Электрический самозапуск

История появления первых электрических стартеров

Напомним, что в 1859 г. французский ученый Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную аккумуляторную батарею. Это был первый аккумулятор, который можно было подзаряжать. Он давал возможность расширить использование электроэнергии и электрических устройств на автомобилях.

Фирма William Arnold & Sons, основанная около 1844 г. и в конце XIX в. занимавшаяся изготовлением сельскохозяйственной техники, в 1895 г. приобрела лицензию на производство автомобилей Benz Velo в Великобритании, став, таким образом, первым автопроизводителем страны. Фирма под именем Arnold Motor Carriage Co. с 1896-го по 1898 г. построила 12 автомобилей по образцу Benz, но с собственными двигателями.

В 1903 г. Клайд Дж. Коулман получил патент U.S. Patent 0,745,157 на изобретенное им в 1901 г. устройство с электрическим мотор-динамо для автомобильного взрывного двигателя, как тогда называли ДВС. Устройство было прообразом современных стартер-генераторов. Изобретение Коулмана позволяло водителю легко приводить устройство в действие: давало возможность с помощью электромотора запускать двигатель, отключенный от нагрузки (ходовой части), использовать двигатель для подзарядки аккумуляторной батареи, а в дальнейшем при движении соединять ходовую часть транспортного средства с двигателем. Предусматривалось самостоятельное отключение пускового электромотора от ДВС после того, как ДВС будет запущен. Соединение между двигателем и ходовой частью было усовершенствовано таким образом, что водитель мог изменять передаточное отношение, управляя скоростью движения транспортного средства.

На рисунке Fig.1 к патенту (см. Рис. 2) приводился вид сбоку автомобиля, оснащенного устройством. Fig. 2 (Рис. 2) отображал горизонтальный разрез автомобиля с устройством в плоскости, обозначенной линией 2-2, Fig. 3 (Рис. 2) – зацепление мотор-динамо. На Fig. 4 (Рис. 2) приводилась электрическая схема. Устройство управлялось рычагом 24. Мотор-динамо 8 размещался на шарнирной раме 35. Дифференциальное соединение с коленчатым валом 6 двигателя, состоящее из двух наборов шестерен и муфт, предусматривало привод двигателя от мотор-динамо при пуске (в режиме стартера) с одним отношением, а привод мотор-динамо от двигателя (в режиме динамо-машины, т.е. генератора) с другим. Двигатель приводился с малой частотой вращения, мотор-динамо с гораздо более высокой частотой относительно оборотов двигателя, что позволяло использовать мотор-динамо небольших размеров.

Для эффективного использования динамо и предотвращения его разрушения при превышении частоты вращения использовался центробежный регулятор оборотов, приводимый ремнем 17. Регулятор автоматически контролировал подачу в двигатель рабочей смеси через трубопровод 39.

Соединение ходовой части с двигателем и мотор-динамо осуществлялось с помощью фрикционного диска 23, закрепленного на валу двигателя 6, и фрикционного колеса 25, выполненного с возможностью вращения и продольного скольжения по соединительному валу 27.

Мотор-динамо при работе в режиме динамо-машины подавало электрический ток в цепь зажигания и заряжало аккумуляторную батарею 40.

Коулман продал свой патент фирме Dayton Engineering Laboratories Company (Delco), которая позднее перешла к концерну General Motors.

В 1911 г. Чарльз Ф. Кеттеринг, инженер фирмы Delco, подал заявку на патент U.S. Patent 1,150,523 на улучшенную версию электрического стартера-генератора. Один из ключевых аспектов изобретения заключался в реализации того, что относительно небольшой электромотор приводился в действие током с более высоким напряжением и силой, чем это было бы возможно для его непрерывной работы, чем обеспечивал мощность, достаточную для запуска ДВС. При требуемых уровнях напряжения и тока для пуска ДВС такой электромотор сгорел бы за несколько минут непрерывной работы, но без повреждений мог работать несколько секунд, необходимых для запуска двигателя.

Чарльз Франклин Кеттеринг родился 29 августа 1876 г. в Лаудонвилле, штат Огайо. Из всех патентов, полученных им за свою жизнь, этот патент на электрический самозапуск двигателя автомобиля стал, пожалуй, самым заметным. Он получил свой патент три года спустя, 17 августа 1915 г., когда уже развил свои идеи до создания работоспособного образца, изготавливаемого серийно.

В начале своей карьеры Кеттеринг работал в Национальной кассовой компании в Дейтоне (штат Огайо), где он помог разработать первый кассовый аппарат, оснащенный электродвигателем, который открывал ящик регистра. Вместе с Эдвардом А. Дидсом Чарльз Ф. Кеттеринг основал компанию Dayton Engineering Laboratories Company (DELCO), занимающуюся проектированием оборудования для автомобилей. Электрическая система зажигания с автоматическим запуском Кеттеринга была представлена на автомобилях Cadillac Model 30 (Thirty) в 1912 г. Фирма Cadillac была приобретена корпорацией General Motors в 1908 г. В тот же год Cadillac выпустил модель Thirty – «тридцатку» (по мощности двигателя), тогда же компания приняла свой знаменитый лозунг «Стандарт мира» (Standard of the World). Все предыдущие модели были сняты с производства, и Model 30 стала единственным предложением Cadillac с августа 1908 г. по сентябрь 1914 г. Мощный четырехцилиндровый двигатель для Cadillac разрабатывался в течение нескольких лет, и в 1912 г. его рабочий объем был увеличен до 4,7 л. Model 30 с колесной базой 116 дюймов (2946 мм) стала одним из самых востребованных автомобилей из-за высокой надежности.

