Система пневмопуска двигателя
ENGINE PNEUMATIC STARTING SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть применено для запуска дизель-генераторов, на объектах промысловой подготовки природного газа, его подземного хранения, малотоннажного производства сжиженного природного газа (СПГ) и других объектах, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является силовая установка с мощными дизель-генераторами, выполняемыми с турбонаддувом, где в качестве основного средства пуска применяется система пуска сжатым воздухом. Принцип его действия заключается в подаче сжатого воздуха в цилиндры двигателя во время тактов рабочего хода. При пуске двигателя сжатый воздух из баллонов поступает в воздухораспределитель, проходя через кран-редуктор, который ограничивает давление воздуха, регистрируемое манометром. Планшайба воздухораспределителя, имеющая отверстия для прохода воздуха, вращается синхронно с коленчатым валом двигателя и во время тактов рабочего хода направляет воздух в соответствующие цилиндры через пусковые клапаны, которые открываются под действием давления сжатого воздуха, преодолевая усилие пружины. Попадая в цилиндр, воздух давит на поршень и тем самым проворачивает коленчатый вал. Подача сжатого воздуха осуществляется до тех пор, пока не произойдет пуск двигателя. Во время работы двигателя баллоны подкачиваются с помощью компрессора. (http://ustroistvo-avtomobilya.ru/dvigatel/sistemv-podogreva-puska- dvigatelya-i-vy-puska-otrabotavshih-gazov/. а также: Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. Судовые дизели 1988 г., 432 с., С. 224-232).
Нормативной продолжительности выхода на 100%-ю нагрузку можно достичь при обеспечении надежного воспламенения топлива в цилиндре двигателя и максимально полном его сгорании.
Условия воспламенения и сгорания дизельного топлива в цилиндре двигателя с турбонаддувом при пуске хуже, чем при работе прогретого двигателя. Во-первых, при низких температурах хуже условия воспламенения и сгорания топлива. Во-вторых, за счет инерционности турбокомпрессора давление воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, ниже, чем у прогретого двигателя. Поэтому давление и температура воздушного заряда в цилиндре двигателя в конце сжатия в момент впрыска топлива ниже, чем при работе прогретого двигателя. Это приводит к задержке воспламенения топлива и его более медленному и неполному сгоранию, и, как следствие, к затягиванию процессов пуска, разгона коленчатого вала и выхода на 100%-ю нагрузку.
Недостатком упомянутого выше технического решения является низкая эффективность работы системы пуска двигателя, т.к. для того, чтобы выйти на номинальную нагрузку, требуется достаточно много времени.
Задачей заявленного изобретения является создание эффективной системы пневмопуска двигателя.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности работы системы пневмопуска двигателя за счет сокращения времени выхода резервного двигателя на 100%-ю нагрузку.
Технический результат обеспечивается тем, что система пневмопуска двигателя, содержащего снабженные пусковыми клапанами цилиндры, включает в себя воздухораспределитель, снабженный приводным валом, баллон с сжатым воздухом, баллон с сжатым водородом и редуктор, через который приводной вал воздухораспределителя кинематически связан с валом двигателя, внутри корпуса воздухораспределителя расположены первая и вторая планшайбы, а также распределительный элемент, имеющий центральное отверстие для приводного вала воздухораспределителя, причем в первой планшайбе выполнен один вертикальный сквозной канал, при этом первая планшайба расположена сверху распределительного элемента и жестко скреплена с концом приводного вала воздухораспределителя, во второй планшайбе выполнено сквозное центральное отверстие для приводного вала, при этом вторая планшайба закреплена на приводном валу снизу распределительного элемента, который снабжен вертикальными сквозными каналами, каждый из которых соединен с одним из отводящих трубопроводов воздухораспределителя, соединенным через пусковой клапан с одним из цилиндров двигателя, во второй планшайбе выполнены сквозные вертикальные каналы, причем вертикальные сквозные каналы распределительного элемента и вертикальные сквозные каналы второй планшайбы расположены таким образом, что при совмещении этих каналов их оси совпадают, верхняя часть воздухораспределителя соединена с трубопроводом, подводящим сжатый воздух, а нижняя часть воздухораспределителя соединена с трубопроводом, подводящим сжатый водород, и, кроме того, баллон с сжатым воздухом соединен через первый кран-редуктор с трубопроводом, подводящим сжатый воздух в воздухораспределитель, а баллон с сжатым водородом соединен через второй кран-редуктор с трубопроводом, подводящим сжатый водород в воздухораспределитель в начале такта сжатия в цилиндре двигателя.
Сокращение времени выхода резервного двигателя на 100%-ю нагрузку обеспечивается за счет улучшения воспламенения и сгорания топлива путем подачи в цилиндры двигателя водорода.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана система пневмопуска двигателя.
На фиг. 2 показана диаграмма изменения давления в цилиндрах двигателя по углу поворота коленчатого вала двигателя при подаче сжатого воздуха.
На фиг. 3 показана диаграмма изменения давления в цилиндрах двигателя по углу поворота коленчатого вала двигателя при подаче водорода.
