Doporučená literatura: Šťastný, Remek: Autoelektrika a autoelektronika. Vlk: Elektrická zařízení motorových vozidel

Doporučená literatura: Šťastný, Remek: Autoelektrika a autoelektronika. Vlk: Elektrická zařízení motorových vozidel Vlk: Elektronické systémy motorových vozidel 1 Vlk: Elektronické systémy motorových vozidel 2 Příručky BOSCH žlutá řada

Základní rozdělení elektrických zařízení vozidel 1) Zdroje elektrického proudu nezávislé (akumulátory) závislé (dynamo, alternátor) 2) Spotřebiče nutné pro činnost motoru spouštěcí a pomocná zařízení zapalování, žhavení palivové čerpadlo 3) Provozní spotřebiče zařízení usnadňující provoz a zvyšující bezpečnost (osvětlení, blinkly, stěrače, klimatizace) 4) Informační a diagnostická zařízení informace o činnosti motoru a ostatních zařízeních vozidla (chlazení mazání, dobíjení, otáčky, rychlost)

Elektronicky řízené systémy Z technického hlediska přináší elektronika do konstrukce vozidla následující významné přednosti: Možnost provedení řídicích a regulačních systémů s vyššími parametry. Ve srovnám s řešením mechanickým to znamená, že elektronika je schopna řídit složité závislosti mezi vstupními a výstupními veličinami s velkou rychlostí, vysokou přesností a to pro velký počet různých signálů. Stálost nastavení parametrů v průběhu používání vozidla a s tím související omezení nebo vyloučení nároků na obsluhu a provozní údržbu, vedoucí ke snížení provozních nákladů. Podstatné zvýšení spolehlivosti elektronicky řízených nebo jen kontrolovaných zařízení při vysokém stupni spolehlivosti vlastních elektronických prvků a zařízení. Hlavní oblasti uplatnění: o Řízení hnacího ústrojí (motor, převodovka, diagnostika) o Bezpečnost provozu (ABS, ASR, ESP, airbagy, kontrola bezpečné vzdálenosti) o Informace a komunikace (autorádio, palubní počítač, telefon, navigace) o Komfort (tempomat, klimatizace, centrální zamykání, el. nastavení sedadel a zrcátek, čidla couvání) Současný trend vývoje nahrazování mechanických systémů systémy X - by Wire. Drive by Wire elektronický pedál plynu Steer by Wire elektronický volant Brake by Wire elektronická brzdová soustava

Dynamo Dlouhou dobu byl nejvíce a téměř výhradně používaným generátorem elektrického proudu generátor stejnosměrného proudu, dynamo. Konstrukce a parametry dynama Základní schéma zapojení je na obr. 1. Jedná se o zapojení s vlastním buzením (derivačním neboli paralelním). Zapojení na obr. la se liší od zapojení na obr. lb pouze připojením budicího vinutí. Obr. 1 Zapojení budicího vinutí dynama Vlastnosti derivačních dynam znázorňují charakteristiky, jejichž typické průběhy jsou na obr. 2a,b,c. Na obrázku 2a je charakteristika vnitřní (naprázdno), tj. závislost napětí naprázdno na budicím proudu při konstantních otáčkách, na obrázku 2b je charakteristika vnější (zatěžovací), tj. závislost svorkového napětí na zatěžovacím proudu při konstantních otáčkách, na obrázku 2c je charakteristika otáčková (budicí), tj. závislost napětí naprázdno na rychlosti otáčení rotoru při konstantním odporu v obvodu buzení. Tvar charakteristik závisí na vlastnostech elektrického a magnetického obvodu. Jak je patrné ze základních charakteristik, mění se svorkové napětí dynama jak se zatížením, tak s otáčkami. U G = U i - R a I - U k U i = CΦn U G U i U k R a I C Φ n je svorkové napětí dynama, indukované napětí v rotoru, úbytek napětí mezi kartáči a komutátorem, odpor rotoru, proud procházející rotorem, konstanta stejnosměrného stroje, magnetický tok budicího vinutí, otáčky rotoru

Konstrukce automobilového dynama musí být pro nároky na vysokou spolehlivost co nejjednodušší. Podélný řez takovým dynamem je na obr. 3. Stator 5 je tvořen silnostěnnou trubkou, která byla stočena z ocelového plátu a svařena. Pólové nástavce 6 jsou odlity z ocelolitiny a nesou budicí vinutí 4. Rotor dynama je složen z plechů, které jsou nalisovány na hřídeli. V drážkách 1 je uloženo rotorové vinutí 7. Vývody cívek jsou připájeny k lamelám komutátoru 9. V držácích 8 jsou elektrografitové kartáče. Síla přitlačující kartáče se volí asi 5 N. Obr. 3. Podélný řez automobilovým dynamem Vnější kroužek kuličkového ložiska 2 je sevřen v zadním štítu 3 pevně, aby se nemohl axiálně posouvat. V předním štítu 11 je kuličkové ložisko 10 uloženo suvně. Malá dynama jsou dvoupólová. Dynama s výkonem nad 300 W bývají čtyřpólo-vá. Motocyklová dynama s relativně velkým průměrem a s malou délkou mívají i šest pólů. Jejich rotory jsou letmo nasazeny na prodloužený klikový hřídel motoru. Převod mezi spalovacím motorem a dynamem je určen maximálními otáčkami dynama. Bývá 1,2 až 1,7 do rychlá. Otáčky dynama jsou omezeny odstředivými silami, které působí na vinutí rotoru a komutátor a dále komutačními poměry, které se zhoršují se vzrůstajícími otáčkami. Regulační relé Jak je patrné z obr. 2, napětí dynama se mění jak se zatížením dynama, tak s otáčkami. Nezbytným doplňkem dynama je regulační relé, které obstarává tyto tři funkce: a) Reguluje napětí, tj. pracuje tak, aby všechny spotřebiče dostávaly napětí měnící se jen v úzkých mezích, i když otáčky dynama a jeho zatížení se mění ve velkém rozmezí a i když se mění teplota dynama. b) Omezuje proud dodávaný dynamem tak, aby nepřestoupil určitou maximální hodnotu, protože jinak by se mohlo poškodit vinutí dynama. c) Připojuje samočinně dynamo k akumulátoru a tím i ke všem spotřebičům,teprve když napětí U G dynama dosáhne vhodné velikosti. Klesne-li U G na hodnotu nižší než je napětí akumulátoru, odpojí regulační relé samočinně dynamo od akumulátoru a od spotřebičů. Z obr. 2a je zřejmé, že velikost napětí dynama lze měnit velikostí budicího proudu. Činnost regulátoru napětí tedy spočívá v tom, že vhodně mění velikost proudu, který protéká budicím vinutím dynama a udržuje tak napětí dynama na konstantní velikosti. Regulátor napětí je samostatným dílem doplňujícím činnost dynama na stejnosměrný proud. Jádro zvláštní cívky vedoucí proud vyrobený dynamem přitahuje kotvu spojenou s pohyblivým kontaktem zařazeným do obvodu buzení dynama. Podle okamžité hodnoty napětí vzniklého proudu se do buzení dynama zařazuje odpor, popř. při nejvyšších otáčkách dynama se buzení zcela vypíná. Kmitání pohyblivého kontaktu umožňuje velmi rychlé změny v buzení dynama a výsledné napětí dynama se udržuje v požadované toleranci. Při nejnižších otáčkách motoru je buzení dynama neomezené, ve vyšší

