СПОСОБ ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF STARTING OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к пуску поршневых двигателей внутреннего сгорания транспортных машин, и предназначено преимущественно для использования в условиях низких температур.
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 рабочую поверхность цилиндров и поршней 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.
Известен также способ пуска ДВС, заключающийся в том, что разгоняют маховик электродвигателем и затем через электромагнитную муфту передают крутящий момент от маховика на вал ДВС (авторское свидетельство РФ №1562514 по кл. МПК-5: F02N 5/04, заявл. 25.07.1988 г., опубл. 07.05.1990 г. «Инерционный стартер»).
Недостаток указанного способа заключается в том, что отсутствует предварительная прокрутка вала ДВС с последующим увеличением его скорости вращения. В указанном решении наоборот - скорость вращения вала ДВС достигает максимума на начальном этапе прокрутки и затем снижается по мере расходования энергии, запасенной маховиком, причем значительную часть этой энергии составляют потери скольжения в электромагнитной муфте.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа к заявленному изобретению является способ пуска двигателя внутреннего сгорания с двумя электродвигателями и маховиком, кинематически связанными между собой и валом двигателя внутреннего сгорания через дифференциальный механизм, заключающийся в том, что подключают электродвигатели к источнику питания, обеспечивая вращение их валов, осуществляют аккумуляцию энергии маховиком и изменяют крутящий момент одного из электродвигателей на противоположный (авторское свидетельство РФ №2189691 по кл. МПК-7: H02P 5/50, H02P 1/54, F02N 11/08, заявл. 09.01.2001 г., опубл. 20.09.2002 г. «Способ электрического пуска двигателя внутреннего сгорания»).
В указанном способе скорость вращения вала ДВС может изменяться по заданному закону, при этом механическая мощность на валу ДВС может кратковременно превышать мощность источника питания; недостаток заключается в повышенной сложности, связанной с применением двух электродвигателей.
Задачей заявленного способа является упрощение пуска ДВС.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении заявленного способа, является сокращение количества электродвигателей с двух до одного.
Решение поставленной задачи достигается тем, что при осуществлении пуска двигателя внутреннего сгорания с электродвигателем и маховиком, кинематически связанными между собой и валом двигателя внутреннего сгорания через дифференциальный механизм, подключают к источнику питания электродвигатель, обеспечивая вращение его вала, осуществляют аккумуляцию энергии маховиком и изменяют крутящий момент электродвигателя на противоположный, причем согласно заявленному способу водило дифференциального механизма соединено с маховиком, аккумуляцию энергии маховиком осуществляют, блокируя дифференциальный механизм, и снимают его блокировку в момент изменения крутящего момента электродвигателя на противоположный.
Заявленный способ может осуществляться так, что для блокировки дифференциального механизма используют обгонную муфту.
Заявленный способ может осуществляться так, что дифференциальный механизм выполнен в виде планетарного редуктора, солнечная шестерня которого соединена с валом электродвигателя, а коронная шестерня - с валом двигателя внутреннего сгорания.
Заявленный способ может осуществляться так, что электродвигатель выполнен вентильным, синхронным, со стабилизацией крутящего момента, изменение которого на противоположный обеспечивают путем изменения фазы переменного тока якорной обмотки.
Заявленный способ может осуществляться так, что в качестве источника питания используют батарею электрохимических конденсаторов.
Заявленный способ может осуществляться так, что водило дифференциального механизма соединено с маховиком через мультипликатор.
Заявленный способ может осуществляться так, что изменение крутящего момента электродвигателя на противоположный осуществляют тем позже, чем ниже температура окружающего воздуха.
Блокировка дифференциального механизма позволяет одним электродвигателем одновременно вращать маховик и вал ДВС. При этом скорость вращения ограничена выходной мощностью на валу электродвигателя.
Снятие блокировки дифференциального механизма при одновременном изменении крутящего момента электродвигателя на противоположный позволяет увеличить скорость вращения вала ДВС путем суммирования (с определенными коэффициентами) скоростей вращения водила, связанного с маховиком, и электродвигателя. При этом механическая мощность, используемая для вращения вала ДВС, кратковременно повышается за счет энергии маховика и превышает выходную мощность на валу электродвигателя.
Таким образом, заявленный способ позволяет производить предварительную прокрутку вала ДВС с последующим увеличением его скорости вращения, используя один электродвигатель, в отличие от прототипа, где необходимы два электродвигателя.
Заявленный способ соответствует критерию «промышленная применимость», так как устройства для его осуществления могут быть изготовлены 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 заявленный способ неизвестен из изученного уровня техники и, следовательно, соответствуют критерию «новизна».
Не выявлены другие решения, имеющие такую же совокупность отличительных признаков, как у заявленного способа, то есть заявленный способ не следует для специалиста явным образом из уровня техники и соответствует изобретательскому уровню.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - кинематическая схема осуществления заявленного способа;
Фиг.2 - графики скоростей вращения шестерен и водила дифференциального механизма в режиме прокрутки вала ДВС без подачи топлива.
