Способ запуска двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в производстве и эксплуатации машин с поршневыми двигателями внутреннего сгорания для создания системы запуска карбюраторных дизельных двигателей. Сущность изобретения: запуск двигателя внутреннего сгорания с запуском вспомогательного пускового двигателя заключается в заполнении цилиндра горючей смесью, ее сжатии и воспламенении, прокручивании вала запускаемого двигателя, в нем перед запуском вспомогательного пускового двигателя его поршни устанавливают в положение начала рабочего хода, объем, отсекаемый поршнем заполняют горячей смесью, сжигают ее, а получаемое давление передают с поршня вспомогательного пускового двигателя на вал запускаемого с начала его рабочего хода. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к производству и эксплуатации машин с поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и может быть применено для создания системы запуска карбюраторных и дизельных двигателей автомобилей, сельскохозяйственных и других машин, а также стационарных двигателей средней мощности.

В настоящее время на автомобилях в подавляющем большинстве случаев применяют электростартерный способ запуска ДВС [1] Электростартер обеспечивает удобный запуск без применения мускульной энергии. Однако он не обеспечивает надежный запуск двигателя при низких температурах в виду недостаточно высокой скорости прокручивания вала, которая ограничена стоимостными и массогабаритными показателями стартерной аккумуляторной батареи и электродвигателя. Кроме того стартерная аккумуляторная батарея недолговечна и требует для своего изготовления остродефицитного свинца, а остальное электрооборудование стартера дорогостоящей меди. Так что при имеющихся широких масштабах производства и эксплуатации ДВС, наличие в изделиях указанных материалов уже с трудом обеспечивается природными ресурсами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ запуска ДВС с помощью вспомогательного пускового ДВС. Он состоит в том, что сначала запускают вспомогательный пусковой ДВС, прокручивая его вал с помощью мускульной энергии или электростартером, а затем, с помощью пускового ДВС прокручивают вал запускаемого ДВС. При этом в пусковом двигателе при пуске его совершают процессы, аналогичные процессам, происходящим при запуске в основном двигателе, а именно: заполняют горючей смесью при давлении, близком к атмосферному, цилиндр, устанавливая поршень в точку, соответствующую концу рабочего хода, сжимают горючую смесь, поднимая т.о. давление до нескольких атмосфер, зажигают горючую смесь после сжатия и совершают рабочий ход. Причем указанные действия при запуске и после запуска пускового двигателя циклически повторяют неоднократно, и уже затем, после прогрева пускового двигателя, когда он, имея сравнительно малый объем цилиндра, становится способным принять на себя нагрузку, его плавно, посредством фрикционной муфты, соединяют с валом запускаемого и увеличивают обороты до величин, требуемых условиями запуска [2] Такой способ запуска, в виде меньшего по сравнению с электроприводом удельного веса ДВС, а также в следствие частичного подогрева масла главного двигателя при работе пускового двигателя, обеспечивает более высокую скорость прокручивания вала запускаемого двигателя в условиях низких температур при приемлемых массогабаритных показателях.

Однако при этом способе проблема запуска, связанная с необходимостью прокручивания вала ДВС от постороннего источника энергии, остается. Она лишь перекладывается на двигатель меньшей мощности. И если это прокручивание осуществляется мускульной энергией, например заводным шнурком, то это обуславливает неудобство, дискомфорт и длительное время запуска, неприемлемые, например, для автомобиля и с чем приходится все же мириться при запуске тяжелых мобильных машин. А если прокручивание пускового ДВС осуществляется электростартером, то не исключается необходимость иметь на мобильном средстве стартерную аккумуляторную батарею и мощный электродвигатель со всеми вышеуказанными негативными последствиями. Кроме того, получающая при этом трехкаскадная система двигателей оказывается слишком сложной по конструкции, т.к. уже сам пусковой ДВС классической двухтактной схемы имеет почти все элементы главного запускаемого двигателя, причем часть систем дублирует системы главного двигателя (система газораспределения, кривошипно-шатунный механизм, сцепление), а часть систем является дополнительной (карбюратор, бензобак, система электрического зажигания).

