汽车发动机防误起动装置教学实验台的设计

廖连莹，林琳，陈德宝，王民，邱平凡

(常州工学院机械与车辆工程学院，江苏 常州 213002)



汽车发动机防误起动装置教学实验台的设计

廖连莹，林琳，陈德宝，王民，邱平凡

(常州工学院机械与车辆工程学院，江苏 常州 213002)

摘要：发动机处于运转时，若起动机再次被起动，将可能造成对起动机或发动机损坏。为避免误起动的发生，分别设计开发了继电器式、机械式和电子控制式3种防误起动装置。以这3种装置为基础，开发设计了汽车起动系统实验台。所设计制作的实验台运行良好，能够满足实际教学要求。

关键词：电控发动机；防误起动；起动系统；教学实验台

0引言

现代汽车制造技术已越来越先进，特别是在噪声和振动控制技术上得到了很大提高。在很多时候，发动机虽然处于运转状态，但其运行过于平稳和安静，驾驶员感觉不到它在工作。特别是在嘈杂的街道上，当发动机处于怠速运转时，这种现象就更加明显，如汽车在等红灯时。这又将引起另一种现象的发生，即驾驶员在发动机处于怠速状态下，误以为发动机已熄火，再次旋转起动钥匙，试图“点火”。结果，起动机驱动齿轮向飞速旋转的飞轮齿圈移动，并试图与之啮合。这一动作将导致以下不良后果：一是起动驱动齿轮与飞轮齿圈无法啮合，而发生激烈碰撞，发出“哒哒哒”的刺耳声音，甚至折断齿轮；二是起动驱动齿轮若与飞轮齿圈碰巧啮合，那么高速旋转的齿圈将带着起动机以更高的转速旋转，导致起动机散架或烧毁的严重后果[1]。

基于以上状况，本课题重在开发了一种发动机防误起动装置，即发动机已处于运行状态中，即使旋转起动钥匙，起动系统也将不起作用，从而避免起动机与高速旋转的发动机飞轮啮合，引起刺耳的打齿声音，甚至发生折齿或烧毁起动机的不良后果。以自主开发的发动机防误起动装置为基础，结合发动机起动系统其他组件，设计开发一款便于进行实践教学的发动机起动系实验台[2]。

1发动机起动系统基本结构及工作原理

普通汽车发动机起动系统主要由蓄电池、起动开关、起动机控制器、起动电机和起动驱动齿轮等组成，如图1所示。

1-吸引线圈；2-保持线圈；3，4，5-接线柱；6-活动铁芯；7-拨叉图1　发动机起动系统结构示意图

当按下开点火关SW时，起动控制器中的吸引线圈1和保持线圈2的电路接通，蓄电池电流导通，电流方向为蓄电池正极→接线柱3→点火开关SW→接线柱4，然后分2路，1路为保持线圈2→搭铁→蓄电池负极。另1路为吸引线圈1→接线柱5→起动机绕组→搭铁→蓄电池负极。

这时活动铁芯6在2个线圈电磁吸力的作用下，克服回位弹簧的弹力而向右运动，带动拨叉7将起动驱动齿轮推出与飞轮齿轮啮合。这时由于吸引线圈的电流流经起动机绕组，产生一定的电磁转矩。所以起动机驱动齿轮是在缓慢旋转的过程中啮合的。当齿轮啮合好后，接触盘开关SB接通，于是蓄电池的大电流流经起动机绕组，产生大的转矩，带动飞轮旋转起动发动机。与此同时，吸引线圈被短路，齿轮的啮合位置由保持线圈2的吸力来保持。

当发动机起动后，松开点火开关SW瞬间，保持线圈中的电流只能经吸引线圈构成回路。由于此时两线圈所产生的磁通方向相反而相互抵消，于是活动铁芯在复位弹簧的作用下回至原位，起动驱动齿轮退出啮合，接触盘开关断开，切断起动电路，起动机停止运转[3]。

如图1所示的传统汽车发动机起动系统，无论发动机是否运转，即飞轮是否旋转，只要按下点火开关SW，起动驱动齿轮就会向左运动，并在旋转中试图与飞轮啮合。如此就不可避免会发生上述的发动机误起动事件。

