UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH

UKŁAD ROZRUCHU SILNIKÓW SPALINOWYCH
We współczesnych samochodach osobowych są stosowane wyłącznie rozruszniki elektryczne składające się
z trzech zasadniczych podzespołów:
• silnika elektrycznego;
• mechanizmu sprzęgającego (z zębnikiem);
• wyłącznika.
KLASYFIKACJA ROZRUSZNIKÓW
W zależności od zastosowanego silnika elektrycznego:
• szeregowe;
• szeregowo-bocznikowe.
Pod względem rodzaju mechanizmu sprzęgającego rozruszniki dzielimy na:
• z zębnikiem o ruchu posuwistym,
• z zębnikiem o ruchu posuwisto-obrotowym,
• z zębnikiem o ruchu posuwisto-obrotowym sprzęganym bezwładnościowo (system Bendix),
• z przesuwnym wirnikiem (rozruszniki dużej mocy).
W zależności od zastosowanego wyłącznika:
• z wyłącznikiem uruchamianym mechanicznie;
• z wyłącznikiem elektromechanicznym.
Strona 1
ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA ELEKTRYCZNEGO PRĄDU STAŁEGO
Strona 2
RODZAJE SILNIKÓW ELEKTRYCZNYCH PRĄDU STAŁEGO
Silnik szeregowy
Uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika. Zmiana obciążenia ma wpływ na
wartość prądu płynącego przez uzwojenie wirnika i uzwojenie wzbudzenia.
Jeśli obciążenie silnika zwiększa się to zwiększa się również prąd płynący przez oba uzwojenia i tym
samym zwiększa się spadek napięcia na uzwojeniu wzbudzenia a napięcie na uzwojeniu wirnika zmniejsza
się (napięcie między punktami A1 i A2). W konsekwencji obroty silnika zmniejszają się.
Jeśli obciążenie silnika zmniejsza się to zmniejsza się prąd płynący przez uzwojenia, zmniejsza się spadek
napięcia na uzwojeniu wzbudzenia a napięcie na uzwojeniu wirnika zwiększa się. Zwiększa się prędkość
obrotowa wirnika.
Przy braku obciążenia na wirniku silnik szeregowy „wchodzi” na bardzo duże obroty (rozbieganie
silnika), co w konsekwencji może spowodować jego uszkodzenie (zbyt duże siły odśrodkowe).
Silniki szeregowe nie mogą pracować w stanie jałowym, tzn. bez obciążenia.
Moment obrotowy silnika szeregowego jest proporcjonalny do kwadratu prądu płynącego przez silnik:
Mn=k*I2
Przy nieruchomym wirniku prąd ma dużą wartość i moment obrotowy jest bardzo duży. Dlatego
silnik szeregowy (o mocy do 1 kW) jest stosowany w rozrusznikach samochodowych wyposażonych w
silnik napędowy o małej pojemności skokowej. Stosowany jest również do napędu wentylatorów dmuchaw.
Silnik bocznikowy
W silniku bocznikowym uzwojenie wzbudzenia jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika. Prąd w
uzwojeniu wzbudzenia nie zależy od prądu płynącego przez wirnik.
Moment obrotowy silnika bocznikowego jest proporcjonalny do iloczynu prądu wirnika oraz strumienia
wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzenia:
Mn=c*Φ*Iw
Zwiększenie obciążenia na wale silnika powoduje wzrost prądu płynącego przez wirnik. Strumień
magnetyczny wzbudzenia nie zmienia się. Zatem rośnie wartość momentu obrotowego silnika. Dzięki temu
prędkość obrotowa silnika bocznikowego przy wzroście obciążenia jest stabilna.
Strona 3
Rysunek 8.5 objaśnia jak zmienia się prąd płynący przez wirnik przy zmianie obciążenia silnika (większe
obciążenie silnika – zwiększa się prąd płynący przez wirnik i odwrotnie)
Silniki bocznikowe nie są stosowane w pojazdach samochodowych.
