ВАЖНЫЕ ИСТОЧНИКИ
На автомобилях единственным реальным источником энергии вообще является двигатель или, если взглянуть на вопрос по-другому, топливный бак. Однако электричество ни из того, ни из другого не вытекает. А потому имеются два непосредственных источника электрической энергии. Первый – установленный на двигателе генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую и снабжающий ею при работающем двигателе всех потребителей, а равно и подзаряжающий второй источник. Второй источник – аккумуляторная батарея (АКБ), «запасающая электричество» за счет химических реакций и питающая потребителей при неработающем двигателе благодаря обратному течению реакций. Заметим, что ставить вопрос первичности и вторичности между двумя источниками не совсем корректно. Правильнее воспользоваться фразой, что АКБ, пусковое устройство, генератор, как, впрочем, и остальное электрооборудование проектируются как единая система, где все части взаимно дополняют друг друга. Первичны в действительности только топливо в баке, да еще труд водителя и собственно «средство производства» – автомобиль.
С рассказом об АКБ (в просторечии – «аккумуляторе») с позволения читателей мы повременим, поскольку предмет этот не столько сложный, сколько проблемный. И уже потому заслуживает отдельной публикации. А сейчас объект нашего внимания – генератор.
Механическую энергию, необходимую для получения электрической, генератор получает от шкива на коленчатом валу двигателя через ременную передачу. Дальнейшее происходит в соответствии с явлением электромагнитной индукции, открытым М. Фарадеем. Суть его в том, что при пересечении силовых линий магнитного поля проводником в нем начинают двигаться электроны и возникает разность потенциалов, то есть напряжение, благодаря которому в замкнутой цепи течет электрический ток. Напряжение зависит от скорости движения и длины (числа витков, разумеется, изолированных друг от друга, иначе они превращаются в один «виток») «проводника». Проблема в том, что, согласно «закону Ома для всей цепи», протекающий в ней ток определяется не только сопротивлением внешним, но и внутренним, а значит, «проводник» не может быть слишком тонким, что сильно мешает уменьшению размеров генератора. Вспомнили физику? Она нам еще понадобится для объяснения характеристик генератора.
Исходных характеристик две: номинальное напряжение (В) и максимальный ток (А). Есть еще третья, производная – мощность. Чтобы определить мощность генератора (Вт), надо умножить напряжение на силу тока. Перед установкой нестандартного генератора или дополнительных потребителей полезно оценить энергетический баланс по силе потребляемого тока или потребляемой мощности. Для некоторых потребителей указывается одно, для остальных другое. Считать нужно в одних единицах, и, если выдаваемых генератором окажется меньше, чем потребляемых, вы рискуете оказаться по уши в проблемах. Даже на лучших сервисах электрики далеко не вдруг понимают, что разряженный аккумулятор (АКБ) не виноват!
Генератор переменного тока в автомобилях полностью заменил ранее использовавшийся генератор постоянного тока. Хотя последний еще встречается на старой технике. Чтобы понять, почему, вернемся к школьному курсу физики. «Принцип относительности» гласит, что генератору все едино, что движется: проводник в магнитном поле или магнитное поле вокруг проводника. А вот практически оказалось гораздо удобнее вращать поле, а не проводник. При равной выходной мощности генератор переменного тока (в нем вращают поле) имеет меньшую на 50% массу, намного надежнее, долговечнее и значительно дешевле в изготовлении, чем генератор постоянного тока, в котором движется «проводник». Кроме того, в генераторе переменного тока есть «самоограничение по току», а потому управлять им проще.
Правда, новая конструкция получила широкое распространение только тогда, когда стали доступными компактные, мощные, надежные и недорогие кремниевые диоды, или «вентили», как их поначалу называли. Они-то и позволяют иметь на выходе постоянный ток для питания потребителей. Надеемся, понятно, что ток остается переменным только внутри генератора.
