Τεχνικό θέμα: Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον κινητήρα, μέρος 1ο
Οι κινητήρες εκτός απο την παραγωγή µηχανικού έργου που καταλήγει ως πρόωση στην προπέλα αποτελούν και µικρές γεννήτριες παραγωγής ρεύµατος για να τροφοδοτήσουν µε ρεύµα τις δικές τους εσωτερικές καταναλώσεις (ηλεκτρικά κυκλώµατα, σύστηµα ανάφλεξης, εγκέφαλος κτλ) αλλά και τις εξωτερικές (αξεσουάρ, φόρτιση µπαταριών κτλ).
Στο παρόν αλλά και στα επόµενα άρθρα θα δούµε πως λειτουργεί αυτό το σύστηµα, τα κυκλώµατα και εξαρτήµατα που το απαρτίζουν αλλά και χρήσιµες συµβουλές για τον περιοδικό τους έλεγχο και διάγνωση βλάβης όπου αυτή είναι εύκολη και εφικτή.
Το κύκλωµα παραγωγής ενέργειας στον εξωλέµβιο κινητήρα
Για να καλυφθούν οι παραπάνω ηλεκτρικές καταναλώσεις ο εξωλέµβιος κινητήρας διαθέτει ως επι το πλείστον µία γεννήτρια ρεύµατος (Φωτ.1) κρυµµένη κάτω απο το βολάν (Φωτ.2) του κινητήρα ή οποία καλείται µανιατό και συχνά αναφέρεται ως σύστηµα µανιατό-βολάν (µαγνητογεννήτρια). Σε µερικές περιπτώσεις µεσαίας ή µεγάλης ιπποδύναµης κινητήρων καθώς και σε όλους τους έσω και έσω έξω κινητήρες χρησιµοποιείται επίσης µία αυτοκινητιστικού τύπου τριφασική γεννήτρια κινούµενη µέσω ιµάντα ονόµατι αλτερνέιτορ (Φωτ.3 – Honda ΒF250). Στους παραπάνω όρους υπάρχει γενικά σύγχυση καθώς στην πιάτσα το αλτερνέιτορ ονοµάζεται λανθασµένα δυναµό (παραπέµποντας σε µία ογκώδη γεννήτρια συνεχούς ρεύµατος που χρησιµοποιούνταν στα αυτοκίνητα της δεκαετίας του 50 και 60) ενώ κάποιοι κατασκευαστές επίσης αναγράφουν στα τεχνικά χαρακτηριστικά των κινητήρων µε µανιατό-βολάν τη λέξη alternator – αλτερνέϊτορ εναλλακτικά. Στο παρόν άρθρο θα ασχοληθούµε µε το σύστηµα µανιατό βολάν και τα παρελκόµενα του.
Σύστηµα µανιατό βολάν
Το σύστηµα παραγωγής ενέργειας µε µανιατό είναι πολύ γνωστό απο τις µοτό και χρησιµοποιείται εδώ και αρκετές δεκαετίες και στους εξωλέµβιους κινητήρες. Η αρχή λειτουργίας του είναι απλή και ανάγεται σε βασικές αρχές φυσικής και µαγνητισµού. Το βασικό εξάρτηµα είναι το βολάν ή σφόνδυλος (Φωτ.2 και Φωτ.4) το οποίο βρίσκεται (µε εξαίρεση κάποιους κινητήρες Honda) στο πάνω µέρος του κινητήρα στο άκρο του στροφαλοφόρου άξονα.Το βολάν ενδέχεται να είναι καλυµµένο (Φωτ.5) ή ακάλυπτο (Φωτ.2 και Φωτ.4). Το βολάν είναι ένας βαρύς µεταλλικός δίσκος και ο σκοπός του είναι να µαζεύει καθώς περιστρέφεται κινητική ενέργεια και είναι απαραίτητο εξάρτηµα σε κάθε κινητήρα. Αν π.χ. ένα αυτοκίνητο ενώ κινείται συναντήσει µία ανηφόρα (φορτίο-επιπρόσθετο ζόρι για τον κινητήρα) αν ο κινητήρας δεν είχε βολάν θα έπεφταν απευθείας οι στροφές του κατακόρυφα ενώ µε τη βοήθεια του βολάν συνεχίζει σε ικανοποιητικό βαθµό την πορεία του χωρίς τεράστια απώλεια στροφών. Το ίδιο θα συµβεί και σε ένα εξωλέµβιο όταν το σκάφος διασχίσει ένα έντονο κύµα και ο χειριστής του θα ανοίξει την µανέτα για να ξεπεράσει το έξτρα φορτίο απο τις έντονες τριβές της γάστρας, τον πιο βυθισµένο κινητήρα που εξάγει τα καυσαέρια του δυσκολότερα κτλ. Το βολάν είναι µικρότερο και ελαφρύτερο σε πολυκύλινδρους κινητήρες π.χ. ένας 4χρονος εξακύλινδρος εν σειρά θα έχει µικρότερο και ελαφρύτερο βολάν (Φωτ.6-απο Mercury Verado) απο έναν αντίστοιχου κυβισµού 4κύλινδρο. Γύρω επίσης απο το βολάν υπάρχουν και δόντια γραναζιού για να εµπλακεί η µίζα (Φωτ.2) και να περιστρέψει τον κινητήρα κατά την εκκίνηση. Η σπουδαιότερη όµως εργασία που επιτελείται απο το βολάν είναι ότι από κάτω του στεγάζει το σύστηµα παραγωγής ρεύµατος που χωρίς αυτό τίποτα δεν µπορεί να λειτουργήσει στον βενζινοκινητήρα. Ας δούµε λοιπόν πως παράγει ρεύµα αυτό το περίεργο εκ πρώτης όψης σύστηµα.
