Стартер (также самостартер , пусковой двигатель или стартерный двигатель ) — это устройство, используемое для вращения (запуска) двигателя внутреннего сгорания , чтобы инициировать работу двигателя за счет собственной энергии. Стартеры могут быть электрическими , пневматическими или гидравлическими . Стартером также может быть другой двигатель внутреннего сгорания, например, в случае очень больших двигателей или дизельных двигателей в сельскохозяйственных или землеройных применениях. [1]
Двигатели внутреннего сгорания являются системами обратной связи, которые после запуска полагаются на инерцию каждого цикла для запуска следующего цикла. В четырехтактном двигателе третий такт высвобождает энергию из топлива, питая четвертый (выпускной) такт, а также первые два (впуск, сжатие) такта следующего цикла, а также питая внешнюю нагрузку двигателя. Чтобы запустить первый цикл в начале любого конкретного сеанса, первые два такта должны питаться каким-то иным способом, нежели от самого двигателя. Для этой цели используется стартер, и он не требуется, как только двигатель начинает работать, и его контур обратной связи становится самоподдерживающимся.
До появления стартера двигатели запускались различными способами, включая заводные пружины, пороховые цилиндры и методы с использованием человеческой силы, такие как съемная рукоятка , которая зацеплялась за переднюю часть коленчатого вала, вытягивание пропеллера самолета или вытягивание шнура, намотанного на открытый шкив.
Метод ручного запуска обычно использовался для запуска двигателей, но он был неудобен, сложен и опасен. Поведение двигателя во время запуска не всегда предсказуемо. Двигатель может отскочить назад, вызывая внезапное обратное вращение. Многие ручные стартеры включали однонаправленное положение скольжения или отпускания, так что как только вращение двигателя начиналось, стартер отключался от двигателя. В случае отскока обратное вращение двигателя могло внезапно включить стартер, заставляя рукоятку неожиданно и резко дергаться, что могло травмировать оператора. В случае шнуровых стартеров отдача могла тянуть оператора к двигателю или машине или вращать шнур стартера и рукоятку на высокой скорости вокруг шкива стартера. Несмотря на то, что у рукояток был механизм принудительного хода , при запуске двигателя рукоятка могла начать вращаться вместе с коленчатым валом и потенциально ударить человека, запускающего двигатель. Кроме того, необходимо было соблюдать осторожность, чтобы замедлить искру , чтобы предотвратить обратный удар ; при более ранней настройке зажигания двигатель может отскочить назад (работать в обратном направлении), потянув за собой коленвал, поскольку механизм безопасности принудительного холостого хода работает только в одном направлении.
Хотя пользователям рекомендовалось подкладывать пальцы и большой палец под рукоятку и тянуть вверх, операторам казалось естественным держать рукоятку пальцами с одной стороны, а большим пальцем с другой. Даже простая обратная вспышка могла привести к перелому большого пальца; можно было получить сломанное запястье , вывих плеча или что-то похуже. Более того, все более крупные двигатели с более высокой степенью сжатия делали ручную прокрутку более физически сложной задачей.
Первый электрический стартер был установлен на Arnold , модификации Benz Velo, построенной в 1896 году в Ист-Пекхэме , Англия , инженером-электриком Х. Дж. Доусингом. [2]
В 1903 году Клайд Дж. Коулман изобрел и запатентовал первый электрический стартер в Америке (патент США 0,745,157) . [3]
В 1911 году Чарльз Ф. Кеттеринг совместно с Генри М. Леландом из Dayton Engineering Laboratories Company ( DELCO ) изобрели и подали патент США № 1 150 523 на электрический стартер в Америке. (Пять лет назад Кеттеринг заменил ручную рукоятку на кассовых аппаратах NCR на электродвигатель.)
