СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПУСКОВЫМ ТОРМОЗЯЩИМ МОМЕНТОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO CONTROL ICE BRAKING TORQUE AND DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

Изобретение является базовым элементом в групповой технологии термореабилитации транспортных средств, передвижных установок и стационарных агрегатов, относится к двигателям, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано для обеспечения их оперативного пуска при любых низкотемпературных условиях эксплуатации.
Известным способом управления пусковым тормозящим моментом для обеспечения пуска поршневого двигателя внутреннего сгорания в низкотемпературных условиях является общий подогрев с помощью циркуляции через двигатель автономно подогреваемых жидких сред. Однако существующие технические ограничения на температуру нагрева жидких сред (машинное масло и (или) антифриз) и объем циркуляции жидкостей через двигатель приводят к высоким энергетическим (от 5 кВт до 35 кВт) и временным затратам (от 1 до 3 часов) на предпусковую подготовку двигателя, причем в условиях повышенного конвенционного низкотемпературного охлаждения двигателя, например в полевых арктических условиях при скорости ветра более 10 м/с и температуре окружающей среды ниже минус 30-35°С, данный способ вообще недееспособен [RU 2211942 С2, 09.10.2003; RU 2153098 C1, 07.20.2000].
Наиболее эффективным устройством для реализации способа общего циркуляционного подогрева двигателя автомобиля является жидкостной подогреватель антифриза, например серийный "HYDRONIC" немецкой фирмы "EBERSPACHER", который имеет небольшие габаритные размеры, но дорогостоящ и весьма критичен к внешним механическим воздействиям и динамическим нагрузкам. Все остальные виды жидкостных подогревателей для реализации способа общего циркуляционного подогрева двигателя неконкурентоспособны по массогабаритным характеристикам относительно названной модели и значительно уступают ей по техническим и эксплуатационным возможностям [RU 2003137321 А, 06.10.2005; www.eber.com; www.klima.ru].
3
Известен также способ управления пусковым тормозящим моментом двигателя путем предпускового локального подогрева крышек опорных (коренных) подшипников скольжения коленчатого вала за счет циркуляции через крышки автономно подогреваемой жидкой среды [А.с. №981641, М.кл. F02N 17/00, 15.12.82, Бюл. №46]. Однако в этом способе оперативно может нагреваться только рабочий поверхностный слой в нижних вкладышах подшипников скольжения, тогда как для нагрева рабочего поверхностного слоя в верхних вкладышах необходимо прогреть и соответствующие шейки коленчатого вала, что, по сути, означает нагрев всего коленчатого вала двигателя и, естественно, ведет к росту временных и энергетических затрат. В указанном способе не предусматривается предпусковой нагрев рабочего поверхностного слоя вкладышей опорных подшипников распределительного вала двигателя, что практически делает его малоэффективным для управления внутренним трением двигателя, а применение проблематичным, например, когда мощный дизельный двигатель охлажден ниже минус 45°С.
В устройстве, с помощью которого реализуется указанный способ управления тормозящим моментом двигателя, используется типичный конструктив жидкостного подогревателя, а управление трением в опорных подшипниках базируется на эмпирическом опыте, так как остается неизвестным время наступления готовности каждого из опорных подшипников коленчатого вала к приложению пускового вращающего момента для достижения максимальной подвижности поршневой системы в момент пуска двигателя.
вр
ст
В поршневом двигателе внутреннего сгорания все моменты сил соотносят к коленчатому валу. В момент пуска двигателя к маховику, насаженному на коленчатый вал двигателя, прикладывается вращающий (движущий) момент М со стороны электрического стартера или иного пускового устройства, а к коленчатому и распределительному валам - тормозящий статический момент М, противодействующий их вращению.
дин
Итогом действия этих двух моментов является результирующий пусковой динамический момент М
дин
вр
ст
М=М-М.
дин
Чем выше значение М, тем выше пусковая скорость вращения валов, т.е. подвижность поршневой системы, а значит, и вероятность запуска двигателя в низкотемпературных условиях.