oblasti otáček pohyblivý kontakt krátkodobě zařazuje do buzení dynama odpor, čímž se výkon dynama snižuje. V oblasti nejvyšších otáček naproti tomu je buzení se zařazeným odporem v krátkých intervalech zcela vypínáno. Podstatnou částí regulačního relé jsou elektromagnety se svými kotvami a kontakty, viz obr. 4. Obr. 4. Konstrukce regulačního relé Na obrázku 5 je schéma zapojení jednostupňového regulátoru napětí, na kterém si vysvětlíme činnost regulace. Do série s budicím vinutím FG je zařazen rezistor R2, který je periodicky spojován nakrátko kontakty Kl a K2. Kontakt Kl je pevný, kontakt K2 upevněný na kotvě elektromagnetu Bl je pohyblivý. Pružina P se snaží kontakty Kl a K2 spojit. Proti ní působí síla elektromagnetu Bl, jehož napěťové vinutí je připojeno ke svorkám dynama G. Obvody jsou navrženy tak, že účinkem elektromagnetu Bl se kontakty Kl a K2 střídavě spojují a rozpojují. Při rychlém periodickém spojování a rozpojování kolísá sice napětí U G mezi hodnotami U Gmin a U Gmax, ale na žárovkách žádné kolísání světla nepozorujeme. Kmitočet vibrace bývá 50 až 500 Hz. Představme si, že napětí dosáhlo hodnoty U Gmax. Síla elektromagnetu Bl přemůže tah pružiny P, kontakty Kl a K2 se rozpojí a tím se zařadí do budicího obvodu rezistor R2. Budicí proud i b se však nezmění skokem, protože indukčnost budicího obvodu se snaží udržet i b na původní výši. Proto klesá i b a U G jen jistou rychlostí. Když U G klesne na U Gmin, přemůže tah pružiny P přítažnou sílu elektromagnetu Bl a kontakty Kl a K2 spojí rezistor R2 nakrátko. Budicí proud i b a napětí U G začne stoupat a když dostoupí U Gmax, celý děj se opakuje znovu. Čas po který jsou kontakty Kl a K2 spojeny, a čas, po který jsou rozpojeny, se samočinně nařizuje tak, že napětí U G je i při velkých změnách otáček a zatížení dynama téměř stálé. Obr. 5 Schéma zapojení jednostupňového regulátoru napětí a průběh budicího proudu při regulaci

Na obr. 6 je znázorněné reálné zapojení regulačního relé, které obsahuje regulátor napětí (cívka B1), omezovač proudu (cívka B2) a zpětný spínač (cívka B3). Obr. 6. Schéma zapojení trojcívkového regulačního relé Všechny regulační cívky pracují na stejném principu - jakmile přesáhne sledovaná veličina (napětí nebo proud) mezní hodnotu, je proveden zásah do budicího obvodu a hlídaná veličina se vrátí do požadovaných mezí. Polovodičová regulace dynam Polovodičové regulátory u dynam se vyskytují ojediněle. Snad proto, že v době, kdy se začaly polovodičové součástky masově vyrábět a jejich cena začala být přijatelná, začal se v motorových vozidlech používat alternátor s usměrňovačem. Princip bezkontaktního polovodičového regulátoru je na obr. 7. Prvkem, který zde udržuje napětí na žádané výši, je Zenerova dioda ZD, která pracuje v závěrném směru. Stoupne- li napětí nad hodnotu závěrného napětí U B začne diodou procházet proud v závěrném směru, jehož velikost je omezena odporem v obvodu. Zenerova dioda je čidlo, podle kterého lze nastavit regulátor na požadovanou hodnotu provozního napětí. Tranzistory v polovodičovém regulátoru pracují ve spínacím režimu. To znamená, že buď je tranzistor zcela zavřen (má velký odpor - vypnuto), nebo je zcela otevřen, je v saturaci (má velmi malý odpor - zapnuto). Tranzistor pracující ve spínacím režimu pracuje jako mechanický kontakt, ale bez nežádoucích vlastností, který každý kontaktní systém má (jiskření, kmitání, opalování apod.). Obr. 7 Schéma zapojení polovodičového regulátoru dynama Pokud je výkonový tranzistor T1 otevřen, jde budicím vinutím FG jako budicí proud kolektorový proud I C1 cestou: + pól dynama, emitor T1, kolektor T1, vinutí FG a - pól dynama. Jakmile stoupne napětí U G dynama na U Gmax, stoupne i napětí U z na Zenerově diodě tak, že tato dioda

