3Начение коэффициента d при токе разряда 3с20

Разряженность батареи (Ср), 	0	10	20	25	30	40	50
Коэффициент d для карбюраторных двигателей, ампер/попытка	1,5 - 4,0*	1,8	2,0	2,5 - 5,8*	3,0	4,0	5,0

*) Для дизельных двигателей

Таблица 2.4

Значение коэффициента е в зависимости от температуры электролита

при разряженности батареи

Температура электролита, °С	-40	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5	0
Коэффициент е, А/с	0,27	0,30	0,35	0,42	0,50	0,60	0,75	1,0	1,2

Задание 3. Параллельная работа генератора и аккумуляторной батареи

на нагрузку

Для анализа условий работы автомобильного генератора и аккумуляторной батареи при различных значениях нагрузки можно использовать как аналитический, так и графический ме­тоды.

Аналитический метод излагается с целью лучшего понима­ния происходящих в системе электроснабжения автомобиля про­цессов, а графический - для руководства при выполнении курсовой работы "Параллельная работа генератора аккумулятор­ной батареи на нагрузку".

3.1. Аналитический анализ процесса параллельной работы генератора и

аккумуляторной батареи на нагрузку

На рис. 3.1 показана схема включения генератора и аккумуляторной батареи в системе электроснабжения автомобиля.

Для случая, когда Е_Г>Е_Б (рис. 3.1), генератор питает нагрузку и заряжает батарею.

Ток генератора

. (3.1)

Напряжение генератора

. (3.2)

Разность между ЭДС генератора и аккумуляторной батареей

и окончательно

. (3.3)

Из выражения (3.3) видно, что при Δ Е = const ток батареи I_Б будет уменьшаться с увеличением тока нагрузки I_Н. При уве­личении тока нагрузки величина произведения I_НR_Г может стать равной Δ Е , а затем превысить её.

Если I_НR_Г = Δ Е, аккумуляторная батарея не заряжается, так как I_Б = 0.

При I_НR_Г > Δ Е генератор и аккумуляторная батарея одновременно работают на нагрузку, так как ток аккумуляторной батареи меняет свой знак (батарея разряжается).

Если ток нагрузки постоянен, а меняются величины E_Г и Е_Б из выражения (3.1) видно, что величина и направление тока в аккумуляторной батарее зависят от значений E_Г и Е_Б .

При Е_Б > E_Г величина Δ Е < 0 и аккумуляторная батарея будет разряжаться. Переход аккумуляторной батареи из состояния заряда в состояние разряда наступит в момент, когда

. (3.4)

Распределение токов при параллельной работе генератора с ак­кумуляторной батареей на нагрузку зависит от характера внеш­них характеристик генератора и аккумуляторной батареи, а так­же от сопротивления соединительных проводов^*.

Рис. 3.1. Схема параллельной работы генератора и аккумуляторной

батареи на нагрузку

Рис. 3.2. Совмещение характеристик генератора и аккумуляторной

батареи. Внешняя характеристика генератора, падающая

без ограничителя тока

Внешняя характеристика генератора зависит от типа гене­ратора (постоянного или переменного тока), типа регулятора (одно-, двух- или трехэлементный) и настройки регулятора на­пряжения (величина регулируемого напряжения).

Внешняя характеристика аккумуляторной батареи в основном определяется ее внутренним сопротивлением R_Б, которое, в свою очередь, зависит от емкости батареи, ее температуры, степени заряженности и износа.

Необходимо также учитывать, что внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи в эксплуатации непостоянно, так как батарея работает на автомобиле в режиме чередующегося заряда и разряда в зависимости от того, в каком режиме работает дви­гатель. Если двигатель работает на режиме холостого хода (стоянка у светофора, движение накатом и т.д.), то, как правило, аккумуляторная батарея не заряжается, так как напряжение гене­ратора или отсутствует (разомкнуты контакты реле обратного тока), или меньше E_Б.

