СПОСОБ ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СТРАРТЕР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO START UP INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND STARTER FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к пуску поршневых двигателей внутреннего сгорания транспортных машин.
Известен способ пуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), заключающийся в том, что электродвигателем вращают вал ДВС и через определенное время увеличивают скорость вращения (патент РФ на изобретение №2049261 по кл. МПК-6: F02N 11/08, заявл. 08.07.1991 г., опубл. 27.11.1995 г. «Система электростартерного пуска двигателя внутреннего сгорания»).
Указанный способ может использоваться для пуска холодного ДВС в зимних условиях, так как предварительная прокрутка вала ДВС с пониженной скоростью вращения позволяет разогреть внутреннюю поверхность цилиндров за счет работы газовых сил и уменьшить вязкость масла на трущихся поверхностях, используя при этом источник электропитания относительно небольшой мощности. Недостаток заключается в том, что для последующей раскрутки вала ДВС до пусковой скорости вращения согласно указанному изобретению применяют конденсаторную батарею большой мощности, имеющую, соответственно, большие габариты и стоимость.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа к заявленным способу и стартеру является инерционный стартер, содержащий электродвигатель с маховиком, соединенный через электромагнитную муфту и редуктор с выходным валом, на котором установлена приводная шестерня, причем редуктор размещен между электромагнитной муфтой и приводной шестерней (авторское свидетельство РФ №1562514 по кл. МПК-5: F02N 5/04, заявл. 25.07.1988 г., опубл. 07.05.1990 г. «Инерционный стартер»).
Способ пуска ДВС с использованием данного стартера заключается в том, что разгоняют маховик электродвигателем и затем включают электромагнитную муфту, передавая через нее крутящий момент от маховика на вал двигателя внутреннего сгорания.
Недостатки указанного решения связаны с тем, что процесс пуска не адаптирован к изменениям температуры окружающего воздуха и предпусковому состоянию ДВС. С одной стороны, при разогретом ДВС это приводит к затянутому пуску (требуется дополнительное время на раскрутку маховика), что может создавать неудобства при движении транспортной машины в городских условиях. С другой стороны, недостаточно надежен пуск холодного ДВС зимой, так как отсутствует предварительная прокрутка вала ДВС с последующим увеличением скорости вращения. В указанном решении, наоборот - скорость вращения достигает максимума на начальном этапе прокрутки и затем снижается по мере расходования энергии, запасенной маховиком, причем значительная часть этой энергии уходит на разогрев внутренней поверхности цилиндров ДВС и масла на трущихся поверхностях.
Задачей заявленного изобретения является расширение диапазона температур окружающего воздуха, в котором обеспечивается максимально быстрый и надежный пуск ДВС.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении заявленного способа, является адаптация процесса пуска к изменениям температурно-зависимых величин момента сопротивления вала ДВС и мощности источника электропитания стартера.
Техническими результатами, которые достигаются при использовании заявленного стартера, являются:
- повышение управляемости стартера, что направлено на решение поставленной задачи, так как позволяет осуществить заявленный способ;
- повышение коэффициента полезного действия (КПД) стартера, что направлено на решение поставленной задачи, так как увеличивает работу прокручивания вала ДВС, повышая надежность пуска;
- сокращение запаса энергии маховика, необходимого для пуска ДВС, что направлено на решение поставленной задачи, так как уменьшает время раскрутки маховика.
Решение поставленной задачи достигается тем, что, осуществляя пуск двигателя внутреннего сгорания, при котором разгоняют маховик первым электродвигателем и затем включают электромагнитную муфту, передавая через нее крутящий момент от маховика на вал двигателя внутреннего сгорания, согласно заявленному способу одновременно с разгоном маховика вращают вал двигателя внутреннего сгорания вторым электродвигателем, причем в первый момент времени электромагнитную муфту кратковременно включают при условии, что ротор второго электродвигателя неподвижен; в следующий затем второй момент времени электромагнитную муфту включают при условии, что средняя скорость вращения ротора второго электродвигателя превышает заданный уровень, в противном случае электромагнитную муфту включают в следующий затем третий момент времени.
Заявленный способ может осуществляться так, что электромагнитная муфта выполнена электроиндукционной, асинхронной, со стабилизатором выходной скорости вращения.
Заявленный способ может осуществляться так, что потребляемую вторым электродвигателем мощность уменьшают, если напряжение питания становится ниже определенного уровня.