začne propouštět proud, jehož obvod je: + pól, emitor a báze tranzistoru T2, Zenerova dioda, rezistor R6, - pól. Tímto proudem I E2 se otevře tranzistor T2 a stane se vodivým. Napětí U EB1 klesne tak, že se uzavře tranzistor T1. Přestane procházet kolektorový proud I C1. Budicí proud i b, jehož obvod se uzavírá přes nulovou diodu Dl, začne klesat. Při napětí U Gmin přestane Zenerova dioda ZD propouštět proud. Přestane procházet emitorový proud I E2, tranzistor T2 se uzavře a stane se nevodivým. Vznikne napětí U EB1 a proud I E1 otevře tranzistor T1. Začne stoupat i b a U G a celý děj se znovu opakuje. Regulace napětí v závislosti na odebíraném proudu se dosáhne využitím spádu napětí IR 4 na rezistoru R4. Toto napětí též napájí přes rezistor R3 emitorový obvod tranzistoru T2. Stoupá-li zátěžný proud I, otevírá se více tranzistor T2, zavírá se tranzistor T1 a tím se zmenšuje budicí proud I b. Zpětný spínač je nahrazen diodou D2, která propouští proud pouze směrem z dynama do akumulátoru. Alternátor Jako primárního zdroje proudu se v nynější době používá téměř výhradně generátorů střídavého proudu, alternátorů. a) Alternátor s usměrňovačem lze navrhnout tak, že akumulátor je nabíjen i při běhu naprázdno spalovacího motoru nebo dokonce při ještě menších otáčkách. To je důležitá výhoda pro dnešní velkoměstský provoz, kdy vozidlo 25 % času prostojí na křižovatkách, jede většinou pomalu a nejvýše asi 40 % svého času může jet rychlostí nad 55 km/h. Život akumulátoru nabíjeného alternátorem s usměrňovačem je delší než akumulátoru nabíjeného dynamem. Hlavní příčinou, proč alternátor může nabíjet při nižších otáčkách motoru než dynamo je, že alternátor lze navrhnout na vyšší obvodové rychlosti rotoru a zpřevodovat ho do rychla, kdežto u dynama jsme omezeni ohledy na jakost komutace a odstředivé síly. Alternátor je též buzen přímo z akumulátoru ihned po zapnutí zapalování. Na obrázku 8 je porovnána charakteristika dynama a alternátoru přibližně stejného výkonu. Dynamo nedává při otáčkách 1 000 l/min ještě výkon, kdežto alternátor dává již 13 A. b) Téměř žádná údržba. Většina alternátorů má sice kroužky a kartáče, ale těmi se přivádí do rotoru jen slabý budicí proud, takže jejich opotřebení je velmi malé. c) Jednodušší regulace. Protože usměrňovač propouští proud jen jedním směrem, odpadá zpětný spínač. Odpadá však i omezovač proudu. Proud alternátoru je omezen reaktancí vinutí statoru a nemůže překročit jisté hodnoty. Reaktance X G = 2π (pn/60)l statorového vinutí, tj. odpor pro průchod střídavého proudu se mění lineárně s otáčkami a tak samočinně, bez jakéhokoliv regulačního zásahu, s rostoucími otáčkami roste nejen indukované vnitřní napětí, ale i vnitřní impedance (zdánlivý odpor) alternátoru. d) Vetší provozní spolehlivost. e) Menší hmotnost a rozměry. \jz& volit vyšší otáčky, odpadá komutátor. Konstrukce je jednodušší. Průměr alternátoru je sice větší než průměr dynama, avšak celkově je menší. f) Protože odpadá jiskření na komutátoru, je odrušení jednodušší. g) Souprava alternátor - usměrňovač dává proud stále stejné polarity nezávisle na smyslu otáčení, kdežto dynamo se může přepólovat. h) Jistou nevýhodou je vznik přepětí při náhlém odlehčení alternátoru, není-li připojen akumulátor. Pak dojde k nebezpečnému zvýšení inverzního napětí, poněvadž pracovní vinutí alternátoru má značnou indukčnost Obr. 8 Porovnání charakteristik dynama a alternátoru

Alternátor s budicím vinutím U větších motorových vozidel, kde je potřebný větší výkon alternátoru, se používají alternátory se stejnosměrným buzením, u nichž je nezbytná regulace napětí. Používá se tu většinou alternátorů s tzv. drápkovým rotorem, jehož schéma je na obr. 9. Obr. 9 Alternátor s drápkovým rotorem Stator je stejný jako stator vícepólového asynchronního motoru. V drážkách statorového paketu 1 složeného z dynamových plechů, izolovaných na jedné straně, je uloženo trojfázové vinutí 2 pro 2p pólů. Na rotoru jsou dvě lisované nebo frézované hvězdice 4, 8 z měkké oceli. Každá z nich má na vnějším obvodě P drápkových pólů (např. 6). Do mezery mezi drápkovými póly jedné hvězdice zasahují drápkové póly druhé hvězdice, takže ve vzduchové mezeře působí 2p drápkových pólů. Budicí cívka 9 prstencového tvaru, která je napájena přes kroužky 12, budí všechny póly tak, že na obvodě se severní a jižní póly střídají. Hvězdice 4 nese jen samé severní póly a hvězdice 8 jen samé jižní póly. Magnetický tok vycházející např. ze severního pólu projde vzduchovou mezerou do statoru, vyvolá v něm magnetický tok a vrací se přes vzduchovou mezeru do jižního pólu statoru. Drápkové póly mají lichoběžníkový tvar, aby se při otáčení měnil magnetický tok pozvolna a indukované napětí bylo blízké sinusovce. Usměrňovač Můstkové zapojení usměrňovače podle obr. 10 využívá obou půlvln napětí alternátoru, jehož vinutí je pak nejlépe využito. Na obrázku 11 jsou zakresleny zjednodušené průběhy proudů. V můstkovém zapojení jde proud vždy jednou diodou anodové skupiny (diody 1, 2, 3) a jednou diodou katodové skupiny (diody 4, 5, 6). Komutují (předávají si proud) vždy mezi sebou diody stejné skupiny. Například v bodě A přestává procházet proud diodou 1 a začíná procházet diodou 2. V bodě B přestává proud procházet diodou 6 a

