Амперметр, часть вторая
Что ж, продолжим. Остановились на автомобиле Бенца, а это 1885 год. Вернемся в прошлое, лет на 50.
Англичанин Майкл Фарадей в 1831 году открыл принцип работы электромагнитных генераторов. Русский ученый Эмилий Ленц в 1833 году сформулировал принцип обратимости электрических машин: одно и то же устройство в зависимости от того, какую энергию к нему приложить — механическую или электрическую — может быть и генератором, и электродвигателем. Появляются и совершенствуются генераторы, с 1851 года постоянные магниты меняют на электромагниты. В 1866–1867 годах патентуется несколько конструкций генераторов с самовозбуждением. Изобретен коммутатор (щеточно-коллекторный узел), успешно используются генераторы постоянного и переменного тока.
Удивительно, но все эти устройства инженеры-конструкторы упорно используют как стационарные, зажигание автомобиля по-прежнему работает на батареях или горелках.
Еще один англичанин, Герберт Стюарт, экспериментируя со способами избавления двигателя от свечей зажигания (да, проблема зажигания была именно проблемой), в 1886 году изобрел полудизель или нефтяной двигатель, где смесь воспламенялась в специальной камере — калоризаторе. Преимущества, которые дает высокая степень сжатия, он тогда не оценил.
1890 год: Рудольф Дизель предлагает свой способ реализации принципа, сформулированного французом Сади Карно, в 1892 патентует разработку, а через пять лет успешно испытывает на практике. Так появился мощный и сравнительно экономичный дизель. Изящное решение проблемы искрового зажигания, не так ли? Нет свечи — нет проблемы.
Наконец в 1889 году Роберт Бош «переизобретает» магнитоэлектрический генератор (магнето), значительно совершенствуя его конструкцию. Насколько я могу судить, кроме установки более мощных магнитов, о чем пишут все и везде, Бош усовершенствовал и привод якоря. Т-образный с двумя пружинами он заменил на Г-образный с газонаполненным амортизатором. А заодно и привод прерывателя для системы зажигания реализовал по-другому. Буду признателен, если кто-либо из читателей сможет подтвердить или опровергнуть мои выводы. Но так или иначе, устройство становится компактнее и одновременно значительно мощнее. Благодаря последовавшему коммерческому успеху Бош запускает мелкосерийное производство магнето. Но его устройство все еще имеет изначальный конструктивный недостаток: якорь с обмоткой осциллирует, то есть совершает колебательные движения. Ввиду значительной массы якоря использовать такое магнето на оборотистых двигателях не получалось, ведь вращение коленвала для привода магнето преобразовывали в поступательное движение, а оно приводит к разрушительным вибрациям.
Поэтому в дальнейшем инженер мастерской Боша Арнольд Церингер дорабатывает конструкцию: теперь вместо массивных якоря и обмотки колебания вокруг них совершает легкая металлическая гильза. По сути экран, меняющий напряженность магнитного поля. Такое устройство работало гораздо быстрее, как и требовалось промышленности: по мере совершенствования ДВС кратно, а затем и на порядок-другой росли обороты, к этому времени все уже отчетливо понимали, что для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания необходимо увеличивать частоту вращения коленвала. В этом его коренное отличие от электрических и паровых двигателей, дающих тягу с минимальных оборотов. За прогрессом не успевала только система зажигания, именно поэтому магнето как источник (причем в отличие от гальванических элементов, требующих периодической замены, автономный источник!) тока и искры оценили так высоко. И только в 1897 году Даймлер узнает о магнитоэлектрических генераторах Боша, после чего предлагает ему разработать на основе магнето систему зажигания для двигателя трицикла De Dion-Bouton. С переменным успехом, но систему зажигания таки смонтировали и опробовали.
Проблема была только в одном: все имеющиеся версии магнето были низковольтными, а для повышения напряжения использовалась катушка зажигания. «Свеча зажигания», а скорее даже (просто пара стержней) была контактной и для создания искры размыкалась прямо в камере сгорания. Поэтому в 1901 году еще один инженер мастерской Боша Готлоб Хонольд разрабатывает высоковольтный магнето с двумя обмотками, в котором уже нет кольца, но и якорь не осциллирует, а вращается. Получается магдино (магнето-динамомашина). А в 1902 году представляет уже полноценную систему зажигания с прерывателем (прообразом «трамблера») на 2–4 свечи и собственно сами свечи, конструкция которых принципиально не изменилась до наших дней.
На рисунке ниже я изобразил схематически эволюцию магнето.
