СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02N5/04 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для запуска двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизелей, при низких температурах окружающей среды.

Широко известен способ запуска двигателя внутреннего сгорания путем непосредственной передачи крутящего момента коленчатому валу от специального пускового двигателя (стартера), питающегося от электрической аккумуляторной батареи (см. Взоров В.А., Адамович А.В. Тракторные дизели: Справочник. М.: Машиностроение, 1981, с. 401 - 407). Однако использование этого способа запуска в зимнее время является неэффективным, так как с понижением температуры возрастает вязкость масла и крутящий момент, необходимый для проворачивания коленчатого вала, увеличивается в 3 - 4 раза, что требует больших затрат элеткроэнергии.

Известен инерционный стартер-генератор для запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащий стартер, расположенный в картере маховик, ротор и муфту сцепления магнитного типа, обеспечивающую соединение и разъединение ротора с маховиком (авт. св. СССР N 1588897, кл. F 02 N 5/04, 1990). Для данного устройства характерны низкий КПД использования аккумулированной в маховике энергии для целей запуска двигателя при повышенных температурах окружающей среды и невысокая надежность при запуске в зимнее время.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа, выбранным в качестве прототипа, является способ запуска двигателя внутреннего сгорания путем использования кинематической энергии специальных вращающихся масс, сущность которого заключается в том, что предназначенная для запуска двигателя механическая энергия предварительно сообщается специальному устройству-маховику путем его раскрутки с помощью маломощного стартера или вручную [1]. Для запуска двигателя с помощью специальной муфты соединяют вал маховика с коленчатым валом двигателя. После запуска двигателя отсоединяют валы друг от друга, например, с помощью обгонной муфты и маховик получает возможность свободного выбега. Общими существенными признаками известного способа и предлагаемого являются предварительное аккумулирование механической энергии в маховике и затем передача ее на коленчатый вал двигателя. При осуществлении способа-прототипа при низких температурах окружающей среды требуется предварительный прогрев двигателя, например, путем заливки в систему охлаждения горячей воды. Это обусловлено тем, что при низких температурах ухудшаются условия воспламенения топлива и увеличиваются потери на трение из-за возрастания вязкости масла. Все это приводит к снижению надежности и увеличению времени запуска двигателя.

Известное устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания, выбранное в качестве прототипа, содержит маховик, соединенный муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройство для раскрутки маховика, состоящее из электрической машины и аккумуляторной батареи, и обгонные муфты, обеспечивающие отключение устройства разгона маховика по достижении им пусковой готовности и размыкание цепи маховик-коленчатый вал при запуске двигателя [2] . Общими существенными признаками известного устройства и предлагаемого технического решения являются наличие маховика, соединенного управляемой муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройства для раскрутки маховика и обгонной муфты. Известное устройство обеспечивает только создание крутящего момента на коленчатом валу запускаемого двигателя. Однако, как известно, при низких температурах окружающей среды из-за поступления в цилиндры двигателя холодного воздуха ухудшаются условия для воспламенения топливо-воздушной смеси. Это приводит, во-первых, к снижению надежности запуска двигателя, а во-вторых, к увеличению времени запуска. Невозможность обеспечить воспламенение топливо-воздушной смеси при запуске двигателя является существенным недостатком известного устройства - прототипа.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа запуска двигателя внутреннего сгорания, в котором путем повышения температуры и давления воздуха в цилиндре двигателя обеспечивается сокращение периода задержки воспламенения топлива и увеличение коэффициента наполнения цилиндров в процессе запуска и за счет этого повышается надежность и экологичность запуска двигателя при низких температурах, а также сокращается время запуска.

Поставленная задача решается тем, что в способе запуска двигателя, включающем предварительное аккумулирование механической энергии в маховике и затем передачу ее на коленчатый вал двигателя, согласно изобретению одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике производят подогрев пусковой порции воздуха, для чего обеспечивают принудительное его движение в замкнутом контуре, а его подачу в двигатель осуществляют при повышенном давлении одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал.