Πως παράγεται ηλεκτρική ενέργεια µέσω ενός µανιατό-βολάν;
Το βολάν φέρει εσωτερικά µία σειρά απο µαγνήτες (Φωτ.7). Οι µαγνήτες αυτοί είναι κεραµικοί δηλαδή τριµµένη µαγνητόσκονη που συσσωµατώθηκε σε καλούπι µε αποτέλεσµα να της δοθεί το επιθυµητό σχήµα. Το πιο σηµαντικό απ’ όλα είναι ότι το µανιατό βολάν σαν σύστηµα είναι πραγµατικά αυτοτροφοδοτούµενο. Η µαγνητική δύναµη εγκλωβισµένη εντός των µόνιµων µαγνητών παρέχει από τη φύση της µία αυτονοµία σε ένα αυτοσυντηρούµενο σύστηµα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η δραµατική βελτίωση της τεχνολογίας στο χώρο των κεραµικών µαγνητών τα τελευταία χρόνια κατέστησαν δυνατή την κατασκευή εξαιρετικά ισχυρών µαγνητών (νεοδυµίου) µε απίστευτη για το µέγεθος τους δύναµη. Επίσης η σχεδίαση µε µανιατό βολάν σε αντίθεση µε άλλα συστήµατα χρειάζεται λιγότερο χώρο από άλλα συστήµατα παραγωγής ενέργειας κατά συνέπεια έχουµε χαµηλότερο ύψος στο προστατευτικό κάλυµµα της µηχανής άρα και µικρότερες διαστάσεις της µηχανής σε σχέση µε άλλες µηχανές που χρησιµοποιούν άλλα συστήµατα παραγωγής ενέργειας όπως το αλτερνέιτορ π.χ.
Το φαινόµενο της επαγωγής
Εάν πάρουµε έναν µαγνήτη και τον µετακινήσουµε µπρός πίσω (Σχ.1) µέσα σε ένα πηνίο φτιαγµένο απο σύρµα και συνδέσουµε ένα βολτόµετρο στα άκρα του θα δούµε ότι θα πάρουµε µία τάση. Αυτο το φαινόµενο καλείται ηλεκτροµαγνητική επαγωγή. Κινώντας µπρός πίσω το µαγνήτη αλλάζει η κατεύθυνση της µαγνητικής ροής και κατα συνέπεια ο παραγόµενος ηλεκτρισµός αλλάζει κατεύθυνση και παράγεται εναλλασόµενο ρεύµα (AC) όπως αυτό που παρέχει η ∆ΕΗ στις πρίζες του σπιτιού µας, δηλαδή ρεύµα χωρίς σταθερή πολικότητα σε αντίθεση µε το συνεχές ρεύµα (DC) το οποίο έχει πολικότητα (+ και – δηλαδή) όπως αυτό που παρέχεται απο µία µπαταρία σκάφους η αυτοκινήτου. Τα πηνία είναι ουσιαστικά µονωµένο σύρµα (βερνικωµένο µε διάφανο ειδικό βερνίκι) τυλιγµένα σαν κουβαρίστρες (Φωτ.8) γύρω απο ατσάλινους πυρήνες. Το βολάν όπως είπαµε φέρει εσωτερικά µαγνήτες κατά συνέπεια όπως περιστρέφεται (µε τόσες στροφές όσες και ο κινητήρας) οι µαγνήτες περιστρέφονται (Σχ.2) γύρω απο ένα σύστηµα σταθερών πηνίων (στάτορας-Φωτ.1, Φωτ.8 και Φωτ.9) και έτσι παράγεται εντός των πηνίων ρεύµα λόγω του αναπτυσσόµενου µαγνητικού πεδίου (Σχ.3).
