Автомобили и тракторы

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

ИЭЛЕКТРОНИКА

3.1.Элементы электрооборудование

Автотракторное электрооборудование предназначено для получения и использования электрической энергии на тракторах и автомобилях с целью повышения их безопасности, надежного функционирования двигателя, трансмиссии, ходовой части и гидравлического оборудования, автоматизации рабочих процессов и улучшения условий труда водителя и комфортных условий для пассажиров.

Автотракторное электрооборудование включает в себя системы

иустройства:

–электроснабжения: (одна или две аккумуляторные батареи (АКБ) и генераторная установка);

–электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания (АКБ, электростартер, реле управления и устройства для облегчения пуска двигателя);

–зажигания для обеспечения пуска двигателя с искровым зажиганием: (свеча, катушка, прерыватель-распределитель, датчикраспределитель, транзисторный коммутатор, добавочный резистор, высоковольтные провода и наконечники);

–освещения, звуковой и световой сигнализации (фары дорожные, фары рабочие, светосигнальные фонари, реле управления и т. д.);

–электронные системы управления составными частями трактора и автомобиля;

–информации и контроля технического состояния агрегатов трактора и автомобиля (датчики и указатели, тахоспидометр, монитор, сигнальные (контрольные) лампы и пр.);

–электропривода (электродвигатели, моторедукторы, мотонасосы в системах стеклоочистки, отопления, вентиляции, предпускового подогрева двигателя, в стеклоподъемниках, блокировки дверей и др.);

–коммутационные, защитные устройства и электропроводку (выключатели, переключатели, реле, контакторы, блоки предохранителей, панели и разъемы).

Дальнейшее совершенствование электрооборудования тракторов

и автомобилей связано с широким применением электроники и микропроцессоров, обеспечивающих автоматизацию и оптимиза-

131

цию рабочих процессов, снижение токсичности отработавших газов, повышение безопасности движения и производительности труда. Постоянное увеличение количества и мощности потребителей диктует рост мощности источников электроэнергии. От технического состояния электрооборудования в значительной мере зависит надежность и производительность тракторов и автомобилей.

Аккумуляторная батарея (АКБ) преобразует постоянный электрический ток, подводимый от внешнего источника, в энергию активной массы разнополюсных электродов и электролита, а их энергию – в постоянный электрический ток потребителей.

По назначению аккумуляторные батареи делят на стартерные,

стационарные, авиационные, тяговые и др.

По составу электролита и электродов аккумуляторные батареи бывают свинцово-кислотные и щелочные (железоникелевые, кадмиевоникелевые, серебряно-цинковые).

В настоящее время выпускаются АКБ трех поколений.

1.Батареи первого поколения – батареи с жидким электролитом открытого или закрытого типа, имеющие емкость от 36 до 5328 А·ч

исрок службы до 10 лет. Батареи открытого типа не имеют крышек, электролит непосредственно соприкасается с открытым воздухом.

2.Батареи второго поколения, которыми являются герметизированные гелевые батареи. В них вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 – силикагель.

3.Батареи третьего поколения – это герметизированные батареи с абсорбированным сепараторами электролитом. Часто их называют батареями, собранными по AGM-технологии, при которой электролит абсорбирован в сепараторах из стекловолокна, размещенных между электродами. Такой сепаратор представляет собой пористую систему, в которой капиллярные силы удерживают электролит. При этом количество электролита дозируется так, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались свободными для свободной циркуляции выделяющихся газов.

Режим работы аккумуляторной батареи на автомобиле и тракторе характеризуется температурой электролита, уровнем вибрации

итряски, периодичностью, объемом и качеством технического обслуживания, параметрами стартерного разряда, силой токов и про-

132

должительностью разряда и заряда при циклировании, уровнем надежности и исправности электрооборудования, продолжительностью работы и перерывов в эксплуатации.

Аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться при температуре окружающего воздуха от –40 до +60 °С (аккумуляторные батареи группы I) и от –50 до +60 °С (батареи группы II). При этом рабочая температура электролита должна быть не выше 50 °С.

Каждый тип стартерных аккумуляторных батарей имеет свое условное буквенно-цифровое обозначение, которое наносится на моноблоке, крышке или перемычке и называется маркировкой. Условное обозначение типов батарей, выпускаемых в Республике Беларусь, России по ГОСТ 959-2002, следующее. Первая цифра определяет число последовательно соединенных аккумуляторов в батарее (три или шесть) и характеризующая ее номинальное напряжение (6 В или 12 В); буквы СТ или ТСТ указывают на назначение батареи по функциональному признаку: стартерная или стартерная для тяжелых условий эксплуатации; число, указывающее номинальную емкость батареи в ампер-часах при 20-часовом режиме разряда. Буквы или цифры дополнительной информации об исполнении батареи (при необходимости) и применяемых для ее изготовления материалов: А – исполнение с общей крышкой, З – залитая и полностью заряженная, слово «необслуживаемая» – для батарей, соответствующих требованию ГОСТ по расходу воды, Э – корпус-моноблок из эбонита, Т – моноблок из термопластичной пластмассы, М – сепаратор типа мипласт из поливинилхлорида, П – сепаратор-конверт из полиэтилена.

