Электрооборудование автомобилей

Лекция 3

Электрооборудование современного автомобиля - сложная система, обеспечивающая автоматизацию рабочих процессов, экономию топлива, безопасность движения и улучшение условий труда водителя. Электронные приборы на автомобиле применяются в настоящее время, как для замены электромеханических систем, так и для создания принципиально новых систем.

Широкое распространение получили электронные системы зажигания, обеспечиваютщих более надежную работу двигателя и экономию топлива, снижающих токсичность отработавших газов.

Все увеличивающее количество и мощность потребителей электрической энергии на автомобилях привели к использованию высокоскоростных синхронных генераторов переменного тока с электронными регуляторами напряжения.

Внедряются автоматические системы управления приборами освещения, скоростью движения, устройствами предупреждения водителя об опасности или близости препятствий, что существенно повышает безопасность движения.

В настоящее время на некоторых автомобилях устанавливается большое количество индикаторов, наблюдение за которыми затрудняет работу водителя. Применение электронных систем отображения информации, создания интегрирующих приборов обеспечивает приоритетность информации, повышает эффективность ее использования водителем.

Электронные системы используются также для диагностики технического состояния узлов и агрегатов автомобиля и могут не только указывать на неисправность, но и давать водителю рекомендации о целесообразных действиях.

Большое распространение получают микропроцессорные системы управления двигателем (подачей топлива, зажиганием), трансмиссией, стабилизацией скорости движения, антиблокировочными устройствами.

Разработаны и внедряются программно-следящие системы, оповещающие водителя о маршруте движения.

Условия эксплуатации электронных систем на автомобиле жестче, чем во многих других областях их применения. Они определяются большим диапазоном изменения температуры электронных приборов на автомобиле (-60... +150⁰С), значительной влажностью, пылью, грязью, вибрацией, ускорением при разгоне. Напряжение в бортовой сети изменчиво. При отсутствии контакта или электролита в аккумуляторной батарее напряжение бортовой сети может значительно превышать допустимое. При пуске же двигателя в холодных условиях, оно падает до 3,5...6 В. В бортовой сети могут возникать импульсы перенапряжения. На работу электронных приборов могут воздействовать магнитные поля, которые возникают внутри автомобиля и на городских улицах, поэтому к разработке электронных устройств автомобиля предъявляются высокие требования.

Впервые электрическая энергия была использована в двигателях внутреннего сгорания в 1860 г. для воспламенения горючей смеси. Высокое напряжение для образования электрической искры создавали с помощью самой простой индукционной катушки. Ввиду несовершенства система не получила распространения.

В 1901-1907 годах было создано магнето высокого напряжения, что повсеместно использовалось на автомобилях до 1920-1930гг. Начиная с 30-х годов, магнето используется редко. Широкое распространение получила классическая система зажигания.

Последующее развитие двигателестроения привело к разработке новых систем зажигания, потому что классическая система батарейного зажигания не удовлетворяла предъявленным требованиям. Перспективные и широко применяются данный момент электронные, бесконтактные и микропроцессорные системы.

Развитие полупроводниковой техники позволило использовать на автомобилях генераторы переменного тока с полупроводниковыми вмонтированными выпрямителями и транзисторными регуляторами напряжения. Генераторные установки развиваются по пути роста их мощности в связи с увеличением количества и мощности потребителей электрической энергии, срока службы и повышения удельных показателей.

Бензиновые двигатели с небольшим рабочим объемом и низкой степенью сжатия без больших затруднений могли запускать с помощью рукоятки. С 1925 года на автомобилях начали устанавливать систему пуска, что состояла из аккумуляторной батареи, электростартера и коммутационной аппаратуры. Мощность стартера достигла приблизительно 0,5 кВт, что затрудняло пуск холодного двигателя. Номинальные напряжения системы электрооборудование составляли 6 В. Значний шаг вперед в развитии электрооборудование был сделан при внедрении напряжения системы электрооборудование автомобилей 12 В. Э то позволило без увеличения габаритных размеров повысить мощность стартеров до 1 кВт и, таким образом, значительно улучшить пуск. В настоящее время мощность стартеров большегрузных автомобилей составляет 10...15 кВт, а емкость аккумуляторных батарей – 200... 240 А·ч.

Для освещения применялись свечи, керосиновые лампы, а затем ацетиленовые фары. С повышением скоростей движения автомобилей возникла необходимость в улучшении освещения, и начиная с 1911 года стали появляться фары с лампами накаливания.

Расширение автомобильного парка затребовало разработки новых систем освещения. Разработанные и внедренные четырёхфарные и автоматически регулируемые системы освещения, противотуманные фары, галогеновые лампы. В системах освещения перспективно использование полупроводниковых осветительных элементов, светодиодов.

Для контроля состояния и работоспособности агрегатов и систем автомобилей и тракторов применяются контрольно-измерительные приборы, который облегчает работу водителя, контролируют состояние и работоспособность агрегатов и систем.

