СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR ENGINE STARTING

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное изобретение относится к способу и устройству запуска двигателя, используя ряд пневмодвигателей.
Уровень техники
Существуют различные способы запуска двигателей больших размеров, например двигателей, используемых для привода генераторов или главных двигателей для судов. Одним из способов запуска двигателя является непосредственное приведение в движение выходного вала двигателя с помощью пневмодвигателя (пневмостартер), использующего сжатый воздух. Пневмодвигатель продолжает вращаться до тех пор, пока топливо, поданное в двигатель, не воспламенится и двигатель не сможет увеличивать свою скорость вращения самостоятельно. После этого пневмодвигатель разъединяется с двигателем и останавливается. Метод запуска двигателя с использованием пневмодвигателя раскрывается в Патентном документе 1, как это описывается ниже.
Обычно один пневмодвигатель предусматривается для каждого двигателя, но есть двигатели больших размеров, снабжаемые двумя или более пневмодвигателями. Количество и размеры пневмодвигателей увеличиваются с увеличением размеров двигателя. Мощность (размер) пневмодвигателя определяется крутящим моментом двигателя, необходимым для начала его вращения в режиме остановки, для поддержания или увеличения скорости вращения двигателя, при которой топливо, поданное в двигатель, воспламеняется, и для уменьшения передаточного числа между приводным механизмом (ведущая шестерня), установленным на пневмодвигателе, и ведомым механизмом (коронная шестерня), установленным на приводном вале двигателя. При запуске двигателя с использованием двух или более пневмодвигателей, данные пневмодвигатели работают сообща с начала до конца процесса.
Патентный документ 1: публикация заявки на японский патент всеобщего ознакомления. № Hei. 2-277962
Раскрытие изобретения
Проблемы, решаемые изобретением
Пневмодвигатель продолжает вращаться до тех пор, пока двигатель не сможет увеличивать свою скорость вращения самостоятельно, и продолжает потреблять сжатый воздух во время вращения. Поэтому в случае, когда требуется длительный период времени для воспламенения топлива в двигателе (например, зимой), или в случае, когда двигатель больших размеров снабжается одним, двумя или более пневмодвигателями больших размеров, количество сжатого воздуха, потребляемого пневмодвигателями, увеличивается и возникает необходимость наличия резервуара для воздуха с относительно большим объемом. В ситуации, когда приходится запускать двигатель много раз за короткое время, количество потребления сжатого воздуха также увеличивается, что приводит к необходимости использовать резервуары больших размеров для воздуха и воздушного компрессора.
Таким образом, заявленное изобретение предоставляет способ и устройство для запуска двигателя, которое может уменьшать потребление количества сжатого воздуха и может уменьшать увеличение размеров резервуара сжатого воздуха и размеров воздушного компрессора.
Средство для решения проблемы
Способ запуска двигателя с помощью ряда пневмодвигателей (пневмостартеры), согласно заявленному изобретению, содержит уменьшение числа работающих пневмодвигателей (вращаемых подаваемым сжатым воздухом), прежде чем двигатель начинает увеличивать свою скорость вращения самостоятельно (устанавливая число пневмодвигателей меньше, чем в начале запуска).
Этот способ запуска двигателя направлен на снижение потребления количества сжатого воздуха за счет уменьшения числа работающих пневмодвигателей (изменяя число пневмодвигателей, например, от двух к одному), когда двигатель увеличивает свою скорость вращения при запуске. Хотя крутящий момент на валу привода уменьшается, так как уменьшается количество работающих пневмодвигателей, крутящий момент, необходимый для вращения двигателя при запуске уменьшается с увеличением скорости вращения двигателя и поэтому запуск может завершиться.
