АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ И СИСТЕМА ЗАПУСКА АВИАЦИОННОГО ЗВЕЗДООБРАЗНОГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
AUTOMATED METHOD AND SYSTEM FOR STARTING OF AIRCRAFT STAR PISTON ENGINE

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 выявлено, что наиболее близким по назначению и технической сущности к заявленному техническому решению аналогом (прототипом) является стандартная система воздушного запуска для двигателей семейства М-14 (Авиационный двигатель АИ-14Р. Техническое описание. Н.А Кащенко, Г.Ф.Черный, М.Э.Эльберт, В.Я.Зеземский и др. М.: Государственное научно-техническое издательство ОБОРОНГИЗ, 1961, 85 с.).
В известном способе запуска авиационных звездообразных поршневых двигателей для прокрутки коленчатого вала двигателя в цилиндр камеры сгорания через распределитель сжатого воздуха подают сжатый воздух из бортового баллона сжатого воздуха, в смесесборник под давлением подают топливо, которое в смесесборнике смешивается с поступающим воздухом с последующей подачей образованной смеси топлива и воздуха в цилиндр камер сгорания.
Топливо в смесесборник подают под давлением 1-2 атм через струйную форсунку ручным насосом.
Известна система запуска авиационных звездообразных поршневых двигателей, включающая бортовой баллон сжатого воздуха, топливный бак, смесесборник с форсункой, распределитель сжатого воздуха, соединенные между собой системой трубопроводов с манометром и электроклапанами.
2
В известном техническом решении сжатый воздух из бортового баллона поступает в распределитель сжатого воздуха, откуда по трубкам проходит к пусковым клапанам, а затем в камеру сгорания цилиндра, где воздействует на поршень, в результате коленчатый вал проворачивается, засасывая при этом в цилиндры смесь, состоящую из бензина, впрыскиваемого струйной форсункой под давлением 1-2 кг/см пусковым насосом в смесесборник, и воздуха. Недостатком этого ручного способа и системы запуска является трудность запуска двигателя при температуре окружающей среды ниже 5°С из-за низкой испаряемости топлива, впрыскиваемого струйной форсункой в смесесборник.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности запуска авиационных двигателей в условиях различного диапазона температур окружающей среды.
Поставленная техническая задача решается тем, что в автоматизированном способе запуска авиационных звездообразных поршневых двигателей, в котором для прокрутки коленчатого вала двигателя в цилиндр камеры сгорания через распределитель сжатого воздуха подают сжатый воздух из бортового баллона сжатого воздуха, в смесесборник под давлением подают топливо, которое в смесесборнике смешивается с воздухом с последующей подачей образованной смеси топлива и воздуха в цилиндры камеры сгорания, топливо в смесесборник подают распыленным до туманообразного состояния, для этого топливо пропускают через шнековую форсунку, установленную в смесесборнике, под давлением 6-10 атм, затем в сформированном туманообразном состоянии топливо равномерно распределяется по всем цилиндрам камеры сгорания в такте всасывания, смешиваясь с воздухом, поступающим в смесесборник, одновременно осуществляют прокрутку коленчатого вала двигателя, для чего из бортового баллона сжатого воздуха через распределитель сжатого воздуха в такте расширения 2-3° после верхней мертвой точки в цилиндры камеры сгорания подают сжатый воздух под давлением 45-50 атм.
В систему запуска авиационных звездообразных поршневых двигателей, включающую бортовой баллон сжатого воздуха, топливный бак, смесесборник с форсункой, распределитель сжатого воздуха, соединенные между собой системой трубопроводов с манометром и электроклапанами, дополнительно введен дополнительный топливный резервуар и воздушный редуктор, в смесесборнике установлена шнековая форсунка, дополнительный топливный резервуар трубопроводом через заливочный насос соединен с топливным баком и системой трубопроводов соединен с одной стороны через воздушный редуктор с бортовым баллоном сжатого воздуха, а с другой стороны - со шнековой форсункой смесесборника.
Сущность заявленного технического решения заключается в том, что топливо в смесесборник подают через шнековую форсунку под давлением из дополнительного топливного резервуара. Проходя через шнековую форсунку, топливо переходит в туманообразное состояние. Распыленное до туманообразного состояния топливо затем равномерно распределяется по всем цилиндрам в такте всасывания.
Более того, одновременно осуществляют прокрутку коленчатого вала двигателя сжатым до 45-50 атм воздухом, который подают из бортового баллона сжатого воздуха в цилиндры камеры сгорания в такте расширения 2-3° после верхней мертвой точки, что обеспечивает запуск звездообразных поршневых двигателей при температурах наружного воздуха +45°С до -15°С.
