному приподнятию пневмометрической заслонки (ротаметра) в расходомере воздуха, что равносильно дополнительному открытию дроссельной заслонки. Рис. 13.14. Клапан дополнительной подачи воздуха: 1 — демпфирующая шторка (затвор): 2 — биметаллическая пластина; 3 — спираль электроподгревателя: 4 — контакт. Обороты двигателя несколько увеличиваются и не дают ему заглохнуть от трения в холодных сочленени- ях. По мере прогрева ДВС механическое сопротивле- ние трущихся частей ослабевает и надобность в бай- пасном канале отпадает. К этому времени спираль клапана КДВ успевает разогреваться от бортовой се- ти +12 В до такой степени, что биметаллическая пла- стина своим прогибом полностью закрывает воздуш- ную заслонку клапана КДВ. Резистивность спирали подогревателя биметалличе- ской пластины в КДВ (как и в РУД) имеет положитель- ный температурный коэффициент сопротивления, что при прогреве делает ток потребления от бортовой сети незначительным. 13.14. Бензонасос с электроприводом Любая система впрыска топлива, которая уста- навливается на современном автомобильном двига- теле, снабжена бензонасосом с приводом от элект- родвигателя постоянного тока. Бензонасос может быть расположен либо вне бензобака под днищем кузова, либо непосредственно в бензобаке, где в та- ком случае он погружен в бензин. Клеммы электродвигателя выведены за пределы корпуса бензобака, обозначены соответственно “+” и и имеют герметичное уплотнение. Электродвигатель рассчитан на рабочее напряже- ние 12 В и в нагрузочном режиме потребляет ток до 8 А. Мощность электродвигателя 100 Ватт. Принцип действия электробензонасоса подробно рассмотрен в главе 23. Электрический бензонасос подключается к борт- сети 12 В через реле управления бензонасосом или через специальную электронную схему. Это делается с целью недопущения работы бензонасоса в то вре- мя, когда ДВС не вращается, а зажигание включено. 13.15. Схема электрических соединений На рис. 13.15 приведена принципиальная схема электрических соединений составных компонентов в системе "K-Jetronic". Эта схема работает от бортовой сети +12 В следующим образом. Еще до запуска двигателя система впрыска бензина подготавливается к работе путем нагнета- ния рабочего давления в бензомагистралях. Это реализуется подключением электробензонасоса 11 (на 3...5 с до запуска двигателя) ключом зажи- гания 4 к напряжению 12 В аккумуляторной бата- реи 1 (генератор 2 пока не функционирует) по- средством контактов 30-87 управляющего реле 5. Если двигатель холодный Па < 35°С), то от этого же реле начинают отрабатывать свои функции ре- 5 Ав । отроника 129
Глава 13 Рис. 13.15. Схема электрических соединений в системе “K-Jetronic” (обозначения в тексте) 26 23 12 19 16 7 8 4 13.16. Основные составные компоненты системы “K-Jetronic” (обозначения соответствуют рис. 13.6) Рис. 13.17. Расположение компонентов системы “K-Jetronic” иа двигателе WH-5: 1 — дозатор-распределитель; 2 — бензопроводные трубки; 3 — рабочие клапанные форсунки закрытого типа: 4 — воз- духовод; 5 — прямая и обратная бензомагистрали; 6 — пус- ковая форсунка; 7 — регулятор прогрева (управляющего давления); 8 — клапан дополнительной подачи воздуха; 9 — впускной коллектор; 10 — термореле времени; 11 — воз- душная заслонка (ротаметр) расходомера воздуха; 12 — корпус расходомера; 13 — узел дроссельной заслонки; 14 — миксерный (смесительный) ресивер впускного коллектора. гулятор прогрева 9 и клапан дополнительной пода- чи воздуха 10 После включения стартера 3 ключом 4 одновре- менно со стартером к АКБ подключается термореле времени 6. Если контакты термореле замкнуты (Та < 35°С), включается в работу пусковая форсун- ка 7, двигатель запускается и на контакт 1 управля- ющего реле 5 от прерывателя-распределителя 8 на- чинает поступать высоковольтный (350...400 В) им- пульс напряжения с частотой искрообразования в системе зажигания. Этот импульс обрабатывается в электронной схеме 12 и используется как удержива- ющий сигнал для реле управления 5, электробензона- сос остается постоянно включенным. Если при вклю- ченном зажигании двигатель "заглохнет", то на кон- такт 1 реле 5 импульс от датчика-распределителя по- ступать не будет, сигнал удержания в схеме 12 ис- чезнет и электробензонасос 11 выключится. Если за- пускается теплый двигатель, то управляющее реле 5 включит электробензонасос 11, срабатывают рабо- чие форсунки впрыска, двигатель запускается без помощи пусковой форсунки. Работа остальных элект- рических устройств системы "K-Jetronic" очевидна из рассмотрения схемы, показанной на рис. 13.15. Конструктивное исполнение (внешний вид) основ- ных составных частей (компонентов) системы впрыс- ка бензина "K-Jetronic” показано на рис. 13.16, а их примерное расположение на двигателе WH-5 автомо- биля "Audu-100” — на рис. 13.17. 13.16. Система впрыска бензина “KE-Jetronic” Впервые автоматическое электронное управле- ние впрыском топлива на автомобильных двигате- лях было реализовано с помощью системы "KE- Jetronic”. Хотя эта система (как и ее прототип “К- Jetronic”) является механической системой непре- рывного распределенного по цилиндрам впрыска бензина через гидромеханические форсунки закры- того типа, но управление качеством приготовляе- мой топливовоздушной смеси в системе “KE- Jetronic" чисто электронное. Реализовать в механической системе впрыска смесеобразование близкое к оптимальному можно с использованием известной зависимости количества впрыскиваемого бензина от рабочего давления со стороны топливоподачи. Указанная зависимость ча- стично используется в системе "K-Jetronic", где при запуске холодного двигателя срабатывает регулятор прогрева. Для расширения функций этого устройства в его конструкцию вмонтирована вакуумная камера, соединенная шлангом с задроссельной зоной впуск- ного коллектора (см. рис. 13.12). Это позволяет реа- лизовать управление процессом смесеобразования 130
