Alternator w silniku jachtowym

Na stronie internetowej kpt. Kulińskiego czytamy: Gdzie te czasy, kiedy poczciwy, masywny, prosty silnik Volvo-Penta MD-1, określany jako "idiotenfest" był (albo i nie był) wyposażony w  prądnicę prądu stałego, którą w nadgodzinach zmuszana była do pełnienia także funkcji rozrusznika? Urządzenie "dyno-starter", równie proste i niezawodne jak sam silnik. A silnik miał korbę, odprężnik i bardzo ciężkie koło zamachowe. Nic nie miało prawa się popsuć i wszystko to żyło dłużej niż niejeden jego użytkownik. I dziewczyny latem chodziły w zwiewnych sukienkach. To znana śpiewka starych ludzi. Wy też kiedyś będziecie starzy. A teraz poczytajcie co nam przyniosła nowa technika. Tadeusz Lis odnotowuje przypadki chuligaństwa nawet wśród alternatorów.

Żyjcie wiecznie !

Don Jorge

___________________________ 

O chuligańskich zachowaniach regulatorów napięcia w warunkach jachtowych

Poprzedni odcinek poświęciliśmy pomysłom adaptacji standardowych alternatorów samochodowych do pracy na naszych jachtach. Starałem się Was przekonać do tego pomysłu, bo starannie zmarynizowany alternator samochodowy jest około 4-5 razy tańszy niż kolega zdjęty z półki z napisem marine.

Niestety jesteśmy dopiero w połowie drogi – sposób, w jaki jest on standardowo regulowany bardzo ogranicza możliwość jego sensownego użycia na naszym prywatnym jachcie. Dlaczego? Pochylmy się uważnie nad poniższym rysunkiem.

Jak pisałem poprzednio apetyt akumulatora zależy od stopnia jego nienasycenia – w czym przypomina homo sapiens. Przyjrzyjmy się teraz czego pożąda rozładowany do maksimum 50% akumulator (jak radzi w "Praktyce Bałtyckiej" Don Jorge). Przyjmujemy, że mamy typowy alternator samochodowy, w którym regulator napięcia odcina ładowanie przy stałym napięciu 13.6 V.

Na początku jest karmiony 17 amperami (z małym ogonkiem) – proces pozyskiwania energii postępuje żwawo do przodu. Ale akumulator po zaspokojeniu pierwszego głodu systematycznie zmniejsza swoją żarłoczność i osiągnąwszy 75% stanu jest w stanie łyknąć tylko około 7 A (patrz wykres). Co to oznacza? Że przez godzinę był średnio karmiony prądem 10 A...Smutne, choć w rzeczywistości jest trochę lepiej bo spadek prądu nie jest do końca liniowy. Ale my już mamy za sobą godzinę siedzenia w hałasie silnika, litr+ ropy do tyłu i w najlepszym razie akumulator nakarmiony w ¾ (raczej aż tyle nie osiągniemy). A co dalej? Dalej jest już tylko gorzej. Zauważmy, że gdy akumulator zbliża się do 100% swojej pojemności jest skłonny przyjąć tylko cieniutki strumyczek prądu na poziomie 1 A – czyli 17 razy mniejszy niż wtedy, gdy rzucił się wygłodniały całodobową pracą na życiodajne amperogodziny płynące z zacisków alternatora.

Wniosek? Żeby go w pełni naładować musielibyśmy poświęcić na to długie godziny pracy bardzo mało obciążonego silnika – co na jachcie żaglowym jest zupełnie nierealistyczne. I niestety tak wygląda życie na większości znanych mi jachtów. Utrzymując dobrą dyscyplinę wachtową codziennego uruchamiania silnika o określonej porze (użytkownicy, komórek, aparatów, kamer i odtwarzaczy przenośnych DVD – szturmujcie przykojowe gniazda zapalniczek!) będziemy mieli do dyspozycji faktycznie 20-30% nominalnej pojemności naszego niemałego banku baterii. Uważam, że to nad wyraz smutne,  a moje zdanie w pełni podziela nienasycony kompresorek lodówki do spółki notebookiem nawigacyjnym.