Развитие и усовершенствование электрооборудование автомобиля в настоящее время направлен на решение вопросов повышения топливной экономичности, снижения токсичности газов, что отработали, повышение безопасности движения, создания диагностической бортовой аппаратуры.

Историю развития электронных устройств, используемых на автомобильном транспорте, условно можно представить в виде нескольких этапов.

Первый этап (до 1950 года). Основу элементной базы этого этапа составляли электронные лампы из свойственной им повышенной чувствительностью к вибрациям и ударам, со значительными габаритными размерами и необходимостью дополнительного питания. Условия работы узлов и агрегатов автомобилей ставили препятствия внедрению электронных устройств того времени. Однако, широкое распространение получили автомобильные радиоприемники и радиостанции служебной связи.

Второй этап (в 1950-1980 г.) - этап интенсивной разработки ЭП для автомобилей. Он связан, в первую очередь, с изобретением и широким распространением полупроводниковой элементной базы. В этот период были разработаны и внедрены полупроводниковые выпрямители для автомобильных генераторов, электронные регуляторы напряжения. Появились электронные системы зажигания.

В этот период разрабатываются и внедряются устройства для автоматизации управления автомобилем, увеличивается роль и качество информации водителя о работе отдельных узлов и систем, используются антиблокировочные электронные устройства. Создаются устройства для автоматической поддержания скорости автомобиля.

Третий этап (в 1980-1990 г.) характеризуется, в первую очередь, внедрением электронно-вычислительной техники. На смену одиночным устройствам пришли микропроцессоры и микроЭВМ.

Четвертый этап (с 1990 г.). Появляются комплексные системы управления силовым агрегатом, информационно-диагностические центры, мультиплексные системы связи, системы предупреждения столкновений, навигационные системы, системы обеспечения максимального комфорта для водителя, снижения токсичности.

Электрооборудование современного автомобиля в зависимости от функциональных связей и целевого назначения можно разделить на такие системы:

1) электроснабжение, что обеспечивает электроэнергией всех потребителей;

2) пуска, что осуществляет пуск двигателя внутреннего сгорания автомобиля;

3) зажигания, что обеспечивает воспламенение рабочей смеси в двигателе;

4) освещения и сигнализации, что создает возможность эксплуатации автомобиля в ночное время, повышает безопасность движения;

5) контрольно-измерительных приборов, информации и диагностики;

6) автоматического управления двигателем и трансмиссией, что обеспечивает экономию топлива, уменьшения токсичности газов, повышения стабильности и надежности работы двигателя и трансмиссии;

7) комфортного оборудования (стеклоочистители, отопители, кондиционеры).

Системы электроснабжения автомобилей

Система электроснабжения предназначена для питания электрической энергией всех потребителей автомобиля. Она есть из себя совокупность систем генерирования и распределения электроэнергии.

Система генерирования электроэнергии содержит в себе источники электроэнергии, устройства регулирования напряжения, защите бортовой сети, управления и контроля, обеспечивают производство электроэнергии и поддержание ее характеристик в заданных границах на всех режимах работы системы. Система распределения электроэнергии состоит из устройств, которые передают электроэнергию от системы генерирования к потребителям.

Основные элементы системы электроснабжения - генератор, аккумуляторная батарея, регулятор напряжения, и устройства защиты.

Систему электроснабжения проектируют обычно на постоянном токе и, как правило, по однопроводной схеме. Вторым токопроводом в этом случае служат металлические части автомобиля.

Применение однопроводной системы по сравнению с двухпроводной позволяет уменьшить затрату проводов и падений напряжения в линиях. К изъянам однопроводной схемы можно отнести повышенную вероятность коротких замыканий.

Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея на автомобиле используется для питания электрического стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания, для снабжения энергией потребителей при неработающем двигателе и при работе его на небольшой частоте вращения, а также для общего с генераторной установкой питания потребителей в случае, когда их мощность превышает мощность генератора.

По типу применяемого электролита аккумуляторы подразделяются на кислотные и щелочные.

В качестве стартерных аккумуляторных батарей наибольшее распространение получили кислотно-свинцовые, что владеют целым рядом преимуществ перед щелочными аккумуляторами (более высокое напряжение, малое внутреннее сопротивление).

Автомобильные генераторы и требования к ним

Генератор - основной источник электрической энергии на автомобиле, что обеспечивает питание потребителей и заряд аккумуляторной батареи при работе двигателя.

К генераторам относятся такие требования: долговечность и надежность в эксплуатации, малые габаритные размеры, масса и стоимость; большая мощность; возможность обеспечения заряда аккумуляторных батарей при малой частоте вращения коленного вала двигателя в режиме холостого хода.

Долгое время применялись генераторы постоянного тока. В таком генераторе напряжение снимается с якоря, что связано с искрением и износом коллектора и щеток.

Генератор переменного тока представляет собой трехфазную синхронную электрическую машину, состоящую из двух основных частей - статора и ротора. Статор состоит из кольцевидного сердечника, набранного из тонких листов электротехнической стали. Внутренняя поверхность статора имеет пазы, в которых вмещаются катушки статорной обмотки.