И низковольтные, и высоковольтные магнето Bosch впоследствии получили широкое распространение, со временем для исполнения постоянно растущего количества заказов мастерской Боша пришлось открывать сборочные производства и в других странах.
Ранние системы зажигания на основе низковольтных магнето для двигателей с числом цилиндров более двух еще не имели коммутаторов, поэтому применялась интересная схема: за образование искры отвечала «buzz» или «trembler» coil. Простите, но я не знаю, как это перевести на русский. Может, «дрожащая катушка»?
Подобная конструкция применялась, например, в соленоидах дверных звонков. Только в данном случае от катушки требовалось размыкание контакта для возбуждения вторичной обмотки и создания высоковольтного напряжения для образования искры, а не для механических вибраций, приводящих в движение молоточек звонка. Так вот, в современном двигателе искра возникает только на одном такте рабочего цикла из четырех, а «трэмблер» лупил в камеру сгорания в течение всего цикла. Неэффективное использование энергии, зато дешево и сердито. Подобная система, например, использовалась на фордовском Model T. Позже там появился и коммутатор.
А вообще магнето-системы, пусть и с ручной регулировкой угла опережения зажигания, повсеместно применялись почти добрую треть XX века, пока их не вытеснила традиционная система с трамблером. Впрочем, магнето используется и сейчас, например, на бензопилах или мопедах. Широко использовали его и на самолетах. Автономная система зажигания, не требующая применения аккумуляторной батареи — это важно в определенных условиях. Впрочем, часто две системы дублировали: одновременно в автомобиле были и аккумулятор, и магнето. Итак, мы уже почти добрались до амперметра!
Как получить стабильную искру для зажигания топливо-воздушной смеси, мы уже знаем. Но чтобы магнето начало вырабатывать ток, нужно его раскрутить. Равно как и сам двигатель: первые два такта цикла Отто — сжатие и воспламенение — на заглушенном двигателе сами по себе не происходят, нужно приложить внешнюю силу. Для этого на ранних версиях ДВС вручную крутили огромный маховик.
А позже на серийных автомобилях появился «кривой стартер» — рукоятка с храповым механизмом для вращения коленвала вручную до тех пор, пока двигатель не запустится. Кривой стартер переломал немало пальцев. А на двигателях с достаточно высокой степенью сжатия еще и требовалось приложить немало сил, чтобы провернуть рукоятку. Более того, я уже упоминал тот факт, что автоматической коррекции угла опережения зажигания еще не было, его выставляли вручную рукояткой на руле. Забыв выставить позднее зажигание перед запуском, можно было получить рукояткой не просто по пальцам, но и по голове. Обратная вспышка такая обратная. Впрочем, вакуумный регулятор угла опережения зажигания реализовали довольно быстро. По сути с момента появления дешевого Форда Т и не менее дешевого бензина для него сложности с запуском, управлением и обслуживанием двигателя внутреннего сгорания были единственной и последней причиной, по которой электромобили все еще пользовались большой популярностью.
В воздухе уже буквально витает идея запуска двигателя чем-либо кроме мускульной силы: предлагали идеи раскручивать коленвал сжатым воздухом или спиральной пружиной А в 1899 американский конструктор Клайд Коулман предлагает использовать для этого электрический пускатель. Устройство большого интереса не вызвало, конструкция оказалось «сырой». Все потому, что тогдашний электродвигатель, способный провернуть коленвал, размерами был едва ли не больше двигателя внутреннего сгорания. Понятно, что ни один автопроизводитель в здравом уме такой агрегат ставить не будет. Тем не менее в 1901 году Коулман патентует прообраз стартера: как мы помним из предыдущей части, лучше это сразу сделать. На всякий случай…
Так продолжалось до 1911 года. Утверждают, что поводом для форсирования работ по разработке стартера стала смерть Байрона Картера, давнего друга Генри Лиланда, основателя компании Кадиллак. В 1910 году Картер предложил помощь незнакомой девушке: у нее заглох двигатель… Кадиллака. Нелепая случайность: Картер не счел нужным или забыл проверить тот самый угол опережения зажигания. Вероятно, это была не первая и не последняя подобная смерть. Однако штатным инженерам Кадиллака создать такое устройство не удалось и Лиланд обратился к изобретателю Чарльзу Кеттерингу: несколькими годами ранее тот автоматизировал привод кассовых аппаратов.