Кинематическая схема осуществления заявленного способа содержит электродвигатель 1, маховик 2, вал 3 ДВС, дифференциальный механизм, выполненный в виде планетарного редуктора с солнечной шестерней 4, сателлитами 5 и коронной шестерней 6, приводную шестерню 7, обгонную муфту 8. Солнечная шестерня 4 соединена с валом электродвигателя 1, сателлиты 5 через водило соединены с маховиком 2, коронная шестерня 6 соединена с приводной шестерней 7. Приводная шестерня 7 является частью стандартного для автомобильных стартеров механизма привода (на схеме не представлен) и показана в состоянии зацепления с зубчатым венцом вала 3 ДВС. Обгонная муфта 8 установлена между солнечной шестерней 4 и коронной шестерней 6.
Электродвигатель 1 выполняется предпочтительно вентильным, синхронным, с механической характеристикой, обеспечивающей стабилизацию величины крутящего момента во всем диапазоне рабочих скоростей вращения. Принципы построения таких электродвигателей 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.). Электродвигатель 1 имеет возможность изменения направления крутящего момента путем изменения фазы переменного тока якорной обмотки.
В качестве источника питания (на схеме не показан) для электродвигателя 1 может использоваться, в частности, аккумуляторная батарея, но так как заявленный способ предназначен преимущественно для низкотемпературных условий, предпочтительно использование батареи электрохимических конденсаторов асимметричной конструкции, способных обеспечить длительную прокрутку вала ДВС при температуре до -50°C.
С целью снижения массы маховика 2, последний может быть выполнен высокооборотным. В этом случае водило дифференциального механизма соединено с маховиком 2 через мультипликатор (повышающий редуктор, на схеме фиг.1 отсутствует).
Кинематическая схема работает следующим образом.
В исходном состоянии электродвигатель 1 обесточен и неподвижен, приводная шестерня 7 выведена из зацепления с зубчатым венцом вала 3 ДВС.
с
с
в
к
с
в
к
П
На первом этапе приводную шестерню 7 вводят в зацепление с зубчатым венцом вала 3 ДВС, затем подают напряжение на якорную обмотку электродвигателя 1. На валу электродвигателя 1 возникает крутящий момент m, направление которого таково, что обгонная муфта 8 блокирует дифференциальный механизм, то есть скорости n, n и n равны, где n - скорость солнечной шестерни 4 и вала электродвигателя 1, n - скорость водила и маховика 2, n - скорость коронной шестерни 6, связанной с валом ДВС (фиг.2: интервал времени от 0 до 3 с). Происходит раскрутка маховика 2 и коронной шестерни 6 до максимальной рабочей скорости N электродвигателя 1. Данная скорость меньше, чем пусковая скорость N, при которой происходит воспламенение рабочей смеси; вал ДВС прокручивают, обеспечивая разогрев рабочей поверхности цилиндров и поршней за счет работы газовых сил и уменьшение вязкости масла на трущихся поверхностях; длительность прокрутки увеличивают при снижении температуры окружающего воздуха, что позволяет подготовить ДВС к пуску.
с
На втором этапе изменяют направление крутящего момента на валу электродвигателя 1 (фиг.2: момент времени t=3с). Скорость n солнечной шестерни 4 начинает уменьшаться, и обгонная муфта 8 разблокирует дифференциальный механизм; крутящий момент коронной шестерни 6 увеличивается:
к
с
m=km,
где k - коэффициент передачи дифференциального механизма.
к
к
п
Скорость n коронной шестерни 6 возрастает до уровня, при котором статический момент сопротивления на валу ДВС равен крутящему, после чего скорость n стабилизируется. Данная скорость больше, чем пусковая скорость N и, если подается топливо, то воспламеняется рабочая смесь и происходит пуск ДВС.
с
в
Если воспламенения рабочей смеси не происходит (как показано на фиг.2), то прокрутка вала ДВС на максимальной скорости производится до тех пор, пока скорость n солнечной шестерни 4 не уменьшится до предельного рабочего уровня - N электродвигателя 1; одновременно снижается скорость n водила и маховика 2, то есть уменьшается запасенная в нем кинетическая энергия, за счет чего возрастает механическая мощность на валу ДВС. При этом одна часть энергии маховика 2 передается через сателлиты 5 и коронную шестерню 6 на вал ДВС; другая - через сателлиты 5, солнечную шестерню 4 и электродвигатель 1 сначала идет на подзарядку источника питания (фиг.2: интервал времени от 3 до 3,5 с), так как электродвигатель 1 кратковременно переходит в генераторный режим, и затем возвращается (фиг.2: после момента времени t=3,5 с).
Таким образом, заявленное изобретение, не уступая прототипу по своим функциональным возможностям и энергоэффективности, может быть осуществлено с использованием одного электродвигателя.