Tartalomjegyzék
BEVEZETÉS .................................................................................................11 1. A KÖZÚTI JÁRMŰVEK VILLAMOS RENDSZERE ................................13 1.1. A hagyományos villamos rendszer ............................................................13 A villamos rendszer fogalma ............................................................................13 Villamosenergia-termelés és -tárolás ...............................................................13 Fogyasztók.......................................................................................................14 Hagyományos hálózat .....................................................................................16 Ábrázolási, jelölési sajátságok a villamos rendszerben ...................................21 1.2. Autóelektronika a villamos rendszerben ..................................................24 Elektronikus irányítás az autóban ....................................................................24 Digitális technika az irányításban .....................................................................27 Informatikai vezetők, adatbuszok .....................................................................28 A villamos rendszer védelme ...........................................................................33 1.3. A villamos rendszer várható változásai ....................................................38 Többfeszültségű rendszer................................................................................38 Egyesített generátor/indítómotor (G/M) ............................................................39 Ellenőrző kérdések és feladatok ......................................................................40 2. AKKUMULÁTOROK ....................................................................................41 2.1. Az akkumulátorok feladata és felépítése ..................................................41 Feladat .............................................................................................................41 Követelmények.................................................................................................42 Alapelvek..........................................................................................................43 Az ólomakkumulátor felépítése, kialakítása......................................................43 2.2. Működési elv .................................................................................................49 2.3. Az elektrolit ....................................................................................................52 2.4. Villamos jellemzők ........................................................................................54 A névleges feszültség fogalma (Un) .................................................................54 A kapocsfeszültség fogalma (Uk) .....................................................................55 A zárlati áram (Iz) ..............................................................................................56 A polarizációs feszültség (Up) ..........................................................................56 A kisütöttség fogalma ......................................................................................58
5
2.5.
2.6. 2.7.
2.8.
2.9. 2.10.
A töltéshez szükséges feszültség....................................................................59 A töltöttség fogalma .........................................................................................60 A kapacitás ....................................................................................................61 A kapacitás értelmezése .................................................................................61 Amper-óra-kapacitás .......................................................................................62 A névleges áram ..............................................................................................64 Tartalékkapacitás (perc-kapacitás)..................................................................64 A hidegindító áram .......................................................................................65 A töltési folyamat ..........................................................................................66 A gázképződési feszültség ..............................................................................67 A lepkegörbék ..................................................................................................68 Töltési módok ..................................................................................................70 Az akkumulátor és a töltő kapcsolata........................................................71 Példák töltési módokra ....................................................................................74 A hatásfok, a töltési tényező ............................................................................76 A töltöttség ellenőrzése ...............................................................................76 Üzembe helyezés, karbantartás .................................................................78 Ellenőrző kérdések és feladatok ......................................................................79
3. GENERÁTOROK .......................................................................................80 3.1. A generátorok feladata és felépítése.........................................................80 Feladat .............................................................................................................80 Követelmények.................................................................................................81 3.2. Fizikai alapfogalmak .....................................................................................81 A mágneses tér ...............................................................................................81 Az indukált feszültség ......................................................................................83 3.3. A váltakozó áramú generátor ......................................................................86 Működési elv....................................................................................................86 