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “К”) при некотором изменении нагрузки двигателя. Но, ром опережения, здесь имеет место низкая точность как и в системах зажигания с вакуумным регулято- и ограничение диапазона регулирования. а — функциональная схема; б — конструкция гидромеханического узла системы; 1 — дозатор-распределитель; 2 — электро- гидравлический задатчик давления (ЭГЗД); 3 — мембранный регулятор давления (МРД); 4 — сливная бензомагистраль; 5 — прямая (подающая) бензомагистраль: 6 — соединительная бензомагистраль; 7 — возвратная бензомагистраль: 8 — рота- метр расходомера воздуха; 9 — бензошланг к пусковой форсунке; 10 — каналы к рабочим форсункам; 11 — электрический разъем потенциометра (датчика положения ротаметра); 12 — фильтр тонкой очистки бензина; 13 — подпорный накопитель топлива (гидроаккумулятор); 14 — электробензонасос; 15 — бензобак; 16 — ЭБУ впрыска; 17 — датчик температуры дви- гателя: 18 — термореле времени; 19 — свеча зажигания; 20 — рабочая форсунка; 21 — потенциометрический датчик по- ложения дроссельной заслонки; 22 — пусковая форсунка; 23 — клапан дополнительной подачи воздуха; 24 — дроссельная заслонка; 25, 26 — нижняя и верхняя камеры дифференциальных клапанов; 27 — поршне-щелевой вентиль; 28 — топлив- ный жиклер ЭГЗД; 29 — электромагнитная система ЭГЗД; 30 — штуцер вакуумной камеры МРД; 31 — штуцер в задроссель- ной зоне впускного коллектора. 131
Глава 13 1 | Входные устройства I I Выходные устройства [ 1 Электронные блоки Рис. 13.19. Компоненты системы “KE-Jetronic" (обозначения в тексте) Устранить эти недостатки механической системы можно внедрением в нее электронного управления ка- чеством ТВ-смеси. Модернизированная таким спосо- бом механическая система впрыска бензина получила наименование “KE-Jetronic” (индекс Е — от elektronic). Система “KE-Jetronic" (как и ее прототип — система “K-Jetronic") относится к механическим системам не- прерывного распределенного (многоточечного) впрыс- ка бензина, но не с механическим, а с электронным уп- равлением качественным составом ТВ-смеси, и не на прогреве, а во всех возможных режимах работы ДВС. Для реализации такого электронного управления в состав системы “KE-Jetronic” дополнительно включены четыре новых устройства (рис. 13.18): электрогидрав- лический задатчик давления 2 (ЭГЗД), мембранный ре- гулятор давления 3 (МРД), расходомер воздуха (РВП) с потенциометрическим датчиком 11 положения рота- метра 8 и электронный блок управления впрыском 16 (ЭБУ-В). Исключен из системы регулятор прогрева, а дозатор-распределитель 1 имеет несколько иную конст- рукцию. В зависимости от типа автомобильного двига- теля входными датчиками для ЭБУ-В могут являться от 4-х до 11-ти различных преобразователей неэлектриче- ских воздействий в электрические сигналы. Например, в системе “КЕ-111-Jetronic” для автомобилей “AUDI- 80/90" (см. рис. 13.19) таких преобразователей де- сять: датчик температуры двигателя (ДТД); датчик кра- евого положения дроссельной заслонки (ДПД); датчик высоты над уровнем моря (ДУМ): датчик нагрузки дви- гателя (ДНД) по угловому положению ротаметра в рас- ходомере воздуха; датчик частоты вращения и положе- ния коленвала ДВС (ДХ-датчик Холла в системе зажига- ния): датчик начала отсчета (ДНО); датчик концентра ции кислорода (ДКК); датчик включения автоматичес- кой коробки передач (ДКП); датчик режима холостого хода (ДХХ); датчик включения кондиционера (ДКД). Основное назначение всех перечисленных уст- ройств — обеспечить электронное автоматическое управление процессом смесеобразования в механи- ческой системе впрыска на всех режимах ее работы. Этим достигается повышение таких эксплуатацион- ных показателей системы, как быстродействие и точ- ность исполнения функций регулирования. 13.17. Электрогидравлический задатчик давления (ЭГЗД) Изменение количества распыленного бензина с по- мощью форсунки закрытого типа (после того, как она откроется) всегда является следствием изменения давления внутри форсунки. Это давление называется давлением впрыска и в механических системах может управляться и с целью изменения количества впускае- мой в цилиндры ТВ-смеси, и с целью изменения ее ка- чественного состава. При работе двигателя количест- во подаваемой ТВ-смеси регулируется дроссельной за- слонкой (от водительской педали акселератора), а ка- чество — автоматической системой управления. В системе “KE-Jetronic" приготовление ТВ-смеси и управление ее количеством реализуется так же, как и в системе ‘ K-Jetronic”, а автоматическое управле- ние качеством — с помощью электрогидравлическо- го задатчика давления (ЭГЗД). 132
Механические системы впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “К”) Ьмакс. +150 Предел обогащения смеси Диапазон самонастройку |—+23 -16- Отключение подачи топлива на режиме принудительного холостого хода Рис. 13.20. Диапазон изменения тока i3 в ЭГЗД Этот задатчик (см. рис. 13.18) входит в состав до- затора-распределителя 1 и представляет собой бензи- новый жиклерный клапан с электрически управляемой пропускной способностью жиклера 28. Электромагнит- ная система задатчика рассчитана и сконструирована так, чтобы количество бензина, проходящего через жиклер задатчика, было пропорционально величине электрического тока 13, протекающего по катушке эле- ктромагнита 29. Это позволяет изменять подпорное давление бензина в нижних номерах 25 дозатора-рас- пределителя так, чтобы разность давлений ДР в полос- ти поршне-щелевого вентиля (ПЩВ) 27 и в нижних ка- мерах 25 всегда оставалась бы пропорциональной ве- личине тока в задатчике 2. Для этой цели задатчик 2 давления своими гидравлическими каналами включен между прямой бензомагистралью 5 и нижними каме- рами 25. Управляя таким способом разностью между рабочим и подпорным давлением, можно достаточно точно и безынерционно управлять количеством топли- ва, подаваемого к форсункам, при неизменном коли- честве впускаемого в цилиндры воздуха. Форсунки со- общены с верхними камерами 26 бензотрубками 10. В различных системах "КЕ" управляющий