НАСТУПНИЙ крок-ЗНІМАЄМО АКУМУЛЯТОР?
Щоб не розчарувалися потім автолюбителі, як нерідко трапляється після хвацькій, але не має під собою твердого фундаменту технічної сенсації, скажемо відразу: акумулятор потрібен, він залишається. Але п'ятнадцять винаходів співробітників кафедри «Автотракторне електрообладнання» Московського автомеханічного інституту для того і створювалися, щоб пуск двигунів не залежав від цього примхливого органу автомобіля - невеликий хімічної лабораторії, яка має величезну енергію.
Цей факт і «зачепив» винахідників. Наприклад, акумуляторна батарея автомобіля «Волга» має енергію 3,2 мільйона джоулів. Акумулятор міг би розкрутити двигун потужністю 4 тисячі кінських сил, а в той же час, трапляється, не може взимку прокрутити двигун стартером всього в одну силу. Так що там акумуляторна батарея від «Волги»! Батарейка кишенькового ліхтаря за запасом енергії здатна провернути стартером двигун «Жигулів». Але ні, не проверне, тому що виплеснути всю енергію батарейки разом неможливо - надто велике її внутрішній опір. Батарейки, акумулятори призначені для неспішного, поступового відбирання енергії. Але занадто багато уваги вимагає цей «чорний ящик» автотранспорту, занадто важко підтримувати його в бойовій готовності, особливо в період холодів.
Взагалі-то кажучи, акумулятор і не розрахований на екстремальні умови, на випадок, коли знизиться щільність електроліту в самому акумуляторі і підвищиться в'язкість масла в картері, інакше кажучи, коли опірність прокручування клонували різко зросте. Отже, ми звикли до парадоксу: маючи величезне джерело енергії, можемо взяти від нього в одиницю часу лише тисячну частину. Як якби треба було виплеснути бочку води на вогнище пожежі, а в бочці маленька дірочка, крізь яку виливається по краплині. У процесі ж пуску холодного двигуна має значення саме подається потужність, кількість енергії, вихлюпується в одиницю часу.
Автолюбителі добре знають: під час пуску привід повинен обертатися швидко - успіх залежить від швидкості прокручування. При використовуваних напружених акумуляторних батарей (12 і 24 В) на колектор стартера доводиться подавати величезні струми - звідси і товсті дроти і складні комутаційні вузли. Але стартер при цьому лише отримує великий крутний момент, але не високу частоту обертання, бо висока частота обертання вимагає якраз «бочки» енергії, виплеснутої, що називається, в одну мить.
Чому акумулятори з'єднані зі стартером безпосередньо? Чому не застосовуються інші накопичувачі енергії, які мають величезну в порівнянні з акумуляторними батареями потужністю, інакше кажучи, здатністю якраз вихлюпувати в одиницю часу накопичену енергію? Чому зупинилися саме на низькій напрузі, через якого машини утяжелелі і подорожчали? Чимало важить акумуляторна батарея в порівняно малопотужному автомобілі, а в танку вага батарей вже 400 кг, на тепловозі - 2 500 кг. Унаслідок безпеки, скажуть. Але існує інший спосіб убезпечити водія, скажімо, використовувати змінний струм підвищеної частоти.
Ця демонстрація практичного втілення ідеї названих вище вчених недарма привернула увагу насамперед автолюбителів - відчули мученики можливість позбавлення від зимових поневірянь на дорогах і в гаражах. Але по суті, винаходи стосуються автомобілів лише на третину, бо автомобілі складають тільки третину всіх машин, де встановлені ДВС. Блискуче, як можна в цьому переконатися, вивчаючи різні схеми використання нового принципу електростартерного запуску двигунів, Фесенко, Хортова і Чіжковим вирішена проблема пуску буквально всіх сільськогосподарських машин, де б вони не працювали (точніше кажучи, ні відмовлялися працювати або глухли). Практично будуть позбавлені від простоїв шофери і механіки в суворих північних умовах.
А тим часом суть ідеї надзвичайно проста. Конденсатор - якраз той прилад, що накопичує енергію швидко і швидко віддає її. За умовами пуску автомобілів подавати енергію на стартер від акумулятора дозволено не більше 10 секунд. Чи не завівся двигун - треба зробити паузу. Так ось, якщо між акумулятором і стартером помістити конденсатор, то за цю паузу він встигне знову зарядитися і розрядитися, але при цьому «штовхне» поршні в кілька разів швидше і ефективніше. На відміну від акумулятора, конденсатор практично не володіє внутрішнім опором і питома потужність його в 10 тисяч разів вище потужності акумулятора. Внутрішній опір конденсатора практично не залежить від температури, у нього досить великий термін служби - понад 3,5 мільйона імпульсів або кілька десятків тисяч годин, величезна час збереження-15 років. Конденсатор не вимагає обслуговування, в ньому немає дефіцитних матеріалів, він не токсичний і не «Газіт» токсичними парами.