Az egyenirányító egység ..................................................................................89 A háromfázisú egyenirányítás jellegzetességei ...............................................90 Felépítés, szerkezet ..........................................................................................94 Üzemi tulajdonságok, jelleggörbék .................................................................97 A generátor hűtése ........................................................................................103 Az egyenirányító rendszer hibáinak hatása a jelleggörbékre.........................105 A generátorok hatásfoka ................................................................................106 3.4. Feszültségszabályozás ..............................................................................108 Feszültségszabályozás a generátorban ........................................................108 A feszültség érzékelése .................................................................................111 Beavatkozás a gerjesztőkörbe .......................................................................112 Induktív körök átmeneti jelenségei.................................................................114 Az elektromechanikus feszültségszabályozás elve .......................................115 Az elektronikus feszültségszabályozás elve ..................................................118 A feszültségszabályozók kialakítása..............................................................121
6
Gerjesztődiódákat nem tartalmazó generátorok ...........................................123 Gerjesztődiódás generátorok ........................................................................123 A feszültségszabályozó egyéb feladatai ........................................................126 Az akkumulátor negatív sarkára ültetett szabályozó ......................................129 Különleges generátorok .................................................................................130 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................131 4. A VILLAMOSENERGIA-RENDSZER EGYENSÚLYA ..............................132 4.1. Az egyensúly értelmezése.........................................................................132 Egy szokatlan vizsgálat..................................................................................133 Tapasztalat, következtetés .............................................................................134 4.2. A feszültségszabályozók üzeme ..............................................................135 4.3. A villamos rendszer üzemállapotai ..........................................................136 Cél és fogalmak .............................................................................................136 A szemléltetés módszere ...............................................................................138 Alapesetek vizsgálata ....................................................................................141 Tipikus üzemmódok vizsgálata .....................................................................145 Összefoglalás ................................................................................................148 Mi a tanulság a fejezetünkben leírtakból? ......................................................148 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................149 5. INDÍTÓBERENDEZÉSEK ........................................................................150 5.1. Az indítóberendezések feladata ...............................................................150 Az indítási fordulatszám és az indítási nyomaték ..........................................150 Az indítás számszerű jellemzői ......................................................................152 A fogaskerekes hajtás ....................................................................................153 Konstrukciós követelmények .........................................................................154 5.2. Elektrotechnikai alapok .............................................................................156 A mágneses térbe helyezett áramvezető .......................................................156 A mágneses térbe helyezett tekercs..............................................................158 A pólusok .......................................................................................................160 A motor indukált feszültsége..........................................................................161 Az indítómotor árama és nyomatéka .............................................................162 Jelleggörbék ..................................................................................................163 Tanulság, figyelmeztetés ................................................................................164 Hatásfok .........................................................................................................164 5.3. Az indítómotorok típusai ...........................................................................165 Névleges adatok ............................................................................................165 A csúszó fogaskerekes indítómotor ...............................................................165 Toló fogaskerekes indítómotor .......................................................................171 5.4. Az akkumulátor állapotának hatása az indításra ...................................175 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................179
7