Основными составляющими генератора переменного тока являются статор с неподвижной обмоткой, в которой индуцируется переменный ток, и ротор, создающий при вращении подвижное магнитное поле. Для создания этого поля через обмотку возбуждения ротора необходимо пропустить электрический ток. Он протекает через контактные кольца со скользящими по ним медно-графитовыми щетками. Ток, возникающий в статорной обмотке, течет двумя путями. Большая его часть диодами (или «выпрямительным диодным мостом») превращается в постоянный и питает автомобильную систему электрооборудования.
Меньшая часть расходуется на создание магнитного поля – это «ток возбуждения», протекающий через три дополнительных диода к клемме «D+» и встроенный (или вынесенный) регулятор напряжения к вращающейся обмотке возбуждения. Собственно, клемма «D+» предназначена для предварительного возбуждения генератора, а также управления контрольной лампой на панели приборов. Во время пуска двигателя она получает питание от бортовой сети через контрольную лампу и добавочный резистор. Как только генератор выйдет в рабочий режим, уровень напряжения на клемме «D+» становится равным напряжению питания и лампа погаснет.
Обозначения присоединительных клемм на всех генераторах стандартные. Основной «плюсовой» силовой провод обозначается как «В+» или «30» (его еще называют «постоянный плюс» или «плюс 30»), кроме этого есть клемма тахометра «W», а чаще всего и клемма минусового провода, дублирующая «массу» самого генератора.
Для надежной работы потребителей величина напряжения в бортовой сети жестко регламентируется. Но ротор генератора клиноременной или поликлиновой передачей связан с коленчатым валом двигателя, и частота его вращения меняется в широких пределах. И без специального регулирования соответствующим образом будет меняться и напряжение на клеммах генератора. Чтобы этого не происходило, при увеличении частоты вращения ротора уменьшают магнитный поток возбуждения за счет уменьшения силы тока в обмотках возбуждения. Делает это регулятор напряжения. Работает он в «ключевом» режиме, то есть, как только напряжение на клеммах генератора достигает предельно допустимой величины, размыкает цепь. Когда оно падает ниже предельно допустимого, ее замыкает. А поскольку проделывает это крайне быстро, средний ток возбуждения определяется соотношением включенного и выключенного состояний. Во всяком случае, напряжение регулируется очень точно - по крайней мере на цифровом вольтметре показания правой цифры легко читаются.
Автомобильные генераторы переменного тока (их еще называют «альтернаторы») первого поколения отдавали каких-то 30 А. На современных машинах речь идет самое меньшее о 50 А. Впрочем, ни 80, ни 100 А давно уже никого не удивляют. Понятно, что все эти амперы текут через обмотку генератора и греют ее в полном соответствии с «законом Ома для всей цепи» (не зря его поминали раньше), а кроме того, генератор обогревается самим двигателем. Поэтому в любом генераторе предусматривается система вентиляции. Классическая конструкция генератора характеризуется внешним вентилятором, расположенным в виде крыльчатки за шкивом и обеспечивающим однопоточную осевую вентиляцию. «Малогабаритные» генераторы новейшего поколения нуждаются в более эффективном охлаждении. Но они требуют более подробного рассказа.
Новое поколение генераторов имеет «компактную» конструкцию. Внешний вид оправдывает название. Большая крыльчатка вентилятора возле шкива отсутствует, а вся тыльная сторона закрыта пластмассовой крышкой, под которой находятся диодный блок, реле-регулятор и щеточный узел. Витки обмоток имеют специальную укладку для достижения минимальных размеров, а для их охлаждения используется двухпоточная вентиляция с внутренним, более эффективным вентилятором и небольшими внутренними вентиляционными отверстиями. Ради повышения КПД используют более эффективные магнитные материалы, а магнитные зазоры сокращены до минимума. Подшипники для ротора используют более солидные, поскольку такие машины изначально разрабатывались под поликлиновой привод, дающий на них гораздо большую нагрузку. Такие генераторы быстроходнее, меньше по размерам, мощнее, меньше шумят и щетки на них служат дольше. На компактных генераторах для грузовых автомобилей с тяжелым режимом эксплуатации комплект контактного кольца и угольной щетки обычно герметизируется.
