СПОСОБ ПУСКА БИНАРНОГО ДВС
METHOD OF STARTING BINARY ICE

Изобретение относится к поршневым ДВС, у которых рабочий объем цилиндра разделен автономным поршнем на камеры нагнетания и сгорания, т.е. к бинарным ДВС, конструкция и принцип работы которых изложены в патенте РФ №2146007 от 27.02.2000 г.
В патенте №2203429 от 27.04.2003 г. описан способ работы бинарного ДВС с аккумулированием энергии в специальных аккумулирующих емкостях, которые могут сообщаться с рабочим объемом цилиндра при помощи клапанов.
Особенностью указанных способов является подача воздуха из камеры нагнетания в подготовленную топливную смесь, находящуюся в камере сгорания, путем сообщения этих камер. Сообщение камер производят после досжатия воздуха в камере нагнетания до давления, обеспечивающего создание перепада давлений между камерами до величины выше порога срабатывания автономного поршня.
Однако для этих способов не разработаны и не указаны операции и их последовательность, обеспечивающие пуск и выход на контролируемый уровень мощности.
Для ДВС, в частности для дизеля, известные способы пуска включают раскрутку вала двигателя от постороннего источника, например от электрического аккумулятора при помощи пускового электродвигателя (стартера), до достижения в цилиндре заданного давления и температуры воздуха с последующей периодической подачей в камеру сгорания топлива, появления вспышек и начала устойчивого процесса сгорания с выходом на контролируемый уровень мощности. Такие способы описаны, например, в [1] и [2].
Известные способы пуска вызывают повышенный износ деталей цилиндропоршневой группы и резкое ухудшение экономических и экологических показателей двигателей. Кроме того, у таких двигателей степень сжатия не меняется, что создает трудности и ухудшает условия пуска. К тому же следует отметить, что для бинарного ДВС такие способы полностью применить не представляется возможным и поэтому необходимо разрабатывать новые технические решения, обеспечивающие пуск и выход на контролируемый уровень мощности.
Целью изобретения является обеспечение возможности пуска бинарного ДВС и выхода на контролируемый уровень мощности, а также улучшение рабочих показателей двигателя в процессе пуска.
Указанная цель достигается тем, что с началом раскрутки вала на тактах сжатия производят выталкивание газа из камеры сгорания в аккумулирующие емкости и(или) в магистраль выпуска, например, путем открытия клапанов на аккумулирующие емкости и(или) на магистраль выпуска, а на тактах расширения создают в камере нагнетания разрежение, например, путем закрытия клапанов на аккумулирующие емкости и на магистраль выпуска, повторяя такую операцию до достижения перепада давлений между камерами, обеспечивающего подачу необходимого количества воздуха из камеры нагнетания в камеру сгорания и увеличения давления в камере сгорания до значения, достаточного для воспламенения и устойчивого процесса сгорания данного вида топлива, при этом дополнительное повышение давления производят путем сообщения цилиндра с аккумулирующей емкостью в процессе сжатия до начала воспламенения.
Кроме того, теплоту газов аккумулирующих емкостей используют для ускорения прогрева и запуска двигателя путем подачи этих газов к элементам и системам двигателя.
0
1
2
z
На чертеже представлена диаграмма, объясняющая процесс пуска бинарного ДВС. Здесь в верхней части представлена индикаторная диаграмма, а в нижней - диаграмма перемещения основного и автономного поршней - нижняя и верхняя линии соответственно. Цифры 1, 2, … 6 по оси абсцисс показывают число полных оборотов КВ. Римские цифры, размещенные между индикаторной диаграммой и графиком перемещения поршней, представляют основные участки, характерные при запуске двигателя. Внизу диаграммы линии со стрелками указывают основные процессы: “ВЫПУСК”, “ВПУСК”, “РАЗРЕЖЕНИЕ” и т.д. По оси ординат на индикаторной диаграмме отмечены давления, соответствующие характерным моментам пуска: р - давление в магистрали впуска и выпуска; p - давление в камере нагнетания при первом достижении перепада срабатывания; р - давление в камере нагнетания при втором достижении перепада срабатывания; p - максимальное давление в процессе сгорания на начальном этапе пуска или начальном уровне регулируемой мощности.
На графике перемещения по оси ординат отмечены относительные положения основного Н(φ) и автономного h(φ) поршней.
Пуск БДВС производят следующим способом.
Выталкивание газа из камеры сгорания
Рассмотрим реализацию этого процесса на примере устройства по патенту №2146007.
Наиболее сложным является случай, когда основной поршень находится в НМТ, а за время, в течение которого двигатель не работал, автономный поршень успел опуститься и непосредственно касается основного поршня. Свободное пространство между поршнями заполнено воздухом.
0
С началом раскрутки вала и с первого такта сжатия открывают клапан выпуска. Причем открытие производят независимо от начального положения основного поршня. Основной поршень, а под действием его и автономный поршень, начинают совместное перемещение в сторону ВМТ. При таком движении поршней и положении клапана выпуска газ из камеры сгорания будет выталкиваться в магистраль выпуска. Поскольку клапан выпуска открыт, то давление в камере сгорания не увеличивается и остается на уровне давления в магистрали выпуска - р, что отражено на графике (участок I, такт сжатия, 1-й оборот KB). Выпуск газа из камеры сгорания отмечен в нижней части диаграммы стрелкой со словом “ВЫПУСК”.
Для двигателей, у которых рабочий объем цилиндра сообщается с атмосферой, давление в магистралях впуска и выпуска соответствует атмосферному, а для двигателей с турбонаддувом, давление в этих магистралях будет повышенным.