При большом количестве факторов, влияющих на параллельную работу генератора с аккумуляторной батареей, и сложном в этом случае аналитическом решении задачи более простым и наглядным является графическое решение.

На рис. 3.2 показано совмещение внешней характеристики генератора U_Г(I_Г) с зарядной U_Б(I_БЗ) и разрядной U_Б(I_БР) характеристиками аккумуляторной батареи. Для простоты изложения падением напряжения в проводах, соединяющих генератор с аккумуляторной батареей, пренебрегаем. На всех режимах работы принимаем, что напряжения на клеммах генератора и аккумуляторной батареи равны, т.е. U_Г = U_Б .

При U_Г > E_Б (точки 1 и 2 на рис. 3.2) имеет место заряд аккумуляторной батареи током I_Б. В точке 1 ток генератора равен зарядному току батареи I_Б3, а ток нагрузки равен нулю.

При работе генератора в точке 2 ток генератора, аккуму­ляторной батареи и нагрузки связаны уравнением

.

Наклон внешней характеристики генератора должен быть таким, чтобы при номинальном токе генератора (точка 2 или немного правее) ток аккумуляторной батареи оставался зарядным.

В точке 3 напряжение генератора равно ЭДС батареи (U_Г = Е_Б); в этом случае I_Г = I_Н ,а I_Б = 0.

В точке 4 U_Г < Е_Б ; аккумуляторная батарея разряжается на нагрузку током I_БР, а ток нагрузки

.

При падающей внешней характеристике генератора увеличение нагрузки снижает зарядный ток аккумуляторной батареи, а ток генератора увеличивается не на величину включения нагрузки, а в меньшей степени (сравните работу генератора в точке 1 и 2 на рис. 3.2). За счет падающей внешней характеристики генератор, таким образом, защищается от перегрузки.

На рис. 3.3 показано совмещение характеристик аккумулятор­ной батареи и генератора в случае, когда в регуляторе имеется ограничитель тока. Этот случай может быть распространен и на генератор переменного тока с «самоограничением» (кривая А на рис. 3.3), для этого точки 3 и 4 должны быть перенесены па­раллельно оси тока на кривую А.

В точке 1 U_Г = Е_Б и ток генератора равен разрядному току аккумуляторной батареи, а ток нагрузки равен нулю. При работе генератора в точке 2 его внешней характеристики соблюдается условие:

,

причем, в отличие от рассмотренного ранее случая («падающая» характеристика генератора), зарядный ток батареи не снижается при увеличении тока нагрузки. В точке 3 U_Г = Е_Б разрядный ток батареи равен нулю, a I_Г = I_Н. При дальнейшем увеличении нагрузки напряжение генератора снижается и становится меньше ЭДС батареи (U_Г < Е_Б) В этом случае (точка 4) батарея будет разряжаться при соблюдении следующего условии:

.

При учете падения напряжения в соединительных проводах между генератором и аккумуляторной батареей напряжение генератора будет линейно уменьшаться с увеличением тока генератора (пря­мая 5 на рис. 3.3) и разрядный режим батареи может иметь место при напряжении генератора большем, чем ЭДС батареи. Зарядный ток батареи снизится на величину ∆I_БЗ , тем большую, чем выше сопротивление соединительных проводов. Поэтому в эксплуа­тации необходимо следить за состоянием соединительных проводов и их клеммных соединений, c тем, чтобы обеспечить нормальный зарядный ток аккумуляторной батареи. Зарядный ток аккумуля­торной батареи можно также увеличить или уменьшить за счет настройки регулятора напряжения.

Рис. 3.3. Совмещение характеристик генератора с характеристиками

аккумуляторной батареи. Внешняя характери­стика генератора

с ограничителем тока

При увеличении напряжения линия В (на рис.3.3) Переместится вверх и точка 1 сместятся вправо (увеличится I_БЗ ), при уменьшении напряжения точка 1 сместится влево и зарядный ток будет меньше.