Αυτό γίνεται επειδή ο κάθε µαγνήτης έχει έναν βόρειο (N) και έναν νότιο πόλο (S) οι οποίοι περνούν ταχύτατα και εναλλασσόµενα µπροστά απο τους σιδερένιους πυρήνες-πόλους γύρω απο τους οποίους έχει τυλιχτεί σύρµα σχηµατίζοντας πηνία. Με αυτόν τον τρόπο το εναλλασόµενο ρεύµα που παράγεται στα πηνία µπορεί να διατεθεί για κατανάλωση αφού πρώτα γίνει συνεχές µέσω ενός ανορθωτή καθώς τα ηλεκτρικά εξαρτήµατα του κινητήρα λειτουργούν µε συνεχές ρεύµα (DC) όπως θα αναλύσουµε σε επόµενο άρθρο.
Στα συστήµατα µανιατό βολάν ,είναι δυνατή η εναλλαγή διάταξης των ηλεκτρολογικών συνδέσεων των πολλαπλών περιελίξεων (χαλκόσυρµα τυλιγµένο σε σπείρες) των πηνίων καθώς µεταβάλλονται οι στροφές του κινητήρα. Στις χαµηλές στροφές λειτουργίας του κινητήρα οι περιελίξεις δύνανται να συνδεθούν εν σειρά έτσι ώστε να αρχίσουν να παράγουν γρήγορα ρεύµα απο πολύ χαµηλές στροφές ανα λεπτό. Αυτό τους επιτρέπει να παράγουν αρκετό ρεύµα σε περίπτωση χειροκίνητης εκκίνησης ανάγκης της µηχανής (µε σχοινί) και αυτή να πάρει εµπρός χωρίς τη βοήθεια της µπαταρίας. Επίσης παρέχει επαρκή τάση εξόδου για να αρχίσει η διαδικασία φόρτισης της µπαταρίας από σχετικά χαµηλές στροφές του κινητήρα. Παρ’ όλα αυτά καθώς οι στροφές του κινητήρα αυξάνονται τα πηνία χάνουν σε απόδοση, και το ρεύµα εξόδου τους περιορίζεται.
Σε αυτή τη φάση είναι δυνατή η ηλεκτρονικά ενεργοποιούµενη επαναδιάταξη τους σε παράλληλη σύνδεση. Με αυτόν τον τρόπο µας δίδεται µία αξιοσηµείωτη ενίσχυση του συστήµατος όσον αφορά την έξοδο ρεύµατος στις υψηλότερες στροφές, µία έξοδο ρεύµατος σαφώς καλύτερη από αυτήν ενός αλτερνέιτορ. Η Bombardier χρησιµοποιεί την παραπάνω εξωτική λύση στον στάτορα (Φωτ.10) των εξωλέµβιων E-TEC. Κάτω από τις 1800 RPM τα τυλίγµατα του στάτορα ενώνονται εν σειρά για να µεγιστοποιήσουν την έξοδο τάσης ενώ πάνω από 1800 RPM ενώνονται ηλεκτρικά εν παραλλήλω για να µεγιστοποιήσουν την έξοδο του ρεύµατος. Μερικές σύγχρονης σχεδίασης εξωλέµβιοι όπως οι 25άρηδες Tohatsu και Mercury-Mariner διαθέτουν σταθεροποιηµένα ηλεκτρολογικά συστήµατα σε τέτοιο βαθµό που υποστηρίζουν άνετα ένα σύστηµα ψεκασµού καυσίµου χωρίς την ανάγκη µπαταρίας.
Πόσο ρεύµα µπορεί να παράγει η γεννήτρια του κινητήρα µου;
Είναι προφανές ότι οι µεγάλης ιπποδύναµης κινητήρες µπορούν να παράγουν σαφώς µεγαλύτερα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας απο τους µικρότερους και οι λόγοι είναι αρκετοί. Η σχεδίαση του όλου συστήµατος αλλά και των διαφόρων εξαρτηµάτων αλλάζει δραµατικά την ικανότητα παραγωγής ρεύµατος βάσει πλειάδας παραγόντων όπως ο αριθµός των µαγνητών και η δύναµη τους καθώς και η απόσταση τους από τα πηνία, ο αριθµός των σπειρών σε κάθε πηνίο και ο συνολικός αριθµός τους καθώς και το πόσο λεπτό η χοντρό είναι το σύρµα της περιέλιξης σε κάθε πηνίο.