Разрежение в камере нагнетания
Разрежение в камере нагнетания в устройстве по патенту №2146007 осуществляется путем создания разрежения в цилиндре при движении основного поршня в сторону НМТ, т.е. на такте расширения (участок II, 1-й оборот KB). С началом движения основного поршня клапан выпуска закрывают, т.е. рабочий объем цилиндра изолирован от магистралей впуска и выпуска. В этом случае движение основного поршня к НМТ создает в цилиндре разрежение. Между камерами возникает перепад давлений, который заставляет автономный поршень перемещаться в том же направлении, чтобы обеспечить выравнивание давлений в камерах. Перемещение обоих поршней будет происходить согласованно, что приводит к соответствующему увеличению объема камеры нагнетания и понижению давления в ней. Поскольку давление в камере нагнетания становится меньше, чем в магистрали впуска, то, когда основной поршень открывает впускные окна, в камеру нагнетания поступает дополнительное количество воздуха. Давление в камере нагнетания увеличивается до давления в магистрали впуска, что заставляет автономный поршень перемещаться в сторону камеры сгорания и дополнительно увеличивать объем камеры нагнетания. Таким образом, на такте расширения происходит и разрежение - “РАЗРЕЖЕНИЕ”, и впуск воздуха в цилиндр - “ВПУСК”, и дважды увеличивается объем камеры нагнетания.
Процессы выталкивания и создания разрежения повторяют в той же последовательности до возникновения перепада давлений между камерами и последующим его ростом до величины порога срабатывания автономного поршня, при котором происходит сообщение камер.
Так, на 2-м обороте KB такт сжатия проводят при открытом клапане выпуска. Поэтому в процессе перемещения поршней объем камеры нагнетания будет постоянным, а из камеры сгорания будет выталкиваться газ, оставшийся от предыдущего такта сжатия. На диаграмме - участок III, “ВЫПУСК”.
Такт расширения на 2-м обороте вала (участок IV) будет проходить так же, как и на первом, и обеспечит дальнейшее увеличение объема камеры нагнетания.
1
Повторение чередований открытия и закрытия клапана выпуска на тактах сжатия и расширения на третьем и последующих оборотах приведет к тому, что автономный поршень дойдет до упора. Поскольку упор ограничивает перемещение только автономного поршня, то между камерами начнет возникать перепад давлений (процесс досжатия). Первая посадка автономного поршня на упор (участок V, 3-й оборот) приводит к появлению незначительного перепада давлений. На фиг.1 момент посадки и начало нарастания перепада отмечено углом поворота KB - φ.
ср
На следующих оборотах автономный поршень все раньше и раньше будет садиться на упор, и в процессе досжатия будет увеличиваться перепад давлений между камерами. После того как перепад достигнет величины перепада срабатывания Δр, камеры сообщаются, т.е. осуществляется подача воздуха из камеры нагнетания в камеру сгорания.
2
1
0
cp
ср
На примере, представленном на чертеже, процесс досжатия на 4-м обороте (участок VIII) начинается с момента посадки автономного поршня на упор - φ. Здесь, в процессе досжатия, перепад давлений достигает величины перепада срабатывания p-p=Δp и происходит сообщение камер (на чертеже угол φ). Воздух из камеры нагнетания поступает в камеру сгорания, но, как принято в примере, условия (температура и давление) в камере сгорания недостаточны для воспламенения топлива и поэтому процесс сгорания не начинается.
Вполне возможно, что потребуется несколько оборотов KB, при которых будут повторяться процессы досжатия подобно участку VIII, прежде чем будут обеспечены условия воспламенения топлива. Для примера ограничимся одним таким участком. Поэтому на чертеже следующий 5-й оборот представляет выход на рабочий цикл.
Рабочий цикл на диаграмме отмечен участками: Х - сжатие; XI - досжатие; XII - сгорание и рабочий ход; XIII - выпуск ОГ; XIV - разрежение и наполнение цилиндра свежим воздушным зарядом в количестве, необходимом для начала работы на контролируемом уровне мощности. При этом в процессе досжатия XI, после сообщения камер, условия в камере сгорания будут способствовать началу процесса сгорания, который начинается с точки с индикаторной диаграммы.
Для устройства по патенту №2203429 такой процесс можно дополнить подключением аккумулирующих емкостей. В этом случае на тактах сжатия осуществляют наполнение аккумулирующих емкостей и сжатие газа, заполняющего эти емкости, путем подключения этих емкостей к цилиндру. Если в процессе сжатия, перед подачей топлива в камеру сгорания, газ из аккумулирующей емкости подать в соответствующую камеру цилиндра, то дальше политропа сжатия будет идти выше. Поэтому при завершении процесса сжатия будет обеспечено более высокое давление, чем при принятой (геометрической) степени сжатии. Таким образом, можно искусственно увеличить степень сжатия, что благоприятно отразится на процессе воспламенения топлива при запуске двигателя.
Для бинарного ДВС с аккумулированием энергии пуск двигателя при низкой температуре воздуха можно совмещать с одновременным прогревом двигателя. С этой целью на тактах расширения сжатый, т.е. нагретый, газ из аккумулирующих емкостей направляют к системам (например, масла, воды) или подают на элементы двигателя (например, на рубашку, головку цилиндра). Наполнение аккумулирующих емкостей и последующую подачу газов на обогрев проводят до тех пор, пока температурные характеристики элементов двигателя не будут соответствовать условиям нормальной работы.
Литература
1. Костин А.К. Работа дизеля в условиях эксплуатации. Л.: Машиностроение, 1989 г.
2. Фомин Ю.Я., Горбань А.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорании. Л.: Судостроение, 1989 г.