Przedstawiamy cykl artykułów prezentujących podstawy wiedzy z zakresu elektrotechniki samochodowej. Jest on przeznaczony dla wszystkich entuzjastów techniki motoryzacyjnej, którzy chcą poznać tajniki instalacji elektrycznych w pojazdach, a nie mieli okazji sięgnięcia do innych źródeł. Cykl polecamy uczniom i nauczycielom szkół samochodowych, ponieważ jest powiązany z nowym programem nauczania „Elektryczne i elektroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych” w ramach zawodu mechanik pojazdów samochodowych.

Pomimo, ponad stu lat rozwoju konstrukcji samochodu, podstawowa funkcja i schemat blokowy elektrycznego systemu zasilania (ESZ), stosowanego w pojazdach samochodowych, nie uległy zmianie. Schemat blokowy ESZ pokazano na rysunku 1.

Rys.1. Schemat blokowy elektrycznego systemu zasilania samochodu.

Zadaniem elektrycznego systemu zasilania pojazdów samochodowych jest stworzenie warunków do zasilania energią urządzeń elektrycznych i elektronicznych, wchodzących w skład wyposażenia pojazdu samochodowego. Pomimo wielkich zmian dotyczących wyposażenia samochodu i opanowania konstrukcji przez elektronikę i techniki komputerowego sterowania, podstawowe problemy i sposób realizacji elektrycznego zasilania pozostał niezmieniony. Brak rewolucyjnych zmian w realizacji zasilania elektrycznych urządzeń samochodu, świadczy o prawidłowej strategii realizacji tego problemu lub po prostu, nie nastał jeszcze czas nowych odkryć w tej gałęzi techniki. Pojęcia akumulator, rozrusznik elektryczny, prądnica towarzyszą w dalszym ciągu konstrukcji współczesnego pojazdu. Pomimo zmian konstrukcyjnych, nowych technologii, zastosowania elektroniki wspomniane urządzenia pełnią niezmienioną funkcję. Pozostały również początkowe problemy i wyzwania dla konstruktorów.

Elektryczny rozrusznik silnika wymusza konieczność zastosowania źródła siły elektromotorycznej SEM, które umożliwi pobór prądu elektrycznego o dużym natężeniu (100 – 500 A). Zadanie to spełnia doskonale akumulator samochodowy. Niestety, akumulator posiada ograniczoną zdolność magazynowania energii elektrycznej. Dostępna ilość energii szybko się wyczerpuje. W konstrukcji pojazdu przewidziano zastosowanie drugiego źródła SEM, które uzupełnia energię w akumulatorze. Rolę tę spełnia prądnica samochodowa, której współczesna wersja konstrukcji nazywana jest alternatorem.

Zmiana nazwy prądnicy na alternator, pozwala skuteczniej walczyć ze stereotypowym myśleniem, jakoby prądnica „produkowała” prąd elektryczny. Automatyczne doładowanie akumulatora, to efekt równoległego połączenia akumulatora z alternatorem. Podstawową funkcją alternatora jest zasilanie zainstalowanych urządzeń elektrycznych w samochodzie podczas pracy silnika spalinowego. Część energii mechanicznej, wytwarzanej przez silnik, jest zamieniana w alternatorze na energię elektryczną. Prawidłową współpracę obydwu źródeł energii zapewnia specjalny regulator.

Elektryczny system zasilania pojazdu samochodowego ESZ składa się z następujących elementów:

1. Akumulator
Statyczne źródło SEM. Energia elektryczna magazynowana jest w postaci chemicznej, w tzw. masach czynnych płyt akumulatora. Akumulatory kwasowe charakteryzują się małą rezystancją wewnętrzną źródła i umożliwiają pobór prądu o dużym natężeniu.
Po wyładowaniu akumulatora istnieje możliwość, ponownego uzupełnienia jego zapasu energii elektrycznej, w trakcie ładowania z obcego źródła energii elektrycznej.

Podstawowe dane techniczne akumulatora :

• Napięcie znamionowe ( np. U = 12 V)
• Pojemność elektryczna ( np. Q = 60 Ah)
• Natężenie prądu rozruchowego ( np. I = 420 A)
   

2. Alternator
Dynamiczne źródło SEM. Siła elektromotoryczna wytwarzana jest podczas przemiany energii mechanicznej, pobieranej od pracującego silnika spalinowego. Alternator stanowi przykład praktycznego wykorzystania zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Zdolność oddawania energii elektrycznej i wielkość wytwarzanej SEM, uzależniona jest od prędkości obrotowej wirnika alternatora. Napęd alternatora jest realizowany najczęściej przez przekładnię pasową.