ст
При низкотемпературном пуске замерзшего двигателя 70÷85% от значения М составляет трение в опорных подшипниках скольжения коленчатого и распределительного валов. Машинное масло в двигателе внутреннего сгорания насыщено микронными каплями содержащих водные растворы кислот. В процессе охлаждения двигателя до низких температур происходит кристаллизация (замерзание) сначала воды, а затем и кислот.
Кристаллизация воды на металлических поверхностях сопровождается образованием древовидных ледяных кристаллов, которые связывают сквозь прослойку масла в зазоре поверхность шейки вала с обращенными к ней рабочими поверхностями слоев вкладышей подшипника скольжения [Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. Л.: Химия, 1989; Кузнецов A.M. Адсорбция воды на металлических поверхностях // Соросовский образовательный журнал, Т.6, 2000, №5; Водородная связь / Под. ред. Н.Д.Соколова. М.: Наука, 1989; Маэно Н. Наука о льде. М.: Мир, 1988].
Суммарная адгезионная прочность этих ледяных связей в опорных подшипниках двигателя может достигать 100÷150 МПа и более и зависит от многих факторов: концентрации и состава кислот в водном растворе микрокапель, температуры кристаллизации, степени насыщенности масла в зазоре твердыми металлическими микрочастицами износа и плотностью их распределения, величины зазора и т.д.
ст
вр
ст
вр
На практике замерзание двигателя проявляется в неспособности стартера или пускового устройства стронуть коленчатый вал с места: М значительно больше М, либо маховик двигателя начинает вращаться, но аккумулятор разряжается (или не хватает мощности пускового устройства), так и не сообщив требуемую подвижность поршневой системе для запуска двигателя - М примерно равно или несколько меньше М.
ст
вр
Оптимальным условием для обеспечения успешного запуска двигателя является: М значительно меньше М, при котором обеспечивается минимальное трение и, следовательно, минимальный износ трущихся поверхностей в подшипниках скольжения двигателя.
В процессе охлаждения вкладыша в подшипнике скольжения на его металлической рабочей (трущейся) поверхности образуется практически сплошной слой конденсированного водного раствора, в котором замерзающая (кристаллизирующаяся) вода вытесняет молекулы кислот в слой масла (кристаллизационная очистка) и создается кристаллический сплошной слой рыхлого древовидного льда толщиной от единиц до десятка микрон.
Если на момент приложения пускового вращающего момента этот кристаллический слой льда на рабочем поверхностном слое вкладышей опорных подшипников скольжения превратить в жидкую водную прослойку, то коэффициент трения через прослойку воды составит 0,001÷0,002, что гарантирует достижение максимального пускового динамического момента двигателя.
Таким образом, для управления пусковым тормозящим моментом двигателя необходимо, чтобы момент образования слоя воды наступил одновременно на рабочем поверхностном слое во всех вкладышах всех опорных подшипников скольжения в двигателе и совпал во времени с приложением пускового вращающего момента к маховику двигателя.
Целью изобретения является сокращение временных и энергетических затрат на пуск замерзшего двигателя.
Указанная цель в предлагаемом способе управления пусковым тормозящим моментом двигателя внутреннего сгорания достигается тем, что сначала пропускают электрический ток через электронагреватели, которые встроены под рабочим поверхностным слоем каждого вкладыша, после чего отключают электропитание электронагревателей вкладышей и одновременно с отключением электропитания прилагают пусковой вращающий момент, причем время τ (с) прохождения электрического тока через электронагреватель вкладыша определяют по формуле:
,
вп
где: k - коэффициент внешних потерь;
п
k - коэффициент перегрева;
т
Q - требуемое количество теплоты (Дж);
I - электрический ток электронагревателя (А);
R - электрическое сопротивление электронагревателя (Ом),
при этом с целью автоматизации пускового процесса подачу электрического тока через электронагреватели вкладышей осуществляют с помощью времятокового биметаллического реле или электронного таймера, обеспечивающих требуемое время прохождения заданного электрического тока через электронагреватели вкладышей, а затем управление приложением пускового вращающего момента, причем с целью управления предпусковым нагревом рабочего поверхностного слоя во вкладышах их электронагреватели подключают к индивидуальным управляемым источникам электрической энергии, а рабочий поверхностный слой вкладышей - к измерительной системе, в которой измеряемые параметры используют как для управления режимом электрического тока, проходящим через электронагреватели вкладышей, так и для управления приложением пускового вращающего момента.
