发动机起动系统原理 / 四六文摘

为了使静止的发动机进入工作状态，必须先用外力转动发动机曲轴，使活塞开始上下运动，气缸内吸入可燃混合气，并将其压缩、点燃，体积迅速膨胀产生强大的动力，推动活塞运动并带动曲轴旋转，发动机才能自动地进入工作循环。发动机的曲轴在外力作用下开始转动到发动机自动怠速运转的全过程，称为发动机的起动过程，所需要的装置叫起动系统。

第一节概述

发动机起动时，必须克服气缸内被压缩气体的阻力和发动机本身及其附件内相对运动的零件之间的摩擦阻力，克服这些阻力所需的力矩称为起动转矩。

能使发动机顺利起动所必需的曲轴转速，称为起动转速。车用汽油发动机在温度为0～20℃时，最低起动转速一般为30～40r/min。为了使发动机能在更低的温度下迅速起动，要求起动转速不低于50～70r/min。若起动转速过低，压缩行程内的热量损失过多，气流的流速过低，将使汽油雾化不良，导致气缸内的混合气不易着火。

对于车用柴油机的起动，为了防止气缸漏气和热量散失过多，保证压缩终了时气缸内有足够的压力和温度，还要保证喷油泵能建立起足够的喷油压力，使气缸内形成足够强的空气涡流，要求的起动转速较高，可达150～300r/min，否则柴油雾化不良，混合气质量不好，发动机起动困难。此外，柴油发动机的压缩比较汽油机大，因此起动转矩也大，所以起动柴油发动机所需要的起动机功率也比汽油机大。

一、起动方式

发动机常用的起动方式有人力起动、电力起动机起动和辅助汽油机起动等多种形式。

1、人力起动即手摇起动或绳拉起动。其结构十分简单，主要用于大功率柴油机的辅助汽油机的起动，或在有些装用中、小功率汽油发动机的车辆上作为后备起动装置。手摇起动装置由安装在发动机前端的起动爪和起动摇柄组成。

2、辅助汽油机起动起动装置的体积大、结构复杂，只用于大功率柴油发动机的起动。

3、电力起动机起动以电动机作为动力源。当电动机轴上的驱动齿轮与发动机飞轮周缘上的环齿啮合时，电动机旋转时产生的电磁转矩通过飞轮传递给发动机的曲轴，使发动机起动。电力起动机简称起动机。它以蓄电池为电源，结构简单、操作方便、起动迅速可靠。目前，几乎所有的汽车发动机都采用电力起动机起动。

二、起动预热

1.进气预热装置

为了改善发动机的起动性能，一些化油器式发动机的进气道上装有进气预热装置，它在进气温度或冷却水的温度低于一定值时通电，使进气管中的空气迅速加热，以利于发动机起动和混合气燃烧。进气预热装置一般由电混合气预热器、进气预热温控开关、进气预热继电器等组成。

中、小功率柴油发动机常用冷起动预热装置的进气预热器。起动发动机时，接通预热器开关后，电热丝通电温度升高并将阀体加热。阀体受热伸长并带动阀芯下移，其锥形端离开进油孔。燃油流入阀体内腔因受热而汽化，从阀体内腔喷出，并被炽热的电热丝点燃生成火焰喷入进气管道，使进气得到预热。切断预热开关时，电热丝断电，阀体温度降低而收缩，阀芯上移使锥形端堵住进油孔，火焰熄灭而停止预热。

2.电热塞

采用涡流室式或预燃室式燃烧室的柴油发动机，由于燃烧室表面积大，在压缩行程中的热量损失较直接喷射式大，更难以起动。为此，在涡流室式或预燃室式柴油机的燃烧室中可以安装预热塞，在起动时对燃烧室内的空气加以预热。常用的电热塞有开式电热塞、密封式电热塞等多种形式。每缸一个电热塞，每个电热塞的中心螺杆并联与电源相接。发动机起动前首先接通电热塞的电路，电阻丝通电后迅速将发热体钢套加热到红热状态，使气缸内的空气温度升高，从而可提高压缩终了时的温度，使喷入气缸的柴油容易着火。