Обмотка статора - трехфазная и обычно соединяется по схеме «звезда». Ротор служит для образования магнитного потока и состоит из двух половин с обмоткой возбуждения, закрепленных на валу.

Система зажигания

Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя в соответствии с порядком работы цилиндров. Источником зажигания смеси служит искровой электрический разряд, что возникает между электродами свечи под воздействием импульса высокого напряжения.

К современным системам зажигания подаются такие требования:

- достаточное вторичное напряжение и энергия искрового разряда для воспламенения смеси на всех режимах работы двигателя;

- опережение воспламенения смеси в цилиндре момента прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ);

- обеспечение топливной экономичности автомобильных двигателя, что связано с необходимостью работы на обедненных рабочих смесях.

- надежное искрообразование в разнообразных условиях при загрязненных свечах, колебаниях напряжения питания, резких изменениях температуры;

- достаточное повторное напряжение при экранизации систем зажигания;

- надежная работа при значительных механических нагрузках и вибрации;

- минимально возможный потребляемый ток;

- минимальные размеры и масса аппаратов;

- простота обслуживания аппаратов зажигания;

- минимальные стоимость и трудоемкость изготовления.

Системы зажигания классифицируют таким способом: по средству получения высокого напряжения для зажигания рабочей смеси - системы зажигания от магнета и батарейного зажигания;

- по типу накопителя - систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности и емкости;

- по средству коммутации тока в первичной обмотке катушки зажигания - контактно-батарейные, контактно-транзисторные, контактно-тиристорные, бесконтактные транзисторные и тиристорные системы зажигания;

- по признакам нормирования времени накопления энергии - системы с ненормируемым и нормируемым временем накопления энергии в катушке зажигания.

Система зажигания от магнета - это генератор переменного тока с оборотными постоянными магнитами, в котором они конструктивно объединены с индуктивной катушкой и переривачем-распределителем. Зажжение от магнета используется на тракторах и дорожных машинах, в которых отсутствующая аккумуляторная батарея.

В системах батарейного зажигания постоянный ток низкого напряжения (12, 24В) преобразуется в импульсы высокого напряжения. В качестве источника электрической энергии в таких системах применяется аккумуляторная батарея или генератор.

Системой с накоплением энергии в индуктивности называется система, в которой энергия, необходимая для создания высокого напряжения, аккумулируется с помощью индуктивности обмотки катушки зажигания.

В системах с накоплением энергии в емкости энергия для искрового разряда накапливается в конденсаторе, а в качестве коммутирующего элемента обычно используется тиристор. В этих системах катушка служит только для преобразования напряжения.

В системах с ненормируемым временем накопления энергии время накопления энергии определяется параметрами сигнала датчика и зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя (угол замкнутого состояния контактов или время прохождения тока через катушку зажигания).

Система пуска

Для запуска ДВЗ необходимо обеспечить коленчатому валу вращения с определенной (пусковой) частотой, при которой обеспечивает нормальное протекание процессов смесеобразования, воспламенения и горения топлива. Пусковая частота вращения карбюраторных двигателей составляет около 40... 50 мин^-1. У дизелей частота вращения коленного вала должна быть не менее 100... 150 мин^-1, потому что при более медленном вращении сжатый воздух не нагревается до необходимой температуры самовоспламенения.

При пуске необходимо преодолеть момент сопротивления трения, момент, создаваемый при сжатии рабочей смеси в цилиндрах, и моменты инерции вращающихся частей двигателя.

Крутящий момент, развиваемый стартером, зависит от мощности и конструкции двигателя, числа цилиндров, степени сжатия, вязкости масла и частоты вращения двигателя стартера. Момент сопротивления зависит от окружающей температуры. Изменение температуры влияет на физико-механические свойства материалов (топлива, масла, охлаждающей жидкости). Наибольшие трудности вызывает пуск двигателя при низких температурах в результате повышения вязкости масла и топлива, снижение его испаряемости. Ухудшение условий для воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси, а также характеристик системы зажигания обусловлено падением напряжения на зажимах аккумуляторной батареи при работе ее в стартерном режиме.

Электрический стартер - машина кратковременного действия. Длительность пуска карбюраторного двигателя составляет 10 с, дизеля – около 15. В связи с этим тепловые и электромагнитные нагрузки, которые допускаются для стартера, значительно выше (в 2 раза), чем для машин, которые работают в длительном режиме.

В стартерах большой мощности ККД выше, потери на трение относительно меньше, поэтому частота вращения ротора значительно растет. Потому что диаметр якоря стартера большой мощности также большой, то создается опасность "разноса" якоря при холостом ходе, то есть вырывание его обмотки из пазов центробежной силой. Поэтому в мощных стартерах для ограничения числа оборотов холостого хода применяют дополнительную обмотку, то есть смешанное возбуждение.

В зависимости от конструкции и принципа действия различают стартеры с инерционным и с принудительным электромеханическим перемещением шестерни повода. Наибольшее распространение получили в настоящее время стартеры с принудительным введением шестерни и самовыключением ее после пуска двигателя.

Дата добавления: 2014-01-06