スターター（エンジン）

スターター（セルスターター、クランキングモーター、スターターモーターとも呼ばれる）は、自動車に取り付けられ、内燃機関のクランクシャフトを回転させてエンジンの燃焼サイクルを開始させる装置である。スターターには、電気式、空気圧式、油圧式がある。また、例えば大型エンジンや、農業用または掘削用ディーゼルエンジンの場合、スターターは別の内燃機関となることもある。^{[ 1 ]}

内燃機関はフィードバックシステムであり、一度始動すると、各サイクルの慣性を利用して次のサイクルを開始します。4ストロークエンジンでは、3番目のストロークで燃料からエネルギーが放出され、4番目の（排気）ストロークと次のサイクルの最初の2つの（吸気、圧縮）ストローク、そしてエンジンの外部負荷に動力が供給されます。特定のセッションの開始時に最初のサイクルを開始するには、最初の2つのストロークをエンジン自体以外の方法で動力供給する必要があります。この目的のためにスターターモーターが使用され、エンジンが始動してフィードバックループが自己維持状態になると、スターターモーターは不要になります。

スターターモーターが登場する以前は、エンジンの始動には、ゼンマイ式、火薬シリンダー、そして取り外し可能なクランクハンドルをクランクシャフトの前部にかみ合わせる、飛行機のプロペラを引っ張る、開いた滑車に巻き付けた紐を引くといった人力による方法など、さまざまな方法が用いられていた。

エンジンの始動には手回しクランク方式が一般的に用いられていましたが、不便で難しく、危険でした。始動時のエンジンの挙動は必ずしも予測できるものではありません。エンジンがキックバックを起こし、突然逆回転することがあります。多くの手動スターターには一方向のスリップ機構または解除機構が組み込まれており、エンジンの回転が始まるとスターターがエンジンから切り離されるようになっていました。キックバックが発生した場合、エンジンの逆回転によって突然スターターが作動し、クランクが予期せず激しく揺れ、オペレーターが負傷する可能性があります。コード巻きスターターの場合、キックバックによってオペレーターがエンジンや機械の方に引っ張られたり、スターターコードとハンドルがスタータープーリーの周りを高速で回転したりする可能性があります。クランクにはオーバーラン機構がありましたが、エンジンが始動すると、クランクがクランクシャフトとともに回転し始め、エンジンをクランクしている人に当たる可能性があります。さらに、バックファイアを防ぐために点火時期を遅らせるよう注意する必要がありました。点火設定を高度にすると、オーバーラン安全機構が一方向にしか作動しないため、エンジンが逆回転（逆回転）してクランクシャフトを引っ張ってしまう可能性がある。

クランクの下に指と親指を添えて引き上げるように指示されていたものの、作業員にとっては片側に指、もう片側に親指を置いてハンドルを握るのが自然な動作だった。ちょっとしたバックファイアでも親指を骨折する可能性があり、最悪の場合は手首の骨折、肩の脱臼、あるいはそれ以上の重傷を負う可能性もあった。さらに、圧縮比の高い大型エンジンの登場により、手動クランク操作はますます肉体的に負担の大きい作業となっていった。

最初の電気スターターは、 1896年にイギリスのイースト・ペッカムで電気技師のHJ・ダウジングによって製造されたベンツ・ヴェロの改良版であるアーノルドに取り付けられた。^{[ 2 ]}

1903年、クライド・J・コールマンはアメリカで最初の電気スターターを発明し、米国特許0,745,157を取得した。^{[ 3 ]}

1911年、デイトン・エンジニアリング・ラボラトリーズ社（デルコ）のチャールズ・F・ケタリングは、ヘンリー・M・リーランドと共に、電気式スターターを発明し、米国特許1,150,523号を出願した。（ケタリングは5年前にNCR社のレジスターの手動クランクを電動モーターに置き換えていた。）

