SPOUŠTĚCÍ ZAŘÍZENÍ Pod tímto souhrnným pojmem se rozumí nejen vlastní elektrické spouštěče sloužící k přímému mechanickému uvedení motoru do pohybu, ale i pomocná spouštěcí zařízení, jejichž použití je pro spuštění motoru vhodné nebo nezbytně nutné. Aby mohl spalovací motor sám pracovat, musí se roztočit a uvést do stavu, kdy sám svým spalovacím dějem překonává všechny odpory, které působí proti jeho činnosti. Odpory vznikají třením, momenty potřebnými k pohonu pomocných zařízení, ventilačními ztrátami, působením sil souvisejících s pracovním cyklem a vlivem setrvačných sil při zrychlování U zážehového motoru je třeba dosáhnout otáček 40 až 150 1/min. U vznětového motoru s nepřímým vstřikem (komůrkového), který má žhavicí svíčky, je třeba dosáhnout otáček 80 až 200 1/min. Při stejném objemu válců vyžaduje vznětový motor spouštěč o větším výkonu než zážehový motor. Pro motorová vozidla jsou nejvhodnějšími elektrické spouštěče hlavně pro svou pohotovost, snadnou ovladatelnost, malé rozměry a i proto, že akumulátor jako zásobník energie slouží i pro ostatní elektrickou výstroj. Obvykle se používá jako spouštěč elektrický motor s ozubeným pastorkem, jímž zabírá do ozubeného věnce na setrvačníku motoru. Z hlediska elektrotechniky je spouštěč jednoduchý stejnosměrný sériový motor s velkým momentem při malých otáčkách. Po mechanické stránce je však zařízením, které musí splňovat mnoho protikladných požadavků: 1. V klidu musí být pastorek bezpečně zajištěn mimo záběr s ozubeným věncem setrvačníku. 2. Při zasouvání do záběru musí být zajištěno, aby se zasunutí podařilo i tehdy, přijde-li zub pastorku proti zubu věnce. 3. Dokud pastorek není v dostatečném záběru, nesmí být točivý moment spouštěče tak velký, že by došlo k poškození zubů. 4. V plném záběru musí být mechanismus schopen přenést celý točivý moment, přitom však musí být chráněn před přetížením při zpětném zážehu spalovacího motoru. 5. Pastorek musí zůstat v záběru tak dlouho, dokud řidič spojení nezruší nebo dokud motor spolehlivě nepracuje. 6. Je-li ozubení v záběru a rozběhne-li se motor, musí se spojení ozubení s motorem spouštěče samočinně uvolnit. 7. Přestane-li řidič působit na ovládací ústrojí, musí se spouštěcí obvod rozpojit, pastorek se musí vrátit do klidové polohy a co nejdříve zastavit, aby spouštěč byl připraven pro další použití. Výkony spouštěčů bývají od 0,22 do 25 kw. VLASTNOSTI SPOUŠTĚCÍ SOUPRAVY K roztočení spalovacího motoru na potřebné otáčky se nejlépe hodí stejnosměrný sériový motor. To je motor, který má zapojeno budicí vinutí do série s rotorem. Výkon spouštěče závisí nejen na charakteristice samotného spouštěče, ale i na vlastnostech akumulátoru a propojovacího vedení. Náhradní schéma pracovní soustavy je na obr. 1.
Obr. 1 Náhradní schéma spouštěcí soustavy R S je odpor spínače, R P - odpor přívodů, R M - odpor motoru, R B - odpor baterie, U M - napětí motoru, U B0 - napětí baterie Odebírá-li spouštěč v určitém okamžiku proud i, je na jeho svorkách napětí: U M = U B0 - (R S + R P + R B ) i Je tedy zřejmé, že proud do startéru bude tím nižší, čím vyšší budou všechny odpory v obvodu. Je tedy nutné celý obvod startéru udržovat v dobrém stavu. Pro uživatele vozidla to znamená především starostlivost o akumulátor a jeho dokonalé připojení (dobré utažení svorek a jejich čistota). Obr. 2 Závislost momentu, výkonu a otáček na proudu spouštěče Průběh momentu spouštěče má parabolický průběh. Při nulových otáčkách (a současně nejvyšším proudu) dosahuje nejvyšší hodnoty a po rozběhu klesá. Výkon spouštěče má parabolický průběh s maximem, které nastává při proudu I K /2. I K je proud, který teče do stojícího spouštěče ( na obr. 1 je I K cca 320 A). Tytéž veličiny v závislosti na otáčkách jsou na obr. 3 Obr. 3 Závislost momentu, výkonu a proudu na otáčkách spouštěče
KONSTRUKCE SPOUŠTĚCE Z požadavků, kladených na spouštěč je patrné, že spojení jednoduchého stejnosměrného motoru s klikovým hřídelem spalovacího motoru bude vyžadovat složitější mechanismus. Z množství různých řešení, která se v průběhu postupného vývoje elektrických spouštěčů objevila, zůstaly v širším používání tři základní soustavy se zasouváním pastorku do ozubeného věnce ve směru osy: 1. systém Bendix, 2. posuvná kotva, 3. posuvný pastorek V malém rozsahu se používají jako dvouúčelové stroje i dynamospouštěče, zpravidla jsou spojeny bez převodů přímo s klikovým hřídelem motoru. Systém Bendix K zasunutí pastorku do záběru u spouštěčů soustavy Bendix (obr. 4) se