6. Электрооборудование

6.1 Аккумуляторная батарея
Аккумуляторная батарея на автомобиле предназначена для питания электрического стартера при пуске двигателя внутреннего сгорания. Она служит также для снабжения энергией потребителей при неработающем двигателе или при работе его на небольшой частоте вращения, а также для совместного с генераторной установкой питания потребителей в случае, когда их мощность превышает мощность генераторной установки.
Аккумуляторная батарея представляет собой совокупность последовательно соединенных аккумуляторов. Аккумулятор - химический источник тока, устройство, способное накапливать химическую энергию при подаче извне электрического тока (заряд) и отдавать ее в виде электрической энергии во внешнюю цепь (разряд). Процессы превращения энергии происходят многократно в течение всего времени работы аккумулятора.
Простейший свинцовый аккумулятор представляет собой сосуд с водным раствором серной кислоты H₂SO₄ и погруженными в него двумя пластинами — электродами. Активными материалами при протекании электрохимических процессов являются двуокись свинца PbO₂ на положительной пластине и губчатый свинец Pb на отрицательной пластине. При разряде (рис. 6.1.1) отрицательная пластина выделяет свинцовые ионы Pb⁺⁺ в раствор, одновременно становясь отрицательно заряженной. Ионы свинца Pb⁺⁺ вступают в реакцию с сульфатными ионами SO^- -, находящимися в растворе, и образуют сульфат свинца PbSO₄, который отлагается на отрицательной пластине.

Рис. 6.1.1. Химические процессы при разряде свинцового аккумулятора
Двуокись свинца положительной пластины при прохождении тока переходит в раствор, ионизируясь в четырехвалентные ионы свинца Pb⁺⁺⁺⁺ и одновалентные ионы гидроксида ОН^-. Затем, получая по два отрицательных заряда, четырехвалентные ионы свинца переходят в двухвалентные ионы Pb⁺⁺. В результате ионизации электролита образуются положительные ионы H⁺ и отрицательные ионы SO₄^- -. Ионы свинца Pb⁺⁺ и сульфата SO₄^- - образуют сульфат свинца PbSO₄, который отлагается на положительной пластине. Во время разряда ионы сульфата SO₄ расходуются как у положительной пластины, так и у отрицательной, перемещаясь от положительной к отрицательной пластине. Ионы водорода Н⁺ перемещаются от отрицательной к положительной пластине, где часть их идет на образование воды, соединяясь с ионами гидроксила ОН^-. Уменьшение кислоты H₂SO₄ у положительной пластины больше, чем у отрицательней. Положительная пластина по сравнению с отрицательной требует в большем количестве H₂SO₄. Плотность электролита при разряде вследствие образования воды уменьшается и составляет (1,09—1,15)·10^-3 кг/м³.
При заряде аккумулятора (рис. 6.1.2) продукт разряда его (сульфат свинца) восстанавливается до исходных материалов путем подвода извне электрической энергии.

Рис. 6.1.2. Химические процессы при заряде свинцового аккумулятора
Сульфат свинца у обеих пластин переходит в раствор и ионизируется. Вода также ионизируется. Двухвалентные ионы свинца Pb⁺⁺ у отрицательной пластины получают по два электрона, нейтрализующие их заряды, после чего свинец выделяется в твердом состоянии. Двухвалентные ионы свинца у положительной пластины Pb⁺⁺ под действием зарядного тока отдают два электрона и переходят в четырехвалентное состояние Pb⁺⁺⁺⁺. Каждый из этих ионов соединяется с двумя кислородными ионами и образует двуокись свинца PbO₂, которая выделяется на положительной пластине. Ионы сульфата SO₄^- -, образовавшиеся у каждой пластины, соединяются с двумя водородными ионами, образуя серную кислоту. При заряде аккумулятора плотность электролита увеличивается от (1,09 — 1,15)·10³ до (1,25 — 1,31)·10³ кг/м³.
Таким образом, окислительно-восстановительные процессы в свинцовом аккумуляторе при разряде и заряде могут быть описаны уравнением

