Стартер (также самозапускающийся , проворачивающий двигатель или стартер ) — это устройство, используемое для вращения (проворачивания) двигателя внутреннего сгорания , чтобы инициировать работу двигателя собственным ходом. Стартеры могут быть электрическими , пневматическими и гидравлическими . Стартером также может быть другой двигатель внутреннего сгорания, например, в случае очень мощных двигателей или дизельных двигателей в сельском хозяйстве или при земляных работах. [1]
Двигатели внутреннего сгорания представляют собой системы с обратной связью, которые после запуска полагаются на инерцию каждого цикла для запуска следующего цикла. В четырехтактном двигателе третий такт высвобождает энергию топлива, обеспечивая питание четвертого (выпускного) такта, а также первых двух тактов (впуска, сжатия) следующего цикла, а также питая внешнюю нагрузку двигателя. Чтобы запустить первый цикл в начале любого конкретного сеанса, первые два такта должны приводиться в действие каким-либо другим способом, а не от самого двигателя. Для этой цели используется стартер, который не требуется, когда двигатель запускается и его контур обратной связи становится самоподдерживающимся.
До появления стартера двигатели запускались различными методами, включая заводные пружины, пороховые цилиндры и методы, приводимые в движение человеком, такие как съемная кривошипная рукоятка, которая зацеплялась за переднюю часть коленчатого вала, натягивание пропеллера самолета или вытягивание шнур, намотанный на открытый шкив.
Для запуска двигателей обычно использовался метод ручного запуска, но он был неудобен, труден и опасен. Поведение двигателя при запуске не всегда предсказуемо. Двигатель может дать отдачу, что приведет к внезапному обратному вращению. Многие ручные стартеры имели однонаправленное проскальзывание или разблокировку, так что как только двигатель начнет вращаться, стартер отключится от двигателя. В случае отдачи обратное вращение двигателя может внезапно включить стартер, что приведет к неожиданному и резкому рывку рукоятки, что может привести к травме оператора. В случае шнуровых стартеров отдача может притянуть оператора к двигателю или машине, а также может привести к тому, что шнур стартера и рукоятка повернутся на высокой скорости вокруг шкива стартера. Несмотря на то, что кривошипы имели механизм инерционного хода , при запуске двигателя кривошип мог начать вращаться вместе с коленчатым валом и потенциально ударить человека, проворачивающего двигатель. Кроме того, необходимо было позаботиться о замедлении искры во избежание обратного зажигания ; при расширенной настройке искры двигатель может отдавать назад (работать задним ходом), потянув за собой кривошип, поскольку механизм безопасности от перебега работает только в одном направлении.
Хотя пользователям советовали сложить пальцы и большой палец под рукоятку и потянуть вверх, операторам было естественно взяться за ручку пальцами с одной стороны и большим пальцем с другой. Даже простой ответный удар может привести к перелому большого пальца; можно было сломать запястье , вывихнуть плечо или что-то похуже. Более того, двигатели все большей мощности с более высокой степенью сжатия сделали ручной запуск двигателя более трудным физически.
Первый электростартер был установлен на автомобиле Arnold , модификации Benz Velo, построенном в 1896 году в Ист-Пекхеме , Англия , инженером-электриком Х. Дж. Доусингом. [2]
В 1903 году Клайд Дж. Коулман изобрел и запатентовал первый в Америке электрический стартер ( патент США 0,745,157) . [3]
В 1911 году Чарльз Ф. Кеттеринг вместе с Генри М. Леландом из компании Dayton Engineering Laboratories ( DELCO ) изобрели и подали патент США № 1 150 523 на электрический стартер в Америке. (Пять лет назад Кеттеринг заменил рукоятку кассовых аппаратов NCR на электродвигатель.)
Один из аспектов изобретения заключался в том, что относительно небольшой двигатель, приводимый в движение с более высоким напряжением и током, чем было бы возможно для непрерывной работы, мог обеспечить достаточную мощность, чтобы провернуть двигатель для запуска. При требуемых уровнях напряжения и тока такой двигатель сгорит за несколько минут непрерывной работы, а не за несколько секунд, необходимых для запуска двигателя. Стартеры были впервые установлены на Cadillac Model Thirty в 1912 году, позже в том же году та же система была принята на вооружение Lanchester . [4] Эти стартеры также работали как генераторы во время работы двигателя — концепция, которая сейчас возрождается в гибридных автомобилях .
