Введение

Стартер (также называемый самозапуск, пусковой двигатель или стартовый двигатель) – это устройство, используемое для вращения (прокрутки) двигателя внутреннего сгорания с целью запуска его работы под собственным питанием. Стартеры могут быть электрическими, пневматическими или гидравлическими. В качестве стартера может использоваться и другой двигатель внутреннего сгорания, например, в случае очень больших двигателей или дизельных двигателей, применяемых в сельском хозяйстве или при земляных работах. Двигатели внутреннего сгорания являются системами с обратной связью, которые, после запуска, полагаются на инерцию каждого цикла для инициирования следующего. В четырехтактном двигателе третий такт высвобождает энергию топлива, приводя в действие четвертый (выпускной) такт, а также первые два (впуск, сжатие) такта следующего цикла, и обеспечивая питание внешней нагрузки двигателя. Для запуска первого цикла в начале любой сессии первые два такта должны приводиться в действие иным способом, нежели от самого двигателя. Для этого используется стартер, который становится ненужным после запуска двигателя и установления самоподдерживающегося цикла обратной связи.

История

До появления стартера двигатели запускались различными способами, включая заводные пружины, пороховые цилиндры и ручные приспособления, такие как съемная рукоятка, которая входила в зацепление с передней частью коленчатого вала, тяга за пропеллер самолета или рывок шнура, намотанного на открытый шкив. Ручной запуск был распространенным способом, но неудобным, сложным и опасным. Поведение двигателя при запуске не всегда предсказуемо. Двигатель мог дать обратный удар, вызывая внезапное вращение в обратную сторону. Многие ручные стартеры имели одностороннее скольжение или механизм освобождения, чтобы стартер отключался от двигателя, как только начиналось его вращение. При обратном ударе обратное вращение двигателя могло внезапно зацепить стартер, вызывая неожиданный и резкий рывок рукоятки, что могло привести к травмам оператора. В случае запуска со шнуром, обратный удар мог потянуть оператора к двигателю или машине, либо резко вращать шнур и рукоятку вокруг шкива стартера. Даже при наличии механизма перебега, после запуска двигателя рукоятка могла начать вращаться вместе с коленчатым валом и случайно ударить человека, запускающего двигатель. Кроме того, требовалось позаботиться о запаздывании зажигания, чтобы предотвратить обратный взрыв; при опережающем зажигании двигатель мог дать обратный удар (запуститься в обратном направлении), увлекая за собой рукоятку, поскольку механизм перебега работает только в одном направлении. Хотя пользователям рекомендовалось обхватывать рукоятку пальцами и большим пальцем снизу, операторам было естественнее держать рукоятку пальцами с одной стороны и большим пальцем с другой. Даже простой обратный взрыв мог привести к перелому большого пальца, а в худшем случае – к перелому запястья, вывиху плеча или более серьезным травмам. К тому же, все более крупные двигатели с более высокой степенью сжатия делали ручной запуск все более физически тяжелым. Первый электрический стартер был установлен на автомобиле Arnold, модификации Benz Velo, построенном в 1896 году в Ист-Пекхеме, Англия, инженером-электриком Х.Дж. Доузингом. В 1903 году Клайд Дж. Коулман изобрел и запатентовал первый электрический стартер в Америке. В 1911 году Чарльз Ф. Кеттеринг совместно с Генри М. Леландом из Dayton Engineering Laboratories Company (DELCO) изобрели и подали заявку на патент на электрический стартер в Америке. (Кеттеринг заменил ручной привод на кассовых аппаратах NCR электродвигателем за пять лет до этого.) Суть изобретения заключалась в понимании того, что относительно небольшой двигатель, работающий от более высокого напряжения и тока, чем допустимо для непрерывной работы, может обеспечить достаточную мощность для запуска двигателя. При требуемом напряжении и токе такой двигатель перегорел бы за несколько минут непрерывной работы, но не за те несколько секунд, которые необходимы для запуска двигателя. Стартеры впервые были установлены на Cadillac Model Thirty в 1912 году, а позже в том же году та же система была принята компанией Lanchester. Эти стартеры также работали как генераторы после запуска двигателя, концепция, которая сейчас возрождается в гибридных автомобилях. Хотя электрический стартер должен был стать доминирующим на автомобильном рынке, в 1912 году существовало несколько конкурирующих типов стартеров. Стартером часто управляли, нажимая на кнопку, установленную на полу или приборной панели. Некоторые транспортные средства имели педаль, которая вручную вводила в зацепление шестерню привода стартера с зубчатым венцом маховика, а затем замыкала электрическую цепь стартера, когда педаль достигала конца хода. Тракторы Ferguson 1940-х годов, включая Ferguson TE20, имели дополнительное положение на рычаге переключения передач, которое включало выключатель стартера, обеспечивая безопасность, предотвращая запуск трактора на передаче.