PbO2 + Pb + 2H2SO4

разряд −−−−−−> <−−−−−− заряд

2PbSO4 + 2Н2О

Окислительно-восстановительные процессы происходят на границе раздела активной массы пластин и электролита, особенно при больших разрядных токах. Для увеличения граничной площади, более простого доступа электролита к активным материалам и их полного использования пластины свинцового аккумулятора выполняют пористыми.
ЭДС аккумуляторной батареи зависит от физико-химических свойств веществ, из которых изготовлены электроды и электролит. Так, ЭДС заряженного свинцового аккумулятора составляет 2,1 В, никель-кадмиевого 1,36 В, серебряно-цинкового 1,86 В.
ЭДС свинцового аккумулятора зависит от плотности электролита. С точностью, достаточной для практических целей, зависимость ЭДС от плотности электролита можно определить по уравнению

E = 0,85 + γ · 10^-3,
где:
Е — ЭДС аккумулятора, В;
γ — плотность электролита при температуре 15°С, кг/м³.

Для свинцового аккумулятора, в котором плотность электролита при температуре 15°С равна (1,09 — 1,31)·10³ кг/м³, ЭДС по формуле равна 1,94—2,16 В.
ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС этих аккумуляторов.
Напряжение аккумулятора отличается от ЭДС на величину внутреннего падения напряжения в аккумуляторе при прохождении тока (разряде или заряде).
Напряжение аккумуляторной батареи при разряде U_р меньше ЭДС и равно

U_р = E_а-I_рR_а,
где:
I_р — ток разряда, А;
Е_а — ЭДС аккумуляторной батареи, В;
R_a — внутреннее сопротивление батареи при разряде, Ом.

В процессе разряда напряжение аккумулятора падает за счет повышения внутреннего сопротивления аккумулятора и уменьшения ЭДС при снижении плотности электролита (рис. 6.1.3).

Рис. 6.1.3. Изменение напряжения и плотности электролита аккумулятора
во времени при разряде постоянным током.
Внутреннее сопротивление аккумулятора представляет собой сумму сопротивлений пластин и электролита. Сопротивление пластин в процессе разряда резко возрастает, так как активная масса, состоящая из свинца на отрицательной пластине и двуокиси свинца на положительной пластине с удельным сопротивлением соответственно 1,83·10^-4 и 0,25·10^-2 Ом·м превращается в сульфат свинца с удельным сопротивлением 10⁵ Ом·м. В начале разряда сопротивление электролита несколько уменьшается в связи с падением плотности его до 1,225·10³ кг/м³. Удельное сопротивление электролита становится минимальным, а затем повышается. Кроме того, при разряде уменьшается сечение пор активной массы из-за отложения сульфата свинца. В результате сокращается площадь поверхности соприкосновения активной массы с электролитом и степень использования активных материалов, заложенных в аккумуляторе.
В процессе разряда происходит постепенное падение разрядного напряжения аккумулятора, а в конце — резкое (пунктирная кривая); это обусловлено истощением активной массы, уменьшением сечения пор и затруднением диффузии электролита.
На характер зависимости разрядного напряжения от времени влияют температура электролита и сила разрядного тока. При понижении температуры особенно ниже 0°C резко увеличивается вязкость и удельное сопротивление электролита. С повышением вязкости уменьшается скорость диффузии электролита из наружных слоев в поры активной массы. Удельное сопротивление электролита при изменении температуры от 0 до —30°С возрастает в 2,5 раза. Поэтому разрядное напряжение аккумуляторной батареи резко падает при понижении температуры электролита (рис. 6.1.4).