Хотя электростартер должен был доминировать на автомобильном рынке, в 1912 году существовало несколько конкурирующих типов стартеров: автомобили Adams, SCAT и Wolseley имели прямые пневматические стартеры, а Sunbeam представила пневматический стартер с аналогичным двигателем. подход, аналогичный тому, который используется в электростартерах Delco и Scott-Crossley (т.е. зацепление с помощью зубчатого кольца на маховике). Автомобили «Стар» и « Адлер» имели пружинные двигатели (иногда называемые «часовыми двигателями»), которые использовали энергию, накопленную в пружине, проходящей через редуктор. Если автомобиль не завелся, рукоятку стартера можно было использовать, чтобы завести пружину для следующей попытки.
Одним из новшеств первого автомобиля Dodge , модели 30-35, на момент его появления в 1914 году, был электрический стартер и электрическое освещение с 12-вольтовой системой (против шести вольт, которые были обычными в то время) в стандартной комплектации. что это была относительно недорогая машина. В Dodge использовался комбинированный стартер-генератор с динамо-машиной постоянного тока , постоянно соединенной шестернями с коленчатым валом двигателя. Система электрических реле позволяла использовать его как двигатель для вращения двигателя для запуска, и как только кнопка стартера была отпущена, распределительное устройство возвращало агрегат в режим работы в качестве генератора. Поскольку стартер-генератор был напрямую соединен с двигателем, ему не требовался метод включения и отключения моторного привода. Таким образом, он претерпел незначительный механический износ и практически бесшумно работал. Стартер-генератор оставался характерной чертой автомобилей Dodge до 1929 года. Недостатком конструкции было то, что, будучи устройством двойного назначения, агрегат был ограничен как по мощности в качестве двигателя, так и по мощности в качестве генератора, что стало проблемой. по мере увеличения размера двигателя и электрических требований к автомобилям. Для управления переключением между режимами двигателя и генератора требовалось специальное и относительно сложное распределительное устройство, которое было более подвержено отказам, чем прочные контакты специального стартера. Хотя к 1930-м годам в автомобилях стартер-генератор вышел из моды, эта концепция все еще была полезна для небольших транспортных средств и была подхвачена немецкой фирмой SIBA Elektrik , которая создала аналогичную систему, предназначенную в основном для использования на мотоциклах, скутерах, автомобилях эконом-класса (особенно это будут двухтактные двигатели малой мощности ) и судовые двигатели. 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 были встроены в маховик двигателя, поэтому отдельный блок вообще не требовался.
Модель Ford T использовала ручные рукоятки до 1919 года; В 1920-е годы электростартеры стали практически универсальными для большинства новых автомобилей, что облегчило вождение женщинам и пожилым людям. В 1960-х годах автомобили с ручками стартера все еще были обычным явлением, а для некоторых марок это продолжалось и намного позже (например, Citroën 2CV до окончания производства в 1990 году). Во многих случаях кривошипы использовались для установки времени, а не для запуска двигателя, поскольку растущие объемы рабочего объема и степени сжатия делали это непрактичным. Автомобили коммунистического блока, такие как Лады, даже в 1980-х годах часто все еще имели заводной двигатель.
Для первых образцов серийных немецких турбореактивных двигателей позднее во время Второй мировой войны Норберт Ридель разработал небольшой двухтактный оппозитный бензиновый двигатель для запуска авиационных газовых турбин Junkers Jumo 004 и BMW 003 в качестве вспомогательной силовой установки для заставить вращаться центральный шпиндель каждой конструкции двигателя - они обычно устанавливались в самой передней части турбореактивного двигателя и сами запускались с помощью тягового троса, чтобы запустить их во время процедуры запуска реактивных двигателей, на которых они были установлены.
