Стартер-Генератор с ременным приводом
Из множества различных подходов к решению проблемы, рассмотренных с целью реализации автоматического механизма запуска/остановки, вариант стартера-генератора с ременным приводом является чрезвычайно интересной альтернативой, с точки зрения комфорта, рабочих характеристик и затрат. Новое поколение электрических элементов доступно производителям автомобилей с различными классами мощности, и эффективность существенно повысилась. Спектр применения простирается от простых «бюджетных» систем для обычных электрических систем автомобилей на 14 В до «высококлассных» решений для будущих систем на 42 В. Начиная с простой версии «запуска/остановки» и заканчивая высокопроизводительными системами с расширенной функциональностью, возможны различные индивидуальные решения для конкретных клиентов. Интеграция функции форсировки в сочетании с возможностью динамического торможения обеспечивает дополнительную экономию энергии.
P.S.
Все новое, всегда требует доработки. Но помимо нюансов настройки, калибровки, и т.п. у системы с стартер-генератором есть более простой и серьезный недочет. В связи с изменением граничных условий, использование традиционной системы натяжения в таких системах возможно только в исключительных случаях и, с любой точки зрения, представляет собой компромисс. Характеристики системы натяжения в данном случае соответствуют только одному условию эксплуатации, тогда как старт обычно (показано синим) относится к более критическим условиям эксплуатации. В таком случае увеличение предварительной нагрузки при старте зависит от работы генератора (показано красным). Уровень силы, таким образом, превышает принятый сегодня. Данный эффект приводит к ограничению ожидаемого срока службы всех элементов ременного привода.
Чтобы исключить вышеописанное обстоятельство, необходимо разработать соответствующие системы натяжения, в которых должны быть выполнены следующие требования:
— обеспечение соответствующей и практически постоянной преднагрузки ремня как для старта, так и во время работы генератора
— обеспечение достаточной предварительной нагрузки ремня для надежного старта двигателя во всем диапазоне температур
— обеспечение продолжительного срока службы всех элементов за счет минимально возможной нагрузки
— сокращение скольжения ремня и рабочих шумов
— снижение динамических пиковых сил в ременном приводе
компенсация растяжения и износа ремня в течение срока службы
В ременных приводах для стартеров-генераторов четкое распределение ремня уже невозможно, поскольку генератор является ведущим элементом во время старта и ведомым элементом во время работы генератора. Направление крутящего момента, действующего на шкив генератора, меняется в зависимости от условий эксплуатации. Основной сложностью в направлении систем натяжения, подходящих для стартеров-генераторов с ременным приводом, соответственно, является натяжение сбегающей ветви в любой ситуации, независимо от условий эксплуатации. Идеальная ситуация достигается, как только становится возможным дополнительно увеличить предварительную нагрузку во время старта при уменьшении преднагрузки во время работы генератора. Кроме того, возможность форсировки и рекуперации также должна быть обеспечена в высокопроизводительных ременных приводах стартеров-генераторов.
Интегрированный стартер-генератор. Принцип работы
Компания Ford создала новый интегрированный стартер-генератор (integrated starter-generator — ISG) и электрическую систему с рабочим напряжением 42 В, которая будет использоваться в автомобиле Explorer в последующие несколько лет. Автомобиль обещает достичь потрясающего уровня экономии топлива и предоставит больше комфорта на основе высоких технологий и разработок. На нем предполагается использовать новую электрическую систему с повышенным напряжением, которая позволяет реализовать несколько сберегающих топливо функций, в том числе способность отключать двигатель, когда транспортное средство останавливается, и мгновенно запускать по малейшему требованию.
Интегрированный стартер-генератор, как подразумевается в названии, совмещает обычный стартер и генератор переменного тока в одном электрическом устройстве. Транспортное средство, оборудованное системой ISG, могло бы считаться умеренным гибридом, потому что способно осуществлять большинство функций гибридного электрического транспортного средства.
Рис. Двигатель, оборудованный интегрированным стартер-генератором (источник: Ford)
Помимо трех функций, общих и для полногибридного электрического автомобиля (HEV), и для умеренного гибрида (ISG), есть еще четыре функции, характерные только для полного HEV:
- «старт/стопный» режим. Когда двигатель бездействует, например, перед светофором, он автоматически выключается, и немедленно запускается, как только необходимо начать движение. Эта функция «старт/стопа» обеспечивает экономию топлива и снижение выбросов;
- рекуперативное торможение. Эта функция позволяет использовать энергию, возникающую при торможении, для подзарядки батареи транспортного средства. Такая функция позволяет компонентам оборудования (фары, аудиосистема, климат-контроль) продолжать работу, когда двигатель отключается. Уменьшая в значительной степени количество электроэнергии, которая должна была быть произведена двигателем, рекуперативное торможение сокращает и потребление топлива;
- электрическая помощь. Двигатели внутреннего сгорания в системах обоих типов получают помощь от электрического мотора, но весьма различными способами. Система ISG помогает двигателю при запуске и во время разгона, обеспечивая кратковременную подачу дополнительной мощности. Поскольку система ISG использует 42-вольтовую батарею, a HEV использует 300-вольтовую батарею с громадной энергетической емкостью, то последняя способна обеспечить намного большую мощность, более часто и на более продолжительный период;
- электропривод. Только полные гибриды имеют способность двигаться в режиме электромобиля. В автомобиле Escape HEV это означает, что электрический мотор может везти транспортное средство при низких скоростях (до 30 миль/ч (около 48 км/ч)), когда двигатель выключен. Способность функционировать в режиме электромобиля четко отделяет полногибридный электрический автомобиль от умеренно-гибридного транспортного средства, использующего систему ISG.
