Способ холодного пуска двигателя внутреннего сгорания поршневого типа

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для холодного запуска двигателя внутреннего сгорания. Способ холодного пуска двигателя внутреннего сгорания поршневого типа, по которому прокручивают коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, осуществляют фазы впуск, сжатие, воспламенение и выпуск топливовоздушной смеси, заключающийся в том, что фазу впуск начинают за 5 градусов поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки и проводят за 15 градусов поворота коленчатого вала. Изобретение обеспечивает быстрый запуск двигателя при низких температурах в холодное время за счет только регулировки, не используя дополнительных устройств и без затраты дополнительной энергии. 2 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для холодного запуска двигателя внутреннего сгорания.

Наиболее распространенный способ холодного пуска двигателя внутреннего сгорания состоит в организации предварительного подогрева впускного воздуха для двигателя, для чего требуется энергоемкий электронагревательный элемент, занимающий место при установке во впускном трубопроводе. Известен способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, его систем и узлов трансмиссии шасси, заполняемых смазкой, включающий операцию подвода тепла к охлаждающей жидкости и горючесмазочным материалам при помощи нагревателя, снабженного блоком программного управления и реле, предохраняющим двигатель от перегрева, и операцию одновременной их прокачки по своим замкнутым системам, по которому для уменьшения времени подогрева и расхода энергии операцию подвода тепла осуществляют непосредственно от электропроводящих элементов конструкции двигателя, его систем, узлов трансмиссии шасси и тормозной системы, а также трубопроводов, контактирующих своими внутренними поверхностями с охлаждающей жидкостью, горючесмазочными материалами и сжатым воздухом, при помощи установки на наружные поверхности этих элементов клемм, посредством которых их, через преобразователь тока в импульсы, соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов тока на выходе преобразователя и полное время его протекания через элементы конструкции определяют и задают в преобразователе в зависимости от величин масс двигателя, охлаждающей жидкости, горючесмазочных материалов и величины заданного подогрева (патент РФ №2184871, МПК F 02 N 17/00, публикация 2002.07.10).

Также известен способ подогрева всасываемого воздуха в двигателях внутреннего сгорания с помощью пускового электрофакельного подогревателя, установленного во впускном трубопроводе и содержащего по меньшей мере одну свечу накаливания, заключающийся в том, что свечу накаливания нагревают в течение первого промежутка времени путем пропускания через нее постоянного тока и в течение второго промежутка времени путем пропускания через нее импульсного тока, причем через заданное время предварительного нагрева свечи постоянным током производят пуск двигателя, а в случае, если пуска двигателя не произошло, по истечении гарантийного времени свечу отключают и при необходимости повторного пуска двигателя перед ним производят повторный предварительный нагрев свечи, по которому время повторного предварительного нагрева свечи задают в зависимости от времени ее охлаждения после отключения обратно пропорционально температуре, до которой свеча остыла, причем после отключения свечи последовательно отсчитывают предварительно заданные интервалы времени и устанавливают время повторного предварительного нагрева в зависимости от того, в течение какого интервала свечу повторно включают (патент РФ №2092713, МПК F 02 N 17/047, публикация 1997.10.10).

Известны также способы холодного пуска двигателей внутреннего сгорания с помощью добавки к горючей смеси газообразного окислителя. Например, способ улучшения пусковых характеристик, повышения мощности и уменьшения токсичности отходящих из камеры сгорания газов двигателей внутреннего сгорания с помощью добавки к горючей смеси озона, по которому образование озона с концентрацией до 2 об. % в воздухе осуществляется непосредственно в воздушном коллекторе двигателя в регулируемом искровом разряде при импульсном напряжении 3-10 кВ и частоте импульсов 50-60 Гц (патент РФ №2180051, МПК F 02 M 27/04, публикация 2002.02.27).

Недостатками этих способов является невысокое быстродействие, потребление дополнительной энергии и использование дополнительного оборудования (электродвигатели, газообразные окислители), что увеличивает вес и размер всей установки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ холодного пуска двигателя внутреннего сгорания поршневого типа, заключающийся в том, что в течение первого этапа во время прокручивания коленчатого вала двигателя осуществляют блокировку подачи топлива в камеры сгорания двигателя на протяжении заранее заданного количества оборотов вала двигателя, вследствие чего в двигателе сжимают воздух для прогрева камер сгорания генерируемой теплотой сжатия, в течение второго этапа при дальнейшем прокручивании вала осуществляют подачу топлива до тех пор, пока не появится воспламенение, и на первом этапе дополнительно проводят дросселирование выпуска, вследствие чего в системе выпуска устанавливают противодавление (патент РФ №2102629, МПК F 02 N 17/08, F 02 D 9/04, публикация 1998.01.20).

Недостатком является наличие дополнительного устройства (дроссель на выпуске), длительность запуска двигателя внутреннего сгорания и потребление энергии (привод дросселя).

Задачей настоящего изобретения является решение отмеченных выше проблем запуска двигателя экономичным и эффективным путем таким образом, чтобы прогрев двигателя происходил быстро, без дополнительных устройств (нагревательного элемента и т.д.) и без потребления дополнительной энергии.