3.起动液喷射装置

它主要用于某些柴油发动机的起动预热。ヅ缱彀沧霸诜⒍机进气管上，起动液喷射罐内充有压缩气体氮气和乙醚、丙酮、石油醚等易燃燃料。当低温起动柴油机时，将喷射罐倒置，罐口对准喷嘴上端的管口，轻压起动液喷射罐，打开其端口上的单向阀，起动液即通过单向阀、喷嘴喷入发动机进气管，并随着吸入进气道的空气一起进入燃烧室。由于起动液是易燃燃料，可以在较低的温度下迅速着火，点燃喷入燃烧室内的柴油。

4.起动减压装置

起动减压装置采用降低起动转矩、提高起动转速的方法来改善柴油机的起动性能。发动机各缸的减压装置是一套联动机构。中、小型柴油机的联动机构一般采用同步式，即各减压气门同时打开，同时关闭。大功率柴油机减压装置的联动机构一般为分级式，即起动前各减压气门同时打开，起动时各减压气门分级关闭，使部分气缸先进入正常工作，发动机预热后其余各缸再转入正常工作。减压的气门可以是进气门，也可以是排气门。用排气门减压会由于炭粒吸入气缸，加速机件的磨损，一般多采用进气门减压。

第二节起动机

用电力起动机起动发动机几乎是现代汽车惟一的起动方式。电力起动机简称起动机，它由直流电动机、传动机构、控制机构等组成。

一、直流电动机

直流电动机在直流电压的作用下，产生旋转力矩。接通起动开关起动发动机时，电动机轴旋转，并通过驱动齿轮和飞轮的环齿驱动发动机曲轴旋转，使发动机起动。磁极是直流电动机的定子部分，用来产生电动机运转所必须的磁场，它由磁极铁心、安装在铁心上的励磁绕组及机壳组成

磁极铁心用硅钢片叠加而成，并用螺钉固定在机壳内壁上，为增强磁场、增大转矩，车用起动机通常采用4个磁极，少数大功率起动机采用6个磁极，每个磁极铁心上都缠有励磁绕组，并通过外壳构成磁回路。励磁绕组通常是用较粗的矩形截面的裸铜线绕制，匝间用绝缘纸绝缘，外部用玻璃纤维带包扎后套在磁极铁心上。当直流电压作用于励磁绕组的两端时，励磁绕组的周围产生磁场并使磁极铁心磁化，成为具有一定极性的磁极，且4个磁极的N极与S极相间排列，形成起动机的磁场。

电枢直流电动机的转子部分，用来将电能转变为机械能，即在起动机通电时，与磁场相互作用而产生电磁转矩。它由换向器1、铁心2、绕组3和电枢轴4组成。电枢铁心由外圆带槽的硅钢片叠成，压装在电枢轴上；铁心的外槽内绕有绕组，绕组用粗大的矩形截面裸铜线绕制而成，并且多采用波绕法，以便结构紧凑，并可通过较大的电流，获得较大的电磁力矩。为防止电枢绕组搭铁和匝间短路，在电枢绕组与铁心之间和电枢绕组匝间用绝缘纸隔开。

换向器用来连接励磁绕组与电枢绕组的电路，并使处于同一磁极下的电枢导体中流过的电流保持固定方向。它由一定数量的燕尾形铜片1组成，并用轴套2和压环3组装成一个整体，压装在电枢轴上，各铜片之间以及铜片与轴套、压环之间均用云母或硬塑料片绝缘。电枢绕组各线圈的两端焊接在相应铜片的接线凸缘4上，经过绝缘电刷和搭铁电刷分别与起动机磁场绕组一端和起动机壳体连接。电枢轴除了铁心和换向器外，还制有螺旋槽或花键槽，以便安装传动装置，电枢轴两端通过轴承支撑在起动机前后端盖上。

电刷及电刷架电刷用铜和石墨粉压制而成，一般含铜80％～90％，石墨10％～20％，以减小电刷电阻并增加其耐磨性。一般起动机电刷个数等于磁极个数，也有的大功率起动机电刷个数等于磁极个数的2倍，以便减小电刷上的电流密度。有些小功率高速起动机的电刷弹簧采用螺旋弹簧，多数起动机采用碟形弹簧。电刷架采用箱式结构，铆装于前端盖上。电刷装于架内，并用弹簧压紧在换向器的外圆表面；电刷与换向器有较大的接触面积，以尽量减小电刷与换向器之间的接触电阻，并延长电刷使用寿命。

