СЛЕДУЮЩИЙ ШАГ- СНИМАЕМ АККУМУЛЯТОР?

СЛЕДУЮЩИЙ ШАГ- СНИМАЕМ АККУМУЛЯТОР?

М. ВОЗДВИЖЕНСКИЙ

Чтобы не разочаровались потом автолюбители, как нередко случается после залихватской, но не имеющей под собой твердого фундамента технической сенсации, скажем сразу: аккумулятор нужен, он остается. Но пятнадцать изобретений сотрудников кафедры «Автотракторное электрооборудование» Московского автомеханического института для того и создавались, чтобы пуск двигателей не зависел от этого капризнейшего органа автомобиля — небольшой химической лаборатории, обладающей огромной энергией.
Этот факт и «зацепил» изобретателей. Например, аккумуляторная батарея автомобиля «Волга» имеет энергию 3,2 миллиона джоулей. Аккумулятор мог бы раскрутить двигатель мощностью 4 тысячи лошадиных сил, а в то же время, случается, не может зимой прокрутить двигатель стартером всего в одну силу. Да что там аккумуляторная батарея от «Волги»! Батарейка карманного фонаря по запасу энергии способна провернуть стартером двигатель «Жигулей». Но нет, не провернет, потому что выплеснуть всю энергию батарейки разом невозможно — слишком велико ее внутреннее сопротивление. Батарейки, аккумуляторы предназначены для неспешного, постепенного отбирания энергии. Но слишком много внимания требует этот «черный ящик» автотранспорта, слишком трудно поддерживать его в боевой готовности, особенно в период холодов.
Вообще-то говоря, аккумулятор и не рассчитан на экстремальные условия, на случай, когда понизится плотность электролита в самом аккумуляторе и повысится вязкость масла в картере, иначе говоря, когда сопротивляемость прокручиванию коленвала резко возрастет. Итак, мы привыкли к парадоксу: имея огромный источник энергии, можем взять от него в единицу времени лишь тысячную часть. Как если бы надо было выплеснуть бочку воды на очаг пожара, а в бочке маленькая дырочка, сквозь которую выливается по капле... В процессе же пуска холодного двигателя имеет значение именно подаваемая мощность, количество энергии, выплескиваемой в единицу времени.
Автолюбители хорошо знают: при пуске привод должен вращаться быстро — успех зависит от скорости прокручивания. При используемых напряжениях аккумуляторных батарей (12 и 24 В) на коллектор стартера приходится подавать огромные токи — отсюда и толстые провода и сложные коммутационные узлы. Но стартер при этом лишь получает большой крутящий момент, но не высокую частоту вращения, ибо высокая частота вращения требует как раз «бочки» энергии, выплеснутой, что называется, в одно мгновение.
Можно поразиться раскованности авторов изобретений, профессора кафедры Михаила Никаноровича Фесенко, преподавателя Вячеслава Петровича Хортова и доцента Юрия Павловича Чижкова и их способности задать себе несколько «почему»?
Почему аккумуляторы соединены со стартером напрямую? Почему не применяются другие накопители энергии, которые обладают огромной в сравнении с аккумуляторными батареями мощностью, иначе говоря, способностью как раз выплескивать в единицу времени накопленную энергию? Почему остановились именно на низком напряжении, из-за которого машины утяжелели и подорожали? Немало весит аккумуляторная батарея в сравнительно маломощном автомобиле, а в танке вес батарей уже 400 кг, на тепловозе — 2 500 кг. По причине безопасности, скажут. Но существует другой способ обезопасить водителя, скажем, использовать переменный ток повышенной частоты.
Первое «почему» вывело авторов на прямую дорогу к использованию конденсаторов. На ВДНХ СССР в 1986 году и на выставке НТТМ в 1987 году посетители толпились у стенда, где была выставлена батарея конденсаторов, способная накопить энергию 2 000 джоулей от любого источника за несколько десятков секунд, в том числе и от карманной батарейки, затем подать весь свой заряд на стартер автомобиля и провернуть коленвал значительно быстрее, чем делает это стартер, получающий «медленное» питание от аккумулятора.
