Устройство и принцип работы системы запуска двигателя

Система запуска двигателя обеспечивает первоначальное проворачивание коленчатого вала ДВС, благодаря чему в цилиндрах происходит воспламенение топливовоздушной смеси и мотор начинает работать самостоятельно. В эту систему входят несколько ключевых элементов и узлов, работу которых мы рассмотрим далее в статье.

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.

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.

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.

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:

1. Перед включением стартера на холодную включите дальний свет на несколько секунд. Это запустит химические процессы в батарее, так сказать, «разбудит» аккумулятор.
2. Не крутите стартер больше 10 секунд. Так батарея быстро садится, особенно на морозе.
3. Выжмите полностью педаль сцепления, чтобы стартеру не нужно было крутить дополнительные шестерни в вязком трансмиссионном масле.
4. 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.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Система пуска двигателя

Система пуска двигателя, предназначена для запуска двигателя автомобиля. Она обеспечивает вращение двигателя со скоростью, при которой происходит его запуск. На современных автомобилях наибольшее распространение получила стартерная система пуска двигателя. Вот о том, из каких компонентов состоит система пуска двигателя автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

Стартер автомобиля

Автомобильным двигателям внутреннего сго­рания требуется помощь в запуске. Системы пуска двигателей состоят из следующих ком­понентов:

• Электродвигатель постоянного тока (стар­тер);
• Коммутационная аппаратура и блоки управления;
• Аккумуляторная батарея;
• Проводка.

Обороты стартера, гораздо большие, чем обороты коленчатого вала двигателя, со­гласуются с оборотами коленчатого вала двигателя через редуктор с подходящим передаточным соотношением (1/10 — 1/20), расположенный между шестерней стартера и зубчатым венцом маховика двигателя. Небольшой стартер способен развить необ­ходимые обороты для надежного пуска дви­гателя (двигателям с искровым зажиганием требуется 60-100 мин -1 ; дизельным двигате­лям — 80-200 мин -1 ). Компрессия и деком­прессия в цилиндрах означает, что момент, необходимый для проворачивания коленча­того вала, значительно разнится, в результате чего также значительно колеблется мгновен­ная скорость вращения. На рис. «График оборотов коленчатого вала двигателя и пускового тока при холодном запуске двигателя» показан типичный график оборотов двигателя и тока стартера при холодном пуске.

Сам стартер должен удовлетворять сле­дующим техническим требованиям:

• Готовность к работе в любое время;
• Достаточная пусковая мощность при раз­ных температурах;
• Длительный срок службы;
• Надежность конструкции;
• Малая масса и компактные размеры;
• Отсутствие необходимости в обслужи­вании.

Конструктивные особенности стартера

Для создания необходимой топливно-воздушной смеси для двигателей с искровым зажиганием и температуры автоматическое воспламенения для дизельных двигателей стартер должен вращать коленвал ДВС с определенной минимальной скоростью. Частота вращения коленчатого вала двигателя сильно зависит от типа двигателя, его рабочего объема, числа цилиндров, степени сжатия, по­терь на трение, дополнительных нагрузок, соз­даваемых при работе двигателя, системы управ­ления подачей топлива, сорта используемого масла и окружающей температуры.

Вообще, пусковой момент и пусковая ча­стота вращения при снижении температуры требуют постепенного увеличения пусковой мощности. Однако создаваемая пусковой ак­кумуляторной батареей мощность падает с по­нижением температуры, так как увеличивается ее внутреннее сопротивление. Эта противоре­чащая взаимосвязь требований к электриче­ской нагрузке и доступной мощности озна­чает, что наихудшим режимом работы для системы пуска ДВС является холодный пуск.

Из-за большого потребляемого стартером тока падение напряжения на питающих про­водах значительно влияет на характеристики стартера.

Классификация систем пуска двигателя

Автоматические система пуска двигателя имеет номинальную мощность до 2,5 кВт при номинальном напряжении 12 В. Она может запускать двигатели с искровым зажиганием рабочим объемом до 7 л и дизельные двига­тели рабочим объемом до 3 л.

Стартеры можно классифицировать по следующим критериям, согласно их техни­ческим типам:

• Тип передачи мощности: стартер без редук­тора или стартер с редуктором;
• Тип создания магнитного поля в электро­двигателе: с постоянным магнитом или с электрическим возбуждением;
• Тип зацепления: скользящая шестерня, инерционный привод стартера (бендикс) или предварительное зацепление.

В современных автомобилях главным образом используются постоянно возбуждаемые стартеры с предварительным зацеплением с редуктором. Большая пусковая мощность сочетается в них с компактными размерами.