Понижение температуры аккумуляторной батареи увеличивает ее внутреннее сопротивление. В этом случае кривая U_Б(I_БЗ) пойдет круче вверх (U_Б = I_БЗR_Б), а зарядный ток при том же уровне напряжения уменьшится (точка 1 сместится влево).

При разряде холодной аккумуляторной батареи кривая будет снижаться круче, чем это изображено на рис. 3.3. В этом случае в точке 4 зарядный ток аккумуляторной батареи будет меньше.

Увеличение степени разряженности аккумуляторной батареи и ее износа также приводит к возрастанию внутреннего сопротив­ления.

Проведенный графический анализ параллельной работы генера­тора и аккумуляторной батареи на нагрузку показывает, что, используя его, можно анализировать:

- режимы работы генератора и аккумуляторной батареи при изменении нагрузки;

- влияние вида внешней характеристики генератора на режим заряда и разряда аккумуляторной батарея;

- влияние уровня регулируемого напряжения на режим заряда аккумуляторной батареи;

- влияние температуры батареи, степени ее разряженности на её зарядно-разрядный режим.

Задание 4. Электромеханические характеристики стартера

Электромеханические характеристики стартера значительно изменяются в зависимости от вольт-амперной характеристики ак­кумуляторной батареи (в дальнейшем батареи).

Вольт-амперная характеристика батареи зависит от темпера­туры, степени разряженности, износа и емкости батареи, а также от продолжительности и количества попыток пуска двигателя.

Завод изготовитель, как правило, дает номинальные электромеханические характеристики стартера, соответствующие полностью заряженной батарее при температуре +25 °С. Пересчет электромеханических характеристик стартера на новую вольт-амперную ха­рактеристику батареи производится по методике^, изложенной ниже.

На рис.4.1 изображены электромеханические характеристики стартера - зависимость напряжения, момента, частоты вращения и мощности от тока стартера. Характеристики стартера изображены для двух вольт-амперных характеристик батареи U(I) и U'(I).

Момент на валу стартера зависит от тока, потребляемого стартером, и магнитного потока:

. (4.1)

При токе I₁ и изменении подведенного к стартеру напряжения от U₁ до U'₁ (рис. 4.1) момент стартера можно считать постоянным*, так как при I₁=const и Ф = const тогда противо-ЭДС стартера выражается формулой

. (4.2)

При токе I₁ и напряжении на стартере U₁ она равна Е₁ (рис. 4.1), а при напряжении U₂ равна E₁.

Учитывая (4.2) и то, что при I₁=const магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ равны, отношение противо-ЭДС равно отношению частот вращения .

Тогда частота вращения вала cтaртepa при новой вольт-амперной характеристике батареи U'(l) и токе I₁

. (4.3)

Аналогично может быть рассчитана частота вращения вала стар­тера для значений тока в пределах от I_сх до I'_ст.

Мощность на валу стартера

, кВт , (4.4)

где М - момент на валу стартера, Нм;

n - частота вращения вала стартера, мин^-1

Мощность имеет вид параболы с максимумом при токе стар­тера:

. (4.5)

Формула (4.5) может применяться в для определения максимумов мощности стартера, рассчитанных для других вольт-амперных характеристик (т.е.I'_max = 0,53 I_ст )

Для оценки характера изменения параметров стартера при изменении вольт-амперной характеристики можно применять метод относительных единиц, приняв за единицу параметры стартера для номинальной вольт-амперной характеристики батареи. В этом случае - относительная частота вращения.

*) Будет происходить некоторое изменение момента, так как с понижением напряжения при I₁=const будет уменьшаться часто­та вращения вала стартера, что приведет к снижению потерь на трение и некоторому увеличению момента до 3 % .

Рис. 4.1. Перестроение характеристик стартера на новую

вольт-амперную характеристику

относительный момент ;

относительная мощность ;

относительный ток ;

относительное напряжение .