Устройство для осуществления предлагаемого способа управления пусковым тормозящим моментом двигателя внутреннего сгорания отличается тем, что с целью оперативного управления трением во вкладышах опорных подшипников скольжения под металлическим рабочим поверхностным слоем каждого вкладыша расположен всесторонне изолированный неорганическим диэлектрическим материалом металлический слой со структурой электронагревателя, причем пара торцов последовательно расположенных вкладышей соединены между собой общим слоем металла электронагревателей, при этом один из вкладышей оснащен штыревым или ленточным внешним электрическим контактным выводом, который электрически соединен с началом структуры его электронагревателя, а в другом конец структуры его электронагревателя через штыревой внутренний электрический контактный вывод электрически соединен с металлической основой этого вкладыша, в то же время с целью применения в опорном подшипнике скольжения вкладышей с различной электрической мощностью электронагревателей каждый вкладыш оснащают внутренним штыревым и внешним штыревым или ленточным электрическими контактными выводами, электрически соединенными соответственно с началом и концом структуры электронагревателя вкладыша, причем с целью обеспечения электрической независимости электронагревателя от металлической основы вкладыша вкладыш оснащают двумя штыревыми или ленточными внешними электрическими контактными выводами, электрически соединенными соответственно с началом и концом структуры его электронагревателя, причем рабочий поверхностный слой такого вкладыша снабжают внешними ленточными электроизолированными контактными выводами, электрически соединенными с этим слоем.
Согласно предлагаемому способу устройством для его осуществления является вкладыш подшипника скольжения со встроенным электронагревателем и представляет собой многослойную монолитную твердотельную структуру. Скорость теплопередачи в твердом теле определяется коэффициентом температуропроводности α
2
α=λ/c·ρ (м/с),
где λ - коэффициент теплопроводности материала слоя (Вт/м·град);
c - теплоемкость материала слоя (Дж/кг·град);
3
ρ - плотность материала слоя (кг/м).
В качестве начальных условий для дальнейшего расчета принято:
- в пределах площади каждого слоя отсутствует градиент температур;
- в действующем диапазоне температур материалы слоев твердотельной структуры не изменяют своих физико-технических характеристик;
- межслойные тепловые потери в многослойной структуре отсутствуют.
Расчет теплового режима слоя электронагревателя во вкладыше начинают с формулы для вычисления удельной динамической тепловой мощности W каждого слоя в многослойной структуре, включая и слой электронагревателя, которая необходима для нагрева материала слоя на 1°С в течение 1 секунды:
,
где δ - толщина слоя (м);
2
S - площадь слоя (м);
0
t - конечная температура слоя (°С);
1
t - начальная температура слоя (°С).
сп
си
i
сп
си
Практически все слои в многослойной структуре являются потребителями тепла W и должны обладать удельной динамической тепловой мощностью, меньшей, чем слой электронагревателя, являющегося слоем-источником тепла W. Исходя из этого условия определяют коэффициент пропорциональности kw как отношение удельной динамической тепловой мощности каждого слоя-потребителя W к слою-источнику тепла W, т.е. слою электронагревателя
i
сп
си
kw=W/W.
i
п
п
Суммирование значений kw определит коэффициент перегрева k, отражающий ту долю поглощенного слоями-потребителями тепла в процессе теплопередачи, которую должен компенсировать слой-источник тепла для обеспечения требуемой плотности теплового потока. Формула для расчета k имеет следующий вид:
,
где n - количество слоев-потребителей в структуре.