Эта демонстрация практического воплощения идеи названных выше ученых недаром привлекла внимание прежде всего автолюбителей — почуяли мученики возможность избавления от зимних мытарств на дорогах и в гаражах. Но в сущности, изобретения касаются автомобилей лишь на треть, ибо автомобили составляют только треть всех машин, где установлены ДВС. Блестяще, как можно в этом убедиться, изучая различные схемы использования нового принципа электростартерного запуска двигателей, Фесенко, Хортовым и Чижковым решена проблема пуска буквально всех сельскохозяйственных машин, где бы они ни работали (точнее говоря, ни отказывались работать или глохли). Практически будут избавлены от простоев шоферы и механики в суровых северных условиях.
А между тем суть идеи чрезвычайно проста. Конденсатор — как раз тот прибор, что накапливает энергию быстро и быстро отдает ее. По условиям пуска автомобилей подавать энергию на стартер от аккумулятора разрешено не более 10 секунд. Не завелся двигатель — надо сделать паузу. Так вот, если между аккумулятором и стартером поместить конденсатор, то за эту паузу он успеет снова зарядиться и разрядиться, но при этом «толкнет» поршни в несколько раз быстрее и эффективнее. В отличие от аккумулятора, конденсатор практически не обладает внутренним сопротивлением и удельная мощность его в 10 тысяч раз выше мощности аккумулятора. Внутреннее сопротивление конденсатора практически не зависит от температуры, у него довольно большой срок службы — более 3,5 миллиона импульсов или несколько десятков тысяч часов, огромное время сохранности—15 лет. Конденсатор не требует обслуживания, в нем нет дефицитных материалов, он не токсичен и не «газит» токсичными парами.
Как же мыслится работа, пусть для начала автомобиля с такой системой пуска? Возьмем самый простой случай. Аккумуляторы остаются те же, стартер тот же. Конденсаторная батарея должна обладать энергией около 2 000 джоулей, кроме нее добавляется один диод, включенный последовательно с батареей, и кнопка пуска двигателя. Поворачивая ключ зажигания, водитель теперь соединит с аккумулятором не стартер, а конденсатор и поставит сначала его на зарядку. Это всего несколько десятков секунд, а затем для пуска двигателя следует нажать кнопку «пуск» — конденсатор разрядится и запустит стартер. В этом простейшем случае преимущество конденсаторной батареи лишь в том, что она, будучи заряжена даже от «севшего» аккумулятора, с одинаковой эффективностью в любое время года провернет коленвал. Однако не только ради такого варианта старались изобретатели.
Задав себе другой вопрос — почему в машинах используется только низкое напряжение,— авторы увидели безбрежную перспективу использования своей идеи, если как раз нарушить традицию: подавать на стартер не низкое напряжение, а высокое, и, стало быть, до высокого (220, 380 В) напряжения заряжать конденсатор. В большинстве схем, ими разработанных, присутствует преобразователь напряжения. По размерам он будет не более пачки сигарет, а вот эффективность пуска, разумеется, резко повысится. В случае использования высокого напряжения резко снижается ток, потребляемый стартером, значит, коммутация всей схемы пойдет обычным проводом. Если стартер будет рассчитан на высокое напряжение, открывается еще более удивительная перспектива. Зарядить конденсатор можно будет просто от промышленной сети.
Особенно заметно такое преимущество будет ощутимо при безгаражном, самом трудном пуске двигателей. Можно представить себе, что водитель трактора или автомобилист, отправляющийся в дальний рейс, заранее зарядит себе «запаску» — блок конденсаторов на всякий случай. Зарядить такой блок, если имеется преобразователь напряжения, можно практически в любой ситуации.
