Что представляет собой
В современных автомобилях реализована электрическая система пуска двигателя. Также ее часто называют стартерной системой пуска. Одновременно с вращением коленвала в работу включается система ГРМ, зажигания и топливоподачи. Происходит сгорание топливовоздушной смеси в камерах сгорания и поршни проворачивают коленвал. После достижения определенных оборотов коленчатого вала двигатель начинает работать самостоятельно, по инерции.
Запуск двигателя
Чтобы запустить двигатель, нужно достичь определенной частоты вращения коленчатого вала. Для разных типов двигателей это значение отличается. Для бензинового мотора минимально необходимо 40-70 об/мин, для дизельного – 100-200 об/мин.
На начальном этапе автомобилестроения активно использовалась механическая система пуска с помощью заводной рукоятки. Это было ненадежно и неудобно. Сейчас от таких решений отказались в пользу электрической системы запуска.
Система пуска обеспечивает первоначальное проворачивание коленчатого вала при запуске двигателя. Для того чтобы двигатель самостоятельно начал работать, его коленчатому валу нужно сообщить определенную начальную (пусковую) частоту вращения. Для этих целей используется электрический стартер, обеспечивающий пусковую частоту вращения коленчатого вала: для бензиновых двигателей 40…100 об/мин, а для дизелей до 250 об/мин.
Пусковая частота зависит от условий смесеобразования и зажигания двигателя и является минимальной частотой вращения коленчатого вала, при которой в цилиндрах начинаются вспышки.
Мощность стартера зависит от момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала и пусковой частоты. Момент сопротивления проворачиванию пропорционален рабочему объему двигателя и складывается из следующих составляющих:
— момент сил трения между поверхностями сопряжения деталей двигателя и во вспомогательных механизмах, связанных с коленчатым валом;
— момент инерционных сил, возрастающих при увеличении оборотов в процессе пуска двигателя;
— момент сопротивления, возникающий из-за процессов сжатия, происходящих в цилиндрах двигателя.
На специальной и тракторной технике некоторые двигатели имеют декомпрессионный механизм для облегчения пуска.
Схемы систем электростартерного пуска бензиновых двигателей отличаются между собой незначительно (рис. 2.1). В системах управления электростартером предусмотрены электромагнитные тяговые реле
с
механизмом привода
,
дополнительные реле
,
реле блокировки
, обеспечивающее дистанционное включение, автоматическое отключение стартера от АКБ после пуска двигателя и предотвращение включения стартера при работающем двигателе.
Источником энергии электростартерного пуска является стартерная АКБ
. В электростартерах используют
электродвигатели постоянного тока
. Характеристики стартерного электропривода с электродвигателями постоянного тока последовательного или смешанного возбуждения хорошо согласуются с характером нагрузки, создаваемой поршневым двигателем при пуске.
На тракторной, специальной, а также автомобильной технике, работающей в особых климатических условиях, часто применяются электрические устройства для облегчения пуска
.
Классический стартер (рис. 2.6) представляет собой электродвигатель постоянного тока с механизмом привода, управляемым тяговым реле и питанием от аккумуляторной батареи. Обычно такие стартеры имеют шестерню на валу якоря, с помощью которой осуществляется зубчатое зацепление с венцом маховика двигателя. При этом передаточное отношение шестеренного привода составляет 10…18 и ограничивается прочностными характеристиками зубьев привода.
Сила тока в обмотках стартера может составлять 200…500 А и выше. По мере увеличения частоты вращения якоря сила тока в обмотках уменьшается и соответственно уменьшается момент на валу якоря. Такой закон изменения крутящего момента наиболее благоприятен для пуска двигателя, так как в начале проворачивания коленчатого вала момент сопротивления наибольший.
Обычно стартеры имеют конструкцию, где статорная обмотка в них соединена последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.2) – эти электродвигатели имеют последовательное возбуждение. Крутящий момент стартера зависит от двух факторов: магнитного поля статора и тока якоря, поэтому электродвигатель с последовательным возбуждением предпочтительнее, когда требуется создать большой крутящий момент. При включении стартера, в момент пуска электродвигателя, потребляемый ток максимален и ограничивается только сопротивлением обмоток. Такие стартеры могут развивать без нагрузки очень высокие обороты, и поэтому не рекомендуется их запускать вхолостую.
