Способ и система запуска авиационного звездообразного поршневого двигателя
Владельцы патента RU 2496025:
Закрытое акционерное общество "Опытно-конструкторское бюро моторостроения" (ЗАО "ОКБМ") (RU)
Изобретение относится к области авиационных двигателей. Технический результат - повышение надежности запуска авиационных двигателей в условиях низких температур окружающей среды. Указанный технический результат достигается тем, что в способе запуска впрыск сжатой топливовоздушной смеси в цилиндры и инициирование ее воспламенения осуществляют синхронно. Используют воспламеняемую топливовоздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха а=0,6-0,7. В системе запуска в распределителе сжатого воздуха отверстие для перепускания топливовоздушной смеси в цилиндры выполнено в теле диска золотника и смещено по дуге окружности на угол у=4,5-5,5° от оси симметрии диска золотника, находящегося в нерабочем положении. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к средствам, обеспечивающим запуск авиационных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для обеспечения надежного запуска двигателей в условиях низких температур окружающей среды.
Из уровня техники известны наиболее близкие аналоги предлагаемому изобретению - способ и система запуска авиационных звездообразных поршневых двигателей (Вахитов А.В. «Вертолет Ка-26», издательство «Транспорт», 1973 год, стр.33, 45, 121-122, штатная система воздушного запуска двигателя М-14В26)
Способ запуска включает впрыск сжатой топливовоздушной смеси (ТВС) из эжекторного баллона с эжектором через распределитель сжатого воздуха и пусковые форсунки в мелкодисперсном состоянии в цилиндры в такте расширения, инициирование воспламенения топливовоздушной смеси с последующей раскруткой двигателя.
По существу раскрутку двигателя осуществляют за счет подачи сжатого воздуха (с давлением 35-50 кг/см2 через баллон с эжектором), смешанного с топливом в мелкодисперсном состоянии, в цилиндры после 12° верхней мертвой точки (ВМТ) в такте расширения без инициирования воспламенения.
Одновременно с этим, посредством традиционной карбюраторной системы, топливо подается по цилиндрам в тактах всасывания с последующей подачей искры в тактах расширения после 5-10°ВМТ с последующим перебросом искры после запуска двигателя на 23° до ВМТ в тактах сжатия, за счет автомата опережения зажигания магнето.
Система запуска включает воздушный компрессор, баллон сжатого воздуха, баллон с эжектором, систему трубопроводов и распределитель сжатого воздуха, содержащий корпус с крышками, валик с шлицевым концом, выполненный за одно целое с ведомым зубчатым колесом привода, подпружиненный золотник с диском, в котором выполнены отверстие для перепускания сжатой ТВС в цилиндры для раскрутки двигателя и отверстие для продувки цилиндров
Недостатком этой системы является трудность запуска двигателя при температуре окружающей среды ниже плюс 5°С из-за низкой плотности топливной смеси, поступающей в цилиндры из смесесборника, в результате плохой испаряемости топлива и конденсации его в достаточно длинном впускном тракте, а так же из-за отсутствия инициирования воспламенения, хорошо распыленной до мелкодисперсного состояния ТВС, подаваемой через воздухораспределитель и пусковые форсунки непосредственно по цилиндрам в тактах расширения, т.к. искрообразование не синхронное и заканчивается раньше начала впрыска топлива. Раскрутка двигателя идет вяло с небольшой скоростью (примерно 30-40 об/мин) только за счет сжатого воздуха.
При существующей системе запуск двигателя при окружающей температуре ниже плюс 5°С затруднен и требует, согласно инструкции по эксплуатации, выполнение дополнительных приемов, связанных с разжижением масла топливом или предварительного подогрева двигателя от аэродромных средств, что вынуждает затрачивать много времени для подготовки к запуску и увеличивает трудоемкость. Особенное неудобство проявляется при эксплуатации авиатехники в полевых условиях (на точках).
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности запуска авиационных двигателей в условиях низких температур окружающей среды.
Решение поставленной технической достигается тем, что в способе запуска, включающем впрыск сжатой топлво-воздушной смеси в мелкодисперсном состоянии в цилиндры в такте расширения, инициирование воспламенения топливовоздушной смеси с последующей раскруткой двигателя, впрыск сжатой топливовоздушной смеси в цилиндры и инициирование ее воспламенения осуществляют синхронно, при этом в качестве топливовоздушной смеси используют воспламеняемую топливовоздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха а=0,6-0,7.
В системе запуска, включающей воздушный компрессор, баллон сжатого воздуха, баллон с эжектором, систему трубопроводов и распределитель сжатого воздуха, содержащий корпус с крышками, валик с шлицевым концом, выполненный за одно целое с ведомым зубчатым колесом привода, подпружиненный золотник с диском, в теле которого выполнены отверстие для перепускания сжатой ТВ С в цилиндры для раскрутки двигателя и отверстие для продувки цилиндров, отверстие для перепускания ТВС в цилиндры выполнено в теле диска золотника и смещено по дуге окружности на угол у=4,5-5,5° от оси симметрии диска золотника, находящегося в нерабочем положении, до запуска распределителя системы в рабочее состояние, обеспечивающее начало впрыска ТВС в положении поршней 2-3° после верхней мертвой точки в такте расширения и ее воспламенение в результате синхронной подачи искры в процессе впрыска.