využívá setrvačnosti samotného pastorku. Pastorek 1 má na vnitřním průměru plochý nebo lichoběžníkový závit a v rozmezí dvou dorazů je lehce pohyblivý po šroubovém závitu pouzdra 2 poháněného spouštěcím motorem pomocí unášeče 3, který tlumí nárazy. Při zapojení proudu do spouštěcího motoru se neurychlí pastorek, pohyblivý volně na šroubovici, tak rychle jako rotor spouštěče, a pohybuje se po závitu pouzdra směrem do záběru s ozubeným věncem setrvačníku. Přijde-li zub do mezery, pohybuje se pastorek po šroubu ve směru osy až na doraz a spouštěč začne otáčet motorem. Dosedne-li zub na zub, nemůže se pastorek pohybovat ve směru osy a je stržen šroubovici ze zubu do mezery. Protože v okamžiku, v němž se pastorek posune do plného záběru na doraz, otáčí se rotor spouštěče již značnou rychlostí, snižuje se náraz pružinou nebo lamelovou spojkou. Obr. 4 Spouštěč se systémem BENDIX Jakmile se spouštěný motor rozeběhne a pastorek se otáčí rychleji než rotor spouštěče, vyšroubuje se ze záběru s věncem a setrvačností doběhne až na klidový doraz pouzdra. Kdysi to byl vůbec nejrozšířenější základní typ, vyráběný v mnoha konstrukčních obměnách a velmi dlouho se udržel, protože byl jednoduchý a výrobně levný. V jednoduchém provedení měl několik nevýhodných vlastností, jako samovolné vybíhání ze záběru při přechodných zrychleních motoru, větší poškozování zubů, možnost zpříčení při dosedu zubu na zub, poruchovost tlumicích pružin apod. V propracovanějších provedeních ztrácel svou hlavní výhodu tj. jednoduchost, a proto se postupně nahrazoval konstrukcemi s posuvným pastorkem.
Spouštěč s výsuvnou kotvou U spouštěčů s výsuvnou kotvou (rotorem) je zasouvání pastorku řešeno tak, že se pastorek může otáčet kolem hřídele spouštěče, se kterým je spojen volnoběžnou spojkou, ale v axiálním směru není oproti kotvě pohyblivý. Zasouvání pastorku do ozubení setrvačníku se děje spolu s axiálním pohybem celé kotvy (viz obr. 5). Obr. 5 Spouštěč s výsuvnou kotvou Spouštěč má mimo hlavní sériové vinutí F1 ještě dvě budicí vinutí pomocná. Jedno sériové F2 a jedno paralelní F3. Spouštění je dvoustupňové. V prvním stupni, po sepnutí tlačítka T, vtáhne elektromagnet E své jádro a spínací můstek 10 spojí kontakt Kl. Sepnutí kontaktu K2 brání páka 9, držená západkou 6. Kontakt Kl připojí obě pomocná vinutí F2 a F3. Slabé magnetické pole vtahuje kotvu 3, která se pomalu otáčí, do statoru 4. Pastorek 1 se jemně zasune do ozubení setrvačníku. Jakmile se pastorek téměř zasune uvolní kroužek 5 západku 6 a spojí se i kontakt K2. Nastává druhá fáze spouštění. Kontakt K2 připojí hlavní budicí vinutí F1 a spouštěč vyvíjí plný záběrový moment. Typickým znakem těchto spouštěčů je dlouhý komutátor. Musí být o celou délku posunu kotvy delší než by byl u obyčejného elektromotoru. Přes výhodné pracovní vlastnosti není soustava s posuvnou kotvou tak rozšířená. Její hlavní nevýhodou je velká hmotnost posuvné části. Stojí-li vůz na svahu a tíha rotoru působí proti pohybu pastorku do záběru, může dojít k potížím při zasouvání do ozubení, a naopak je nutné zajistit, aby při provozních otřesech a zrychleních nedocházelo k úderům pastorku do točícího se setrvačníku. Spouštěč s výsuvným pastorkem V dnešní době je nejrozšířenější spouštěč s posuvným pastorkem. Pomocí dvouramenné páky se nejprve zasune pastorek do záběru a teprve pak se zapne proud. Pro vytvoření zasouvací síly se používá elektromagnet s posuvným jádrem. S jádrem je spojen svorník, na jehož jeden konec působí zasouvací páka, na druhém konci je umístěn kontaktní můstek. Kontaktní můstek bývá na svorníku uložen posuvně a je odpružen pružinou, což zaručuje konstantní tlak mezi můstkem a kontakty. Po sepnutí spínače startéru (poz. 9 na obr. 6) zasouvací relé přenese pohyb na zasouvací páku (4), která se bude pootáčet ve smyslu chodu hodinových ručiček. Spodní konec zasouvací páky bude posunovat prostřednictvím zasouvací pružiny zasouvacím pouzdrem a tedy i volnoběžkou (3) a pastorkem (1) směrem k ozubenému věnci (2). Zasouvací pouzdro je uloženo na rovných nebo velmi strmých vícechodých šroubových drážkách. Použití šroubových drážek je vhodné zejména pro menší startéry. V okamžiku, kdy se pastorek zasune na začátku do mezer mezi zuby ozubeného věnce a hřídel startéru se otáčí, je pastorek vtažen do plného záběru vlivem šroubových drážek, aniž je zasouvací pouzdro posunováno zasouvací pákou (4). Aby se usnadnilo zasunuti pastorku, jsou na čelní ploše jeho zuby i zuby ozubeného věnce sraženy.