Конструкция и работа стартера

Стартер (рис. «Стартер с редуктором» ), по сути, состоит из электро­двигателя, механизма привода и, начиная с мощности около 1 кВт, редуктора.

При запуске шестерня стартера входит в зацепление с маховиком посредством тяго­вого реле. Стартер соединяется с шестерней привода либо напрямую, либо через редук­тор, уменьшающий частоту вращения элек­тродвигателя. Шестерня вращает коленча­тый вал ДВС через зубчатый венец маховика до тех пор, пока ДВС не начнет устойчиво работать. После запуска двигателя он может быстро разогнаться до больших оборотов. После всего нескольких зажиганий двига­тель ускоряется так мощно, что стартер уже не способен соответствовать его оборотам. ДВС «обгоняет» стартер и в результате мо­жет разогнать якорь до крайне высоких обо­ротов, если муфта свободного хода между шестерней и якорем не отменит нежелатель­ную блокировку. Как только водитель отпу­стит ключ зажигания, тяговое реле обесто­чивается и буферная пружина выводит шестерню привода из зацепления с зубча­тым венцом маховика с помощью спираль­ной канавки.

Электродвигатель стартера

Электродвигатель стартера представляет со­бой обычный электродвигатель постоянного тока. Преобладают электродвигатели с 6-ю полюсами. Доступные сегодня магнитные материалы позволили разработать стар­теры, стойкие к демагнетизации и имеющие высокоэффективный магнитный поток, обеспечивающий большую пусковую мощ­ность. Поскольку магнитное поле создается постоянным магнитом, а обратный эффект магнитного поля якоря очень мал, то возбуж­дение оказывается практически постоянным во всем диапазоне работы.

Редуктор стартера

Цель разработки стартера — свести к мини­муму массу и размеры путем уменьшения объема электродвигателя и пр. Одновре­менно с тем, чтобы добиться одинаковой пусковой мощности, требуется более вы­сокая скорость якоря — для компенсации существующего более низкого крутящего момента на якоре. Крутящий момент адап­тируется к оборотам коленчатого вала ДВС путем повышения общего передаточного числа «коленчатый вал — якорь стартера». Это достигается с помощью дополнительного редуктора, встраиваемого в стартер. У старте­ров легковых автомобилей он обычно имеет форму планетарного механизма. Он состоит из солнечной шестерни, монтируемой на валу якоря, водила с сателлитами и фиксирован­ной коронной шестерни. Прямозубая плане­тарная шестерня передает крутящий момент якоря через приводной вал стартера на ше­стерню, свободную от поперечных сил. Здесь высокие обороты якоря (15000-25000 мин -1 ) понижаются в соотношении i ∼ 3 — 6.

Стандарт — пластмассовая коронная ше­стерня, изготавливаемая из полиамида, армированного волокном. В зависимости от требований может также использоваться стальная коронная шестерня с дополнитель­ными амортизирующими элементами.

Виды стартерных приводов

Привод стартера обеспечивает зацепление шестерни стартера с зубчатым венцом ма­ховика ДВС. Привод состоит из шестерни, муфты свободного хода, буферной пружины и тягового реле.

Тяговое реле стартера

Тяговое реле, используемое в стартере (рис. «Тяговое реле» ), состоит из корпуса, якоря, магнит­ного сердечника, носителя контактов (пла­стины с контактами, контактной пружины), втягивающей и удерживающей обмоток, возвратной пружины и крышки со встроен­ными контактами. Тяговое реле выполняет две функции:

• Выдвигает приводную шестерню над вильчатым рычагом для зацепления с зубчатым венцом маховика;
• Переключает электрическую цепь стартера путем подключения и отключения тока.

Чтобы якорь реле обеспечивал перемещение шестерни по всей длине хода, требуется ток порядка 30 А для создания необходимой магнитной силы. Когда якорь реле полностью втянут (воздушный зазор равен нулю), то для удержания якоря в крайнем положении требу­ется значительно меньшее магнитное возбуж­дение и, стало быть, меньший ток реле (около 8 А). Обмотка делится на втягивающую и удер­живающую части, прежде всего для ограниче­ния нагрева обмотки. Эти две части обмотки подключаются параллельно (рис. Цепь тягового реле» ), что озна­чает сложение магнитного возбуждения двух обмоток. Начало обеих обмоток подключается к контакту 50 тягового реле. Конец втягиваю­щей обмотки подключается через якорь стар­тера, а конец удерживающей — прямо к нуле­вому потенциалу.