Значения величин коэффициента избытка воздуха a=0,6-0,7 являются оптимальными для используемой ТВС и получены экспериментально в ряде проведенных испытаний при запуске двигателя, поскольку такой состав ТВС обеспечивает наиболее быстрое и легкое воспламенение.
Значения величин угла смещения по дуге окружности y=4,5-5,5° отверстия для перепускания ТВС являются оптимальными для используемой ТВС и получены экспериментально в ряде проведенных испытаний при запуске двигателя, поскольку именно при таком расположении отверстия одновременно (синхронно) подается искра и происходит воспламенение ТВС, что обеспечивает увеличение оборотов двигателя и осуществление запуска при низких температурах.
Предлагаемые способ и система запуска двигателя поясняются чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема запуска двигателя, на фиг.2 - распределитель сжатого воздуха, на фиг.3 - золотник (вид сверху, увеличено), на фиг.4 - диаграмма газораспределения штатной системы запуска, на фиг.5 - диаграмма газораспределения предлагаемой системы запуска.
На фиг.1 пунктирной линией показан авиационный поршневой двигатель.
Система запуска в общем виде (фиг.1) состоит из воздушного компрессора 1, распределителя сжатого воздуха 2, баллона с эжектором 3, баллона сжатого воздуха 4, системы заливки бензина, содержащей шприц заливочный 5, трубопровод бензомагистрали 6 и заливочную форсунку двигателя 7.
Система запуска также содержит систему трубопроводов 8 и пусковой клапан 9.
Распределитель сжатого воздуха 2 (фиг.1, фиг.2) содержит корпус 10 с крышкой 11, внутри которого установлен ведомый валик 12 со шлицевым концом 13, выполненный за одно целое с ведомым зубчатым колесом 14 привода (на чертеже не показано). Шлицевой конец 13 валика 12 через регулировочную муфту 15, имеющую наружные и внутренние шлицы соединен с подпятником 16, который в свою очередь соединен с золотником 17, диск 18 которого подпружинен распорной пружиной 19 к втулке 20 крышки 11 корпуса 10.
В теле диска 18 золотника 17 (фиг.3) выполнены отверстие 21 для перепускания сжатой ТВС в цилиндры для раскрутки двигателя и отверстие 22 для продувки цилиндров. Оба отверстия 21 и 22 расположены по дуге окружности на разных расстояниях от центра диска 18 золотника 17.
Отверстие 21 (фиг.3) для перепускания ТВС в цилиндры выполнено в теле диска золотника и смещено по дуге окружности на угол y=4,5-5,5° от оси симметрии диска 18 золотника 17, находящегося внерабочем положении, до запуска распределителя системы в рабочее состояние, обеспечивающее начало впрыска ТВС в положении поршня 2-3° (вместо 12°) после верхней мертвой точки в такте расширения, таким образом синхронизируя впрыск ТВС с подачей искры и инициацию ее воспламенения.
Предлагаемый способ запуска авиационного двигателя реализуется предлагаемой системой запуска.
Способ осуществляют посредством системы запуска следующим образом:
По сигналу на запуск двигателя через заливочный шприц 5 (фиг.1) заполняют топливом баллон с эжектором 3, затем сжатый воздух под давлением 50 кг/см2 из баллона сжатого воздуха 4 подают в баллон с эжектором 3. Воздух, смешиваясь с топливом, образует турболизованную карбюрированную ТВС, которая через распределитель сжатого воздуха 2 и пусковые клапаны 9 впрыскивается в цилиндры двигателя в положении поршней 2-3° после ВМТ (вместо 12° штатных) в тактах расширения. При дальнейшем движении поршня, в положении 5-10° после ВМТ подается искра и происходит воспламенение ТВС.
Таким образом, подача ТВС, длящаяся около 50° по углу поворота коленчатого вала, и подача искры осуществляются синхронно.
В результате происходит резкое повышение давления над поршнями и происходит энергичная раскрутка двигателя, обеспечивающая необходимое разряжение во впускном тракте и включение в работу основной системы топливопитания - карбюраторной.
Увеличение оборотов двигателя происходит за счет выполнения отверстия 21 для перепускания ТВС в цилиндры в теле диска 18 золотника 17 распределителя сжатого воздуха 2 со смещением отверстия 21 на угол у=4,5-5,5°.
Такая конструкция распределителя сжатого воздуха 2 позволяет осуществить синхронную с искрообразованием подачу ТВС, оптимально задействовать систему зажигания на запуске и воспламенить ТВС с коэффициентом избытка воздуха a=0,6-0,7, что прежде исключалось, т.к. искрообразование заканчивалось до начала впрыска топлива. Значения величин коэффициента избытка воздуха a=0,6-0,7 являются оптимальными для используемой ТВС и получены экспериментально в ряде проведенных испытаний при запуске двигателя, поскольку такой состав ТВС обеспечивает наиболее быстрое и легкое воспламенение.