В соответствии с этим способом двигателю требуется больше времени для увеличения своей скорости вращения, после того как число работающих пневмодвигателей уменьшается, но при этом количество потребляемого сжатого воздуха может уменьшиться значительно. Количество расхода воздуха уменьшается в значительной степени, что значительно больше показателя уменьшения числа пневмодвигателей (например, количество расхода воздуха может быть уменьшено до 1/3 или меньше за счет уменьшения числа работающих пневмодвигателей наполовину). Это потому, что количество воздуха, потребляемого пневмодвигателем, обычно увеличивается с увеличением числа вращений, но в указанном выше способе число работающих пневмодвигателей уменьшается в момент времени, когда скорость вращения двигателя увеличивается, и число вращений пневмодвигателей становится относительно выше, тем самым уменьшая увеличение показателя скорости вращения двигателя и показателя числа вращений. Чтобы двигатель увеличил самостоятельно свою скорость вращения, используя зажигание топлива, и завершил запуск, требуется, чтобы двигатель увеличил свою скорость вращения до предустановленного значения или выше и вращался предустановленное время или дольше с помощью пневмодвигателей и других моторов. В течение предустановленного времени или дольше скорость вращения двигателя становится относительно ниже за счет уменьшения числа работающих пневмодвигателей, вместо того чтобы поддерживать больше работающих пневмодвигателей для эксплуатации двигателя при высокой скорости. В результате количество потребления сжатого воздуха уменьшается больше, чем показатель уменьшения числа работающих пневмодвигателей.
Предпочтительно вышеуказанный способ может содержать при запуске уменьшение числа работающих пневмодвигателей в момент времени, когда скорость вращения двигателя достигла предустановленной скорости до того, когда двигатель начинает увеличивать свою скорость самостоятельно. Если число пневмодвигателей уменьшается на стадии, когда скорость вращения двигателя еще слишком низкая, крутящего момента, развиваемого пневмодвигателями, недостаточно и запуск двигателя, возможно, будет неудачным. С другой стороны, если число работающих пневмодвигателей уменьшается после того, когда скорость двигателя становится чрезмерно высокой, расход сжатого воздуха не может быть эффективно уменьшен. По этим причинам число работающих при запуске пневмодвигателей благоприятно уменьшать в момент времени, когда скорость двигателя достигает предустановленной собственной скорости вращения двигателя.
Предпочтительно, чтобы вышеуказанный способ мог содержать определение скорости вращения двигателя и определение давления сжатого воздуха, который подается в пневмодвигатели; определять, уменьшать ли число работающих пневмодвигателей или нет, и определять скорость вращения двигателя, при которой число пневмодвигателей уменьшается в соответствии с определенным давлением сжатого воздуха.
Крутящий момент для вращения двигателя уменьшается с уменьшением числа работающих пневмодвигателей. Таким образом, в случае, когда давление сжатого воздуха, подаваемого в пневмодвигатели, критически низкое или, когда число работающих воздушных двигателей уменьшается рано для выбора времени (скорость вращения двигателя еще существенно не увеличилась), крутящий момент, развиваемый пневмодвигателями, является недостаточным и запуск двигателя, возможно, будет неудачным. Такой неудачи можно практически избежать, определив, уменьшать или нет число работающих пневмодвигателей, и определив скорость вращения двигателя, при которой следует уменьшать число пневмодвигателей, в соответствии с описанным выше способом.
Описанный выше способ запуска двигателя может содержать определение скорости вращения двигателя, при которой число пневмодвигателей уменьшается таким образом, что скорость вращения двигателя увеличивается, в то время как определенное давление сжатого воздуха уменьшается, и определить, что число пневмодвигателей не уменьшается, когда определенное давление сжатого воздуха не больше, чем предустановленное значение.
Если давление сжатого воздуха низкое, крутящий момент, развиваемый работающими пневмодвигателями, уменьшенными в числе, маленький (конечно, давление уменьшается, и крутящий момент на выходе уменьшается с потреблением сжатого воздуха), и иногда невозможно увеличить скорость вращения двигателя до величины, требуемой для запуска двигателя. Когда давление сжатого воздуха низкое, желательно уменьшить количество работающих пневмодвигателей в момент времени, когда скорость вращения двигателя значительно возрастает до той скорости вращения, при которой двигатель по существу вращается самостоятельно. Если давление сжатого воздуха очень низкое и не больше некоторого значения (критическое значение), скорость вращения двигателя не может быть сохранена из-за недостаточного крутящего момента даже после того, когда скорость вращения двигателя уже существенно возросла. В этом случае число пневмодвигателей не должно быть уменьшено. Вышеописанный способ рассматривает такие ситуации и может уменьшить вероятность неудачи при запуске двигателя.
