Układy ładowania. Prądu pod dostatkiem

Alternator motocyklowy działa dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Innymi słowy, siła elektromotoryczna w przewodniku powstaje w wyniku działania na niego zmiennego pola magnetycznego. Zjawisko to zostało odkryte prawie 200 lat temu i stało się podstawą działania zarówno alternatora, jak również silnika elektrycznego, z tym że w drugim przypadku działa to w pewnym sensie odwrotnie.

A jak to przełożyć na prostszy, nietechniczny język? By wytworzyć prąd, musimy mieć uzwojenie i magnesy, a oba elementy muszą się względem siebie obracać. Tak powstaje prąd przemienny, który trzeba jakoś „wyprostować” i okiełznać. Od tego jest regulator napięcia, który nie dość, że zmienia prąd przemienny na stały, to do tego odpowiada za to, by napięcie miało optymalną wartość. Prądu ma wystarczyć do zasilenia wszystkich podzespołów motocykla, przy jednoczesnym uzupełnianiu tego, co jest pobierane z akumulatora.

Alternator ze wzbudzeniem, popularny w autach, ale w motocyklach jest rzadko spotykany

Alternator ze wzbudzeniem

Pierwszym, dzisiaj już rzadziej spotykanym rodzajem alternatora jest wersja z uzwojeniem wzbudzenia znajdującym się na wirniku. Wirnik, zwany także magneśnicą, działa jak elektromagnes – wytwarza pole magnetyczne. Napięcie na jego uzwojenie podane jest za pomocą grafitowych szczotek pracujących na pierścieniach ślizgowych. Stojan, zwany także twornikiem, wbudowany jest w zewnętrzną obudowę alternatora. To tak naprawdę w jego uzwojeniach powstaje prąd.

Zazwyczaj z całym alternatorem zintegrowane są element prostowniczy i regulator napięcia. Pierwszy z nich odpowiada za zamianę trójfazowego prądu przemiennego na prąd stały. Dzieje się to z pomocą diod prostowniczych. Ale to nie wszystko – napięcie nie może być zbyt wysokie, bo mogłoby zaszkodzić instalacji i uszkodzić akumulator. W ryzach trzyma je elektroniczny regulator napięcia, który zazwyczaj jest zintegrowany z obudową alternatora. Element ten włącza i wyłącza wzbudzenie wirnika, tak by utrzymać napięcie w instalacji na odpowiednim poziomie (najczęściej jest to około 14,5 V). Tak więc alternator tego typu nie pracuje non-stop, nie ma więc ryzyka przeładowania akumulatora.

Coraz mniejszy. Przykład nowoczesnego silnika motocykla sportowego pokazuje, jak filigranowych rozmiarów mogą być elementy układu ładowania

Rozwiązania tego typu mają szereg zalet, ale nie są także pozbawione wad. Taki alternator jest bardzo wydajny, nawet przy niskich obrotach. Doskonale wpasowuje się w silniki typu bokser czy V2 z wzdłużnie ustawionym wałem. Dlatego też można go spotkać w silnikach BMW (seria R) czy Moto Guzzi. Najczęściej napęd z silnika realizowany jest jak w samochodzie – paskiem wielorowkowym. Alternator tego typu spotkamy jednak i w motocyklach z typowym, czterocylindrowym silnikiem. Przykładem mogą być Yamaha XJR 1200/1300 czy popularna XJ 600 Diversion. W tym przypadku napęd przekazywany jest łańcuchem pracującym w kąpieli olejowej, choć, jak wiemy, sam alternator jest „suchy”.

Alternator tego typu ma również wady. Po pierwsze jest bardziej skomplikowany niż konstrukcje ze stałymi magnesami. Ma więcej elementów, które teoretycznie mogą się zepsuć – szczególnie narażone na zużycie są szczotki, tuleje ślizgowe i łożyska. Zabiera też więcej cennego miejsca niż rozwiązanie drugiego typu.

Stojan typowego alternatora w silniku motocyklowym. To w nim powstaje prąd, za sprawą obracających się magnesów

Alternator ze stałymi magnesami

Większość motocykli ma alternator ze stałymi magnesami. Jak on działa? Układ jest bardzo prosty i zbudowany w pewnym sensie odwrotnie niż pierwsza konstrukcja. Tam wirnik wytwarzający pole magnetyczne jest wewnętrzną częścią alternatora. Tutaj znajduje się na zewnątrz, a stojan przykręcony jest do bloku silnika albo pokrywy. Koło magnesowe zazwyczaj jest zamontowane na końcu wału korbowego (w typowych silnikach po lewej stronie).

Rozwiązanie to ma w motocyklach wiele zalet. Po pierwsze, części ruchome ograniczone są do minimum. Jest to w zasadzie tylko obracające się koło magnesowe, które jednocześnie pełni rolę koła zamachowego silnika. Sam układ elektryczny nie ma ruchomych części, więc nic się nie zużywa. Zmniejsza to ryzyko ewentualnych uszkodzeń, a w przypadku ich wystąpienia usunięcie ich jest proste. Każdy mechanik-amator z miernikiem w ręku może sprawdzić poprawność pracy układu ładowania swojego motocykla.