Silnik szeregowo-bocznikowy
Ze względu na sposób połączenia uzwojeń wzbudzenia i wirnika łączy zalety silnika szeregowego i
bocznikowego.
Przy małych prędkościach obrotowych spowodowanych dużym momentem obciążenia o właściwościach
tego silnika decyduje uzwojenie szeregowe i uzwojenie wirnika. Wówczas silnik ten zachowuje się jak
silnik szeregowy – ma duży moment obrotowy.
Gdy moment obciążenia maleje i prędkość obrotowa wirnika zwiększa się a prąd płynący przez uzwojenie
wirnika i uzwojenie szeregowe maleje to o właściwościach silnika decyduje uzwojenie bocznikowe.
Skutkiem tego obroty stabilizują się nawet wtedy, gdy silnik pracuje jałowo (beż obciążenia).
Silnik szeregowo-bocznikowy jest stosowany w rozrusznikach w samochodach ciężarowych. Gdy po
zakończeniu rozruchu zębnik rozrusznika jest odłączony od wieńca zębatego koła zamachowego i silnik
rozrusznika pracuje jałowo to dzięki ustabilizowaniu się obrotów nie występuje rozbieganie się silnika.
Strona 4
DOBÓR ROZRUSZNIKA, PRZEWODÓW I AKUMULATORA
Dobór przewodów łączących akumulator z rozrusznikiem
Podczas rozruchu silnika spalinowego w fazie początkowej przez rozrusznik płynie prąd zwarcia.
Znajomość początkowej wartości prądu rozruchu jest konieczna do określenia średnicy przewodu łączącego
rozrusznik z akumulatorem.
Wartość spoczynkowego prądu zwarcia w obwodzie rozruchu zależy przede wszystkim od spadku napięcia
na szczotkach oraz od rezystancji przewodów łączących rozrusznik z akumulatorem. Te spadki napięcia są
największe.
Zadanie
Oblicz przekrój czynny S przewodu o długości 1 m łączącego akumulator z rozrusznikiem, przez który
podczas rozruchu przepływa prąd stały o natężeniu 600 A, tak aby spadek napięcia na tym przewodzie miał
zgodnie z normą DIN 72551 wartość nieprzekraczającą 0,5 V przy napięciu znamionowym akumulatora 12
V (4% napięcia zasilającego). Opór właściwy miedzi wynosi 0,0178 Ω mm2/m.
Porównaj wynik obliczeń z przekrojem czynnym przewodu o długości 3 m.
Dobór rozrusznika
Znajomość mocy maksymalnej jest konieczna do prawidłowego doboru rozrusznika w przypadku jego
uszkodzenia.
Moc rozrusznika Pr musi być większa lub równa mocy rozruchowej PR silnika spalinowego.
Do wyznaczenia tej mocy konieczna jest znajomość momentu obrotowego Mr wymaganego do nadania
silnikowi minimalnej prędkości obrotowej nmin , przy której silnik można uruchomić.
Pr= Mr* nmin/9550 [kW]
Zamiast momentu rozruchowego można zastosować moment oporowy silnika określony wg wzorów:
Mop=30*Vss [Nm] – dla silników ZI
Mop=(50…70)*Vss [Nm] – dla silników ZS
gdzie:Vss – pojemność skokowa w litrach (dm3)
Strona 5
Przyjmując dla silników minimalną prędkość rozruchu:
dla silników ZI:
nmin = 50 obr/min
dla silników ZS:
nmin = 100…150 obr/min
Moc rozrusznika można obliczyć ze wzoru:
dla silników ZI:
dla silników ZS:
Pr=~0,15*Vss [kW]
Pr=~(0,5…1,1)*Vss [kW]
Zadanie
Wyznaczyć moc rozrusznika dla silników ZI i ZS o pojemności 1,6 dm3.