ток 13 из- меняется с помощью ЭБУ-В от +13 тах до -l3 min в раз- личных пределах (+l3 тах < 150 мА; -l3 min > -70 мА). Но всегда положительному значению тока (+13 тах) соот- ветствует закрытое состояние жиклера 28 (предел обогащения ТВ-смеси), а отрицательному значению (-l3 min) — открытое (предел обеднения) до полного прекращения подачи бензина к форсункам). Значе- нию тока 13, близкому к нулю, соответствует штатная (установочная) пропускная способность жиклера 28, при которой система впрыска "КЕ’ вырабатывает сте- хиометрическую ТВ-смесь и работает совместно с кис- лородным датчиком в режиме регулировки содержа- ния угарного газа СО в выхлопных отработавших га- зах (0,9 < а < 1,1). Диапазон изменения управляюще- го тока от 0,15 Нп,т) До 0,15 (+lmax) называется диа- пазоном самонастройки системы (рис. 13.20). В этом диапазоне имеет место компенсация ряда дестабили- зирующих факторов, а именно: частичное нарушение герметичности воздушного канала, незначительная потеря компрессии в цилиндрах ДВС, увеличение вы- бросов СО. Благодаря компенсации двигатель продол- жает устойчиво работать и не требует регулировок. Если электронная система управления током жиклера в задатчике давления выходит из строя и ток 13 стано- вится равным нулю, система “KE-Jetronic” продолжает выполнять свои функции, как обычная механическая система (без электронного управления). 13.18. Электронный блок управления впрыском (ЭБУ-В) ЭБУ-В в системе “KE-Jetronic” аналогового прин- ципа действия. Его главная задача — вырабатывать ток управления для электрогидравлического задатчи- ка давления. Этот ток можно считать постоянным с плавным изменением величины текущего значения и с переключением полярности по заданному закону регулирования. Помимо этого ЭБУ-В вырабатывает сигналы управления для пусковой форсунки впрыска (в ранних выпусках систем “КЕ” форсунка впрыска управляется от термореле времени), для клапана ста- билизации холостого хода, для клапана подсистемы нейтрализации паров бензина, для чек «мпы подси- стемы бортовой самодиагностики, для авторегулято- ра системы зажигания (сигнал нагрузки ДВС). На вход ЭБУ-В (см. рис. 13.19) поступают электри- ческие сигналы от различных входных датчиков, а также от авторегулятора системы зажигания (АРЗ) — по каналу обмена данными. ЭБУ и АРЗ в системе “KE-Jetronic” конструктивно выполнены в виде двух отдельных устройств. Однако следует заметить, что на ряде автомобилей, напри- мер на немецких “Volkswagen-Passat” (выпуск после 1988 года) устанавливается комбинированная систе- ма электронного управления двигателем “КЕ- Motronic”. Она отличается от системы "KE-Jetronic” в основном только тем, что в ней функции управления впрыском бензина и электроискровым зажиганием выполняет один общий электронный блок. В электронном блоке управления для системы впры- ска "KE-Jetronic” впервые появился так называемый регистратор неисправностей, который работает совме- стно с электронной схемой самодиагностики. С помо- щью этой схемы контролируются сигналы входных дат- чиков и рабочие токи в исполнительных устройствах. В случае возникновения нештатных ситуаций не- исправности кодируются и фиксируются в регистра- 133
Глава 13 торе. На шоферском пульте управления загорается чек-лампа. Записанные коды неисправностей могут быть вызваны и расшифрованы с помощью миганий чек-лампы и таблицы кодов. Электронные компоненты ЭБУ-В являются микроэле- ктронными устройствами и обладают достаточно высо- кой эксплуатационной и функциональной надежностью. 13.19. Мембранный регулятор давления (МРД) Основное назначение МРД (см. рис. 13.11) —|| поддерживать подпорное давление в возв(ЯтнойТ бензомагистрали 7 за нижними камерами 25 до'зато- ра-распределителя 1. Подпорное давление в системе “КЕ" выполняет роль управляющего. В системе “K-Jetronic” управляю- щее давление формируется с помощью регулятора прогрева, который изменяет величину гидравлическо- го противодействия на золотник поршне-щелевого вентиля 27. В системе “KE-Jetronic” такого противо- действия нет, а подпор создается в нижних камерах 25 и воздействует на мембраны дифференциальных клапанов в дозаторе-распределителе. Этот подпор со- здается задатчиком давления 2, а стабилизируется и поддерживается мембранным регулятором давления 3 (МРД). Кроме этого МРД закрывает сливную бензо- магистраль 6 при остановке двигателя (ДВС). Когда ДВС работает в установившемся режиме подпорное давление на дифференциальные мембраны в нижних камерах 25 должно поддерживаться постоянным. Этим обеспечиваются условия оптимального смесеоб- разования, запрограммированные в ЭБУ-В для данно- го режима работы двигателя. При переходе двигателя на другой режим условия смесеобразования изменя- ются. Подпорное давление в нижних камерах 25 под воздействием электронного управления также изме- няется, а его разность (ДР) с рабочим давлением в по- лости ПЩВ 27 обеспечивает нужное увеличение или уменьшение количества подаваемого к форсункам бензина. Таким образом, подпорное давление на раз- личных режимах работы ДВС различно, но для каждо- го конкретного режима — постоянно. Функцию под- держания требуемого значения подпорного давления выполняет мембранный регулятор давления МРД. Устройство МРД показано на рис. 13.21. Как вид- но из чертежа, МРД состоит из трех камер: рабочей (красная), сливной (оранжевая) и вакуумной (синяя). Каждая камера имеет свои соединительные штуце- ра — 3, 5 и 9, 15 соответственно. Между рабочей и сливной камерами установлен полый толкатель 2 с пе- репускным каналом 10. Со стороны сливной камеры на торец толкателя 2 установлена запорная шайба 8, которая совместно с опорой 4 образует сливной кла- пан МРД. Этот клапан может открываться контрпру- Рис. 13.21. Мембранный регулятор давления (обозначения в тексте) жиной 7 при перемещении толкателя вниз. Усилие контрпружины регулируется винтом 6 через штуцер 5. Рабочая камера разобщена с вакуумной посредством упругой металлической мембраны 