ГОСы / Трактора и Автомобили / 2

2. КОНСТРУКЦИИ СВИНЦОВЫХ СТАРТЕРНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Аккумуляторная батарея на тракторе и автомобиле предназначена для питания стартера при пуске двигателя и других потребителей, когда не работает генера­тор.

На отечественных тракторах и автомо­билях применяют стартерные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи. Аккумуляторная батарея — это хими­ческий источник тока многократного действия, который необходимо предва­рительно заряжать. В процессе зарядки аккумуляторы получают определенное количество электрической энергии от источника постоянного тока. При этом происходит превращение электрической энергии в химическую. В процессе раз­рядки происходит обратное превраще­ние, и потребители получают электри­ческую энергию.

Наиболее тяжелый режим работы ак­кумуляторной батареи — питание стар­тера, потребляющего при пуске ток от 150 до 800 А, а иногда и более. Поэтому аккумуляторные батареи, способные от­давать большой ток при незначительном падении напряжения, называют стартерными.

Аккумуляторные батареи (рис, 4,1, а) состоят из трех или шести последова­тельно соединенных аккумуляторов, раз­мещенных в общем корпусе — монобло­ке 8, который разделен перегородками соответственно на три или шесть ячеек. В каждой ячейке помещены полублоки положительных и отрицательных пла­стин. Полублок состоит из нескольких одноименных положительных 3 или от­рицательных 1 пластин, соединенных между собой параллельно с помощью бареток 5. К последней приварен вывод­ной штырь 6, служащий выводом «+» или «—» полублока. Отрицательных электродов в полублоках обычно на один больше, чем положительных. Таким об­разом, каждый положительный элек­трод находится между двумя отрицатель­ными и, работая обеими сторонами, не коробится.

Между положительными и отрицатель­ными электродами установлены сепара­торы 2, изготавливаемые из пористых кислотостойких материалов: микропо­ристой резины (Р — мипор), микропо­ристой пластмассы (М — мипласт) или пористого поливинилхлорида. Сепара­торы предохраняют разноименные элек­троды от замыкания.

Аккумуляторные батареи, предназна­ченные для работы в тяжелых условиях, выполняют с двойными сепараторами, состоящими из мипора или мипласта и стекловолокна, укладываемого к поло­жительному электроду. Сверху над се­параторами в каждый аккумулятор по­ложен перфорированный щиток 4 из эбо­нита или пластмассы, предохраняющий сепараторы от повреждения при взятии проб электролита и замере температуры.

Моноблоки изготавливают из эбонита или пластических масс. На дне ячеек моноблока имеются опорные призмы, на которые устанавливают блоки электро­дов. Пространство между призмами слу­жит для сбора выпадающего во время работы осадка и предотвращения замы­кания им разноименных электродов. Каждую ячейку моноблока сверху за­крывают отдельной крышкой из эбонита или пластмассы. В крышках сделано три отверстия: среднее резьбовое, закрывае­мое пробкой, служит для заливки элек­тролита; два крайних, армированных свинцовыми втулками, — для выводных штырей отрицательных и положитель­ных электродов

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Электродвижущая сила. Электродви­жущей силой (ЭДС) аккумулятора назы­вают разность потенциалов между поло­жительными и отрицательными электро­дами, измеренную при разомкнутой вне­шней цепи. Значение ЭДС можно опре­делить приближенно с помощью вольт­метра, имеющего большое внутреннее сопротивление (не менее 300 Ом/В) и подключаемого к выводам аккумулятора (или батареи) параллельно.

Электродвижущая сила свинцовых аккумуляторов зависит от плотности электролита, от температуры (незначи­тельно) и совершенно не зависит от раз­меров электродов и количества актив­ного вещества

Емкость аккумуляторных батарей — это количество электричества, выражен­ное в амперчасах, которое может быть получено от батареи при непрерывном разряде и заданной температуре до прак­тически целесообразного конечного напряжения. Номинальная емкость бата­рей определяется при непрерывном 20-часовом разряде силой тока, равной 1/20 номинальной емкости (I_р = 0,05С₂₀ А), до конечного напряжения на выводах 5,25 В у шестивольтовой батареи и 10,5 В у двенадцативольтовой. При этом температура электролита должна нахо­диться в интервале от 18 до 27 С. Емкость аккумуляторных батарей за­висит от ряда конструктивных и эксплу­атационных факторов: размеров и числа электродов, толщины и пористости ак­тивных материалов, конструкции и ма­териала сепараторов, плотности и тем­пературы электролита, величин и режи­мов зарядных и разрядных токов, сте­пени заряженности и износа. Увеличение плотности электролита повышает ем­кость, но снижает срок службы аккуму­ляторов. Поэтому плотность электролита увеличивают до 1,30 кг/см³ только для зимней эксплуатации в очень холодной климатической зоне.