Устройство для запуска двигателя в соответствии с заявленным изобретением включает в себя двигатель, ряд пневмодвигателей (пневмостартеры), выполненных с возможностью запуска двигателя; резервуар с воздухом (присоединенный к воздушному компрессору), выполненный с возможностью обеспечения сжатым воздухом пневмодвигателей; содержит двухпозиционные клапаны, обеспечивающие пути, через которые сжатый воздух, поступающий из резервуара, соответствующим образом поступает в пневмодвигатели, и средство управления, выполненное с возможностью выдавать команду на закрытие одному или более двухпозиционным клапанам, с тем чтобы уменьшить количество пневмодвигателей, которые снабжаются сжатым воздухом, до того когда двигатель при запуске начнет увеличивать свою скорость вращения самостоятельно. Пример такого пускового устройства показан на Фиг.1.
Данное устройство для запуска может осуществлять вышеупомянутый способ запуска двигателя. При запуске двигателя средство управления выдает команду на закрытие одному или нескольким из двухпозиционных клапанов уменьшить количество работающих пневмодвигателей.
Предпочтительно, когда средство управления может быть выполнено с возможностью выдачи команды на закрытие одному или более из двухпозиционных клапанов в момент времени, когда скорость вращения двигателя уже достигла предустановленной скорости до того, когда при запуске двигатель начинает увеличивать свою скорость самостоятельно. Поэтому, уменьшая число работающих пневмодвигателей в момент времени, когда скорость вращения двигателя достигла предустановленной скорости, можно избежать ситуации, при которой крутящий момент, развиваемый пневмодвигателем, является недостаточным, или ситуации, при которой снижение количества сжатого воздуха незначительно.
Предпочтительно устройство для запуска может дополнительно содержать детектор скорости вращения двигателя (детектор скорости) и детектор давления сжатого воздуха (детектор давления), которые присоединены к средству управления, и средство управления может быть выполнено с возможностью a) определения значения скорости вращения двигателя, при которой команда на закрытие выдается одному или более двухпозиционным клапанам, в соответствии с давлением воздуха, определенным детектором, и б) выдачи команды на закрытие одному или более двухпозиционным клапанам, когда скорость вращения двигателя, определенная детектором, достигла установленного значения (то есть имея вычислительный и командный блоки, которые способны на выполнение такой задачи).
В соответствии с этим устройством скорость вращения двигателя, при которой количество работающих пневмодвигателей уменьшается, может определяться в соответствии с определенным давлением сжатого воздуха, как это описано выше. В результате неудача при запуске двигателя, которая могла бы вызываться недостаточным крутящим моментом пневмодвигателей, может быть предотвращена.
Предпочтительно критическое значение давления воздуха может быть установлено средством управления; и средство управления может быть выполнено с возможностью не выдавать команду на закрытие двухпозиционным клапанам, независимо от скорости вращения двигателя, если давление воздуха, определенное детектором, не больше критического значения (то есть имея вычислительный и командный блоки для выполнения этой задачи)
Пусковое устройство включает в себя такое средство управления, которое может уменьшить вероятность неудачи при запуске двигателя в случаях, когда крутящий момент может стать недостаточным, если число работающих пневмодвигателей уменьшается даже после того, когда скорость вращения двигателя существенно увеличивается.
В частности, устройство, содержащее ряд пневмодвигателей, включая в себя три или более пневмодвигателей, имеющих равную мощность, или пневмодвигатели с различными мощностями, имеет преимущество.