Spróbujmy poprawić tę sytuację zauważając następującą prawidłowość (patrz wykres). 17,5 A pompowane pod kontrolą regulatora napięcia przy 13.6 V to nie jest źle. Ale jak pamiętacie z poprzedniego artykułu, nowoczesny akumulator wytrzymuje ładowanie prądem, który wynosi od 25 do 50% jego pojemności (starsze, kwasowe o elektrolicie płynnym bliżej 25% - bez zaworów typu Hydro Cap). Zatem może wybierzmy alternator z regulatorem ustawionym na 14.4V?

Wtedy dla rozładowanego alternatora pompowane jest 35 A, a nie 17,5, jak poprzednio. Trochę za dużo? Nie – gdyż ten prąd stosunkowo szybko zmaleje. Niestety – gdy akumulator zbliża się do 100% prąd maleje do 2 A – co cały czas jest wartością poniżej naszych oczekiwań.

Ale jest lepiej – wniosek? Weźmy regulator ustawiony na 14.4V. Niestety nie jest tak dobrze. Wyobraźmy sobie, że nasz wspaniały urlop w Zatoce Botnickiej zostaje przerwany SMS-em „Wracaj natychmiast do firmy!". A prognoza na 3 następne doby 1-1.5 B.

Odpalamy silnik i gnamy z powrotem (po odrzuceniu opcji autobusowo, samolotowo, promowej). I tu zaczyna się dramat, ponieważ z dużym prawdopodobieństwem nasz akumulator pod koniec pierwszej doby JAKO delikwent zachowuje się NICZYM przekarmione niemowlę – tu mu coś się odbije, zacznie się gazowanie, a na koniec prędzej czy później rzygnie gotującym się elektrolitem po czym jego zwłoki staną się już wyłącznie przedmiotem pożądania wampirów-złomożerców.

To może jednak zostać przy nastawie 13.6V? Niestety, agonia akumulatora będzie nieco dłuższa, tym nie mniej zejdzie on w smutku z tego świata z powodu zasiarczenia stale niedokarmionych płyt (pamiętamy o zjawisku samorozładowania się akumulatora).

Co zrobić? Jest kilka rozwiązań. Zacznijmy od najprostszego. Zakładam, że poszliście za moją sugestią kupna taniego, regenerowanego alternatora – który każecie w procesie regeneracji zmarynizować według wskazówek z SSI (warsztaty z którymi współpracowałem robią to z radością, traktując to jako miłe urozmaicenie monotonii codziennej linii produkcyjnej).  

Ale do Waszego zamówienia (nigdy nie chciano ode mnie za to większych pieniędzy) wprowadzimy dwa małe ulepszenia. Oto one:

1. Po pierwsze, poprosimy, aby regulator napięcia (stały – gdyż proponowane wersje uporządkujemy od najtańszej do najdroższej – ale też o największej funkcjonalności) został wraz z radiatorem wyprowadzony na zewnątrz. Regulator powinien mieć możliwie wysokie napięcie – ale nie większe niż 15.5 V (dla banku większego niż 300Ah – 16V). Skąd taki wziąć? Można je kupić w zakładach, które instalują systemy car-audio dużej mocy.

Tutaj przykład takiego regulatora i jak go zamontować http://www.youtube.com/watch?v=uaNB_pBfNO8

2. Po drugie poprosimy, aby w środku naszego alternatora został zamontowany termistor – malutka pastylka, która pod swoim wpływem zmienia swoją oporność –patrz foto poniżej (na razie nie będzie nam potrzebna – ale jeżeli nie jesteście pasjonatami, to częste rozbieranie alternatora może nie być źródłem stałe radości)

Teraz w szereg z zasilaniem szczotek przez regulator włączymy wyłącznik z sygnalizacją położenia otwartego z migającą diodą. Chodzi o to, abyśmy zapobiegając przeładowaniu akumulatora (sytuacja rzadka) nie zapomnieli zostawić rozłączonego ładowania. Kiedy rozłączamy ładowanie? Gdy napięcie na akumulatorze mierzone precyzyjnym miernikiem cyfrowym z czerwonym wyświetlaczem (praktyka morska) zacznie się zbliżać do 15-15.2V. Taki woltomierz (patrz foto) musi być widoczny z kokpitu.