Целью изобретения является повышение удобства запуска ДВС путем устранения необходимости в энергичном прокручивании при запуске пускового ДВС, а также обеспечение возможности упрощения конструкции пускового устройства в целом.

Предлагается способ запуска ДВС, согласно которому сначала запускают вспомогательный пусковой ДВС, с помощью которого прокручивают вал запускаемого ДВС. Цель достигается следующими отличиями. Перед запуском поршень пускового ДВС устанавливают в точку, соответствующую началу рабочего хода, а также заполняют образуемый при этом поршнем и головкой цилиндра, объем камеры сгорания горючей смесью при атмосферном давлении. Порядок совершения указанных действий не имеет значения. Несущественно также, какой в пусковом двигателе используется механизм для передачи движения поршня на вал запускаемого ДВС. Однако, если при этом используется кривошипно-шатунный механизм, то указанное положение начала рабочего хода следует выбрать после верхней мертвой точки. Затем производят зажигание горючей смеси. Образующееся при этом давление продуктов сгорания с поршня пускового двигателя передают на вал запускаемого ДВС с самого начала первого рабочего хода, и совершают один рабочий ход. При этом поршень пускового ДВС и вал запускаемого ДВС двигаются одновременно с ускорением, в результате чего запускаемый ДВС достигает скорости вращения, требуемой условиями надежного пуска, а поршень пускового ДВС в конце рабочего хода автоматически расцепляется с валом запускаемого ДВС и, имея сравнительно небольшую массу, останавливается при ударе в буферное устройство. В исходное положение поршень возвращают только для совершения следующего запуска.

При этом, несмотря на использование в пусковом ДВС малоэффективного в термодинамическом отношении процесса, характеризующегося отсутствием предварительного сжатия горючей смеси, что приводит, по сравнению с известным способом, и снижению КПД и литровой мощности пускового ДВС, как двигателя, процесс запуска ДВС по всему комплексу показателей оказывается более эффективным, т. к. КПД и литровая мощность при одноходовом процессе не являются решающими. Цилиндр при этом можно сделать достаточно большого объема и одновременно тонкостенным, и это обеспечит любые потребные энергии запуска. Зато устраняется необходимость прокручивания пускового ДВС при запуске. Установка поршня на начало рабочего хода осуществляется без противодавления и может быть осуществлена возвратной пружиной. Это исключает необходимость применения мускульной энергии или электростартера. Может быть также упрощена и конструкция пускового ДВС, т.к. кривошипно-шатунный механизм может быть заменен реечным, тросовым, ленточным и т.п. Механизмы газообмена, подачи топлива и зажигания, работающие в статике, также могут быть решены более просто.

Поскольку скорость воспламенения предварительно заряженной и находящейся в статическом состоянии без турбулентных потоков, горячей смеси может оказаться недостаточна велика, что может привести к тому, что рабочий ход будет совершен ранее достижения максимального давления газов, в одном из вариантов предлагаемого способа в период нарастания давления газов, начиная от момента зажигания, поршень удерживают в исходном положении фиксатором, который отключают не позднее момента достижения максимума давления газов. Этим обеспечивается наиболее полное преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в работу по ускорению вала запускаемого ДВС.

В технике известны одноходовые ДВС, т.е. такие, весь рабочий цикл которых состоит из одного рабочего хода, минуя ход предварительного сжатия горючей смеси. Особенно это касается наиболее ранних изобретений по ДВС, когда полезная роль сжатия еще не была осознана [3] Однако при переходе к использованию ДВС в качестве пускового двигателя, т.е. в более поздний период времени, логика развития техники увела от мысли использования одноходовых ДВС в виду появления более совершенных ДВС с предварительным сжатием. Эта логика состоит в том, что совершенствуя часть системы, мы совершенствуем и саму систему в целом. Однако в данном случае это утверждение ошибочно. Парадоксальность предлагаемого технического решения, чем и доказывается его неочевидность и соответствие критерию "изобретательский уровень", несмотря на апостериорно кажущуюся очевидную простоту решения, состоит в том, что применение в данном случае в системе менее эффективного процесса в пусковом ДВС приводит к повышению эффективности системы запуска в целом. Это получается вследствие того, что критерии эффективности для двигателя вообще и для пускового двигателя в составе пусковой системы различны, например по КПД, по влиянию литровой мощности на массогабаритные показатели и др. И это не было учтено в существующей технике запуска ДВС.

