Джерела струму автомобіля

ЗМІСТ

ВСТУП      …………………………………………………….                2

Автомобільний акумулятор  ……………………..               3

Будова і принцип дії і функції акумулятора в авто   5-14

Автомобільний  генератор  ………………………..             15

Будова і принцип дії і функції генератора в авто     16-30

ВСТУП

   Тема “Джерела струму в автомобілі” розглядається у структурі будови автомобіля і грунтується на базових шкільних  знаннях здобувачів освіти з

фізики  хімії  математики

екології    географії  🚙

Акумулятори отримали широке розповсюдження для живлення електрообладнання транспортних засобів як стартерні автомобільні батареї, для живлення переносної радіо і телефонної апаратури; як тягові батареї (EVB) глибокого заряду-розряду в електричних транспортних засобах; для живлення стаціонарних приладів, ДБЖ.

Загалом у пасажирських і комерційних автомобілях використовуються батареї напругою 12 вольт постійного струму, в той час як у вантажівках та автобусах, як правило, — 24 вольт. Ємність акумулятора вимірюється в ампер-годинах (Ah).

Свинцево-кислотну батарею було винайдено в 1859 році французьким фізиком Гастоном Планте. Свинцево-кислотний акумулятор є найстарішими типом акумулятора.

Будова акумуляторної батареї

      В акумуляторній батареї відбувається перетворення хімічної енергії в електричну. Хімія полягає в тому, що у розчин сірчаної кислоти помістили дві пластини зі свинцю, і на пластинах зробили виводи (малюнок праворуч). Приєднали до виводів два дроти від генератора, почали крутити його, щоб той виділяв електричний струм, і зарядили АКБ (поки акумулятор заряджається, він є споживачем струму). У цьому разі електрична енергія перетворилася в хімічну — акумулятор зарядився. Від’єднали від виводів генератор і приєднали, наприклад, лампочку — і вона загорілася! Тому що почався процес перетворення хімічної енергії на електричну. Принадність цієї конструкції в тому, що процеси зарядки і розрядки можна виконувати багаторазово. І якщо дотримуватися основних, досить нескладних, правил експлуатації АКБ, вона може прослужити тривалий час.

Найпростіший акумулятор складається з двох пластин, поміщених в корпус (його ще називають банкою), цей корпус заповнений розчином сірчаної кислоти (який називається електролітом) і закритий зверху кришкою. У кришці є отвори, через які виведено по два виводи від кожної з пластин (позитивної та негативної).

Будь-яка АКБ складається з декількох (найчастіше з шести) найпростіших батарей. Чому саме із шести? Бортова мережа автомобіля розрахована на 12 В, а отже, й акумуляторна батарея має видавати стільки ж. З огляду на свої розміри одна банка (дві пластини) забезпечує напругу приблизно 2 В. Для отримання 12 В позитивні та негативні пластини з’єднують послідовно і роблять два загальні виводи — позитивний і негативний

ЗАВДАННЯ

ЗНАЙДІТЬ ДЕТАЛІ АВТОМОБІЛЯ, ЩО ВІДПОВІДАЮТЬ ТЕМІ

ЗАВДАННЯ

СКІЛЬКИ ЛОГОТИПІВ НЕ ВІДПОВІДАЮТЬ ТЕМІ ?

Типи АКБ

   За принципом необхідності обслуговування акумуляторні батареї поділяють на обслуговувані і необслуговувані. Одним із підтипів обслуговуваних є малообслуговувані АКБ. На сьогодні застосування обслуговуваних АКБ зведено до мінімуму.

    Основа свинцево-кислотних АКБ — рідкий електроліт. Однак технології виробництва батарей зробили значний крок уперед, і нині досить часто можна зустріти АКБ, виконані на базі технології AGM, в якій сам електроліт абсорбований у скляних волокнах. Також варто знати і про гелеві АКБ (GEL), що набирають популярності, у них електроліт загущений за допомогою силікагелю до гелеподібного стану.