Zasouvací elektromagnet (obr. 7) má dvě vinutí - vtahovaci (E2) a přidržovací (E1), jejichž magnetická pole se sečítají. Po sepnutí spínače startéru A proud z akumulátoru prochází oběma vinutími a vtahuje jádro do elektromagnetu. V okamžiku, kdy se sepnou kontakty S je přivedeno do startéru plné palubní napětí a startér se roztoči. Poněvadž pro udržení pastorku v zasunuté poloze stačí menší síla, přemostí kontakty současně vtahovací vinutí (E2) a vyřadí ho z činnosti. V případě, že zuby pastorku narazí na zuby ozubeného věnce, posuv pastorku se zastaví. Zasouvací páka se však bude pootáčet dále a bude stlačovat zasouvací pružinu. Po určité době spojí kontaktní můstek kontakty, rotor se začne otáčet a v okamžiku, kdy se zuby pastorku octnou proti zubovým mezerám na ozubeném věnci, zasune pružina pastorek do záběru. V okamžiku, kdy se rozpojí spínač startéru je přerušen přívod proudu na svorku 50, magnetické pole tvořené oběma vinutími zanikne a vratná pružina začne pootáčet zasouvací pákou proti smyslu pohybu hodinových ručiček. Volnoběžka zabrání přenosu otáčivého pohybu z motoru na startér. Volnoběžka s pastorkem se bude pohybovat směrem do výchozí polohy. Aby se po návratu pastorku do výchozí polohy kotva startéru co nejrychleji zastavila, je volnoběžka opatřena brzdovou přírubou. Současně se vrátí do základní polohy i kontaktní můstek, kontakty se rozpojí, a přívod proudu do startéru se tak přeruší. 1 -pastorek 2 - ozubený věnec 3 - válcová volnoběžka 4 - zasouvací páka 5 - permanentní magnet 6 - kotva (rotor) 7 - komutátor s kartáčky 8 - zasouvací relé 9 - spínač startéru 10 - baterie Obr. 6 Spouštěč s posuvným pastorkem Obr. 7 Elektrické schéma zapojení spouštěče s posuvným pastorkem
DYNAMOSPOUŠTĚČ Dynamospouštěče jsou stroje, které jsou schopny pracovat jako dynamo i jako spouštěč. Rotor tohoto stroje je navržen tak, že může pracovat jako dynamo i jako elektromotor. Dynamo musí být derivační, kdežto jako spouštěč je nejvhodnější sériový motor. Proto má dynamospouštěč pro každou svou funkci samostatné budicí vinutí. Dynamospouštěč je kompromisní řešení a většinu výhod, které má řešení s dvěma samostatnými stroji, postrádá. POMOCNÁ SPOUŠTĚCÍ ZAŘÍZENÍ Za nepříznivých klimatických podmínek, především velmi nízkých teplot ovzduší, je spouštění pístových spalovacích motorů ztížené až nemožné. Vedle nízké počáteční teploty nasávaného vzduchu, snižující i teplotu na konci komprese, se na zhoršených podmínkách spouštění podílí i snížení kapacity akumulátorové baterie, zvýšení mechanických odporů motoru v důsledku vysoké viskozity mazacího oleje a nepříznivé změny fyzikálních vlastností samotných motorových paliv, především nafty. Za takovýchto podmínek se používají různá pomocná spouštěcí zařízení, patřící buď k základnímu příslušenství motoru či vozidla, nebo jsou určena k dodatečné montáži. Předehřívání motoru K dodatečně montovaným zařízením, používaných zejména v severských zemích u motorů zážehových i vznětových, patří elektrická odporová tělesa, zařazovaná obvykle do hadicových spojů v nejnižších místech kapalinové chladicí soustavy motoru. Tato tělesa jsou konstruována buď na běžné síťové napětí veřejného rozvodu, nebo daleko vhodněji na bezpečné napětí 24 V. Vývody tělesa jsou připojeny na zvláštní konektor, přístupný vně karosérie, obvykle v její přední části. Kabelem z příslušenství se potom těleso připojuje na pevný rozvod v nevytápěných garážích nebo i na venkovních parkovištích. Výkon tělesa je volen tak, aby i za venkovních