Изобретение поясняется описанием примеров осуществления способа и тремя фигурами.

На фиг. 1 изображена схема одного из возможных вариантов пускового ДВС, приспособленного к осуществлению предлагаемого способа.

На фиг. 2 показан тот же пусковой ДВС в другой проекции, а также показаны его расположение относительно запускаемого ДВС и связи управления процессом запуска.

На фиг. 3 показан тот же пусковой ДВС в третьей проекции. Показаны связи управления клапанами цилиндра.

Осуществление предлагаемого способа запуска ДВС рассмотрим на примере с использованием специально приспособленной более простой конструкции вспомогательного пускового ДВС, показанной на фигурах 1 3, хотя в принципе не исключена возможность использования пускового ДВС классической схемы с изменением некоторых конструктивных параметров (объем цилиндра и др.).

Перед этим необходимо описать устройство примененного в способе пускового ДВС. Он состоит из цилиндра 1 с поршнем 2. К штоку 3 поршня прикреплен трос 4, намотанный на ролик 5. Последний имеет храповые зубья 6 и возвратную пружину 7. Весь пусковой двигатель выполнен в виде рычага 8, образованного цилиндром 1 и жестко с ним связанным стержнем 9. На конце этого рычага, на оси 10, установлен указанный ролик 5. Сам рычаг 8 с помощью цилиндрического шарнира 11 закреплен на неподвижном основании, общем с основанием запускаемого ДВС 12 так, что зубья 6 при отклонении рычага 8 могут быть введены в зацепление с храповиком 13 вала запускаемого двигателя. За счет сжатой пружины 14 рычаг 8 имеет два устойчивых положения прижатое к храповику 13 двигателя 12 и отведенное от храповика 13 в упор 15. Для вентиляции цилиндра 1 имеется два клапана 16, расположенных в верхней и нижней точках цилиндра и снабженных приводными рычагами 17, срабатывающими от упора в основание всей силовой установки (основание всюду изображено штриховкой около незамкнутой линии). На стержне 8 расположен фиксатор 18 для удержания поршня от преждевременного перемещения и выполненный в виде подпружиненной собачки 19, взаимодействующей со штоком 3 и имеющей регулируемый упор 20, расположенный на основании фиксатора 18. Линия, проходящая через ось 21 собачки и точку a касания собачки со штоком, образует с нормалью к поверхности штока угол, расположенный в пределах конуса трения, что является условием заклинивания штока собачкой. Для подачи горючего имеется поршневой объемный дозатор 22 с винтовой подачей поршня 23 и приводным храповиком 24 для вращения винта. Для выхода жидкости имеется трубка 25, малого внутреннего сечения, подведенная к щели одного из клапанов 16. Причем выходное отверстие трубки 25 расположено выше уровня жидкости в дозаторе 22. Собачка 26 храповика дозатора 22 установлена на рычаге 27, имеющем возвратную пружину 28 и упор 29, ограничивающий ход рычага 27 в регулируемых пределах. Рычаг 27 и рычаг 8 присоединены к концам общего балансира 30, средняя точка которого соединена с ручкой 31 дистанционного управления запуском посредством тяги. Для зажигания, в цилиндре установлен механический фрикционный воспламенитель 32, привод вращения которого также осуществляется дистанционно с помощью ручки 33. Следует также указать на наличие у поршня резинового буфера 34 и штифта 35, служащего для автоматического отключения пускового ДВС в конце рабочего хода поршня. У штока 3 имеется ограничитель хода 36, определяющий точку начала рабочего хода. В задней стенке цилиндра 1 имеется отверстие 37, служащее для воздушного демпфирования движений поршня, а в боковой стенке цилиндра имеется отверстие 38 для стравливания избыточного давления газов в конце рабочего хода.