この発明の1つの側面は、連続運転には不可能な高電圧と高電流で駆動される比較的小型のモーターが、エンジンの始動に必要なクランキングに十分な電力を供給できるという認識にあった。必要な電圧と電流レベルでは、そのようなモーターは連続運転で数分で焼損するが、エンジンの始動に必要な数秒間では焼損しない。スターターは1912年にキャデラック モデル サーティに初めて搭載され、同年後半にランチェスター社も同じシステムを採用した。 ^{[ 4 ]}これらのスターターは、エンジンが作動すると発電機としても機能し、この概念は現在ハイブリッド車で復活している。

電気スターターモーターが自動車市場を席巻することになるものの、1912年当時は、いくつかの競合するタイプのスターターが存在していた。^{[ 4 ]}アダムス、SCAT、ウォルズレーの自動車には直接空気スターターが採用され、サンビームはデルコやスコット・クロスリーの電気スターターモーターと同様のアプローチ（フライホイールの歯付きリングとの噛み合い）で空気スターターモーターを導入した。スターとアドラーの自動車には、スプリングモーター（時計仕掛けモーターと呼ばれることもある）が採用されており、スプリングに蓄えられたエネルギーを利用して減速ギアを駆動していた。自動車が始動しない場合は、スターターハンドルを使ってスプリングを巻き上げ、再度始動を試みることができた。

1914年に発売された最初のダッジ車、モデル30-35の革新の1つは、比較的低価格の車に標準装備として、12ボルトシステム（当時一般的だった6ボルトに対して）の電気スターターと電気照明が採用されていたことである。^{[ 5 ]}ダッジは、ギアによってエンジンのクランクシャフトに永久的に連結された直流ダイナモを備えた、スタータージェネレーター一体型ユニットを使用していた。電気リレーシステムにより、これをモーターとして駆動してエンジンを回転させ、始動させることができ、スターターボタンを離すと、制御スイッチギアによってユニットはジェネレーターとして動作に戻る。スタータージェネレーターはエンジンに直接連結されていたため、モーター駆動の接続と切断の方法が必要なかった。そのため、機械的な摩耗はほとんどなく、動作音もほとんどなかった。スタータージェネレーターは、1929年までダッジ車の特長として残っていました。この設計の欠点は、デュアルパーパス装置であるため、モーターとしての出力とジェネレーターとしての出力の両方に制限があり、エンジンのサイズと自動車の電気需要が増加するにつれて問題になったことです。モーターモードとジェネレーターモードの切り替えを制御するには、専用の比較的複雑なスイッチギアが必要で、専用のスターターモーターの頑丈な接点よりも故障しやすいものでした。スタータージェネレーターは1930年代までに自動車では人気がなくなりましたが、このコンセプトは小型車両には依然として有用であり、ドイツのSIBA Elektrik社が、主にオートバイ、スクーター、エコノミーカー（特に小型2ストロークエンジン搭載車）、船舶用エンジン向けに同様のシステムを製造しました。これらは「Dynastart」という名前で販売されました。オートバイは通常、小型エンジンと限られた電気機器、そして限られたスペースと重量のため、Dynastartは有用な機能でした。スタータージェネレーターの巻線は通常、エンジンのフライホイールに組み込まれていたため、別途ユニットを用意する必要は全くなかった。

フォードモデルTは1919年まで手動クランクを使用していたが、1920年代にはほとんどの新車に電動スターターが標準装備となり、女性や高齢者の運転が容易になった。1960年代まで、車にスターターハンドルが装備されているのは一般的で、一部のメーカーではその後もずっと使われ続けた（例えば、シトロエン2CVは1990年の生産終了まで）。排気量と圧縮比の増大に伴い、クランクはエンジンの始動には不向きになったため、多くの場合、クランクはエンジンの始動ではなく、タイミング調整に使用された。ラーダなどの共産圏の自動車は、1980年代になってもクランク始動方式を採用していることが多かった。

第二次世界大戦後期に生産された最初のドイツ製ターボジェットエンジンでは、ノルベルト・リーデルが小型の2ストローク水平対向2気筒ガソリンエンジンを設計し、ユンカース Jumo 004とBMW 003の航空機用ガスタービンを始動させるための補助動力装置として使用しました。これは、各エンジンの中央スピンドルを回転させるためのもので、通常はターボジェットエンジンの最前部に設置され、搭載されたジェットエンジンの始動手順中に始動させるために、プルロープで始動されました。