Параметры n_сн , М_сн, Р_сн, I_сн (рис. 4.1) соответствует максимуму мощности номинальной характеристики стартера , а U_Н –номинальное напряжение стартера (12 или 24 В). Взяв отношения

(рис.4.1),

мы можем дать оценку изменению основных параметров стартера при изменении вольт-амперной характеристики батареи.

Задание 5. Характеристики контактной системы зажигания

Надежная работа системы зажигания возможна в том случае, если вторичное напряжение превышает пробивное напряжение свечи на определенную величину, характеризуемую коэффициентом запаса по вторичному напряжению:

(5.1)

где U_2МЭ - вторичное напряжение, развиваемое системой зажигания при её

эксплуатации на автомобиле;

U_П - пробивное напряжение свечи.

На величину пробивного напряжения влияют следующие факторы:

- давление, температура и степень турбулентности смеси в зоне

искрового промежутка свечи;

• величина и ионизация искрового промежутка;

• материал, форма и расположение электродов свечи;

- полярность центрального электрода свечи.

Вторичное напряжение зависит от следующих параметров:

- типа и конструкций приборов системы зажигания;

- величины емкости вторичной и первичной цепи;

- нагара на свече;

- числа цилиндров двигателя;

- частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Пробивное напряжение непостоянно, оно достигает макси­мальных значений в режиме пуска двигателя и при разгоне авто­мобиля. С возрастанием частоты вращения двигателя пробивное напряжение уменьшается, так как повышается температура в цилиндре двигателя и ионизация искрового промежутка. Зависи­мость пробивного напряжения от частоты вращения коленчатого вала двигателя приведена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Зависимость пробивного напряжения от частоты вращения

коленчатого вала двигателя

В процессе эксплуатации в период между осмотрами про­бивное напряжение в свече может увеличиваться на 40-50  за счет износа электродов (увеличение зазора и изменение формы электродов), поэтому коэффициент запаса должен быть не менее 1,5.

Вторичное напряжение, которое развивает система зажигания при работе двигателя в эксплуатации U_2МЭ должно быть больше пробивного U_П, на величину падения напряжения за счет шунтирующего сопротивления нагара на свече и падения напряжения в искро­вой промежутке распределителя.

Шунтирующее сопротивление нагара может образовываться как на короткое, так и на длительное время и меньше 1-3 МОм практически не бывает.

Падение напряжения в искровом промежутке распределителя (между электродом бегунка и боковым электродом крышки распре­делителя) составляет примерно 1 кВ.

Можно принять, что в режиме пусковых оборотов коэффициент запаса равен

, (5.2)

а для рабочего режима

, (5.3)

где 0,85 - коэффициент, учитывающий снижение напряжения при нагреве катушки зажигания во время ее работы.

Наличие в свече шунтирующего сопротивления, равного 3 МОм, снижает максимальное вторичное напряжение примерно на 4 кВ, т.е.

. (5.4)

Величина максимального вторичного напряжения U_2М при­ближенно определяется по формуле:

, (5.5)

где I_Р - ток первичной цепи в момент размыкания контактов прерывателя;

W₂/W₁ - коэффициент трансформации катушки зажигания;

L₁ - индуктивность первичной обмотки катушки зажигания;

С₁ - емкость конденсатора первичной цепи;

С₂ - емкость вторичной цепи;

 - коэффициент, учитывающий потери в контурах,

равен 0,75-0,85 при R_Ш = ∞.

Линейная зависимость U₂(I_Р) наблюдается только при бездуговой работе контактов и при отсутствии потерь на утечки во вторичной цепи. При больших токах разрыва вследствие потерь на дугу между контактами, потерь на утечки тока и корону во вторичной цепи рост напряжения замедляется.