Забавно, что и в этом случае инженеры в голос утверждали: понадобится двигатель размерами с кассовый аппарат, нецелесообразно. Что придумал Кеттеринг? Во-первых, он решил, что электромотор не должен работать непрерывно. Для работы кассового аппарата достаточно будет интенсивно раскрутить двигатель. Значит, его размеры можно уменьшить. Во-вторых, чтобы уменьшить потери энергии и износ узлов, Кеттеринг оснащает привод муфтой свободного хода и магнитным реле.
На рисунке ниже представлен один из его патентов. Работая над автомобильным стартером, Кеттеринг предположил, что одно и то же устройство можно использовать как для запуска двигателя, так и для питания бортовой электросети и зарядки аккумулятора. Решения применены довольно изящные для тех лет, но поначалу их восприняли скептически.
Как работал стартер Кеттеринга? Через систему шестерен электромотор вращает маховик двигателя. Это важно: почему ранее инженеры не могли реализовать стартер? Потому что пытались подключить его к коленвалу напрямую. Естественно, чтобы прокрутить коленвал, нужна мощность в несколько лошадиных сил. Не каждый аккумулятор начала XX века мог дать такой ток, а вместе система запуска весила бы почти как сам автомобиль. Кеттеринг применяет редуктор, требования к мощности двигателя кратно снижаются.
Далее после запуска шестерня стартера выходит из зацепления с маховиком, только используется для этого не втягивающее реле как на современном двигателе, а вытягивающая педаль, позже — опять же вытягивающее реле. Казалось бы, обычная схема. Как бы не так: прежде инженеры не знали, как решить проблему практически мгновенного разрушения коллектора стартера. Ведь после запуска ДВС его обороты резко растут, вывести шестерни из зацепления технически сложно и двигатель раскручивает теперь уже сам стартер до огромных оборотов: передаточное число ведь не 1:1, а от 15:1 до 20:1. Храповики, обгонные муфты, «бендикс» — все это было придумано не сразу, и не сразу приспособлено к двигателю автомобиля.
Но как использовать принцип обратимости электрических машин на практике? Как из стартера сделать генератор? Для этого Кеттеринг сделал вал электромотора сквозным. С одной стороны это стартер, принцип работы которого я выше описал, а с другой — генератор. По сути электромотор подсоединен к коленвалу двигателя с двух сторон, различается только передаточное число редукторов, иначе проблема была бы та же: заведенный двигатель мгновенно уничтожит коллектор и обмотки электромотора. А храповики и муфты свободного хода механически разобщают два редуктора.
Управление электрическими параметрами осуществлялось через угольный регулятор и специальный коммутатор: электромотор нужно было приспособить к пиковым нагрузкам. Эти устройства Кеттеринг также запатентовал.
И в 1912 году Лиланд предлагает рынку Cadillac Model 30. Вид спереди принципиально важен: смотрите, у нас нет «кривого стартера»!
С этого момента электромобиль, впервые представленный публике в 1830 году, окончательно обречен и постепенно уходит с рынка на целое столетие… А неутомимый Кеттеринг тем временем улучшает стартер и генератор, патентует привычный нам прерыватель-распределитель зажигания суть трамблер, улучшает электросистему автомобиля. С 1910 года и фары становятся электрическими на основе вольфрамовой нити (первые, угольные, были слишком чувствительны к вибрации), сменяя керосиновые и газовые. Бортовая сеть на основе аккумулятора 6.3 В (3 банки по 2,1 В) становится стандартом. Он в свою очередь основан на более раннем стандарте для радиоприемников.
А в 1913 году все же появился дина-стартер от фирмы USL: генератор и стартер, установленные на коленвал вместо маховика. То, что пытались и не могли реализовать до Кеттеринга. Устройство было ненадежным, но какое-то время использовалось на автомобилях DKW.
1916 год, американский инженер Винсент Бендикс предлагает устройство, которое позже назовут его именем: инерционную обгонную муфту, препятствующую передаче крутящего момента обратно от ведомого вала к ведущему, если ведомый начинает вращаться быстрее. С этого момента появляется возможность использовать два независимых устройства в автомобиле: источник энергии для заведенного двигателя (генератор) и потребитель энергии для его запуска (стартер). Забавно, что обгонную муфту на генератор стали устанавливать сравнительно недавно, буквально 10–15 лет назад. Дело в том, что автомобильный двигатель постоянно меняет обороты, так как меняются условия движения. А у генератора довольно массивный ротор со значительным моментом инерции. Поэтому при снижении оборотов двигателя шкив генератора проскальзывает, что приводит к преждевременному износу ремня. Обгонная муфта позволяет снизить нагрузку на ремень.
Но несмотря на все эти новшества только с 20-х годов прошлого века автопроизводители начинают оснащать свои автомобили электрическими стартерами.