Рис. 6.1.4. Изменение напряжения аккумуляторной батареи
при разряде стартерным током.
При возрастании силы разрядного тока изменение напряжения во времени становится более резким. Особенно резко напряжение аккумулятора понижается при совместном воздействии температуры ниже 0° С и большого разрядного тока, характерных для пуска двигателя зимой (рис. 6.1.5).


Рис. 6.1.5. Изменение напряжения аккумуляторной батареи
во времени при разряде токами различной силы при температуре -20°C.
Напряжение аккумуляторной батареи при заряде больше ее ЭДС:

U_з = E_a + I_зR_а,
где:
I_з — ток заряда, А;
R_а — внутреннее сопротивление батареи при заряде, Ом.

Характер изменения зарядного напряжения аккумулятора во времени при постоянной силе тока заряда приведен на рис. 6.1.6.


Рис. 6.1.6. Изменение зарядного напряжения и плотности электролита
аккумуляторной батареи во времени при заряде постоянным током.
Емкость аккумуляторной батареи — это количество электричества, выраженное в ампер-часах, которое можно получить при данных условиях разряда (температура, сила тока разряда, плотность электролита) до определенного значения напряжения аккумуляторной батареи.
При определении емкости не допускается разряд аккумулятора до нулевого значения напряжения, так как при глубоком разряде сульфат свинца закрывает поры пластин, электролит не проникает в глубину пор, а в активной массе пластин появляются трещины. Определение емкости аккумуляторов при разряде проводят обычно при постоянной силе тока. Рассчитывают емкость по следующей формуле:

C_р = I_рt_р,
где:
t_р — время разряда, ч.

Емкость аккумуляторной батареи при последовательном соединении аккумуляторов равна емкости одного аккумулятора.
Емкость зависит от количества активных материалов, режима разряда, температуры электролита, а также от толщины, площади, пористости пластины, степени их износа и др.
Чем больше количество активной массы, тем выше емкость аккумуляторной батареи (при условии достаточного количества электролита для обеспечения нормального протекания окислительно-восстановительных реакций).
С повышением силы тока время разряда, а следовательно, и емкость аккумуляторной батареи уменьшаются. Связь между силой разрядного тока и временем разряда выражается зависимостью, предложенной Пейкертом:

I_р^v' t_р = const,
где:
v' — постоянная величина, не зависящая от емкости аккумуляторной батареи и характеризующая тип аккумулятора; для свинцового аккумулятора v' = 1,2 - 1,6.

Время разряда аккумулятора до определенного конечного напряжения зависит от силы тока и составляет от нескольких часов до нескольких минут (см. рис. 6.1.5). Соответственно изменяется емкость аккумулятора.
При больших (стартерных) токах разряда образующийся на пластинах мелкокристаллический сульфат свинца закупоривает поры наружного слоя активной массы. Внутренние слои активной массы не участвуют в реакции. Концентрация электролита в порах резко снижается, так как диффузия электролита в поры пластин затруднена. В результате этого напряжение аккумулятора падает, что ограничивает емкость аккумулятора. При низких температурах электролита, особенно при температуре ниже 0° С, отдаваемая аккумулятором емкость уменьшается (из-за резкого снижения разрядного напряжения). Так как емкость аккумуляторной батареи зависит от тока разряда и температуры, то гарантируемая емкость батареи (номинальная и стартерная) указана только для определенных условий разряда.
Номинальную емкость определяют непрерывным разрядом батарей постоянным током, равным 0,05C₂₀ (C₂₀ — номинальная емкость 20-часового режима разряда) при температуре электролита +25° С до достижения конечного напряжения батареи 10,5 В.
Если температура отличается от +25° С и находится в интервале 18—27° С, полученная емкость должна быть приведена к температуре 25° С по формуле

С_р = С_t/[1+0,01 (t-25)],
где:
C_t — емкость, полученная при испытаниях, А·ч;
t — температура электролита при разряде, °С.