6. DÍZELMOTOROK VILLAMOS SEGÉDBERENDEZÉSEI ..........................180 6.1. Indítássegély ...............................................................................................181 Feladat ...........................................................................................................181 Az izzógyertya ................................................................................................181 Az elő- és utóizzítás .......................................................................................186 Az izzítás vezérlése ........................................................................................186 6.2. Kiegészítő fűtés ..........................................................................................191 Hűtőfolyadék-fűtés .........................................................................................191 Gázolajszűrő-fűtés.........................................................................................193 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................193 7. GYÚJTÁS, GYÚJTÓRENDSZEREK ......................................................194 7.1. A gyújtórendszerek feladata .....................................................................194 A gyújtás feladata ..........................................................................................195 A gyújtórendszer feladatai, főbb alkatrészei...................................................195 A gyújtás alapfogalmai ..................................................................................195 7.2. Elektrotechnikai alapok .............................................................................198 7.3. Működési elv ...............................................................................................200 7.4. Áram- és feszültségváltozások a gyújtórendszerben ...........................202 A primer áram változása az idő függvényében .............................................202 A primer feszültség változása az idő függvényében .....................................213 A szekunder feszültség változása az idő függvényében ...............................216 7.5. A gyújtórendszerek szerkezeti elemei.....................................................219 A gyújtótekercs ..............................................................................................220 A gyújtógyertya ..............................................................................................224 A gyújtáselosztó.............................................................................................229 7.6. Gyújtórendszerek .......................................................................................235 Elosztós gyújtórendszerek .............................................................................235 Vezérlőharangos Hall-jeladóval vezérelt gyújtás ............................................238 Elosztó nélküli gyújtórendszerek ....................................................................247 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................251 8. VILÁGÍTÓ- ÉS FÉNYJELZŐ BERENDEZÉSEK .................................252 8.1. A világító- és fényjelző berendezések az autóban ................................252 Feladat ...........................................................................................................252 Követelmények...............................................................................................253 8.2. Fénytani és világítástechnikai alapfogalmak..........................................254 Fényerősség ..................................................................................................254 Fényáram .......................................................................................................254 Megvilágítás ...................................................................................................255 Fénysűrűség ..................................................................................................255 Fényhasznosítás ............................................................................................255 A gépjármű saját világítása és a vezető látása .............................................255
8
8.3. Előírások ......................................................................................................257 Távolsági fény ................................................................................................257 Tompított fény.................................................................................................257 8.4. Fényforrások ...............................................................................................259 Az izzólámpa .................................................................................................259 Ívkisüléses vagy D-lámpák ............................................................................263 Fényemittáló dióda (LED) ..............................................................................264 8.5. Tükröző felületek és optikák .....................................................................265 A forgási paraboloid .......................................................................................265 A forgási ellipszoid és szórólencse ...............................................................266 FF felületek ....................................................................................................267 Szóróüvegek és burák ...................................................................................267 8.6. Fényszórók ..................................................................................................268 Távolsági fényszórók .....................................................................................268 Tompított fényt sugárzó fényszórók ...............................................................269 Valóságos fényszórók ....................................................................................271 Fénykürt .........................................................................................................272 Kanyarodási fény ...........................................................................................272 Fényszórók billentése ....................................................................................274 8.7. A fényszórók villamos hálózata................................................................275 8.8. Jelző- és egyéb kiegészítő fények ...........................................................277 Irány- és elakadásjelző fények .......................................................................277 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................279 9. 9.1. 9.2. 9.3.