Электрический

Электрический стартер, или двигатель стартового вращения, является наиболее распространенным типом, используемым в бензиновых двигателях и небольших дизельных двигателях. Современный стартер представляет собой либо двигатель постоянного тока с постоянными магнитами, либо последовательно-параллельно обмотанный двигатель постоянного тока, на котором установлен стартовый соленоид (аналогичный реле). Когда постоянный ток от стартерного аккумулятора подается на соленоид, обычно через управляемый ключом выключатель (выключатель зажигания), соленоид включает рычаг, который выдвигает зубчатую шестерню на валу привода стартера и зацепляет ее с зубчатым венцом маховика двигателя. Соленоид также замыкает контакты высокого тока для стартера, который начинает вращаться. Как только двигатель запускается, выключатель открывается, пружина в сборке соленоида отводит зубчатую шестерню от зубчатого венца, и стартер останавливается. Зубчатая шестерня стартера соединена со своим приводным валом через обгонную муфту, которая позволяет передавать вращение только в одном направлении. Таким образом, вращение передается через зубчатую шестерню к зубчатому венцу маховика, но если зубчатая шестерня остается зацепленной (например, потому что оператор не отпускает ключ сразу после запуска двигателя, или если есть короткое замыкание, и соленоид остается включенным), зубчатая шестерня будет вращаться независимо от своего приводного вала. Это предотвращает вращение стартера от двигателя, поскольку такое обратное вращение может привести к тому, что стартер раскрошится на высокой скорости. Конструкция с обгонной муфтой исключает использование стартера в качестве генератора, если он используется в вышеупомянутой гибридной схеме, если не будут внесены модификации. Стандартный стартер обычно предназначен для кратковременного использования, что исключает его использование в качестве генератора. Электрические компоненты стартера рассчитаны на работу в течение, как правило, менее 30 секунд до перегрева (из-за недостаточного рассеивания тепла от омических потерь), чтобы снизить вес и стоимость. В большинстве руководств по эксплуатации автомобилей оператору рекомендуется делать паузу не менее десяти секунд после каждых десяти или пятнадцати секунд попытки запуска двигателя, если двигатель не запускается сразу. Эта конструкция с обгонной муфтой начала внедряться в начале 1960-х годов; до этого использовался привод Bendix. Система Bendix размещает зубчатую шестерню привода стартера на спирально нарезном валу привода. Когда стартер начинает вращаться, инерция зубчатой шестерни привода заставляет ее двигаться вперед по спирали и, таким образом, зацепляться с зубчатым венцом. Когда двигатель запускается, обратное вращение от зубчатого венца заставляет зубчатую шестерню привода превысить скорость вращения стартера, в этот момент зубчатая шестерня привода принудительно возвращается вниз по спиральному валу и, таким образом, выходит из зацепления с зубчатым венцом. Недостатком этого является то, что шестерни разъединятся, если двигатель кратковременно запустится, но не продолжит работать.

Движение по Folo-Thru

Промежуточным развитием между приводом Bendix, разработанным в 1930-х годах, и конструкциями обгонной муфты, представленными в 1960-х годах, был привод Bendix Folo Thru. Стандартный привод Bendix отсоединялся от зубчатого венца сразу после запуска двигателя, даже если тот не продолжал работать. Привод Folo Thru содержит запорный механизм и набор центробежных грузов в корпусе привода. Когда стартер начинает вращаться и привод под действием инерции принудительно перемещается вперед по спиральному валу, он фиксируется во включенном положении. Только когда привод вращается со скоростью, превышающей скорость вращения самого стартера (то есть, приводится в движение работающим двигателем в обратном направлении), центробежные грузы отклоняются радиально наружу, освобождая запор и позволяя приводу отсоединиться. Таким образом, предотвращается нежелательное отключение стартера до успешного запуска двигателя.

Уменьшение объема орудий

В 1962 году компания Chrysler представила стартер, в котором между двигателем и приводным валом установлена зубчатая передача. Вал двигателя имел зубья, нарезанные непосредственно на нем, образующие ведущую шестерню, которая зацепляется с большей ведомой шестерней для обеспечения передаточного числа 3,75:1. Это позволило использовать более быстрый, менее энергоемкий, легкий и компактный двигатель, одновременно увеличивая пусковой крутящий момент. Различные варианты этой конструкции стартера применялись на большинстве задне- и полноприводных автомобилей, выпускавшихся корпорацией Chrysler с 1962 по 1987 год. Он издает уникальный, характерный звук при запуске двигателя, благодаря чему получил прозвище "Колибри Хайленд-Парка" – отсылка к штаб-квартире Chrysler в Хайленд-Парке, штат Мичиган. Стартер с редуктором Chrysler послужил концептуальной основой для современных стартеров с редуктором, которые сейчас широко используются в автомобилях. Многие японские автопроизводители начали внедрять стартеры с редуктором в 1970-х и 1980-х годах. Этот тип стартера также широко применялся в двигателях легких самолетов, поскольку его небольшой вес давал преимущество. Стартеры, не использующие смещенные зубчатые передачи, как в конструкции Chrysler, обычно применяют планетарные эпициклические передачи. Стартеры с прямым приводом практически полностью устарели из-за своих больших размеров, большего веса и более высоких требований к току.