До изобретения Chrysler в 1949 году комбинированного выключателя зажигания и стартера с ключом [5] стартер часто приводился в действие водителем, нажимая кнопку, установленную на полу или на приборной панели. В некоторых автомобилях была педаль в полу, которая вручную соединяла ведущую шестерню стартера с коронной шестерней маховика, а затем замыкала электрическую цепь стартера, как только педаль достигала конца своего хода. Тракторы Ferguson 1940-х годов, в том числе Ferguson TE20 , имели дополнительное положение на рычаге переключения передач, которое включало переключатель стартера, обеспечивая безопасность, предотвращая запуск тракторов на передаче. [6]
Электрический стартер или кривошипный двигатель — наиболее распространенный тип, используемый в бензиновых двигателях и небольших дизельных двигателях. Современный стартер представляет собой электродвигатель постоянного тока с постоянным магнитом или с последовательно -параллельной обмоткой и установленным на нем соленоидом стартера (похожим на реле ). Когда на соленоид подается питание постоянного тока от пусковой батареи , обычно через выключатель с ключом («выключатель зажигания»), соленоид приводит в действие рычаг, который выталкивает ведущую шестерню на карданном валу стартера и зацепляет шестерню со стартером . кольцевая шестерня на маховике двигателя. [7]
Соленоид также замыкает сильноточные контакты стартера, который начинает вращаться. После запуска двигателя переключатель с ключом размыкается, пружина в блоке соленоидов отводит ведущую шестерню от кольцевой шестерни, и стартер останавливается. Шестерня стартера соединена с приводным валом через обгонную муфту , которая позволяет шестерне передавать крутящий момент только в одном направлении. Таким образом, привод передается через шестерню на коронную шестерню маховика, но если шестерня остается в зацеплении (например, из-за того, что оператор не может отпустить ключ сразу после запуска двигателя, или если произошло короткое замыкание и соленоид остается в зацеплении), шестерня будет вращаться независимо от приводного вала. Это препятствует тому, чтобы двигатель приводил в действие стартер, поскольку такой обратный привод может привести к тому, что стартер будет вращаться так быстро, что разлетится на части.
Устройство пружинной муфты исключало бы использование стартера в качестве генератора, если бы оно использовалось в гибридной схеме, упомянутой выше, если бы не были внесены изменения. Стандартный стартер обычно предназначен для периодического использования, что исключает его использование в качестве генератора. Электрические компоненты стартера рассчитаны на работу обычно менее 30 секунд до перегрева (из-за слишком медленного рассеивания тепла из-за омических потерь ), чтобы снизить вес и стоимость. В большинстве руководств по эксплуатации автомобилей оператору предписывается делать паузу не менее десяти секунд после каждых десяти или пятнадцати секунд проворачивания двигателя при попытке запустить двигатель, который не запускается немедленно.
Эта конструкция шестерни с обгонной муфтой постепенно вводилась в эксплуатацию с начала 1960-х годов; до этого использовался привод Bendix . Система Bendix размещает ведущую шестерню стартера на приводном валу со спиральной нарезкой. Когда стартер начинает вращаться, инерция узла ведущей шестерни заставляет его двигаться вперед по винтовой линии и, таким образом, входить в зацепление с коронной шестерней. Когда двигатель запускается, обратный привод от коронной шестерни приводит к тому, что ведущая шестерня превышает скорость вращения стартера, после чего ведущая шестерня сбрасывается вниз по винтовому валу и, таким образом, выходит из зацепления с коронной шестерней. [8] Недостаток этого подхода заключается в том, что шестерни отключаются, если двигатель кратковременно запускается, но не продолжает работать.
Промежуточной разработкой между приводом Bendix, разработанным в 1930-х годах, и конструкцией с обгонной муфтой, представленной в 1960-х годах, был привод Bendix Folo-Thru. Стандартный привод Бендикса отключался от коронной шестерни, как только двигатель запускался, даже если он не продолжал работать. Привод Folo-Thru содержит фиксирующий механизм и набор грузиков в корпусе приводного узла. Когда стартер начинает вращаться и приводной блок по инерции перемещается вперед по винтовому валу, он фиксируется во включенном положении. Только после того, как приводной блок раскрутится со скоростью, превышающей скорость, которую достигает сам стартер (т. е. он будет приводиться в движение задним ходом от работающего двигателя), грузики потянутся радиально наружу, освобождая защелку и позволяя раскручивать приводной блок с повышенной передачей. участия. Таким образом можно избежать нежелательного отключения стартера до успешного запуска двигателя.
В 1962 году компания Chrysler представила стартер с зубчатой передачей между двигателем и приводным валом. Вал двигателя включал в себя зубья шестерни с вырезом за одно целое, образующие шестерню, которая входит в зацепление с более крупной соседней ведомой шестерней, обеспечивая передаточное число шестерни 3,75:1. Это позволило использовать более высокоскоростной, малоточный, более легкий и компактный двигатель с одновременным увеличением крутящего момента. [9] Варианты этой конструкции стартера использовались на большинстве задне- и полноприводных автомобилей, выпускавшихся корпорацией Chrysler с 1962 по 1987 год. При проворачивании двигателя он издает уникальный, отчетливый звук, из-за чего его прозвали «стартером». Highland Park Hummingbird» — отсылка к штаб-квартире Chrysler в Хайленд-Парке, штат Мичиган . [10]
Стартер-редуктор Chrysler лег в концептуальную основу для стартер-редукторов, которые сейчас преобладают в дорожных транспортных средствах. Многие японские автопроизводители постепенно начали использовать стартеры с редуктором в 1970-х и 1980-х годах. [ нужна цитация ] В двигателях легких самолетов также широко использовался этот тип стартера, потому что его легкий вес давал преимущество.