Впрочем, чтобы лучше представить себе различные схемы с емкостным накопителем энергии, авторы изобретения разбили их на три группы. Так, двигатели стационарные вообще теперь могут обойтись без аккумуляторных батарей. Их пуск практически решен, поскольку источник электроэнергии для зарядки конденсаторной батареи всегда найдется, а в южных районах зарядку можно осуществить даже от солнечных батарей. Двигателям сельскохозяйственных машин и всей дорожностроительной техники, где осветительные приборы нужны только при работе, а на аварийной стоянке не требуются, аккумуляторы тоже практически становятся ненужными. Для автомашин, где аварийные (стояночные) огни необходимы, аккумуляторные батареи хотя и нужны, но они, во-первых, могут быть значительно меньшей емкости, и, во-вторых, даже при 90-процентной их разрядке надежность пуска сохранится.
Системы пуска ДВС с емкостными накопителями энергии позволят сильно разнообразить источники энергии, используемые для пуска ДВС. Помимо упомянутых аккумуляторных батарей, промышленной сети и солнечных генераторов, могут быть использованы карманные батарейки, разные индукто-ры — механические, ручные и ножные. Сегодня, чтобы перейти на систему с емкостным накопителем, сохранив напряжение 12 или 24 В, в схемах пуска переделывать ничего не надо, но высокоемкостные конденсаторы на нужное напряжение остродефицитны. Вячеслав Петрович Хортов показал ионистор, японского, правда, производства, емкость которого превышает в 1,5 раза емкость земного шара, а размеры такие же, как коробочки вьетнамской мази «Звезда», хорошо знакомой каждому. Наука хемо-троника, занимающаяся использованием молекулярных электрохимических процессов и подарившая это чудо техники (кстати, весьма дешевое — в коробочке угольный порошок, обработанный кислотой), возможно, найдет и способ «спрессовать» высоковольтные емкости, но пока они довольно громоздки, хотя и более доступны. Переделка системы пуска ДВС на высоковольтные емкости требует сегодня нового стартера (нетерпеливые сослуживцы, да и сами изобретатели уже перемотали якорные и статорные обмотки стартеров своих автомашин, увеличив число витков в 20 раз в соответствии с соотношением напряжения 220 к 12) и включения в схему преобразователя напряжения. Таким образом, схемы с низковольтными емкостными накопителями энергии удобно использовать в машинах, находящихся в эксплуатации, а высоковольтные предложены на перспективу для тех двигателей, которые еще на стадии изготовления можно переделать, заложив в их конструкции новый принцип пуска. Кафедра имеет договор и с разработчиками новых стартеров и с предприятиями, которые должны поставлять конденсаторы нужной емкости, как низковольтные, так и высоковольтные.
Идея использования емкостных накопителей энергии для пуска ДВС родилась четыре года назад. Все эти годы ушли на составление заявок и получение авторских. Авторы проделали эту работу тщательно, чтобы охватить все возможные варианты и таким образом «застолбить» отечественный приоритет уникальных разработок. В одной из схем ими в качестве накопителя энергии заложена индуктивность, а не конденсатор. Известно, что в отличие от конденсатора, где количество накопленной энергии зависит от квадрата напряжения, в индуктивных катушках энергия зависит от квадрата тока. Тут как будто налицо противоречие: потребуются те же толстые кабели, как при аккумуляторной зарядке, да и сама катушка будет иметь значительный вес. Авторы заглянули немного вперед, рассчитывая, что найденный советскими учеными высокотемпературный сверхпроводящий материал не пустой звук и что не за горами широкое использование этого революционного открытия. Кроме того, индукционная катушка имеет огромное преимущество перед конденсаторами — ее «накачать» удается при напряжении источника тока всего в 1 В.
Высокое напряжение в системах пуска позволит также в перспективе использовать инверторные схемы обратного преобразования энергии, накопленной в конденсаторной батарее, в переменный ток любой частоты, и тогда возникает перспектива использовать вместо электростартера постоянного тока обычный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленного применения.