В основу изобретения поставлена также задача усовершенствования устройства запуска двигателя внутреннего сгорания, в котором путем введения новых конструктивных элементов и их связей с маховиком и двигателем обеспечивается повышение температуры и давления пусковой порции воздуха и за счет этого повышается надежность и экологичность запуска двигателя, а также сокращается время запуска при низких температурах.

Поставленная задача решается тем, что устройство запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащее маховик, соединенный управляемой муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройство для раскрутки маховика и обгонную муфту, согласно изобретению снабжено рециркуляционным подогревателем воздуха, включающим напорный агрегат и ресивер, при этом приводной вал напорного агрегата связан с маховиком, а его выходной патрубок соединен с ресивером, на выходном патрубке которого установлен двухпозиционный пневмораспределитель, к которому подсоединены заборный трубопровод двигателя и входной патрубок напорного агрегата подогревателя.

Кроме того, двухпозиционный пневмораспределитель и управляемая муфта связаны между собой, например кинематически.

Наличие в предлагаемом устройстве рециркуляционного подогревателя воздуха и указанная выше конструктивная связь его элементов с маховиком и двигателем позволяют одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике производить подогрев порции воздуха и осуществлять его подачу в двигатель при повышенном давлении одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал, т.е. реализовать предлагаемый способ. Это позволяет сделать вывод, что изобретения связаны между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел (единство изобретения).

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что, во-первых, одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике (раскруткой маховика) производят подогрев воздуха для двигателя, во-вторых, подачу этого воздуха осуществляют в цилиндре двигателя при повышенном давлении и, в-третьих, эту подачу осуществляют одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал двигателя. Подача подогретого воздуха при повышенном давлении в цилиндры двигателя одновременно с раскруткой его коленчатого вала с помощью маховика благоприятствует процессам смесеобразования, связанным с нагреванием и испарением топлива, а также диффузией его паров. Повышение давления поступающего в двигатель воздуха создает благоприятные условия для протекания процесса наполнения цилиндров двигателя, так как уменьшаются относительные потери давления при поступлении воздуха в цилиндр, уменьшается коэффициент остаточных газов и увеличивается коэффициент наполнения цилиндров. Вследствие этого сокращается период задержки воспламенения топлива и создаются более благоприятные условия для самого процесса сгорания топливо-воздушной смеси, что приводит к повышению надежности и экологичности запуска двигателя. Таким образом, напорная подача подогретого воздуха одновременно с раскруткой коленвала уменьшает время запуска двигателя.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство имеет следующие отличительные существенные признаки:
1) наличие рециркуляционного подогревателя воздуха, включающего напорный агрегат и ресивер;
2) связь вала напорного агрегата с маховиком и соединение его выходного патрубка с ресивером;
3) установка на выходном патрубке ресивера двухпозиционного пневмораспределителя, соединяющего ресивер с заборным трубопроводом двигателя или входным патрубком напорного агрегата;
4) связь (кинематическая) между управляемой муфтой и двухпозиционным пневмораспределителем.