2发动机防误起动装置设计

为了避免发动机误起动，只要在图1所示的起动电路中，设计一种防误起动装置，当发动机已经运转时，即使按下起动开关SW，起动机也将无法工作。

根据这一目标，结合教学实验台便于制作、成本低廉、易于教学的设计理念，选取了较为成熟的继电器防误起动装置作为防误起动实验台装置之一外，还设计了机械式和电子控制式2种防误起动装置。

2.1　继电器式防误起动装置

该装置工作原理为：在图1所示的发动机起动电路中，在起动开关SW和接线柱4之间串联起动继电器，并加上保护继电器，通过继电器作用，避免起动机在发动机处于运转状态时再次起动，如图2所示。

图2　继电器式防误起动装置

图中起动继电器控制起动机电磁开关的工作，其触点是常开的。保护继电器控制起动继电器保持线圈通断，其触点是常闭的，其中保持线圈与发电机中性点N相连。当起动机起动后，发动机处于运转状态时，发电机运转，此时保护继电器保持线圈通电，保护继电器触点断开，切断了起动继电器保持线圈的接地线路。此时即使旋转点火钥匙，让SW触点结合，L1中仍然无电流通过，因此，起动继电器触点始终处于断开状态，起动机电路不能接通，起动机不工作，从而避免误起动事件的发生[4]。

2.2　机械式防误起动装置

设计该装置的目的就是利用机械点火锁模式，防止汽车发动机二次起动，即防误起动，造成对发动机的伤害。此类装置虽然在大众等汽车品牌上已有所使用，但由于涉及商业机密，其内部结构并未对外公布。因此，课题组设计一种结构简单、工作原理易懂的机械式防误起动点火锁，如图3所示。

1-外壳;2-中心拨叉(点火钥匙);3-挡板片;4-回位弹簧;5-限位簧片图3　机械式防误起动装置结构原理图

该装置由外壳、中心拨叉(点火钥匙)、挡板片、回位弹簧和限位簧片组成。外壳固定不动，回位弹簧一端固定在外壳上，一端与限位簧片相连，并对限位簧片施加一个朝向挡板片的力。限位簧片一端固定在外壳上，另一端起限值中心拨叉的作用。

通过限位簧片的作用，该装置可实现避免误起动作用，工作原理如图4所示。

汽车发动机未点火前，钥匙处于OFF位置图(见图4(a))。当顺时针旋转钥匙到ON位置时(见图4(b))，中心拨叉逆时针旋转，挡板片处于静止状态，限位簧片压紧在挡板片外缘。若继续旋转钥匙到START位置(见图4(c))，则接通起动机，发动机起动。这一过程，中心拨叉带动挡板片一起顺时针旋转至START位置，限位簧片从挡板片外缘滑落，处于自由状态。发动机起动后，点火钥匙从START回到ON位置(见图4(d))，完成整个点火过程。此时，中心拨叉滑过限位簧片，与挡板片A点靠在一起，限位簧片依然处于自由状态。在图4(d)这种状态，限位簧片很好地限制了中心拨叉直接旋转到START位置，即点火钥匙无法直接再次从ON旋转到START位置，而必须先逆时针旋转钥匙到OFF位置，同时带动挡板片逆时针旋转，回到图4(a)所示位置。然后重复上述过程，依OFF→ON→START顺序进行点火。从而避免了发动机处于运转状态时进行二次误起动。

图4　机械式防误起动装置工作原理图

2.3　电子控制式防误起动装置

设计电子控制式防误起动装置的目标为：当发动机运转，转速达到设定的转速时，由该装置控制切断起动电路，使起动机断电，并且只要发动机正常运转，起动机电源始终被切断，从而起到保护起动系统的作用。

该装置主要由3部分组成[5]，包括速度传感器、电子控制单元(U1)和执行器(RL1)，如图5所示。

图5　电子控制式防误起动装置

执行器为一常开电磁阀，常开触点连接在汽车电源正极与起动机电磁控制装置之间，用于控制起动机起动线路。电磁阀线圈一端接地，另一端与三极管(Q1)集电极相连。三极管发射极与汽车点火开关起动端子相连，基极与电子控制单元的输出控制端(P20)相连。转速传感器获取的发动机转速信号，通过输入端(P32)输入给电子控制单元。当输入转速信号高于所设定转速时，电子控制单元输出给三极管基极低电平，反之输出高电平。