Επειδή δεν έχουµε ακόµη βρεί τρόπο να παράγουµε ενέργεια χωρίς κόστος είναι λογικό ότι η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται απο το βολάν «κλέβει» τµήµα της ιπποδύναµης του κινητήρα καθώς 1 ίππος (PS) = 750 Watts. Αυτά όµως δεν τα παίρνουµε «καθαρά» επειδή υπάρχουν σύνθετης µορφής απώλειες όπως απώλειες υλικού π.χ. χαλκού των πηνίων, σιδήρου των οπλισµών των πηνίων, απώλειες ανεµισµού λόγω της τριβής του αέρα στο περιστρεφόµενο βολάν, δινορεύµατα, µόνωση των πηνίων µε βερνίκι,κερί,πλαστικό και άλλοι παράγοντες.
Οι περισσότεροι στους κύκλους που ασχολούνται µε ισχυρά ηχητικά συστήµατα αυτοκινήτων γνωρίζουν ότι ένα µεγαλύτερο αλτερνέιτορ (δυναµό) απαιτείται για να φορτίσει τις έξτρα µπαταρίες στον χώρο των αποσκευών µε αντίστοιχο κόστος στην ιπποδύναµη καθώς κινείται µε ιµάντα. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε τέτοιες εφαρµογές δυστυχώς για εµάς ακόµη έχει κόστος.
Η έξοδος ρεύµατος και οι καταναλώσεις
Ολοι οι κατασκευαστές παλεύουν να αυξήσουν την έξοδο ρεύµατος των κινητήρων τους έτσι ώστε να µπορεί ο χειριστής τους να διαθέτει το περισσευούµενο ρεύµα για αξεσουάρ και διάφορες άλλες καταναλώσεις όπως και για φόρτιση των µπαταριών. Μερικοί κινητήρες µεγαλύτερης ιπποδύναµης διαθέτουν διπλές εξόδους έτσι ώστε να µπορούν να φορτίζονται δύο µπαταρίες ταυτόχρονα.
Είναι προφανές ότι σε περίπτωση που δεν υπάρχουν κυκλώµατα για τη φόρτιση δύο µπαταριών θα πρέπει να τοποθετηθεί κεντρικός διακόπτης τύπου (OFF-1-2-1+2-Φωτ.11) ή (ON-OFF-BOTH) και να φορτίζεται πότε η µία µπαταρία και πότε η άλλη ειδάλλως ταλαιπωρείται πολύ το όλο σύστηµα όταν οι µπαταρίες έχουν µεγαλύτερη χωρητικότητα απο αυτή που προβλέπει ο κατασκευαστής στο εγχειρίδιο χρήσης και µπορεί να προκληθούν βλάβες.
Ο κατασκευαστής συνήθως προτείνει µία συγκεκριµένης χωρητικότητας µπαταρίας σε Αµπερώρια (π.χ. 50Αh) και σε περίπτωση που λειτουργεί ο κινητήρας σε πολύ κρύο περιβάλλον προτείνεται µία λίγο µεγαλύτερη (π.χ. 60-65Αh) καθώς η χωρητικότητα της µπαταρίας πέφτει κατά 15% περίπου σε κρύο καιρό, εξ ού και οι αυξηµένες κλήσεις στις εταιρείες οδικής βοήθειας το χειµώνα. Εάν εµείς έχουµε αυξηµένες καταναλώσεις και ο κινητήρας είναι µικρός και µε αντίστοιχα µικρή έξοδο ρεύµατος τότε θα πρέπει να στραφούµε σε άλλες λύσεις όπως εξωτερική φόρτιση των µπαταριών απο το σπίτι και µεταφορά τους στο σκάφος ή µε κάποιον φορτιστή επι του σκάφους που παίρνει ρεύµα AC απο το κολωνάκι στο ντόκο, είτε µικρή βενζινοκίνητη ή άλλου τύπου γεννήτρια ρεύµατος είτε φωτοβολταικά και ανεµογεννήτρια είτε άλλη µέθοδο.
Μικροί κινητήρες µε εκκίνηση κορδονιέρας ενδέχεται να µην διαθέτουν σύστηµα για παραγωγή ρεύµατος ή ανορθωτή έτσι ώστε να µπορούν να φορτίσουν µία µικρή µπαταρία αλλά σε αυτές τις περιπτώσεις συνήθως ο κατασκευαστής έχει προβλέψει κάποιο κίτ µε ανορθωτή το οποίο µπορεί να αγοραστεί και να τοποθετηθεί προαιρετικά.