Через велике різноманіття типів АКБ виникло багато суперечок щодо ефективності і стійкості кожного з них. Якщо бути відвертим, то немає одного, ідеального для всіх експлуатаційних умов акумулятора. Бо, виграючи в одному, будь-який тип АКБ обов’язково істотно програє в чомусь іншому. Так, наприклад, такі популярні необслуговувані «кальцієві» акумулятори мають украй низькі показники саморозряду і не вимагають до себе будь-якої уваги, проте вони дуже «бояться» глибоких розрядів (наприклад, при багаторазових коротких поїздках у зимовий період). З такими розрядами АКБ цього типу стане непридатним до використання за вкрай короткий період експлуатації. А малообслуговувані АКБ глибоких розрядів не бояться, але натомість вимагають регулярного доливання дистильованої води (раз на півроку).

Номінальна ємність

    Номінальна ємність (позначається Ah=Аг) — кількість електрики (в ампер-годинах), яку здатна віддати АКБ при 20-годинному режимі розряду струмом, що чисельно дорівнює 0,05 номінальної ємності до напруги на виводах 10,5 В при температурі електроліту 25 °С.

Щільність електроліту АКБ

       Одним із основних показників, що характеризують робочий стан АКБ, є щільність електроліту. Вона має бути завжди в певному діапазоні. Якщо АКБ малообслуговувані, то влітку щільність трохи знижують, а ось узимку, щоб запобігти ймовірності замерзання електроліту, підвищують.

Для залитих і заряджених:

• рівень електроліту має бути між помітками «Min» та «Max» (корпус із напівпрозорого пластика) або бути вищим приблизно на 15— 20 мм від верхнього торця пластин;
• щільність електроліту має становити 1,25—1,26 г/см3 при 25 ±5 °С;

Подивіться “Електричний струм в електролітах. Електроліз #3”  https://youtu.be/73CZsYJe6Yw

Ареометр – прилад для вимірювання щільності електроліту

Призначення акумуляторної батареї

    Акумуляторна батарея забезпечує електричним струмом всі споживачі, поки двигун не працює або працює на дуже малих обертах, також є резервним джерелом живлення в разі виходу з ладу генератора.

Увага
Якщо генератор вийшов з ладу, не варто затягувати з його ремонтом, необхідно відразу вирішувати проблему. Тривале використання виключно АКБ може вивести її з ладу, причому в найбільш невідповідний момент.

Одним із основних функціональних призначень АКБ є пуск двигуна за допомогою стартера.

Принцип дії

       Під час розряду акумулятора в результаті реакції відбувається вихід води, а на пластинах обох типів утворюється сірчанокислий свинець. Через розбавлення водою розчину сірчаної кислоти падає її концентрація і різниця потенціалів між виводами. Оскільки сірчанокислий свинець володіє низькою питомою провідністю — зростає внутрішній опір акумулятора.^[3] Електрохімічні реакції (зліва направо — при розряді, зправа наліво — при заряді):

Заряджання акумулятора

      Для заряду свинцево-кислотного акумулятора його пластини відповідно до полярності підключають до зарядного пристрою — виникає зворотна хімічна реакція. В результаті цього з електроліту поглинається вода, збільшуючи концентрацію кислоти, на негативній пластині виділяється металевий свинець, а на позитивній — його двоокис.

Переваги та недоліки

   До переваг свинцево-кислотних акумуляторів належать: довговічність, невелика вартість, надійність, низький внутрішній опір і відсутність ефекту “пам’яті”.

До недоліків: велика маса; використання отруйних речовин; неможливість розряду акумулятора при температурі нижче -40°С і заряду при 0°С; неможливість зберігання пристрою в розрядженому стані; в окремих випадках — виділення газів при неправильній експлуатації; значний саморозряд, що досягає 1% протягом 24 годин.^[3]

Акумуляторні свинцево-кислотні батареї із зарядом в 1 А·год забезпечують силу струму набагато меншу, ніж у лужних. Свинцево-кислотні акумулятори мають вищу робочу напругу в порівнянні з лужними акумуляторами.^[1] Але вони мають нижчі питомі енергетичні характеристики та значно менший ресурс при циклічності до вичерпання запасеної ємності.