12, которая со сто- роны вакуумной камеры подперта отпарированной ви- той стальной пружиной 14. Перепускной канал 10 в подвижном толкателе 2 со стороны рабочей камеры перекрыт шариковым редукционным клапаном 11. Этот клапан установлен на мембране 12 таким обра- зом, что при поднятии мембраны вверх (под напором давления в рабочей камере МРД) сначала поднимает- ся запорная шайба 8 и открывает сливной клапан МРД, а затем после упора мембраны 12 в ограничи- тель 13 вверх приподнимается запорный шарик ре- дукционного клапана 11. Степень открытия редукци- онного клапана определяется приростом давления бензина в рабочей камере МРД после того, как мемб- рана 12 упрется в ограничитель 13. Так как это давле- ние совпадает по величине с рабочим давлением на входном жеклере 28 задатчика давления 2. то при из- менении напора бензина в задатчике 2 и в нижних ка- мерах 25 (управляемым током 13 от ЭБУ-В), редукцион- ный клапан 11 корректирует подпорное давление под заданную законом управления разность давлений ДР. Рабочая функция вакуумной камеры в мембран- ном регуляторе МРД заключается в коррекции под- порного давления при изменении нагрузки двигате- ля, для чего штуцер 15 соединяется шлангом с впуск- ным коллектором. 13.20. Расходомер воздуха с потенциометрическим датчиком Из опыта эксплуатации вакуумных регуляторов в системе зажигания известно, что диапазон их функ- ционирования (по изменению нагрузки ДВС) крайне 134
Механические системывпрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “К”) Бензин под рабочим давлением системы Бензин под управляющим давлением ограничен. То же самое имеет место и при использовании ваку- умных мембранных регуляторов давления в системах впрыска. Для устранения этого недостатка в поздних выпусках системы “KE- Jetronic” вакуумная камера, в МРД служащая для коррекции со- става ТВ-смеси по нагрузке дви- гателя, не используется, а ее функции выполняет резистивный потенциометрический датчик степени открытия ротаметра (на- порного диска) в пневмомехани- ческом расходомере воздуха. В отличие от гибкой диафраг- мы в вакуумной камере, ротаметр исключительно чувствителен к из- менению количества всасываемо го воздуха, а следовательно, и к изменению нагрузки двигателя. Конструкция расходомера воздуха с резистивным потенцио- метром на оси рычага ротаметра показана на рис. 13.18 позиция- ми 8 и 11. При работе двигателя поток всасываемого воздуха приподнимает рота- метр на величину, соответствующую объему пропу- щенного воздуха, и ротаметр через систему рычагов (как и в системе “K-Jetronic”) приподнимает золотник в поршне-щелевом вентиле 27. Последний управляет количеством пропущенного бензина к рабочим фор- сункам впрыска. Так реализуется механическое уп- равление процессом приготовления ТВ-смеси, коли- чество которой при подаче в цилиндры устанавлива- ется дроссельной заслонкой (качество ТВ-смеси оста- ется неизменным). Одновременно с этим рычаг рота- метра перемещает ползунок (центральный вывод) потенциометра на соответствующий угол по резис- тивной дорожке, на которую подается постоянное стабильное напряжение от ЭБУ-В. Таким образом на центральном выводе формируется электрический по- тенциал, несущий информацию об угловом положе- нии рычага ротаметра, а значит, и о нагрузке двига- теля. Этот потенциал возвращается в ЭБУ-В в виде электрического сигнала, который достаточно точно характеризует нагрузку ДВС. 13.21. Дозатор-распределитель (ДР) Это устройство (рис. 13.22) в системе “KE- Jetronic” во многом подобно своему прототипу, но имеются и принципиальные отличия, основные из ко- торых следующие (см. рис. 13.18 и 13.22). Диффе- ренциальные диафрагмы между верхними 26 и ни- Бензин под давлением рабочих форсунок Конструктив Рис. 13.22. Дозатор-распределитель системы “KE-Jetronlc”: позиции 1...10 и 25...2Э соответствуют рис. 13.18; 11 — электрический контакт соленоида ЭГЗД для подачи управляющего тока 13; 12 — якорь (качели) соленоида; 13 — пружина дифференциального клапана; 14 — золотник поршне-щелевого вея- теля 27, х — полость над золотником 14. жними 25 камерами напряжены подпорными пружи- нами не со стороны верхних, а со стороны нижних ка- мер. Бензин в нижние камеры подается не из прямой бензомагистрали 5, а из полости задатчика давле- ния 2. Нижние камеры с полостью поршне-щелевого вентиля 27 не сообщаются, а сам вентиль 27 вклю- чен непосредственно в прямую бензомагистраль 5. Дозирующий жиклер перед верхней полостью X отсут- ствует, за счет чего давление в верхней и нижней по- лостях в вентиле 27 одинаковое. Как уже отмечалось, регулятор прогрева (управляющего давления) заме- нен электрогидравлическим задатчиком давления ЭГЗД 2, который установлен непосредственно на кор- пусе 1 дозатора-распределителя. Рабочие каналы 10, подающие бензин к форсункам впрыска 20 (как и в системе “K-Jetronic”), то приоткрываются, то прикры- ваются (управляется их пропускная способность) про- гибом дифференциальных диафрагм. Степень проги- ба управляется разностью давления ДР бензина в верхних и нижних камерах. Пусковая форсунка 22, как и в системе “K-Jetronic”, включена непосредст- венно в прямую бензомагистраль 5. Так как рабочее давление в системе “КЕ” повышено, то всв соедини- тельные бензомагистрали усилены — применены шту- церы с конической мелкой резьбой и металлические соединительные трубки. На рис. 13.22 позицией 3 по- казан не мембранный, а поршневой регулятор давле- ния, который устанавливается в более поздних систе- мах “K-Jetronic”. Функции мембранного и поршневого регулятора одинаковые. 135