Предлагаемый способ запуска состоит в следующем.

Поршень 2 вспомогательного пускового двигателя (фиг. 1) устанавливают в положение, соответствующее началу рабочего хода, как показано на фиг. 1, что осуществляется сразу после выполнения предыдущего запуска автоматически возвратной пружиной 7, наматывающей трос 4 на ролик 5. После этого осуществляют заполнение отсекаемого поршнем 2 в цилиндре 1 объема b горячей смесью. В данном варианте это делается в два этапа. На первом этапе производится вентиляция объема b через клапаны 16 воздухом. Вентиляция осуществляется за счет естественной конвективной тяги от тепла предыдущего запуска, чему способствует наличие двух клапанов 16, расположенных в верхней и нижней точках объема b. Для вентиляции используется все время между двумя очередными запусками, т. к. при нерабочем положении рычага 8, когда зубья 6 отведены от храповика 13, рычаги 17 упираются в основание (фиг. 3), и поэтому клапаны 16 открыты. В других конструктивных вариантах пускового двигателя может быть применена принудительная вентиляция объема b, в т.ч. не только воздухом, но и горячей смесью. Однако в любом случае при этом для исключения больших затрат энергии используются низконапорные средства (не более нескольких сотен Паскалей), т.е. в пределах разброса величин абсолютного давления атмосферы), что и позволяет обобщенно говорить, что заполнение объема b горючей смесью производится при атмосферном давлении. Для запуска пускового ДВС может использоваться как жидкое, так и газообразное горючее. Рассмотрим вариант с применением жидкого горючего. Для запуска лучше всего использовать такую горючую жидкость, которая имеет при температуре цилиндра 1 упругость паров не менее 15 ^oC 20 мм ртутного столба и не имеет при этом шлейфа трудноиспаряющихся фракций с меньшей упругостью паров. В качестве такой жидкости для запуска летом годится, например обычный бензин, этиловый или метиловый спирт, а для запуска зимой легкие фракции бензина (пентан, гексан), метиловый спирт или этиловый эфир. Возможно использование для зимнего запуска бензина и без отгонки низкокипящих фракции, если увеличить вводимую объемную дозу. Однако это потребует корректировать объем подаваемого горючего в цилиндр 1 в зависимости от температуры цилиндра. Подача горючего в цилиндр 1 производится следующим образом. Перед запуском тянут ручку 31 на себя. При этом, поскольку возвратная пружина 28 собачки 26 дозатора 22 слабее силы, необходимой для перевода рычага 8 в другое положение, то сначала движется только рычаг 27 дозатора. В процессе этого движения собачкой 26 осуществляется ввинчивание поршня 23, вытеснение расположенной под ним жидкости через трубку 25 и впрыскивание ее через щель приоткрытого клапана 16 в полость b цилиндра 1. Объем впрыскиваемой жидкости определяется ходом рычага 27, ограничиваемым упором 29, который может быть изменен в зависимости от применяемого горячего (или от температуры, если используется горячее с наличием трудно испаряющихся фракций). Когда при вытягивании ручки 31 рычага 27 дойдет до упора 29, впрыск горячего заканчивается и в движение приходит рычаг 8, который при этом скачком переводится в положение, соответствующее касанию зубьев 6 с храповиком 13. При этом одновременно под действием своих пружин закрываются клапаны 16, т.к. их приводные рычаги 17 перестают упираться в основание (см. фиг. 3).

