УСТРОЙСТВО, ОБЛЕГЧАЮЩЕЕ ПУСК ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и в частности к двигателям внутреннего сгорания.
Известен способ запуска двигателя внутреннего сгорания (Патент РФ №RU 2162160 класс патента F02N 17/00, опубликован: 20.01.2001 по заявке №99111891/06) 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.
Недостатком такого способа запуска двигателя является необходимость наличия постороннего источника энергии, что не всегда доступно.
Технический результат направлен на улучшение пусковых, энергетических, экологических и экономических показателей дизельного двигателя, обеспечение полноты сгорания топлива при пуске двигателя в условиях низких температур с использованием аккумуляторных батарей (АКБ) шасси.
Технический результат достигается тем, что двигатель с устройством, облегчающим его пуск в условиях низких температур содержит цилиндр, поршень, выпускной трубопровод с выпускным клапаном, впускной трубопровод с впускным клапаном и дополнительным воздуховодом впускного трубопровода для круговой циркуляции воздуха при подогреве, с встроенным в него электровентилятором и спиралью, что позволяет уменьшить мощность спирали, датчиком температуры воздуха электромагнитную форсунку, впускной канал дополнительно снабжен перепускным каналом с клапаном, соединяющим объем впускного трубопровода с объемом цилиндра находящегося под поршнем для прогрева юбки поршня, который находится в фиксируемом положении после верхней мертвой точки на такте впуска, и частичной вентиляции блока-картера.
Отличительными признаками от прототипа является то, что двигатель с устройством, облегчающим его пуск в условиях низких температур снабжен дополнительным воздуховодом впускного трубопровода с встроенным в него электровентилятором, перепускным каналом с клапаном, блоком управления, электромагнитной форсункой электрическим насосом высокого давления (ЭНВД) и работает от АКБ шасси.
Полезная модель поясняется схемами дизеля с устройством, облегчающим пуск в условиях низких температур, где фиг.1 - общее устройство, фиг.2 - исходное положение, фиг.3 - начало прогрева, фиг.4 - впуск, фиг.5 - сжатие, фиг.6 - воспламенение, фиг.7 - рабочий ход, фиг.8 - выпуск.
Дизель с устройством облегчения пуска в условиях низких температур содержит (фиг.1): цилиндр 1, поршень 2, выпускной канал 3, выпускной клапан 4, форсунку 5, воздушную заслонку 6 электрический топливный насос высокого давления 7, впускной трубопровод 8, электровентилятор 9, спираль накаливания 10, дополнительный воздуховод впускного трубопровода 11, датчик температуры воздуха во впускном трубопроводе 12, электромагнитная форсунка 13, впускной клапан 14, впускной канал 15, перепускной канал 16, соединяющий объем цилиндра под поршнем с впускным трубопроводом, клапан управления 17, блок управления 18.
Дизель с устройством, облегчающим пуск в условиях низких температур, работает следующим образом:
В исходном положении поршень 2 находится в положении после верхней мертвой точки (ВМТ) на такте впуска впускной клапан 14 и клапан 17 открыты, воздушная заслонка 6 закрыта (фиг.2).
При начале прогрева на спираль накаливания 10 и электровентилятором 9 подается напряжение 24 вольта, происходит нагрев спирали 10 и круговая циркуляция подогреваемого воздуха электровентилятором 9 по объему впускного трубопровода и дополнительному воздуховоду впускного трубопровода 11, частично объема цилиндра и под поршнем в результате открытия клапана 17, прогревая впускной трубопровод, впускной канал с впускным клапаном, часть объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра с головкой поршня и объема цилиндра под поршнем в течении от двух до четырех минут (фиг.3).
Во время впуска, при включении стартера включается ЭНВД электромагнитной форсункой 13 впрыскивается запальная доза топлива 10-15% от основной подачи перед впускным клапаном 14 и вместе с подогретым воздухом засасывается в цилиндр где происходит его окисление и частичное оседание на стенках цилиндра при этом клапан 17 закрыт, а спираль 10 выключается, электровентилятор продолжает работать, нагнетая подогретый воздух в цилиндр улучшая его наполняемость, воздушная заслонка 6 приоткрывается подовая основной поток воздуха по подогретому дополнительному воздуховоду впускного трубопровода 11 и частично впускному трубопроводу 8 что приводит к расслоению заряда, при движении поршня 2 вниз из фиксированного положения увеличивается время для раскрутки коленчатого вала до пусковой частоты и смесеобразования (фиг.4).
При такте сжатия, поршень 2 начинает движение вверх, происходит сжатие заряда, топливо осевшее на стенках цилиндра, попадает между стеной и поршнем, герметизирует газовый стык, оказывая также смазывающее действие, уменьшая утечку заряда через неплотности соединения, этому способствует и частично подогретая юбка поршня через перепускной канал 16, что уменьшает время нарастания давления в цилиндре 1, подогретая часть камеры сгорания и частично часть рабочего объема улучшает испаряемость топлива, благодаря фиксированному положению коленчатого вала для раскрутки до пусковой частоты, увеличивается скорость движения поршня и скорость нарастания давления, также увеличивается и скорость плунжера ТНВД (фиг.5).
При воспламенении, поршень 2 приблизился к верхней мертвой точке, температура заряда увеличивается, запальная доза топлива воспламеняется, за счет силы стартера и энергии вращающихся масс поршень 2 продолжает движение, в горящий стример впрыскивается основная порция топлива (фиг.6).
При рабочем ходе, под действием расширения газов поршень 2 движется вниз. Пламя с верхнего слоя распространятся вниз (фиг.7).
