Электрическая система пуска двигателя внутреннего сгорания

 

 

 

 

Электрическая система пуска  двигателя внутреннего сгорания

 

 

 

 

Особенности пуска ДВС

 

Двигатель внутреннего сгорания  не способен к самостоятельному  началу рабочего процесса. Для  запуска ДВС его коленчатый  вал требуется проворачивать  от постороннего источника энергии. При этом следует учитывать  некоторые особенности:

1. Внешний источник энергии  должен обеспечивать поворот  коленчатого вала на угол, не  меньший чем длительность полного  цикла рабочего процесса хотя  бы в одном цилиндре (для  четырехтактных двигателей –  2 оборота)

2. Скорость вращения коленчатого  вала от постороннего источника  должна быть достаточной для  обеспечения минимальной скорости  потока воздуха в системе питания,  достаточной для ее работы  (а для дизеля – еще и  достаточную скорость плунжера  ТНВД), а также достаточную  скорость сжатия, при которой  возможно воспламенение заряда.  Для четырехтактных бензиновых  двигателей минимальная частота  вращения коленчатого вала при  пуске обычно составляет порядка  50-80 об/мин, для двухтактных  90-120 об/мин, а для дизелей  150-220 об/мин.

3. Пуск характеризуется сильно  переменной нагрузкой, как   в течение оборота коленчатого  вала, так и в течение всего  процесса. Максимальный момент  сопротивления приходится на  начало пуска, что связано с  необходимостью преодоления инерции  и трения покоя, а также с  максимальной вязкостью масла.  По мере начала прокрутки момент  сопротивления падает. 

4. В многоцилиндровом двигателе  цилиндры начинают работать не  одновременно, а включаются в  работу постепенно. 

5. После успешного пуска ДВС,  частота вращения его коленчатого  вала значительно возрастает.

 

 

 

 

Динамика пуска

 

M

 

ф

 

впуск

 

сжатие

 

расширение

 

выпуск

 

M

 

t

 

Начало работы отдельных цилиндров

 

Выход ДВС на частоту ХХ

 

Прокрутка ДВС

 

180

 

360

 

540

 

720

 

 

 

 

Способы пуска ДВС

 

• Пуск вручную (только для ДВС малой мощности и в качестве резервного способа)
• Пуск сжатым воздухом – превращение на момент пуска ДВС в пневматической двигатель (танки, суда, самолёты)
• Пуск вспомогательным бензиновым двигателем – «пускачом» (тракторы)
• Пуск электрическим двигателем, питаемым от аккумуляторной батареи – электростартером (все автомобили и большинство современных ДВС иного назначения)
• Пуск без применения внешнего прокручивания – перспективный способ, разрабатываемый для бензиновых двигателей с прямым впрыском топлива

 

 

 

 

Сравнение способов пуска

 

Вручную

 

«Пускач»

 

Сжатый воздух

 

Электростартер

 

<0,1

 

Ограничена только запасом топлива

 

10 - 400

 

0,2 - 2

 

Располагаемая энергия, кВт*ч

 

Система практически безотказна. Требует определенного навыка  для успешного пуска

 

Необходимость иметь систему  пуска для «пускача». Невысокая  надежность пусковых двигателей. Практически неограниченное время  прокрутки. Использование тепла, выделяемого  «пускачом» для подогрева ДВС.

 

При расширении воздуха в  цилиндрах ДВС происходит его  охлаждение, что затрудняет пуск  и требует предварительного подогрева  воздуха. Сложность автоматизации  и дистанционного управления  пуском.

 

При пуске двигателей большой  мощности в холодную погоду, ввиду  недостатка располагаемой энергии  может потребоваться подогрев  ДВС с целью снижения пускового  момента сопротивления. Снижение  напряжения на клеммах АКБ  может нарушить работу системы  зажигания и подачи топлива

 

Особенности эксплуатации

 

Мускульная сила человека

 

Топливный бак, система запуска  «пускача», специальная трансмиссия

 

Компрессор, баллоны со сжатым  воздухом, трубопроводы, подогреватель  воздуха, клапаны, воздухораспределители

 

Аккумуляторная батарея и система  ее заряда

 

Требуемая инфраструктура

 

До 400 (при единичном рывке), при  непрерывном вращении <100

 

200 - 500

 

До половины номинальной рабочей  частоты ДВС

 

100 - 200

 

Пусковая частота вращения, об/мин

 

<0,1 (ручной стартер),

<0,2 (кик-стартер)