1. Схема, позволяющая использовать как энергию заряженной конденсаторной батареи 6, так и анергию аккумуляторной батареи 1, даже если она разряжена почти на 90 %. Оба источника энергии подключены параллельно к стартеру 2, который таким образом получает энергию от двух источников разом либо раздельно. Включая ключ зажигания 8, подключают на зарядку конденсатор, который заряжается от аккумуляторной батареи. Полупроводниковый диод 7 включен в схему для предотвращения обратной разрядки. После нажатия кнопки «пуск» S включается тяговое реле 3 стартера 2. И только после соединения подвижной шестерни стартера с зубчатым венцом маховика замыкается контакт 4, подключая конденсаторную батарею 1 к стартеру 2 (а. с. № 1 193 287).
2. Схема конденсаторного пуска с преобразованием напряжения, особенность которой в том, что при наличии батареи 1 на 12 В, можно дать питание конденсатору 6 до любого напряжения и практически от любого источника тока, который может быть подключен вместо аккумулятора. Поворачивая ключ зажигания 7, соединяем, аккумуляторную батарею 1 с преобразователем напряжения 8, который преобразует напряжение 12 В в любое другое, и конденсатор 6 заряжается высоким напряжением. Для пуска двигателя необходимо нажать кнопку «пуск» 5. Тяговое реле 3 при этом введет шестерню стартера в зацепление с зубчатым венцом маховика, одновременно замкнув контакт 4, и подсоединит таким образом стартер 2 к заряженному конденсатору 6 (a. с. № 1 193 288).
3. Схема, позволяющая при одной аккумуляторной батарее 1 на 12 В получить 24 В для зарядки конденсатора 6, который бы разряжался на стартер, рассчитанный на 24 В. В настоящее время для этого потребовались бы две аккумуляторные батареи. Такие стартеры стоят главным образом на тяжелых грузовиках. Конденсаторная батарея в подключена к аккумуляторной батарее 1 через нормально замкнутый контакт 7 и диод 9. Для пуска двигателя нажимаем кнопку 5 «пуск», срабатывает тяговое реле 3, вводя шестерню стартера в зацепление с венцом маховика, одновременно разъединяя контакты 7 и соединяя контакты 8, в результате чего аккумуляторная батарея и конденсаторная оказываются подключенными последовательно, обеспечивая теперь уже напряжение 24 вольта. Тяговое реле, сработав, замыкает контакт 4, подключая спаренные батареи к стартеру 2 (а. с. № 1 193 285).
4. Схема, позволяющая от аккумуляторной батареи 1 напряжением 12 В, получить питание стартера 36 В с тем, чтобы резко повысить частоту вращения стартера, рассчитанного на 12 В, сократив тем самым время и повысив надежность пуска. К аккумуляторной батарее 1 подключены параллельно уже две конденсаторные батареи 5 и 6 через диоды 10 и 11. При нажатии кнопки «пуск» 12 тяговое реле 3 разрывает контакты 7 и 8, замыкает контакты 9 и 13, подсоединяя таким образом две конденсаторные батареи и аккумуляторную последовательно, в результате чего получаем напряжение 36 В. Одновременно замыкается контакт 4, подключая стартер 2 к 36-вольтовому источнику (а. с. № 1 193 286).
5. Схема, позволяющая использовать три конденсаторных батареи 4, 5, 6, соединенных попарно параллельно-последовательно с аккумуляторной батареей 1 на 12 вольт. Пуск двигателя происходит автоматически при достижении конденсаторными батареями напряжения 24 В. При замыкании ключа 12 «пуск» конденсаторные батареи начинают заряжаться. По достижении определенного напряжения, обусловленного настройкой тиристора 8 и сопротивления 9, срабатывает тяговое реле 3, которое замыкает контакты 10. Аккумуляторная батарея подключается к конденсаторной параллельно-последовательно и одновременно вводится шестерня стартера в зацепление с зубчатым венцом маховика, а после замыкания контакта 11 автоматически стартер соединяется с энергетической системой. Такое подключение конденсаторной батареи к аккумуляторной будет обеспечивать питание стартера напряжением 24 В даже в том случае, когда из строя выйдут сразу два конденсатора (а. с. № 1 240 947).