VILLAMOS MOTOROK AZ AUTÓBAN ................................................280 Feladat ..........................................................................................................282 Igények .........................................................................................................282 Elektrotechnikai alapok .............................................................................283 Állandó mágnesű motorok ............................................................................283 Léptetőmotorok..............................................................................................284 9.4. Alkalmazási példák ....................................................................................287 Motorhűtő ventilátor hajtása...........................................................................287 Utastér-légbefúvó ..........................................................................................288 Ablakmozgatás ..............................................................................................289 Szélvédőtörlő, -tisztító rendszerek .................................................................291 Ellenőrző kérdések és feladatok ....................................................................295 ÚJ SZAKSZAVAK SZÓSZEDETE ..........................................................296
9
megjelentek a negatív elektródon, ott beépültek az elektród anyagába, helyi elemeket képeztek. Minél több antimon vándorolt át, annál kisebb (töltő-) feszültségen indult meg a vízbontás, gázképződés. A cellából egyre több víz fogyott, amit egyre gyakoribb, rendszeres utántöltéssel kellett pótolni. Ez teljes mértékben ellentmond a karbantartás-mentességnek, az ilyen cellát nem lehet lezárni, ami gátolta a fejlődést. Az antimontartalom fokozatos csökkentésével a vízutántöltés igénye is csökkent. A kutatás természetesen eredménnyel járt: az antimont – részben – felváltotta a kalcium. A kalcium – bár vegyi okokból semmi szükség nincs rá – az ólomrácsnak kedvező tulajdonságokat ad, nem jelent mérgező anyagot az ólom számára és nem vándorol. Ezáltal a töltésre jellemző gázképződés minimális marad, az edény lezárható. A kedvező tulajdonságoknak ára van: az így elkészített akkumulátor élettartama, ciklusszáma kisebb a kalciumkristályok tulajdonságai miatt. Az ilyen ráccsal készített akkumulátorok kevésbé tűrik a mélykisütést és a túltöltést (a fogalmak tartalmát lásd később!). Ezért a gyártók megkülönböztetnek teljesen kalciumos, és hibridnek nevezett kivitelt, ahol a pozitív elektródot kis antimontartalmú ötvözetből, a negatív elektród rácsait kalcium-ólom ötvözetből készítik. Hagyományos akkumulátor felépítése a 2.2 ábrán látható. Megjegyezzük, hogy a villamos hatásokra érzékenyebb berendezés alkalmazása nem okoz gondot, ha a villamos rendszer jellemzőit, illetve azok határértékeit biztosan és pontosan be lehet tartani. Itt is az elektronika segít: a korábbi „szemre”, vagy „fülre” történő barkácsbeállítások lehetőségei az autóból eltűntek, és intelligens felügyelet zárja ki a határértékek túllépését. Ezért nem fordulhat elő mélykisütés és túltöltés. Beépített, behajtható fogantyúk Végpólus
Központi gázelvezető Lemezösszekötő Pozitív lemezcsomag Pozitív elektród szigetelő tasakban Lemezpólus
Komplett lemezcsomag Negatív lemezcsomag Negatív elektród Expondált negtív ólomrács Pozitív elektród Öntött pozitív ólomrács
2.2. ábra. Hagyományos felépítésű akkumulátor szerkezete
45
Gondozásmentes akkumulátor. A fogalom nem „szabadon választott”, tehát a gyártó fantáziájától, vagy magabiztosságától függő jellemző. És nem attól, hogy van-e a fedélen utántöltő nyílás, vagy nincs. Az érvényes nemzetközi előírások szerint egy savas vagy ólomakkumulátor abban az esetben nevezhető teljesen gondozásmentesnek (Wartungsfrei, Maintenance free), ha 40 ± 2 °C hőmérsékleten 500 órán át 14,4 ± 0,05 V állandó feszültséggel töltve, a vízfogyasztásból (vízbontásból) fakadó tömegveszteség kisebb, mint 6 g/A⋅h. Akkumulátorgyártó információja szerint a szabványban rögzített (DIN, EN) értéket az autógyárak tovább szigorították és csak azt a gyártót fogadják el beszállítóként, amelyik garantálja a 3 g/A⋅h-nál kisebb vízfogyasztást! (A vizsgálat az autóiparra minden alkatrész tekintetében általános, 500 órás igénybevételt ír elő. Ez 21 nap, ami nyilván extrém, gyakorlatban soha elő nem forduló eset. Az autógyártók azonban – mivel termékük nagy részét beszállítók alkatrészei teszik ki – jogosan válogatnak, és a márka becsülete céljából, valóban csak a legkiválóbbakat építik a gyártmányaikba.) Spirálcellás ólomakkumulátor. A korábbiakban – szinte törvényszerűen – csak olyan kialakítású akkumulátorokról írtunk, ahol az elektródok egymással párhuzamos lemezekként fordultak elő. Ez nem véletlen, hiszen a gyártott és beépített akkumulátorok szinte mindegyike ilyen kialakítású. Akad azonban kivétel. Valakinek eszébe jutott, hogy a szükséges elektródfelületet nem egymással párhuzamos lemezek formájában készíti el. Ugyanezt a felületet egyetlen, hosszú téglalap alakban jeleníti meg. A téglalap keskenyebbik oldala közel egyenlő a szokásos akkumulátorok magasságával. A hosszabbik oldal ennek mintegy ötszöröse. Erre a méretre készül egy pozitív és egy negatív hordozó, jól deformálható, expandált ólomlemezből. A hordozóba, rácsba kent aktív anyag egyezik a korábbiakban leTúlnyomásszelep
Villamos csatlakozó
Cellaösszekötő ólomhíd
Felcsévélt elektródok (1 cella) Üvegszövet szigetelő
Ólomrács
2.4. ábra. Spirálcellás akkumulátor
48
Az ábra képe szokatlan. Azért nem meglepő, mert a generátorunk neve is „váltakozó áramú”, és az előbb, a feszültségek vizsgálatakor megállapítottuk, hogy egy-egy tekercs vezet, majd pihen, majd újra vezet. A folyamat pontos lefolyását szemlélteti a 3.22. ábra. Felépítés, szerkezet A váltakozó áramú járműgenerátor szerkezetét a 3.23. ábra mutatja. 1
2
3
4
5
5
6
3.23. ábra. Váltakozó áramú generátor felépítése 1) hajtás oldali pajzs, 2) állórész vasteste, 3) körmös pólusú forgórész, 4) csúszógyűrűk, 5) ventilátorok, 6) diódák
A 3.24. ábrán a legegyszerűbb kapcsolású generátort láthatjuk. Jelöletlen kivezetés
+
67 Pozitív diódahíd
Csúszógyűrű-kefe csatlakozások Negatív diódahíd Forgórész
Állórész
3.24. ábra. Hatdiódás, csillagkapcsolású generátor
94
4.