С увеличением силы разрядного тока поверхностные слои более интенсивно участвуют в химических процессах раз­ряда, а образующийся серно-кислый свинец закупоривает поры активных масс и затрудняет проникновение элек­тролита к внутренним слоям электродов. Использование активной массы, а сле­довательно, и емкость снижаются. Вот почему важно соблюдать режимы пуска двигателя стартером.

Понижение температуры электролита на один градус в области положитель­ных температур вызывает снижение ем­кости примерно на 0,6... 1,0 %, а при отрицательных температурах и увели­ченных разрядных токах — до 2 % и более.

Саморазряд. Аккумуляторные батареи, поставленные на хранение с электроли­том, теряют емкость от саморазряда. Причина саморазряда — неизбежное при­сутствие в пластинах посторонних при­месей металлов (сурьмы, серебра, меди и др.), а также примесей (соли метал­лов), внесенных с электролитом и сепа­раторами, пленки электролита, воды и других загрязнений на поверхности ак­кумуляторов.

На саморазряд оказывают влияние температура электролита, срок службы и степень заряженности аккумуляторных батарей. Среднесуточный саморазряд обычной заряженной батареи в течение 14 сут при температуре окружающего воздуха 20 ± 5 °С в начале срока служ­бы не должен превышать 0,7 % емко­сти, в середине срока службы — около 2 %, а в конце — примерно 4 %. При температуре —18 ^СС и ниже саморазряд практически отсутствует и только наблюдается в конце срока службы (око­ло 0,2 %).

Необслуживаемые батареи за 6 мес. хранения теряют всего около 20 % ем­кости, в то время как обычные за этот же период разряжаются почти пол­ностью.

Электрическими характеристиками для необслуживаемых батарей приняты резервная емкость и ток холодной про­крутки. Значение резервной емкости из­меряют временем (в мин), в течение ко­торого при разряде током 25 А и темпе­ратуре 27 °С напряжение на батарее не снижается ниже 10,5 В. Этим показате­лем определяется время возможного дви­жения автомобиля после отказа генера­тора.

Ток холодной прокрутки — это макси­мальный ток, который на 30-й с разряда при температуре —18 °С понижает на­пряжение батареи не ниже 7,2 В.

Срок, в течение которого сохраняются установленные технические характери­стики не залитых электролитом бата­рей, — три года с момента их изготовле­ния, а срок сухозаряженности батарей гарантируется один год. Срок службы батарей считается с начала эксплуата­ции до момента снижения емкости на 60 % от номинальной. Он увеличивается при повышении средней степени заряженности, при которой работает бата­рея, и зависит от технического обслужи­вания и условий эксплуатации.

ПРОЦЕСС ВПУСКА

Процесс впуска (линия rа на рис. 3.1) в двигателях внутреннего сгорания пред­назначен для наполнения цилиндров горючей смесью (воздухом — в дизелях). Этот процесс вспомогательный и на него расходуется часть полезной работы цикла, так как впускная система обла­дает некоторым аэродинамическим со­противлением. Однако, чем больше на­полнение цилиндров горючей смесью или воздухом, тем выше мощность дви­гателя. Поэтому процесс впуска очень важен. Начинается впуск до в.м.т. в момент открытия впускного клапана за 10...30° поворота коленчатого вала (п.к.в.) (точка 1). Предварение впуска позволяет увеличить проходное сечение клапана к моменту основного впуска при движении поршня от в.м.т. к н.м.т. За основной период впуска в цилиндр поступает 85...90 % заряда.

Процесс впуска заканчивается за н.м.т., когда поршень движется к в.м.т. (точка 2). Запаздывание впуска составляет 40...80° п.к.в. За этот пе­риод в цилиндр поступает дополнитель­ное количество заряда за счет разреже­ния и инерции движущейся массы го­рючей смеси (или воздуха) по трубопро­воду.

К моменту начала впуска в цилиндре четырехтактного двигателя остается не­которое количество отработавших га­зов. Горючая смесь или воздух начнут поступать в цилиндр в тот момент, когда давление там будет ниже атмосфер­ного (р_о).

Разрежение в цилиндре двигателя за­висит от аэродинамического сопротив­ления системы впуска, которое может быть определено из выражения:

Δр_a=р₀-р_a

где Δр_a - потери давления во впускной системе; р₀ - давление во впускном трубопроводе; р_a - давление цилиндра

Рис. 3.1. Диаграмма процесса впуска четырехтактного двигателя:

Тогда давление в цилиндре двигателя в конце наполнения (точка а):

р_a =р₀- Δр_a

Из выражения следует, что чем меньше потери давления во впускной системе (), тем больше давление в цилиндре

Потери давления на впуске для четы­рехтактных двигателей без наддува ≈ (0,1. ..0,3). Меньшие значе­ния — для дизелей, у которых сопротив­ление впускной системы ниже, большие — для карбюраторных и газовых двигателей из-за наличия карбюратора, обладающего повышенным сопротивле­нием.