Те стартеры, в которых не используются смещенные зубчатые передачи, такие как агрегаты Chrysler, обычно вместо этого используют планетарные планетарные зубчатые передачи . Пускатели с прямым приводом почти полностью устарели из-за их большего размера, большего веса и более высоких требований к току. [ нужна цитата ]
Ford выпустил нестандартный стартер, конструкцию «подвижного полюсного башмака » с прямым приводом , которая обеспечивала снижение затрат, а не электрические или механические преимущества. В этом типе стартера отсутствует соленоид, замененный подвижным полюсным башмаком и отдельным реле стартера. Этот стартер работает следующим образом: водитель поворачивает ключ, активируя выключатель стартера. Небольшой электрический ток протекает через реле стартера, приводимое в действие соленоидом , замыкая контакты и посылая большой ток аккумуляторной батареи на стартер. Один из полюсных башмаков, шарнирно закрепленный спереди, связанный с приводом стартера и подпружиненный в сторону от своего нормального рабочего положения, поворачивается в нужное положение под действием магнитного поля, создаваемого электричеством, протекающим через его катушку возбуждения. При этом привод стартера перемещается вперед для зацепления коронной шестерни маховика и одновременно замыкается пара контактов, подающих ток на остальную часть обмотки стартера. Как только двигатель запускается и водитель отпускает выключатель стартера, пружина втягивает полюсный башмак, что выводит привод стартера из зацепления с коронной шестерней.
Этот стартер использовался на автомобилях Ford с 1973 по 1990 год, когда его заменил редуктор, концептуально аналогичный агрегату Chrysler.
Вариантом электростартера является инерционный стартер (не путать с описанным выше стартером типа Бендикс). Здесь стартер не вращает двигатель напрямую. Вместо этого при подаче питания двигатель вращает тяжелый маховик , встроенный в его корпус (а не основной маховик двигателя). Как только блок маховик/двигатель достигает постоянной скорости, ток в двигателе отключается, и привод между двигателем и маховиком отключается с помощью механизма свободного хода. Затем вращающийся маховик подключается к главному двигателю и по инерции поворачивает его, чтобы запустить. Эти этапы обычно автоматизируются с помощью электромагнитных переключателей, при этом оператор станка использует двухпозиционный переключатель управления, который удерживается в одном положении для вращения двигателя, а затем перемещается в другое, чтобы отключить ток двигателя и подключить маховик к двигателю. двигатель.
Преимущество инерционного стартера заключается в том, что, поскольку двигатель не приводит в движение двигатель напрямую, его мощность может быть гораздо меньшей, чем у стандартного стартера для двигателя того же размера. Это позволяет использовать двигатель гораздо меньшего веса и размера, а также использовать более легкие кабели и батареи меньшего размера для питания двигателя. Это сделало инерционный стартер распространенным выбором для самолетов с большими радиально- поршневыми двигателями. Недостаток – увеличенное время запуска двигателя – раскрутка маховика до необходимой скорости может занять от 10 до 20 секунд. Если двигатель не запускается к моменту потери инерции маховика, то процедуру необходимо повторить для следующей попытки.
В некоторых газотурбинных двигателях и дизельных двигателях , особенно на грузовых автомобилях , используется пневматический самозапуск. В наземной технике система состоит из турбины с редуктором, воздушного компрессора и гидробака. Сжатый воздух, выходящий из бака, используется для вращения турбины и через ряд редукторов приводит в зацепление коронную шестерню маховика, подобно электростартеру. После запуска двигатель приводит в движение компрессор, перезаряжая бак.
Самолеты с большими газотурбинными двигателями обычно запускаются с использованием большого объема сжатого воздуха низкого давления, подаваемого от очень маленького двигателя, называемого вспомогательной силовой установкой , расположенного в другом месте самолета. Альтернативно, авиационные газотурбинные двигатели можно быстро запустить с помощью мобильного наземного пневматического пускового двигателя, называемого стартовой тележкой или тележкой с воздушным запуском .