A villamosenergia-rendszer egyensúlya
A korábbi fejezetekből tudjuk, hogy az autó villamos rendszerének alapvető részei az energia tárolására szolgáló akkumulátor és az energiát előállító generátor. Tárolt energia nélkül ma már a belső égésű motort nem lehet elindítani, működésbe hozni, az akkumulátor elegendő töltöttsége tehát létkérdés. Tudjuk, hogy a generátor csak akkor aktív, ha a belső égésű motor működik. Mindezekből az következik, hogy a belső égésű motor működési ideje alatt kell a tárolót megfelelő mértékig feltölteni.
4.1. Az egyensúly értelmezése A villamosenergia-rendszer egyensúlyáról akkor beszélünk, ha az egységnyi időtartam folyamán az akkumulátorból kivett és a generátorból oda visszatáplált energiák mértéke (a töltési hatásfokot is figyelembe véve) egyenlő. Egységnyi időn órákat, munkanapot, vagy tetszőleges útszakasz megtételéhez szükséges időtartamot értünk. Ha például az autó egy napi futása után az akkumulátorban kevesebb az energia, mint a nap kezdetén, akkor az aznapi energiamérleg negatív. Ennek rendszeres ismétlődését nem engedhetjük meg, erről a folyamatról idejében kell(ene) értesülni, hogy az indításképtelenséget elkerüljük. Az autókban soha nem volt a negatív mérlegre, vagy annak kialakulására figyelmeztető, jelző rendszer. Az előző fejezetben megtudtuk, hogy a „töltés-ellenőrző lámpa” ezt a feladatot sohasem teljesítette. Ennek ellenére a jelző rendszer égető szükségét senki nem érezte, mert az autókban az energiamérleg pozitív volt. A nyári hónapokban és melegebb éghajlaton nem kellett félni az akkumulátor kimerülésétől, bár ennek megtörténte nem volt kizárt. Télen, kedvezőtlen körülmények között gyakrabban előfordult. Erre a házi töltés volt a megoldás, amire a legtöbb autós ugyanúgy felkészült, mint a defektre. Az otthon tartott töltő sem ritkaság. Ma senkit nem érdekel a defekt, mert a kerekek gumiköpenyének megbízhatósága nőtt. Ennek ellenére pótkereket mindenki hordoz magával. A negatív energiamérleg egyre gyakrabban fordul elő, mert az autó villamos fogyasztóinak összes teljesítménye nagyobb, mint a generátor névleges teljesítménye (lásd az 1. fejezet, 1.1. táblázatát).