začíná procházet diodou 4. Zanedbáme-li reaktanci alternátoru, nastává komutace okamžitě. Obr. 10 Můstkové zapojení třífázového usměrňovače Obr. 11 Průběh napětí a proudů u třífázového můstkového usměrňovače Horní tři diody D1, D2 a D3 tvoří tzv. trojpulzní usměrňovač, který usměrňuje kladná napětí z alternátoru (horní obálka V L ). Dolní diody D4, D5 a D6 pak usměrňují záporná napětí (spodní obálka V K ). Výsledkem je tzv. šestipulzní usměrněné napětí, jehož okamžitou velikost dostaneme jako rozdíl obou napětí V L - V K. Ze tří kladných fázových napětí a tří záporných vznikne ve výstupním

usměrněném napětí šest pulzů ( kopečků ) za jednu periodu. Velikost usměrněného napětí je možno odvodit ve tvaru U = 1,35 U = 2,34 1S U 1f kde U je střední hodnota usměrněného napětí, U 1S je sdružené napětí alternátoru a U 1f je fázové napětí alternátoru. Regulace alternátoru U všech větších vozidel, kde se vyskytují různé spotřebiče, se mění zatížení alternátoru podle jejich připojení. Zejména tam, kde je ve vozidle akumulátorová baterie, musí být alternátor vybaven regulátorem. Regulace alternátoru je podstatně jednodušší než regulace dynama. Odpadá zde regulace proudu, protože alternátor je schopen dávat proud jen určité velikosti a rovněž odpadá zpětný spínač, protože usměrňovač propouští proud jen jedním směrem z vinutí alternátoru ke spotřebičům a akumulátorové baterii. Proud, který propouštějí usměrňovací diody v závěrném směru, je nepatrný a můžeme ho zanedbat. Regulátor pro alternátor má tedy tu funkci, že udržuje výstupní napětí alternátoru na konstantní velikosti. Regulace napětí alternátoru, buzeného stejnosměrným proudem, je na zcela stejném principu jako napěťová regulace dynam. Regulační relé mění proud do budicího vinutí alternátoru tak, že při různých otáčkách motoru i při různém odběru proudu zůstává napětí na stejné velikosti. Nejrozšířenějšími regulátory byly donedávna regulátory vibrační, které jsou v dnešní době vytlačovány modernějšími a přesněji pracujícími regulátory polovodičovými. Obr. 12. Schéma zapojení třífázového devítidiodového alternátoru s vibračním regulátorem Na obrázku 12 je schéma zapojení tzv. devítidiodového alternátoru. Pro buzení a vibrační regulátor napětí je použito odděleného usměrňovače, sestávajícího z menších diod D7, D8, D9, které s diodami D4, D5, D6 tvoří trojfázový můstek. Alternátor se při malých otáčkách nemůže sám nabudit, proto je budicí obvod při nízkých otáčkách vždy napájen z akumulátorové baterie. Předbuzení je proudem z akumulátorové baterie BA přes spínač V, přes kontrolní žárovku H a k ní paralelně připojený rezistor R3, sepnuté kontakty Kl, K2 ke svorce M a přes kroužky do budicího vinutí. Polovodičová regulace alternátoru V posledních letech, kdy výrazně poklesla cena polovodičových součástí, používají výrobci motorových vozidel téměř výhradně regulátory polovodičové. Při výrobě velikých sérií je cena polovodičového regulátoru srovnatelná či dokonce nižší než cena regulátoru vibračního. Velkou výhodou polovodičového regulátoru je velmi malý zástavbový prostor. Nejnovější regulátory se vyrábějí technologií integrovaných obvodů a tvoří obvykle jeden celek s držákem kartáčů alternátoru (obr. 13). Princip činnosti polovodičového regulátoru je patrný z obr. 14. Referenčním prvkem je opět Zenerova dioda ZD, jejíž anoda je připojena k odporovému děliči, tvořenému rezistory R3, R6 a odporovým trimrem R4, kterým je možné nařizovat výši žádaného napětí. Paralelně k rezistoru R6 je připojen

termistor R5. Klesne-li teplota, stoupne odpor termistoru a zvýší se potenciál bodu C, takže je třeba vyšší napětí, aby se Zenerova dioda ZD otevřela. Nareguluje se tedy vyšší napětí alternátoru. Jinak působí tento regulátor obdobně jako bezkontaktní regulátory, které jsme poznali u dynam. Je-li napětí malé, nepropouští ZD proud, na rezistoru R2 nevzniká žádný napěťový spád. Emitorový obvod tranzistoru T2 není napájen. Prakticky si můžeme představit, že T2 je zavřen a přívody k němu jsou rozpojeny. Emitorem hlavního spínacího tranzistoru T1 jde proud a to cestou: přípojnice +, emitor T1, báze T1, rezistor Rl, záporný pól. Tranzistor T1 se otevře a jeho kolektorový proud i C1 jde přes kartáčky a kroužky do budicího vinutí FG alternátoru, jehož napětí stoupá. Při jisté velikosti napětí U_ je rozdíl mezi potenciálem přípojnice + a bodem C tak veliký, že se otevře Zenerova dioda ZD. Začne jí procházet proud, jehož cesta je: přípojnice +, rezistor R2, Zenerova dioda ZD, rezistory R4 R6 a termistor R5. Na rezistoru R2 vznikne napětí, které otevře tranzistor T2. Tím se přiblíží potenciál bodu A k potenciálu přípojnice + a klesne proud obvodu emitor-báze tranzistoru T1, který se uzavře. Poněvadž u tohoto zapojení je regulátor a budicí obvod napájen z hlavního usměrňovače, je nutné, aby regulátor byl od akumulátoru odělen diodou D3. Ta zamezí tomu, aby při nepracujícím alternátoru byl napájen regulační a budicí obvod z akumulátoru. Předbuzení alternátoru je zajištěno přes kontrolní žárovku dobíjení a k ní paralelně připojený rezistor R7. Obr. 13 Polovodičové regulátory alternátoru Obr. 14 Schéma zapojení polovodičového regulátoru