При этом резко возрастает давление газов на поршень и, как следствие, многократно увеличиваются обороты раскрутки двигателя при запуске. Увеличение оборотов при запуске вызывает, в свою очередь, оптимизацию работы карбюраторной топливной системы за счет увеличения разрежения на впуске и запуска двигателя в целом.
Физический процесс, происходящий при осуществлении способа запуска наглядно представлен на диаграмме газораспределения с моментами подачи искры и началом впрыска в цилиндр топливовоздушной смеси.
На фиг.4 - представлена диаграмма газораспределения штатной системы запуска, на фиг.5 - диаграмма газораспределения предлагаемой системы запуска.
Преимущества предлагаемого способа и системы запуска с синхронизацией впрыска ТВС и инициирования воспламенения перед существующими способом и системой запуска подтверждаются следующими полученными экспериментальными данными:
Был проведен ряд испытаний системы запуска при различных температурах окружающей среды. Все испытания предлагаемой системы, реализующей предлагаемый способ запуска, проводились без использования средств подогрева двигателя.
Пример 1.
Испытания проводились при температуре окружающего воздуха 0°С. Обороты раскрутки двигателя на запуске составили 90-95 об/мин. Время запуска около 3 сек.
Пример 2.
Испытания проводились при температуре окружающего воздуха минус 7°С.
Обороты раскрутки двигателя составили 85-92 об/мин.
Время запуска около 5 сек.
Пример 3.
Испытания проводились при температуре окружающего воздуха минус 17°С.
Обороты раскрутки двигателя составили 60-65 об/мин.
Время запуска 14 сек.
Для сравнения полученных экспериментальных данных запуска двигателя при низких температурах с использованием предлагаемого изобретения был проведен контрольный запуск двигателя со штатным вариантом конструкции золотника распределителя.
При контрольной попытке запуска двигателя со штатным вариантом конструкции золотника распределителя, т.е. без синхронизации впрыска ТВС и искры и без использования средств подогрева, при температуре окружающего воздуха 0°С двигатель не запустился.
Во всех случаях проведенных испытаний формирование ТВС с коэффициентом избытка воздуха 0,6-0,7 в районе свечи получено предварительной, перед запуском, заливкой эжекторного бачка.
В результате проведенных экспериментальных работ выяснилось, что предлагаемая система позволяет производить запуски двигателя даже без (предусмотренной инструкцией по эксплуатации) предварительной заливки топлива в смесесборник шприцом заливочным через заливочную форсунку, что позволяет судить о ее высокой эффективности.
В реально имеющихся метеоусловиях, ограниченных температурами окружающего воздуха до минус 17°С, предлагаемая система обеспечила уверенный запуск двигателя, при этом возросла скорость вращения коленчатого вала в 2-3 раза, увеличилось число запусков двигателя после длительной стоянки при одноразовой зарядке восьми литрового штатного баллона сжатого воздуха до 4-5 запусков вместо одного. Планируется проверка работоспособности системы при температурах окружающего воздуха до 30°С и ниже.
Таким образом, предлагаемые способ и система запуска двигателя полностью решают поставленную техническую задачу.
1. Способ запуска авиационного звездообразного поршневого двигателя, включающий впрыск сжатой топливовоздушной смеси в мелкодисперсном состоянии в цилиндры в такте расширения, инициирование воспламенения топливовоздушной смеси с последующей раскруткой двигателя, отличающийся тем, что впрыск сжатой топливовоздушной смеси в цилиндры и инициирование ее воспламенения осуществляют синхронно, при этом в качестве топливовоздушной смеси используют воспламеняемую топливовоздушную смесь с коэффициентом избытка воздуха а=0,6-0,7.
2. Система запуска авиационного звездообразного поршневого двигателя, включающая воздушный компрессор, баллон сжатого воздуха, баллон с эжектором, систему трубопроводов и распределитель сжатого воздуха, содержащий корпус с крышками, валик с шлицевым концом, выполненный за одно целое с ведомым зубчатым колесом привода, подпружиненный золотник с диском, в теле которого выполнены отверстие для перепускания сжатой топливовоздушной смеси в цилиндры для раскрутки двигателя и отверстие для продувки цилиндров, отличающаяся тем, что в распределителе сжатого воздуха отверстие для перепускания топливовоздушной смеси в цилиндры выполнено в теле диска золотника и смещено по дуге окружности на угол у=4,5-5,5° от оси симметрии диска золотника, находящегося в нерабочем положении, до запуска распределителя системы в рабочее состояние, обеспечивающее начало впрыска топливовоздушной смеси в положении 2-3° после верхней мертвой точки в такте расширения и ее последующего воспламенения в процессе впрыска.