Существенные признаки заявленного способа влияют на адаптацию процесса пуска к изменениям температурно-зависимых величин момента сопротивления вала ДВС и мощности источника электропитания стартера следующим образом:
- вращение вала ДВС вторым электродвигателем одновременно с разгоном маховика позволяет обеспечить быстрый пуск ДВС в легких условиях (температура окружающего воздуха положительная, момент сопротивления вала ДВС невелик и мощность источника электропитания достаточна для вращения вала ДВС с пусковой скоростью). При этом энергия источника электропитания расходуется в основном на прокрутку вала ДВС, а энергия, потребляемая на разгон маховика, незначительна, так как скорость маховика не успевает существенно возрасти;
- кратковременное включение электромагнитной муфты в первый момент времени позволяет преодолеть силы трения покоя в замерзшем двигателе за счет энергии, накопленной маховиком;
- включение электромагнитной муфты во второй момент времени характерно для условий средней тяжести (зимний пуск в зоне умеренного климата) и обеспечивает равномерное вращение вала ДВС за счет инерции маховика. При этом время прохождения поршнями ДВС области верхней мертвой точки минимально, что улучшает условия воспламенения рабочей смеси;
- включение электромагнитной муфты в третий момент времени характерно для тяжелых условий (зимний пуск в зоне холодного климата), когда вал ДВС прокручивается со скоростью, недостаточной для пуска. При этом маховик к третьему моменту времени успевает максимально разогнаться, и после включения электромагнитной муфты его энергия используется для увеличения скорости вращения вала ДВС.
Решение поставленной задачи достигается также тем, что стартер, содержащий первый электродвигатель с маховиком, соединенный через электромагнитную муфту, и редуктор с выходным валом, на котором установлена приводная шестерня, причем редуктор размещен между электромагнитной муфтой и приводной шестерней, согласно заявленному изобретению снабжен вторым электродвигателем, ротор которого установлен на валу, соединяющем электромагнитную муфту и редуктор.
В заявленном стартере маховик может быть выполнен в виде полого стального цилиндра, при этом электромагнитная муфта выполнена электроиндукционной, асинхронной, с индуктором в виде подвижного панциря с когтеобразными полюсами и неподвижного сердечника с обмоткой возбуждения, первый электродвигатель выполнен асинхронным, а его статор и индуктор электромагнитной муфты размещены соосно с маховиком в полости последнего так, что маховик является одновременно ротором первого электродвигателя и якорем электромагнитной муфты.
В заявленном стартере второй электродвигатель может быть выполнен вентильным, синхронным и иметь реактивный индуктор, конструктивно объединенный с панцирем индуктора электромагнитной муфты.
Совокупность части существенных признаков заявленного стартера (соединение первого электродвигателя с маховиком через электромагнитную муфту с валом, на котором установлен ротор второго электродвигателя) представляет собой кинематическую схему, в которой скорости вращения маховика и ротора второго электродвигателя можно изменять независимо друг от друга, а их крутящие моменты можно суммировать при помощи электромагнитной муфты. Это обеспечивает управляемость, достаточную для осуществления заявленного способа. Кроме того, в данной кинематической схеме, в отличие от прототипа, через электромагнитную муфту передается только часть суммарного крутящего момента, что позволяет существенно сократить потери скольжения в ней и повысить КПД стартера.
Совокупность части существенных признаков заявленного стартера (соединение ротора второго электродвигателя через редуктор с выходным валом, на котором установлена приводная шестерня) позволяет выбрать коэффициент редукции так, чтобы крутящий момент второго электродвигателя, приведенный к валу ДВС, был достаточным для его предварительной прокрутки. Это позволяет производить предварительную прокрутку вала ДВС вторым электродвигателем без участия маховика. При этом, в отличие от прототипа, после включения электромагнитной муфты практически не расходуется энергия маховика на разогрев внутренней поверхности цилиндров ДВС и масла, так как они уже разогреты во время предварительной прокрутки. Таким образом, для пуска ДВС требуется меньшее количество энергии, запасаемой маховиком.
Заявленные способ и предназначенный для его осуществления стартер соответствуют критерию «промышленная применимость», так как стартер может быть изготовлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, и для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование.
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что заявленные способ и стартер неизвестны из изученного уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию «новизна».
Отличительные признаки заявленного способа включают в себя определенный порядок управления электромагнитной муфтой, при этом не выявлены другие решения, имеющие такие же признаки. Таким образом, заявленный способ не следует для специалиста из уровня техники и соответствуют изобретательскому уровню.