Интересные данные по влиянию источника электроэнергии на расход топлива приводит «Автомобильный справочник BOSCH». Для малотоннажного грузового автомобиля часть топлива, расходуемого на приведение в действие генератора, а также на перевозку массы стартера, АКБ и генератора, составляет приблизительно 5% от общего расхода. Средний расход топлива на 100 км: для массы 10 кг – приблизительно 0,1 л и для потребителя электроэнергии мощностью 100 Вт – тоже приблизительно 0,1 л. Следовательно, генераторы с высоким КПД способствуют экономии топлива, даже если они будут немного тяжелее. Компактные генераторы выигрывают у классических как в КПД, так и в массе.
Умножать вольты на амперы и сравнивать их с литрами и килограммами – это все точные науки, заниматься которыми среди читателей не так много желающих. Хотя как знать… У автомобилистов есть своя наука под названием «грамотная техническая эксплуатация», сейчас о ней. Генераторная установка исправна, если она обеспечивает заряд аккумуляторной батареи, развивает достаточное для работы напряжение, не опасное для потребителей, и работает без шума. Современные генераторы являются высоконадежными агрегатами и часто за их отказ принимают отсутствие контакта или короткое замыкание в проводке автомобиля, отказ вольтметра, а то и банально ослабший ремень.
Определенную информацию о работоспособности генераторной установки, снабженной лампой контроля заряда АКБ, можно получить по «поведению» этой лампы. После запуска и выхода двигателя на нормальную частоту вращения при исправном генераторе лампа гаснет. Однако она точно так же погаснет и в случае замыкания регулятора напряжения из-за «пробоя» выходного транзистора. При этом регулятор напряжения работает в качестве куска провода, напряжение генератора не регулируется и недопустимо повышается. Первой видимой жертвой такого события становится что-нибудь из электроники, возможно, «сигналка» или магнитола – штатные блоки управления обычно защищены лучше. Но в любом случае страдает АКБ. Повышение зарядного напряжения даже на 1 В сверх допустимого сразу катастрофически сказывается на их ресурсе. Но узнаете вы об этом, как водится, с наступлением холодов.
Наиболее полную и правильную информацию о работоспособности генераторной установки может дать вольтметр с пределами измерений – как минимум, до 30 В. При полностью заряженной АКБ, включенных фарах дальнего света и средних частотах вращения коленчатого вала двигателя напряжение генераторной установки между выводом «+» (или «30») и «массой» должно быть в пределах 13–15 или 26–30 В для разных систем напряжения соответственно. Низкое напряжение может быть вызвано неисправностью как генератора, так и регулятора, высокое – только отказом регулятора. Цифровой вольтметр позволит «отловить» и неисправность диодного моста. Если десятые доли вольт скачут и не читаются, значит, выпрямитель неисправен и подлежит замене.
Причиной низкого напряжения может быть слабое натяжение приводного ремня, и это следует проверить в первую очередь. Нужно учесть, что техническое состояние привода оказывает существенное влияние на срок службы генератора, особенно подшипников. Контролировать это нужно в соответствии с рекомендациями изготовителя, большей частью требующими инструментальной проверки. Если учесть, что на современных машинах используются поликлиновые ремни, которые не верещат при включении фар на холостом ходу дурным голосом, а жалобно, тихонечко попискивают, а то и просто молча воняют горелой резиной, то становится понятно: «поймать момент» прослабления ремня из хорошо изолированной кабины FM, Actros или TGA далеко не просто. И пренебрегать заводскими рекомендациями по части натяжения ремня по меньшей мере неразумно. Опасно и «перетянуть» такой ремень: при разрушении подшипника «зубцы» якоря почти мгновенно добираются до обмотки статора, а это уже замена агрегата целиком.
Пунктуальность и здравый смысл позволят избежать лишних затрат. Потому как завалившийся на выпускной коллектор пучок проводов (у наших и китайцев бывает с завода, у европейцев и американцев – после ремонта) может привести к весьма плачевным последствиям. Так что держите глаза открытыми, а голову – включенной.