Oprócz mocy rozrusznika Pr i znajomości minimalnej prędkości obrotowej rozrusznika nmin istotny jest
dobór akumulatora o właściwej pojemności. Zastosowanie akumulatora o zbyt dużej pojemności oprócz
większej masy może spowodować, że będzie on niedoładowany ze względu na małą moc alternatora.
Dobór akumulatora
Ważna jest znajomość minimalnej pojemności akumulatora, z którym rozrusznik może współpracować.
W celu ograniczenia przekroju przewodów rozruszniki w zależności od mocy przystosowane są do zasilania
odpowiednim napięciem:
• rozruszniki o mocy większej niż 3 kW – 24 V,
• rozruszniki o mocy 0,7…3 kW – 12 V,
• rozruszniki o mocy mniejszej niż 0,7 kW – 6 V.
Pojemność akumulatora można oszacować na podstawie wzoru:
Q20=736 * Pr/(Eo-∆Us)
gdzie:
Pr – moc rozrusznika w kW,
Eo – spoczynkowe napięcie na zaciskach akumulatora,
∆Us – spadek napięcia na szczotkach rozrusznika
Przyjmuje się spadek napięcia na szczotkach:
• 0,5 V – dla napięcia zasilającego 6 V,
• 1 V – dla napięcia zasilającego 12 V,
• 1,5 V – dla napięcia zasilającego 24 V.
Należy również uwzględnić konieczność zasilenia odbiorników w czasie awarii alternatora przez ok. 4…5
godzin.
Zadanie
Do silnika wysokoprężnego o pojemności 1,6 dm3 należy dobrać akumulator.
Strona 6
Rozrusznik z przesuwnym zespołem sprzęgającym
(z zębnikiem o ruchu posuwisto-obrotowym sprzęganym bezwładnościowo - system Bendix)
Strona 7
Przekrój rozrusznika ze śrubowo przesuwnym zębnikiem
Przekrój przekaźnika włączającego (włącznik elektromagnetyczny)
Przekaźnik włączający (włącznik elektromagnetyczny)
Strona 8
Zasada działania sprzęgła jednokierunkowego
ROZRUSZNIK Z PRZEKŁADNIĄ PLANETARNĄ
W niektórych samochodach małolitrażowych montowane są rozruszniki z przekładnią planetarną
wyposażone w silnik o znacznie większej prędkości obrotowej niż rozruszniki konwencjonalne. Dzięki temu
przy mniejszych gabarytach silnika rozrusznika o małym momencie obrotowym, bez zmiany mocy tego
silnika można zwiększyć moment obrotowy na wale napędzającym koło zamachowe silnika spalinowego.
Rozruszniki z przekładnią planetarną wytwarzają większy moment obrotowy niż rozruszniki
konwencjonalne o podobnej masie i gabarytach.
Strona 9
ROZRUSZNIK Z SILNIKIEM WZBUDZANYM MAGNESAMI TRWAŁYMI
W niektórych rozrusznikach stosuje się silniki, które zamiast uzwojenia wzbudzenia wyposażone są w
magnesy trwałe. Magnesy te rozmieszczone są w stojanie silnika. W takim silniku prąd płynie tylko przez
uzwojenie wirnika i podczas pracy silnik zachowuje się podobnie jak silnik bocznikowy. Strumień
magnetyczny wzbudzenia nie zależy od prądu. Dzięki takiemu rozwiązaniu zastosowano cieńszy korpus
silnika i średnica rozrusznika zmniejszyła się o 13% a masa o 15%. Inną zaletą tych silników jest brak
możliwości rozbiegania się silnika
Strona 10
BADANIE ROZRUSZNIKA
LITERATURA
1. Krzysztof Pacholski. Elektryczne i eletroniczne wyposażenie pojazdów samochodowych, część 1.
Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 2011.
2. Praca zbiorowa. Budowa pojazdów samochodowych, część 2. Wydawnictwo REA. Warszawa 2003.
3. Bogusław Pijanowski. Rozrusznik. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 1993.
Strona 11