СПОСОБ ЗАПУСКА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF STARTING DIESEL ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам запуска двигателя внутреннего сгорания, и предназначено для облегчения запуска двигателя при отрицательных температурах окружающей среды. Известно, что с понижением температуры окружающей среды из-за ухудшения условий испарения, воспламенения, и сгорания топлива в цилиндрах, увеличения момента сопротивления прокручиванию коленчатого вала, снижения электрической емкости аккумуляторной батареи пуск дизеля затрудняется, а именно: растет число оборотов коленчатого вала потребное для начала воспламенения топлива в цилиндрах. Основным показателем, характеризующим пусковые качества двигателя, является минимальная температура, при которой обеспечивается пуск. Обеспечение пуска двигателей при температурах -25…-30°С может быть достигнуто созданием благоприятных условий для самовоспламенения топлива в цилиндрах дизеля. Для улучшения самовоспламенения топлива применяют различные способы подогрева поступающего в цилиндры воздуха (электрофакельные и электрические подогреватели), или подогревают стенки камеры сгорания (путем подогрева охлаждающей жидкости или ребер системы охлаждения). Также подогревают масло в картере двигателя с целью уменьшения потерь на прокачивание масла при прокрутке двигателя, и подогревают аккумуляторную батарею с целью недопущения потери электрической емкости при отрицательных температурах. (Николаев Л.А., Сташкевич А.П., Захаров И.А. Системы подогрева тракторных дизелей при пуске. М.: Машиностроение, 1977, 191 с.).
Актуальной задачей является повышение эффективности запуска дизельного двигателя путем повышения надежности воспламенения подаваемого в цилиндры топлива, сокращение времени, требуемого для подготовки запуска, сокращение затрат энергии на подогрев двигателя, сокращение числа оборотов коленчатого вала при запуске до начала воспламенения топлива в цилиндрах.
Известен способ предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания с помощью установленного на мобильной машине системы предпусковой тепловой подготовки, содержащей котел-подогреватель, трубопроводы подвода и отвода жидкого теплоносителя, трубопроводы подвода газообразных продуктов сгорания топлива к масляному поддону двигателя и приборы управления работой подогревателя. За счет теплоты, выделяемой в котле-подогревателе при сжигании жидкого топлива, обеспечивается нагрев теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Теплоноситель, постоянно циркулируя через теплообменник котла-подогревателя, нагревается и переносит теплоту, отдавая ее деталям двигателя. Одновременно обеспечивается подогрев моторного масла двигателя внутреннего сгорания путем обтекания отработавшими газами котла-подогревателя масляного поддона двигателя (Николаев Л.А., Сташкевич А.П., Захаров И.А. Системы подогрева тракторных дизелей при пуске. - М.: Машиностроение, 1977, - 191 с.: ил.).
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является длительность процесса разогрева всего двигателя, необходимость затрат энергии при сжигании топлива в котле-подогревателе.
6
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 гарантированного времени свечу отключают и при необходимости повторного пуска двигателя перед ним производят повторный предварительный нагрев свечи, по которому время повторного предварительного нагрева 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  F02N 17/47, опубл. 1997.10.10).
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются необходимость в емком источнике электрической энергии для работы свечи, длительное время разогрева свечи до рабочей температуры, необходимость затрат энергии при сжигании топлива, а также наличие во впускном трубопроводе дополнительного гидравлического сопротивления.
7
Известны устройства для поддержания двигателей внутреннего сгорания в прогретом и безотказном состоянии, особенно при их безгаражном хранении в условиях отрицательных температур. Так для предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания предлагается использовать тепловой аккумулятор, утилизирующий теплоту выхлопных газов во время работы двигателя. (Пат. № 2150020, МПК  F02N 17/00, опубл. 2000.05.27). В качестве теплового аккумулятора применяют теплоаккумулирующий материал фазового перехода «плавление - кристаллизация». При предпусковом прогреве жидкость из системы охлаждения двигателя пропускают через тепловой аккумулятор.