二、起动机的传动机构

1.传动机构的作用

起动机的传动机构安装在电动机电枢的延长轴上，用来在起动发动机时，将驱动齿轮与电枢轴联成一体，使发电机起动。发动机起动后，飞轮转速提高，它将带着驱动齿轮高速旋转，会使电枢轴因超速旋转而损坏，因此，在发动机起动后，驱动齿轮的转速超过电枢轴的正常转速时，传动机构应使驱动齿轮与电枢轴自动脱开，防止电动机超速。为此，起动机的传动机构中必须具有超速保护装置。

2.传动机构的类型

车用起动机的传动机构也称为啮合机构，有如下类型：

1、惯性啮合式传动机构：接通点火开关起动发动机时，驱动齿轮靠惯性力的作用，沿电枢轴移出与飞轮啮合，使发动机起动；发动机起动后，当飞轮的转速超过电枢轴转速时，驱动齿轮靠惯性力的作用退回，脱离与飞轮的啮合，防止电机超速。

2、强制啮合式传动机构：接通起动开关起动发动机时，驱动齿轮靠杠杆机构的作用沿电枢轴移出，与飞轮环齿啮合，使发动机起动；发动机起动后，切断起动开关，外力的作用消除后，驱动齿轮在复位弹簧的作用下退回，脱离与飞轮环齿的啮合。

3、电枢移动式啮合机构：起动机不工作时，起动机的电枢与磁极错开。接通起动开关起动发动机时，在磁极磁力的作用下，整个电枢连同驱动齿轮移动与磁极对齐的同时，驱动齿轮与飞轮环齿进入啮合。发动机起动后，切断起动开关，磁极退磁，电枢轴连同驱动齿轮退回，脱离与飞轮的啮合。

3.超速保护装置

超速保护装置是起动机驱动齿轮与电枢轴之间的离合机构，也称为单向离合器。常用的单向离合器有滚柱式、弹簧式、摩擦片式等多种形式。

1、滚柱式单向离合器

接通起动开关起动发动机时，起动机的电枢轴连同内座圈按图中所示的箭头方向旋转，由于摩擦力和弹簧张力的作用，滚柱被带到内、外座圈之间楔形槽窄的一端，将内、外座圈联成一体，于是电枢轴上的转矩通过内座圈、楔紧的滚柱传递到外座圈和驱动齿轮，驱动齿轮与电枢轴一起旋转使发动机起动。

发动机起动后，曲轴转速升高，飞轮齿圈将带着驱动齿轮高速旋转。虽然驱动齿轮的旋转方向没有改变，但它由主动轮变为从动轮。当驱动齿轮和外座圈的转速超过内座圈和电枢轴的转速时，在摩擦力的作用下，滚柱克服弹簧张力的作用滚向楔形槽宽的一端，使内、外座圈脱离联系而可以自由地相对运动，高速旋转的驱动齿轮与电枢轴脱开，防止电动机超速。

2、弹簧式单向离合器

弹簧式单向离合器安装在电枢的延长轴上，驱动齿轮的右端空套在花键套筒左端的外圆面上，两个扇形块4装入驱动齿轮右端的相应缺口中，并伸入花键套筒左端的环槽内，使驱动齿轮与花键套筒之间既可以一起做轴向移动，又可以相对滑转。离合弹簧在自由状态下的内径小于齿轮和花键套筒相应外圆面的外径，在安装状态下弹簧紧套在外圆面上，弹簧与护套之间有间隙。起动时，起动机的电枢轴带动花键套筒旋转，有使弹簧收缩的趋势，弹簧被箍紧在相应外圆面上。于是，起动机的转矩靠弹簧与外圆面之间的摩擦作用传递给驱动齿轮，通过飞轮环齿带动曲轴旋转，使发动机起动。发动机一旦起动，驱动齿轮的转速超过花键套筒的转速，弹簧张开，驱动齿轮在花键套筒上滑转，与电枢轴脱开，防止电机超速。