Влияние отличительных признаков заявленного стартера на технические результаты (повышение управляемости, повышение КПД, сокращение необходимого запаса энергии маховика) проявляется при использовании отличительных признаков только в совокупности с остальными существенными признаками, причем такая совокупность признаков неизвестна из изученного уровня техники. Таким образом, заявленный стартер соответствуют изобретательскому уровню, так как не подтверждена известность влияния его отличительных признаков на указанные технические результаты.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - кинематическая схема стартера;
Фиг.2 - реактивный индуктор вентильного электродвигателя, конструктивно объединенный с панцирем индуктора электромагнитной муфты;
Фиг.3 - электрическая структурная схема стартера;
Фиг.4 - механические характеристики электродвигателей и электромагнитной муфты, входящих в стартер;
Фиг.5 - осциллограммы пуска ДВС в различных условиях.
Конструкция заявленного стартера поясняется кинематической схемой (фиг.1), на которой показаны первый электродвигатель 1 с маховиком 2, соединенный через электромагнитную муфту 3 и редуктор 4 с выходным валом, на котором установлена приводная шестерня 5, причем редуктор 4 размещен между электромагнитной муфтой 3 и приводной шестерней 5, а также второй электродвигатель 6, ротор которого установлен на валу, соединяющем электромагнитную муфту 3 и редуктор 4. Приводная шестерня 5 снабжена муфтой 7 свободного хода. Маховик 2 выполнен в виде полого массивного цилиндра из электротехнической стали, индуктор электромагнитной муфты 3 состоит из подвижного панциря 8 с когтеобразными полюсами и неподвижного сердечника 9 с обмоткой возбуждения. Первый электродвигатель 1 выполнен асинхронным, причем его статор 10 и индуктор электромагнитной муфты 3 размещены соосно с маховиком 2 в полости последнего так, что маховик 2 является одновременно ротором первого электродвигателя 1 и якорем электромагнитной муфты 3.
Второй электродвигатель 6 вентильный и имеет реактивный индуктор 11, конструктивно объединенный с панцирем 8 индуктора электромагнитной муфты, как показано на фиг.2.
Устройство заявленного стартера поясняется электрической структурной схемой (фиг.3), на которой показаны датчик 12 скорости вращения маховика, датчик 13 положения ротора второго электродвигателя, полупроводниковый инвертор 14, подключенный выходами к фазным обмоткам первого электродвигателя 1, полупроводниковый преобразователь 15 напряжения, подключенный выходом к обмотке возбуждения электромагнитной муфты 3, полупроводниковый инвертор 16, подключенный выходами к фазным обмоткам второго электродвигателя 6. Сигнал датчика 12 скорости вращения маховика подан на вход инвертора 14 и служит для регулирования частоты переменного тока на его выходах. Сигналы датчика 12 скорости вращения маховика и датчика 13 положения ротора второго электродвигателя поданы на входы преобразователя 15 напряжения и служат для регулирования тока возбуждения на его выходе. Сигнал «Вкл.» на входе преобразователя 15 напряжения служит для включения и отключения электромагнитной муфты 3. Сигнал датчика 13 положения ротора второго электродвигателя подан на вход инвертора 16 и служит для регулирования фазы и частоты переменного тока на его выходах.
Принципы построения полупроводниковых инверторов для электродвигателей синхронного и асинхронного типов общеизвестны (Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность) / И.Е. Овчинников: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА-Век, 2006. - 336 с.: ил.). Общеизвестны также принципы регулирования тока возбуждения электромагнитных муфт (Поздеев А.Д., Розман Я.Б. Электромагнитные муфты и тормоза с массивным якорем / А.Д. Поздеев, Я.Б. Розман: Библиотека по автоматике, вып.82. - М., -Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 103 с.: ил.). Инверторы 14, 16 и преобразователь 15 напряжения построены на основе общеизвестных принципов и обеспечивают формирование механических характеристик, представленных на фиг.4.
a
a
1
2
3
1
Механическая характеристика первого электродвигателя 1 состоит из участков  и , на которых ограничены, соответственно, максимальная скорость N вращения и максимальный крутящий момент М первого электродвигателя.
1
2
3
2
2
2
Механическая характеристика второго электродвигателя 6 состоит из участков b, b и b, на которых ограничены, соответственно, максимальная скорость N вращения, максимальная мощность и максимальный крутящий момент M второго электродвигателя. Для управления мощностью второго электродвигателя служит цепь отрицательной обратной связи (входит в состав инвертора 16, на чертежах не показана), которая выполнена так, что уменьшает мощность второго электродвигателя (смещает участок b ниже и левее), если напряжение питания становится меньше определенного уровня; в частности, при питании от аккумуляторной батареи с номинальным напряжением 12В снижение мощности второго электродвигателя от максимального значения до нуля производится в диапазоне питающего напряжения от 8 до 6В, предотвращая его дальнейшую просадку.