До конца 30-х годов стартер приводился в движение педалью и переключателем или кнопкой. Не самый удобный способ для современного автовладельца, но для начала прошлого века это был настоящий прорыв. Затем инженеры Крайслера и вовсе реализовали дистанционное управление с помощью кнопки. А в 1949 году появляется привычный нам механизм запуска двигателя поворотом ключа зажигания. А под капотом начиная где-то с 20-х годов и вплоть до 60-х занимает свое место генератор постоянного тока. И вот тогда жизненно необходимым устройством становится амперметр.
Дело в том, что коллекторные генераторы постоянного тока значительно грелись, а перегрев приводил к разрушению обмоток. Процесс заряда и разряда необходимо было контролировать, иначе привет, «кривой стартер». Ну, или с толкача. Как я уже говорил в предыдущей записи, удобнее всего контролировать работу генератора именно с помощью амперметра: тут тебе и ток разряда, и ток заряда, и возможный ток утечки. Мне сложно судить, но вероятно инженеры сочли, что вольтметр на автомобиле с ДВС не так важен, как амперметр. В отдельных случаях его конечно ставили, и даже с амперметром в паре. Вот, например, оба прибора на лимузине Panhard & Levassor X36 1922 года.
А на электромобилях вольтметр был обязательно, по определению:
Есть версия, что тогдашние аккумуляторные батареи и гальванические элементы были довольно надежными по сравнению с электросистемой и генератором автомобиля. Может быть поэтому не было особой нужды оснащать автомобили вольтметром. Поправьте, если я не прав.
В любом случае, о том, что постоянный контроль электросистемы для производителей и владельцев автомобилей был достаточно важной задачей, говорит простой факт: на ранних моделях многих автомобилей приборная панель оснащалась всего одним контрольным прибором, и это был именно амперметр.
Американская компания Невиль в 1946 году предлагает первую конструкцию автомобильных генераторов переменного тока, а в 1960 Крайслер выпускает более совершенную версию. С этого момента начинается постепенный переход на генераторы переменного тока: они компактнее, надежнее и мощнее. А нужный бортовой сети постоянный ток получают через выпрямитель. В английском языке он называется alternator от alternating current — переменный ток.
Поэтому и на приборных панелях зарубежных автомобилей амперметр обозначали как ALT. Были и другие варианты: GEN, battery, ammeter, amperes или сокращенно amp/amps. В зависимости от мощности стартера и генератора шкала оцифровывалась от -30…60 до +30…60, или просто D, DIS, discharge / C, CHG, charge: разряд / заряд.
Ранние амперметры подключались к электросистеме напрямую толстым проводом, а не через шунт. Собственно подключение шунтом изобрели в 1893 году, однако довольно длительное время ток в автомобиле шел через амперметр напрямую. Естественно, в этом случае принципиально важны надежность контактов и мощная изоляция, иначе не избежать короткого замыкания и пожара.
Может быть по этой причине, а может по мере совершенствования электросистем автомобиля где-то в 60-х годах начинается плавный переход с амперметров на вольтметры. Плюс ко всему в конце 50-х производители переходят с 6-вольтовой бортовой сети на 12-вольтовую: двигатели становились мощнее, соответственно мощнее нужен и стартер. Потребителей электроэнергии тоже становилось больше: фары, фонари, плафоны освещения и подсветки, радио, стеклоочистители и так далее. Чтобы не увеличивать сечение проводов под возросшую потребляемую мощность, увеличили напряжение бортовой сети.
Удивительный автомобиль с печальной судьбой — Tucker 48 — оснащен 6-вольтовой бортовой сетью. Уже тогда, в 1948 году, на его панели приборов был не амперметр, а вольтметр с соответствующей напряжению сети шкалой.
По мере совершенствования устройств автомобильной электросети многие автопроизводители и вовсе начали ставить вместо измерительных приборов контрольные лампы заряда. Совершенно логичный ход: индикатор «включено/выключено» или «исправно/неисправно» гораздо информативнее шкалы, об этом я уже писал в прошлых записях.
Тем более что на первых порах измерительные приборы ставили там, где удобнее инженеру, а не водителю: на полу или вовсе за пределами салона. Однако по мере роста скоростей и интенсивности движения, по мере оснащения автомобиля все новыми и новыми приборами, претендующими на внимание водителя во время движения, на первое место вышли безопасность и эргономика. Появились стандарты компоновки приборной панели. И со временем она приняла привычный нам вид.
На этом рассказ про амперметры и вольтметры я завершаю. Следующие в очереди — спидометр, одометр и тахометр.