Общая характеристика электрооборудования автомобилей и тракторов и его основные части

Электрооборудование предназначе­но для выработки электрической энер­гии (электроснабжения), обеспечения работы системы зажигания, пуска, для освещения и сигнализации, диагности­рования и в современных автомобилях для автоматического управления двига­телем, трансмиссией и другими агрега­тами, обеспечением безопасности дви­жения и комфорта в салоне и т. д.

Электрооборудование может быть выполнено по двух- и однопроводной системе. В основном применяют после­днюю, где в качестве второго «провода» использована «масса», т. е. металличес­кие детали автомобиля. Это уменьшает расход меди, однако снижает надеж­ность, так как более вероятна опас­ность короткого замыкания.

С «массой» соединен минусовой вы­ход источников электрической энер­гии. На всех автомобилях применяется постоянный ток, что определяется при­менением аккумуляторных батарей. Напряжение сети 12 В. В современных моделях автомобилей для питания мощных потребителей (кондиционеров и т. п.) применяют дополнительную си­стему напряжением 24 В.

Все приборы электрооборудования делят на две группы: источники энергии, которые вместе с регулирующей аппа­ратурой составляют систему энерго­снабжения, и потребители. К источни­кам относят генераторы и аккумулятор­ные батареи. Остальные приборы (лам­пы, приборы звуковой сигнализации, системы зажигания, вентиляторы, кон­диционеры, очистители стекол и т. д.) относят к потребителям. К этой же группе можно отнести системы микро­процессорного управления двигателем, трансмиссией и всем автомобилем в целом.

2. Аккумуляторная батарея, ее назначение

Аккумуляторная батарея предназначена для питания током по­требителей, когда двигатель не работает или работает на малой час­тоте вращения коленчатого вала. Она состоит из нескольких одина­ковых по устройству последовательно соединенных аккумуляторов.

Действие аккумулятора основано на последовательном превра­щении электрической энергии в химическую (зарядка) и обратно — химической энергии в электрическую (разрядка). На тракторах и автомобилях уста­навливают свинцовые кислотные аккумуляторные батареи.

Маркировка батарей. 6СТ-55ЭМ. Первая цифра 3 или 6 характеризует число аккумуля­торов и соответственно напряжение ба­тареи — 6 или 12 В. Буквы СТ означают стартерная, ТСТ — тракторная стартерная, следующее число — номинальная емкость в ампер-часах при 20-часовом режиме разряда. Последующие буквы: материал моноблока (Э — эбонит, Т — термопласт, П — полиэтилен), матери­ал сепараторов (М — мипласт, Р — мипор, П — пластипор, С — стекловолок­но) и исполнение (отсутствие буквы сухозаряженная, Н — несухозаряженная, А — с общей крышкой).

Пример маркировки: 6СТ-55ЭМ оз­начает, что батарея стартерная напря­жением 12 В, емкостью 55 А ч; моно­блок выполнен из эбонита, сепарато­ры — из мипласта; исполнение — сухо-заряженная.

3. Устройство свинцово-кислотной аккумуляторной батареи

Рисунок 1.1 - Аккумуляторная батарея:

а - общий вид; б - блок пластин; 1 и 2 – отрицательные и положительные пластины; 3 — ребра; 4 — бак; 5 — пробка; 6 — крышка; 7 — соединительная перемычка; 8 — полюсный штырь; 9 — сепараторы.

4. Электролит

Электролит приготовливают из аккумуляторной серной кислоты и дистиллированной воды. Кислоту и воду смешивают в кислотоупор­ных сосудах. Кислоту льют тонкой струйкой в воду. В противном случае кислота разбрызгивается и выплескивается из сосуда. При попадании на тело возможны ожоги.

Соотношение кислоты и воды в электролите определяют по его плотности. Плотность замеряют денсиметром (ареометром).

По плотности электролита определяют степень заряженности ак­кумуляторной батареи. По мере разрядки аккумулятора плотность электролита уменьшается (табл. 1.1).

Таблица 1.1 - Рекомендуемая плотность электролита в аккумуляторной батарее

5. Химические процессы происходящие при зарядке и разрядке аккумуляторов

У полностью заряженного свинцового аккумулятора актив­ными веществами являются: двуокись свинца (РbO₂) (темно-коричневого цвета) на положительном электроде (аноде), губ­чатый свинец (Рb) (темно-серого цвета) на отрицательном элект­роде (катоде) и водный раствор серной кислоты (Н₂SO₄ + Н₂О) — электролит, в котором помещаются электроды.

Активные вещества электродов, находясь в электролите, час­тично растворяются в нем. При этом отрицательный электрод выделяет в электролит положительно заряженные ионы свинца, а на нем остаются избыточные электроны. На положительном электроде в результате процесса растворения появляются избы­точные положительно заряженные ионы свинца. Поэтому между электродами возникает разность потенциалов и, если соединить электроды между собой через какой-нибудь потребитель (лам­почку, электродвигатель и т. д.), избыточные электроны отрица­тельного электрода будут двигаться по внешнему участку замкну­той электрической цепи к положительному электроду. Другими словами, через потребитель (внешний участок цепи) и аккумуля­тор (внутренний участок цепи) будет протекать электрический ток. При этом происходит процесс разряда аккумулятора.