teplot pod -20 C udržela termostatická regulace tělesa teplotu chladicí kapaliny nad teplotou 0 C. Pro speciální účely se používá obdobný systém i pro udržování určité minimální teploty mazacího oleje v jímce oleje, což je také jediné řešení pro motory chlazené vzduchem. Zařízení pro zážehové motory. Často používaným zařízením pro usnadnění spouštění zážehových motorů s běžnou zapalovací soustavou bylo použití zapalovací cívky s předřadným rezistorem. Cívka je konstruována v tomto případě na napětí nižší než je jmenovité napětí elektrické sítě vozidla, např. 6 až 8 V u soustavy 12 V. Poškození zapalovací cívky za běžného provozu zabraňuje rezistor, zařazený sériové do primárního obvodu cívky, snižující napětí na potřebnou mez. V případě spouštění motoru, kdy dochází k poklesu napětí v celé soustavě, je tento rezistor vyřazen přemostěním a cívka tak dostává plné potřebné napětí, čímž je zaručena dostatečná energie jiskry na svíčce i při sníženém napětí akumulátoru. Tento poměrně jednoduchý systém byl překonán teprve zavedením elektronicky řízených zapalovacích soustav. U benzínových motorů bývá často sací nebo plnicí potrubí předehříváno chladicí kapalinou z okruhu chlazení motoru. Rychlé dosažení této teploty při spouštění motoru zajišťuje u některých systémů elektrické odporové topné těleso (obr. 8) obvykle s velkým povrchem, umístěné v sacím potrubí dole pod karburátorem. Na rozdíl od v úvodu uvedených zařízení je toto topné těleso zapojeno do elektrické sítě vozidla a je v činnosti zcela samočinně od okamžiku spouštění motoru až do doby dosažení běžné provozní teploty motoru.
Obr. 8 Topné těleso pro ohřev nasávaného vzduchu Zařízení pro vznětové motory. S ohledem na samotný princip činnosti vznětového motoru jsou podmínky jeho spouštění zásadně odlišné od podmínek spouštění u motoru zážehového. Pokud není u motoru vznětového v okamžiku vstřiku paliva dosaženo dostatečně vysoké teploty stlačeného vzduchu, nemůže dojít ke vznícení paliva. Za nízkých okolních teplot je proto nutno nasávaný vzduch předehřát, k čemuž dochází v zásadě dvojím způsobem. Buď se vzduch ohřívá ještě v sacím nebo plnicím potrubí a teprve následně se ve válci motoru stlačuje, nebo nejdříve se vzduch stlačuje a potom se již stlačený vzduch dále ohřívá. K ohřevu vzduchu v sacím potrubí se používají elektrická odporová topná tělesa nebo plamen z pomocného, elektricky zažertovaného hořáku v sacím potrubí obr. 9. Tato zařízení musí mít poměrně velký výkon, neboť ohřívají velké množství vzduchu, odpovídající zdvihovému objemu motoru a jeho otáčkám při spouštění. 1 palivová tryska 2 přívod paliva 3 čistič paliva 4 upevňovací závit 5 těsnění 6 těleso 7 odpařovací trubice 8 žhavené tělísko 9 pouzdro Obr. 9 Pomocný hořák plamenová svíčka K ohřevu vzduchu ve válci se používají tzv. žhavicí svíčky (obr. 10), což jsou elektrická odporová topná tělesa. Úkolem takovéto svíčky je před spouštěním zvýšit teplotu vzduchu v komůrce ve velmi krátkém čase na teplotu vznícení nafty a dále při spouštění spolupůsobit při vzněcování částeček rozprášeného paliva. Spirála je žhavena proudem, odebíraným z akumulátoru, na teplotu 900 až 1 000 C po dobu 30 až 90 s. Delší žhaveni bývá pro značné tepelné ztráty již neúčelné. Moderní žhavicí svíčky mohou být žhaveny po delší dobu a to nejen při spouštění, ale i po něm. Činnost žhavicí svíčky i po spuštění motoru zlepšuje průběh spalování, zejména omezuje tvorbu tzv. modrého" kouře, typického pro chod studeného motoru.
Obr. 10 Žhavicí svíčka