Один из аспектов изобретения заключался в осознании того, что относительно небольшой двигатель, приводимый в действие более высоким напряжением и током, чем это было бы возможно для непрерывной работы, мог бы вырабатывать достаточно мощности для проворачивания двигателя для запуска. При требуемых уровнях напряжения и тока такой двигатель сгорал бы за несколько минут непрерывной работы, но не за несколько секунд, необходимых для запуска двигателя. Стартеры были впервые установлены на Cadillac Model Thirty в 1912 году, и та же система была принята Lanchester позже в том же году. [4] Эти стартеры также работали как генераторы, когда двигатель работал, концепция, которая сейчас возрождается в гибридных транспортных средствах .
Хотя электростартер должен был доминировать на автомобильном рынке, в 1912 году существовало несколько конкурирующих типов стартеров, [4] при этом автомобили Adams, SCAT и Wolseley имели прямые воздушные стартеры, а Sunbeam представил воздушный стартер с аналогичным подходом, который использовался для электрических стартеров Delco и Scott-Crossley (т. е. зацепление с зубчатым кольцом на маховике). Автомобили Star и Adler имели пружинные двигатели (иногда называемые часовыми двигателями), которые использовали энергию, накопленную в пружине, приводимой в движение через редуктор. Если автомобиль не заводился, ручку стартера можно было использовать для взвода пружины для следующей попытки.
Одним из нововведений в первом автомобиле Dodge , Model 30-35, при его представлении в 1914 году был электрический стартер и электрическое освещение с 12-вольтовой системой (против шести вольт, которые были обычными в то время) в качестве стандартного оборудования на относительно недорогом автомобиле. Dodge использовал комбинированный стартер-генераторный блок с динамо-машиной постоянного тока , постоянно соединенной шестернями с коленчатым валом двигателя. Система электрических реле позволяла ему работать как двигателю для вращения двигателя для запуска, и как только кнопка стартера была отпущена, управляющее распределительное устройство возвращало блок в режим работы генератора. Поскольку стартер-генератор был напрямую соединен с двигателем, ему не требовался метод включения и отключения привода двигателя. Таким образом, он подвергался незначительному механическому износу и был практически бесшумным в работе. Стартер-генератор оставался особенностью автомобилей Dodge до 1929 года. Недостатком конструкции было то, что, будучи устройством двойного назначения, блок был ограничен как по своей мощности как двигатель, так и по выходу как генератор, что стало проблемой, поскольку размер двигателя и электрические требования к автомобилям увеличились. Управление переключением между режимами двигателя и генератора требовало специального и относительно сложного распределительного устройства, которое было более склонно к отказам, чем сверхпрочные контакты специального стартера. Хотя стартер-генератор вышел из моды для автомобилей к 1930-м годам, эта концепция все еще была полезна для небольших транспортных средств и была подхвачена немецкой фирмой SIBA Elektrik , которая построила похожую систему, предназначенную в основном для использования на мотоциклах, скутерах, экономичных автомобилях (особенно тех, которые имели малолитражные двухтактные двигатели ) и судовых двигателях. Они продавались под названием «Dynastart». Поскольку мотоциклы обычно имели небольшие двигатели и ограниченное электрооборудование, а также ограниченное пространство и вес, Dynastart был полезной функцией. Обмотки стартер-генератора обычно встраивались в маховик двигателя, поэтому отдельного блока вообще не требовалось.
Ford Model T использовал ручные заводные рукоятки до 1919 года; в 1920-х годах электрические стартеры стали почти универсальными на большинстве новых автомобилей, что облегчило вождение для женщин и пожилых людей. Автомобили по-прежнему были обычным явлением в 1960-х годах, и это продолжалось гораздо позже для некоторых марок (например, Citroën 2CV до конца производства в 1990 году). Во многих случаях заводные рукоятки использовались для установки времени, а не для запуска двигателя, поскольку растущие рабочие объемы и степени сжатия делали это непрактичным. Автомобили коммунистического блока, такие как Ladas, часто все еще щеголяли заводными рукоятками вплоть до 1980-х годов.