Такое устройство дает возможность соответствующим образом выбрать и уменьшить число работающих пневмодвигателей или соответственно выбрать мощность работающих пневмодвигателей. В результате количество потребления сжатого воздуха может быть уменьшено в достаточной мере и двигатель может быть запущен с высокой надежностью, с точным соотношением определенному давлению сжатого воздуха.
В частности, устройство пуска, в котором двигатель - газовый двигатель, имеет большое преимущество.
Газовый двигатель обычно имеет свойство медленного зажигания. При запуске необходимо вращать двигатель с относительно низкой скоростью в течение относительно длительного времени (около десяти секунд) с помощью пневмодвигателей и т.д., пока не произойдет самовоспламенения и двигатель начнет увеличивать свою скорость самостоятельно. Таким образом, за счет уменьшения числа работающих пневмодвигателей, чтобы сделать скорость вращения двигателя относительно ниже, в устройстве изобретения потребление количества сжатого воздуха может быть значительно уменьшено по сравнению со случаем, когда двигатель вращается на высокой скорости с помощью многих работающих пневмодвигателей.
Преимущество изобретения
В соответствии со способом и устройством для запуска двигателя в данном изобретении потребление количества сжатого воздуха может быть значительно снижено. Поэтому резервуар воздуха и воздушный компрессор можно сделать компактными, и объемы и затраты на них могут быть снижены. При использовании резервуара воздуха подобного размера двигатель может быть запущен несколько раз в течение некоторого времени.
Определяя скорость вращения двигателя и давление сжатого воздуха, подаваемого в пневмодвигатели, и уменьшая (или нет) число работающих пневмодвигателей в необходимый момент времени в соответствии с определенным давлением сжатого воздуха, шанс неудачи при запуске двигателя уменьшается.
Устройство запуска, содержащее ряд пневмодвигателей, включающих в себя три или более пневмодвигателей, имеющих равную мощность, или пневмодвигателей, имеющих разные мощности, может провести точный и желательный запуск.
В случае использования газового двигателя во время запуска двигателя расход сжатого воздуха может быть уменьшен более эффективно.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вариант осуществления данного изобретения, схематически показывающий устройство запуска двигателя.
Фиг.2(а) и 2(d) - схематические изображения, показывающие, как воздух стартеров 2 и 3 в стартовом устройстве работает (двухпозиционные клапаны 4 и 5 открыты и закрыты).
Фиг.3 - блок-схема, показывающая изменение скорости вращения двигателя и изменение в суммарном количестве расходуемого воздуха, которое происходит с течением времени, при запуске двигателя.
Фиг.4 - график, показывающий соотношение между числом оборотов пневмостартеров 2 и 3 и выходным крутящим моментом и т.д., которые имеют место при запуске двигателя.
Описание ссылочных позиций
1 - газовый двигатель
2, 3 - пневмостартер (пневмодвигатель)
4, 5 - двухпозиционный клапан
9 - резервуар сжатого воздуха
10 - детектор скорости
11 - контроллер
12 - детектор давления
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Наиболее полно устройство запуска двигателя, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, схематически показано на Фиг.1. На Фиг.1 показан газовый двигатель 1 большого размера, выполненный с возможностью запуска от двух пневмостартеров (пневмодвигатели) 2 и 3.
Первый пневмостартер 2 и второй пневмостартер 3 для запуска газового двигателя 1 выполнены с возможностью выдвигаться и поворачивать шестерни 6, находящиеся на их верхних концах, снабжаемые к тому же сжатым воздухом под давлением "А" бар или меньше. Каждый из пневмостартеров 2 и 3 имеет корпус, установленный на суппорт (не показан), и выполнен с возможностью выдвигать шестерню 6 влево на Фиг.1 до зацепления с коронной шестерней 7, установленной на маховике, присоединенном к коленчатому валу (не показан) двигателя 1. Как средство, подающее сжатый воздух, резервуар сжатого воздуха 9, соединенный с воздушным компрессором 13, подсоединяется к пневмостартерам 2 и 3. Как показано на Фиг.1, воздушный фильтр 8, первый двухпозиционный клапан 4 и второй двухпозиционный клапан 5 соединяются между резервуаром сжатого воздуха 9 и пневмостартерами 2 и 3. Первый двухпозиционный клапан 4 и второй двухпозиционный клапан 5 выполнены с возможностью по отдельности открывать и закрывать воздушные пути, ведущие к пневмостартерам 2 и 3 соответственно.