Рис. 2.1. Типичная схема электростартерного пуска
Рис. 2.2. Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением:
а) принципиальное устройство;
б) цепь стартера с последовательным возбуждением
1-обмотка возбуждения; 2-полюс магнита (магнитопровод); 3-якорь; 4-щетки; 5-коллектор; 6-АКБ; 7-замок зажигания
Кроме электродвигателей с последовательным возбуждением
, также существуют и электродвигатели смешанного возбуждения, независимого и электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов (рис. 2.3).
Электродвигатели с независимым питанием обмотки возбуждения
(рис. 2.3 д) в системах электростартерного пуска автомобильной и тракторной техники не применяются, так как на борту один пусковой источник – АКБ.
Электродвигатели с параллельным возбуждением
(рис. 2.3. а) в автомобильных электростартерах неэффективны при эксплуатации в холодных условиях (–20 ºС), а также имеют жесткую характеристику возбуждения, которая недопустима при малых передаточных отношениях, так как это может привести к поломке зубьев и привода.
Смешанное возбуждение стартерных электродвигателей
(рис. 2.3 в) позволяет объединить достоинства благоприятной характеристики последовательного возбуждения с плавностью хода и ограничением максимальных оборотов благодаря параллельному возбуждению. Такие электродвигатели имеют умеренно жесткую характеристику возбуждения.
Рис. 2.3. Типы возбуждения стартерных электродвигателей и их характеристики:
а) параллельное; б) последовательное; в) смешанное; г) от постоянных магнитов; д) независимое
В современных электростартерах чаще стала использоваться конструкция с независимым и неуправляемым возбуждением от постоянных магнитов
. Такие стартеры в своей конструкции имеют понижающий планетарный редуктор. Здесь сочетается относительно жесткая характеристика возбуждения и минимальная пусковая частота при максимальной нагрузке.
2.2. Электрический стартер с последовательным и смешанным возбуждением
Стартер с предварительным зацеплением
Рассмотрим устройство и принцип работы стартера с предварительным зацеплением (рис. 2.4). Питание стартерного электродвигателя 10 осуществляется от АКБ через замкнутые контакты 1 тягового электромагнитного реле. При замыкании контактов выключателя S
приборов и стартера, дополнительного реле и реле блокировки, втягивающая 4 и удерживающая 5 обмотки тягового реле подключаются к аккумуляторной батарее. Якорь 6 тягового реле притягивается к магнитопроводу электромагнита и с помощью штока 7 и рычага 9 механизма привода вводит шестерню 13 в зацепление с зубчатым венцом 14 маховика двигателя.
Рис. 2.4. Схема управления электростартера с предварительным зацеплением: 1-контактные болты; 2-подвижная контактная пластина; 3-возвратная пружина; 4,5-соответственно втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле; 6-якорь тягового реле; 7-шток; 8-обмотка возбуждения; 9-рычаг механизма привода; 10-электростартер; 11-поводковая муфта; 12-муфта свободного хода; 13-шестерня привода; 14-зубчатый венец маховика
После пуска двигателя, муфта 12 свободного хода (рис. 2.5) предотвращает передачу вращающего момента от маховика к валу якоря электродвигателя. Ролики поджаты пружинами в направлении вращения якоря, и они либо заклиниваются между ведущим и ведомым звеньями муфты, когда скорость якоря равна скорости двигателя, либо дают им свободно вращаться, когда двигатель развивает скорость, больше чем якорь.
Шестерня привода из зацепления с венцом маховика не выходит до тех пор, пока замкнуты контактные болты 1 (рис. 2.4). При размыкании выключателя S
втягивающая и удерживающая обмотки тягового реле подсоединяются к АКБ последовательно через силовые контактные болты 1. Так как число витков у обеих обмоток одинаково и по ним при последовательном соединении проходит ток одной и той же силы, то при разомкнутом выключателе
S
в них возникают два равных, но противоположно направленных магнитных потока. Магнитопровод электромагнита размагнитится, и возвратная пружина переместит якорь 6 реле в исходное нерабочее положение, тем самым выводя шестерню из зацепления с венцом маховика. При этом разомкнуться и силовые контактные болты 1. Типичная конструкция стартера с предварительным зацеплением показана на рис. 2.6.