Стартерную емкость аккумуляторной батареи определяют непрерывным разрядом охлажденной до —18±1°С батареи постоянным током, равным 3С₂₀, до конечного напряжения на выводах 6 В.
Срок службы аккумуляторной батареи определяется числом моточасов работы двигателя или пробегом автомобиля. Аккумуляторные батареи считают вышедшими из строя при снижении емкости до 40% номинального значения или снижении продолжительности стартерного разряда до 1,5 мин при температуре +25±2°С.
Аккумуляторные батареи на автомобилях работают в двух режимах: стартерном и циклирования — разряд-заряд при движении машины (разряд — на потребители, заряд — от генераторной установки).
Основным режимом работы аккумуляторной батареи в системе электрооборудования автомобиля является стартерный разряд батареи током для питания стартера при пуске двигателя. Аккумуляторная батарея в стартерном режиме разряда должна отдать ток силой 3-5 С₂₀ в течение определенного времени без снижения напряжения на выводах батареи ниже допустимой величины (для обеспечения пуска двигателя стартером и по требованиям системы зажигания).
Вольт-амперная разрядная характеристика является связующей между параметрами батареи и стартера при пуске двигателя.
Вольт-амперной разрядной характеристикой аккумуляторной батареи называется зависимость напряжения батареи от тока разряда, построенная для определенного момента разряда. Вольт-амперную характеристику (рис. 6.1.7) представляют прямой с координатами: U_нp — начальное разрядное напряжение при токе разряда I_р = 0 и I_кз — ток короткого замыкания, которому соответствует напряжение U_p = 0. Вольт-амперная характеристика описывается уравнением:

U_p = U_нp - R_а I_p,
где
R_a — сопротивление аккумуляторной батареи, Ом.



Рис. 6.1.7. Вольт-амперные разрядные характеристики
заряженной аккумуляторной батареи 6СТ-54.
С понижением температуры электролита, повышением степени разряженности внутреннее сопротивление батареи и угол наклона вольт-амперной характеристики к оси абсцисс увеличиваются, т. е. при одном и том же значении разрядного тока напряжение батареи уменьшается. Вольт-амперная характеристика батареи зависит от ее емкости: с повышением емкости возрастает ток короткого замыкания батареи. На вольт-амперную характеристику оказывают влияние степень износа батареи, тип сепарации и другие факторы.
В процессе эксплуатации степень разряженности свинцовой аккумуляторной батареи (%) можно определить по формуле:

ΔC_р = 100·(γ_з-γ)/(γ_з-γ_р),
где:
γ_з, γ_р — плотность электролита полностью заряженного и разряженного аккумулятора при температуре 15° С, γ_з - γ_р = 0,16·10³ кг/м³;
γ — плотность электролита, приведенная к температуре 15°С, кг/м³.

Плотность электролита при изменении температуры подсчитывают по следующей формуле:

γ = γ_t - 0,7(15-t),
где
γ_t — плотность электролита, кг/м³.

Технические характеристики аккумуляторной батареи 6СТ-54, применяющейся на автомобиле ГАЗ М-20 Победа приведены в таблице 6.1.


Свинцовые аккумуляторные батареи, эксплуатируемые на автомобилях, выходят из строя по следующим причинам:
- коррозия решеток положительных пластин;
- оплывание активной массы положительных пластин;
- повышенный саморазряд;
- необратимая сульфатация пластин.


6.2 Генератор
Генератор автомобиля ГАЗ М-20 Победа постоянного тока с самовозбуждением, т. е. возбуждение генератора осуществляется за счет энергии самого генератора. Самовозбуждение генератора возможно если:
- генератор имеет остаточный магнитный поток;
- направление остаточного магнитного потока совпадает с направлением потока, создаваемого током возбуждения;
- сопротивление цепи возбуждения меньше критического.
Обычно в генераторах постоянного тока остаточный магнитный поток составляет 2—3% номинального. Типичные характеристики холостого хода генератора приведены на рис. 6.2.1.