Большой вклад модели Thirty в историю автомобилестроения произошел из-за трагического инцидента, который случился зимой 1910 г. Автомобиль Cadillac женщины-автомобилиста заглох на мосту, и она не могла завести его ручкой. Мимо проезжал друг главы фирмы Cadillac г. Картер, который вызвался ей помочь. Однако угол опережения зажигания был слишком ранним, и когда мужчина провернул заводную рукоятку, произошедшая вспышка отбросила ручку назад, сломав Картеру челюсть. Из-за развившегося от травмы воспаления Картер умер, а Генри Леланд потерял близкого друга.

Глава Cadillac был угнетен и опустошен. Он решил во что бы то ни стало найти альтернативу заводной рукоятке. Леланд поручил своей команде разработать безопасный механизм самозапуска двигателя. Инженеры смогли это сделать, но механизм был слишком большим, чтобы его можно было использовать на автомобиле. Тогда Г. Леланд связался с работавшим в Delco Кеттерингом и попросил его помочь улучшить конструкцию стартера. Фирма Delco уже разработала высокоэнергетическое искровое зажигание для Cadillac, которое появилось в 1910 г.

У Чарльза Ф. Кеттеринга уже была идея на этот счет. В канун Рождества 1910 г. механизм Кеттеринга заработал. Тем не менее, когда в его лабораторию в Дейтоне прибыл автомобиль Cadillac, стартер Кеттеринга не подошел, и ему снова пришлось уменьшить размеры изобретения. Чарльз Ф. Кеттеринг также был ограничен крайним сроком, установленным Леландом, – 10 февраля 1911 г.: если проект не будет завершен до отъезда Леланда на Бермудские острова в течение одной недели, проект разработки самозапуска будет прекращен.

Чарльз Ф. Кеттеринг лично отвез автомобиль с автозапуском на железнодорожную станцию, откуда он должен был отправиться в Детройт, останавливаясь и заводя автомобиль в пути, чтобы убедиться в работе стартера. Леланд остался доволен механизмом Чарльза и заказал 12 000 устройств. С июня таким стартером стали комплектоваться модели Cadillac 1912 года.

Как ранее было предложено Коулманом и в его патенте U.S. Patent 1,150,523, Чарльз Ф. Кеттеринг разработал систему, использующуюся сразу для нескольких целей: запуска двигателя, выработки электричества во время его работы для зажигания и освещения. До этого нововведения для вождения в ночное время требовалось использование газовых фонарей, в основном ацетиленовых. Cadillac был награжден премией Dewar Trophy 1912 года от Королевского автомобильного клуба Великобритании за стартер и зажигание.

Стартер-генератор Чарльза Ф. Кеттеринга получил якорь с двумя обмотками, подключенными к двум коллекторам. Мотор-динамо имел пять щеток: две использовались для работы стартера, а три для генератора (изменяя положение третьей щетки можно было регулировать величину генерируемого тока). Клиентов сразу привлек новый способ запуска автомобиля. Позже, в том же 1912 г., ручная пусковая рукоятка была заменена электромашиной Delco и на автомобиле Lanchester.

Корпорация United Motors (позже General Motors) приобрела Delco в 1916 г. Чарльз Ф. Кеттеринг был вице-президентом и директором по исследованиям в GM с 1920 г. по 1947 г. Во время своего пребывания в GM Кеттеринг сыграл важную роль в разработке усовершенствованных двигателей, быстросохнущих автомобильных красок и покрытий, топлива с антидетонационными присадками и систем регулирования скорости.

Кеттеринг умер 25 ноября 1958 г. К тому времени он владел 186 патентами. Его фотография попала на обложку журнала Time 9 января 1933 г. Он был удостоен многих наград, таких как медаль Эдисона IEEE и медаль Франклина. Он также получил почетные докторские степени. В 1979 г. его занесли в Национальный зал славы изобретателей.

Казалось бы, электрический стартер должен был сразу стать доминирующим на автомобильном рынке, но в 1912 г. существовало несколько типов стартеров: Adams, S.C.A.T. и автомобили Wolseley оснащались пневматическим стартером с непосредственным приводом, а Sunbeam использовал пневматический стартер с подходом, аналогичным тому, который использовался для электрических стартеров Delco и Scott-Crossley (т.е. с зацеплением шестерни стартера с зубчатым венцом маховика). В автомобилях Star и Adler были применены пружинные механизмы (иногда называемые часовыми), приводящие в движение редуктор. Если автомобиль не завелся, можно было использовать ручку стартера, чтобы взвести пружину для следующей попытки запуска.