т
Для определения начального количества тепла, которое отдается слоем-источником тепла, т.е. слоем электронагревателя, предполагается, что на поверхности рабочего поверхностного слоя вкладыша находится слой кристаллической воды, толщиной от единиц до десятка микрон, и ее требуется перевести в жидкую фазу. Для расчета требуемого количества тепла Q для нагрева рабочего поверхностного слоя вкладыша воспользуемся известной формулой:
т
0
1
Q=m·c(t-t) (Дж),
где m=ρ·S·δ - масса рабочего поверхностного слоя вкладыша;
0
t - конечная температура рабочего поверхностного слоя (°С);
1
t - начальная температура рабочего поверхностного слоя (°С).
Конечная формула для расчета времени τ в секундах, необходимого для расплавления тонкого слоя льда на рабочем поверхностном слое вкладыша путем пропускания электрического тока через встроенный во вкладыш электронагреватель, имеет вид:
,
вп
где k - коэффициент внешних потерь;
I - электрический ток, протекающий через электронагреватель (А);
R - электрическое сопротивление слоя электронагревателя во вкладыше (Ом).
вп
Введение коэффициента k в эту формулу обусловлено необходимостью учета внешних тепловых потерь через боковые и торцевые поверхности многослойной структуры, которые в зависимости от размерных характеристик вкладыша и условий его размещения в подшипнике скольжения не превосходят 5-7% от общих тепловых затрат при оперативном нагреве рабочего поверхностного слоя.
Структурно-электрические схемы вкладышей со встроенным между рабочим поверхностным слоем и металлической основой вкладыша слоем электронагревателя представлены для шести конструктивных вариантов вкладышей, причем на Фиг.1 представлена структурно-электрическая схема сборки вкладышей подшипника скольжения с одним внешним выводом от электронагревателей (варианты 1 и 2), на Фиг.2 - структурно-электрическая схема одного вкладыша с одним выводом от электронагревателя (варианты 3 и 4), а на Фиг.3 - структурно-электрическая схема вкладыша с двумя внешними выводами от электронагревателя и двумя отводами от рабочего поверхностного слоя (варианты 5 и 6). В структурно-электрических схемах вкладышей их конструктивные элементы имеют следующие обозначения:
1 - основа вкладыша;
2 - рабочий поверхностный слой;
3 - слой электронагревателя;
4 - контактный вывод электронагревателя;
5 - контактный отвод от рабочего поверхностного слоя.
На Фиг.4 представлена схема электрического включения сборок вкладышей в подшипниках скольжения, которая позволяет с момента замыкания контактов выключателя путем прямого счета времени в секундах осуществить пуск двигателя, например, путем перевода ключа зажигания в автомобиле в положение включения стартера в момент отключения данной схемы от источника питания. Такая схема может работать как от аккумулятора автомобиля, так и от иного источника электрического тока. Для этого варианта реализации предлагаемого способа составляется график или таблица, в которых приводятся длительности отсчета в соответствии с температурой окружающей среды (при первичном пуске) или блока цилиндров двигателя, измеренной перед пуском.
На Фиг.5 представлена блок-схема автоматического управления, в которой подача и отключение электрического тока через электронагреватель в каждом вкладыше осуществляется через внешний электрический контактный вывод с помощью времятокового биметаллического реле или от электронного таймера с электромагнитным реле 7. Эта схема позволяет осуществить пропускание тока через электронагреватели вкладышей в течение заданного времени, отключить электронагреватели от источника электрической энергии и в момент прекращения подачи электрического тока через электронагреватели автоматически включать электромагнитное реле стартера 6 или механизма сцепления пускового вспомогательного двигателя. Представленная блок-схема автоматического управления может запускаться, например, от ключа зажигания 8.
На Фиг.6 представлена блок-схема контроля и управления пусковым тормозящим моментом, в которой задействованы вкладыши с двумя внешними электрическими контактными выводами от электронагревателей и одним контактным отводом от рабочего поверхностного слоя. Главной задачей, решаемой с помощью этой блок-схемы, является высокоточное обеспечение одномоментного образования слоя воды на рабочих поверхностных слоях во всех вкладышах всех подшипников скольжения двигателя.
В простейшем случае реализация алгоритма управления предлагаемого способа Фиг.6 следующая.