АВТОМОБІЛЬНИЙ ГЕНЕРАТОР

    Так як для роботи будь-якого двигуна внутрішнього згоряння потрібна електрична енергія, а можливості акумулятора не безмежні, і батареї вистачає тільки на запуск, то виробленням електрики займається автомобільний генератор. Крім того що цей пристрій забезпечує всіх споживачів електроенергією, частина виробленого струму витрачається на заряд АКБ і самозбудження ротора.

Призначення

    Крім того що автомобільний генератор живить електрикою бортову мережу, він також необхідний для відновлення запасу електроенергії, яку акумуляторна батарея втратила під час запуску двигуна. Спочатку обмотка збуджується від постійного струму на АКБ. Далі генератор вже самостійно виробляє електрику. Обертання генератора передається від колінчастого вала через шків і ремінну передачу.

Без справно працюючого генератора автомобіль зможе запуститися. Але проїде він недалеко. Завести авто в наступний раз може і не вийти – акумулятор не подзарядился, і у нього просто не вистачить можливостей для наступного запуску двигуна.

Принцип дії

     Робота автомобільного генератора повністю заснована на фізичних законах електромагнітної індукції. За допомогою цього явища можна трансформувати механічну енергію в електричну. Подібний ефект проявиться, якщо котушку мідних проводів покласти в область впливу змінного магнітного поля. Це буде сприяти утворенню в котушці і проводах електричної сили, що змусить рухатися електрони. Потім за допомогою цього руху на виводах котушки з’явиться струм. На контактах проводів виникне напруга. А її рівень  залежить від того, як швидко змінюється магнітне поле. Отримана напруга в результаті роботи генератора – змінна, і вона буде подана до зовнішніх споживачів.

Технічні характеристики

      За процес забезпечення всіх споживачів електричною енергією в генераторі відповідають струмо-швидкісні характеристики автомобільних генераторів. Це залежність максимального струму від частоти обертання якоря. При цьому потрібно знати, скільки струму в амперах здатна видати установка. Можливості знаходяться в межах 55-120 ампер. Якщо при робочому режимі прилад не видає достатню кількість струму, то він несправний. Також є зовнішні, регулювальні, навантажувальні характеристики і показники холостого ходу.

Будова

         Будова автомобільного генератора нескладна. Для створення магнітного поля в ньому застосовується спеціальний елемент – статор. Цей елемент являє собою обмотку. У магнітом полі, створюваним статором, обертається ротор або якір генератора. Ротор являє собою вал особливої конструкції. Він також оснащений обмотками. Останні підключені до кілець – вони необхідні для подачі до ротора напруги.

Кріплення

     Автомобільний генератор розташовано на двигуні за допомогою болтових з’єднань. На корпусі передбачені монтажні лапи і спеціальний натяжний отвір, що служить для підтяжки приводного ременя.

Корпус

       У корпусі знаходяться практично всі блоки та вузли пристрою. Корпуси для генераторів виготовляються із сплавів з низькою масою. Найчастіше  – з алюмінію. Він відмінно підходить для цих завдань – алюміній добре і ефективно справляється з віддачею тепла в атмосферу. Корпус складається з двох частин. Це кришка і торцева заглушка. На передній частині закріплений щітковий вузол і діодний міст, що є випрямлячем. Кожна з кришок утворює разом цільну конструкцію за допомогою болтового з’єднання спеціальними болтами. Обидві кришки зсередини надійно утримують зовнішню частину вала ротора. У корпусі також є ще дві важливі деталі – це підшипники. У більшості генераторів використовується два підшипника: один – передній, другий – задній. Обидва підшипника забезпечують валу ротора можливість обертатися.

Корпус  і складові частини  генератора автомобіля

Будова ротора

       Роторний вузол являє собою конструкцію з електромагнітів і котушки збудження. Два елементи змонтовані на одному валу. Останній виготовляється переважно з легованих сталей з невеликим вмістом присадок у вигляді свинцю. На валу ротора також знаходяться кільця і струмознімні щітки з пружними контактами. Контактні кільця необхідні, щоб струм подавався на ротор.