Oczywiście to rozwiązanie ma sens na naszym prywatnym jachcie – który czuje się przez nas kochany i zaopiekowany. Czy jest doskonałe? Niestety nie – istnieje pewne ryzyko, że alternatorach o większych mocach (których instalację Wam doradzam) magnetyzm szczątkowy twornika będzie wystarczający, aby wygenerować pewne napięcie – ale będzie ono na tyle małe, że nie zaszkodzi ono akumulatorowi. Najlepiej byłoby jednocześnie pamiętać o wyłączeniu ładowania głównym wyłącznikiem. Kłopotliwe? Tak. Gdy będziemy zrelaksowani – wszystko w porządku. Ale w stresie pośpiechu – niekoniecznie. Dlatego lepiej byłoby zainwestować jeden przełączników tego typu (tutaj produkowany przez BlueSea). Mają one w opisach technicznych skrót AFD – czyli Alternator Field Disconnect:

Dokładne numery katalogowe znajdziecie tutaj: http://bluesea.com/category/78/1/productline/3 Ich średni koszt to około 35 USD – i to jest to miejsce instalacji w której nie oszczędzamy na kosztach. Nieprzekonanych odsyłam do postu Kolegi Mariusza pod tym artykułem http://www.kulinski.navsim.pl/art.php?id=2124&page=0

Jak taki przełącznik włączamy w obwód regulatora? Patrz rysunek poniżej. Proste i eleganckie, prawda?

Czy są jakieś inne zalety tego rozwiązania? Tak. Opisałem sytuację, gdy obserwując woltomierz wpięty (uwaga!) bezpośrednio w zaciski alternatora widzimy, że napięcie w nim osiąga maksymalną wartość. Ale mamy też inną sytuację. Wyobraźmy sobie, że nasz 120-150 amperowy alternator jest napędzany przez jednocylindrowe VOLVO-PENTA, FARYMANNY lub LISTERY. Jednocześnie nasz akumulator wykazuje 10V (trudno, zagapiliśmy się). Jeżeli przed nami jest wejście w główki portu przy dużej fali to zabranie połowy mocy efektywnej z silnika nie jest najlepszym pomysłem – wtedy również (choć z innego powodu) odcinamy prąd wzbudzenia – w związku z tym silnik oddaje nam swoją pełną moc na wał.

Rozwiązanie jest proste, tanie i skuteczne – o ile ufamy swojemu nawykowi kontrolowania przyrządów. Czy ten układ można zautomatyzować za niewielkie pieniądze? Tak. Wystarczy, że zastosujemy gotowy układ mierzący temperaturę akumulatora (działająca płytka bez obudowy kosztuje około 20 zł), który po osiągnięciu przez akumulator – powiedzmy 40 stopni odetnie nam przez przekaźnik prąd wzbudzenia. Czy trzeba rozbierać akumulator? Oczywiście, że nie. Ze względu na relatywnie dużą masę metalowego terminala wystarczy, że przymocujecie do niego termistor – nie jest to mechanicznie trudne. Takie układziki mają zazwyczaj dwa malutkie potencjometry, którymi ustawiamy tzw., histerezę załączania – czyli temperaturę dolną i górną. Przykładowo chroniąc nasze akumulatory będziemy odcinać ładowanie przy 37 stopniach i załączać ponownie – powiedzmy przy 42. Dlaczego tak – ponieważ w ten sposób pozwalamy zajść właściwym reakcjom w masie porowatej wypełniającym płyty w celach akumulatora. Tutaj przykład gotowego układu z wyświetlaczem firmy Szkoper  http://allegro.pl/termostat-elektroniczny-regulator-temperatury-7v2-i2904367048.html (70 zł patrz foto), ale można też użyć tańszego rozwiązania – na przykład takiego http://allegro.pl/regulator-temperatury-termostat-elektroniczny-3-11-i2898137488.html (19 zł).

Można użyć też wersji do montażu na naszym panelu nawigacyjnym – ma starannie wykonaną obudowę i czytelnie opisane przyciski:

Piszę o tym tak obszernie, gdyż sterowniki te wykorzystamy budując na naszym jachcie energooszczędną chłodziarkę oraz robiąc zabezpieczenia termiczne silnika wysokoprężnego oraz skrzynki przekładniowej.