3、摩擦片式单向离合器

摩擦片式单向离合器可以传递较大的转矩，常用于大功率起动机上。接通起动开关起动发动机时，起动机的电磁转矩通过电枢轴传递给花键套筒，由于内接合鼓与花键套筒之间存在转速差，内接合鼓沿花键套筒左移，将从动片与主动片压紧使外接合鼓与内接合鼓连成一体，即驱动齿轮与电枢轴连成一体，起动机的转矩通过驱动齿轮和飞轮传递给发动机的曲轴，使发动机起动。

发动机起动后，飞轮带着驱动齿轮和外接合鼓高速旋转，外接合鼓的转速超过电枢轴和花键套筒的转速，内接合鼓沿花键右移，从动片与主动片分开，使驱动齿轮与电枢轴脱开，防止电机超速。

三、起动机的控制机构

起动机的控制机构也称为操纵机构，它的作用是控制起动机主电路的通、断和驱动齿轮的移出和退回。起动机的控制机构分为直接操纵式和电磁操纵式两种。直接操纵式控制机构检修方便，且不消耗电能，有利于提高起动转速。但驾驶人的劳动强度大，不易远距离操纵，所以目前已很少应用。

电磁操纵式控制机构，俗称电磁开关，其使用方便，工作可靠，并适合远距离操纵，所以目前应用广泛。起动发动机时，接通总开关，按下起动按钮，吸拉线圈和保持线圈的电路被接通，其电流通路为：蓄电池正极→主接线柱→电流表→总开关→起动按钮→接线柱→吸拉线圈→主接线柱→电动机保持线圈→搭铁→蓄电池负极。发动机起动后，在松开起动按钮的瞬间，吸拉线圈和保持线圈是串联关系，两线圈所产生的磁通方向相反，互相抵消，于是活动铁心在复位弹簧的作用下迅速回位，使驱动齿轮退出啮合，接触盘在其右端小弹簧的作用下脱离接触，主开关断开，切断了起动机的主电路，起动机停止运转。

许多汽油发动机起动机的控制装置中，还装有短路点火线圈附加电阻的接触片，控制装置外壳上对应的接线柱通过导线与点火线圈初级绕组相连。主开关接通时，短路点火线圈附加电阻的接触片与蓄电池正极直接接通，将点火线圈附加电阻短路，改善起动时的点火性能。电磁操纵式控制机构的起动开关通常与点火开关制成一体，为了减小流过点火开关的电流，防止点火开关的早期损坏，有些起动机的控制电路中接有继电器。具有起动继电器的起动电路。

用于CA1091型汽车的具有组合继电器的起动电路。组合继电器由起动继电器和充电继电器组成，它利用发动机中性点电压，在发动机起动后尚未切断起动开关时，自动停止起动机的工作。此外，为了在起动发动机时，曲轴能获得足够的起动转矩和必要的起动转速，使发动机能迅速可靠地起动，除选用足够功率的起动机和简单可靠的控制电路外，还必须正确选择驱动齿轮和飞轮齿圈的齿数，以获得适当的传动比，该传动比一般为10～15。

第三节减速起动机和永磁起动机

一、减速起动机

在起动机的电枢轴与驱动齿轮之间装有齿轮减速器的起动机，称为减速起动机。串激式直流电动机的功率与其转矩和转速成正比，可见，当提高电动机转速的同时降低其转矩时，可以保持起动机功率不变，故当采用高速、低转矩的串激式直流电动机作为起动机，在功率相同的情况下，可以使起动机的体积和质量大大减小。但是，起动机的转矩过低，不能满足起动发动机的要求。为此，在起动机中采用高速、低转矩的直流电动机时，在电动机的电枢轴与驱动齿轮之间安装齿轮减速器，可以在降低电动机转速的同时提高其转矩。减速起动机的齿轮减速器有外啮合式、内啮合式、行星齿轮式等三种不同形式。

外啮合式减速起动机，其减速机构在电枢轴和起动机驱动齿轮之间利用惰轮作中间传动，且电磁开关铁心与驱动齿轮同轴心，直接推动驱动齿轮进入啮合，无需拨叉。因此，起动机的外形与普通的起动机有较大的差别。通常分有惰轮外啮合式减速起动机和无惰轮外啮合式减速起动机。外啮合式减速机构的传动中心距较大，因此受起动机构的限制，其减速比不能太大，一般不大于5，多用在小功率的起动机上。