W silniku najnowszej Hondy PCX 125 jedno uzwojenie pozwala na spełnienie trzech funkcji – ładowania, rozruchu i napędu

Konstrukcja alternatora tego typu wymaga jednak zastosowania innego rodzaju regulatora napięcia. Nie jest on wbudowany w urządzenie, poza tym prąd podawany jest non-stop, adekwatnie od obrotów silnika. Jako że magnesy są stałe, nie ma możliwości ich odłączenia, jak ma to miejsce w przypadku wirnika alternatora ze wzbudzeniem. Napięcie wędruje więc do zewnętrznego regulatora napięcia, w którym poprzez mostek diodowy jest zmieniane na prąd stały. Później układ elektroniczny dba o to, by napięcie nie przekraczało około 14,5 V. Efektem ubocznym tego działania jest oddawanie ciepła – dlatego regulatory napięcia tego typu są ożebrowane jak głowica cylindra silnika chłodzonego powietrzem. W modelach znanych z uszkodzeń regulatora napięcia wielu użytkowników montuje elektryczne wiatraczki z komputera, które mają poprawiać chłodzenie.    

Rozwiązanie to, choć nieskomplikowane, ma pewne wady. Układ może być awaryjny, chociaż najczęściej duża w tym zasługa właściciela motocykla. Po pierwsze, w silniku musi być odpowiedni poziom oleju, by alternator był chłodzony w wystarczającym stopniu. Po drugie, cała instalacja powinna być w nienagannym stanie, włączając w to przewody, złącza, a także sam akumulator. Ten ostatni nie może być kompletnie zużyty, nie może mieć zwarć pomiędzy celami. Innymi słowy – musi przyjmować prąd, o czym wiele osób zapomina zabierając się za diagnostykę układu ładowania. Gdy jeden z elementów zaczyna szwankować, zaczyna się lawina awarii. Zdarzają się też uszkodzenia koła magnesowego, z którego odklejają się magnesy, nierzadko robiąc spustoszenie w silniku.

Regulator napięcia typowego motocykla czy skutera jest ożebrowany

Najprostsze rozwiązania

W większości motocykli i nowoczesnych skuterów (coraz bardziej nafaszerowanych elektroniką) mamy typowe rozwiązania z alternatorem trójfazowym. W mniejszych i starszych pojazdach często spotkamy prosty alternator jednofazowy. Można też spotkać różne wariacje na temat tej konstrukcji. W najprostszym rozwiązaniu, w niektórych motocyklach niemających akumulatora, prąd zmienny w ogóle nie jest zamieniany na stały, tylko podawany na oświetlenie motocykla.

W innych konstrukcjach mamy do czynienia z konstrukcją mieszaną – oświetlenie realizowane jest prądem przemiennym, ale akumulator, za pośrednictwem regulatora napięcia, ładowany jest prądem stałym. Mamy wreszcie konstrukcję, w której prosty alternator jednofazowy współpracuje z regulatorem napięcia zmieniającym prąd przemienny na stały, i tak zasilane są wszystkie elementy instalacji.

Elektryczna rewolucja. Hybrydy wchodzą także do jednośladów. Wbrew pozorom, taka instalacja nie jest bardzo skomplikowana

Wielofunkcyjna przyszłość

Zjawisko indukcji elektromagnetycznej można z pomocą elektroniki wykorzystać w szerszym zakresie. A gdyby tak po prostu odwracać kierunek całego procesu i raz ładować akumulator, a chwilę później wykorzystać ten sam układ jako silnik? Takie rozwiązania od lat możemy spotkać w pojazdach wyposażonych w system start-stop. By ułatwić częsty rozruch silnika, nie stosuje się już klasycznego startera. Funkcję tę przejął właśnie alternator zamocowany bezpośrednio na zakończeniu wału korbowego. Rozwiązanie takie spotkamy na przykład w Hondzie PCX 125.

Japońscy inżynierowie poszli jeszcze dalej! Stworzyli Hondę PCX 125 w wersji hybrydowej. W tym przypadku jednostka, zwana ACG, pełni aż trzy funkcje. Ładuje akumulator (standardowy oraz litowo-jonowy, pracujący pod napięciem 48 V), działa jako rozrusznik silnika spalinowego i jako motor elektryczny o mocy prawie 2 KM, który wspomaga ruszanie i przyspieszanie. W przyszłości możemy spodziewać się coraz częstszego wykorzystywania takich wielofunkcyjnych mechanizmów.

Nie możemy też zapomnieć o pojazdach typowo elektrycznych. Tam również funkcja napędu i ładowania realizowana jest jednym urządzeniem. Silnik może napędzać motocykl korzystając z baterii albo odzyskiwać energię w czasie hamowania. Działa on wtedy jak typowy alternator.

Zdjęcia: archiwum redakcji