6. Схема, позволяющая подавать на стартер 2 любое напряжение, в зависимости от условий пуска, для чего последовательно с аккумуляторной батареей 1 подключается конденсаторная батарея 6, заряжающаяся от аккумуляторной через регулируемый преобразователь напряжения S, который добавляет напряжение конденсаторной и аккумуляторным батареям, за счет чего увеличивается частота прокручивания коленвала двигателя. При замыкании ключа 7 преобразователь 5 заряжает конденсаторную батарею 6. Для пуска ДВС поступают обычным образом: включают тяговое реле 3, контакты 4 которого замыкаются, подключая тем самым стартер к последовательно соединенным аккумуляторной и конденсаторным батареям (а. с. № 1 199 968).

7. Схема универсального питания стартера, позволяющая аккумуляторной батареей через преобразователь 5 заряжать конденсаторную батарею в до напряжения 220 В, а если выйдет из строя аккумулятор, подключать питание конденсатора от промышленной сети. Замкнув ключ 7 зажигания, подключаем преобразователь 5 к аккумуляторной батарее 1 и тем самым начинаем заряжать конденсаторную батарею 9 до высокого напряжения. Замкнув выключатель «пуск» 8, включаем тяговое реле 3, которое замкнет контакты 4, и стартер получит питание от заряженного конденсатора 6. Диод 10 необходим для заряда конденсаторной батареи от сети (клеммы 11), а резистор 9 — для ограничения тока разряда (а. с. № 1 265 388).

8. Схема, позволяющая использовать в качестве накопителя энергии индукционную катушку. Повернув ключ зажигания 7, дадим питание на тяговое реле 3, которое замкнет контакт 4 и тем самым подключит к аккумуляторной батарее 1 дроссельную катушку 6. Для пуска ДВС необходимо разомкнуть ключ зажигания 7. Реле 3 обесточивается, и его контакт 4 размыкается. В этот момент энергия, накопленная в дросселе, начнет питать электростартер 2. Вентиль 5 служит для того, чтобы не пропускать ток к электростартеру во время зарядки индукционной катушки (а. с. № 1 265 389).

9. Электросхема, позволяющая пустить двигатель при любой температуре окружающей среды без аккумулятора. К клеммам внешнего источника 1 переменного тока подводится энергия из сети. Через резистор 8, служащий для ограничения тока, и диод 7 — выпрямитель — заряжается конденсаторная батарея 6. Для пуска ДВС необходимо замкнуть контакты 4, тяговое реле сработает и замкнет свой контакт 5, в результате стартер 2 получает питание от конденсатора 6 (а. с. № 1 265 390).