Як же мислиться робота, нехай для початку автомобіля з такою системою пуску? Візьмемо найпростіший випадок. Акумулятори залишаються ті ж, стартер той же. Конденсаторна батарея повинна мати енергію близько 2 000 джоулів, крім неї додається один діод, включений послідовно з батареєю, і кнопка пуску двигуна. Повертаючи ключ запалювання, водій тепер з'єднає з акумулятора не стартер, а конденсатор і поставить спочатку його на зарядку. Це всього кілька десятків секунд, а потім для пуску двигуна слід натиснути кнопку «пуск» - конденсатор розрядиться і запустить стартер. У цьому простому випадку перевага конденсаторної батареї лише в тому, що вона, будучи заряджена навіть від «сів» акумулятора, з однаковою ефективністю в будь-який час року провернеться колінвал. Однак не тільки заради такого варіанту намагалися винахідники.
Особливо помітно таку перевагу буде відчутно при безгаражном, найважчому пуску двигунів. Можна уявити собі, що водій трактора або автомобіліст, який відправляється в далекий рейс, заздалегідь зарядить собі «запаску» - блок конденсаторів на всякий випадок. Зарядити такий блок, якщо є перетворювач напруги, можна практично в будь-якій ситуації.
Системи пуску ДВС з ємнісними накопичувачами енергії дозволять сильно урізноманітнити джерела енергії, що використовуються для пуску ДВС. Крім згаданих акумуляторних батарей, промислової мережі і сонячних генераторів, можуть бути використані кишенькові батарейки, різні індуктив-ри - механічні, ручні і ножні. Сьогодні, щоб перейти на систему з ємнісним накопичувачем, зберігши напруга 12 або 24 В, в схемах пуску переробляти нічого не треба, але високоемкостних конденсатори на потрібне напруження гостродефіцитних. В'ячеслав Петрович Хортов показав іоністор, японського, правда, виробництва, ємність якого перевищує в 1,5 рази ємність земної кулі, а розміри такі ж, як коробочки в'єтнамської мазі «Зірка», добре знайомої кожному. Наука хемо-троника, що займається використанням молекулярних електрохімічних процесів і подарувала це чудо техніки (до речі, вельми дешеве - в коробочці вугільний порошок, оброблений кислотою), можливо, знайде і спосіб «спресувати» високовольтні ємності, але поки вони досить громіздкі, хоча і більш доступні. Переробка системи пуску ДВС на високовольтні ємності вимагає сьогодні нового стартера (нетерплячі товариші по службі, та й самі винахідники вже перемотали якірні і статорні обмотки стартерів своїх автомашин, збільшивши число витків в 20 разів відповідно до співвідношення напруги 220 до 12) і включення в схему перетворювача напруги . Таким чином, схеми з низьковольтними ємнісними накопичувачами енергії зручно використовувати в машинах, що знаходяться в експлуатації, а високовольтні запропоновані на перспективу для тих двигунів, які ще на стадії виготовлення можна переробити, заклавши в їх конструкції новий принцип пуску. Кафедра має договір і з розробниками нових стартерів і з підприємствами, які мають постачати конденсатори потрібної ємності, як низьковольтні, так і високовольтні.
Висока напруга в системах пуску дозволить також в перспективі використовувати інверторні схеми зворотного перетворення енергії, накопиченої в конденсаторної батареї, в змінний струм будь-якої частоти, і тоді виникає перспектива використовувати замість електростартера постійного струму звичайний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором загальнопромислового застосування.
1. Схема, що дозволяє використовувати як енергію зарядженої конденсаторної батареї 6, так і анергію акумуляторної батареї 1, навіть якщо вона розряджена майже на 90%. Обидва джерела енергії підключені паралельно до стартера 2, який таким чином отримує енергію від двох джерел разом або окремо. Включаючи ключ запалювання 8, підключають на зарядку конденсатор, який заряджається від акумуляторної батареї. Напівпровідниковий діод 7 включений в схему для запобігання зворотного розрядки. Після натискання кнопки «пуск» S включається тягове реле 3 стартера 2. І тільки після з'єднання рухомий шестерні стартера з зубчастим вінцем маховика замикається контакт 4, підключаючи конденсаторних батарей 1 до стартера 2 (а. С. № 1 193 287).
2. Схема конденсаторного пуску з перетворенням напруги, особливість якої в тому, що при наявності батареї 1 на 12 В, можна дати харчування конденсатору 6 до будь-якої напруги та практично від будь-якого джерела струму, який може бути підключений замість акумулятора. Повертаючи ключ запалювання 7, з'єднуємо, акумуляторну батарею 1 з перетворювачем напруги 8, який перетворює напругу 12 В у будь-яке інше, і конденсатор 6 заряджається високою напругою. Для пуску двигуна необхідно натиснути кнопку «пуск» 5. Тягове реле 3 при цьому введе шестерню стартера в зачеплення із зубчастим вінцем маховика, одночасно замкнувши контакт 4, і під'єднати таким чином стартер 2 до зарядженого конденсатора 6 (a. С. № 1 193 288 ).