Осуществив таким образом за счет вытягивания ручки 31 все вышеописанные необходимые операции по подготовке пускового двигателя к пуску и выждав время, необходимое для испарения впрыснутого в цилиндр 1 горючего (1 ^oC 3 сек), производят зажигание горючей смеси, дергая за ручку 33 и вращая т.о. колесико механического фрикционного воспламенителя 32, вырабатывающего искру. Горючая смесь воспламеняется и давление в полости b начинает возрастать. А поскольку фронт горения в условиях спокойной нетурбулизированной газовой среды распространяется со сравнительно небольшой скоростью, то период нарастания давления может составить несколько десятых долей секунды. Чтобы избежать при этом преждевременного перемещения поршня 2 и совместить по времени его движение с максимумом давления, поршень 2 удерживают после зажигания в исходном положении с помощью фиксатора 18. При этом собачка 19, прижимаемая пружиной к штоку 3, заклинивает шток. По мере возрастания давление газов сила трения и сила давления в точке a контакта собачки 19 со штоком 3 возрастают пропорционально, и результирующий вектор силы остается внутри конуса трения. Т.о. шток удерживается собачкой. Однако по мере возрастания давления собачка 19, имеющая надрез С для понижения ее жесткости, а также детали ее крепления, деформируются, что вызывает небольшое перемещение собачки по направлению к упору 20. И при достижении некоторой силы давления, величина которой может регулироваться положением упора 20, собачка дойдет до упора 20. На этом дальнейший рост силы трения и давления в кинематической цепи собачки 19 прекратится и поршень 2 выдернет шток 3. Начнется рабочий ход поршня 2. Упор 20 регулируют так, чтобы выдергивание штока происходило при силе в 1,5 3 раза меньшей максимальной силы давления газов (в зависимости от скорости распространения пламени применяемого горючего). При этом максимум силы давления буде совмещен по времени с движение поршня и работа продуктов сгорания будет максимальная.

На начальном этапе рабочего хода, когда скорость еще не велика, происходит натяжение троса 4 и выбор люфта между зубьями 6 и храповиком 13. Затем ускорение передается на вал запускаемого двигателя 12. На протяжение рабочего хода поршня 2 вал запускаемого ДВС 12 совершает примерно один оборот. При этом площадь поршня 2 подобрана так, что к концу рабочего хода газами совершается работа, достаточная для прокручивания вала на один оборот и сообщения ему остаточной кинетической энергии, соответствующей числу оборотов, необходимых для надежного запуска. В данном случае при любых температурах можно получить в конце рабочего хода скорость вращения вала двигателя 12 не меньше числа оборотов холостого хода двигателя, что обеспечивает надежный запуск двигателя. В конце рабочего хода поршень 2, имея скорость порядка 2 4 м/с, ударяется буфером 34 о заднюю стенку цилиндра 1. При этом газы стравливаются через отверстие 38 до давления, определяемого силой возвратной пружины 7. При этом давление уже можно открыть клапаны 16. За счет удара штифта 35 поршня в основание силовой установки, рычаг 8 возвращается в исходное положение. При этом клапаны 16 открываются. Давление в цилиндре 1 падает до атмосферного и пружина 7 возвращает поршень 2 в исходное положение, определяемое упором 36. Спустя несколько секунд, необходимых для вентиляции цилиндра 1, пусковой двигатель готов к проведению следующего запуска.

Если же пусковой двигатель не сработал, то вернуть рычаг 8 в исходное положение можно, нажав на ручку 31.

Если по каким-либо причинам пусковой двигатель был запущен в холостую - при расцепленном положении зубьев 6 и храповика 13, то разрушения двигателя все равно не произойдет, т.к. сечение отверстия 37 подобрано так, что оно ограничит возрастание скорости поршня 2, если она превышает номинальную, за счет квадратичной зависимости давления в нерабочей полости цилиндра 1 от скорости истечения воздуха из этой полости при движении поршня 2.

Приведем основные параметры процесса запуска и конструкции пускового ДВС, разработанного для автомобилей ВАЗ. Объем полости b 1,5 литра. Рабочий ход поршня 150 мм. Диаметр цилиндра 120 мм. Толщина цилиндра 1 мм. Масса всего пускового устройства около 5 кг. Это в 5 раз меньше массы электростартерной системы, которая может быть снята с автомобиля. Пусковой двигатель удобно размещается в моторном отсеке с левой стороны. При этом ось цилиндра 1 располагается наклонно. Тяги управления запуском выведены в салон. Расход горючего на один запуск в пусковом двигателе менее 1 г. Максимальное давление в цилиндре 1 порядка 5 6 атмосфер. При этом к храповику, расположенному на носке коленвала двигателя ВАЗ прикладывается крутящий момент не более 12 кгс/м, т.е. не более момента затяжки храповика. (Штатный храповик заменяется мелкозубчатым). При рабочем ходе поршня 2 совершается работа около 600 дж. Потребная работа запуска при нормальной температуре около 250 дж. Весь избыток энергии идет на увеличение кинематической энергии коленвала. При этом минимальная частота вращения коленвала, получаемая при низких температурах, составляет не менее 750 об/мин, т.е. не менее оборотов холостого хода двигателя. При этом уже выходит на полную мощность штатный электрогенератор двигателя. Однако для обеспечения возможности запуска двигателя совсем без помощи аккумулятора, необходимо решить проблему повышения скорости тока в обмотке возбуждения генератора.