汽车发动机起动时，当汽车点火开关拨至ON时防误起动装置供电，电子控制单元复位。此时无发动机转速信号，电子控制单元输出到三极管基极为高电平，三极管处于待导通状态。当进一步将点火开关拨至START位置时，三极管发射极接上电源，三极管导通，电磁阀线圈通电，电磁阀触点闭合，将起动机线路接通，起动机开始正常工作。

汽车发动机起动后，速度传感器检测到转速信号，并输入给电子控制单元。当此转速信号达到或超过所设定的转速门限，则电子控制单元给三极管基极输出为低电平，三极管截止，电磁阀线圈断电，电磁阀触点断开，从而切断了起动线路。所以，此时即使点火开关误操作至START位置，起动机的电源也不会接通，从而避免了因为这种误操作而对起动系统或发动机造成的损害。

3实验台总体设计

实验台设计的目标是制作包含继电器式防误起动装置、机械式防误起动装置和电子控制式防误起动装置的起动系统实验台。实验台能较好地展示发动机起动系统的结构组成和工作原理。3种防误起动装置布置在同一实验台上，且能分别工作，并展示其工作原理。根据这一目标要求，该实验台总体布置如图6所示。

由图可知，带防误起动装置的发动机实验台，是在普通发动机起动系统中，串联防误起动装置。为了使机械式防误起动装置、继电器式防误起动装置和电子控制式防误起动装置能分别工作，该实验台设计了2个选择开关。

图6　实验台总体设计图

通过选择开关的选择模式，可以实现3种防误起动装置分别独立工作。

1)当选择开关1置于图示左边时，实验台处于机械式防误起动工作模式，起动线路为“蓄电池→选择开关1→机械式防误起动点火开关→起动机”。

2)当选择开关1置于右边，同时选择开关2置于左边时，实验台处于继电器式防误起动工作模式，起动线路为“蓄电池→选择开关1→普通点火开关→选择开关2→继电器式防误起动装置→起动机”。

3)当选择开关1置于右边，同时选择开关2置于右边时，实验台处于电子控制式防误起动工作模式，起动线路为“蓄电池→选择开关1→普通点火开关→选择开关2→电子控制式防误起动装置→起动机”。

最后实验台按上述设计要求，遵循设计合理、价格便宜、使用寿命长、便于移动等原则，制作成防误起动实验台。

制作完成的实验台通过调试后运行良好，可以满足实际教学需要，实现了预期目标。

4结语

所开发的实验台分别实现了继电器式防误起动、机械式防误起动和电子控制式防误起动3种功能，其中后2种装置设计新颖，具有创新性。电子控制式防误起动装置成本低廉、接线简单，尤其适合用于目前无防误起动汽车的改装，具有良好的市场前景。

所制作完成的实验台成本较低，但功能强大，能满足汽车类专业的“汽车电器与电子设备”“汽车电控技术”等课程的实验教学需要。

[参考文献]

[1]何卫东.一种汽车起动系统保护装置：2003201208875[P].2014-12-18.

[2]廖连莹，戴建国，王彬，等.汽车发动机传感器教学实验台的设计[J].常州工学院学报，2010，23(2/3)：10-13.

[3]付百学，马彪，潘旭峰.现代汽车电子技术[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[4]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

责任编辑：陈亮

DesignofaTeachingTest-bedforAutomotiveEngineStartingSystemwithAnti-misplayStartingDevices

LIAOLianying，LINLin,CHENDebao,WANGMin,QIUPingfan

(SchoolofMechanicalandVehicleEngineering,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002)

Abstract：When the engine is working,turning on the ignition switch will damage the starter or engine.In order to avoid re-starting the starter,three anti-misplay devices were designed.They were relay anti-misplay starting device,mechanical anti-misplay starting device,and electronic control anti-misplay starting device.Combining the three anti-misplay starting devices,the teaching test-bed for automotive engine starting system was designed.The test-bed was debugged when it was completed.The results show that the test-bed had achieved the desired goal and met the requirements of the actual teaching.

Key words：electronically controlled engine;anti-misplay starting;starting system;teaching test-bed

中图分类号：TP212

文献标志码：B

文章编号：1671-0436(2015)04-0079-05

作者简介：廖连莹(1978—)，男，博士生，副教授。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201311055002)；江苏省大学生创新创业训练计划项目(201311055002Z)。

收稿日期：2014-12-31