В известном техническом решении сжатый воздух подают в цилиндры камеры сгорания двигателя в такте расширения 9°-12°(см. прототип).
Предложенные способ и система запуска авиационных звездообразных поршневых двигателей поясняются чертежом, где на фиг.1 показана схема системы запуска.
На фиг.1 показан авиационный звездообразный поршневой двигатель 1 и схема системы его запуска.
3
Система запуска содержит топливный бак 2, бортовой баллон сжатого воздуха 3, смесесборник 4, распределитель сжатого воздуха 5, дополнительный топливный резервуар 6 объемом 500-700 см. Экспериментально установлено, что указанный объем топлива является достаточным для подачи в смесесборник в течение 40-60 секунд. Входным трубопроводом 7 дополнительный топливный резервуар 6 через воздушный редуктор 8, электропневмоклапан 9, кран 10 и манометр 11 соединен с бортовым баллоном сжатого воздуха 3, а входным трубопроводом 12 через заливочный насос 13 - с топливным баком 2. Выходным трубопроводом 14 дополнительный топливный резервуар 6 соединен с шнековой форсункой 15, установленной в смесесборнике 4.
Бортовой баллон сжатого воздуха 3 трубопроводом 16 соединен с распределителем сжатого воздуха 5.
Предлагаемый способ запуска авиационного двигателя реализуется предлагаемой системой запуска.
Запуск осуществляют следующим образом.
Перед запуском двигателя 1 топливо из топливного бака 2 через заливочный насос 13 поступает в дополнительный топливный резервуар 6. При запуске двигателя 1 открывают кран 10, и сжатый воздух из бортового баллона 3 поступает к электропневмоклапану 9.
При нажатии на кнопку запуска на приборной панели электропневмоклапан 9 открывается, и сжатый воздух под давлением 45-50 атм (указанный интервал величин давления установлен экспериментально и является оптимальным при осуществлении данной операции) из бортового баллона сжатого воздуха 3 поступает одновременно:
- во-первых, в распределитель сжатого воздуха 5, в котором через отверстия в золотнике (на чертеже не показано) под заданным давлением проходит в соответствующее отверстие крышки (на чертеже не показано) распределителя 5 и далее по пусковым трубкам к пусковым клапанам цилиндра двигателя 1. Под давлением сжатого воздуха пусковой клапан двигателя 1 открывается, и воздух поступает в камеру сгорания цилиндра двигателя 1. Расположение золотника в распределителе сжатого воздуха 5 обеспечивает возможность подачи сжатого воздуха для запуска в цилиндры двигателя 1 в начале такта расширения, 2-3° после верхней мертвой точки, что обеспечивает запуск звездообразных поршневых двигателей при температурах наружного воздуха +45°С до -15°С.
Сжатый воздух, поступивший в цилиндр двигателя 1, воздействует на поршень, в результате чего коленчатый вал двигателя 1 проворачивается (осуществляется прокрутка коленчатого вала);
- во-вторых, в дополнительный топливный резервуар 6. Из дополнительного топливного резервуара 6 топливо под давлением сжатого воздуха 6-10 атм (указанный интервал величин давления установлен экспериментально и является оптимальным при осуществлении данной операции) пропускают через шнековую форсунку 15, расположенную в смесесборнике 4, проходя через которую топливо переходит (топливо распыляется до туманообразного состояния) в туманообразное состояние. В смесесборнике 4 топливо в сформированном туманообразном состоянии смешивается со сжатым воздухом, сформированная смесь топлива и воздуха равномерно распределяется (засасывается в цилиндры) по всем цилиндрам в такте всасывания.
Таким образом, для реализации предлагаемого способа запуска предложена схема системы запуска, содержащая шнековую форсунку, установленную в смесесборнике, через которую топливо под давлением подают из дополнительного топливного резервуара в смесесборник, где оно, распыленное до туманообразного состояния, равномерно распределяется по цилиндрам камеры сгорания и смешивается со сжатым воздухом, образует смесь топлива и воздуха, которая затем равномерно засасывается в такте всасывания в цилиндры.
Предлагаемые автоматизированный способ и система запуска поршневого звездообразного двигателя позволяют осуществить одновременно прокрутку коленчатого вала двигателя и подачу смеси топлива и воздуха в цилиндры камеры сгорания двигателя, что обеспечивает запуск звездообразных поршневых двигателей при температурах наружного воздуха +45°С до -15°С.