Глава 13 13.22. Работа системы “KE-Jetronic” Пуск и прогрев холодного двигателя, оснащенно- го системой впрыска бензина “КЕ Jetronic”, происхо- дит следующим образом (см. рис. 13.18). При включении зажигания (еще до включения стартера) срабатывает электробензонасос 14 и начи- нается нагнетание бензина в нижние камеры дозато- ра-распределителя 1, а также в рабочие полости за- датчика 2 и мембранного регулятора 3. Сливные маги- страли 6 и 7 в это время закрыты мембранным регу- лятором. Но как только давление в системе достигает рабочего значения для данной температуры двигателя (в ЭБУ-В учитывается сигнал датчика 17 ДТВ), сливные магистрали 6 и 7 открываются и бензин через воз- вратную магистраль 4 начнет поступать обратно в бен- зобак 15. Таким образом замкнутое топливное кольцо подготавливается к работе. Если двигатель заводится при пониженной температуре (Td < 10°С), то срабаты- вает пусковая форсунка 22 и пуск происходит так же как и в системе "K-Jetronic". Если же температура дви- гателя выше 10°С, то пусковая форсунка не срабаты- вает (разомкнуты контакты термореле 18 или нет сиг- нала от ЭБУ-В 16) и запуск реализуется путем впрыска обогащенной ТВ-смеси через рабочие клапанные фор- сунки 20. При этом ЭБУ-В устанавливает в обмотке за- датчика давления 2 такой ток, величина которого соот- ветствует степени обогащения ТВ-смеси для нормаль- ной (устойчивой) работы двигателя на холостом ходу при данной температуре. По мере прогрева работаю- щего двигателя ток в обмотке задатчика плавно умень- шается, жиклер 28 задатчика все больше открывается и давление в нижних камерах 25 дозатора-распредели- теля 1 соответственно увеличивается. Это приводит к постепенному обеднению ТВ-смеси до тех пор, пока она не станет нормальной. Температура двигателя при этом достигнет значения 65°С. Дальнейшее повыше- ние температуры двигателя не оказывает заметного влияния на работу системы впрыска. Управление качеством ТВ-смеси на прогретом двигателе осуществляется по совокупности сигналов от всех датчиков на входе ЭБУ-В и по программе, за- ложенной в ЭБУ-В. Исполнительным устройством на всех возможных режимах работы прогретого двига- теля остается задатчик давления ЭГЗД. С его помо- щью реализуются такие режимы работы системы Рис. 13.23. Схема электрических соединений в системе “KE-Jetronlc” (Фрагмент схемы электрооборудования): 1 — пусковая форсунка; 2 — электробензонасос; 3 — клапан дополни- тельной подачи воздуха; 4 — электронное реле управления электробензо- насосом 2, пусковой форсункой 1 и клапаном подачи воздуха 3; 5 — дат- чик краевых положений дроссельной заслонки; 6 — реле защиты от пере- грузки; 7 — клапан стабилизации режима холостого хода (в вариантах без клапана подачи воздуха 3); 8 — расходомер воздуха с потенциомет- рическим датчиком положения ротаметра; 9 — электрогидравлический задатчик давления; 10 — датчик принудительного XX (в вариантах без датчика 5); 11 — датчик температуры двигателя; 1, 3, 5, 10. 12, 13, 17, 21, 24, 25 — номера контактов в штекерном разъеме ЭБУ; TD — им- пульсный сигнал зажигания: 15. 30. 50 — номера контактов в замке за- жигания (+12 В). впрыска, как: обогащение ТВ-смеси при разгоне автомобиля на прогретом или на непрогретом двигателе (участвуют дат- чики ДТД, ДПД и ДНД); обогащение ТВ- смеси на полной нагрузке ДВС (участву- ют датчики ДПД и ДНД); прекращение подачи топлива к форсункам впрыска при торможении двигателем — принуди- тельный холостой ход (участвуют датчики ДХ, ДПД и ДХХ), а также при превыше- нии максимально допустимых оборотов коленвала двигателя (используется дат- чик ДХ); обеднение ТВ-смеси при движе- нии автомобиля по горным дорогам (ис- пользуется датчик ДУМ); корректировка состава ТВ-смеси при работе системы впрыска с датчиком ДКК концентрации кислорода. Схема электрических соеди- нений в системе “KE-Jetronic” приведена на рис. 13.23. В заключение следует отметить, что дальнейшее усовершенствование систем впрыска бензина шло по пути внедрения порциальной (прерывистой) подачи топ- лива вместо непрерывной, что возможно реализовать заменой закрытых гидроме- ханических форсунок форсунками с элек- тромагнитным управлением от ЭБУ-В дис- кретного принципа действия. 136
Глава четырнадцатая СИСТЕМЫ ОДНОТОЧЕЧНОГО ВПРЫСКА ТОПЛИВА ДЛЯ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (ГРУППА “MONO”) Главы четырнадцатая, пятнадцатая н шестнадцатая посвящены описанию современных систем центрального (одноточечного) впрыска топлива для бензиновых двигателей внутреннего сгора- ния легковых автомобилей. Такие системы впрыска бензина управляются с помощью электронной автоматики и относятся к группе "Mono”. 14.1. Система впрыска бензина "Mono-Jetronic” Впервые система центрального одноточечного импульсного впрыска топлива для бензиновых дви- гателей легковых автомобилей была разработана фирмой BOSCH в 1975 году. Эта система получила название “Mono-Jetronic” (Monojet — одиночная струя) и была установлена на автомобиле “Volkswagen". • На рис. 14.1 показан центральный впрыскива- ющий узел системы “Mono-Jetronic". Из рисунка вид- но, что центральная форсунка впрыска (ЦФВ) уста- навливается на стандартном впускном коллекторе вместо обычного карбюратора. Но в отличие от карбюратора, в котором автома- тика смесеобразования реализуется механическим управлением, в моносистеме впрыска применяется чисто электронное управление. На рис. 14.2 показана упрощенная функциональ- ная схема системы “Mono-Jetronic”. Электронный блок управления (ЭБУ) работает от входных датчиков 1-7, которые фиксируют текущее состояние и режим работы двигателя. По совокупно- Рис. 14.1. Центральный впрыскивающий узел (ЦВУ): ПБМ — подающая бензомагистраль; ОБМ — обратная бензомагистраль; ДПД — потенциометрический датчик по- ложения дроссельной заслонки; ЗПК — запорный пневмоклапан; ЦФВ — цент- ральная форсунка впрыска; ДТВ — дат- чик температуры всасываемого воздч ха; ПДЗ — привод дроссельной заслон- ки; РД — регулятор давления; СПД — электросервопривод дроссельной за- слонки; ВПК — впускной коллектор ПК — теплоизоляционная прокладка коллектора; КР — контактный разъем. ДМВ ДПД ДТВ ДТД ДОД BK кд Рис. 14.2. Упрощенная фуикциоиальиая схема системы “Mono-Jetronic": 1—7 — входные датчики (ДМВ — момента впрыска, ДПД — положения дроссе- ля, ДТВ — температуры воздуха, ДТД — температуры двигателя, ДОД — оборо- тов двигателя, ВК — концевой выключатель сервопривода, КД — концентрации кислорода); 8 — электромагнитный соленоид ЦФВ; 9 — установочное место для ДТВ; 10 — сетчатый бензофильтр; 11 — запорный клапан ЦФВ; 12— распыли- тельное сопло; 13 — миксерная (смесительная) преддроссельная зона; 14 — дроссельная заслонка; 15 — центральная форсунка впрыска ЦФВ; 16 — корпус ЦВУ; 17 — регулятор давления РД; 18 — обратный бензопровод ОБП; 19 — по- дающая бензомагистраль ПБМ; ЭБУ — электронный блок управления; S — эле- ктроимпульс управления ЦФВ; ЗУ — блок памяти; МКП —микропроцессор. 137