Для первых образцов серийных немецких турбореактивных двигателей позднее, во время Второй мировой войны, Норберт Ридель спроектировал небольшой двухтактный оппозитный бензиновый двигатель для запуска газовых турбин самолетов Junkers Jumo 004 и BMW 003 в качестве вспомогательной силовой установки для вращения центрального шпинделя каждой конструкции двигателя. Обычно они устанавливались в самой передней части турбореактивного двигателя и сами запускались с помощью тягового троса, который приводил их в действие во время процедуры запуска реактивных двигателей, на которых они были установлены.
До изобретения Chrysler в 1949 году комбинированного переключателя зажигания и стартера с ключом [5] стартер часто включался водителем, нажимающим кнопку, установленную на полу или на панели приборов. Некоторые автомобили имели педаль в полу, которая вручную включала шестерню привода стартера с зубчатым венцом маховика, а затем замыкала электрическую цепь на стартер, как только педаль достигала конца своего хода. Тракторы Ferguson 1940-х годов, включая Ferguson TE20 , имели дополнительное положение на рычаге переключения передач, которое включало переключатель стартера, обеспечивая безопасность, предотвращая запуск трактора на передаче. [6]
Электростартер или пусковой двигатель — наиболее распространенный тип, используемый в бензиновых двигателях и небольших дизельных двигателях. Современный стартер — это либо постоянный магнит, либо последовательно - параллельный электродвигатель постоянного тока с установленным на нем соленоидом стартера (похожим на реле ). Когда постоянный ток от пусковой батареи подается на соленоид, обычно через ключевой переключатель («замок зажигания»), соленоид включает рычаг, который выталкивает ведущую шестерню на приводном валу стартера и зацепляет шестерню с зубчатым венцом стартера на маховике двигателя. [7]
Соленоид также замыкает сильноточные контакты для стартера, который начинает вращаться. Как только двигатель запускается, ключевой выключатель размыкается, пружина в соленоидном узле оттягивает шестерню от зубчатого венца, и стартер останавливается. Шестерня стартера сцеплена с его приводным валом через обгонную муфту, которая позволяет шестерне передавать привод только в одном направлении. Таким образом, привод передается через шестерню на зубчатый венец маховика, но если шестерня остается включенной (например, если оператор не отпустил ключ, как только двигатель запустился, или если произошло короткое замыкание, а соленоид остается включенным), шестерня будет вращаться независимо от своего приводного вала. Это предотвращает привод стартера двигателем, поскольку такой обратный привод заставил бы стартер вращаться так быстро, что он разлетелся бы на части.
Устройство обгонной муфты исключает использование стартера в качестве генератора, если он используется в гибридной схеме, упомянутой выше, если не были внесены изменения. Стандартный стартерный двигатель обычно предназначен для прерывистого использования, что исключает его использование в качестве генератора. Электрические компоненты стартера предназначены только для работы в течение, как правило, менее 30 секунд до перегрева (из-за слишком медленного рассеивания тепла от омических потерь ), чтобы сэкономить вес и стоимость. Большинство руководств по эксплуатации автомобилей предписывают оператору делать паузу не менее десяти секунд после каждых десяти или пятнадцати секунд проворачивания двигателя, если он пытается запустить двигатель, который не запускается немедленно.
Эта конструкция шестерни обгонной муфты была введена в эксплуатацию в начале 1960-х годов; до этого времени использовался привод Bendix . Система Bendix помещает шестерню привода стартера на винтовой приводной вал. Когда стартерный двигатель начинает вращаться, инерция узла ведущей шестерни заставляет ее двигаться вперед по спирали и, таким образом, входить в зацепление с зубчатым венцом. Когда двигатель запускается, обратный ход от зубчатого венца заставляет ведущую шестерню превышать скорость вращения стартера, в этот момент ведущая шестерня вынуждена вернуться вниз по винтовому валу и, таким образом, выйти из зацепления с зубчатым венцом. [8] Это имеет тот недостаток, что шестерни будут расцеплены, если двигатель запустится на короткое время, но не продолжит работу.