クライスラーが1949年にキー操作式の点火・始動スイッチを発明する以前は、 ^{[ 6 ]}始動は運転者が床やダッシュボードに取り付けられたボタンを押して行うことが多かった。一部の車両では、床にペダルがあり、手動でスターター駆動ピニオンをフライホイールリングギアにかみ合わせ、ペダルが移動の終端に達するとスターターモーターへの電気回路が完成する仕組みになっていた。1940年代のファーガソントラクター（ファーガソンTE20を含む）には、ギアレバーにスタータースイッチを作動させる追加のポジションがあり、ギアが入った状態でトラクターが始動するのを防ぎ、安全性を確保していた。^{[ 7 ]}

電気スターターモーターまたはクランキングモーターは、ガソリンエンジンや小型ディーゼルエンジンで最も一般的に使用されているタイプです。現代のスターターモーターは、永久磁石式または直並列巻線の直流電気モーターで、スターターソレノイド（リレーに似ています）が取り付けられています。始動用バッテリーからの直流電源が、通常はキー操作スイッチ（「イグニッションスイッチ」）を介してソレノイドに供給されると、ソレノイドがレバーを作動させ、スターター駆動軸上の駆動ピニオンを押し出し、エンジンのフライホイール上のスターターリングギアとピニオンを噛み合わせます。 ^{[ 8 ]}

ソレノイドはスターターモーターの高電流接点も閉じ、スターターモーターが回転し始めます。エンジンが始動すると、キー操作スイッチが開き、ソレノイドアセンブリ内のスプリングがピニオンギアをリングギアから引き離し、スターターモーターが停止します。スターターのピニオンは、オーバーランニングスプラグクラッチを介してドライブシャフトにクラッチされており、ピニオンは一方向にのみ駆動力を伝達します。このようにして、駆動力はピニオンを介してフライホイールのリングギアに伝達されますが、ピニオンが噛み合ったままになっている場合（例えば、エンジン始動直後にオペレーターがキーを離さなかった場合、または短絡が発生してソレノイドが噛み合ったままになっている場合など）、ピニオンはドライブシャフトとは独立して回転します。これにより、エンジンがスターターを駆動することを防ぎます。逆駆動が発生すると、スターターが高速回転して破損する恐れがあるためです。

スプラグクラッチ機構は、改造を施さない限り、前述のハイブリッド方式でスターターをジェネレーターとして使用することを不可能にする。標準のスターターモーターは通常、断続的な使用を想定して設計されているため、ジェネレーターとして使用できない。スターターの電気部品は、重量とコストを削減するために、通常30秒未満しか動作せず、その後過熱する（抵抗損失による放熱が遅すぎるため）ように設計されている。ほとんどの自動車の取扱説明書では、エンジンがすぐに始動しない場合、エンジンを始動しようとする際に、10秒または15秒ごとに少なくとも10秒間エンジンをクランキングするのを待つように指示している。

このオーバーランニングクラッチピニオン機構は、1960年代初頭から段階的に使用されるようになりました。それ以前は、ベンディックスドライブが使用されていました。ベンディックスシステムでは、スタータードライブピニオンがらせん状にカットされたドライブシャフト上に配置されます。スターターモーターが回転し始めると、ドライブピニオンアセンブリの慣性により、らせん上を前方に移動し、リングギアと噛み合います。エンジンが始動すると、リングギアからのバックドライブにより、ドライブピニオンがスターターの回転速度を超え、その時点でドライブピニオンはらせんシャフトに沿って押し戻され、リングギアとの噛み合いが外れます。^{[ 9 ]} この方式の欠点は、エンジンが短時間点火しても運転を継続しない場合、ギアが外れてしまうことです。

ガスタービンエンジンやディーゼルエンジン、特にトラックに搭載されているエンジンの中には、空気圧式セルスターターを採用しているものがある。地上車両の場合、このシステムはギア付きタービン、空気圧縮機、圧力タンクで構成されている。タンクから放出された圧縮空気はタービンを回転させ、減速ギアを介してフライホイールのリングギアを噛み合わせる。これは電気式スターターとよく似た仕組みである。エンジンが始動すると、圧縮機を駆動してタンクを再充填する。