Alternátor s permanentním buzením Nejjednodušší a nejspolehlivější zdroje proudu pro motorová vozidla jsou alternátory, kde magnetický tok, který je nutný ke vzniku elektrického proudu, je vytvářen stálými, tj. permanentními magnety. Dnešní technologie výroby těchto magnetů je na takové úrovni, že se vyrábějí materiály, které vytvářejí značně silný a s časem se neměnící magnetický tok. Alternátory s permanentními magnety bývají nejčastěji uspořádány tak, že v magnetickém obvodu statoru je uloženo pracovní vinutí, ze kterého se odebírá potřebný proud pro provoz vozidla a na rotoru je upevněno několik párů permanentních magnetů tak, že se vždy střídá severní a jižní pól magnetu. Takovéto uspořádání je např. u provedení alternátoru s vnějším rotorem. Vnější rotor má velký moment setrvačnosti a působí u dvoudobých motorů jako setrvačník pro plynulejší chod motoru. Tyto alternátory tvoří obvykle jeden celek s magnetovým zapalováním. Alternátory s buzením permanentním magnetem mají nespornou výhodu v tom, že nevyžadují regulaci, avšak jejich použití je možné pouze pro menší vozidla s málo proměnnou spotřebou. U jednostopých vozidel se v provozu vyskytují v podstatě jen dvě velikosti zátěže. Při jízdě v noci pracuje alternátor jen pro osvětlení, ve dne přes tlumivku a usměrňovač dobíjí akumulátor, pokud na vozidle je. Nejnovější způsob regulace u alternátorů s permanentním buzením pro větší výkony je regulace řízenými usměrňovači. Řízený usměrňovač pracuje podobně jako usměrňovač diodový, ale místo diod je sestaven s tyristorů, což je součástka, jejíž okamžik sepnutí je možno řídit. Obr. 15 Schéma zapojení třífázového alternátoru s permanentním magnetem

Startovací baterie Elektrický proud vzniká přeměnou některé formy energie na energii elektrickou. U motorových vozidel se jedná o přeměnu části mechanické energie produkované motorem prostřednictvím zařízení zvaného alternátor. Při funkci elektrické sítě rozlišujeme dva základní stavy: 1. Motor je v chodu a alternátor dobíjí baterii a napájí elektrickým proudem zapalování a všechny zapnuté elektrické spotřebiče. Proud z alternátoru rozděluje regulátor napětí na dobíječi, který proudí do baterie a na napájecí, který proudí do ostatních spotřebičů. 2. Motor, a tedy alternátor, stojí. Regulátor napětí uzavírá cestu k alternátoru a vede proud z baterie do zapnutých elektrospotřebičů. Vzhledem k tomu, že elektrickou energii je třeba akumulovat, používá se u motorových vozidel proud stejnosměrný. Jmenovitá napětí jsou stanovena na hodnoty 6 V (u malých motocyklů a skútrů), 12 V a 24 V. Typickým znakem elektrické instalace na motorovém vozidle je připojení spotřebičů ke zdroji jedním izolovaným vodičem, druhý vodič je nahrazen kovovou kostrou vozidla. Tím se celá instalace zjednoduší a navíc se sníží cena i hmotnost. V současnosti době bývá s kostrou vozidla spojen záporný pól zdrojů. Pro akumulátory se používá rovněž názvu akumulátorová baterie nebo startovací baterie. Akumulátor, jak již napovídá jeho název, je zásobníkem elektrické energie ve vozidle. Základními technickými parametry akumulátoru jsou jeho napětí, kapacita a hmotnost. Pokud při nízkých otáčkách motoru nestačí k napájení elektrické sítě výkon alternátoru (např. je zapnuto mnoho silných spotřebičů), musí alternátoru pomáhat baterie. Z tohoto důvodu při poklesu napětí zapíná regulátor napětí do sítě i baterii. Regulátor zapíná baterii i v případě, kdy stojí motor a je zapnuté zapalování, světla, houkačka apod. Nejvíce se využívá baterie při startování motoru, protože musí napájet startér, který je největším spotřebičem v motorovém vozidle. Ze všech provozů, ve kterých se akumulátory uplatňují, jsou při použití v motorovém vozidle nejtvrdší podmínky. Jsou to velké spouštěcí proudy, velká rozmezí provozních teplot, otřesy a rychlé střídání nabíjení a vybíjení, pravděpodobnost neodborné údržby atd. Až na malé výjimky se používá vesměs akumulátorů olověných, jejichž elektrolytem je zředěná kyselina sírová. Alkalické NiCd (niklokadmiové akumulátory) mají sice až sedmkrát delší dobu života než olověné akumulátory, jsou odolné proti otřesům, zkratům, přebíjení i úplnému vybití, ale jsou mnohonásobně dražší než olověné akumulátory. Uplatní se jen u některých zvláštních, např. speciálních vozidel, která musí být stále v pohotovosti, i když jsou delší dobu mimo provoz. Nevýhodou je též velký rozdíl mezi nabíjecím napětím a vybíjecím napětím a potřeba časté kontroly elektrolytu, kterým je hydroxid draselný KOH. Stříbrozinkové akumulátory mají kladné desky z porézního sintrovaného stříbra a záporné ze sloučenin zinku. Elektrolytem je vodný roztok hydroxidu draselného. Stříbrozinkové akumulátory jsou o 70 % lehčí a objemově asi o 60 % menší než olověné akumulátory, ale jsou drahé a mají krátkou dobu života. Uplatňují se jen u zvláštních závodních strojů. Pro motorová vozidla se používají převážně olověné akumulátory s kyselým elektrolytem. Každý článek (obr. 1) tvoří soustava mřížkovaných olověných desek záporné a kladné polarity, vzájemně od sebe oddělených tzv. separátory, které zamezují přímému dotyku sousedních desek. Desky jsou v nádobě z plastické hmoty nebo tvrzené pryže ponořeny do zředěné kyseliny sírové, která tvoří elektrolyt. Jeden článek má napětí cca 2 V, takže pro 12 V baterii jich musíme spojit 6 do série. Elektrody jsou provedeny jako mřížky odlité z olova, legovaného různými přísadami, zejména antimonem (tvrdé olovo). Přísady slouží rovněž pro zvýšení chemické odolnosti a vazby s činnou hmotou. Mřížky slouží jako nosiče činné hmoty. Základní tvar je zvolen tak, aby činný materiál byl pevně zachycen s co nejlepším elektrickým stykem a aby neodpadával při provozních vibracích a při pnutí, které vzniká objemovými změnami činných hmot při nabíjení a vybíjení. Desky jsou kladné a