Статор

       Статор – це вузол, який являє собою сердечник з великою кількістю пазів. У більшості моделей таких пазів 36. В них вкладено дротяні витки з трьох обмоток. Обмотки з’єднані між собою за схемою «зірка» або «трикутник». Сердечник або магнітопровід виготовляється у вигляді кола. Він набраний металевими пластинами. Пластини з’єднуються між собою за допомогою заклепок або зварюванням. Сердечник являє собою монолітний вузол.

Щоб підвищити рівень напруженості, на статорних обмотках при виробництві пластин застосовують спеціальне трансформаторне залізо. На відміну від звичайного воно має посилені магнітні характеристики.

Макет ротора і статора генератора

Регулятор напруги

     Регулятори напруги автомобільних генераторів служать для компенсації нестабільності при обертанні ротора, який з’єднаний з колінчатим валом двигуна за допомогою приводного ременя. Колінчастий вал працює в широкому діапазоні обертів. Регулятор з’єднаний з графітовими щітками і покликаний стабілізувати постійну вихідну напругу, яка поступає в електричну мережу авто. Без регулятора неможливо буде запустити в роботу генератор. Крім того, навіть якщо запуск вдасться, неможливо буде здійснювати контроль подачі струму. Регулятори можуть утримувати струм в певних межах.

Принцип роботи реле-регулятора

       Якщо до джерела електрики підключити обмотку без реле-регулятора, то рівень постійного струму буде високим. За допомогою реле цей параметр вирівнюється, щоб не вийшло з ладу електрообладнання в автомобілі. По суті, реле-регулятор автомобільного генератора – це щось на зразок вимикача. Якщо напруга зростає до 13-14 вольт, то прилад автоматично відключає обмотку і включить її, коли струм буде нижчим. В результаті регулярні включення/відключення проводки генератора дозволяють виробляти більш високу напругу. Коли енергію вже сформовано, її потрібно випрямити. Для цих цілей генератор оснащений діодним мостом. Так як напруга велика, в роботу включається регулятор, елемент моментально реагує на зміни сили струму. Потім ця інформація відправляється до порівняльного пристрою. Вона потрібно для аналізу показань і порівняння з тими, які тільки-но надійшли. Якщо напруга автомобільного генератора низька, то регулятор буде збільшувати постійний струм у схемі, тим самим підвищуючи його до необхідного рівня.

Діодний міст або випрямляч генератора

      Так як для нормальної роботи електрообладнання автомобілів потрібен постійний струм, то вихід автомобільного генератора живить електромережу через спеціальний вузол, зібраний на випрямних діодах. Конструкція являє собою трифазний випрямляч. У ньому є шість діодів – три підключаються на масу, а ще три – до плюсового контакту агрегату. Саме вони призначені для перетворення змінної напруги на постійну.

Щітковий вузол генератора

     Цей елемент являє собою пластикову конструкцію. Він необхідний для передачі напруги до контактних кілець на роторі. Всередині знаходиться кілька деталей. Однак головні серед них – це пружні щітки. Вони можуть бути електрографітовими або ж більш стійкими до зносу – міднографітовими. Конструктивно в сучасних генераторах щітковий вузол являє собою єдиний блок з реле-регулятором.

Охолодження

     У процесі роботи генератор може істотно нагріватися. Відведення зайвого тепла забезпечується вентилятором, який закріплений на роторному валу. Генератори зі щітками, регулятором і випрямлячем винесені за корпус із захисним кожухом. Пристрої беруть холодне повітря через щілини.