Глава 14 сти сигналов от этих датчиков и с использованием информации из трехмерной характеристики впрыска в ЭБУ вычисляются начало и продолжительность от- крытого состояния центральной форсунки 15. На основании расчетных данных в ЭБУ формиру- ется электроимпульсный сигнал S управления для ЦФВ. Этот сигнал воздействует на обмотку 8 магнит- ного соленоида форсунки, запорный клапан 11 кото- рой открывается, и через распылительное сопло 12 бензин принудительно под давлением 1,1 бар в топли- воподающей магистрали 19 распыляется во впускной коллектор через открытую дроссельную заслонку 14. При заданных размерах диафрагмы дроссельной заслонки и калиброванного сечения распылительно- го сопла массовое количество пропущенного в ци- линдры воздуха определяется степенью открытия дроссельной заслонки, а массовое количество впрыснутого в воздушный поток бензина — продол- жительностью открытого состояния форсунки и под- порным (рабочим) давлением в топливоподающей магистрали 19. • Для того чтобы бензин сгорал полностью и наи- более эффективно, массы бензина и воздуха в ТВ- смеси должны находиться в строго определенном со- отношении, равном 1/14,7 (для высокооктановых сортов бензина). Такое соотношение называется стехиометрическим, и ему соответствует коэффици- Рис. 14.3. Центральная форсунка впрыска (ЦФВ): 1 — прямая бензомагистраль ПБМ; 2 — обратная бензома- гистраль ОБМ; 3 — корпус ЦФВ: 4 — крышка: 5 — соедини- тельные электропровода; 6 — датчик температуры всасыва- емого воздуха ДТВ; 7 — сетчатый бензофильтр; 8 — обмот- ка электромагнитного соленоида; 9 — запорный клапан ЦФВ; 10 — микроканалы распылительного сопла; 11 — рас- труб сопла; 12 — миксерная зона; 13 — возвратная пружи- на; 14 — магнитный керн; а — распылительное сопло; б — датчик температуры всасываемого воздуха ДТВ. ент а избытка воздуха, равный единице. Коэффици- ент а = Мд/М0, где Мо — количество массы воздуха, теоретически необходимой для полного сгорания данной порции бензина, а М4 — масса фактически выгоревшего воздуха. Отсюда ясно, что в любой системе впрыска топли- ва обязательно должен иметься измеритель массы воздуха, впущенного в цилиндры двигателя при вса- сывании. • В системе “Mono-Jetronic" масса воздуха рас- считывается в ЭБУ по показаниям двух датчиков (см. рис. 14.1): температуры всасываемого воздуха (ДТВ) и положения дроссельной заслонки (ДПД). Пер- вый расположен непосредственно на пути воздушно- го потока в верхней части центральной форсунки впрыска и представляет собой миниатюрный полу- проводниковый термистор, а второй является резис- тивным потенциометром, движок которого насажен на поворотную ось (ПДЗ) дроссельной заслонки. Так как конкретному угловому положению дрос- сельной заслонки соответствует строго определен- ное объемное количество пропущенного воздуха, то дроссельный потенциометр выполняет функцию рас- ходомера воздуха. В системе “Mono-Jetronic" он яв- ляется также датчиком нагрузки двигателя. Но масса всасываемого воздуха в значительной степени зависит от температуры. Холодный воздух более плотный, а значит, более тяжелый. По мере по- вышения температуры плотность воздуха и его мас- са уменьшаются. Влияние температуры учитывается датчиком ДТВ (см. рис. 14.3, б). • Датчик ДТВ температуры всасываемого возду- ха, как полупроводниковый термистор с отрицатель- ным температурным коэффициентом сопротивления, изменяет величину резистивности от 10 до 2,5 кОм при изменении температуры от -30 до +20°С. Сигнал датчика ДТВ используется только в таком темпера- турном диапазоне. При этом базовая продолжитель- ность впрыска бензина корректируется с помощью ЭБУ в интервале 20...0%. Если температура всасыва- емого воздуха выше +20°С, то сигнал датчика ДТВ блокируется в ЭБУ и датчик не используется. Сигналы от датчиков положения дроссельной за- слонки (ДПД) и температуры всасываемого воздуха (ДТВ) в случаях их отказов дублируются в ЭБУ сигна- лами датчиков частоты вращения (ДОД) и температу- ры охлаждающей жидкости (ДТД) двигателя. о По рассчитанному в ЭБУ объему воздуха, а так- же по сигналу о частоте вращения двигателя, кото- рый поступает от датчика числа оборотов системы зажигания, определяется требуемая (базовая) про- должительность открытого состояния центральной форсунки впрыска. Так как подпорное давление Рт в топливоподающей магистрали (ПБМ) постоянно (для “Mono-Jetronic” Рт=1...1,1 бар), а пропускная способность форсунки 138
Системы одноточечного впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа “Mono") задана суммарным сечением отверстий распылительно- го сопла, то время открытого состояния форсунки одно- значно определяет количество впрыснутого бензина. Момент впрыска (на рис. 14.2 сигнал от датчика ДМВ) обычно задается одновременно с сигналом на воспла- менение ТВ-смеси от системы зажигания (через 180° поворота коленвала для четырехцилиндрового ДВС). Таким образом, при электронном управлении про- цессом смесеобразования обеспечение высокой точности дозировки впрыскиваемого бензина в из- меренное количество массы воздуха является легко решаемой задачей, но, в конечном счете, точность дозирования определяется не электронной автомати- кой, а точностью изготовления и функциональной на- дежностью входных датчиков и форсунки впрыска. • На рис. 14.3 показана главная деталь системы “Mono-Jetronic" — центральная форсунка впрыска (ЦФВ). Центральная форсунка впрыска