Рис. 2.5. Муфта свободного хода:
1-буферная пружина; 2-наружное обойма (ведущее звено); 3-внутренняя обойма (ведомое звено); 4-ролики; 5-шестерня
Устройство системы запуска двигателя
В систему пуска двигателя входят следующие ключевые элементы:
- механизмы управления (замок зажигания, дистанционный запуск, система Старт-Стоп);
- аккумуляторная батарея;
- стартер;
- провода определенного сечения.
Схема запуска двигателя
Ключевым элементом системы является стартер, который, в свою очередь, питается от аккумуляторной батареи. Это электродвигатель постоянного тока. Он создает крутящий момент, который передается маховику и коленчатому валу.
Виды стартеров
Как было описано выше в современных стартерах применяются не башмаки с обмоткой возбуждения, а магниты. Магниты в качестве статора позволяют значительно уменьшить габариты устройства. При этом частота вращения якоря повышается. Поэтому иногда применяется редуктор.
Исходя из этого, стартеры делятся на:
- редукторные;
- простые (безредукторные).
С устройством и работой простого стартера мы уже познакомились. Работа редукторного основана на тех же принципах, что и простого, но имеет немного другое устройство. Крутящий момент от якоря вначале поступает в планетарный редуктор, который его преобразует, и далее на вал бендикса. Вращение от якоря на шестерню передается через водило планетарного механизма.
Этот вид стартера имеет следующие преимущества:
- более высокий КПД;
- меньшее потребления тока;
- небольшие размеры;
- запуск двигателя даже при низком заряде аккумулятора.
Но такая конструкция сказывается на сложности ремонта.
Как работает запуск двигателя
После поворота ключа в замке зажигания в положение «запуск» замыкается электрическая цепь. Ток по плюсовой цепи от аккумулятора поступает на обмотку тягового реле стартера. Затем по обмотке возбуждения ток проходит к плюсовой щетке, затем по обмотке якоря на минусовую щетку. Так срабатывает тяговое реле. Подвижный сердечник втягивается и замыкает силовые пятаки. При движении сердечника выдвигается вилка, которая толкает приводной механизм (бендикс).
После замыкания силовых пятаков от аккумулятора подается пусковой ток по плюсовому проводу на статор, щетки и ротор (якорь) стартера. Вокруг обмоток возникает магнитное поле, которое приводит в движение якорь. Таким образом электрическая энергия от аккумулятора преобразуется в механическую энергию.
Работа выключенного и включенного стартера
Как уже было сказано, вилка, во время движения втягивающего реле, выталкивает бендикс к венцу маховика. Так происходит зацепление. Якорь вращается и приводит в движение маховик, который передает это движение коленчатому валу. После запуска двигателя маховик раскручивается до больших оборотов. Чтобы не повредить стартер, срабатывает обгонная муфта бендикса. При определенной частоте бендикс вращается независимо от якоря.
После запуска двигателя и отключения зажигания от положения «запуск» бендикс принимает исходное положение, а двигатель работает самостоятельно.
Устройство бендикса
Бендикс представляет собой довольно интересное устройство. Иногда его называют муфтой свободного хода или обгонной муфтой.
Бендикс
Для запуска двигателя нужно, чтобы маховик вращался не медленнее, чем 100 об/мин. Так как шестерня стартера намного меньше зубчатого венца маховика, ей нужно вращаться в 10 раз быстрее, чтобы придать маховику необходимое ускорение. Это 1000 об/мин.
Когда двигатель заводится, маховик начинает вращаться очень быстро. Он передает это быстрое вращение на шестерню. Нетрудно посчитать, что скорость вращения шестерни при этом будет уже 10 000 об/мин. Если на вал стартера передалось такое ускорение, то он бы не выдержал. Именно для этого и нужен бендикс. Он передает вращение от шестерни на маховик, но не передает его обратно от маховика на шестерню.