Wracamy do głównego wątku. Problem z chuligańskimi zachowaniami prymitywnych regulatorów samochodowych (mówimy w żargonie – dwustanowych, gdyż potrafią jedynie włączać i wyłączać ładowanie akumulatora został dostrzeżony w świecie producentów alternatorów i regulatorów do zastosowań jachtowych. Opiszemy działanie takiego regulatora na przykładzie przebiegu ładowania zrealizowanego przez wyrafinowany, mikroprocesorowy regulator ARS-5 Balmara – nazwa handlowa Max Charge  (jest kilku poważnych producentów tego typu elektroniki – cenię sobie bardzo VICTRON'a oraz XANTREX'a – chociaż ceny tych urządzeń niewątpliwie nie były optymalizowane pod kątem ich powszechnej dostępności...).

Tak wygląda tego typu regulator:

Aby zrozumieć wbudowaną w mały, mikroprocesorowy móżdżek inteligencje musimy dobrze zrozumieć idealny cykl ładowania akumulatora. Prześledzimy to na przykładzie prostownika  ID CHARGER 22 sprzedawanego przez firmę MAR Spółka Jawna. Wygląda on następująco:

Zwróćmy uwagę, że zwykły regulator napięcia typu samochodowego zachowuje się w porównaniu z nim co najmniej prostacko. Faktycznie cykl w ARS-5 jest bardziej wyrafinowany. Oto on:

Najważniejsze jest zrozumienie logiki działania sterownika. Obejmuje ona kilka charakterystycznych faz. Po uruchomieniu silnika ładowanie zaczyna się minimalnym opóźnieniem – to pozwala zimnemu silnikowi stabilnie osiągnąć bez obciążenia obroty równej pracy biegu jałowego.

Potem łagodnie rośnie prąd ładowania (zmniejszając poślizg paska napędowego), aż do osiągnięcia pierwszej fazy agresywnego ładowania dużym prądem spragnionego alternatora (14.5 -14.6V). Zachowanie akumulatora jest podstawą do korekty prądu (calculated bulk – zwykle około 14.1-14.4V), żeby przejść potem do fazy float (13.6), itd.

Taki sposób pozwala całkowicie bezpiecznie naładować z krótko pracującego silnika jachtowego nasz bank akumulatorów praktycznie do 100%.

Jakie najważniejsze funkcje posiada tego typu regulator?

1.      Możliwość wyboru jednego z 5 programów to jest: Universal (domyślny), Gel, Absorbed Glass Mat, Deep Cycle Flooded, Spiral Wound (Optima)

2.      Rozbudowane funkcji diagnostyki układu (awarie regulatora, alternatora, akumulatora)

3.      Możliwość ustawienia obciążenia silnika spalinowego (paska przeniesienia napędu)

4.      Korektę temperaturową sygnałem pobieranym z alternatora

5.      Korektę temperaturową sygnałem pobieranym z alternatora

Ma też ciekawą funkcję Small Engine Mode, która pozwala za pomocą dodatkowego przełącznika zmniejszyć moc pobieraną przez silnik – patrz wcześniejszy opis. Czy taki alternator możemy podłączyć do zmarynizowanego przez nas dowolnego, popularnego alternatora Bosha, np. z Audi A4, który sugerowałem w poprzednich artykułach? Wystarczy, że w czasie marynizacji wyprowadzimy przewody doprowadzające prąd do wirnika na zewnątrz (koniecznie przez małą dławiczkę gumową, aby się nie przetarły

Tutaj można znaleźć ciekawy opis instalacji 

Jaki jest koszt takiego regulatora? Niestety loco Polska 350-400 USD. To jest niewątpliwie zła wiadomość. Ale wydaje mi się, że szukając bardziej efektywnego kosztowo rozwiązania dla Czytelników SSI wpadliśmy z Jurkiem na elegancki pomysł o większej funkcjonalności na naszych prywatnych jachtach.

Żeby zrozumieć jego istotę musimy nie zmniejszyć – ale zwiększyć wymagania odnośnie inteligencji naszego regulatora – a ściślej, sposobu w jaki zagwarantujemy pełne naładowanie naszych baterii w rejsie morskim pod żaglami.

O tym w następnym artykule.