Вернуться

ИР № 11/87

1. Схема, позволяющая использовать как энергию заряженной конденсаторной батареи 6, так и анергию аккумуляторной батареи 1, даже если она разряжена почти на 90 %. Оба источника энергии подключены параллельно к стартеру 2, который таким образом получает энергию от двух источников разом либо раздельно. Включая ключ зажигания 8, подключают на зарядку конденсатор, который заряжается от аккумуляторной батареи. Полупроводниковый диод 7 включен в схему для предотвращения обратной разрядки. После нажатия кнопки «пуск» S включается тяговое реле 3 стартера 2. И только после соединения подвижной шестерни стартера с зубчатым венцом маховика замыкается контакт 4, подключая конденсаторную батарею 1 к стартеру 2 (а. с. № 1 193 287).
2. Схема конденсаторного пуска с преобразованием напряжения, особенность которой в том, что при наличии батареи 1 на 12 В, можно дать питание конденсатору 6 до любого напряжения и практически от любого источника тока, который может быть подключен вместо аккумулятора. Поворачивая ключ зажигания 7, соединяем, аккумуляторную батарею 1 с преобразователем напряжения 8, который преобразует напряжение 12 В в любое другое, и конденсатор 6 заряжается высоким напряжением. Для пуска двигателя необходимо нажать кнопку «пуск» 5. Тяговое реле 3 при этом введет шестерню стартера в зацепление с зубчатым венцом маховика, одновременно замкнув контакт 4, и подсоединит таким образом стартер 2 к заряженному конденсатору 6 (a. с. № 1 193 288).
3. Схема, позволяющая при одной аккумуляторной батарее 1 на 12 В получить 24 В для зарядки конденсатора 6, который бы разряжался на стартер, рассчитанный на 24 В. В настоящее время для этого потребовались бы две аккумуляторные батареи. Такие стартеры стоят главным образом на тяжелых грузовиках. Конденсаторная батарея в подключена к аккумуляторной батарее 1 через нормально замкнутый контакт 7 и диод 9. Для пуска двигателя нажимаем кнопку 5 «пуск», срабатывает тяговое реле 3, вводя шестерню стартера в зацепление с венцом маховика, одновременно разъединяя контакты 7 и соединяя контакты 8, в результате чего аккумуляторная батарея и конденсаторная оказываются подключенными последовательно, обеспечивая теперь уже напряжение 24 вольта. Тяговое реле, сработав, замыкает контакт 4, подключая спаренные батареи к стартеру 2 (а. с. № 1 193 285).
4. Схема, позволяющая от аккумуляторной батареи 1 напряжением 12 В, получить питание стартера 36 В с тем, чтобы резко повысить частоту вращения стартера, рассчитанного на 12 В, сократив тем самым время и повысив надежность пуска. К аккумуляторной батарее 1 подключены параллельно уже две конденсаторные батареи 5 и 6 через диоды 10 и 11. При нажатии кнопки «пуск» 12 тяговое реле 3 разрывает контакты 7 и 8, замыкает контакты 9 и 13, подсоединяя таким образом две конденсаторные батареи и аккумуляторную последовательно, в результате чего получаем напряжение 36 В. Одновременно замыкается контакт 4, подключая стартер 2 к 36-вольтовому источнику (а. с. № 1 193 286).
5. Схема, позволяющая использовать три конденсаторных батареи 4, 5, 6, соединенных попарно параллельно-последовательно с аккумуляторной батареей 1 на 12 вольт. Пуск двигателя происходит автоматически при достижении конденсаторными батареями напряжения 24 В. При замыкании ключа 12 «пуск» конденсаторные батареи начинают заряжаться. По достижении определенного напряжения, обусловленного настройкой тиристора 8 и сопротивления 9, срабатывает тяговое реле 3, которое замыкает контакты 10. Аккумуляторная батарея подключается к конденсаторной параллельно-последовательно и одновременно вводится шестерня стартера в зацепление с зубчатым венцом маховика, а после замыкания контакта 11 автоматически стартер соединяется с энергетической системой. Такое подключение конденсаторной батареи к аккумуляторной будет обеспечивать питание стартера напряжением 24 В даже в том случае, когда из строя выйдут сразу два конденсатора (а. с. № 1 240 947).
6. Схема, позволяющая подавать на стартер 2 любое напряжение, в зависимости от условий пуска, для чего последовательно с аккумуляторной батареей 1 подключается конденсаторная батарея 6, заряжающаяся от аккумуляторной через регулируемый преобразователь напряжения S, который добавляет напряжение конденсаторной и аккумуляторным батареям, за счет чего увеличивается частота прокручивания коленвала двигателя. При замыкании ключа 7 преобразователь 5 заряжает конденсаторную батарею 6. Для пуска ДВС поступают обычным образом: включают тяговое реле 3, контакты 4 которого замыкаются, подключая тем самым стартер к последовательно соединенным аккумуляторной и конденсаторным батареям (а. с. № 1 199 968).
7. Схема универсального питания стартера, позволяющая аккумуляторной батареей через преобразователь 5 заряжать конденсаторную батарею в до напряжения 220 В, а если выйдет из строя аккумулятор, подключать питание конденсатора от промышленной сети. Замкнув ключ 7 зажигания, подключаем преобразователь 5 к аккумуляторной батарее 1 и тем самым начинаем заряжать конденсаторную батарею 9 до высокого напряжения. Замкнув выключатель «пуск» 8, включаем тяговое реле 3, которое замкнет контакты 4, и стартер получит питание от заряженного конденсатора 6. Диод 10 необходим для заряда конденсаторной батареи от сети (клеммы 11), а резистор 9 — для ограничения тока разряда (а. с. № 1 265 388).
8. Схема, позволяющая использовать в качестве накопителя энергии индукционную катушку. Повернув ключ зажигания 7, дадим питание на тяговое реле 3, которое замкнет контакт 4 и тем самым подключит к аккумуляторной батарее 1 дроссельную катушку 6. Для пуска ДВС необходимо разомкнуть ключ зажигания 7. Реле 3 обесточивается, и его контакт 4 размыкается. В этот момент энергия, накопленная в дросселе, начнет питать электростартер 2. Вентиль 5 служит для того, чтобы не пропускать ток к электростартеру во время зарядки индукционной катушки (а. с. № 1 265 389).
9. Электросхема, позволяющая пустить двигатель при любой температуре окружающей среды без аккумулятора. К клеммам внешнего источника 1 переменного тока подводится энергия из сети. Через резистор 8, служащий для ограничения тока, и диод 7 — выпрямитель — заряжается конденсаторная батарея 6. Для пуска ДВС необходимо замкнуть контакты 4, тяговое реле сработает и замкнет свой контакт 5, в результате стартер 2 получает питание от конденсатора 6 (а. с. № 1 265 390).