Например, обозначение 6СТ – 55АМ расшифровывается следующим образом: номинальное напряжение аккумуляторной батареи 12 В, тип – стартерная, номинальная емкость при 20-часовом режиме разряда – 55 А·ч, изготовлена в моноблоке с общей крышкой с сепаратором типа мипласт и поставляется сухозаряженной.

Кроме вышеуказанного, маркировка батареи должна содержать следующие данные: товарный знак завода-изготовителя; знаки полярности «+» и «–»; дату изготовления (две цифры – месяц, две цифры – год изготовления); массу батареи в состоянии поставки с завода (если масса составляет 10 кг и более); ток холодной прокрутки в А.

В соответствии с требованиями ГОСТ 959-2002 на батареях должны быть указаны также знаки безопасности и символ переработки.

133

В новом ГОСТ 959-2002 предусмотрено изменение показателей по току холодной прокрутки по аналогии с требованиями EN 60095-1 (EN – European Norm). Поэтому при переходе на новый стандарт в маркировке всех батарей величины токов холодной прокрутки (стартерного разряда) стали больше примерно в 1,7 раза.

Европейские производители обозначают батареи пятизначными (по DIN) или девятизначными (по ETN) кодами. Первые три цифры в кодах по DIN и ETN содержат информацию о напряжении и емкости батареи. Для батарей напряжением 6 В первые три цифры (от 001 до 499) соответствуют номинальной емкости батареи при 20-часовом режиме разряда. У АБ на 12 В номинальную емкость можно получить, вычитая из первых трех цифр (от 501 до 799) число 500. Следовательно, для батарей на 12 В первая цифра 5 говорит о том, что батарея имеет емкость от 1 до 99 А·ч, 6 – от 100

до 199 А·ч, а 7 – от 200 до 299 А·ч.

Например, обозначение «555 65» (DIN) или «555 065 042» (ETN)

говорит о том, что батарея имеет емкость 55 А·ч. Последние две цифры в коде по DIN, также как и вторая тройка цифр в коде по ETN, указывают вариант исполнения, характеризующий, например, расположение выводов, конструкцию крепежных элементов или крышки, тип газоотвода и другие особенности. При обозначении батареи девятизначным кодом по ETN последние три цифры соответствуют 0,1 тока холодной прокрутки по EN. Батарея «562 103 064» имеет емкость 20-часового разряда 62 А·ч и ток холодной прокрутки по EN, равный 640 А.

Батареи, изготовленные американскими производителями, маркируются в соответствии с требованиями стандарта SAE (США). Обозначение содержит номер типоразмерной группы и значение тока холодной прокрутки при –18°С. Например, «А27500»: 27-я группа

(306×173×225 мм), ток 500 А.

По конструктивно-функциональному признаку АКБ могут быть обычной конструкции – в моноблоке с ячеечными крышками и межэлементарными перемычками 6 (рис. 3.1, а) над крышками 7; АКБ в моноблоке с общей крышкой 7 (рис. 3.1, б, в, г) и межэлементарными перемычками под крышкой 7 (рис. 3.1, б, в, г) и батареи необслуживаемые – с общей крышкой. Термин «необслуживаемые» означает лишь, что АКБ такого типа не требуют проверки электро-

134

лита и его доливки в течение всего периода эксплуатации, но не исключается необходимость их периодической подзарядки.

Свинцово-кислотная АКБ, являясь химическим источником энергии, представляет собой совокупность реагентов (окислителя и восстановителя) и электролита. Окислителем является РbО2 (диоксид свинца) положительного электрода, а восстановителем – свинец губчатый Рb отрицательного электрода. Электролитом служит водный раствор серной кислоты Н2SO4. В процессе токообразующей реакции восстановитель отдает электроны и окисляется, а окислитель восстанавливается.

Химические реакции в автотракторном свинцовом АКБ описываются уравнением:

разряд

PbО2+ 2Н2SO4+ Pb 2РbSO4+ 2Н2О.

заряд

Поскольку содержание в электролите Н2SO4 и плотность электролита при разряде уменьшаются, то о степени разряженности АКБ судят по плотности электролита:

Сp 100( 3 25),

3 р

где ∆Ср – степень разряженности, %;3 и р – плотность электролита соответственно плотностью

заряженного и полностью разряженного аккумуляторов при температуре 25 °С, з р 0,16 г/см3;

25 –измереннаяплотностьэлектролита,приведеннаяк25°С,г/см3.