 

5 – 20

 

до 5000

 

0,1 - 10

 

Мощность пускового устройства, кВт

 

 

 

 

Электростартеры

 

Электростартер, устанавливаемый  на большинстве автомобилей, представляет  собой электрический двигатель  постоянного тока, питаемую непосредственно  от аккумуляторной батареи. Исходя  из особенностей пуска, а именно  – сильной неравномерности момента  сопротивления целесообразно смешанное  возбуждение с преобладанием  последовательного для достижения  «мягкой» механической характеристики

 

 

 

 

Устройство электростартера с  прямой передачей и электромагнитным  управлением

 

• Передняя опора вала
• Подвижная шестерня
• Втулка шестерни
• Муфта свободного хода
• Корпус муфты
• Ось рычага привода подвижной шестерни
• Корпус передачи
• Рычаг привода подвижной шестерни
• Якорь тягового реле
• Корпус тягового реле
• Каркас обмотка тягового реле
• Обмотка тягового реле
• Толкатель
• Пружина возврата толкателя
• Подвижный контакт включения стартера
• Неподвижные контакты
• Выводы тягового реле
• Коллектор
• Щетки
• Щеткодержатели
• Задняя опора вала
• Крышка коллекторно-щеточного узла
• Стяжная шпилька
• Задняя часть корпуса
• Обмотка якоря
• Магнитопровод якоря
• Обмотка статора
• Магнитопровод статора
• Корпус статора

 

 

 

 

 

 

 

 

Устройство электростартера с  редукторной передачей и электромагнитным  управлением

 

Стартер с цилиндрическим одноступенчатым  редуктором

 

Планетарный редуктор стартера

 

Применение в конструкции стартера  понижающего редуктора позволяет  применять компактный двигатель  постоянного тока с высокой  частотой вращения. Малый момент, развиваемый двигателем позволяет  перейти от смешанного возбуждения  к возбуждению от постоянных  магнитов

 

 

 

 

Работа механической передачи  стартера

 

Крутящий момент передается  от стартера к ДВС – муфта  свободного хода замкнута

 

Вал ДВС вращается быстрее  вала стартера – муфта свободного  хода разомкнута

 

 

 

 

Электромеханические характеристики  стартеров

 

 

 

 

Управление стартерами

 

 

 

 

Применимость стартеров

 

То же

 

1:10 – 1:60

 

5 - 10

 

С прямой передачей или одноступенчатым  цилиндрическим редуктором

 

 

Грузовые автомобили и автобусы  с дизельными двигателями мощностью  до 200 кВт

 

Смешанное электромагнитное с  явно выраженным преобладанием  последовательной составляющей

 

1:20 – 1:140

 

8 - 20

 

В основном с цилиндрическим  редуктором, реже – с прямой  передачей

 

Грузовые и автобусы автомобили  с дизельными двигателями мощностью  свыше 200 кВт, тракторы, комбайны, строительные  машины

 

Смешанное В новых моделях  – от постоянных магнитов

 

1:20 – 1:100

 

0,7 – 1,5

 

С прямой передачей или планетарным  редуктором

 

Легковые автомобили малого  и среднего класса с бензиновыми  двигателями

 

Смешанное (последовательная обмотка  и постоянные магниты)

 

1:20 – 1:100

 

1 - 2

 

С прямой передачей или планетарным  редуктором

 

 

Легковые автомобили среднего  и большого класса, а также  микроавтобусы с бензиновыми  двигателями

 

Смешанное электромагнитное

 

1:10 – 1:60

 

3 - 6

 

С прямой передачей или планетарным  редуктором

 

 

Легковые автомобили среднего  и большого класса, а также  микроавтобусы с дизельными двигателями

 

От постоянных магнитов, реже  – смешанная

 

1:40 – 1:160

 

0,3 - 1

 

С цилиндрическим редуктором  и тяговым реле

 

Средние и тяжелые мотоциклы

 

От постоянных магнитов

 

1:100 – 1:300

 

0,1 – 0,3

 

с цилиндрическим редуктором  и инерционным включением трансмиссии (без тягового реле)

 

Легкие мотоциклы и мотороллеры

 

Схема возбуждения

 

Общее передаточное число

 

Мощность стартера, кВт

 

Тип стартера

 

Тип ТС

 

 

 

 

Пуск ДВС в условиях низких  температур

 

Даже в случае применения  специальных масел со сниженной  вязкостью при низких температурах  пуск холодного ДВС затруднен. Это связано с рядом факторов:

1. Возрастает вязкость электролита  АКБ, следовательно уменьшается  токоотдача, что не позволяет  развивать стартеру расчетную  мощность.