3. Схема, що дозволяє при одній акумуляторної батареї 1 на 12 В отримати 24 В для зарядки конденсатора 6, який би розряджався на стартер, розрахований на 24 В. В даний час для цього потрібні були б дві акумуляторні батареї. Такі стартери стоять головним чином на важких вантажівках. Конденсаторна батарея в підключена до акумуляторної батареї 1 через нормально замкнутий контакт 7 і діод 9. Для пуску двигуна натискаємо кнопку 5 «пуск», спрацьовує тягове реле 3, вводячи шестерню стартера в зачеплення з вінцем маховика, одночасно роз'єднуючи контакти 7 і поєднуючи контакти 8, в результаті чого акумуляторна батарея і конденсаторна виявляються підключеними послідовно, забезпечуючи тепер уже напруга 24 вольта. Тягове реле, спрацювавши, замикає контакт 4, підключаючи спарені батареї до стартеру 2 (а. С. № 1 193 285).
4. Схема, що дозволяє від акумуляторної батареї 1 напругою 12 В, отримати харчування стартера 36 В з тим, щоб різко підвищити частоту обертання стартера, розрахованого на 12 В, скоротивши тим самим час і підвищивши надійність пуску. До акумуляторної батареї 1 підключені паралельно вже дві конденсаторні батареї 5 і 6 через діоди 10 і 11. При натисканні кнопки «пуск» 12 тягове реле 3 розриває контакти 7 і 8, замикає контакти 9 і 13, під'єднуючи таким чином дві конденсаторні батареї і акумуляторну послідовно , в результаті чого отримуємо напругу 36 В. Одночасно замикається контакт 4, підключаючи стартер 2 до 36-вольтової джерела (а. с. № 1 193 286).
5. Схема, що дозволяє використовувати три конденсаторних батареї 4, 5, 6, з'єднаних попарно паралельно-послідовно з акумуляторною батареєю 1 на 12 вольт. Пуск двигуна відбувається автоматично при досягненні конденсаторними батареями напруги 24 В. При замиканні ключа 12 «пуск» конденсаторні батареї починають заряджатися. Після досягнення певної напруги, обумовленого налаштуванням тиристора 8 і опору 9, спрацьовує тягове реле 3, яке замикає контакти 10. Акумуляторна батарея підключається до конденсаторної паралельно-послідовно і одночасно вводиться шестерня стартера в зачеплення із зубчастим вінцем маховика, а після замикання контакту 11 автоматично стартер з'єднується з енергетичною системою. Таке підключення конденсаторної батареї до акумуляторної буде забезпечувати харчування стартера напругою 24 В навіть в тому випадку, коли з ладу вийдуть відразу два конденсатора (а. С. № 1 240 947).
6. Схема, що дозволяє подавати на стартер 2 будь-яка напруга, в залежності від умов пуску, для чого послідовно з акумуляторною батареєю 1 підключається конденсаторна батарея 6, заряджатимуться від акумуляторної через регульований перетворювач напруги S, який додає напруження конденсаторної і акумуляторним батареям, за рахунок чого збільшується частота прокручування клонували двигуна. При замиканні ключа 7 перетворювач 5 заряджає конденсаторних батарей 6. Для пуску ДВС надходять звичайним чином: включають тягове реле 3, контакти 4 якого замикаються, підключаючи тим самим стартер до послідовно з'єднаним акумуляторної і конденсаторним батареям (а. С. № 1 199 968).
7. Схема універсального харчування стартера, що дозволяє акумуляторною батареєю через перетворювач 5 заряджати конденсаторних батарей в до напруги 220 В, а якщо вийде з ладу акумулятор, підключати харчування конденсатора від промислової мережі. Замкнув ключ 7 запалювання, підключаємо перетворювач 5 до акумуляторної батареї 1 і тим самим починаємо заряджати конденсаторних батарей 9 до високої напруги. Замкнув вимикач «пуск» 8, включаємо тягове реле 3, яке замкне контакти 4, і стартер отримає харчування від зарядженого конденсатора 6. Діод 10 необхідний для заряду конденсаторної батареї від мережі (клеми 11), а резистор 9 - для обмеження струму розряду (а . с. № 1 265 388).
8. Схема, що дозволяє використовувати як накопичувач енергії індукційну котушку. Повернувши ключ запалювання 7, дамо харчування на тягове реле 3, яке замкне контакт 4 і тим самим підключить до акумуляторної батареї 1 дросельну котушку 6. Для пуску ДВС необхідно розімкнути ключ запалювання 7. Реле 3 знеструмлюється, і його контакт 4 розмикається. У цей момент енергія, накопичена в дроселі, почне живити електростартер 2. Вентиль 5 служить для того, щоб не пропускати струм до електростартер під час зарядки індукційної котушки (а. С. № 1 265 389).
9. Електросхема, що дозволяє пустити двигун при будь-якій температурі навколишнього середовища без акумулятора. До клем зовнішнього джерела 1 змінного струму підводиться енергія з мережі. Через резистор 8, службовець для обмеження струму, і діод 7 - випрямляч - заряджається конденсаторна батарея 6. Для пуску ДВС необхідно замкнути контакти 4, тягове реле спрацює і замкне свій контакт 5, в результаті стартер 2 отримує харчування від конденсатора 6 (а. С . № 1 265 390).