На более крупных дизель-генераторах, установленных на крупных береговых установках и особенно на кораблях, используется пневматический пусковой механизм. Пневматический двигатель обычно приводится в действие сжатым воздухом под давлением 10–30 бар . Пневматический двигатель состоит из центрального барабана размером с банку супа с четырьмя или более прорезями, вырезанными в нем, позволяющими размещать лопасти радиально на барабане, образуя камеры вокруг барабана. Барабан смещен внутри круглого корпуса, так что входящий воздух для запуска попадает в область, где барабан и лопатки образуют небольшую камеру по сравнению с другими. Сжатый воздух может расширяться только за счет вращения барабана, что позволяет маленькой камере стать больше и создать еще один выпуклость на воздухозаборнике. Пневматический двигатель вращается слишком быстро, чтобы его можно было использовать непосредственно на маховике двигателя; вместо этого для снижения выходной скорости используется большой редуктор, например планетарная передача. Для включения маховика используется шестерня Bendix.
Поскольку в больших грузовиках обычно используются пневматические тормоза , система выполняет двойную функцию: подает в тормозную систему сжатый воздух. Преимущества пневматических стартеров заключаются в обеспечении высокого крутящего момента, механической простоте и надежности. Они устраняют необходимость в крупногабаритных и тяжелых аккумуляторных батареях в электрических системах первичных двигателей.
Большие дизельные генераторы и почти все дизельные двигатели, используемые в качестве тягачей на судах, используют сжатый воздух, воздействующий непосредственно на головку блока цилиндров. Это не идеально для небольших дизелей, так как обеспечивает слишком сильное охлаждение при запуске. Кроме того, в головке блока цилиндров должно быть достаточно места для размещения дополнительного клапана системы воздушного запуска. Система воздушного запуска концептуально очень похожа на распределитель в автомобиле. Имеется воздухораспределитель, закрепленный на распределительном валу дизельного двигателя; на верхней части воздухораспределителя есть один выступ, похожий на тот, что находится на распределительном валу. Вокруг этого кулачка радиально расположены роликовые толкатели каждого цилиндра. Когда выступ воздухораспределителя ударяется об один из толкателей, он посылает воздушный сигнал, который воздействует на заднюю часть клапана запуска воздуха, расположенного в головке блока цилиндров, заставляя его открываться. Сжатый воздух подается из большого резервуара, который подается в коллектор, расположенный вдоль двигателя. Как только пусковой клапан откроется, в него поступит сжатый воздух, и двигатель начнет вращаться. Может использоваться в двухтактных и четырехтактных двигателях, а также в реверсивных двигателях. На больших двухтактных двигателях для запуска требуется менее одного оборота коленчатого вала.
Некоторые дизельные двигатели с числом цилиндров от шести до 16 запускаются с помощью гидромотора . Гидравлические стартеры и связанные с ними системы обеспечивают безискровый и надежный запуск двигателя в широком диапазоне температур. [11] Обычно гидравлические стартеры используются в таких устройствах, как дистанционные генераторы, силовые двигатели спасательных шлюпок, морские пожарные насосные двигатели и установки гидроразрыва пласта. Система, используемая для поддержки гидростартера, включает в себя клапаны, насосы, фильтры, резервуар и поршневые аккумуляторы. Оператор может вручную перезарядить гидравлическую систему; это невозможно сделать с помощью систем электрического запуска, поэтому гидравлические системы запуска предпочтительнее в тех случаях, когда требуется аварийный запуск.
Гидравлические стартеры различных конфигураций могут быть установлены на любой двигатель. Гидравлические стартеры используют высокую эффективность концепции аксиально-поршневого двигателя, которая обеспечивает высокий крутящий момент при любой температуре и окружающей среде и гарантирует минимальный износ венца двигателя и шестерни. [12]
Пружинный стартер использует потенциальную энергию , запасенную в пружине , заведенной рукояткой, для запуска двигателя без аккумулятора или генератора . Поворот кривошипа перемещает шестерню в зацепление с коронной шестерней двигателя , а затем заводит пружину. Потянув за рычаг разблокировки, вы примените натяжение пружины к шестерне, повернув коронную шестерню для запуска двигателя. Шестерня автоматически отключается от маховика после работы. Также предусмотрена возможность медленного проворачивания двигателя вручную для его технического обслуживания. Это достигается за счет использования рычага отключения сразу после того, как шестерня зацепилась с маховиком. Последующие повороты рукоятки обмотки во время этой операции не нагрузят стартер. Пружинные стартеры можно найти в двигателях-генераторах и гидравлических станциях, 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 пружинный стартер 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 такта и могут запускаться путем впрыска топлива в этот цилиндр и его воспламенения. Ту же процедуру можно применить к двигателям с меньшим количеством цилиндров, если двигатель остановился в правильном положении. Это один из способов запуска двигателя автомобиля с системой стоп-старт . [14]
...щебетание колибри в Хайленд-Парке, знаменитого стартера Mopar с редуктором...