Первый двухпозиционный клапан 4 и второй двухпозиционный клапан 5 открываются и закрываются дистанционно контроллером (средство управления) 11. Более точно, контроллер 11 подает командные сигналы (электрические сигналы или управляемые воздушные сигналы) на открытие или закрытие соответствующих двухпозиционных клапанов 4 и 5, и исполнительное устройство (не показано) на блоке двигателя открывает и закрывает двухпозиционные клапаны 4 и 5 по отдельности в ответ на командные сигналы. Детектор скорости 10 вращения двигателя находится по близости от коронной шестерни 7, и детектор давления 12 присоединяется к резервуару 9 сжатого воздуха. Сигнальные выходящие провода детектора скорости 10 и детектора давления 12 соединены с контроллером 11.
В устройстве запуска по Фиг.1 используется способ запуска, в котором два пневмостартера 2 и 3 вращают газовый двигатель 1 на начальном этапе запуска и один из работающих пневмостартеров 2 и 3 останавливается в момент времени, когда скорость вращения двигателя увеличивается до определенного значения до того, когда двигатель начинает вращаться самостоятельно. В частности, контроллер 11, соединенный с детектором скорости 10 двигателя, и детектор 12 давления работают для определения момента времени (скорости вращения двигателя 1), при котором один из пневмостартеров 2 и 3 останавливается, в соответствии с давлением сжатого воздуха. В дальнейшем в данном документе такое действие устройства пуска на Фиг.1 будет подробно описано.
1) Во время режима остановки двигателя двухпозиционные клапана 4 и 5 "закрыты".
Точнее, как показано на Фиг.2 (а), контроллер 11 указывает первому двухпозиционному клапану 4 и второму двухпозиционному клапану 5 "закрыться", и, следовательно, сжатый воздух не подается к пневмостартерам 2 и 3. Это состояние соответствует периоду, представленному как <1> на Фиг.3.
2) Когда двигатель 1 запускается, контроллер 11 указывает двухпозиционным клапанам 4 и 5 "открываться" и сжатый воздух подается в пневмостартеры 2 и 3. Максимальный крутящий момент, развиваемый пневмостартерами 2 и 3, увеличивает скорость вращения двигателя 1 в режиме остановки. Точнее, как показано на Фиг.2 (б), контроллер 11 указывает первому двухпозиционному клапану 4 и второму двухпозиционному клапану 5 открыться, чтобы снабжать сжатым воздухом пневмостартеры 2 и 3, таким образом позволяя шестерням 6 и коронной шестерне 7 войти в зацепление и начать совместное вращение.
3) Когда скорость вращения двигателя 1 увеличивается, а крутящий момент, необходимый для пневмостартеров 2 и 3, меньше крутящего момента в начале пуска, потребление сжатого воздуха увеличивается c увеличением числа вращений.
Состояние 2) и 3) соответствует периоду, представленному как <2> на Фиг.3.
- Когда двигатель 1 достигает установленной скорости вращения двигателя (момент времени переключения), контроллер 11 указывает одному из двухпозиционных клапанов 4 и 5 "закрыться", чтобы остановить один из пневмостартеров 2 и 3, и поддерживает другой двухпозиционный клапан в состоянии "открыто" для работы другого пневмостартера. После этого переключения количество воздуха, потребляемого пневмостартерами 2 и 3, значительно уменьшается. Когда определяется, что двигатель 1 достиг установленной скорости вращения двигателя, основанной на сигнале с детектора скорости 10 двигателя, контроллер 11 указывает, к примеру, первому двухпозиционному клапану 4 "закрыться", как показано на Фиг.2(c). Вслед за этим первая шестерня 6 пневмостартера 2 выходит из зацепления с коронной шестерней 7, и только второй пневмостартер 3 вращает двигатель 1. В результате требуется больше времени для двигателя 1, чтобы увеличить свою скорость вращения, но потребление количества сжатого воздуха значительно уменьшается. Это состояние соответствует периоду, представленному как <3> на Фиг.3.
