Способ запуска двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области двигателестроения. Сущность изобретения заключается в том, что коленчатый вал двигателя прокручивают от постороннего источника энергии, впускной воздух нагревают в пламенном подогревателе и подают в цилиндры двигателя, а топливо начинают подавать с началом прокручивания коленчатого вала. Впускной воздух дополнительно подогревают электрическим подогревателем. Электрический подогреватель включают до начала прокручивания коленчатого вала и осуществляют прогрев воздуха во впускном тракте двигателя при неподвижном коленчатом вале. Период времени от включения электрического подогревателя до начала прокручивания коленчатого вала составляет 1 - 5 мин. Изобретение обеспечивает сокращение времени запуска двигателя, сохранение ресурса дорогостоящих аккумуляторных батарей, уменьшение износа деталей, узлов и агрегатов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и может найти применение при улучшении пусковых качеств поршневых ДВС в условиях низких температур.

Известны способы запуска ДВС, предусматривающие мероприятия по облегчению запуска при низких температурах.

Известен способ запуска двигателя с использованием свечей накаливания, (см. [1] . Двигатели внутреннего сгорания. Низкотемпературный пуск дизелей. Обзор НИИИнформтяжмаш. 4- 77-30. Москва. 1977, стр.34). В соответствии с рассматриваемым способом воздух, подаваемый в цилиндры двигателя при пуске, нагревают электрическими спиралями накаливания, которые питаются от аккумуляторных батарей.

Недостатком такого способа является значительный расход электроэнергии, превышающий расход электроэнергии на систему электростартерного пуска. В случае, если ограничить силу тока, пропускаемого через спирали накаливания, величиной, не приводящей к значительному разряду аккумуляторных батарей, то получаемый подогрев проходящего через коллектор впускного воздуха в режиме прокручивания коленчатого вала не превышает 1...3^oC, что весьма слабо влияет на улучшение пусковых качеств двигателя.

При этом следует учесть, что меньшие величины подогрева воздуха относятся к двигателям многоцилиндровым или большой размерности.

В этой связи системы электрического подогрева воздуха не нашли применения в двигателестроении.

Известен способ запуска ДВС с использованием пламенных подогревателей всасываемого воздуха, см.[1], стр.34.

Пламенные подогреватели имеют большую эффективность и экономичность, поскольку тепло, используемое для подогрева впускного воздуха, выделяется при сгорании подаваемого топлива. Недостатком такого способа запуска двигателя является сжигание части кислорода впускного воздуха и засорение цилиндров продуктами сгорания.

Указанный недостаток наиболее ярко проявляется при низких частотах вращения коленчатого вала, характеризующихся малыми расходами воздуха через цилиндры. Кроме того, на низких частотах вращения коленвала имеют место значительные пульсации расхода воздуха, которые отрицательно влияют на стабильность горения топлива в пламенном подогревателе и снижают эффективность подогрева воздуха.

Признаки указанных аналогов, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, следующие: - прокручивание коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии; - нагрев воздуха, подаваемого в цилиндры.

Наиболее близким заявляемому способу по совокупности существенных признаков является способ запуска ДВС ([2] . Двигатели внутреннего сгорания. Устройства запуска дизелей при низких температурах за рубежом. НИИИнформтяжмаш. 4-71-3, Москва, 1971 г., стр.30).

Существенные признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа: - коленчатый вал двигателя прокручивают от постороннего источника энергии; - впускной воздух нагревают в пламенном подогревателе; - нагретый воздух подают в цилиндры двигателя; - топливо подают в пламенный подогреватель и в цилиндры двигателя.

Особенностью прототипа является то, что расход топлива, подаваемого в пламенный подогреватель, не может быть оптимальным на всех стадиях процесса запуска. Так при низких частотах вращения коленчатого вала (прокручивание от постороннего источника энергии например, стартера), расход топлива должен быть выбран, исходя из оптимального подогрева воздуха в условиях его небольшого расхода при относительно больших пульсациях скорости. При этом расход топлива не может быть увеличен, поскольку это привело бы к выжиганию большей части кислорода воздуха и отсутствию вспышек в цилиндрах. По мере увеличения частоты вращения коленчатого вала при запуске относительные пульсации расхода уменьшаются, а расход воздуха увеличивается. При практически неизменном расходе топлива величина подогрева воздуха существенно уменьшается, что ухудшает запуск. В этой связи требуется увеличивать расход топлива, что невозможно выполнить в существующих подогревателях.