В стартерных АКБ собранные в полублоки 3 и 12 (рис. 3.1, а) положительные 15 и отрицательные 16 пластины размещены в отдельных ячейках моноблока 2. Положительных пластин обычно на одну меньше, чем отрицательных. Разнополярные пластины (электроды) в блоках разделены сепараторами 9. В обычных АКБ предусмотрены ячеечные крышки 7. Заливочные отверстия в крышках закрыты пробками 5. Межэлементные перемычки 6 расположены над крышками. Токоотводами служат полосные выводы 8. В АКБ может быть предусмотрен предохранительный щиток.

135

Для приготовления паст применяют свинцовый порошок, серную кислоту, промышленную воду и добавки: ингибиторы (α-ОНК, борную кислоту) и расширители (сернокислый барий, сажу, дубитель БНФ) добавляют в пасту отрицательных пластин для уменьшения их саморазряда и усадки активной массы; укрепители (полипропилен, перхлорвинил, фторопласт) – в пасту положительных пластин для уменьшения оплывания активной массы. После нанесения пасты на решетки пластины прессуют, сушат, заряжают и еще раз сушат.

При сборке аккумуляторных батарей однополюсные пластины припаивают ушками к мостику баретки, разнополюсные полублоки вставляют один в другой и разделяют сепараторами. Одинарные сепараторы из мипласта (желтого цвета) или мипора (светлокоричневого цвета) устанавливают ребристой стороной к положительным пластинам, а комбинированные сепараторы (со стекловойлоком) – к отрицательным пластинам.

Собранные блоки вставляют в отсеки моноблока 2 (рис. 3.1, а) закрывают перфорированными щитками и крышками 7 с герметичными пробками 5, уплотняют борны (штыри) бареток 4, припаивают к ним межэлементные перемычки 6 и полюсные выводы, заливают крышки 7 мастикой и проверяют аккумуляторы на герметичность.

Срок хранения герметичных сухозаряженных батарей без электролита не должен превышать трех лет. Сухозаряженными называют аккумуляторные батареи, после изготовления которых большая часть пасты состоит из диоксида свинца на положительных и губчатого свинца на отрицательных пластинах. Стартерные батареи выпускают в основном сухозаряженными.

Основные характеристики АКБ: емкость батареи или отдельного аккумулятора; номинальная емкость К20; ток холодной прокрутки (пусковой ток); номинальное напряжение АКБ; напряжение начала газовыделения; конструктивные особенности АКБ.

На тракторах с пусковыми двигателями и большинстве автомобилей применяют одну батарею типа 6СТ с номинальным напряжением 12 В и емкостью 45, 55, 60, 75 или 90 А·ч.

Установка АКБ на тракторы «Беларус» серии «1000» (6СТ-88) и «Беларус» серии «2000» (6СТ-120). Две АКБ 6В1 и 6В2 расположены «Г» – образно спереди трактора перед масляным радиатором дизеля.

На энергонасыщенные тракторы «Беларус» серий «1200/1500/ 2000/2500/2800/3000» устанавливают две АКБ 6СТ-120, соединен-

137

ные последовательно и работающие на стартер 24 В при пуске дизеля, причем питание потребителей остается на уровне 12 В.

На автомобили ВАЗ устанавливают батарею 6СТ-55П. Она имеет неразборный моноблок (бак с шестью герметичными отсеками

иприваренной общей крышкой) из прозрачного полипропилена, сепараторы из поливинилхлорида и внутренние соединения аккумуляторов через герметизируемые отверстия в перегородках бака. Аналогичны по конструкции батареи 6СИ-75А для грузовых автомобилей ГАЗ и 6СТ-190А для грузовых автомобилей с дизельным силовым агрегатом (МАЗ, КамАЗ).

Разрабатывают также батареи других типов и электрохимические генераторы, иногда называемые топливными элементами.

Разработаны и выпускаются АКБ глубокого разряда, в которых

для дополнительной защиты активной массы (РbО2) от освежения сепараторы имеют стекловолокнистые слои из микропористого нетканого материала в виде переплетающихся между собой сверхтонких стекловолокон. Они очень хорошо впитывают и удерживают электролит, одновременно выполняя функции сепараторов.

ВАКБ заливается только то количество электролита, которое могут впитать стекловолокна. Поэтому в АКБ такого типа при повреждении корпуса АКБ, например, при аварии трактора или автомобиля, нет пролива электролита. Срок эксплуатации такой АКБ примерно в два раза выше, чем стандартной батареи.