Схема контроля параметров 10 включает схему управления индивидуальными источниками электрического тока 9, которая обеспечивает подачу заданной длительности и скважности импульсов напряжения тока через все электронагреватели всех вкладышей. Схема контроля параметров обеспечивает измерение диэлектрических потерь в зазоре между шейкой вала и рабочим поверхностным слоем во всех вкладышах. В зависимости от отклонения скорости изменения диэлектрических потерь от нормальной (расчетной) скорости хода процесса таяния льда (относительная диэлектрическая проницаемость льда, например, при минус 18°С составляет не более 3,2, а относительная диэлектрическая проницаемость воды при 0°С - 88), т.е. в случае превышения или отставания скорости процесса схема контроля параметров переводит соответствующий источник тока в режим соответственно снижения или увеличения тока через такие электронагреватели, что обеспечивается соответствующим изменением длительности и/или скважности импульсов напряжения электрического тока. В случае получения заданной пороговой величины диэлектрических потерь от всех вкладышей схема контроля параметров отключает все источники тока и включает электромагнитное реле стартера 11 двигателя или механизм сцепления пускового устройства.
Согласно формуле изобретения для реализации соответствующих вариантов предлагаемого способа применяются и соответствующие им варианты конструктивных решений устройства для реализации.
Устройство по пункту 4 формулы изобретения предназначено для реализации способа по п.1 и 2, в котором предлагается в целях оперативного управления трением применять однотипные вкладыши в подшипниках скольжения в виде сборки вкладышей со встроенными электронагревателями. Варианты 1 и 2 таких сборок вкладышей представлены соответственно на Фиг.7 и 8.
В представленных на Фиг.7 и 8 структурных схемах сборок вкладышей подшипников скольжения обоих конструктивных вариантов применены следующие обозначения:
12 - полуцилиндрическая основа вкладыша;
13 - диэлектрический материал;
14 - слой со структурами электронагревателей;
15 - рабочий поверхностный слой;
16 - слой спая диэлектрического материала с основой вкладыша;
17 - внутренний электрический штыревой контактный вывод электронагревателя;
18 - внешний электрический листовой контактный вывод электронагревателя;
19 - отверстие для маслоподачи;
20 - внешний электрический штыревой контактный вывод электронагревателя;
21 - наконечник вывода.
Предлагаемые конструктивные решения сборок вкладышей имеют последовательное электрическое соединение электронагревателей вкладышей за счет электроизолированного слоя металла 14, что в свою очередь обеспечивает неразъемное торцевое соединение самих вкладышей.
С точки зрения электрической нагрузки электронагреватели в сборке вкладышей обладают равенством проходящего через них электрического тока, поскольку соединены последовательно, а «землей» этого соединения является основание одного из вкладышей в сборке. Отличие конструктивных вариантов сборок вкладышей состоит в том, что в варианте 1 (Фиг.7) внешний электрический контактный вывод электронагревателя 18 реализован в виде листовой конструкции, а в варианте 2 (Фиг.8) внешний электрический контактный вывод электронагревателя 20 выполнен в виде штыря.
Применение устройства по п.4 в виде сборки вкладышей наиболее эффективно в подшипниках скольжения распределительного вала двигателя, причем особенно тогда, когда распределительный вал двигателя заключен между монолитными верхней и нижней крышками, исполняющими роль однотипных вкладышей подшипников скольжения. Основным условием эффективности применения сборки вкладышей является идентичность эксплуатационных пусковых температур верхнего и нижнего вкладыша в подшипнике скольжения.
В устройстве по пункту 5 для реализация способа по п.1 и 2 рекомендуется применение в подшипнике скольжения комплекта из двух отдельных вкладышей, каждый из которых снабжен внутренним электрическим штыревым контактным выводом, соединяющим структуру встроенного во вкладыш электронагревателя с металлическим основанием («землей»), а также собственным внешним электрическим контактным выводом электронагревателя. Отличие в конструкциях вкладышей состоит в том, что согласно варианту 3, представленному на Фиг.9, вкладыш изготавливается с внешним электрическим листовым контактным выводом электронагревателя 18, а по варианту 4, представленному на Фиг.10, - с внешним электрическим штыревым контактным выводом электронагревателя 20.