záporné. Jednotlivé desky jsou vzájemně spojeny pólovými můstky. Kladná a záporná sada jsou do sebe zasunuty tak, že kladné a záporné desky se vzájemně střídají. Vnější desky jsou vždy záporné. Činnými hmotami jsou oxid olovičitý PbO 2 na kladné elektrodě a houbovité olovo Pb na záporné elektrodě. Elektrolytem je kyselina sírová zředěná vodou. Vlastnosti separátorů mají velký vliv na vlastnosti akumulátoru, zvláště na jeho vlastnosti při nízkých teplotách. Separátory nesmějí bránit snadnému průchodu iontů, nesmějí se dotýkat desek v příliš velké ploše, aby byl ponechán prostor pro elektrolyt a snadno se vyrovnávala jeho hustota. Separátory musí odolávat velmi agresivnímu prostředí. Zhotovují se ze skelné tkaniny a nových hmot v různých kombinacích a provedeních. Značné zlepšení vlastností akumulátorů při nízkých teplotách umožnily zejména mikroporézní separátory z nových hmot a separátory ze speciálních papírů. Kyselina sírová H 2 SO 4 se pro plnění akumulátorů ředí na předepsanou hustotu destilovanou vodou. V našich klimatických podmínkách se předpisuje měrná hustota 1,26 až 1,285 g/cm. Použije-li se elektrolyt větší hustoty, je svorkové napětí i kapacita akumulátoru větší, avšak při překročení horní meze 1,285 g/cm 3 je nebezpečí napadání desek kyselinou. Obr. 1 Konstrukce jednoho článku akumulátoru 1 kladná mřížka 2 kladná elektroda 3 obálkový separátor 4 záporná mřížka 5 záporná elektroda 6 pólový můstek 7 pólový vývod 8 článek

Chemické pochody v olověném akumulátoru Ve vodném roztoku kyseliny sírové H 2 SO 4 jsou některé molekuly disociovány na kation vodíku 2H a anion kyseliny sírové SO 4. Kation je atom, který ztratil ze své valenční sféry jeden nebo několik elektronů a je tedy kladně nabitým iontem. Anion připoutal k sobě několik volných elektronů a je tedy záporně nabitým iontem. Tyto ionty jsou pohyblivé a mohou být nositeli proudu. Při vybíjení jde uvnitř akumulátoru proud od záporné elektrody ku kladné elektrodě. Kationty vodíku migrují ke kladné elektrodě, kde spolupůsobením kyseliny sírové vzniká síran olovnatý. PbO 2 + 2H + + H 2 SO 4 ionty kyseliny sírové migrují k záporné elektrodě Pb + SO 4 2- PbSO 4 + 2 H 2 O +2(+náboje) PbSO 4 + 2 (náboje) Z rovnic vidíme, že se při vybíjení vylučuje voda a elektrolyt řídne. Na deskách se usazuje síran olovnatý PbSO 4 a postupně je ucpává. Při nabíjení jde elektrolytem proud od kladné elektrody k záporné elektrodě a nese kationty vodíku. Na záporné elektrodě probíhá pochod: PbSO 4 + 2H + + 2 (-náboj) Pb + H 2 SO 4 Anionty kyseliny sírové migrují od záporné elektrody ke kladné, na níž probíhá při současném působení vody chemická reakce: PbSO 4 + SO 4 2- + 2H 2 O + 2(+ náboj) Pb O 2 4 + 2 H 2 SO 4 Původní výchozí látka, síran olovnatý PbSO 4, se tedy nabíjením mění na kladné desce zpět na oxid olovičitý PbO 2 a na záporné desce na houbovité olovo Pb. Hustota elektrolytu stoupá, protože se při chemickém pochodu vytváří kyselina sírová H 2 SO 4. Elektrická energie se spotřebovává na převedení nábojů proti elektrochemickému potenciálu a na přeměnu molekul síranu olovnatého na molekuly Pb a PbO 2. Popsané pochody probíhají jen tak dlouho, dokud je k dispozici dostatek činné hmoty na tuto přeměnu. Když už se na kladné desce všechen síran olovnatý přeměnil na oxid olovičitý PbO 2 a na záporné desce se všechen proměnil na olovo Pb a když by se nabitý článek dále zbytečně nabíjel, probíhaly by pochody: Kladná elektroda: 2 H 2 O + 2 SO 4 + 4(+ náboje) 2 H 2 SO 4 + O 2 Záporná elektroda: 4 H + 4 (- náboje) 2 H 2 Výsledná reakce: 2 H 2 SO 4 + 2 H 2 O 2 H 2 SO 4 + O 2 + 2H 2 Za ionty, které jsou disociovány z molekuly kyseliny sírové, vzniká na kladné elektrodě zase molekula kyseliny sírové, takže hustota kyseliny se už nemění. Na kladné elektrodě vzniká kyslík, na záporné vodík, čili elektrolyt ubývá. Přebíjení tedy není vhodné. Akumulátor je plně nabit, když: 1. hustota elektrolytu dosáhla 1,28 g/cm 3 a po dvě hodiny se již nemění, 2. když při nabíjení dosáhlo napětí 2,6 až 2,7 V pro článek a po dvě hodiny již nestoupá, 3. když všechny články plynují. Za několik hodin po odpojení od nabíječe klesne napětí na klidovou hodnotu 2,0 až 2,15 V na článek. Charakteristické hodnoty akumulátoru Kapacita akumulátoru je elektrický náboj (množství) v ampérhodinách, který může akumulátor za určitých podmínek vydat. Není to hodnota stálá, mění se s podmínkami. Z hlediska provozních vlastností je důležitá především její závislost na velikosti vybíjecího proudu a na teplotě.