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются длительность процесса разогрева жидкости из системы охлаждения от теплового аккумулятора, ограниченный запас тепловой энергии не позволяет полностью гарантировать готовность двигателя к запуску, особенно после длительного хранения транспортных средств при отрицательных температурах.
Наиболее близким к данному изобретению является способ запуска двигателя внутреннего сгорания, который заключается в том, что после достижения валом двигателя заданной частоты вращения производят подсчет количества циклов, сравнивают с заданным количеством и при достижении последнего осуществляют подачу топлива, причем заданное количество циклов определяют в зависимости от температур охлаждающей жидкости, моторного масла в поддоне и окружающей среды (Авт. свид. № 896249, кл. F02N 17/08, опубл. БИ №1, 07.01.82). Подогрев стенок камеры сгорания при этом осуществляется от генерируемой теплоты сжатия воздуха в цилиндрах двигателя.
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются необходимость в емком источнике энергии для прокручивания вала двигателя, а также длительность процесса прокручивания коленчатого вала двигателя перед запуском.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности запуска двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат - повышение надежности воспламенения подаваемого в цилиндры топлива, сокращение времени, требуемого для подготовки запуска, сокращение числа оборотов коленчатого вала при запуске до начала воспламенения топлива в цилиндрах, отказ от затрат энергии на подогрев двигателя перед запуском.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе запуска дизельного двигателя путем раскрутки его коленчатого вала от постороннего источника энергии и подачи топлива в цилиндры двигателя при достижении двигателем пусковых оборотов подключают топливный насос высокого давления к коленчатому валу с передаточным отношением 1:1, обеспечивая подачу топлива в цилиндры двигателя дважды за рабочий цикл - в конце такта сжатия и в конце такта выпуска, а при достижении валом двигателя минимально устойчивой частоты вращения подключают топливный насос высокого давления к коленчатому валу с передаточным отношением 1:2, обеспечивая штатный режим подачи топлива в цилиндры двигателя.
Отличием предлагаемого способа является наличие дополнительного хода плунжера штатного насоса высокого давления за счет использования двухступенчатого редуктора для привода вала насоса от коленчатого вала дизеля с передаточным отношением на период пуска 1:1. Таким образом, обеспечивается подача топлива в цилиндр дизельного двигателя на каждом обороте коленчатого вала, т.е. дважды за рабочий цикл: в конце такта сжатия и в конце такта выпуска.
Увеличение частоты вращения вала топливного насоса на период пуска в два раза, по сравнению со обычной скоростью вращения, обеспечивает подачу основной и дополнительной порции топлива с повышенными объемными скоростями плунжера, что обеспечивает нормальную работу топливной аппаратуры двигателя при низких частотах вращения коленчатого вала. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить пусковые обороты. Топливо, интенсивно поданное при повышенной объемной скорости плунжера, качественнее распыливается, лучше перемешивается с воздухом, что приводит к повышению надежности воспламенения подаваемого в цилиндр топлива.
Доза топлива, поданная в конце такта выпуска, подогревается от генерируемой теплоты сжатия воздушного заряда в большей степени, чем основная доза топлива, поданная в цилиндр в конце такта сжатия, что приводит к повышению надежности воспламенения поданного в цилиндр топлива. Наличие подогрева топлива от теплоты сжатия воздушного заряда позволяет отказаться от затрат энергии на подогрев топлива перед запуском. Это, в свою очередь, сокращает требуемое время для подготовки запуска.
По достижении коленчатым валом двигателя минимально устойчивой частоты вращения холостого хода ТНВД подключают через двухступенчатый редуктор на штатный режим подачи топлива в цилиндр, т.е. с передаточным отношением 1:2.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг.1 - структурная схема устройства для запуска дизельного двигателя.
впр
в
Фиг.2 - зависимость давления впрыскивания Р от угла поворота вала насоса φ.
и
в
Фиг.3 - зависимость подъема иглы форсунки Н от угла поворота вала насоса φ.
Предлагаемая система (фиг.1) содержит ЭБУ 1 (например, программируемый блок управления «Январь 5.1»), источник энергии (стартер) 2, коленчатый вал двигателя 3, тахометрический блок 4, ТНВД 5, двухступенчатый редуктор 6.
