Вспомогательные устройства, ставшие основными

Стартеры и генераторы – классические компоненты автомобиля, прошли длительную эволюцию и останутся актуальными даже в электронную эпоху, в отличие от многих других компонентов транспортных средств, работающих на ДВС.

100 лет под капотом

Генераторы и стартеры нашли свое применение в автомобилях около 100 лет назад. За этот срок они прошли долгий эволюционный путь, постоянно улучшая характеристики.

Сила тока первых генераторов составляла примерно 4 А, а последние генерации этих компонентов выдают 250–300 А.

А первые стартеры при массе около 10 кг выдавали не более 0,6 кВт мощности. В то время как мощность современных моделей, весящих от 1,5 до 20 кг, имеет диапазон от 0,8 до 10 кВт.

Огромного смысла в перечислении эволюционных этапов развития нет, а вот обратить внимание на самые передовые нововведения стоит, поскольку они наилучшим образом отражают перспективы этих агрегатов в будущем электромобильном мире.

Требования все серьезней

Современные факторы, определяющие тенденции развития конструкции стартеров и генераторов, очевидны. Во-первых, это пресловутый down-sizing, заставляющий выпускать все более и более компактные модели с меньшей массой из-за сокращающегося пространства в моторном отсеке. Причем характеристики электротехники должны не просто сохраниться, они должны повышаться, поскольку их предназначение – украсить собой более сложные модели транспортных средств.

И как раз усложнение новых моделей автомобилей – это второй ключевой фактор. Подавляющее большинство дополнительных функций, появляющееся в новых машинах, систем управления двигателем, потребляющие больше энергии в связи с возросшим количеством датчиков и исполнительных механизмов, питаются главным образом от бортовой сети транспортного средства. То есть нагрузка на генератор, из-за необходимости обеспечить одновременную работу большого числа различных систем, существенно возрастает. Он должен производить все больше и больше электричества.

На стартерах этот фактор отражается иначе. Гибридный привод и системы «старт-стоп» повышают требования к стартерам с точки зрения надежности и исполнительности. Агрегаты должны выдерживать многократно возросшее количество запусков двигателя, функционировать стабильно и бесперебойно в любых климатических условиях и ситуациях. 

Генератор: эффективные решения

Исторически производительность генераторов повышали путем уплотнения медной обмотки, способствующего снижению потерь энергии. Затем стали применять в обмотке провод прямоугольного сечения. Такая технология увеличила плотность обмотки с 45 до 70%, что дало возможность с генератора массой на 20% меньше снимать энергии на 50% больше.

Кроме того, производители регулярно усовершенствуют шарикоподшипники, усиливают корпус и щетки/токосъемные кольца, модернизируют диоды, оптимизируют конструкцию (например, посредством объединения двух крыльчаток вентилятора и ротора в один узел и/или уменьшения диаметра шкива). Даже жидкостное охлаждение применяли на генераторе. Реализовывался целый ряд технологических решений, обеспечивающих более высокую эффективность агрегата, без потери характеристик надежности и сокращения срока службы.

Среди наиболее свежих – установка новых, высокоэффективных диодов, обеспечивающих движение тока в определенном направлении и превращение генерируемого переменного тока в постоянный. Такие диоды существенно снижают потери при преобразовании энергии за счет повышения эффективности данного процесса.

Генератор научили общаться с блоком управления двигателем. Точнее, не сам генератор, а регулятор генератора, но за счет более точного управления работой агрегата и, как следствие, распределения энергии удалось улучшить целый ряд параметров. Среди них показатели времени зарядки, стабильность работы на холостых оборотах с задержкой мягкого пуска и эффективность управления динамической нагрузкой.

Стартеры: главное – надежность

Стартеры, как уже было отмечено, развиваются по пути увеличения надежности. Им нужно запускать более мощные двигатели и гораздо чаще, чем раньше (в первую очередь это относится к системам «старт-стоп»). Они становятся компактнее для установки в ограниченном подкапотном пространстве. А также максимально термоустойчивыми для надежной работы в самых разных климатических условиях.

Увеличению срока службы и уменьшению износа зубчатого венца маховика способствует применяемое зацепление в два этапа. Вначале вал-шестерня продвигается вперед и аккуратно входит в зацепление с зубцами маховика, после чего медленно проворачивается. На втором этапе подается пусковой ток, и происходит запуск двигателя.  

С тандемным соленоидом

Не так давно появились стартеры с тандемным соленоидом для систем «стоп-старт». Они позволяют выполнить повторный пуск двигателя в то время, когда коленчатый вал все еще продолжает вращаться после остановки. То есть не нужно дожидаться полной остановки двигателя, что крайне важно для эффективного функционирования системы «стоп-старт». При этом время повторного пуска сокращается на 1,5 секунды по сравнению с традиционными стартерами для систем «стоп-старт».