В двигателях двухтактных и с надду­вом потери давления =(0,05... 0.10) , где

- давление наддува, или продувки.

Для улучшения наполнения цилиндров необходимо стремиться к увеличению давления в конце впуска (), так как в этом случае плотность и масса 1 заряда, поступившего в цилиндр, будет больше. Для этого необходимо прежде всего уменьшить сопротивление во впускной системе, т. е. . В связи с этим при конструировании двигателя проходные сечения впускных клапанов делают как можно больше, уменьшают длину впускного тракта и число изги­бов, улучшают чистоту внутренних поверхностей трубопроводов, выбирают наиболее эффективные фазы газораспре­деления н наиболее удачное расположение клапанов.

В процессе эксплуатации двигателя сопротивление системы впуска зависит от технического состояния фильтров и карбюратора, тепловых зазоров и т. д. Своевременное техническое обслуживание системы впуска позволяет производить впуск при более высоких значе­ниях , а следовательно, увеличивать наполнение цилиндров.

В процессе впуска свежий заряд подо­гревается за счет контакта с нагретыми частями двигателя от температуры Т_о до (Т_о + ΔТ). Значение ΔТ зависит от основных размеров двигателя, матери­ала деталей цилиндропоршневой группы, способа охлаждения, а также от на­грузки и скоростного режима. Для авто­тракторных двигателей ΔТ=10...40 °С.

Подогретый до температуры Т_о+ΔТ заряд поступает в цилиндр и смешива­ется с остаточными газами, температура которых Т_r гораздо выше температуры свежего заряда. Подогрев от остаточных газов зависит от их температуры и коли­чества, которое определяется коэффици­ентом остаточных газов . Отношение количества остаточных газов - к ко­личеству свежего заряда M₁ в молях называют коэффициентом остаточных газов γr⁼/M₁. Чем меньше этот коэф­фициент, тем лучше будет наполнение цилиндров. Коэффициент остаточных га­зов для карбюраторных двигателей ра­вен 0,06...0,12; дизелей - 0,03...0,06.

Температура в конце впуска Т_a может быть определена на основе уравнения теплового баланса, составленного для свежего заряда и остаточных газов. Окончательное выражение для Т_а:

Следовательно, температура в конце впуска () определяется значением по­догрева заряда (), температурой оста­точных газов () и коэффициентом оста­точных газов (). С увеличением этих параметров возрастает.

При выполнении теплового расчета значения , и выбирают на ос­нове экспериментальных данных. Температура остаточных газов для карбю­раторных двигателей = 900...1100°С, а для дизелей =700...900 °С

Расчетные значения температуры в конце впуска (точка а): карбюраторные двигатели - 340...400°С; дизели- 310... 350°С.

В конце процесса впуска (точка 2} в цилиндр поступит определенное коли­чество горючей смеси (или воздуха). Чем больше наполнение, тем большее количество топлива может сгореть в ци­линдре, а следовательно, увеличатся ра­бота за цикл и мощность двигателя.

Степень совершенства процесса впуска оценивают коэффициентом наполнения, который равен отношению действитель­ного количества свежего заряда, посту­пившего в цилиндр, к количеству за­ряда, которое могло бы разместиться в рабочем объеме цилиндра при атмосферном давлении и температуре.

где и - действительное количество заряда, поступившего в цилиндр (в кг или молях); и - количество заряда, которое заполнило бы цилиндр при давлении и температуре .

На значение коэффициента наполне­ния наибольшее влияние оказывают дав­ление газов в конце впуска, частота вра­щения коленчатого вала, нагрузка дви­гателя, фазы газораспределения и т. д.

Повышение на 0,01 МПа (10 %) приводит к увеличению на 15...18 %. Это возможно, как отмечалось ранее, за счет уменьшения гидравлического со­противления системы впуска (). Дав­ление увеличивают, применяя наддув. На современных двигателях используют механический, газотурбинный и инер­ционный (акустический) наддувы. Это позволяет увеличить наполнение, а в ре­зультате и мощность двигателей на 25...30 % и более. Увеличение частоты вращения коленчатого вала в конечном итоге приводит к уменьшению . Боль­шая степень падения с увеличением частоты вращения наблюдается у кар­бюраторных двигателей, меньшая — у дизелей из-за малого гидравлического сопротивления системы впуска. У дизе­лей значения более высокие на всех скоростных режимах.

При уменьшении нагрузки коэффици­ент наполнения у карбюраторных двига­телей снижается из-за увеличения потерь давления в карбюраторе, так как дроссельная заслонка прикрывается. В ди­зелях с увеличением нагрузки не­сколько уменьшается только из-за подо­грева заряда.

Значения коэффициента наполнения для двигателей без наддува на ре­жиме максимальной мощности: карбю­раторные двигатели — 0,75...0,85; ди­зели —0,75...0,9.