Промежуточным развитием между приводом Bendix, разработанным в 1930-х годах, и конструкциями с обгонной муфтой, представленными в 1960-х годах, был привод Bendix Folo-Thru. Стандартный привод Bendix отсоединялся от зубчатого венца сразу после запуска двигателя, даже если он не продолжал работать. Привод Folo-Thru содержит фиксирующий механизм и набор грузиков в корпусе приводного блока. Когда стартерный двигатель начинает вращаться, а приводной блок принудительно продвигается вперед на винтовом валу по инерции, он фиксируется в зацепленном положении. Только после того, как приводной блок вращается со скоростью, превышающей скорость, достигаемую самим стартером (т. е. он приводится в движение в обратном направлении работающим двигателем), грузики потянутся радиально наружу, освобождая защелку и позволяя вывести из зацепления перегруженный приводной блок. Таким образом, нежелательное расцепление стартера предотвращается до успешного запуска двигателя.
В 1962 году Chrysler представил стартер, включающий зубчатую передачу между двигателем и приводным валом. Вал двигателя включал в себя интегрально вырезанные зубья шестерни, образующие шестерню, которая зацепляется с большей соседней ведомой шестерней, обеспечивая передаточное отношение 3,75:1. Это позволило использовать более высокоскоростной, низкотоковой, более легкий и компактный узел двигателя, одновременно увеличивая крутящий момент при запуске. [9] Варианты этой конструкции стартера использовались на большинстве задне- и полноприводных автомобилей, произведенных Chrysler Corporation с 1962 по 1987 год. Он издает уникальный, отчетливый звук при запуске двигателя, что привело к его прозвищу «Highland Park Hummingbird» — отсылка к штаб-квартире Chrysler в Хайленд-Парке, штат Мичиган . [10]
Стартер с редуктором Chrysler стал концептуальной основой для стартеров с редуктором, которые сейчас преобладают в транспортных средствах на дороге. Многие японские автопроизводители ввели стартеры с редуктором в 1970-х и 1980-х годах. [ необходима цитата ] Двигатели легких самолетов также широко использовали этот тип стартера, поскольку его малый вес давал преимущество.
Эти стартеры, не использующие смещенные зубчатые передачи, как у Chrysler, обычно используют планетарные планетарные зубчатые передачи . Стартеры с прямым приводом почти полностью устарели из-за их большего размера, большего веса и более высоких требований к току. [ необходима цитата ]
Ford выпустил нестандартный стартер, конструкцию с прямым приводом «подвижный полюсный башмак », которая обеспечивала снижение стоимости, а не электрические или механические преимущества. Этот тип стартера устранил соленоид, заменив его подвижным полюсным башмаком и отдельным реле стартера. Этот стартер работает следующим образом: водитель поворачивает ключ, активируя выключатель стартера. Небольшой электрический ток протекает через соленоидное реле стартера , замыкая контакты и отправляя большой ток батареи на стартер. Один из полюсных башмаков, шарнирно закрепленный спереди, связанный с приводом стартера и подпружиненный от своего нормального рабочего положения, поворачивается в положение магнитным полем, создаваемым электричеством, протекающим через его катушку возбуждения. Это перемещает привод стартера вперед, чтобы зацепить зубчатый венец маховика, и одновременно замыкает пару контактов, подающих ток на остальную часть обмотки стартера. Как только двигатель запускается и водитель отпускает выключатель стартера, пружина втягивает полюсный башмак, который выводит привод стартера из зацепления с зубчатым венцом.
Этот стартер использовался на автомобилях Ford с 1973 по 1990 год, пока на смену ему не пришел редукторный блок, концептуально аналогичный блоку Chrysler.