В процессе разряда аккумулятора активная масса отрица­тельного электрода преобразуется из губчатого свинца в сульфат свинца (РbSO₄). Цвет отрицательного электрода меняется с тем­но-серого на светло-серый. Активная масса положительного электрода по мере разряда преобразуется из двуокиси свинца в сульфат свинца. При этом цвет положительного электрода меня­ется с темно-коричневого на светло-коричневый.

Плотность электролита в процессе разряда уменьшается, так как реакции протекают с расходом кислоты и образованием воды. Серная кислота расходуется непосредственно у поверх­ности электродов и в порах активной массы. Поэтому плотность электролита непосредственно у электродов становится меньше, чем в общем объеме. Разность плотностей приводит к возникнове­нию процесса диффузии, который обеспечивает поступление сер­ной кислоты, необходимой для реакций, из общего объема к по­верхностям и в поры активной массы электродов. После окончания разряда плотность электролита во всем объеме выравнивается.

Для осуществления заряда ток от внешнего источника про­пускают в направлении, противоположном току разряда. При этом сульфат свинца положительного электрода преобразуется в двуокись свинца, а сульфат свинца отрицательного электрода — в губчатый свинец. Процесс сопровождается увеличением в элект­ролите количества серной кислоты и соответствующим уменьше­нием количества воды, что приводит к повышению плотности электролита. По тем же причинам, что и при разряде, при заряде плотность электролита у поверхностей и в порах активной массы электродов становится больше плотности электролита в общем объеме.

После полного восстановления активных масс обоих электро­дов плотность электролита достигает первоначального (до раз­ряда) значения и в процессе заряда перестает повышаться. Происходит только разложение воды на водород и кислород, которые появляются на поверхности электролита в виде газовых пузырьков, что является внешним признаком восстановления заряженности аккумулятора. Этот процесс называют «кипением» электролита. Он требует периодического долива воды.

6. Основные электрические показатели: ЭДС, напряжение, емкость

Электродвижущей силой (ЭДС) называется величина, числен­но равная работе, совершаемой источником тока при переносе единицы заряда по всей замкнутой цепи, и обозначаемая Е_а. Она измеряется в вольтах (В) и зависит от химических свойств актив­ной массы пластин и плотности электролита. Температура элект­ролита существенно не влияет на величину ЭДС, которая на прак­тике определяется по эмпирической формуле Е_а = 0,84 + γ, где γ — плотность электролита при 15 °С, г/см³.

С изменением плотности электролита изменяется и величина ЭДС. Так, при температуре 15 °С плотность электролита может быть в пределах 1,09... 1,31 г/см³, при этом соответственно изменяется и ЭДС в пределах 1,93...2,15 В. ЭДС аккумуляторной батареи, со­стоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуля­торов, Е_б = пЕ_а, где п — число аккумуляторов.

Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин (электродов) при замк­нутой внешней цепи. Напряжение на клеммах аккумулятора отли­чается от его ЭДС на величину падения напряжения в самом ак­кумуляторе, обусловленную его внутренним сопротивлением. При разряде напряжение на клеммах аккумулятора меньше его ЭДС, а при заряде — больше его ЭДС. В среднем можно считать, что на­пряжение на клеммах аккумулятора равно примерно 2 В. Для того чтобы получить напряжение, соответствующее принятой на авто­мобиле системе электроснабжения, несколько двухвольтовых ак­кумуляторов объединяют в батарею с номинальным напряжени­ем 6, 12 или 24 В.

Емкость аккумуляторной батареи является наиболее важной величиной, характеризующей ее работоспособность. Под емкос­тью понимается такое количество электричества, которое отдает полностью заряженная батарея при непрерывном разряде ее до определенного конечного разрядного напряжения. Емкость С изме­ряется в ампер-часах (А·ч) и определяется как произведение силы разрядного тока I_р в амперах на время разряда t в часах: С =Iрt. Она зависит от силы разрядного тока, плотности и температуры электролита, типа пластин и количества вещества (активной мас­сы), участвующего в реакции, т.е. от размеров используемой по­верхности пластин.

Емкость аккумуляторной батареи при параллельном соедине­нии входящих в нее аккумуляторов равна сумме их емкостей, а ЭДС батареи равна ЭДС одного аккумулятора. При последователь­ном соединении аккумуляторов емкость батареи равна емкости одного аккумулятора, а ЭДС равна сумме аккумуляторов, входя­щих в батарею. Номинальная емкость батареи определяется при 20-часовом режиме разряда. Разряд должен проводиться постоян­ным током I_р = 0,05С₂₀А (где С₂₀ — номинальная емкость бата­реи при 20-часовом режиме разряда и температуре электролита 25 °С) и прекращаться по достижении конечного напряжения на выходах, равного 5,25 В у 6-вольтной батареи и 10,5 В у 12-вольт­ной батареи.