Jmenovitá kapacita je srovnávací údaj pro hodnocení akumulátorů za stejných podmínek. Bývá udávána pro vybití plně nabitého akumulátoru při stanovených podmínkách za deset nebo dvacet hodin. V souhlase s mezinárodní dohodou se nejčastěji udává 20-hodinová kapacita a předpisuje ji i naše norma. Pro určitý typ akumulátoru udává výrobce jmenovitou kapacitu nebo konstruuje akumulátor tak, aby jeho kapacita byla v souhlase s odstupňováním podle norem. Jmenovitá dvacetihodinová kapacita C 20 se podle naší normy vztahuje na vybíjení při teplotě elektrolytu +25 C proudem 0,05 C 20 (A) do snížení napětí na 1,75 V na článek. Skutečná dvacetihodinová kapacita akumulátoru se určí tak, že akumulátor nabitý předepsaným způsobem se vybíjí bez přerušení proudem 0,05 C 20, dokud se svorkové napětí při tomto zatížení nezmenší u šestičlánkového (12 V) na 10,5 V. Skutečná kapacita akumulátoru je pak součin vybíjecího proudu a doby vybíjení. Vnitřní odpor akumulátoru. Složkami vnitřního odporu akumulátoru jsou odpor činné hmoty, odpor jejího spojení s mřížkou, vlastnosti přechodové vrstvy a separátorů. Značný vliv na vnitřní odpor má hustota a teplota elektrolytu. Počet a vlastnosti jednotlivých složek způsobují, že vnitřní odpor akumulátoru je velmi proměnnou veličinou, kterou není možno obecně vyjádřit stálým činitelem ani jednoduchým vztahem. Pro zjištění odporu nebo charakteristiky se měří napětí při dvou různých velikostech proudu a z naměřených hodnot se buď přímo nakreslí charakteristika nebo se vypočítá odpor: Akumulátor v provozu U R = I 1 Doba života akumulátoru závisí na provozních podmínkách. Pro ověřovací laboratorní zkoušky udává norma kolik úplných cyklů nabití a vybití musí akumulátor za stanovených podmínek vydržet do poklesu na 40 % jmenovité kapacity. Pro různé druhy akumulátorů mohou být požadavky odlišné, u akumulátorů pro vozidla se požaduje nejméně 15O.cyklů. Silné vybíjení a nedostatečné nabíjení zkracuje dobu života. Je-li akumulátor dlouhodobě nedostatečně nabíjen, nebo je-li nenabitý delší dobu mimo provoz, dochází k sulfataci desek. Desky se pokrývají bílými skvrnami, tvrdnou a bortí se. Vzniká to tím, že rozpustnost síranu v kyselině se mění s teplotou. Síran, který při zvětšení rozpustnosti při běžném kolísání teploty přejde z činné hmoty do roztoku, se nevrací při snížení rozpustnosti na původní místa a vytváří krystaly. Kompaktní síran má podstatně zmenšený činný povrch, a proto jsou reakce pomalejší, mimoto narůstající krystaly uzavírají póry a trhají činnou hmotu. Rozpustnost síranu v kyselině je malá, takže tyto pochody jsou poměrně pomalé, jsou však tím rychlejší, čím více je akumulátor vybit a čím více síranu je na činném povrchu. Není-li sulfatace příliš pokročilá, je možno vrstvu kompaktního síranu odstranit dlouhodobým nabíjením malým proudem ve zředěném elektrolytu a s výměnami elektrolytu. Pokročilou sulfataci není možno odstranit. Je nutné si uvědomit, že i dobrý akumulátor se sám vybíjí, i když je v klidu. Každý den ztrácí přibližně 1 % své kapacity. Takže zcela nabitý akumulátor, který je ponechán v klidu, je přibližně za 3 měsíce vybitý. U nových bezúdržbových akumulátorů udává výrobce samovolnou ztrátu kapacity jen 0,3 % za 24 hodin. Dobře seřízená nabíjecí soustava vozidla udržuje akumulátor blízko plně nabitému stavu. Systematické přebíjení i nedobíjení akumulátoru škodí a zkracuje délku jeho života. 2 U I 1 2