Рис. 6.2.1. Характеристики холостого хода генератора
Эти характеристики устанавливают зависимость напряжения (ЭДС) генератора от тока возбуждения при отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения якоря.
Для получения семейства характеристик холостого хода достаточно снять (рассчитать) эту характеристику при одной частоте вращения n₁. Построение характеристик для частоты вращения n₂ производят на основании пропорциональности ЭДС генератора и частоты вращения якоря, т. е.
E_г = (p·N)/(a·60) = С_enФ.
При данной силе тока возбуждения I_в (Ф = const)
E_г1/E_г2 = n₁/n₂,
следовательно,
E_г2 = E_г1(n₁/n₂).
Семейство характеристик холостого хода позволяет не только судить об использовании магнитных материалов, но и установить необходимую для поддержания постоянного напряжения генератора зависимость тока возбуждения от изменения частоты вращения в заданных пределах.
По характеристикам холостого хода можно рассчитать и процесс самовозбуждения генератора, определяющий изменение напряжения и тока возбуждения генератора во времени. Уравнение динамического равновесия для цепи возбуждения генератора можно записать
U_г = i_В R_В+L_В (di_В/dt),
где
R_В и L_В — соответственно сопротивление и индуктивность цепи возбуждения.
Индуктивность цепи возбуждения можно выразить через скорость изменения магнитного потока и число витков обмотки возбуждения ω_B

L_B = ω_B(dФ/di_B).
Обычно процесс самовозбуждения протекает в режиме холостого хода, для которого
U_Г = С_ГnФ и dU_Г = С_еndФ
Следовательно,

dФ = dU_Г/C_en.
С учетом рассеяния магнитного потока уравнение динамического равновесия можно привести к виду
U_Г = i_ВR_В + (σω_В/C_еn) (dU_Г/dt),
где
σ = 1,1-1,2 - коэффициент, учитывающий рассеяния полюсной системы.
Переходя к конечным приращениям, т. е. заменяя dU_Г/dt = ΔU_Г/Δt, получаем

ΔUг     UГ/RВ-iВ

=

Δt K

где
К = (σω_В)/(C_еn_ЯR_В).

Задаваясь интервалом времени Δt, получаем в окончательном виде

ΔU_Г/((U_Г/R_В)-i_В) = Δt/K = tgα' = const.

Так как характеристика холостого хода может быть построен с различными масштабами по осям координат, введем масштабные коэффициенты. Переходя к геометрическим соотношениям, имеем

tgα = tgα' (m_iB/m_UГ) = Δt/K · m_iB/m_UГ = const.
Эти соотношения позволяют установить следующий графический метод построения кривых, характеризующих процесс самовозбуждения (рис. 6.2.2).


Рис. 6.2.2. К расчету переходного процесса генератора
В правом квадранте в выбранных произвольно масштабах строят характеристику холостого хода для определенной частоты вращения якоря генератора. Из начала координат проводят прямую OA под углом β = arctg R_В. Задавшись интервалом времени Δt, вычисляют геометрическое значение tg α. Под углом а из точки 1, соответствующей ЭДС остаточного магнитного потока, проводят прямую до пересечения с характеристикой холостого хода (точка 2). Через точку 2 проводят прямую до пересечения с прямой OA (точка 3). Из точки 3 проводят луч под углом α до пересечения с прямой OA (точка 4) и т. д.
Установившееся значение напряжения генератора будет соответствовать точке пересечения характеристики холостого хода с прямой OA.
Рассматривая треугольник kln, можно показать, что произведенное построение позволяет определить приращение напряжения ΔU_Г за рассматриваемый промежуток времени Δt.
Затем, откладывая в левом квадранте по оси абсцисс интервалы времени Δt и на соответствующие им вертикали полученные значения приращений напряжения генератора, получаем кривую переходного процесса при самовозбуждении генератора U_Г = f(t) (кривая OK'A'). Полученные точки соединяют плавной кривой.
Внешние характеристики генератора (рис. 6.2.3) с параллельным возбуждением представляют собой зависимость напряжения генератора от силы тока нагрузки U_Г = f (I_Н) при постоянном сопротивлении цепи возбуждения R_В = const и постоянной частоте вращения якоря генератора n = const.