Запуск двигателя происходит следующим образом: источник энергии (стартер) 2 раскручивает коленчатый вал двигателя 3 по заданию ЭБУ 1, при этом вращение от коленчатого вала 3 не передается на ТНВД 5. ЭБУ по сигналу тахометрического блока 4 при достижении двигателем пусковых оборотов подключает ТНВД 5 через редуктор 6 к коленчатому валу двигателя с передаточным отношением 1:1.
Таким образом, обеспечивается подача топлива в цилиндр дизельного двигателя на каждом обороте коленчатого вала, т.е. дважды за рабочий цикл: в конце такта сжатия и в конце такта выпуска. Доза топлива, поданная в конце такта выпуска, подогревается от генерируемой теплоты сжатия воздушного заряда в большей степени, чем основная доза топлива, поданная в цилиндр в конце такта сжатия, что приводит к повышению надежности воспламенения поданного в цилиндр топлива.
По достижении коленчатым валом двигателя минимально устойчивой частоты вращения холостого хода ЭБУ 1 подключает через редуктор 6 ТНВД 5 на штатный режим подачи топлива в цилиндр, т.е. с передаточным отношением 1:2.
Для подтверждения вышеизложенного были проведены численные эксперименты, для чего была применена конечно-элементная модель процесса впрыска топлива традиционной системой топливоподачи (системой топливоподачи прототипа).
в
впр
и
-1
Особенности процесса подачи топлива топливной системой прототипа (с насосом высокого давления УТН-5) показаны на Фиг.2. На пусковом режиме при частоте вращения вала насоса n=100 мин отмечены резкие колебания давления впрыскивания. Максимальное давление Р не превышает 8 МПа. Игла форсунки далеко не доходит до упора и совершает колебательные движения (Фиг.3). Высота подъема иглы Н примерно равна таковой при подвпрыскивниях на стационарных и переходных режимах нагруженного дизеля. Анализ приведенных рисунков объясняет причину быстрого выхода из строя распылителей при частых пусках дизелей. Низкие скорости вытекания больших порций топлива из распылителя приводят к перегреву его и закоксовыванию сопловых отверстий. С этим же связано дымление дизеля при пуске.
впр
и
в
-1
На тех же чертежах показано изменение давления впрыскивания Р и подъема иглы Н форсунки при частоте вращения вала насоса n=200 мин. Это скоростной режим топливного насоса при пуске дизеля предлагаемым способом. В этой системе удвоена скорость вращения вала топливного насоса на время запуска с целью интенсификации процесса подачи топлива.
впр
и
Результаты расчета показывают, что в предлагаемой системе давление впрыскивания топлива Р на режиме пуска повысилось в 2 раза (Фиг.2). Увеличился подъем иглы форсунки Н до 0,25 мм при высоте упора - 0,26 мм (Фиг.3). Характер изменения этих параметров стал таким же, как и на режимах нагрузки двигателя. Следовательно, при повышении частоты вращения вала топливного насоса в 2 раза при пуске дизеля заметно улучшились показатели процесса подачи топлива. Топливо, интенсивно поданное при повышенной объемной скорости плунжера, интенсивнее истекает через отверстия распылителя, качественнее распыливается, лучше перемешивается с воздухом, что приводит к повышению надежности воспламенения подаваемого в цилиндр топлива. Тот факт, что при осуществлении предлагаемого способа запуска двигателя частоту вращения вала насоса увеличивают в два раза, позволяет несколько снизить пусковые обороты, т.к. топливная система начинает работать лучше при меньших частотах вращения коленвала. Улучшенное распыливание топлива обуславливает его лучшее перемешивание с воздухом в цилиндре двигателя, что в свою очередь повышает надежность воспламенения.
Таким образом, при осуществлении предлагаемого способа запуска есть возможность отказаться от предварительного подогрева всего двигателя, что уменьшает время подготовки запуска, и от затрат энергии на прогрев двигателя перед запуском.