представляет со- бой бензоклапан, который открывается электричес- ким импульсом, поступающим от электронного блока управления. Для этого в форсунке имеется электро- магнитный соленоид 8 с подвижным магнитным кер- ном 14. Основной проблемой при создании клапанов для импульсного впрыска является необходимость обеспечения высокой скорости срабатывания запор- ного устройства 9 клапана как на открывание, так и на закрытие. Решение проблемы достигается облег- чением магнитного керна соленоида, увеличением то- ка в импульсном сигнале управления, подбором упру- гости возвратной пружины 13, а также формой при- тертых поверхностей для распылительного сопла 10. Сопло форсунки (рис. 14.3, а) выполнено в виде раструба капиллярных канальцев, число которых обычно не менее шести. Углом при вершине растру- ба задается раскрыв струи впрыска, которая имеет форму воронки. При такой форме струя бензина не попадает на дроссельную заслонку даже при малом ее открытии, а пролетает в два тонких полумесяца открывшейся щели. Центральная форсунка системы “Mono-Jetronic” на- дежно обеспечивает минимальную продолжительность открытого состояния распылительного сопла 11 в тече- ние 1±0,1 мс. За такое время и при рабочем давлении в 1 бар через распылительное сопло площадью в 0,08 мм2 впрыскивается около одного миллиграмма бензина. Этому соответствует расход топлива 4 л/ч на минимальных холостых оборотах (600 об/мин) прогре- того двигателя. При пуске и прогреве холодного двига- теля форсунка открывается на более продолжительное время (до 5...7 мс). Но, с другой стороны, максималь- ная продолжительность впрыска на прогретом двигате- ле (время открытого состояния форсунки) ограничива- ется предельной частотой вращения коленвала ДВС Дроссельный потенциометр: а — конструкция; б — электрическая схема; 1, 2.4, 5 — кон- тактные выводы потенциометра; 3 — скользящие контакты; 6 — резиновый уплотнитель; 7 — резистор Ra; 8 — резистор R6; 9 — пружины скользящих контактов на движке потенци- ометра; 10 — резистор Rc: 11 — резистор Rd; 12 — керами- ческая изоляционная подложка; 13 — ось движка потенцио- метра; 14 — пластмассовый корпус потенциометра; Ra, Rb, Rc, Rd — резистивные дорожки потенциометра. Рис. 14.4. Рис. 14.5. Электросервопривод дроссельной заслонки: 1 — опорный шток; 2 — поворотный рычаг дросселя; 3 — дроссель в закрытом состоянии; 4 — дроссель в открытом состоянии; 5 — толкатель выдвижной; 6 — контактный разъем; 7 — корпус сервопривода; 8 — шестерня: 9 — вну тренняя винтовая резьба; 10 — червячный вал; 11 — ре- версный электродвигатель; 12 — уплотнитель; 13 — пласт- массовый корпус сервопривода без крышки; b — угол пово- рота дросселя под действием электросервопривода (17°). 139
Глава 14 (6500...7000 мин-1) в режиме полного дросселя и не может быть более 4 мс. При этом тактовая частота срабатывания запорного устройства форсунки на холо- стом ходу не менее 20 Гц, а при полной нагрузке — не более 200...230 Гц. • С особой тщательностью изготавливается дат- чик ДПД положения дроссельной заслонки (дроссель- ный потенциометр), показанный на рис. 14.4. Его чувствительность к повороту движка должна отве- чать требованию ±0,5 угловых градусов поворота оси 13 дросселя. По строгому угловому положению оси дросселя определяются начала двух режимов ра- боты двигателя: режима холостого хода (3±0,5°) и режима полной нагрузки (72,5±0,5°). Для обеспечения высокой точности и надежности резистивные дорожки потенциометра, которых четы- ре, включены по схеме, показанной на рис. 14.4, б, а ось движка потенциометра (движок двухконтакт- ный) посажена в безлюфтовый тефлоновый подшип- ник скольжения. Потенциометр и ЭБУ соединены между собой че- тырехпроводным кабелем через контактный разъем. Для повышения надежности соединений контакты в разъеме и в фишке потенциометра позолочены. Кон- такты 1 и 5 предназначены для подачи опорного на- пряжения 5±0,01 В. Контакты 1 и 2 — для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от О до 24° (0...30 — режим холос- того хода; 3...24° — режим малых нагрузок двигате- ля). Контакты 1 и 4 — для снятия сигнального напря- жения при повороте дроссельной заслонки на угол от 18 до 90° (18—72,5° — режим средних нагрузок, 72,5...90° — режим полной нагрузки двигателя). Сигнальное напряжение с дроссельного потенци- ометра дополнительно используется: — для обогащения ТВ-смеси при разгоне автомо- биля (регистрируется быстрота изменения сигнала от потенциометра); — для обогащения ТВ-смеси в режиме полной на- грузки (регистрируется значение сигнала с потенцио- метра после 72,5° поворота дроссельной заслонки в сторону увеличения); — для прекращения впрыска топлива в режиме принудительного холостого хода (регистрируется сиг- нал потенциометра, если угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°. Одновременно кон- тролируется частота <о вращения двигателя: если <о > 2100 мин-1, то подача топлива прекращается и восстанавливается вновь при <о < 1500 мин-1). • Интересной особенностью системы впрыска “Mono-Jetronic" является наличие в ее составе под- системы стабилизации оборотов холостого хода с Рис. 14.6. Схема стабилизации холостого хода: ДР — датчик-распределитель; ВР — вакуумный регулятор; UBV — центральный впрыскивающий узел; ЗПК — запорный пневмоклапан; Р — разрежение в за- дроссельной зоне; КЗ — ключ зажигания; ВК — концевой выключатель в элект- росервоприводе; К — сигнал холостого хода (XX) от концевого выключателя ВК; СПД — электросервопривод дроссельной заслонки: ЭСХХ — электронная схема управления режимом XX в контроллере; 31 — потенциальный провод (+12 В). помощью электросервопривода, который воздействует на ось дрос- сельной заслонки (рис. 14.5). Элек- тросервопривод снабжен реверс- ным электродвигателем 11 посто- янного тока. Сервопривод включается в рабо- ту в режиме холостого хода и совме- стно со схемой отключения вакуум- ного регулятора угла опережения зажигания (схема стабилизации хо- лостого хода — рис. 14.6) обеспечи- вает стабилизацию частоты враще- ния двигателя в этом режиме. Такая подсистема стабилизации холостого хода работает следую- щим образом. Когда угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°, сигнал К (см. рис. 14.6) является для ЭБУ сигналом режима холосто- го хода (замыкается концевой вы- ключатель ВК штоком сервоприво- да). По этому сигналу запорный пневмоклапан ЗПК срабатывает и канал разрежения от задроссель- ной зоны впускного коллектора к вакуумному регулятору ВР пере- крывается. Вакуумный регулятор с этого момента не работает и угол 140