1
2
3
4
1
Семейство с, с, c, с механических характеристик соответствует различным величинам входной скорости вращения и тока возбуждения электромагнитной муфты 3. В состав преобразователя 15 напряжения входит стабилизатор скорости (на чертежах не показан), который выполнен так, что уменьшает ток возбуждения электромагнитной муфты, если ее выходная скорость вращения превышает N.
Примеры осуществления заявленного способа и работы стартера поясняются осциллограммами (фиг.5) пуска ДВС в различных условиях. На осциллограммах скорости вращения электродвигателей 1, 6 и электромагнитной муфты 3 приведены к валу ДВС с учетом коэффициента редукции.
Для пуска ДВС с использованием заявленного стартера в момент времени t=0с подают питание от аккумуляторной батареи (на чертежах не показана) на инверторы 14, 16 и преобразователь 15 напряжения, а также подают на вход последнего сигнал «Вкл.» в определенные моменты времени, как описано в приведенных ниже примерах.
После пуска осуществляют торможение стартера, для чего частоту переменного тока на выходах инверторов 14, 16 снижают до нуля. Затем отключают питание инверторов 14, 16 и преобразователя 15 напряжения.
1
1
1
1
1
1
1
1
В легких условиях мощность аккумуляторной батареи достаточно большая, а момент сопротивления прокручиванию вала ДВС низкий; скорость (осциллограмма е) вращения ротора второго электродвигателя 6 преимущественно определяется участком механической характеристики b и превышает N, где N - скорость вращения вала ДВС, при которой может воспламеняться рабочая смесь. При этом электромагнитная муфта 3 выключена, маховик 2 раскручивается первым электродвигателем 1, и его скорость (осциллограмма d) невелика. В начале прокрутки скорость (осциллограмма f) вала ДВС совпадает со скоростью (осциллограмма е) вращения ротора второго электродвигателя 6; после воспламенения рабочей смеси (в рассматриваемом примере в момент времени t=1с) происходит пуск - скорость (осциллограмма f) вала ДВС увеличивается, и муфта 7 переходит в режим свободного хода.
2
2
1
2
1
2
В условиях средней тяжести скорость (осциллограмма e) вращения ротора второго электродвигателя 6 преимущественно определяется участком механической характеристики b и на данном участке существенно зависит от момента сопротивления, который пульсирует при изменениях положения цилиндров ДВС и давления рабочей смеси. Если в определенный момент времени (в рассматриваемом примере t=3с) средняя скорость вращения ротора второго электродвигателя 6 и, соответственно, вала ДВС превышает N, но из-за низкой скорости прохождения поршнями области верхней мертвой точки рабочая смесь не воспламеняется, то включают электромагнитную муфту 3. К этому времени маховик 2 успевает набрать скорость (осциллограмма d), превышающую N. После включения электромагнитной муфты 3 вал ДВС за счет инерции маховика начинает вращаться более равномерно, что способствует воспламенению рабочей смеси. Затем происходит пуск, и скорость (осциллограмма f) вала ДВС увеличивается.
3
3
3
3
1
3
В тяжелых условиях из-за замерзания масла при низкой температуре возможны ситуации, когда крутящий момент второго электродвигателя 6 недостаточен для преодоления сил трения покоя. В определенный момент времени (в рассматриваемом примере t=1с) контролируют скорость вращения ротора второго электродвигателя 6 и, если она нулевая, то кратковременно (в рассматриваемом примере на 0,3с) включают электромагнитную муфту 3 - за счет энергии маховика 2 вал ДВС начинает вращаться, и трение уменьшается, после чего вал ДВС прокручивается вторым электродвигателем 6 без участия маховика. Скорость вращения (осциллограмма е) ротора второго электродвигателя 6 преимущественно определяется участком механической характеристики b и недостаточна для пуска ДВС. В процессе прокрутки вала ДВС разогревается внутренняя поверхность цилиндров, и снижается вязкость масла на трущихся поверхностях. Одновременно разгоняется маховик 2 (осциллограмма d) до максимальной скорости N. Затем (в рассматриваемом примере в момент времени t=9с) включают электромагнитную муфту 3 - за счет энергии маховика ротор второго электродвигателя 6 и, соответственно, вал ДВС разгоняются до скорости N. Происходит пуск, и скорость (осциллограмма f) вала ДВС увеличивается.