Режими роботи

     Щоб зрозуміти, як працює автогенератор, потрібно  уявити, в яких режимах він експлуатується. Таких режимів всього два – це початковий етап у момент запуску мотора і робочий режим. У момент запуску силового агрегату головним приладом, який споживає електрику, є стартер. Генератор ще не запущено і він не виробляє електрику. Зважаючи на те, що стартер споживає струм, акумулятору доводиться інтенсивно витрачати енергію. Після того як мотор вийде на свій основний робочий режим, генератор почне забезпечувати всіх споживачів електроенергією. Він буде генерувати струм, який потрібен для роботи основних споживачів. Разом з цим потужності автомобільного генератора вистачає і на підзарядку АКБ. По мірі того як в роботу включаються більш потужні споживачі, генератора може не вистачати. Тоді енергія надходить також і від акумулятора. При цьому заряд батареї витрачається дуже швидко.

Ні в якому разі не можна робити наступне:

• залишати машину з підключеною акумуляторною батареєю, якщо ви підозрюєте, що випрямляч несправний (це призведе до розрядки акумулятора і займання проводки);

• перевіряти роботу генератора, замикаючи його виводи між собою або відключаючи акумулятор при працюючому моторі (може поламатися регулятор напруги, бортовий комп’ютер, електронні елементи системи запалювання);

• допускати потрапляння залишків тосола або іншої рідини на генератор;

• залишати включений генератор, якщо зняті клеми акумуляторної батареї (це призводить до пошкодження електрообладнання машини і регулятора напруги).

ДИВИСЬ РЕМОНТ ЩІТОК ГЕНЕРАТОРА

https://youtu.be/MP2gf4uzWE8?list=RDCMUCDDgEnDTl4TIGLDidpHjMjA

Для закріплення теоретичного матеріалу виконайте цікаві завдання та вправи:

1. Виконайте завдання «Підбери пару»: https://learningapps.org/view2546523
2. Встановіть відповідність:

https://learningapps.org/view609978

3. Заповніть таблицю відповідностей:

https://learningapps.org/view2063040

4. Впишіть правильну відповідь:

https://learningapps.org/view2546503

Задачі 

1. Акумулятор мотоцикла має ЕРС 6В та внутрішній опір 0,5 Ом. До нього підключили реостат з опором 5,5 Ом. Знайдіть силу струму в реостаті та напругу на клемах акумулятора.
2. Автомобільну лампу, на якій написано 12 В, 100 Вт, підключили до акумулятора з ЕРС 12В і внутрішнім опором 0,06 Ом. Знайдіть силу струму подану на лампу.
3. ЕРС батареї акумуляторів дорівнює 6В, а внутрішній опір батареї 0,25 Ом. Знайдіть силу струму короткого замикання.
4. При запуску автомобільного двигуна за допомогою стартера напруга в бортовій мережі значно знижується. Чому?
5. Електродвигун моделі електромобіля працює при напрузі 9 В. Модель масою 2 кг рухається з постійною швидкістю 1,5 м/с. Яка сила струму в електродвигуні, якщо ККД моделі дорівнює 75%, а коефіцієнт опору рухові 0,08?

Для перевірки отриманих знань виконайте вправу «Кросворд»:  https://learningapps.org/watch?v=pxuerjunv23

ВИКОРИСТАНІ  ДЖЕРЕЛА ТА ЛІНКИ:

1. https://corelamps.com/dzherela-zhyvlennia/akumuliator/

2. https://green-way.com.ua/uk/dovidniki/pidruchnyk-po-vlashtuvannju-avtomobilja/rozdil43-akumuljatorna-batareja-pryznachennja-budova-i-vydy

3. https://aet.ua/ua/articles/ustrojstvo-i-printsip-dejstvija-akkumuljatora.html

4. https://kg.ua/news/princip-roboti-ta-osoblivosti-konstrukciyi-avtomobilnogo-akumulyatora

5. http://autopark.pp.ua/6-princip-roboti-generatora-avtomoblya.html

6. https://youtu.be/jk5tW8W_n2Y

7. https://riverglennapts.com/uk/battery/80-how-battery-works-working-principle-of-battery.html

8. https://servicems.com.ua/uk/news/post/997-Norma-naprugi-generatora-avto-na-holostomu-ho.html

9. https://www.startmotors.lviv.ua/7-pryznakiv-polomky-generatora/

10. https://oiler.ua/blog/princip-raboty-generatora/