Передвижная шнурка

Форд выпустил нестандартный стартер с прямым приводом, конструкция с "подвижной полюсной обувью", который обеспечивал снижение стоимости, а не электрические или механические преимущества. Этот тип стартера исключил соленоид, заменив его подвижной полюсной обувью и отдельным стартерным реле. Принцип работы стартера следующий: водитель поворачивает ключ, активируя стартерный выключатель. Небольшой электрический ток проходит через управляемое соленоидом стартерное реле, замыкая контакты и подавая большой ток от аккумулятора на двигатель стартера. Одна из полюсных обувей, закрепленная шарнирно спереди, связанная со стартерной муфтой и подпружиненная от нормального рабочего положения, приводится в действие магнитным полем, создаваемым током, протекающим через обмотку возбуждения. Это перемещает стартерную муфту вперед для зацепления с зубчатым венцом маховика и одновременно замыкает пару контактов, подающих ток на остальную обмотку двигателя стартера. Как только двигатель запускается и водитель отпускает стартерный выключатель, пружина отводит полюсную обувь, которая выводит стартерную муфту из зацепления с зубчатым венцом. Этот стартер использовался на автомобилях Ford с 1973 по 1990 год, когда его заменил редукторный стартер, концептуально схожий с агрегатом Chrysler.

Инерционный стартер

Вариантом электрического стартера является инерционный стартер (не следует путать с описанным выше стартером типа Bendix). В этом исполнении стартер не вращает двигатель напрямую. Вместо этого, при подаче питания, стартер раскручивает тяжелое маховое колесо, встроенное в его корпус (а не основной маховик двигателя). Как только маховик/моторный блок достигает постоянной скорости, питание стартера отключается, а привод между стартером и маховиком разъединяется свободноходным механизмом. Затем вращающийся маховик соединяется с основным двигателем, и его инерция приводит его в движение для запуска. Эти этапы обычно автоматизированы с помощью электромагнитных переключателей, при этом оператор использует двухпозиционный переключатель управления: удерживая его в одном положении для раскрутки стартера, а затем переключая в другое – для отключения питания стартера и соединения маховика с двигателем. Преимущество инерционного стартера заключается в том, что, поскольку стартер не вращает двигатель напрямую, он может иметь значительно меньшую мощность, чем стандартный стартер для двигателя аналогичного размера. Это позволяет использовать стартер меньшего веса и габаритов, а также более легкие кабели и аккумуляторы меньшей емкости для его питания. Благодаря этому инерционный стартер часто применялся в самолетах с большими радиальными поршневыми двигателями. Недостатком является увеличение времени запуска двигателя – раскрутка маховика до необходимой скорости может занимать от 10 до 20 секунд. Если двигатель не запускается до того, как маховик потеряет инерцию, процедуру необходимо повторить.