Когда давление в резервуаре 9 сжатого воздуха является низким, контроллер 11 автоматически изменяет установленную скорость вращения двигателя так, чтобы позволить двигателю 1 непременно увеличить скорость вращения двигателя до величины, при которой происходит возгорание, используя только один пневмостартер. Если давление ниже, контроллер 11 указывает двухпозиционным клапанам 4 и 5 не быть "закрытыми", чтобы поддерживать два пневмостартера 2 и 3 работающими таким образом, чтобы двигатель 1 мог начать непременно вращение (см. Фиг.4, будет описано подробнее позже).
5) Когда двигатель 1 запускается, увеличивая свою скорость вращения двигателя самостоятельно, контроллер заставляет оставшийся двухпозиционный клапан 5 закрыться, чтобы прекратить работу пневмостартеров 2 и 3 для запуска двигателя 1. Когда определяется, что двигатель 1 достиг некоторой установленной скорости вращения, основанной на сигнале с детектора 10 скорости, в состоянии, в котором топливо впрыскивается внутрь и воспламеняется в двигателе 1, и посредством этого двигатель 1, запускаясь, увеличивает свою скорость вращения самостоятельно, контролер 11 заставляет двухпозиционный клапан 5 соответствующего второго пневмостартера "закрыться", как показано на Фиг.2(d), и выводит шестерню 6 из зацепления с коронной шестерней 7. Таким образом, запуск заканчивается. Этот процесс соответствует периоду, представленному как <4> на Фиг.3.
A
B
6) Когда давление в резервуаре 9 сжатого воздуха низкое, крутящий момент, развиваемый для запуска двигателя пневмостартерами 2 и 3, уменьшается. Следовательно, чтобы предотвратить снижение скорости вращения двигателя в положении, когда работает только один из пневмостартеров, после установки времени переключения, контроллер 11 показывает давление сжатого воздуха в резервуаре и автоматически изменяет момент переключения (скорость двигателя) так, что двигатель 1 может увеличить свою скорость, используя только один пневмостартер. На Фиг.4 показаны моменты переключения времени. Когда давление в резервуаре 9 сжатого воздуха "А" бар, число пневмостартеров 2 и 3, находящихся в работе, переключается с двух до одного при "N" об/мин, в то время как давление в резервуаре 9 сжатого воздуха "В" бар, число пневмостартеров 2 и 3, находящихся в работе, переключается с двух до одного при "N" об/мин.
7) Когда низкое давление установлено в резервуаре сжатого воздуха (условие, при котором двигатель 1 не может увеличить свою скорость вращения до значения, при котором происходит зажигание, давление воздуха достигает критического значения или меньше), контроллер 11 автоматически ограничивает переключение пневмостартеров, чтобы препятствовать остановке пневмостартеров 2 и 3. В примере, показанном на Фиг.4, когда давление в резервуаре 9 сжатого воздуха "С" бар, число пневмостартеров 2 и 3, находящихся в работе, не уменьшается, это связано с тем, что крутящий момент, развиваемый одним пневмостартером, по существу равен крутящему моменту (кратко обозначено ломаной линией), требующемуся для начала запуска двигателя 1, и не может запустить двигатель до скорости вращения двигателя, когда имеет место зажигание. В этом случае, хотя количество двигателей, находящихся в работе, не уменьшается, первый двухпозиционный клапан 4 и второй двухпозиционный клапан 5 оба "закрыты".
Промышленная применимость
Способ и устройство для запуска двигателя по данному изобретению полезны для двигателей, которым необходимо снижение потребления количества сжатого воздуха.