Разновидностью батареи глубокого разряда является АКБ с гелеобразным электролитом. В электролит этих АКБ добавляется кремниевая кислота, превращающая электролит в гель, и фосфорная кислота, повышающая циклическую стойкость АКБ и способность к восстановлению после глубокого разряда. В таких АКБ образующиеся при заряде-разряде Н2 и О2 не покидают ячейки батареи

иреагируют между собой с образованием Н2О, что значительно снижает газообразование.

Разработан электрохимический генератор (ЭХГ) – преобразователь химической энергии топлива (водорода и кислорода) в электрический ток, но не через теплоту, а непосредственно. Его КПД вдвое больше, чем у дизеля. Водородно-воздушные ЭХГ испытывают на электромобилях. Однако их еще необходимо совершенствовать: заменить дорогостоящие (платина, серебро) катализаторы, увеличить срок службы, запас хода и надежность. Пока же запас

138

хода электромобиля не превышает 150 км, а пробег до замены ЭХГ –

100 тыс. км.

АКБ обслуживают при вводе в действие, в процессе эксплуатации тракторов и автомобилей и при хранении.

При установке батареи на машину полюсные выводы и наконечники проводов зачищают абразивной бумагой зернистостью 60–80, смазывают техническим вазелином или смазкой «Литол-24», надевают наконечник на полюсные выводы, затягивают болтовые соединения, еще раз смазывают их, закрывают батарею крышкой и крепят. Постоянное натяжение проводов или их закрутка недопустимы.

Генератор с регулятором напряжения образуют генераторную установку. Генераторная установка – электромеханическое устройство, способное выдерживать повышенную вибрационную нагрузку, высокую температуру под капотом автомобиля, воздействие влажной среды, грязи и других факторов.

Генераторная установка состоит из электрогенератора и регулятора напряжения, обеспечивая питанием электропотребителей бортовой сети трактора и автомобиля и заряжая их АКБ при работающем двигателе. Напряжение в бортовой сети трактора и автомобиля должно быть стабильным в широком диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузок.

Генераторные установки выполняются по однопроводной схеме,

вкоторой отрицательный полюс системы соединен с корпусом («массой») трактора и автомобиля.

Генераторная установка питает бортовую сеть постоянным током, но поскольку, как известно, преобразование механической энергии в электрическую возможно с помощью переменного тока,

всовременных тракторах и автомобилях широко применяются индукторные и вентильные генераторы переменного тока.

Преобразование механической энергии, которую генератор получает от двигателя через ременной привод, в электрическую происходит, как и в любом генераторе, в соответствии с явлением электромагнитной индукции, которое состоит в том, что при изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутую катушку, в ней индуцируется электрический ток. У генератора постоянного тока такие катушки располагают в пазах вращающегося якоря, а у генератора переменного тока – в пазах неподвижного статора, соединяя их в трех-, пятиили семифазную обмотку статора по схеме многоугольника или звезды.

139

Магнитный поток, пронизывающий обмотку статора генератора переменного тока, создается постоянным магнитом (Г46, Г3О3В, ГТ1А) или обмоткой возбуждения, которая может быть вращающейся или неподвижной. Возможны два варианта изменения магнитного потока: по величине и направлению, что обеспечивается в щеточной конструкции вентильного генератора или только по величине, что характерно для индукторного бесщеточного генератора. В сущности, генераторы состоят из стальных участков и обмоток возбуждения, в которых при протекании тока создается магнитный поток, и обмоток статора, в которых при изменении этого потока возникает электрический ток.

Обмотка возбуждения питается от АКБ или от самого генератора, который работает на самовозбуждении.

Внастоящее время намечается тенденция установки индукторных генераторов на легковых автомобилях ВАЗ.

Вкачестве примера рассмотрим принципиальную схему трехфазной генераторной установки. Обмотки 1, 2, 3 (рис. 3.2, а) трех фаз статора соединены в «звезду», токи и напряжения фаз в которых смещены на 120 электрических градусов.

Вгенераторах большой мощности часто применяют соединения обмоток типа «треугольник», в которых фазные токи в 3 раза меньше линейных, а при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что дает технологический выигрыш

Выпрямитель содержит шесть силовых полупроводниковых диодов 4, три из которых (VD1, VD2 и VD5) своими анодами соединены с выводом «+» генератора, а катоды трех диодов (VD2, VD4 и VD6) – с выводом «–» («массой»).

На рис. 3.2 пунктиром показаны диоды VD7, VD8 дополнительного плеча выпрямителя для повышения мощности генератора. Это плечо запитывается от нулевой точки «звезды».

Ввентильном генераторе диоды выпрямителя 4 не проводят ток от АКБ 5 к обмотке статора, поэтому отпадает необходимость в реле обратного тока, что упрощает схему генераторной установки. Выпрямленное напряжение Ud, как видно из диаграммы на рис. 3.2,

бимеет пульсирующий характер. АКБ 5 служит фильтром, сглаживающим напряжение, но при этом ток является пульсирующим.

140