大型ガスタービンエンジンを搭載した航空機は、通常、機体の別の場所に設置された補助動力装置（APU）と呼ばれる小型エンジンから供給される大量の低圧圧縮空気を使用して始動します。あるいは、航空機のガスタービンエンジンは、スタートカートまたはエアスタートカートと呼ばれる移動式の地上設置型空気圧始動装置を使用して迅速に始動することもできます。

大型の陸上設備や特に船舶に搭載されている大型ディーゼル発電機では、空気圧式始動装置が使用されています。空気モーターは通常、10～30バール（1,000～3,000kPa ）の圧縮空気で駆動されます。空気モーターは、スープ缶ほどの大きさの中央ドラムで構成されており、ドラムには4つ以上のスロットが切られ、そこに羽根を放射状に配置してドラムの周囲にチャンバーを形成します。ドラムは円形のケーシング内にオフセットして配置されているため、始動用の吸入空気は、ドラムと羽根が他の部分に比べて小さなチャンバーを形成する領域から取り込まれます。圧縮空気はドラムを回転させることでしか膨張できず、回転によって小さなチャンバーが大きくなり、別のチャンバーが吸入口に配置されます。空気モーターはエンジンのフライホイールに直接使用するには回転速度が速すぎるため、代わりに遊星歯車などの大きな減速ギアを使用して出力速度を下げます。フライホイールとの噛み合いにはベンディックスギアが使用されます。 

大型トラックは通常エアブレーキを使用するため、このシステムはブレーキシステムに圧縮空気を供給するという二重の役割を果たします。空気圧式スターターは、高トルク、機械的なシンプルさ、信頼性といった利点があります。また、原動機の電気系統において、大型で重い蓄電池が不要になります。

大型ディーゼル発電機や船舶の原動機として使用されるほぼすべてのディーゼルエンジンは、圧縮空気をシリンダーヘッドに直接作用させる方式を採用しています。しかし、この方式は小型ディーゼルエンジンには適していません。始動時に冷却効果が強すぎるためです。また、シリンダーヘッドにはエアスタートシステム用のバルブを追加するための十分なスペースが必要です。エアスタートシステムは、概念的には自動車のディストリビューターと非常によく似ています。ディーゼルエンジンのカムシャフトにギアで接続されたエアディストリビューターがあり、その上部にはカムシャフトにあるような単一のローブがあります。このローブの周囲には、各シリンダーごとにローラーチップフォロワーが放射状に配置されています。エアディストリビューターのローブがフォロワーのいずれかに当たると、シリンダーヘッドにあるエアスタートバルブの背面に作用する空気信号が送られ、バルブが開きます。圧縮空気は、エンジンに沿って配置されたヘッダーに供給される大型リザーバーから供給されます。エアスタートバルブが開くとすぐに圧縮空気が吸入され、エンジンが回転し始めます。 2ストロークエンジン、4ストロークエンジン、および逆転エンジンに使用できます。大型2ストロークエンジンでは、始動に必要なクランクシャフトの回転数は1回転未満です。

6気筒から16気筒までのディーゼルエンジンの中には、油圧モーターで始動するものがあります。油圧スターターと関連システムは、幅広い温度範囲で火花を起こさずにエンジンを始動する信頼性の高い方法を提供します。^{[ 12 ]}一般的に、油圧スターターは、遠隔発電機、救命ボート推進エンジン、オフショア消火ポンプエンジン、油圧破砕装置などの用途で使用されています。油圧スターターをサポートするシステムには、バルブ、ポンプ、フィルター、リザーバー、ピストンアキュムレータが含まれます。オペレーターは油圧システムを手動で再充電できます。これは電気始動システムでは容易にはできないため、油圧始動システムは緊急始動が必須となる用途で好まれます。

油圧スターターは、さまざまな構成で、あらゆるエンジンに取り付けることができます。油圧スターターは、軸方向ピストンモーターの高効率コンセプトを採用しており、あらゆる温度や環境で高トルクを提供し、エンジンのリングギアとピニオンの摩耗を最小限に抑えます。^{[ 13 ]}

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