Данная конструкция позволяет заблаговременно учесть разницу в пусковых эксплуатационных условиях вкладышей в подшипнике скольжения и создавать структуры их электронагревателей на требуемую электрическую мощность для одновременного достижения на рабочих поверхностных слоях верхнего и нижнего вкладыша минимального значения коэффициента трения в подшипнике скольжения.
Управление пусковым трением устройств по п.4 и 5 может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режиме пуска двигателя, причем начальная температура во всех подшипниках скольжения, оснащенных вкладышами со встроенными электронагревателями (варианты 1-4), в этом случае должна быть одинаковой, что, как правило, характерно для коленчатого и распределительного валов замерзшего двигателя средней мощности.
Реализация способа по п.1 и 2 с использованием устройств по п.4 и (или) 5 рекомендуется практически на всех видах автомобильных бензиновых, дизельных и газовых двигателях мощностью от 50 до 250 кВт при температурах охлаждения до минус 60÷65°С и ниже, причем включение и выключение постоянного электрического тока через электронагреватели вкладышей при наличии нескольких источников тока должно быть синхронным.
Реализация способа по п.3 возможна только с использованием устройства по п.6. формулы изобретения. Устройство с предлагаемой структурой вкладышей в подшипнике скольжения (Фиг.11 и 12) включает два внешних электрических контактных вывода от электронагревателя 18 или 20, что обусловлено необходимостью избегания электромагнитных помех и энергопотерь на токи Фуко в металлических конструкциях двигателя. Достижение независимого измерения параметров, характеризующих индивидуальное состояние каждого вкладыша в подшипнике скольжения, обеспечивается с помощью контактных отводов от рабочего поверхностного слоя 22, исполняющего роль срединной обкладки в конденсаторной структуре. Срединная обкладка разделяет неорганическую диэлектрическую среду конденсатора от органической диэлектрической среды. Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость неорганической диэлектрической среды практически постоянна во всем низкотемпературном диапазоне и не превышает значений 2,2-2,4, а относительная диэлектрическая проницаемость органической диэлектрической среды полностью зависит от структурно-фазового состояния молекул воды, высокоточное и оперативное измерение диэлектрических потерь в слое льда/воды на рабочем поверхностном слое не представляет технических и метрологических сложностей.
Конструктивное отличие структур вкладышей в вариантах 5 и 6, которые представлены на Фиг.11 и 12 соответственно, заключается в том, что в варианте 5 вкладыш выполняют с контактными отводами от рабочего поверхностного слоя 22 и внешними электрическими контактными выводами электронагревателя 18 в листовом исполнении, а в варианте 6 внешние электрические контактные выводы электронагревателя 20 вкладыша выполнены в штыревом исполнении.
С помощью способа по п.3 и устройства для его реализации по п.6 формулы изобретения обеспечивается оперативный и энергоэкономичный пуск взаимосвязанной системы двигателей, а также крупногабаритных двигательных установок и агрегатов с неопределенным значением температурного режима как между подшипниками скольжения, так и при наличии градиента температур внутри подшипника скольжения.
Все варианты устройств (вкладышей) по п.4, 5 и 6 изготавливаются на основе однотипной групповой технологии и могут отличаться как материалами рабочих поверхностных слоев и оснований, так и композицией и структурой изолирующего неорганического диэлектрика.
Применение данного способа и устройства для его осуществления, например, на автомобильных двигателях внутреннего сгорания мощностью 100÷250 кВт гарантирует, что при их пуске из замерзшего состояния при температуре минус 60°С при 10 секундном электронагреве и потребляемой электрической мощности от аккумулятора в 300÷350 Вт максимальная подвижность поршневой системы двигателя достигается при токе стартера не более 50÷70 А.
Как примеры расчетов по изложенной методике предпусковых времятоковых нагрузок на электронагреватели различных конструктивно-технологических вариантов вкладышей, так и промышленная технология изготовления сборок и отдельных вкладышей со встроенным слоем электронагревателя являются НОУ-ХАУ и будут предъявлены для ознакомления уполномоченному эксперту Роспатента в присутствии автора при гарантии неразглашения этих НОУ-ХАУ.