Когда на контакт 50 тягового реле подается напряжение (зажигание включено), якорь втя­гивается в корпус магнитной силой, создавае­мой втягивающей и удерживающей обмот­ками. Это движение толкает шестерню посредством рычага привода вперед, к махо­вику. Лишь когда якорь реле почти полностью втянется внутрь, закроется контактный мост и включится основной ток стартера. Это предо­твращает вращение стартера до зацепления шестерни стартера с зубчатым венцом махо­вика. Поскольку теперь два конца втягиваю­щей обмотки подключены к плюсу, ток течет только к удерживающей обмотке. Меньшей магнитной силы удерживающей обмотки до­статочно для надежного удержания якоря реле до размыкания выключателя зажигания.

Стартер с приводом предварительного зацепления

Стартер с приводом предварительного за­цепления стал мировым стандартом для лег­ковых автомобилей, так как гарантирует на­дежную работу во всем рабочем диапазоне. У стартеров с приводом предварительного зацепления ход зацепления составляется из фазы рычажного хода и фазы спирального хода. Якорь тягового реле толкает шестерню стартера к маховику посредством рычага привода (рычажный ход). Поскольку ток стартера еще не включен, шестерня стар­тера еще не вращается. Если зуб шестерни попадает прямо во впадину между зубьями на маховике (положение «зуб-впадина») при сцеплении шестерни с маховиком, это сцепление происходит настолько быстро, на­сколько позволяет ход реле.

Если зуб шестерни стартера попадает на зуб на маховике (положение «зуб-зуб») при сцеплении шестерни с маховиком — это про­исходит примерно в 80 % случаев — якорь реле через рычаг привода растягивает буферную пружину, так как шестерня не может двигаться дальше в осевом направлении.

По достижении крайнего положения, зада­ваемого тяговым реле, контактный мост якоря реле открывает главный ток стартера, и якорь стартера начинает вращаться. В случае «зуб — впадина» вращающийся электродвигатель полностью вводит шестерню стартера в заце­пление с зубчатым венцом маховика посред­ством спиральной канавки (спиральный ход). Создающая спиральный ход спиральная ка­навка также обеспечивает передачу шестерней полного крутящего момента электродвигателя только по достижении упора (в конце спираль­ного хода). Это предотвращает механическую перегрузку зубьев шестерни и маховика.

Из положения «зуб-зуб» электродвига­тель поворачивает шестерню перед махови­ком, пока зуб шестерни не найдет впадину на зубчатом венце маховика. Затем предвари­тельно сжатая сцепляющая пружина толкает вперед шестерню и муфту свободного хода. Вращающийся электродвигатель полностью вдвигает шестерню в зубчатый венец махо­вика через спиральную канавку.

Когда обмотка реле обесточивается, воз­вратная пружина толкает якорь реле, а также шестерню и муфту свободного хода через рычаг привода — обратно в исходное положение. Крутящий момент, вызванный трением муфты свободного хода, создает продольную силу вместе со спиральной ка­навкой, которая помогает выводу шестерни из зацепления.

Буферная пружина значительно умень­шает износ зубьев, ограничивая осевое усилие и, таким образом, продлевает срок службы и повышает надежность системы.

Стартеры со скользящей шестерней

Стартеры со скользящей шестерней исполь­зуются для запуска крупных двигателей. По­скольку требования к сроку службы обычно значительно выше у грузовых автомобилей, процесс ввода в зацепление обычно проис­ходит в два этапа, чтобы защитить шестерню и зубчатый венец маховика от разрушения. На первом этапе начинается ввод зубьев ше­стерни стартера в зубчатый венец маховика, а на втором — плавно завершается. Шестерня может поворачиваться механическими или электрическими средствами для устранения положений «зуб-зуб».

Стартеры с инерционным приводом

Инерционный привод — это простейший прин­цип зацепления, используемый прежде всего для двигателей небольшой мощности (напри­мер, у газонокосилок).

При включении стартера ненагруженный якорь начинает свободно вращаться. При этом шестерня стартера и муфта свободного хода еще не вращаются из-за своей инерции и вы­талкиваются вперед по спиральной канавке. Когда шестерня стартера входит в зацепление с зубчатым венцом маховика, крутящий мо­мент от якоря электродвигателя стартера на­чинает передаваться на двигатель через муфту свободного хода, шестерню стартера и зубча­тый венец маховика. Затем стартер начинает вращать коленчатый вал ДВС.

Когда обороты ДВС обгоняют обороты стартера, муфта свободного хода разъеди­няет нежелательное соединение. Крутящий момент, вызванный трением муфты свобод­ного хода, создает продольную силу вместе со спиральной канавкой, которая выводит шестерню стартера из зацепления с зубчатым венцом маховика. Выполнению этой опера­ции помогает пружина.