Системы одноточечного впрыска топлива для бензиновых двигателей (группа "Mono") опережения зажигания становится равным значе- нию установочного угла (6° до ВМТ). При этом дви- гатель на холостых оборотах работает устойчиво. Если в это время включается кондиционер или дру- гой мощный потребитель энергии двигателя (напри- мер, фары дальнего света опосредствованно через генератор), то его обороты начинают падать. Двига- тель может заглохнуть. Чтобы этого не происходи- ло, по команде от электронной схемы управления холостым ходом (ЭСХХ) в контроллере включается электросервопривод, который несколько приоткры- вает дроссельную заслонку. Обороты увеличивают- ся до номинального значения для данной темпера- туры двигателя. Ясно, что при снятии нагрузки с двигателя его обороты уменьшаются до нормы тем же электросервоприводом. • В ЭБУ системы "Mono-Jetronic" имеется микро- процессор МКП (см. рис. 14.2) с постоянной и опера- тивной памятью (блок ЗУ). В постоянную память "за- шита" эталонная трехмерная характеристика впрыска (ТХВ). Эта характеристика в какой- то мере подобна трехмерной ха- рактеристике зажигания, но отли- чается тем, что ее выходным пара- метром является не угол опереже- ния зажигания, а время (продол- жительность) открытого состояния центральной форсунки впрыска. Входными координатами характе- ристики ТХВ являются частота вра- щения двигателя (сигнал поступает от контроллера системы зажига- ния) и объем всасываемого возду- ха (рассчитывается микропроцес- сором в ЭБУ впрыска). Эталонная характеристика ТХВ несет в себе опорную (базовую) информацию о стехиометрическом соотношении бензина и воздуха в ТВ-смеси при всех возможных режимах и усло- виях работы двигателя. Эта инфор- мация выбирается из памяти ЗУ в микропроцессор ЭБУ по входным координатам характеристики ТХВ (по сигналам датчиков ДОД, ДПД, ДТВ) и корректируется по сигналам от датчика температуры охлаждаю- щей жидкости (ДТД) и кислородно- го датчика (КД). • О кислородном датчике надо сказать отдельно. Наличие его в си- стеме впрыска позволяет удержи- вать состав ТВ-смеси постоянно в стехиометрическом соотношении (а=1). Это достигается тем, что дат- чик КД работает в цепи глубокой адаптивной обратной связи от системы выпуска отрабо- тавших газов к системе топливного питания (к системе впрыска). Он реагирует на разность концентрации кислорода в атмосфере и в выхлопных газах. По сути дела, дат- чик КД является химическим источником тока перво- го рода (гальваническим элементом) с твердым элект- ролитом (специальная сотовая металлокерамика) и с высокой (не ниже 300°С) рабочей температурой. ЭДС такого датчика почти по ступенчатому закону зависит от разности концентрации кислорода на его электро- дах (платино-радиевое пленочное покрытие с разных сторон пористой керамики). Наибольшая крутизна (пе- репад) ступеньки ЭДС приходится на значение а = 1. Датчик КД вворачивается в трубу выпускного ка- нала (например, в выхлопной коллектор) и его чувст- вительная поверхность (положительный электрод) оказывается в потоке выхлопных газов. Над крепеж- ной резьбой датчика имеются щели, через которые наружный отрицательный электрод сообщается с ат- Рис. 14.7. Функциональная схема системы "Mono-Jetronic": 1 — бензобак; 2 — подкачивающий бензонасос; 3 — основной бензонасос; 4 — бензофильтр; 5 — обратный бензопровод; 6 — прямая бензомагистраль; 7 — ре- гулятор давления; 8 — центральная форсунка впрыска (ЦФВ); 9 — отвод картер- ных газов; 10 — штуцер вакуумного шланга для запорного клапана; 11 — дрос- сельная заслонка; 12 — подогреватель ТВ-смеси; 13 — электросервопривод дроссельной заслонки; 14 — дроссельный потенциометр (ДПА); 15 — вакуумный шланг; 16 — запорный пневмоклапан; 17 — вакуумный регулятор опережения зажигания: 18 — датчик-распределитель: 19 — электронный коммутатор зажига- ния; 20 — свеча зажигания; 21 — впускной клапан ДВС; 22 — выпускной кол- лектор; 23 — кислородный датчик; 24 — датчик температуры ДВС; 25 — элек- тронный блок управления впрыском (ЭБУ-В); 26 — аккумуляторная батарея (АКБ): 27 — замок зажигания. 141
Глава 14 мосферным воздухом. На автомобилях с каталитичес- ким газонейтрализатором кислородный датчик уста- навливается перед нейтрализатором и имеет спираль электроподогрева, так как температура выпускных га- зов перед нейтрализатором может быть ниже 300°С. Кроме того, электроподогрев кислородного датчика ускоряет его подготовку к работе. Сигнальными проводами датчик соединен с ЭБУ впрыска. Когда в цилиндры поступает бедная смесь (а > 1). то концентрация кислорода в выхлопных газах чуть выше штатной (при а = 1). Датчик КД выдает низ- кое напряжение (около 0,1 В), и ЭБУ по этому сигналу корректирует время продолжительности впрыска бен- зина в сторону его увеличения. Коэффициент а снова приближается к единице. При работе двигателя на бо- гатой смеси кислородный датчик выдает напряжение около 0,9 В и работает в обратном порядке. Интересно отметить, что кислородный датчик участ- вует в процессе смесеобразования только на режимах работы двигателя, при которых обогащение ТВ-смеси ограничено значением а > 0,9. Это такие режимы, как нагрузка на низких и средних оборотах и холостой ход на прогретом даигателе. В противном случае датчик КД отключается (блокируется) в ЭБУ и коррекция со- става ТВ-смеси по концентрации кислорода в отрабо- тавших газах не осуществляется. Это имеет место, на