При такте выпуска, поршень 2 приближаясь к нижней мертвой точке, открывается выпускной клапан 4, поршень 2 движется вверх, порция отработавших газов покидает цилиндр 1 через выпускной клапан 4, выпускного канала 3, отдавая теплоту поверхностям (фиг.8).
При пуске холодного двигателя большую роль играет и состояние заряда, давление и температура к моменту подачи топлива в цилиндр двигателя. На пусковых оборотах процесс сжатия сильно растягивается, что ведет к повышению теплообмена между сжимаемым зарядом и поверхностью камеры сгорания и гильзы цилиндра, кроме того значительно увеличивается утечка заряда через зазоры в кольцах. Эти факторы понижают температуру и давление конца сжатия, что оказывает влияние на нагрев и испарение топлива впрыснутого форсункой и в конечном результате на скорость воспламенения и сгорания при пуске дизеля.
В пусковой период возможность начала воспламенения в цилиндре дизеля характеризуется неравенством температуры в цилиндре в конце сжатия и минимальной критической температурой в цилиндре, при достижении которой возможно воспламенение топлива. Для устойчивого воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре дизеля температура в конце сжатия должна быть, от плюс 340 до плюс 345°С.
Большинство исследователей отмечают, что снижению температуры окружающей среды на 1°С соответствует уменьшение температуры конца сжатия на 2-2,2°С. Снижение температуры окружающего воздуха с плюс 20 до минус 20°С не существенно отражается на давлении конца сжатия и утечках заряда, но в значительной степени уменьшает температуру в цилиндре в конце сжатия, что ухудшает условия воспламенения топливовоздушной смеси в период пуска.
c
a
Таким образом реальная температура конца сжатия. Т, К и давление конца сжатия Р, Па, при пуске холодного двигателя определяются формулами:
а
где Т - температура свежего заряда в начале сжатия, К;
а
Р - давление свежего заряда в начале сжатия, Па;
c
n - показатель политропы сжатия, характеризующий тепловые потери в стенки камеры сгорания;
Ф
ε - фактическая степень сжатия.
Фактическая степень сжатия это изменения давления сжатия заряда, с учетом утечки заряда через неплотности газового стыка, определяемая из выражения:
где ξ - коэффициент сохранения заряда;
g
ε - действительная степень сжатия.
Кроме того с понижением температуры окружающей среды возрастает вязкость топлива: в 7 раз при изменении температуры с плюс 20 до минус 20°С и в 28 раз при охлаждении до минус 35°С, что ухудшает качество распыливания топлива, и как следствие, скорость его испарения.
Для обеспечения надежного воспламенения холодного топлива целесообразно использовать запальную дозу топлива, впрыскиваемую перед впускным клапаном на такте впуска. При этом часть топлива испарится, а часть осядет на стенки цилиндра и при движении поршня к ВМТ попадет в зазоры между поршневыми кольцами и гильзой, обеспечивая опрессовку цилиндра и улучшая смазывание пар трения. Вследствие этого достигается уменьшение фрикционной составляющей момента сопротивления прокручиванию и увеличение давления и температуры конца сжатия.
При воспламенении запальной дозы происходит диффузионное горение. В один и тот же момент имеются три основные фазы вещества, так называемое расслоение заряда: горючий газ или пар, воздух и сгоревшая смесь. Зона реакции находится между паром и воздухом.
В горящий слой заряда впрыскивается основная доза топлива, при этом соответствующая часть объема газов расширяется, что способствует как общему увеличению давления, так и в равной степени смешиванию газовой смеси и продуктов сгорания, улучшая смесеобразование и полноту сгорания топлива. С увеличением температуры прогрева двигателя запальная доза топлива уменьшается, а при достижении рабочих температур прекращается совсем.
Кроме этого для уменьшения теплоотдачи заряда к стенкам цилиндра и камере сгорания, а также повышения скорости испарения основной дозы топлива, подаваемой в цилиндр вблизи ВМТ на такте сжатия, необходимо осуществление мероприятий по предварительному подогреву холодного воздушного заряда. Для чего в конструкцию включен дополнительный воздуховод и спираль накаливания с электровентилятором.
Улучшение условий смесеобразования при пуске может быть достигнуто обеспечением начального предпускового положения поршня после ВМТ на такте впуска фиксацией маховика во время останова дизеля при помощи фиксирующего устройства. Это обеспечивает увеличение времени подготовки запальной дозы топлива к воспламенению и прогрев головки поршня, а также впускного трубопровода, впускного клапана, камеры сгорания и юбки поршня теплым воздухом, нагнетаемым электровентилятором от спирали накаливания, установленной в дополнительном воздуховоде впускного коллектора.
Таким образом, использование дизельного двигателя с устройством, облегчающим его пуск в условиях низких температур, обеспечивает высокие пусковые качества, улучшает смесеобразование и полноту сгорания рабочей смеси за счет: впрыскивания запальной дозы топлива при впуске, которая производит опрессовку поршня, уменьшая утечку заряда через неплотности газового стыка, и производит воспламенение основного заряда топлива; подогрева заряда воздуха при совместной работе электровентилятора и спирали накаливания, установленной в дополнительном воздуховоде впускного трубопровода, обеспечения начального предпускового положения поршня после ВМТ на такте впуска фиксацией маховика во время останова дизеля при помощи фиксирующего устройства, что обеспечивает увеличение времени подготовки запальной дозы топлива к воспламенению и прогрев головки поршня, а также впускного трубопровода, впускного клапана, камеры сгорания и юбки поршня.