2. При низких температурах  ухудшается испарение топлива  (особенно, дизельного), следовательно  снижается качество рабочей смеси,  что затрудняет ее воспламенение.

3. Температура в конце такта  сжатия зависит от температуры  всасываемого воздуха. Низкая  температура воздуха также затрудняет  воспламенение горючей смеси,  а для дизельного двигателя  может сделать его невозможным.  Указанные факторы усугубляются  неизбежным снижением частоты  вращения коленчатого вала стартером  из-за недобора мощности последним.

4. Сильное снижение выходного  напряжения АКБ при работе  стартера с максимальным током  может вызвать отказ в работе  системы зажигания и системы  питания (с электронным управлением)

Как правило, современные типы  бензиновых двигателей, при наличии  аккумуляторной батареи большой  емкости и применении специальных  зимних масел нормально запускаются  при температурах до -30 градусов.

Для дизельных двигателей приходится  применять специальные устройства  облегчения пуска, так как даже  при температуре всасываемого  воздуха ниже -5 градусов температура  в конце такта сжатия при  пуске не достигает предела  самовоспламенения топлива

 

 

 

 

Устройства облегчения пуска  дизельных двигателей

 

Пуск дизельных двигателей облегчают  подогревая всасываемый воздух  или инициируя воспламенение  топлива от постороннего источника: свечи накаливания, искровой свечи. Свечи накаливания – нагревательные  элементы, установленные в камере  сгорания двигателя. При пуске  через них пропускают ток. Их  рабочая поверхность нагревается  до температуры свыше 1000 градусов, что обеспечивает надежное воспламенение  топлива.

 

Открытая (слева) и закрытая свечи  накаливания

 

Свеча накаливания современного  двигателя, интегрированная с датчиком  давления

 

 

 

 

Электрофакельные подогреватели  воздуха

 

Электрофакельные подогреватели  воздуха применяются на транспортных  средствах, работающих в суровых  климатических условиях. В электрофакельном  подогревателе происходит сгорание  топлива, подаваемого электрическим  вибрационным насосом на нагретый  элемент накала.

 

Электрофакельные подогреватели, как правило, имеют устройство, автоматически  включающее подачу топлива при  прокрутке двигателя. Тепло, выделяемое  при сгорании топлива подогревает  всасываемый воздух. Кроме того, воздух насыщается легковоспламеняющимися  продуктами неполного сгорания  и пирокрекинга топлива, что также  способствует облегчению пуска.

Электрофакельные подогреватели  чаще применяются для дизельных  двигателей, так как их применение  на транспортных средствах с  бензиновыми двигателями сопряжено  с высокой пожарной опасностью.

 

 

 

 

Перспективные типы стартеров  и способы пуска

 

Несмотря на высокий уровень  технического совершенства современных  стартеров с отключаемой механической  передачей их применение в  будущем считается не перспективным  по ряду причин:

1. Стартер имеет большую массу,  а используется редко

2. Отключаемая механическая  передача принципиально ненадежна  и требует обслуживания

3. Компоновочные неудобства  – стартер, в силу наличия  в нем обслуживаемых элементов,  должен быть легкосъемным

В связи с этим разрабатываются  новые типы стартеров и новые  способы пуска:

1. Стартеры-генераторы, объединенные  с маховиком (уже находят применение  на мотоциклах и малолитражных  автомобилях). Их недостаток –  необходимость применения инверторной  установки становится неактуальным  в силу повышения технического  уровня полупроводниковых устройств

2. Системы непосредственного  старта без внешней прокрутки.  Такое возможно в двигателях  с прямым впрыском топлива  и принудительным зажиганием

 

 

 

 

Перспективная система DirectStart фирмы Bosch-Siemens Gmbh

 

В двигателе, с числом цилиндров  больше четырех, в одном из  цилиндров поршень всегда находится  в положении, соответствующем рабочему  ходу. Зная положение коленчатого  вала можно определить объем  воздуха в этом цилиндре и  впрыснуть туда порцию топлива, обеспечивающую надежное воспламенение. После поджигания смеси электрической  искрой, расширяющиеся продукты  сгорания будут толкать поршень, давая двигателю ход. Далее процесс  будет развиваться лавинообразно.