Рис. Сравнение систем HEV и ISG (источник: Ford)
Рис. Интегрированный стартер-генератор (ISG) на 42 В (источник: Ford)
Рис. Энергетическая установка ISG с напряжением 42 В в автомобиле с универсальным приводом (источник: Ford)
Помимо 42-вольтовой батареи и интегрированного стартер-генератора, машина снабжена еще тремя главными компонентами:
- модифицированным двигателем V-6
- новой автоматической коробкой передач
- контроллером «инвертор/мотор»
При возобновлении движении энергия постоянного тока от батареи преобразуется контроллером в энергию переменного тока регулируемой частоты и подается на ISG. Управление частотой мощного источника переменного тока позволяет запустить двигатель за доли секунды.
Рекуперативное торможение сохраняет энергию, обычно теряемую во время торможения в виде тепла. ISG во время замедления транспортного средства поглощает энергию, преобразуя ее в постоянный ток, и подзаряжает батарею. Электро-гидравлические тормоза заменяют тормоза с вакуумным гидроусилителем, а микропроцессоры управляют действием передних и задних тормозов так, чтобы сохранять устойчивость транспортного средства при торможении. Механические тормоза автомобиля действуют совместно с ISG, так что разница между механическим и рекуперативным торможением будет незаметна водителю.
ISG также обеспечивает дополнительную мощность и улучшенное качество работы, помогая двигателю при старте автомобиля. ISG иногда упоминается как интегрированный стартер-генератор-демпфер (integrated starter alternator damper — ISAD.
Немного полезной информации о стартерах и генераторах
В общих чертах всем известно, что такое автомобиль, насколько он сложен изнутри и в эксплуатации. Любое авто не может быть постоянно в движении, а как только оно останавливается, его мотор глохнет. По этой причине у создателей автомобиля остро стоял вопрос, как же постоянно заводить машину, ведь для этого необходимо изобрести специальное устройство. Со временем этот вопрос был решен и появились стартеры – устройства, необходимые для запуска двигателя внутреннего сгорания. Принцип их действия довольно прост, ключ зажигания поворачивается в положение «пуск», в следствии чего ток от аккумуляторной батареи через реле подаётся на обмотки стартера. И лишь затем происходит запуск двигателя внутреннего сгорания автомобиля.
Надо сказать, что в авто используют и другое замечательное устройство – генератор. Он преобразует механическую энергию в электрическую, благодаря чему можно подзаряжать аккумулятор, снабжать электроэнергией различные приборы и механизмы. Хорошие генераторы, так же как и стартеры, совершенствовались долгие годы. Они были востребованы даже на заре автомобилестроения и постепенно без них уже не могли обойтись. В результате любой современный автомобиль имеет подобные высококачественные и надежные устройства с особой конструкцией. Действительно, от их долговечности, мощности и возможностей зависит многое, ведь если одно из этих устройств сломается, то это будет огромная проблема для автомобилиста, требующая незамедлительного решения.
А решение может быть только одно, это замена или ремонт стартеров и генераторов. Такое действие должен производить опытный механик, также знающий толк в автомобильной электрике. Все-таки эти устройства являются электромеханическими, что и приводит к определенным трудностям для простых механиков, не разбирающихся в сложной конструкции некоторых моделей подобных устройств. Они состоят из нескольких элементов, каждый из которых может сломаться или прийти в негодность. Простая конструкция стартера включает в себя как минимум двенадцать компонентов, и при определенных условиях любой из них может повредиться, даже корпус. Не говоря уже про такие «хрупкие» части как якорь, шестерни и пр.
Современный генератор также является достаточно сложным и подверженным поломкам устройством, если его неправильно использовать или подвергать длительным перегрузкам. Итог тому – ремонт стартеров и генераторов, необходимый при плохой эксплуатации. Так как генератор тесно связан с системой зажигания, он является для нее источником тока, то выход его из строя парализует работу автомобиля. Причина тому довольно проста – машина не заведется без электрического тока. Сегодня большинство автолюбителей предпочитает отвезти свое авто в мастерскую после поломки, но некоторые желают сделать все своими руками. Однако для этого необходимо не только знать, по какому принципу работает автомобиль и из каких устройств состоит, но и каковы причины выхода из строя того или иного механизма. К тому же очень важно иметь представление, из чего состоит и как работает само устройство.