SPOUŠTĚCÍ ZAŘÍZENÍ Pod tímto souhrnným pojmem se rozumí nejen vlastní elektrické spouštěče sloužící k přímému mechanickému uvedení motoru do pohybu, ale i pomocná spouštěcí zařízení, jejichž použití je pro spuštění motoru vhodné nebo nezbytně nutné. Aby mohl spalovací motor sám pracovat, musí se roztočit a uvést do stavu, kdy sám svým spalovacím dějem překonává všechny odpory, které působí proti jeho činnosti. Odpory vznikají třením, momenty potřebnými k pohonu pomocných zařízení, ventilačními ztrátami, působením sil souvisejících s pracovním cyklem a vlivem setrvačných sil při zrychlování U zážehového motoru je třeba dosáhnout otáček 40 až 150 1/min. U vznětového motoru s nepřímým vstřikem (komůrkového), který má žhavicí svíčky, je třeba dosáhnout otáček 80 až 200 1/min. Při stejném objemu válců vyžaduje vznětový motor spouštěč o větším výkonu než zážehový motor. Pro motorová vozidla jsou nejvhodnějšími elektrické spouštěče hlavně pro svou pohotovost, snadnou ovladatelnost, malé rozměry a i proto, že akumulátor jako zásobník energie slouží i pro ostatní elektrickou výstroj. Obvykle se používá jako spouštěč elektrický motor s ozubeným pastorkem, jímž zabírá do ozubeného věnce na setrvačníku motoru. Z hlediska elektrotechniky je spouštěč jednoduchý stejnosměrný sériový motor s velkým momentem při malých otáčkách. Po mechanické stránce je však zařízením, které musí splňovat mnoho protikladných požadavků: 1. V klidu musí být pastorek bezpečně zajištěn mimo záběr s ozubeným věncem setrvačníku. 2. Při zasouvání do záběru musí být zajištěno, aby se zasunutí podařilo i tehdy, přijde-li zub pastorku proti zubu věnce. 3. Dokud pastorek není v dostatečném záběru, nesmí být točivý moment spouštěče tak velký, že by došlo k poškození zubů. 4. V plném záběru musí být mechanismus schopen přenést celý točivý moment, přitom však musí být chráněn před přetížením při zpětném zážehu spalovacího motoru. 5. Pastorek musí zůstat v záběru tak dlouho, dokud řidič spojení nezruší nebo dokud motor spolehlivě nepracuje. 6. Je-li ozubení v záběru a rozběhne-li se motor, musí se spojení ozubení s motorem spouštěče samočinně uvolnit. 7. Přestane-li řidič působit na ovládací ústrojí, musí se spouštěcí obvod rozpojit, pastorek se musí vrátit do klidové polohy a co nejdříve zastavit, aby spouštěč byl připraven pro další použití. Výkony spouštěčů bývají od 0,22 do 25 kw. VLASTNOSTI SPOUŠTĚCÍ SOUPRAVY K roztočení spalovacího motoru na potřebné otáčky se nejlépe hodí stejnosměrný sériový motor. To je motor, který má zapojeno budicí vinutí do série s rotorem. Výkon spouštěče závisí nejen na charakteristice samotného spouštěče, ale i na vlastnostech akumulátoru a propojovacího vedení. Náhradní schéma pracovní soustavy je na obr. 1.

Obr. 1 Náhradní schéma spouštěcí soustavy R S je odpor spínače, R P - odpor přívodů, R M - odpor motoru, R B - odpor baterie, U M - napětí motoru, U B0 - napětí baterie Odebírá-li spouštěč v určitém okamžiku proud i, je na jeho svorkách napětí: U M = U B0 - (R S + R P + R B ) i Je tedy zřejmé, že proud do startéru bude tím nižší, čím vyšší budou všechny odpory v obvodu. Je tedy nutné celý obvod startéru udržovat v dobrém stavu. Pro uživatele vozidla to znamená především starostlivost o akumulátor a jeho dokonalé připojení (dobré utažení svorek a jejich čistota). Obr. 2 Závislost momentu, výkonu a otáček na proudu spouštěče Průběh momentu spouštěče má parabolický průběh. Při nulových otáčkách (a současně nejvyšším proudu) dosahuje nejvyšší hodnoty a po rozběhu klesá. Výkon spouštěče má parabolický průběh s maximem, které nastává při proudu I K /2. I K je proud, který teče do stojícího spouštěče ( na obr. 1 je I K cca 320 A). Tytéž veličiny v závislosti na otáčkách jsou na obr. 3 Obr. 3 Závislost momentu, výkonu a proudu na otáčkách spouštěče

KONSTRUKCE SPOUŠTĚCE Z požadavků, kladených na spouštěč je patrné, že spojení jednoduchého stejnosměrného motoru s klikovým hřídelem spalovacího motoru bude vyžadovat složitější mechanismus. Z množství různých řešení, která se v průběhu postupného vývoje elektrických spouštěčů objevila, zůstaly v širším používání tři základní soustavy se zasouváním pastorku do ozubeného věnce ve směru osy: 1. systém Bendix, 2. posuvná kotva, 3. posuvný pastorek V malém rozsahu se používají jako dvouúčelové stroje i dynamospouštěče, zpravidla jsou spojeny bez převodů přímo s klikovým hřídelem motoru. Systém Bendix K zasunutí pastorku do záběru u spouštěčů soustavy Bendix (obr. 4) se využívá setrvačnosti samotného pastorku. Pastorek 1 má na vnitřním průměru plochý nebo lichoběžníkový závit a v rozmezí dvou dorazů je lehce pohyblivý po šroubovém závitu pouzdra 2 poháněného spouštěcím motorem pomocí unášeče 3, který tlumí nárazy. Při zapojení proudu do spouštěcího motoru se neurychlí pastorek, pohyblivý volně na šroubovici, tak rychle jako rotor spouštěče, a pohybuje se po závitu pouzdra směrem do záběru s ozubeným věncem setrvačníku. Přijde-li zub do mezery, pohybuje se pastorek po šroubu ve směru osy až na doraz a spouštěč začne otáčet motorem. Dosedne-li zub na zub, nemůže se pastorek pohybovat ve směru osy a je stržen šroubovici ze zubu do mezery. Protože v okamžiku, v němž se pastorek posune do plného záběru na doraz, otáčí se rotor spouštěče již značnou rychlostí, snižuje se náraz pružinou nebo lamelovou spojkou. Obr. 4 Spouštěč se systémem BENDIX Jakmile se spouštěný motor rozeběhne a pastorek se otáčí rychleji než rotor spouštěče, vyšroubuje se ze záběru s věncem a setrvačností doběhne až na klidový doraz pouzdra. Kdysi to byl vůbec nejrozšířenější základní typ, vyráběný v mnoha konstrukčních obměnách a velmi dlouho se udržel, protože byl jednoduchý a výrobně levný. V jednoduchém provedení měl několik nevýhodných vlastností, jako samovolné vybíhání ze záběru při přechodných zrychleních motoru, větší poškozování zubů, možnost zpříčení při dosedu zubu na zub, poruchovost tlumicích pružin apod. V propracovanějších provedeních ztrácel svou hlavní výhodu tj. jednoduchost, a proto se postupně nahrazoval konstrukcemi s posuvným pastorkem.