Пневматические

Некоторые газотурбинные и дизельные двигатели, особенно на грузовиках, используют пневматический самозапуск. В наземных транспортных средствах система состоит из редукторной турбины, воздушного компрессора и напорного резервуара. Сжатый воздух, выпускаемый из резервуара, используется для вращения турбины, которая через редукторный механизм приводит в действие зубчатое колесо маховика, подобно электрическому стартеру. После запуска двигатель приводит в действие компрессор для повторной зарядки резервуара. Самолеты с большими газотурбинными двигателями обычно запускаются большим объемом сжатого воздуха низкого давления, подаваемого от небольшого двигателя, называемого вспомогательной силовой установкой, расположенной в другом месте самолета. В качестве альтернативы, газотурбинные авиационные двигатели могут быть быстро запущены с помощью мобильной наземной пневматической установки запуска, называемой стартовой тележкой или воздушной стартовой тележкой. На крупных дизельных генераторах, устанавливаемых на крупных береговых сооружениях и особенно на судах, используется пневматический механизм запуска. Воздушный двигатель обычно питается сжатым воздухом под давлением 10–30 бар. Воздушный двигатель состоит из центрального барабана размером с банку для супа, в котором прорезано четыре или более прорезей для размещения лопаток радиально на барабане, образуя камеры вокруг барабана. Барабан смещен внутри круглого корпуса таким образом, чтобы впускной воздух для запуска поступал в область, где барабан и лопатки образуют небольшую камеру по сравнению с другими. Сжатый воздух может расширяться только при вращении барабана, что позволяет небольшой камере увеличиваться и направляет другую камеру во впускное отверстие воздуха. Воздушный двигатель вращается слишком быстро для непосредственного использования на маховике двигателя; вместо этого для снижения выходной скорости используется большая редукция, например, планетарная передача. Для зацепления с маховиком используется шестерня Бендикса. Поскольку в больших грузовиках обычно используются пневматические тормоза, система выполняет двойную функцию, обеспечивая сжатым воздухом тормозную систему. Пневматические стартеры обладают преимуществами высокого крутящего момента, механической простоты и надежности. Они устраняют необходимость в громоздких и тяжелых аккумуляторных батареях в электрических системах привода. Крупные дизельные генераторы и почти все дизельные двигатели, используемые в качестве главных двигателей судов, используют сжатый воздух, действующий непосредственно на головку цилиндра. Это не оптимально для небольших дизелей, так как обеспечивает избыточное охлаждение при запуске. Кроме того, головка цилиндра должна иметь достаточно места для дополнительного клапана системы пневмозапуска. Система пневмозапуска концептуально очень похожа на распределитель в автомобиле. Существует воздушный распределитель, соединенный с распределительным валом дизельного двигателя; на верхней части воздушного распределителя расположен один кулачок, аналогичный кулачку распределительного вала. Радиально вокруг этого кулачка расположены роликовые толкатели для каждого цилиндра. Когда кулачок воздушного распределителя наталкивается на один из толкателей, он посылает воздушный сигнал, который воздействует на заднюю часть воздушного стартового клапана, расположенного в головке цилиндра, заставляя его открыться. Сжатый воздух подается из большого резервуара в коллектор, расположенный вдоль двигателя. Как только воздушный стартовый клапан открывается, сжатый воздух поступает, и двигатель начинает вращаться. Он может использоваться в двухтактных и четырехтактных двигателях, а также в двигателях с реверсом. На крупных двухтактных двигателях для запуска требуется менее одного оборота коленчатого вала.

Гидравлическая

Некоторые дизельные двигатели с 6–16 цилиндрами запускаются с помощью гидравлического мотора. Гидравлические стартеры и сопутствующие системы обеспечивают надежный и бесискровой метод запуска двигателя в широком диапазоне температур. Обычно гидравлические стартеры применяются в таких областях, как удаленные генераторы, двигатели для спасательных шлюпок, насосные установки пожаротушения на морских платформах и оборудование для гидравлического разрыва пласта. Система, поддерживающая гидравлический стартер, включает в себя клапаны, насосы, фильтры, резервуар и поршневые аккумуляторы. Оператор может вручную перезаряжать гидравлическую систему, что затруднительно в электрических системах запуска, поэтому гидравлические системы запуска предпочтительны в приложениях, где требуется аварийный запуск. Благодаря различным конструкциям, гидравлические стартеры могут быть установлены на любой двигатель. Гидравлические стартеры используют высокую эффективность осевого поршневого мотора, обеспечивающего высокий крутящий момент при любой температуре и в любых условиях, а также гарантируют минимальный износ зубчатого венца двигателя и шестерни привода.

Начальник пружины

Пружинный стартер использует потенциальную энергию, накопленную в пружине, заведенной с помощью рукоятки, для запуска двигателя без аккумулятора или генератора. Вращение рукоятки перемещает шестерню в зацепление с зубчатым венцом двигателя, а затем сжимает пружину. Отпускание рычага освобождения затем использует энергию сжатой пружины для вращения зубчатого венца и запуска двигателя. Шестерня автоматически отсоединяется от маховика после работы. Также предусмотрена возможность медленного прокручивания двигателя вручную для обслуживания. Это достигается путем нажатия на рычаг отпуска сразу после зацепления шестерни с маховиком. Последующее вращение рукоятки завода во время этой операции не создает нагрузки на стартер. Пружинные стартеры можно встретить в генераторах, гидравлических силовых агрегатах, а также на двигателях спасательных шлюпок, при этом наиболее распространенным применением является резервная система запуска на морских судах. Многие газонокосилки Briggs & Stratton 1960-х годов были оснащены пружинными стартерами с ручным заводом.

Запуск топлива

Некоторые современные бензиновые двигатели с двенадцатью и более цилиндрами всегда имеют хотя бы один или несколько поршней в начале такта расширения и могут запускаться путем впрыска топлива в цилиндр, находящийся в этом положении, и его воспламенения. Та же процедура может быть применена к двигателям с меньшим числом цилиндров, если двигатель остановился в подходящем положении. Это один из способов запуска двигателя автомобиля с системой "старт-стоп".