132
5. Indítóberendezések
Az 5. fejezetben az indítómotorokkal fogunk foglalkozni. A címben mégis az „indítóberendezések” szerepel. Ennek az a magyarázata, hogy az indítómotor csak akkor működhet, ha rendelkezésre áll egy akkumulátor, egy mágneskapcsoló, valamint a pozitív és negatív oldali vezetők rendszere. Mivel az utóbbiak állapota alapvetően meghatározza az indítás eredményességét, így indítóberendezéseken egy erre a célra készített, különleges egyenáramú villamos gépet, az akkumulátort, a vezetékeket és a rendszer vezérlését értjük. A belső égésű motor különleges berendezés. Önálló működését csak akkor képes megkezdeni, ha égésterében – szívást és sűrítést követően – a keverék gyulladásra készen áll. Ennek érdekében tehát forgattyús tengelyét külső hatással egyszer körbe kell forgatni, csak ezt követően történik az első munkavégzési ütem, majd az önálló, folyamatos működés. A külső hatást korábban kurblizás, betolás vagy lejtőről való legurulás jelentette. Az elektronikus irányítású belső égésű motorok esetén ez már csak szükséges, de nem elégséges feltétel. A forgattyús tengely megpörgetése önmagában nem elegendő, hiszen az indítást megelőzően a tüzelőanyag elosztórendszerében létre kell hozni a szükséges nyomást, a motorirányító egységbe meg kell érkeznie a szükséges jeleknek. Ezek működéséhez ép és egészséges akkumulátorra van szükség. Ekkor értelmetlenség bekurblizásról beszélni, amit az évtizedek óta keresztben épített motorok nem is tesznek lehetővé. Tudomásul kell venni, hogy a forgattyús tengelyt villamos hajtású motorral kell és lehet megpörgetni. Ez az indítómotor, szakzsargonban: önindító. (Ez utóbbi elég butácska kifejezés. Használatát ezért könyvünkben is kerüljük.)
5.1. Az indítóberendezések feladata Az indítási fordulatszám és az indítási nyomaték A nyugalomban lévő belső égésű motor forgattyús tengelyét a motorra jellemző indítási fordulatszámra (ni) kell felgyorsítani. Az indítási fordulatszám értéke a tapasztalat szerint benzinmotornál 60...100 l/min, dízelmotornál 80...200 l/min, a motor típusától függően. A felgyorsításhoz 20…30%-kal nagyobb nyomatékra van szükség, mint a tengely további forgatásához. Ez ismert módon a
150
nyugalmi súrlódásból fakad, ami kedvezőtlen esetben a dermedt kenőolaj miatt is nagyobb. A forgatáshoz szükséges indítási nyomaték (Mi) mértéke: a dugattyúk és a henger közötti súrlódás leküzdéséhez, a forgattyús tengelyről hajtott segédberendezések (vezérműtengely, szelepek, hűtőfolyadék- és olajszivattyú, generátor stb.) működtetéséhez, az indítómotor saját súrlódásainak leküzdéséhez, a rendszer felgyorsításához. szükséges nyomatékok összegétől függ, ezek pillanatértékeinek eredője. Mindezek számszerű értékei bizonytalanok és elég széles határok között változnak. Általánosságban az eredő, azaz indítási nyomaték a belső égésű motor lökettérfogatától, típusától (benzin- vagy dízelüzemű) és a hőmérséklettől (a kenőanyag viszkozitásától) függ. Az 5.1. ábra a lökettérfogat függvényében ábrázolja a – tapasztalati úton nyert – szükséges indítási nyomatékot. Az indításhoz szükséges villamos teljesítmény számszerű értékei nem közismertek, legfeljebb az évtizedek óta alkalmazott indítómotorok adataiból lehet következtetni, hogy motoronként néhány kW-ról lehet szó. Mielőtt ezekkel néhány Mi, N·m
Mi, N·m 700 600 500
7000 6000 5000
400
4000 Benzinmotor
300
3000
200
2000
150
1500 Dízelmotor
100
1000
80
800
60 50
600 500
40
400
30
300
20
200
15
150
10
0,8 1
1,5
2 2,5 3
4
5 6 7 8 910
15 20 25 30 40 50 60
80 100
150 200
5.1. ábra. Segédlet az indítási nyomaték nagyságának értelmezéséhez
300 V, dm3
100
151