УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДПУСКОВОГО ПОДОГРЕВА ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к газовым двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Модель представляет собой устройство, обеспечивающее пуск газового ДВС в условиях низких температур путем нагрева воздуха во впускном коллекторе.
Известен предпусковой подогреватель двигателя - патент RU №104974 [дата подачи заявки 26.08.2010 г., дата опубликования 27.05.2011 г.] МПК F02N 19/04, термос которого имеет встроенный термоэлектрический нагреватель (ТЭН) (12 В) и встроенный температурный датчик масла в ДВС.
Недостатком данного подогревателя является значительная продолжительность времени предпускового разогрева.
Известно устройство для облегчения пуска двигателя внутреннего сгорания - патент RU №114344 [дата подачи заявки 19.04.2011 г., дата опубликования 20.03.2012 г.] МПК F02N 19/00, которое содержит расположенную во впускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания теплоизолированную с внешней стороны многослойным теплоизоляционным покрытием трубу, в которую перпендикулярно направлению потока разогреваемого воздуха введена факельная штифтовая свеча, содержащая электронагревательный элемент, расположенный в предохранительном кожухе, внутренние стенки которого покрыты каталитическим веществом.
Недостатком данного устройства является создание сопротивления поступлению воздуха во впускном коллекторе и сжигание части кислорода впускного воздуха.
Наиболее близким по технической сущности аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является способ запуска двигателя внутреннего сгорания - патент RU №2162160 [дата начала срока действия патента 04.06.1999 г., дата опубликования 20.01.2001 г.] МПК F02N 17/00. Впускной воздух нагревают в пламенном подогревателе и дополнительно электрическим подогревателем, который включают на 1-5 мин до начала прокручивания коленчатого вала. Изобретение обеспечивает сокращение времени запуска двигателя, сохранение ресурса дорогостоящих аккумуляторных батарей, уменьшение износа деталей, узлов и агрегатов.
Недостатком данного прототипа является сжигание части кислорода впускного воздуха пламенным подогревателем и засорение цилиндров продуктами сгорания.
Целью полезной модели является обеспечение пуска газового ДВС в условиях низких температур путем нагрева воздуха, поступающего в двигатель, до температуры самовоспламенения природного газа (ПГ) в цилиндре ДВС в конце такта сжатия.
вк
с
Это достигается установкой ТЭН в дополнительном воздуховоде впускного коллектора для нагрева воздуха в ограниченном пространстве до расчетной температуры Т, обеспечивающей достижение температуры самовоспламенения ПГ в конце такта сжатия Т, и установкой свечей накаливания в цилиндрах ДВС.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для предпускового подогрева газовых двигателей внутреннего сгорания, нагревающее воздух во впускном коллекторе двигателя термоэлектрическим нагревателем, отличающееся тем, что содержит электронный блок управления, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, свечу накаливания в цилиндре двигателя, дополнительный воздуховод впускного коллектора с внутренней заслонкой, управляемой электронным блоком управления, дроссельную заслонку, термоэлектрический нагреватель, управляемый электронным блоком управления.
На фиг.1 показана конструктивная схема предпускового подогревателя, включающая в себя: электронный блок управления (ЭБУ) (1), цилиндр (2), выпускной клапан (3), свечу накаливания (4), впускной клапан (5), газовую форсунку (6), датчик температуры воздуха (7), впускной коллектор (8), ТЭН (9), дополнительный воздуховод впускного коллектора (10), внутреннюю заслонку (11), дроссельную заслонку (12).
вк
вк
Требуемое значение Т, фиксируемое датчиком 7, обеспечивается нагревом воздуха с помощью ТЭН, установленном в дополнительном воздуховоде впускного коллектора, при закрытой дроссельной заслонке. Одновременно в камере сгорания остаточные газы нагреваются свечой накаливания 4. При достижении требуемого значения Т происходит пуск двигателя, ПГ впрыскивается во впускной коллектор, нагретая газовоздушная смесь подается в цилиндр и открывается дроссельная заслонка. При пуске и прогреве двигателя внутренняя заслонка 11 направляет воздух по дополнительному воздуховоду впускного коллектора при включенном ТЭН. Когда двигатель полностью прогрет, спираль накаливания отключается, и внутренняя заслонка, управляемая ЭБУ 1, направляет воздух по основной части впускного коллектора.
с
Для устойчивого воспламенения газовоздушной смеси в цилиндре двигателя ее температура в конце такта сжатия Т должна достичь 650°C (температура самовоспламенения природного газа). Тс определяется по формуле:
где Та - температура свежего заряда в конце такта впуска, n - показатель политропы сжатия, ε - степень сжатия.
гв
2
r
r
где Т- температура газовоздушной смеси в коллекторе, ΔТ - охлаждение поступающей нагретой газовоздушной смеси впускными каналами, клапанами, стенками цилиндра, Т - температура остаточных газов, γ - коэффициент остаточных газов.
гв
Температуру Т, учитывая, что стехиометрическое отношение природного газа и воздуха равно 1÷47, можно рассчитать как:
г
0
вк
где Т - температура впрыскиваемого газа, равная T - температуре окружающей среды, T - температура нагретого воздуха во впускном коллекторе.
1
ΔТ - температура нагрева воздуха в коллекторе с помощью ТЭН.
Подставив выражения 2-4 в формулу 1, можно определить требуемый нагрев воздуха в коллекторе:
общ
Для обеспечения запуска ДВС требуется энергия Q равная:
1
2
3
где Q - энергия, требуемая для подогрева воздуха в коллекторе, Q - энергия, расходуемая свечами накаливания. Q - энергия, расходуемая при прокручивании коленчатого вала ДВС.
где с - удельная теплоемкость воздуха, m - масса воздуха.
2
Энергия Q, расходуемая свечами накаливания, зависит от количества цилиндров в двигателе и определяется как:
1
2
2
где Р - мощность, расходуемая одной свечой накаливания, t - время работы свечей, i - число цилиндров ДВС.
3
Энергия Q, расходуемая при прокручивании коленчатого вала ДВС определяется как энергия, потребляемая стартером:
3
3
где t - время прокрутки коленчатого вала, Р - мощность, затрачиваемая на прокручивание коленчатого вала, определяется:
C
где, М - момент сопротивления вращению коленчатого вала двигателя; f - минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала. В свою очередь момент сопротивления вращению коленчатого вала двигателя определяется как:
с
3
cт
3
М=i*η*M*k, Н/м
3
ст
3
где i - передаточное число в зубчатом зацеплении шестерня стартера - маховик двигателя, η - КПД зубчатого зацепления шестерня стартера - маховик двигателя, М - средний крутящий момент стартера, k - коэффициент сгущения моторного масла при низких температурах.
Подставив выражения 7-9 в формулу 6, определим:
вк
о
r
C
2
3
1
общ
3
-1
Проведенные расчеты для 8-ми цилиндрового газового двигателя размерностью 12,0/12,0 при объеме нагреваемого в коллекторе воздуха V=0,016 м, Т=-30°C, ε=12, γ=0,18, f=250 об*мин, с=0,71 кДж/(кг·К), Т=650°C, t=10 с, t=3 с, показали следующие результаты: ΔТ=150°C, Q=51,21 кВт*с. При данных условиях необходимо наличие на транспортном средстве аккумуляторной батареи с пусковым током не менее 1450 А, и ТЭН мощностью 200 Вт, нагревающий воздух в коллекторе в течение 1-1,5 минут.