Величина тока разрыва определяется по формуле

, (5.6)

где U_Б - напряжение батареи;

R₁ - суммарное активное сопротивление первичной цепи;

- относительное время замкнутого состояния контактов прерывателя;

n_дв - частота вращения коленчатого вала двигателя;

z - число цилиндров двигателя.

, (5.7)

где t₃ - время замкнутого состояния контактов;

t_p - время разомкнутого состояния контактов.

С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя уменьшается время замкнутого состояния контактов, что приводит к уменьшению тока разрыва. Такое же действие оказывает увели­чение числа цилиндров двигателя. Увеличения тока разрыва можно добиться увеличением относительного времени замкнутого состоя­ния контактов прерывателя.

Однако увеличить время замкнутого состояния контактов прерывателя более чем до 60-65 % времени полного периода практи­чески невозможно.

Величина первичного тока и скорость его нарастания зависят от постоянной времени первичного контура T₁ = L₁/R₁; чем меньше эта величина, тем быстрее нарастает ток до установившегося значения; при неизменном R₁ и прочих равных условиях в уменьшаемом L₁ уменьшается Т₁ , скорость нарастания тока увеличивается, т.е. ток быстрее достигает установившегося значения. Скорость нарастания тока обратно пропорциональна индуктивности L₁

и при t=0 .

График зависимости тока первичной цепи от времени замкну­того состояния контактов при различной индуктивности первичной обмотки показан на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Зависимость тока первичной цепи от времени замкнутого состояния контактов

Однако уменьшение индуктивности целесообразно лишь до определенного значения, ниже которого начинает уменьшаться запас электромагнитной энергии, определяющий величину вторичного напряжения. Уменьшение индуктивности также сильно уменьшает значение вторичного напряжения при низких частотах вращения, вследствие чего ухудшаются условия пуска двигателя.

При неизменной индуктивности первичной цепи ток разрыва увеличивается с уменьшением сопротивления R₁ , так как увеличивается установившееся значение тока. При различных зна­чениях сопротивления первичной цепи скорость нарастания тока в начальный момент одинакова:

.

Рис. 5.3. Влияние сопротивления на ток первичной цепи

Однако чем меньше сопротивление, тем выше идет кривая тока. На рис. 5.3 приведены зависимости первичного тока от времени замкнутого состояния контактов при различных сопротивлениях первичной цепи.

Таким образом, для получения максимального вторичного напряжения необходимо уменьшать сопротивление первичной цепи. Однако чрезмерное уменьшение R₁ приводит к увеличению установившегося тока, что ухудшает работу контактов при низких частотах вращения и приводит к перегреву катушки.

Из уравнения максимального вторичного напряжения видно, что с уменьшением емкости конденсатора С₁ вторичное напряжение должно увеличиваться и при С₁ = 0 достигать максимального значения. Однако такой характер изменения U_2М имеет место лишь при больших значениях С₁. В диапазоне малых емкостей по мере их уменьшения вторичное напряжение также уменьшается. Это явление объясняется тем, что при малой величине емкости на контактах не устраняется дугообразование, вызывающее значительные потери энергии, поэтому вторичное напряжение уменьшается. Из приведенной на рис. 5.4 зависимости вторичного напряжения от емкости конденсатора первичной цепи видно, что существует оптимальное значение С₁, определяемое условиями гашения дуги на контактах. На практике С₁ выбирается в пределах от 0,15 до 0,35 мкФ.

Рис. 5.4. Зависимость вторичного напряжения от

емкости конденсатора первичной цепи

На величину максимального вторичного напряжения также влияет емкость вторичной цепи С₂, которая зависит от длинны и расположения высоковольтных проводов, от емкости свечи зажигания, от собственной емкости вторичной обмотки катушки зажигания и практически не может быть менее 45-75 пФ.

, (5.8)

где С′₂ – емкость вторичной обмотки катушки зажигания;

С′′₂ – емкость высоковольтных проводов и свечи зажигания.

В случае экранирования системы зажигания емкость вторичной цепи увеличивается до 150 пФ.