С увеличением силы разрядного тока емкость батареи умень­шается, а при пуске двигателя стартером снижается в 3 — 6 раз, так как сила разрядного тока в этом случае возрастает до несколь­ких сотен ампер. При понижении температуры электролита ем­кость батареи также уменьшается вследствие увеличения вязкости электролита. При этом снижается скорость протекания химичес­ких процессов и замедляется проникновение электролита в поры активной массы пластин. В пределах температур от 18 до 27 °С ем­кость батареи изменяется в среднем на 1 % на каждый градус

7. Особенности аккумуляторных батарей новой конструкции

Обычные аккумуляторы требуют тщательного технического обслужива­ния, которое следует проводить через 2500 км пробега, иначе возникает уско­ренная коррозия решетки положитель­ного электрода, снижение уровня элек­тролита, саморазряд и др. Это вызвано повышенным электролизом воды, чему способствует введение в материал ре­шеток 4,5...6 % сурьмы. Промышлен­ность выпускает «необслуживаемые» или «малообслуживаемые» батареи, в которых решетки положительных плас­тин изготовлены из свинца с содержа­нием сурьмы 1,5% и кадмия 1,5%, а решетки отрицательных — из свинцово-кальциевого сплава, удельное со­противление которых меньше. Кроме того, положительные электроды поме­щены в сепаратор-конверт, блок элект­родов опирается на дно моноблока, что позволило увеличить площадь пластин и объем электролита, толщина электродов доведена до 1,9 мм, благодаря чему увеличено их число, аккумуляторы со­единены через перегородки монобло­ков.

«Необслуживаемые» аккумулятор­ные батареи имеют лучшие пусковые качества, увеличенный срок службы, лучшие зарядные характеристики, меньший саморазряд, исключается необходимость доливки воды во вре­мя эксплуатации. Они не имеют за­ливных горловин и снабжены индика­тором заряженности, цвет которого изменяется при разряде ниже задан­ного уровня.

8. Основные неисправности и обслуживание аккумуляторных батарей

К ос­новным неисправностям относят по­вышенный саморазряд, короткое за­мыкание, коробление, разрушение и сульфатацию пластин, повреждения моноблока. Все эти неисправности, в основном, могут быть исключены или уменьшены при тщательном периоди­ческом техническом обслуживании.

Техническое обслуживание аккуму­ляторных батарей проводят через 10 ÷ 15 дней или 3000 ÷ 5000 км пробега. Оно включает в себя следующие опера­ции: проверку уровня электролита, из­мерение его плотности, проверку на­пряжения нагрузочной вилкой.

Уровень электролита проверяют с помощью стеклянной трубки диамет­ром 5 ÷ 6 мм (рис. 1.2, а). Для этого трубку опускают через горловину крышки каждого аккумулятора до упо­ра в предохранительную сетку, затем закрывают большим пальцем свобод­ный конец трубки. Вынув трубку, опре­деляют уровень жидкости в ней. Он должен быть 10 ÷ 15 мм. При меньшем уровне доливают в отсек аккумулятора дистиллированную воду.

Плотность электролита измеряют денсиметром (рис. 1.2, в).

Температура электролита должна быть в пределах 20 ÷ 30º С. При мень­шей температуре надо пересчитать плотность применительно к 25º С. Ори­ентировочно изменение температуры на 15° С соответствует изменению плотности на 0,01 г/см³. Если плот­ность электролита в отдельных банках различается более чем на 0,01 г/см³, ее следует выровнять, доливая электролит плотностью 1,4 г/см³ или дистиллиро­ванную воду. Доливать электролит нужно в полностью заряженную бата­рею. После проверки батарею подвер­гают непродолжительному заряду (на двигателе) и дают ей постоять 1 ÷ 2ч, чтобы плотность во всех аккумуляторах выровнялась.

Рисунок 1.2 - Приборы обслуживания аккумуляторных батарей:

а — проверка уровня электролита; б — проверка плотности электролита; в — правильное определение уровня в денси­метре; г — нагрузочная вилка; 1 — денсиметр с одним поплавком; 2 — поплавок; 3 — денсиметр с поплавками на раз­ные плотности электролита.

Для определения степени разреженности батареи по плотности можно использовать данные таблицы 1.2.

Таблица 1.2 - Соотношение между степенью заряженности аккумуляторной батареи и плотностью электролита

Напряжение батареи проверяют на­грузочной вилкой (рис. 1.2, г) в режи­ме, соответствующем пуску горячего двигателя. Показания вольтметра вил­ки при измерении под нагрузкой долж­ны соответствовать дан­ным таблицы 1.3.

Таблица 1.3 - Показания вольтметра вил­ки

При этой проверке напряжение дол­жно быть постоянным в течение не ме­нее 5 с. Пробки должны быть заверну­ты. Аккумуляторы плотность которых менее 1,2 г/см³, проверять вилкой под нагрузкой не рекомендуется.

Батарею, разряженную более чем на 25 % зимой и 50 % летом, следует снять с машины и поставить на подзарядку.