Данная технология была разработана совместными усилиями компании Denso с производителями автомобилей и основана на использовании уникального тандемного соленоида, независимо управляющего двумя функциями соленоида стартера. Это дает электродвигателю стартера возможность входить в зацепление с коленчатым валом и осуществлять повторный пуск двигателя. Ее применение в сочетании с высокоэффективным генератором и аккумуляторной батареей, а также системой рекуперации энергии торможения может привести к сокращению потребления топлива на 7%.

Совмещенный узел

Тем не менее прогресс неотступно требует большего, порождая стартер-генераторы. Интегрированный стартер-генератор, как ясно из названия, подразумевает совмещение двух компонентов в рамках единого узла.

Такое устройство, помимо своей прямой работы: запуска и генерации энергии, – на гораздо более высоком уровне поддерживает функцию «старт-стоп», а также обеспечивает рекуперацию энергии торможения для подзарядки батареи транспортного средства. То есть это устройство целиком и полностью предназначено для современных и перспективных гибридных автомобилей.

Более того, стартер-генератор в определенных режимах может осуществлять движение автомобиля на электрической тяге и позволяет отказаться от некоторых устройств, устанавливаемых традиционно на автомобильном двигателе. В их числе маховик, привод генератор – двигатель, механизм привода стартера. А подаваемая стартер-генератором дополнительная мощность при разгоне транспортного средства способствует экономии топлива и, как следствие, снижению вредных выбросов.

Дальнейшее развитие

Но и на этом история развития классических деталей не исчерпана. Например, Bosch предлагает двухуровневую систему напряжений на 42 В и 14 В, причем уровень 42 В вырабатывается стартер-генератором, а 14 В обеспечивается преобразователем. Высоким напряжением снабжаются подогреватель нейтрализатора отработавших газов, сервопривод, топливный насос и насос охлаждающей жидкости, а также стартер-генератор при пуске. Остальные потребители обеспечиваются питанием по цепи низкого напряжения.

В свою очередь компания Denso, как альтернативное решение традиционным стартерам и генераторам, предложила для использования в гибридных автомобилях мотор-генератор (MG). По аналогии он также выполняет несколько функций, запуская двигатель, поддерживая его работу, вырабатывая электроэнергию и осуществляя привод на оси автомобиля.

Ассортимент этих специализированных продуктов уже получил несколько улучшений. На основе опыта, полученного при разработке генератора с сегментным проводником, инженеры компании спроектировали абсолютно новый MG-статор для Toyota Prius, обладающий меньшими габаритами и более чем на 20% меньшей массой по сравнению с изделием предыдущего поколения. Новый MG-статор обеспечивает экономию топлива в 2,5 л на 100 километров.

Электробудущее

В активно приближающемся электромобильном будущем стартеров и генераторов в привычном нам виде, конечно, не будет. Но принципиально они останутся, разительно видоизменившись. Ведь что такое стартер? Стартер – это обычный электромотор. В электромобиле ему не нужно будет запускать двигатель внутреннего сгорания по причине отсутствия ДВС, но собственно именно стартер превратится (а точнее, уже превратился) в электродвигатель электрического транспортного средства – главное устройство, приводящее авто в движение.

Он стал больше, масштабнее, но по факту остался прежней электротехнической машиной, функционирующей по известной нам схеме.

И, несомненно, он будет также совмещен с генератором, поскольку задача увеличения пробега на сегодня одна из самых ключевых в контексте дорожного транспорта на электротяге. И не денется она никуда, поскольку, на чем бы ни ездило транспортное средство, чем больше оно будет проезжать на одной заправке/зарядке, тем лучше. А потому зачем терять энергию, когда ее можно возобновлять путем рекуперации энергии торможения? Мы уже знаем, как это делать, на опыте гибридов, поэтому особых проблем не возникнет.

Кроме того, энергию можно брать и во время движения по инерции, например на склонах, после активного разгона. Уже есть первые образцы таких систем, способные кратковременно отключать двигатель в подобных ситуациях и обеспечивать накопление дополнительной энергии за счет вращения колес.

То есть по большому счету электромотор современного и будущего электромобиля – это устройство, которое способно переключаться из режима генератора в режим стартера и наоборот. Его КПД примерно в 2 раза выше, чем у ДВС. К тому же за счет отсутствия трущихся, вращающихся и шатающихся деталей оно должно обладать колоссальным ресурсом.

Вспомните, как часто вы меняли/ремонтировали стартер или генератор на своем автомобиле.

Что и говорить, пути прогресса неисповедимы и, как мы видим, способны совершать самые немыслимые метаморфозы, когда, по сути, вспомогательные устройства автомобиля в конечном итоге превращаются в основные.