Πως θα δώ εάν περισσεύει ρεύµα για τις καταναλώσεις µου;
Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να αθροιστούν προσεκτικά οι καταναλώσεις και να δούµε πόσα Βάτ (Watt) απαιτούνται και αν αυτα µπορεί να τα υποστηρίξει η γεννήτρια µανιατό βολάν του κινητήρα. Αν παράδειγµα ο κινητήρας µας παράγει 500 Watt και οι καταναλώσεις µας ξεπερνούν αυτό το ποσοστό και είναι π.χ. 800 W τότε το ρεύµα για τη λειτουργία τους θα αντληθεί απο την ή τις µπαταρίες µας κάτι που σηµαίνει ότι θα τις αποφορτίσει έντονα.
Καλό είναι να µην λειτουργούµε όλες µαζί τις καταναλώσεις αλλά περιοδικά π.χ. θα ήταν ταλαιπωρία για τα ηλεκτρολογικά µας να λειτουργεί ταυτόχρονα το ηχοσύστηµα, µία αντλία ντούς, ένας ηλεκτρικός εργάτης άγκυρας κτλ όταν τα Watt που παράγει ο κινητήρας µας δεν είναι αρκετά. Ο µηχανικός σας ή ο ηλεκτρολόγος σας θα µπορέσει να σας πεί κατά πόσο οι καταναλώσεις σας είναι ενεργοβόρες και αν καλύπτονται επαρκώς απο την γεννήτρια µανιατό-βολάν του κινητήρα σας. Ενας χονδρικός τρόπος είναι να πολλαπλασιάσετε τα Αµπέρ που δηλώνει ο κατασκευαστής επί 12 Volt και να βρείτε τα Watt π.χ. ο κατασκευαστής δηλώνει έξοδο ρεύµατος 30Α επί 12V άρα η έξοδος είναι 360 Watt. Εδώ όµως υπάρχουν και κάποιοι περιορισµοί καθώς αυτά τα Watt δεν είναι διαθέσιµα στις χαµηλές και µέσες στροφές, κατά συνέπεια ο κινητήρας µας στο ρελαντί στο παραπάνω παράδειγµα µπορεί να έβγαζε µόνο 5 Αµπέρ (60W), στις 1500 rpm περίπου 10Αµπέρ (120W) και στις 4000 25 Αµπέρ (300W) άρα επειδή δεν κινούµαστε συνεχώς µε φούλ γκάζι θα πρέπει να φροντίζουµε ώστε οι καταναλώσεις να καλύπτονται µε όσο ρεύµα µας διατίθεται σε ταχύτητες ταξιδίου.
Οι προσπάθειες των κατασκευαστών για αρκετό ρεύµα απο το ρελαντί. Οι κατασκευαστές σε µία προσπάθεια να έχουν υψηλή έξοδο ρεύµατος απο τις χαµηλές στροφές λόγω των παραπάνω συνθηκών κατασκεύασαν συστήµατα όπου έχουν υψηλή έξοδο ρεύµατος ήδη απο τις στροφές ρελαντί. ∆ηλαδή π.χ. ένα σύστηµα σε κάποιον κινητήρα που παράγει 30 Αµπέρ στις 5500 rpm να µπορεί να παράγει 20 Αµπέρ στο ρελαντί. Εδώ βέβαια υπάρχει και ένα άλλο θέµα, η δηλωθείσα έξοδος και η πραγµατικά διαθέσιµη έξοδος ρεύµατος.
Κάποιοι κατασκευαστές ανακοινώνουν µόνο την έξοδο ρεύµατος σε Αµπέρ (Α) χωρίς να αναφέρουν πόσο απο αυτή είναι διαθέσιµη για καταναλώσεις και φόρτιση µπαταριών. Ολοι οι κινητήρες και κυρίως αυτοί µε ψεκασµό έχουν πολλές εσωτερικές καταναλώσεις καθώς απορροφάται ρεύµα για µπέκ, εγκεφάλους, αισθητήρες, σερβοµοτέρ, πάουερ τρίµ κτλ κατά συνέπεια η διαθέσιµη ενέργεια περιορίζεται.
Αρα το σωστό είναι να δηλώσει ο κατασκευαστής πόσα Αµπέρ ρεύµατος είναι διαθέσιµα π.χ να δηλώνει συνολική έξοδο ρεύµατος 40 Αµπέρ εκ των οποίων τα 28 είναι διαθέσιµα, όποτε θα δεί άµεσα ο ενδιαφερόµενος χειριστής ότι η διαθέσιµη έξοδος ρεύµατος για µπαταρίες και αξεσουάρ είναι 28Α x 12V = 336W και όχι 480W (40A x 12V).