Единственная задача реле электродвига­теля у стартеров с муфтой свободного хода — включение пускового тока. Таким образом, ее не нужно монтировать на стартер — ее можно установить в любом положении в автомобиле или в системе привода. Отсутствие буферной пружины значительно увеличивает износ зубьев и, таким образом, уменьшает срок службы и надежность системы запуска.

Муфта свободного хода

В стартере любой конструкции крутящий мо­мент передается через обгонную муфту (муфту свободного хода). Эта муфта устанавливается между стартером и шестерней. Ее задача — вра­щать шестерню стартера, когда он проворачи­вает коленчатый вал ДВС, и затем разорвать со­единение между шестерней и валом привода, как только обороты ДВС превысят обороты стартера.

В описанных здесь конструкциях стартеров обычно используются роликовые муфты сво­бодного хода. Роликовая муфта свободного хода состоит из приводного механизма с обо­лочкой муфты, канавки для роликов, роликов, пружин, шестерни, вала шестерни со спираль­ной канавкой и торцевой заглушки. Роликовая муфта свободного хода толкает отдельные подпружиненные ролики в клинообразные карманы (рис. «Муфта роликового типа» ).

Когда приводится вал якоря, цилиндри­ческие ролики зажимаются в сужающейся секции канавки и создают неположительное соединение между внутренним валом и при­водным механизмом.

Когда обороты ДВС обгоняют обороты стартера, под воздействием пружин сжатия ролики освобождаются и перемещаются в расширяющуюся секцию канавки. Зажимаю­щая неположительная сила исчезает практи­чески полностью. Подпружиненные ролики создают фрикционный момент.

Включение стартера

При традиционном запуске водитель под­ключает напряжение аккумуляторной бата­реи (ключ зажигания в положении запуска) к реле стартера. Ток реле (около 30 А у лег­ковых автомобилей, около 70 А у грузовых) создает в реле определенную мощность. Она толкает шестерню стартера к зубчатому венцу маховика и активирует первичный ток стар­тера (200-1000 А у легковых автомобилей, около 2000 А у грузовых).

Стартер выключается при размыкании вы­ключателя зажигания, прерывающем подачу напряжения на реле стартера.

Автоматическая система пуска двигателя

Высокие требования к двигателям в плане комфорта, безопасности, качества и акустики привели к распространению автоматических систем пуска двигателей. Автоматическая система пуска двигателя отличается от тра­диционной дополнительными компонентами (рис. «Автоматическая система пуска двигателя» ). Это одно или несколько балластных реле, а также аппаратные и программные компоненты (например, ЭБУ двигателя) для управления запуском.

Водителю больше не нужно непосред­ственно контролировать ток реле стартера; ключ зажигания используется для отправки сигнала на блок управления, который затем выполняет серию проверок перед началом запуска. Проверки могут быть разными, на­пример:

• Проверка полномочий водителя на запуск двигателя (противоугонная);
• Проверка выключенного состояния ДВС (предотвращает зацепление шестерни стартера с зубчатым венцом вращающе­гося маховика);
• Проверка достаточности заряда аккуму­ляторной батареи (относительно темпе­ратуры двигателя) для запуска двигателя;
• У автоматических коробок передач — про­верка нейтрального положения, у меха­нических коробок передач — проверка состояния муфты сцепления (разомкнута ли муфта).

После успешного выполнения проверки блок управления инициирует запуск. При запуске система сравнивает обороты ДВС с обо­ротами устойчивой работы ДВС (которые могут также зависеть от температуры ДВС). Как только двигатель набирает устойчивые обороты, ЭБУ выключает стартер. Это всегда позволяет максимально сократить время запуска, уменьшить уровень шума и износ стартера.

Этот процесс можно также взять за основу для реализации функции «пуск-стоп», когда ДВС выключается при остановке автомо­биля — например, на светофоре, и автома­тически заводится, когда это необходимо. В результате значительно экономится топливо, особенно в городском цикле.

В то же время ДВС также необходимо опти­мизировать для получения быстрой пусковой реакции. Нужен стартер с характеристиками, продлевающими срок службы, гарантирую­щий более быстрый и менее шумный запуск. Для уменьшения износа и уровня шума не­обходимо оптимизировать конструкцию шестерни и геометрию зубчатого венца ма­ховика.

Для функции «пуск-стоп» необходима система управления более высокого уровня, система управления электроэнергией с опре­делением заряда аккумуляторной батареи. Могут также потребоваться меры по стаби­лизации электрической системы автомобиля в фазе запуска для предотвращения непри­емлемого падения напряжения. Поэтому сис­тема управления и система запуска должны быть согласованы. Уровень и длительность падения напряжения должны быть ограни­чены, а система управления должна оставаться работоспособной даже при значитель­ном падении напряжения питания.