Поставленная задача достигается тем, что в способе холодного пуска двигателя внутреннего сгорания поршневого типа, по которому прокручивают коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, осуществляют фазы: впуск, сжатие, воспламенение и выпуск топливовоздушной смеси, в отличие от прототипа фазу впуск смеси начинают, не достигая 5 градусов поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки, и проводят за 15 градусов поворота коленчатого вала.

Данный способ холодного пуска основан на эффекте повышения температуры, проявляющемся при наполнении емкости (Рудой Б.П. «Прикладная нестационарная гидрогазодинамика» Уфа: УАИ. 1988. стр.140-142).

Рассмотрим полностью вакуумированную емкость, т.е. когда масса газа в емкости равна нулю. Пусть в момент времени t=t₀ открывается впускное окно и непосредственно из окружающей среды начинает втекать газ (длина трубопровода l_Т=0 ). Определим температуру попавшего в емкость газа (фиг.1). За время Δt втечет масса газа ΔG, которой соответствует объем в окружающей среде ΔV. Если пренебречь влиянием волновых процессов в окружающей среде, то тогда под действием давления p₀ в емкость попадет масса газа ΔG. Внутренняя энергия газа Е_e, попавшего в емкость, равна внутренней энергии газа окружающей среды Е₀ и работе р₀ΔV, совершенной окружающей средой по проталкиванию объема ΔV в емкость. Для простоты примем, что ΔG равна единице массы.

Внутренняя энергия газа Е_e, попавшего в емкость, равна внутренней энергии газа окружающей среды E₀ и работе p₀ΔV, совершенной окружающей средой по проталкиванию объема ΔV в емкость. Тогда е_e=e₀+рΔV или е_e=i₀, где i₀ - энтальпия газа в окружающей среде.

Учитывая, что е=с_vT, a i=c_pT, получим

То есть в случае втекания газа из окружающей среды в теплоизолированную вакуумированную емкость с жесткими неподвижными стенками (не совершается внешняя работа), температура газа возрастает в k раз. Например, при втекании воздуха с температурой 300 К температура в вакуумированной емкости будет равна 420 К, т.е. возрастает на ΔT=120 К, причем эта температура не зависит от давления в емкости.

На (фиг.2) представлены экспериментальные данные по влиянию длины трубопровода на величину повышения температуры ΔТ_е для различных начальных давлений в емкости. Как видно из фиг.2, величина относительного повышения температуры

ΔТ_е=ΔТ_е/ΔТ∞ (здесь ΔТ_е - повышение температуры при длине трубопровода l, ΔТ∞ - при l→∞) в диапазоне относительных длин 0-0,555...0,575 (за базовую длину принят трубопровод длиной 2,64 м) зависит от длины трубопровода.

Дальнейшее увеличение длины уже не изменяет величины прироста температуры. Это указывает на влияние волновых процессов во впускном трубопроводе на температуру воздуха при впуске. Длина трубопровода, при которой фронт отраженной волны успевал дойти к впускному клапану до его закрытия (длительность открытия клапана в приведенных экспериментах составила 0,009 с, скорость звука 344 м/с, объем емкости 800 см³, площадь трубопровода 3,8 см² ) ,

а относительное ее значение что хорошо согласуется с относительной длиной, при которой наблюдается излом на графиках фиг.2.

Пример конкретной реализации

Проведем расчеты в системе имитационного моделирования «Альбея» для одноцилиндрового двигателя с рабочим объемом 375 см³ для окружающей среды Т=253 К, Р=10⁵ Па и при оборотах двигателя n=350 об/мин. Фазу впуск начинают за 5 градусов поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки и проводят за 15 градусов поворота коленчатого вала. Такое расположение поршня в непосредственной близости к нижней мертвой точке необходимо, чтобы в цилиндре создалось как можно большее разрежение - для проявления эффекта повышения температуры. В конце впуска достигается температура - 324 градусов Кельвина. Такая температура достигается только если в двигателе установлены клапаны с законом открытия, близким к мгновенному. Если предпочесть более пологий (серийный) закон открытия клапана, то в момент открытия клапана кривая давления в цилиндре, возрастая, будет ограничиваться кривой закона открытия клапана. После чего параметры свежего заряда установятся (перестанут меняться во времени), за счет чего процесс станет стационарным во времени. Данный эффект повышения температуры наблюдается только при нестационарном течении газа. Таким образом, для реализации эффекта повышения температуры используют закон открытия клапана, близкий к мгновенному, и начинают фазу впуск за 5 градусов поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки и проводят за 15 градусов поворота коленчатого вала.

Итак, заявляемый способ позволяет быстро запустить двигатель при низких температурах в холодное время за счет только регулировки, не используя дополнительных устройств и без затраты дополнительной энергии.

Способ холодного пуска двигателя внутреннего сгорания поршневого типа, по которому прокручивают коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, осуществляют фазы впуск, сжатие, воспламенение и выпуск топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что фазу впуск начинают, не достигая 5° поворота коленчатого вала до нижней мертвой точки и проводят за 15° поворота коленчатого вала.