Предлагаемые автоматизированный способ и система запуска поршневого звездообразного двигателя прошли стендовые испытания. Предлагаемая система реализовала предлагаемый способ запуска и обеспечила надежный запуск двигателя при температурах окружающего воздуха от плюс 45°С до минус 20°С.
На испытательном стенде искусственным путем в диапазоне от +45°С до минус 20°С была создана температура окружающей среды, при которой проводились экспериментальные работы по предлагаемому способу и системе запуска на двигателе М-14П.
Оценка запуск производилась по результатам нижеследующих параметров:
- температура окружающей среды;
- скорости вращения коленчатого вала двигателя;
- величины падения давления сжатого воздуха в пусковом баллоне;
- количество запусков от пускового объектового баллона;
- времени от начала вращения коленчатого вала двигателя до устойчивой его работы со штатной агрегатной системой.
На стенде при запуске двигателя с различной температурой окружающего воздуха плюс 10-20°С, минус 10-15°С и минус 15-17°С получены следующие результаты измеряемых параметров.
Пример 1.
При температуре окружающего воздуха плюс 10-20°С:
- запуск двигателя был выполнен с первой попытки (со штатной системой, как правило, со второй, а зачастую и с третьей);
- скорость вращения коленчатого вала двигателя при запуске 110-120 об/мин (со штатной системой 45-50 об/мин);
2
2
- давление в пусковом баллоне снизилось до 45 кг/см (со штатной системой до 35 кг/см);
- время запуска равно 10-15 сек (со штатной системой не менее 2-3 мин при неудавшемся первом запуске);
- успешно выполненных запусков от пускового баллона было выполнено 7-9 запусков (со штатной системой 2-3 запуска).
Пример 2
При температуре окружающего воздуха минус 10-15°С:
- запуск двигателя был выполнен с первой попытки (со штатной системой запуска с четвертой);
- скорость вращения коленчатого вала двигателя при запуске 90-100 об/мин (со штатной системой 30-40 об/мин);
2
2
- давление в пусковом баллоне снизилось до 40 кг/см (со штатной системой до 30 кг/см);
- время запуска равно 20-25 сек (со штатной системой не менее 3-5 мин при неудавшихся первых 3-х запусках);
- успешно выполненных запусков от пускового баллона было выполнено 3 запуска (со штатной системой - один запуск). После чего повторная зарядка пускового баллона сжатым воздухом.
Пример 3
При температуре окружающего воздуха минус 15-17°С:
- запуск двигателя был выполнен с первой попытки (со штатной системой запуска с пятой);
- скорость вращения коленчатого вала двигателя при запуске 80-90 об/мин (со штатной системой 25-30 об/мин);
2
2
- давление в пусковом баллоне снизилось до 30 кг/см (со штатной системой до 20 кг/см);
- время запуска равно 30-35 сек (со штатной системой до 5-7 мин при неудавшихся первых 3-х запусках). Пускового баллона со сжатым воздухом, как правило, хватило на один запуск;
- успешно выполненных запусков от пускового баллона было выполнено 3 запуска (со штатной системой - один запуск). После чего повторная зарядка пускового баллона сжатым воздухом.
Преимуществом предлагаемого изобретения являются:
- Надежный запуск двигателя при температурах окружающего воздуха от плюс 45°С до минус 15°С. За счет подачи туманообразной топливовоздушной смеси из смесесборника в цилиндро-поршневую группу и увеличения скорости вращения двигателя и увеличения скорости вращения коленчатого вала двигателя до 110-120 об/мин (со штатной системой 40-50 об/мин).
- Автоматизированный способ запуска увеличил частоту вращения коленчатого вала при прокрутке от баллона со сжатым воздухом с 50 об/мин до 100 об/мин. За счет боле ранней подачи сжатого воздуха от пускового баллона в цилиндрах в такте расширения 2-3° после верхней мертвой точки (при штатной системе 9-12° после верхней мертвой точки)
- Количество запусков от баллона со сжатым воздухом объемом 8 литров возросло с 4 до 8. За счет уменьшения времени на каждый запуск 10-15 сек (со штатной системой 40-50 сек) использовался меньший объем сжатого воздуха с пускового баллона.
- Запуск двигателя возможен при давлении воздуха в баллоне 15 атм вместо 25 при серийной системе. За счет скорости вращения коленчатого вала двигателя 110-12-об/мин в два раза больше, чем со штатной системой 40-50 об/мин.
Запланировано проведение испытаний непосредственно на летательном аппарате в фирме им. А.С.Яковлева и в сборной команде по высшему пилотажу России в Грязлово.
Таким образом, предлагаемые способ и система запуска полностью обеспечивают решение поставленной технической задачи.