Таким образом, недостатком прототипа является низкая эффективность запуска вследствие - выгорания значительной части кислорода впускного воздуха, что имеет наиболее существенное влияние при низких частотах вращения коленвала; -низкой степени подогрева впускного воздуха, особенно на высоких частотах вращения, коленчатого вала, близких к холостому ходу.

Указанные недостатки предопределяют низкие пусковые качества прототипа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение пусковых качеств поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является сокращение времени запуска двигателя, сохранение ресурса дорогостоящих аккумуляторных батарей, а также уменьшение износа деталей двигателя, его узлов и агрегатов.

Существенными признаками, характеризующими изобретение и отличающими его от наиболее близкого аналога во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, являются следующие: - впускной воздух дополнительно подогревают электрическим подогревателем;
- электрический подогреватель включают до начала прокручивания коленчатого вала;
- осуществляют прогрев воздуха во впускном тракте двигателя при неподвижном коленчатом вале.

Существенным признаком, характеризующим изобретение в частом случае его выполнения, является:
- период времени от включения электрического подогревателя до начала прокручивания коленчатого вала составляет 1,0...5 мин.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Прогрев воздуха, находящегося во впускном тракте двигателя, до высоких температур может быть осуществлен подогревателями относительно малой мощности (3...9 кВт). Для осуществления такого подогрева необходимо подогреватели включить заранее, т.е. до начала прокручивания, и вести подогрев в течение определенного промежутка времени, а также исключить расход воздуха через цилиндры, т. е. осуществлять прогрев при неподвижном коленчатом вале. При выполнении этих условий перед запуском двигателя его впускная трасса будет заполнена горячим воздухом. При включении электростартера этот горячий воздух поступит в цилиндры и обеспечит надежное воспламенение топлива в первые же такты сжатия. В результате частота вращения коленчатого вала резко возрастет.

Ввиду ограниченного количества предварительно прогретого воздуха его запас будет израсходован при первых же оборотах коленчатого вала. Однако этого воздуха достаточно для резкого разгона коленвала практически до частоты вращения холостого хода. При повышенных частотах, близких к частоте вращения холостого хода, достигается эффективная работа системы пламенного подогрева впускного воздуха. За счет этой системы, практически независимо от степени электрического подогрева, обеспечивается надежное воспламенение топлива и быстрый дальнейшей разгон коленчатого вала.

Следовательно, в предлагаемом способе надежное воспламенение топлива в цилиндрах обеспечивается следующим образом. В режиме прокручивания коленвала и в начальный период разгона в цилиндры поступает воздух, заранее нагретый электрическим подогревателем. За счет этого воздуха осуществляется быстрый разгон коленвала до частот вращения 500...800 об/мин (близких к частоте вращения холостого хода). На этих частотах основной подогрев воздуха обеспечивается эффективно работающим пламенным подогревателем при незначительном влиянии электрического подогрева.

Сказанное подтверждается результатами экспериментов (см. прилагаемый технический акт N 23).

В акте на фиг.1 приведена осциллограмма запуска двигателя при окружающей температуре -10^oC с использованием пламенного подогревателя впускного воздуха. Видно, что время запуска двигателя в этих условиях составляет 10,9... 13,5 с (см. табл.1 акта), что характеризует запуск двигателя как ненадежный.

Разгон коленчатого вала с началом подачи топлива (на 2-й секунде прокручивания) протекает вяло в связи с тем, что пламенный подогреватель работает нестабильно (из-за значительных пульсаций расхода воздуха) и цилиндры засорены продуктами сгорания. По мере увеличения частоты вращения коленчатого вала его ускорение не возрастает, т.к. подогрев впускного воздуха становится недостаточным из-за постоянного расхода топлива через подогреватель.

Проведенный эксперимент показывает недостаточную эффективность запуска двигателя с использованием способа-прототипа.

Осциллограмма запуска двигателя с использованием предлагаемого способа приведена на фиг. 2 прилагаемого технического акта.

Видно, что включение системы электрического подогрева впускного воздуха, например за 3,5 минуты до начала прокручивания коленчатого вала, обеспечивает предварительный прогрев воздуха, находящегося во впускной трассе двигателя (см.кривые t_вп1...T_вп4) на величину до 10^oC.

После начала прокручивания коленчатого вала запас прогретого воздуха быстро расходуется и температура на впуске снижается. Однако этого запаса достаточно для того, чтобы в течение 0,6...0,8 секунды (за несколько первых вспышек в цилиндрах) разогнать коленчатый вал до частоты вращения 800 об/мин.

Далее, за счет эффективной работы системы пламенного подогрева впускного воздуха, за 0,2...0,4 с частота вращения коленчатого вала увеличивается до 1000 об/мин и продолжает возрастать.