Вариантом электростартера является инерционный стартер (не путать со стартером типа Bendix, описанным выше). Здесь стартер не вращает двигатель напрямую. Вместо этого при подаче питания двигатель вращает тяжелый маховик , встроенный в его корпус (не главный маховик двигателя). Как только блок маховика/двигателя достигает постоянной скорости, ток к двигателю отключается, и привод между двигателем и маховиком отключается механизмом свободного хода. Затем вращающийся маховик подключается к главному двигателю, и его инерция вращает его, чтобы запустить его. Эти этапы обычно автоматизируются с помощью соленоидных переключателей, при этом оператор машины использует двухпозиционный переключатель управления, который удерживается в одном положении, чтобы вращать двигатель, а затем перемещается в другое положение, чтобы отключить ток к двигателю и зацепить маховик с двигателем.
Преимущество инерционного стартера в том, что, поскольку двигатель не приводит двигатель в движение напрямую, он может иметь гораздо меньшую мощность, чем стандартный стартер для двигателя того же размера. Это позволяет использовать двигатель гораздо меньшего веса и размера, а также более легкие кабели и меньшие батареи для питания двигателя. Это сделало инерционный стартер распространенным выбором для самолетов с большими радиально- поршневыми двигателями. Недостатком является увеличенное время, необходимое для запуска двигателя — раскрутка маховика до требуемой скорости может занять от 10 до 20 секунд. Если двигатель не запустится к тому времени, когда маховик потеряет инерцию, то процесс необходимо повторить для следующей попытки.
Некоторые газотурбинные двигатели и дизельные двигатели , особенно на грузовиках , используют пневматический самостартер. В наземных транспортных средствах система состоит из редукторной турбины, воздушного компрессора и напорного бака. Сжатый воздух, выходящий из бака, используется для вращения турбины и через набор редукторов зацепляет зубчатый венец на маховике, как в электрическом стартере. Двигатель, когда он работает, приводит в действие компрессор для перезарядки бака.
Самолеты с большими газотурбинными двигателями обычно запускаются с использованием большого объема сжатого воздуха низкого давления, подаваемого от очень маленького двигателя, называемого вспомогательным силовым агрегатом , расположенного в другом месте самолета. В качестве альтернативы, авиационные газотурбинные двигатели могут быть быстро запущены с использованием мобильного наземного пневматического пускового двигателя, называемого стартовой тележкой или воздушной стартовой тележкой .
На более крупных дизельных генераторах, которые можно найти на крупных береговых установках и особенно на судах, используется пневматический пусковой механизм. Пневмодвигатель обычно питается сжатым воздухом под давлением 10–30 бар . Пневмодвигатель состоит из центрального барабана размером с консервную банку с четырьмя или более прорезями, прорезанными в нем, чтобы позволить лопастям располагаться радиально на барабане, образуя камеры вокруг барабана. Барабан смещен внутри круглого корпуса так, чтобы впускной воздух для запуска поступал в область, где барабан и лопасти образуют небольшую камеру по сравнению с другими. Сжатый воздух может расширяться только за счет вращения барабана, что позволяет небольшой камере стать больше и помещает еще один из выступов в воздухозаборник. Пневмодвигатель вращается слишком быстро, чтобы его можно было использовать непосредственно на маховике двигателя; вместо этого для снижения выходной скорости используется большая редукторная передача, такая как планетарная передача. Для зацепления маховика используется шестерня Bendix.
Поскольку большие грузовики обычно используют воздушные тормоза , система выполняет двойную функцию, подавая сжатый воздух в тормозную систему. Пневматические стартеры имеют преимущества в обеспечении высокого крутящего момента, механической простоты и надежности. Они устраняют необходимость в негабаритных, [ quantify ] тяжелых аккумуляторных батареях в электрических системах первичных двигателей.