Первые три из указанных признаков являются достаточными во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, а последний характеризует изобретение в конкретной форме его выполнения. Наличие в устройстве запуска рециркуляционного подогревателя и связь приводного вала его напорного агрегата с маховиком позволяет повысить температуру и давление пусковой порции воздуха одновременно с раскруткой маховика. Установка на выходном патрубке ресивера двухпозиционного пневмораспределителя обеспечивает подачу подогретого воздуха при повышенном давлении в цилиндры двигателя при передаче крутящего момента от маховика на коленчатый вал двигателя. Подача воздуха при повышенных температуре и давлении в цилиндры двигателя, как указывалось выше, приводит к улучшению условий для образования топливо-воздушной смеси и ее воспламенения, что повышает надежность запуска. Следует отметить, что подача воздуха повышенного давления в цилиндры обеспечивается практически до полного использования запаса энергии в маховике, оставшегося после его отключения от коленчатого вала. Это приводит к увеличению коэффициента наполнения цилиндров и улучшению рабочего процесса двигателя в начальный после запуска период времени, что также повышает надежность и улучшает экологичность запуска. Наличие связи между двухпозиционным пневмораспределителем и управляемой муфтой упрощает операцию одновременной подачи подогретого воздуха в цилиндры и передачи механической энергии маховика на коленчатый вал двигателя.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство запуска ДВС содержит маховик 1 и устройство 2 для раскрутки, соединенные между собой через обгонную муфту 3. В качестве устройства 2 для раскрутки маховика 1 может быть использован маломощный стартер. Маховик 1 через обгонную муфту 4, управляемую муфту 5, механическую передачу из шестерен 6 и 7 и маховик 8 ДВС соединен с коленчатым валом 9, на котором установлен шатун 10 с поршнем 11, размещенным в цилиндре 12 двигателя внутреннего сгорания. Устройство для запуска ДВС снабжено рециркуляционным подогревателем воздуха, включающим напорный агрегат (компрессор) 13 и ресивер 14. Приводной вал 15 компрессора 13 через механическую передачу из шестерен 16 и 17 соединен с валом маховика 1. Выходной патрубок 18 компрессора 13 соединен с ресивером 14. На выходном патрубке 19 ресивера 14 установлен двухпозиционный пневмораспределитель 20, к которому подсоединены входной патрубок 21 компрессора 13 и через трубопровод 22 и форсунку 23 заборный (всасывающий) трубопровод 24 ДВС.

Управляемая муфта 5 имеет рычаг переключения 25, а двухпозиционный пневмораспределитель - рычаг переключения 26. Управляемая муфта 5 и двухпозиционный пневмораспределитель 20 связаны между собой кинематической связью 27. Двухпозиционный пневмораспределитель содержит клапанный узел, выполненный в виде штока 28 с установленными на нем двумя золотниками 29 и 30, расположенными напротив выходных отверстий канала 31, который связан с выходным патрубком 19 ресивера 14, и золотником 32, обеспечивающим в совокупности с седлом 33 клапана соединение входного патрубка 21 компрессора с дренажным патрубком 34 пневмораспределителя 20 при пусковом положении рычага 26.

Способ запуска ДВС осуществляется следующим образом. От стороннего источника энергии пониженной мощности, например стартера или вручную, производят раскрутку маховика до оборотов, соответствующих пусковым при данной температуре окружающей среды. Одновременно с раскруткой маховика с помощью подсоединенного к нему компрессора осуществляют принудительное движение пусковой порции воздуха по замкнутому контуру при повышенном давлении. Из-за разного рода потерь, связанных с торможением воздуха при его движении, он нагревается. Когда обороты маховика достигают необходимой величины, его с помощью муфты соединяют с коленчатым валом ДВС и одновременно подают нагретый воздух в цилиндры двигателя, для чего соединяют замкнутый контур, по которому двигался воздух, с заборным трубопроводом двигателя, сообщая при этом входной патрубок компрессора с атмосферой. После запуска двигателя маховик отсоединяют от коленчатого вала, а оставшуюся энергию маховика используют для вращения приводного вала компрессора, что обеспечивает в течение некоторого времени после запуска наддув цилиндров при повышенном давлении, что увеличивает полноту сгорания топлива.