Таким образом, реализация признаков предлагаемого способа обеспечивает резкое сокращение времени запуска двигателя, т.е. повышает его надежность.

Кроме того, в частном случае реализации заявляемого способа период времени от включения электрического подогревателя, до начала прокручивания коленчатого вала составляет 1...5 мин.

На прилагаемых фиг. 1,2,3 приведены зависимости времени пуска двигателя от времени предварительного прогрева воздуха во впускной трассе системой ЭПВВ для разных температур окружающей среды, построенные по результатам экспериментов (тех.акт N 23).

Видно, что при любых условиях запуска увеличение времени предварительного прогрева до 0,5...1 мин значительно улучшает пусковые качества двигателя.

Следовательно, за минимальное время подогрева следует принять время не менее 1 минуты. По мере увеличения времени прогрева темпы сокращения времени пуска снижаются. Например, при увеличении времени прогрева с 3,5 до 5 минут время пуска сокращается не более чем на 0,1...0,5 с.

Время прогрева свыше 5 минут практически не улучшает пусковые качества двигателя, ввиду того, что подвод тепла от электрического подогревателя становится равным теплорассеиванию в окружающую среду.

Таким образом, наибольший эффект в улучшении пусковых качеств достигается при обеспечении времени прогрева 1...5 мин.

В целях подтверждения эффективности предлагаемого способа заявителем проведены дополнительные эксперименты. Показано, что отключение системы ЭПВВ в момент включения электрического стартера позволяет существенно сэкономить запас электроэнергии в аккумуляторных батареях и увеличить мощность стартера. Кроме того, показана возможность увеличения расхода топлива через систему ППВВ, т.е. настройки этой системы на режимы повышенных частот вращения, вплоть до холостого хода.

Способ осуществляется следующим образом.

Включают электрические подогреватели, размещенные во впускном тракте двигателя. Прогревают воздух, находящийся во впускной трассе. В частном случае воздух прогревают в течение 1... 5 минут.

После прогрева воздуха электрическим подогревателем начинают прокручивать коленчатый вал от постороннего источника энергии (воздухопуск, электростартер). Одновременно с началом прокручивания коленчатого вала начинают подавать топливо в цилиндры двигателя и пламенный подогреватель. Топливо, подаваемое в пламенный подогреватель, воспламеняют (включают пламенный подогреватель впускного воздуха). Воздух из впускной трассы, предварительно прогретый электрическим подогревателем, поступает в цилиндры. Степень подогрева этого воздуха пламенным подогревателем невелика. За счет высокой температуры впускного воздуха, а также низкой степени его засоренности продуктами сгорания обеспечивается своевременное воспламенение и эффективное сгорание первых порций топлива, поданных в цилиндры. Это обеспечивает резкий разгон коленчатого вала.

На достигнутых высоких частотах вращения коленвала степень подогрева впускного воздуха системой ЭПВВ, ввиду ее малой мощности, невелика - 1... 3^oC.

Однако за период времени, прошедший с момента включения, система ППВВ вышла на штатный режим работы. Кроме того, повышенный расход воздуха, в сочетании с малыми пульсациями, обеспечивает эффективное сгорание топлива в подогревателе. В результате обеспечивается подогрев впускного воздуха системой ППВВ на уровне 30...50^oC.

Указанный подогрев обеспечивает устойчивое воспламенение и своевременное сгорание топлива в цилиндрах и на высоких частотах вращения коленчатого вала.

Таким образом, предлагаемый способ улучшает пусковые качества двигателя и может использоваться в любых поршневых двигателях при пуске в условиях низких температур.

За счет этого сокращается время запуска, сохраняется ресурс аккумуляторных батарей и двигателя.

Предлагаемый способ реализован в опытном образце двигателя 12ЧН15/16. За время отработки способа выполнено в общей сложности более 300 запусков. Решается вопрос об использовании этого способа в серийно выпускаемых двигателях. Для реализации способа не требуется дорогостоящих и недоступных материалов и технологий.

Формула изобретения

1. Способ запуска двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что коленчатый вал двигателя прокручивают от постороннего источника энергии, впускной воздух нагревают в пламенном подогревателе и подают в цилиндры двигателя, а топливо подают в цилиндры и в пламенный подогреватель, при этом топливо начинают подавать с началом прокручивания коленчатого вала, отличающийся тем, что впускной воздух дополнительно подогревают электрическим подогревателем, при этом электрический подогреватель включают до начала прокручивания коленчатого вала и осуществляют прогрев воздуха во впускном тракте двигателя при неподвижном коленчатом вале.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период времени от включения электрического подогревателя до начала прокручивания коленчатого вала составляет 1 - 5 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3