Бендикс в разборе
Сам бендикс состоит из двух частей: шестерни и корпуса. Внутренняя обойма шестерни входит в корпус с внешней обоймой. Внутри этой обоймы находятся четыре ролика с пружинками. Корпус бендикса вращается через вал стартера. При вращении внутренняя обойма шестерни как бы заклинивает в корпусе и вращается, а при вращении шестерни от маховика эти ролики расходятся и не передают вращение на вал. Сам вал стартера при этом вращается с прежней скоростью.
Особенности работы аккумуляторной батареи
От состояния и мощности аккумулятора будет зависеть успешный запуск двигателя. Многие знают, что для АКБ важны такие показатели, как емкость и ток холодной прокрутки. Эти параметры указываются на маркировке, например, 60/450А. Емкость измеряется в Ампер-часах. Аккумулятор имеет малое внутренне сопротивление, поэтому он может кратковременно отдавать большие токи, в несколько раз превышающие его емкость. Указанный ток холодной прокрутки 450А, но при соблюдении определенных условий: +18С° в течение не более 10 секунд.
Однако, подаваемый ток на стартер все равно будет меньше указанных значений, так как не учитывается сопротивление самого стартера и силовых проводов. Этот ток и называется пусковым током.
Справка. Внутреннее сопротивление аккумулятора в среднем составляет 2-9 мОм. Сопротивление стартера бензинового мотора в среднем 20-30 мОм. Как видно, для правильной работы необходимо, чтобы сопротивление стартера и проводов в несколько раз превышало сопротивление аккумулятора, иначе внутреннее напряжение аккумулятора при пуске будет проседать ниже 7-9 вольт, а этого допускать нельзя. В момент подачи тока напряжение исправного АКБ проседает в среднем до 10,8В в течение нескольких секунд, а затем вновь восстанавливается до 12В или чуть выше.
Аккумулятор отдает пусковой ток на стартер в течение 5-10 секунд. Затем нужно сделать паузу 5-10 секунд, чтобы аккумулятор «набрался сил».
Если после попытки запуска напряжение в бортовой сети резко падает или стартер прокручивается наполовину, то это свидетельствует о глубоком разряде АКБ. Если стартер выдает характерные щелчки, то аккумулятор окончательно сел. Среди других причин может быть поломка стартера.
Сила тока при старте
Стартеры для бензинового и дизельного мотора будут отличаться по мощности. Для бензиновых ДВС используются стартеры мощностью 0,8-1,4 кВт, для дизельных – 2 кВт и выше. Что это значит? Это значит, что стартеру с дизельным мотором нужно больше мощности, чтобы прокрутить коленвал на сжатие. Стартер мощностью 1 кВт потребляет 80А, 2 кВт потребляет 160А. Больше всего энергии уходит на начальную прокрутку коленчатого вала.
Среднее значение пускового тока для бензинового двигателя – 255А для успешной прокрутки коленвала, но это с учетом плюсовой температуры 18С° или выше. При минусовой температуре стартеру нужно крутить коленвал в загустевшем масле, что повышает сопротивление.
Особенности запуска двигателя в зимних условиях
В зимнее время бывает трудно запустить двигатель. Масло густеет, а значит провернуть его труднее. Также часто подводит аккумулятор.
При минусовой температуре внутреннее сопротивление аккумулятора повышается, батарея садится быстрее, также неохотно отдает нужный пусковой ток. Для успешного пуска двигателя зимой АКБ должна быть полностью заряжена и не должна быть замерзшей. Дополнительно нужно следить за контактами на клеммах.
Вот несколько советов, которые помогут запустить двигатель зимой:
- Перед включением стартера на холодную включите дальний свет на несколько секунд. Это запустит химические процессы в батарее, так сказать, «разбудит» аккумулятор.
- Не крутите стартер больше 10 секунд. Так батарея быстро садится, особенно на морозе.
- Выжмите полностью педаль сцепления, чтобы стартеру не нужно было крутить дополнительные шестерни в вязком трансмиссионном масле.
- Иногда могут помочь специальные аэрозоли или «стартерные жидкости», которые впрыскивают в воздухозаборник. При исправном состоянии мотор заведется.
Тысячи водителей ежедневно заводят свои моторы и едут по делам. Начало движения возможно благодаря слаженной работе системы запуска двигателя. Зная ее устройство, можно не только запускать двигатель в самых разных условиях, но и подобрать нужные компоненты в соответствии с требованиями именно к вашему автомобилю.
