汽车为什么要配备启动电机,能不能用发电机替代?

启动电机利用时间短,如果调整改造一下电路,利用发电机实现启动内燃机功能,应该能节省不少成本。为什么很少有汽车这样设计呢?

汽车起动电机是为了启动车辆更简单、更轻松,发电机是用以全车供电,两者功能不同但可以集成为一体,只是成本比较高。

汽车启动电机使用的是直流串励式电动机,其作用是消耗蓄电池的电能带动发动机曲轴运转,结构由单向离合器与驱动齿轮、拨叉等部件组合,通电后电机转子产生的转矩在于发动机曲轴结合后实现发动机的运转,发动机内部启动的步骤如下:

  1. 曲轴带动连杆

  2. 连杆带动活塞、

  3. 喷油嘴开始向气缸内部喷油、

  4. 活塞在气缸中压缩空气使其产生高温蒸发液态雾化汽油

  5. 压缩后由火花塞点燃引爆或柴油机通过高压缩比直接达到柴油的自燃点。

在完成这一步骤之后发动机才算正常启动,因为不同气缸内部开始爆燃后会产生动能,这一能量可以推动活塞下行;那么反向思考就是活塞带动连杆、连杆推动曲轴、曲轴得到动力再带动其他活塞上行压缩爆燃产生动力,这种交替时的往复循环才能让发动机持续的稳定运转。

简单理解起动机或者称之为马达只是辅助发动机实现第一次的往复循环,这和曾经的汽车用摇把启动发动机的概念是相同的;但摇把启动不仅危险而且忒累,所以才用电动机替代摇把实现更理想的用车体验,这是为什么要用起动机的原因。(马达是motor的音译,motor释义为发动机,发动机包括各种内燃机、外燃机、电动机的多种类型)

发电机的作用与起动机不同,概念的区别是这样的。

  • 起动机直流电机是将直流电转化为机械能

  • 发电机交流电机是将机械能转化为交流电

作用大致是两个方向,功能是完全不同的,电机的作用是在车辆行驶中通过发动机提供动能运行发电,在启动后车辆所有的耗电部件使用的电都是发电机直供,而且还要为蓄电池充电。

不过功能不同但两者结合也并不是不可能,BSG发电启动一体机等于两种电机的结合;只是在结合后制造难度较高也拉高了成本,且功率明显提升普通的铅酸蓄电池容量过小不能承受,普通的起动机不过1kw多一些的功率在启动瞬间要消耗300~400Ah的电量,BSG电机的功率再小也有10kw左右耗电量非常大。

这种电机最早出现在赛车领域,其作用不仅要负责启动而且还要主动输出动力辅助曲轴运转为性能加分,民用车使用即使减小了功率也很难完全小型化,所以使用发电启动一体机则需要一组单独的蓄电池并且升压到48V,制造成本要高的多。

起动机和电动机还是独立分开运行最好,尤其是有SST功能的汽车还要考虑起动机的使用年限,这么设计当然是有其合理之处的。

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汽车为什么要配备启动电机,能不能用发电机替代?

目前只有油电混动/插电混动汽车取消了启动机,因为插电混动采用的直流电机功率特别大,电池电压高,可以提供大电流因此直流电动机完全可以代替启动机,来完成启动引擎的任务。大多数汽车发电机功率都不大,一般不会超过2kw,所以用来启动发动机动力是不足的,而且这类有刷发电机,结构上也不允许逆向作为电动机使用。而那些发电机功率很大的bsg电机也不能完全取代启动机。这与BSG电机传动方式有关系,BSG电机与发动机之间是皮带传动,由皮带连接的。而皮带传动不能承受启动瞬间的高力矩,或者会大大缩短皮带寿命。因此bsg电机启动车辆时,需要条件的。那就是发动机热机小,启动阻力低的时候才启用,如果冷车启动,不仅皮带承受力矩过大,而电机电流也会过大,而动力电池电能也不一定恰好足够。上图可以看到BSG电机与发动机间的传动关系。也可以看到电机皮带轮直径与发动机曲轴轮直径所相差的倍数不多,速比非常高可以达到4:1左右。当然这只是一个大致估算而已。速比低,发动机启动转速就会非常高,所以轻混系统发动机由bsg电机启动时,转速可以达到1000rpm以上。这就是带有bsg电机的车辆,自启停时舒适性更高的原因。高转速启动,发动机运转更平稳、震动更小,驾驶员几乎感觉不到发动机启动过程。而启动转速过高也会带来启动力矩降低的副作用。上面说的速比也是这个道理,可以理解为电机转动四圈,发动机转动一圈。这其实就是杠杆原理,杠杆长,力矩大,但是费了距离。电机功率不足的情况下,只能通过加大启动速比来增加启动力矩。因此启动力矩与转速只能选则一个。上图就是汽车启动机与飞轮启动齿圈。可以看到启动机齿数在10齿左右,而飞轮齿圈齿数要超过100齿,两者之间传动比轻松超过8:1,启动机与飞轮之间是齿轮啮合,出传动可靠可以承受高力矩,而传动比高则启动机的扭矩被放大很多倍(超过8倍),所以只有几千瓦的启动机可以启动发动机。但是此时发动机启动转速是很低的,只有几十转到一百转左右汽油机50转/分就可以启动,柴油机则需要100-200转/分才能启动,所以启动机启动发动机时会有震动感、而热车后BSG电机启动则不会有明显的震动。

汽车为什么要配备启动电机,能不能用发电机替代?

汽油机在静态,飞轮未储存能量,所以要油汽机开始压缩爆发必须给它一个原动力,一但汽油机工作不但带着汽车飞奔,同时飞轮也储存一些能量供汽油机继续工作,使发电机是不能给汽车起始动力的。

汽车为什么要配备启动电机,能不能用发电机替代?

不配的话难道你用手摇启动吗?

汽车为什么要配备启动电机,能不能用发电机替代?

有这种起动机,内燃机型的火车头就是

汽车为什么要配备启动电机,能不能用发电机替代?

内燃机点火启动的力矩输入较大,但汽车电瓶电流容量功率有限,为解决这一矛盾,将启动电机着力推动点选在了直径较大的飞轮外圆上,这样启动机齿轮与飞轮外圆构成的齿轮付主被动齿轮的速比就很大,这也把启动电机的扭矩放大了许多使启动电机能够引发内燃机启动,但每次启动功率/扭矩很大几乎是电瓶的放电极限,因此不允许长时间启动,无法启动打几次电瓶的电就耗光,启动机为获得大扭矩是用碳刷的直流电机,如果用启动机发电,发出的是直流电。将发电机与启动机二合一理论可行但实际不行,主要是成本太高,用发电机启动,发电机与曲轴的传动比小,需要将发电机功率/扭矩设计得比启动机大很多,电瓶功率/电流也需要加大很多,这样发电量也增加很多,在对电瓶冲电饱合发电机多余电量耗能器也要加大,这样电机的实际功率加大后作为发电机对内燃机的耗能也增加,加大燃油消耗经济性很差。用启动机发电,由于飞轮齿圈与启动机齿轮速比很大,这样造成启动机传速很高,且启动机功率也大造成发电量太大,汽车耗电量不需要这么大,这样会消耗掉很大部分內燃机动力作无用功,多余电力在耗能器里变成热量散失掉。因此现在的分开设计是最好的办法。

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