Рис. 6.2.3. Внешние характеристики генератора
Напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения падает при увеличении нагрузки под действием реакции якоря, падения напряжения в цепи якоря I_ЯR_Я и уменьшения силы тока возбуждения, так как сила тока возбуждения генератора I_В = U_Г/R_В.
При насыщенной магнитной цепи с ростом тока нагрузки напряжение генератора уменьшается незначительно (участок AN), в основном за счет увеличения падения напряжения в цепи якоря. При ненасыщенной магнитной цепи влияние реакции якоря и уменьшение силы тока возбуждения более значительные. Напряжение генератора резко падает скачкообразно, и нагрузка достигает критического значения I_кр.
Таким образом, нагрузка генератора, достигнув критического значения, начинает уменьшаться и при коротком замыкании I_кз = E₀/R_Я, т.е. определяется величиной ЭДС E₀ от остаточного магнитного потока и сопротивлением R_Я цепи якоря (при этом U_Г = 0 и I_В = 0). Для генератора параллельного возбуждения этот режим не является аварийным. Однако возможны случаи внезапного замыкания, т. е. мгновенный переход к такому режиму. В этом случае проявляет себя инерционность цепи возбуждения, связанная с запасом электромагнитной энергии. Изменение тока возбуждения (а следовательно, и потока) происходит с известной задержкой во времени. Поэтому ток внезапного короткого замыкания кратковременно может достигать значения, в десятки раз превосходящего номинальное значение тока на грузки.
При повышении частоты вращения генератора внешние характеристики смещаются вверх, максимальное значение тока нагрузки при U_Г = U_Г.Н. и ток короткого замыкания возрастают. Семейство внешних характеристик позволяет построить токоскоростную характеристику.
Токоскоростные характеристики генератора I_Н = f(n) npи U_Г = const и R_В = const (рис. 6.2.4) позволяют установить перегрузочную способность генератора.


Рис. 6.2.4. Характеристики генератора Г-20
а — токоскоростные;
б — регулировочно-скоростные
(кривая 1 при I_Н = 0, кривая 2 при I_Н = I_{Н. НОМ})
Генератор Г-20 постоянного тока обладает высокой перегрузочной способностью (кратковременная перегрузка по току). Однако длительную работу генератора в режиме перегрузки допускать нельзя из-за резкого ухудшения коммутации и перегрева генератора. Последнее обстоятельство может привести к снижению долговечности и даже выходу генератора из строя. Поэтому, генератор Г-20 работает с ограничителем тока.
Для определения кратности и возможного поля регулирования тока возбуждения при поддержании постоянства напряжения на зажимах генератора пользуются регулировочно-скоростными характеристиками. Они представляют собой зависимость тока возбуждения от частоты вращения I_В = f(n) при U_ГН = const, I_Н = const (рис. 6.2.4, б).
Технические характеристики генератора Г-20 сведены в таблицу 6.2.


6.3 Реле-ругулятор


6.4 Свечи зажигания


6.5 Катушка зажигания


6.6 Распределитель зажигания


6.7 Стартер


6.8 Лампы, применяемые на автомобиле


6.9 Показатели регулировки фар


6.10 Звуковые электромагнитные, вибрационные сигналы


6.11 Реле включения сигналов


6.12 Указатель уровня топлива в баке


6.13 Рабочие параметры указателя уровня топлива УБ-18 с датчиком БМ-20


6.14 Химический состав термобиметаллических лент


6.15 Указатель давления масла


6.16 Указатель температуры воды