Одним из важнейших событий в истории электростартера стало изобретение привода Bendix. Это пусковой механизм, изобретенный Винсентом Бендиксом в 1910 г. и впервые использованный в автомобиле Chevrolet Baby Grand 1914 г. Ключевой особенностью и преимуществом в работе привода Bendix является то, что его шестерня вращает маховик двигателя, пока тот не запустится, а затем начинает свободно прокручиваться и выходит из зацепления с маховиком, когда двигатель запускается и начинает вращаться быстрее, чем шестерня стартера. Стартеры, которые не использовали привод Bendix, приходилось включать и выключать вручную, обычно с помощью напольной педали.

В марте 1914 г. Bosch представила свой первый электрический стартер для двигателей автомобилей. Новая разработка питалась от аккумулятора, входившего в состав системы, называемой Bosch Licht (Свет Бош), показанной публике в 1913 г. на автосалоне в Париже. У ранних стартеров фирмы Bosch было всего около 0,6 кВт мощности при весе почти 10 кг. В 1912 г. Автомобильный клуб Америки провел в своей лаборатории опыты по измерению силы, необходимой для запуска четырехцилиндрового двигателя размерностью 90х120 мм, подсо­единяя к нему электромотор. Для прокрутки двигателя с частотой 40 об/мин требовалось 1/8 л.с., с частотой 80 об/мин уже в два раза больше – четверть лошадиной силы.

Стартеры Bosch не имели большого успеха на рынке США. Местные производители уже предлагали различные устройства. Так, на автомобилях Franklin ставились стартер-генераторы Dyneto, работающие от напряжения 12 В. Maxwell использовал стартер-генераторы Simms-Huff, у которых на стороне, обращенной к маховику, имелась шестерня, а другой конец вала через муфту соединялся с приводом от ремня вентилятора. На моделях с 1915 г. по 1917 г. пуск двигателя осуществлялся от 12 В, а динамо давало напряжение 6 В. С 1918 г. – 12 В.

Когда большинство производителей автомобилей в США уже перешли на электрический стартер, Ford Model T все еще продолжал использовать заводную рукоятку до 1919 г. После использовался стартер 6 В с механизмом Bendix. К 1920-м годам электрические автоматические устройства запуска стали стандартом почти для каждого нового автомобиля в США.

Ford Model T до 1919 г. оставался сложным в эксплуатации из-за отсутствия электрического стартера. Хотя пользователям автомобиля было рекомендовано при запуске двигателя заводной ручкой сложить все пять пальцев, вместе с большим, чашечкой с одной стороны рукоятки, и тянуть рукоятку заводной ручки вверх, водители часто допускали ошибку – брались за заводную рукоятку естественным образом: обхватывая ее четырьмя пальцами с одной стороны, а большим пальцем – с другой. Для пуска двигателя автомобиля Ford T требовалось предварительно медленно провернуть заводную ручку на четверть оборота по часовой стрелке, чтобы заполнить карбюратор топливом.

Перед пуском двигателя Ford T следовало прикрыть воздушную заслонку карбюратора, для этого требовалось потянуть за проволочное кольцо, находящееся рядом с радиатором с правой стороны внизу.

Затем водителю рекомендовалось сесть в автомобиль, вставить ключ в замок зажигания, установить его в положение, указанное на замке: на MAG – магнето или BAT – батарею. И конечно, проверить, выключена ли передача в коробке (установлено ли нейтральное положение), включен ли стояночный тормоз.

Подрулевой рычажок управления опережением зажигания (левый) следовало установить в крайнее верхнее положение, повернув по часовой стрелке; правый рычажок управления акселератором поворачивался вниз на 4–5 делений шкалы.

Вернувшись к передней части автомобиля, водитель, используя левую руку, должен был провернуть заводную ручку (если двигатель сделает оборот в обратном направлении и заводная рукоятка резко ударит против часовой стрелки, вероятность того, что левая рука будет травмирована, меньше). После энергичного рывка заводной рукояткой двигатель должен был запуститься.

Следует отметить, что система зажигания автомобилей Ford T включала в себя четыре вибрационные катушки типа Trembler и гальванические элементы, которые позволяли завести двигатель, если в его цилиндрах оставалось достаточное количество горючей смеси после остановки.

Кроме того, с распространением стартеров, ввиду колоссальной популярности Ford T фирма Gray&Davis спроектировала и построила специальную электромашину, объединяющую в себе динамо и автоматический стартер, которая без всякой переделки устанавливалась на любой автомобиль Ford. При стоимости устройства в $85 стоимость с установкой составляла около $120 – существенную сумму.

Для тех, кто не был готов потратить трехзначную сумму на приобретение электрического устройства самопуска для своего Ford T, но желал запускать его двигатель, не покидая сиденье, предприимчивые изобретатели предлагали различные механизмы для ручного пуска по цене $10.

На моторном щите (перегородке мотоотсека) автомобиля располагалась ручка с длинным штоком, связанным цепью через блок с рычагом храпового механизма, установленного на переднем носке коленчатого вала.