Среди других возможных вариантов осуществления способа следует указать на возможность применить вместо задержки поршня турбулизацию горючей смеси при воспламенении. Можно также повысить скорость воспламенения форкамерным зажиганием, распределением воспламенителей по объему и т.п.

Таким образом, предлагаемый способ запуска ДВС исключает необходимость в прокручивании пускового ДВС от постороннего источника энергии, что повышает удобство запуска без применении электростартера. Одноходовый процесс в пусковом ДВС позволяет существенно упростить конструкцию пускового устройства по сравнению с применяемым сейчас двухтактным ДВС классической схемы, т.к. кривошипно-шатунный механизм может быть замещен более простым по типу шнурового, а карбюратор, система газораспределения и система зажигания более простыми системами вентиляции, дозированного впрыска и механическим фрикционным воспламенителем, действующим статически без регламентации по времени. Несмотря на пониженные КПД и литровую мощность, масса и габариты пускового двигателя, а также расход топлива на запуск, не только не возрастают, но также могут быть снижены, т. к. запуск проводится всего за один ход поршня. При этом цилиндр не несет практически никакой тепловой нагрузки, а по условиям механической прочности он, даже при объемах в несколько литров, может быть сделан из листовой стали при толщине стенки менее 1 мм. Причем, за счет возможности значительного увеличения объема цилиндра пускового двигателя (до объемов, превышающих суммарный объем цилиндров запускаемого двигателя), значительно возрастают энергетические возможности пускового устройства и обеспечивается надежный запуск ДВС (особенно дизелей) в любых условиях. Растянутость пресса горения по времени при проведении процесса в нетурбулизированной среде не вызывает увеличения теплоотдачи в стенки цилиндра, т.к. определяющей является конвективная теплопередача, а она, в отсутствии турбулизации, в той же мере замедляется. Предлагаемый способ запуска позволит в массовых автомобилях перейти на работу с легкими щелочными аккумуляторами, необходимыми лишь для обеспечения габаритного освещения и формирования системы зажигания при запуске. Это позволит сэкономить свинец и медь, увеличить полезную нагрузку автомобиля, а также повысить степень готовности автомобиля к использованию после длительной стоянки. Источники информации: 1. ж. Изобретатель и рационализатор, N 6, 1989, с. 12. 2. А.В Кузнецов, Устройство и эксплуатация ДВС. М. Высшая школа, 1979, пл. X, стр. 212 216. (прототип) 3. А.В. Моравский, М.А. Файн. Огонь в упряжке. М. Знание. 1990, стр. 69; 77; 78.

Формула изобретения

1. Способ запуска двигателя внутреннего сгорания, включающий запуск вспомогательного пускового двигателя, с помощью которого прокручивают вал запускаемого двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что перед запуском вспомогательного пускового двигателя его поршни устанавливают в положение, соответствующее началу рабочего хода, объем, отсекаемый поршнем, заполняют горючей смесью при атмосферном давлении, сжигают горючую смесь, а получаемое давление передают с поршня вспомогательного пускового двигателя внутреннего сгорания на вал запускаемого двигателя внутреннего сгорания с начала его рабочего хода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нарастании давления газов во вспомогательном пусковом двигателе внутреннего сгорания поршень вспомогательного пускового двигателя внутреннего сгорания удерживают в исходном положении фиксатором, который отключают не позднее момента достижения максимального давления газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3