Большие дизельные генераторы и почти все дизельные двигатели, используемые в качестве первичного двигателя судов, используют сжатый воздух, воздействующий непосредственно на головку цилиндра. Это не идеально для небольших дизелей, так как обеспечивает слишком большое охлаждение при запуске. Кроме того, головка цилиндра должна иметь достаточно места для поддержки дополнительного клапана для системы воздушного запуска. Система воздушного запуска концептуально очень похожа на распределитель в автомобиле. Существует воздушный распределитель, который соединен с распределительным валом дизельного двигателя; на верхней части воздушного распределителя находится одиночный лепесток, похожий на тот, что находится на распределительном валу. Радиально вокруг этого лепестка расположены роликовые толкатели для каждого цилиндра. Когда лепесток воздушного распределителя ударяется об один из толкателей, он посылает воздушный сигнал, который воздействует на заднюю часть воздушного пускового клапана, расположенного в головке цилиндра, заставляя его открываться. Сжатый воздух подается из большого резервуара, который подается в коллектор, расположенный вдоль двигателя. Как только воздушный пусковой клапан открывается, сжатый воздух впускается, и двигатель начинает вращаться. Его можно использовать на двухтактных и четырехтактных двигателях, а также на реверсивных двигателях. На больших двухтактных двигателях для запуска требуется менее одного оборота коленчатого вала.
Некоторые дизельные двигатели от шести до 16 цилиндров запускаются с помощью гидравлического двигателя . Гидравлические стартеры и связанные с ними системы обеспечивают безыскровой, надежный метод запуска двигателя в широком диапазоне температур. [11] Обычно гидравлические стартеры используются в таких приложениях, как дистанционные генераторы, двигатели спасательных шлюпок, морские пожарные насосные двигатели и установки для гидроразрыва пласта . Система, используемая для поддержки гидравлического стартера, включает клапаны, насосы, фильтры, резервуар и поршневые аккумуляторы. Оператор может вручную перезарядить гидравлическую систему; это нелегко сделать с помощью электрических систем запуска, поэтому гидравлические системы запуска предпочтительны в приложениях, где требуется аварийный запуск.
Гидравлические стартеры с различными конфигурациями могут быть установлены на любой двигатель. Гидравлические стартеры используют высокую эффективность концепции аксиально-поршневого двигателя, которая обеспечивает высокий крутящий момент при любой температуре или окружающей среде и гарантирует минимальный износ зубчатого венца двигателя и шестерни. [12]
Пружинный стартер использует потенциальную энергию, накопленную в пружине, заведенной с помощью рукоятки, для запуска двигателя без батареи или генератора . Поворот рукоятки перемещает шестерню в зацепление с зубчатым венцом двигателя , затем заводит пружину. Затем, потянув за рычаг расцепления, вы прикладываете натяжение пружины к шестерне, поворачивая зубчатый венец для запуска двигателя. Шестерня автоматически отсоединяется от маховика после работы. Также предусмотрено, чтобы двигатель можно было медленно проворачивать вручную для технического обслуживания двигателя. Это достигается путем использования рычага расцепления сразу после того, как шестерня вошла в зацепление с маховиком. Последующий поворот заводной рукоятки во время этой операции не нагружает стартер. Пружинные стартеры можно найти в двигателях-генераторах и гидравлических силовых агрегатах, а также в двигателях спасательных шлюпок , причем наиболее распространенным применением является резервная система запуска на морских судах. Многие газонокосилки Briggs & Stratton в 1960-х годах имели пружинные стартеры с ручным запуском. [13]
Некоторые современные бензиновые двигатели с двенадцатью или более цилиндрами всегда имеют по крайней мере один или несколько поршней в начале рабочего хода и могут запускаться путем впрыскивания топлива в этот цилиндр и его воспламенения. Та же процедура может быть применена к двигателям с меньшим количеством цилиндров, если двигатель случайно останавливается в правильном положении. Это один из способов запуска двигателя автомобиля с системой «стоп-старт» . [14]
щебетание колибри из Хайленд-Парка, знаменитый стартер с редуктором от Mopar...