Способ реализуется предложенным устройством запуска ДВС, которое работает следующим образом. При отключенной управляемой муфте 5 и смещении штока 28 клапанного узла двухпозиционного пневмораспределителя 20 в крайнее левое положение (как изображено на чертеже) включают привод 2, который через обгонную муфту 3 раскручивает маховик 1. Одновременно крутящий момент от устройства 2 через механическую передачу из шестерен 16 и 17 на приводной вал 15 компрессора 13. Давление воздуха на выходе из компрессора 13 повышается и осуществляется напорное движение воздуха по замкнутому газодинамическому тракту "выходной патрубок 18 компрессора 13 - ресивер 14 - выходной патрубок 19 ресивера 14 - канал 31 двухпозиционного пневмораспределителя 20 - входной патрубок 21 компрессора 13". В процессе движения воздуха разного рода потери, связанные с его торможением, становятся источником тепла. Воздух подогревается. При достижении маховиком 1 пусковых оборотов и соответствующем разогреве воздуха в ресивере 14 привод 2 отключают и обгонная муфта 3 размыкает кинематическую цепь "привод 2 - маховик 1". Для осуществления запуска ДВС рычагами 25 и 26 осуществляют одновременное включение муфты 5 и переключение двухпозиционного пневмораспределителя 20 (рычагом 26) в пусковое положение. При переключении пневмораспределителя 20 шток 28 перемещается в крайнее правое положение, золотник 29 перекрывает выход из канала 31, а золотник 30, наоборот, открывает выход из канала 31 и тем самым открывает проход для воздуха из ресивера 14 в трубопровод 22, связанный с заборным трубопроводом 24 ДВС. При этом входной патрубок 21 компрессора 13 сообщается с атмосферой через открытый клапан 32, 33 и дренажный патрубок 34. При включении муфты 5 замыкается кинематическая цепь "маховик 1 - обгонная муфта 4 - управляемая муфта 5 - механическая передача из шестерен 6 и 7 - маховик 8 ДВА - коленчатый вал 9" и происходит раскрутка коленчатого вала 9 за счет использования предварительно накопленной в маховике 1 энергии. Одновременно из ресивера 14 через выходной патрубок 19, канал 31, трубопровод 22 и форсунку 23 подогретый воздух повышенного давления поступает во всасывающий (заборный) трубопровод 24 и далее в цилиндр 12 ДВС. При достижении коленчатым валом 9 пусковых оборотов происходит запуск ДВС. После запуска двигателя обгонная муфта 4 размыкает кинематическую цепь "маховик 1 - коленчатый вал 9" и вся оставшаяся в маховике 1 энергия передается через механическую передачу из шестерен 16 и 17 на приводной вал 15 компрессора 13, что обеспечивает в течение некоторого времени после запуска наддув цилиндров ДВС при повышенном давлении, что увеличивает полноту сгорания топлива.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для запуска двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизелей, при низких температурах окружающей среды. Способ запуска двигателя включает предварительное аккумулирование механической энергии в маховике и затем передачу ее на коленчатый вал двигателя. При этом одновременно с аккумулированием энергии в маховике производят подогрев пусковой порции воздуха путем принудительного его движения в замкнутом контуре, а подачу воздуха в двигатель осуществляют одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал. Устройство запуска двигателя содержит маховик, который соединен управляемой муфтой с коленвалом и через обгонную муфту с устройством для его раскрутки, и снабжено подогревателем воздуха, включающим компрессор и ресивер. Приводной вал компрессора связан с маховиком, его выходной патрубок соединен с ресивером. На выходном патрубке ресивера установлен двухпозиционный пневмораспределитель, к которому подсоединены заборный трубопровод двигателя, входной патрубок компрессора подогревателя и дренажный патрубок. Управляемая муфта и рычаг переключения пновмораспределителя кинематически связаны между собой. Изобретение обеспечивает улучшение условий для образования топливо-воздушной смеси и ее воспламенения, что повышает надежность запуска. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ запуска двигателя внутреннего сгорания, включающий предварительное аккумулирование механической энергии в маховике и затем передачу ее на коленчатый вал двигателя, отличающийся тем, что одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике производят подогрев пусковой порции воздуха, для чего обеспечивают принудительное его движение в замкнутом контуре, а подачу в двигатель осуществляют при повышенном давлении одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал. 2. Устройство запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее маховик, соединенный управляемой муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройство для раскрутки маховика и обгонную муфту, отличающееся тем, что оно снабжено рециркуляционным подогревателем воздуха, включающим напорный агрегат и ресивер, при этом приводной вал напорного агрегата связан с маховиком, а его выходной патрубок соединен с ресивером, на выходном патрубке которого установлен двухпозиционный пневмораспределитель, к которому подсоединены заборный трубопровод двигателя, входной патрубок напорного агрегата подогревателя и дренажный патрубок. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что двухпозиционный пневмораспределитель и управляемая муфта связаны между собой, например, кинематически.