Podstawowe dane techniczne alternatora :

• Napięcie znamionowe ( np. U = 14 V)
• Wydajność prądowa ( np. I = 90 A)
• Moc elektryczna jest pomijana. Przy pracy w ustalonej wartości napięcia elektrycznego, najistotniejsza jest wartość natężenia prądu oddawanego przez alternator. (potocznie określa się alternator np. jako 90–amperowy)
   

3. Regulator systemu
Współpraca akumulatora i prądnicy jest automatycznie kontrolowana przez regulator systemu. Dawniej stosowano rozwiązania elektromechaniczne, obecnie tylko elektroniczne.

Podstawowe zadania regulatora:

• Regulacja wartości napięcia wytwarzanego przez alternator. Napięcie akumulatora nie powinno przekraczać wartości 14,4 V, ze względu na zjawisko elektrolizy wody podczas procesu ładowania ( tzw. gazowanie akumulatora). Wartość napięcia wytwarzanego przez alternator jest wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej wirnika. Niezbędna jest więc regulacja napięcia, stabilizacja maksymalnej dopuszczalnej wielkości napięcia, wytwarzanego przez alternator.
• Kontrolowanie przepływu prądu elektrycznego pomiędzy prądnicą (alternatorem) i akumulatorem. W wersji z alternatorem diodowe mostki prostownicze, automatycznie blokują przepływ prądu elektrycznego od akumulatora do alternatora.
• Nadzór nad prawidłowym działaniem systemu zasilania, informowanie użytkownika pojazdu o ewentualnej awarii lub nieprawidłowym stanie technicznym .
   

Obwód elektryczny systemu zasilania

Na rysunku 2 pokazano schemat obwodu elektrycznego pojazdu samochodowego. Typowy obwód elektryczny samochodu zbudowany jest w oparciu o metalowe nadwozie pojazdu. Prąd elektryczny, zasilający urządzenia wyposażenia elektrycznego i elektronicznego samochodu, powraca do źródła SEM przez metalowe nadwozie.

Realizacja tego rozwiązania wymaga połączenia zarówno źródeł SEM ( akumulatora i alternatora), jak i wszystkich odbiorników energii elektrycznej z metalowym nadwoziem samochodu. W praktyce stosuje się specjalne odcinki przewodów elektrycznych, tzw. przewody masowe, do łączenia obwodów podzespołów elektrycznych z nadwoziem. Ten rodzaj instalacji elektrycznej określa się jako instalację jednoprzewodową , przewód powrotny zastępuje metalowe nadwozie samochodu

Rys.2. Obwód elektrycznego systemu zasilania.

Zasilanie energią urządzeń elektrycznych jest realizowane przez przepływający prąd elektryczny. Dobry stan techniczny przewodów oraz pewne i czyste połączenia w obwodzie elektrycznym, stanowią warunek poprawnego przepływu energii elektrycznej od źródła SEM do odbiornika. Zakłócenia w przepływie energii, to najczęstsza przyczyna nieprawidłowego działania urządzenia elektrycznego.

Działanie systemu zasilania podczas rozruchu silnika spalinowego

Rys.3 Elektryczny system zasilania samochodu.

Prawidłowa pracy alternatora wymaga odpowiedniej prędkości obrotowej wirnika. Przy nieruchomym silniku i podczas obracania wałem korbowym przez rozrusznik, alternator nie osiąga wymaganej prędkości obrotowej i nie wytwarza energii elektrycznej.

Podczas rozruchu silnika – jedyne dostępne źródło energii elektrycznej to akumulator samochodowy. Nie bez przyczyny podkreślam "samochodowy", gdyż warunki jego obciążenia podczas pracy rozrusznika, stawiają przed akumulatorem specjalne wymagania. Natężenie pobieranego prądu w początkowej fazie rozruchu, gdy rozrusznik musi pokonać opory tarcia, ruszyć z miejsca i rozpędzić do wymaganej prędkości wał korbowy silnika, osiąga wartość kilkuset amper. Tylko w pełni sprawny akumulator jest w stanie zapewnić pobór prądu elektrycznego o tak dużym natężeniu.

Podczas zasilania rozrusznika, ze względu na znaczną wartość natężenia pobieranego prądu, muszą być zapewnione najlepsze warunki przewodzenia ze strony przewodów i punktów połączeń instalacji elektrycznej. Przewód zasilający rozrusznik wyróżnia się znaczną grubością wśród pozostałych przewodów wiązki elektrycznej samochodu.
 

Autor: mgr inż. Marek Bustrycki
Artykuł ukazał się w numerze 2/2008 „Serwisu Motoryzacyjnego”. Kontynuacja tematu w numerze 3.