На фиг. 1 отображены: двигатель 1 и система его пневмопуска, содержащая такие элементы, как пусковой клапан 2 цилиндра двигателя 1, возвратная пружина 3 пускового клапана 2, корпус воздухораспределителя 4, распределительный элемент 5 воздухораспределителя, первая планшайба 6 воздухораспределителя 4, вторая планшайба 7 воздухораспределителя 4, баллон 8 с сжатым воздухом, первый кран-редуктор 9, баллон 10 с сжатым водородом, второй кран-редуктор 11, редуктор 12, приводной вал 13 воздухораспределителя 4, трубопровод 14, отводящий сжатый водород из баллона 10, трубопровод 15, подводящий сжатый водород в воздухораспределитель 4, трубопровод 16, отводящий сжатый воздух из баллона 8, трубопровод 17, подводящий сжатый воздух в воздухораспределитель 4, первый отводящий трубопровод 18 воздухораспределителя 4 и второй отводящий трубопровод 19 воздухораспределителя 4.
Здесь необходимо отметить то, что количество отводящих трубопроводов, которыми снабжен воздухораспределитель 4, не ограничивается первым 18 и вторым 19 отводящими трубопроводами, как показано на чертеже. Количество отводящих трубопроводов соответствует количеству цилиндров дизельного двигателя, пуск которого осуществляет предложенная система пневмопуска.
Каждый из цилиндров дизельного двигателя 1 снабжен пусковым клапаном 2 с возвратной пружиной 3.
Внутри корпуса воздухораспределителя 4 расположен распределительный элемент 5, имеющий центральное отверстие для приводного вала 13. Распределительный элемент 5 делит корпус воздухораспределителя 4 на верхнюю часть и нижнюю часть.
Также внутри корпуса воздухораспределителя 4 расположены первая планшайба 6 и вторая планшайба 7. Причем первая планшайба 6 расположена сверху распределительного элемента 5 в верхней части корпуса воздухораспределителя 4 и жестко закреплена на конце приводного вала 13. В первой планшайбе 6 выполнен один вертикальный сквозной канал.
Вторая планшайба 7 расположена в нижней части корпуса воздухораспределителя 4. Во второй планшайбе 7 выполнено сквозное центральное отверстие для вала 13, на котором планшайба 7 закреплена.
Распределительный элемент 5 снабжен вертикальными сквозными каналами, каждый из которых соединен с одним из отводящих трубопроводов 18 или 19, соединенным через пусковой клапан 2 с одним из цилиндров двигателя 1.
Во второй планшайбе 7 также выполнены сквозные вертикальные каналы, количество которых равно количеству вертикальных сквозных каналов, выполненных в распределительном элементе 5, т.е. равно количеству цилиндров двигателя 1. Вертикальные сквозные каналы распределительного элемента 5 и вертикальные сквозные каналы второй планшайбы 7 расположены таким образом, что при совмещении этих каналов их оси совпадают.
Верхняя полость воздухораспределителя 4 соединена с трубопроводом 17, подводящим сжатый воздух в воздухораспределитель 4 из баллона 8, а нижняя полость воздухораспределителя 4 соединена с трубопроводом 15, подводящим в воздухораспределитель 4 сжатый водород из баллона 10.
Баллон 8 со сжатым воздухом имеет выход, соединенный с отводящим сжатый воздух трубопроводом 16, который соединен через кран-редуктор 9 с трубопроводом 17, подводящим сжатый воздух в воздухораспределитель 4.
Баллон 10 со сжатым водородом имеет выход, соединенный с отводящим сжатый водород трубопроводом 14, который в свою очередь соединен через кран-редуктор 11 с трубопроводом 15, подводящим сжатый водород в воздухораспределитель 4.
Приводной вал 13 воздухораспределителя 4 кинематически связан через редуктор 12 с валом двигателя 1 и, следовательно, закрепленные на приводном валу 13 первая планшайба 6 и вторая планшайба 7 также кинематически связаны через редуктор 12 с валом двигателя 1.
Редуктор 12 представляет собой механизм, который состоит из зубчатых или червячных передач и служит для передачи вращения от вала двигателя 1 к приводному валу 13 воздухораспределителя 4.
Работа системы пневмопуска двигателя осуществляется следующим образом.
Подача сжатого воздуха в цилиндр двигателя 1 из баллона 8 воздухораспределителем 4 осуществляется при положении поршня двигателя 1 после верхней мертвой точки - ВМТ (фиг. 3).
В начале работы системы пневмопуска двигателя открывают вентиль баллона 8 и сжатый воздух из него под давлением поступает через трубопровод 16, отводящий сжатый воздух в кран-редуктор 9, где его давление снижается.
После крана-редуктора 9 сжатый воздух поступает в верхнюю полость воздухораспределителя 4, откуда поступает в сквозной вертикальный канал первой планшайбы 6 и далее поступает в один из сквозных вертикальных каналов распределительного элемента 5 и в первый отводящий трубопровод 18, из которого сжатый воздух подается в пусковой клапан 2 цилиндра двигателя 1, который находится в пусковом положении.
Сжатый воздух попадает через пусковой клапан 2 в цилиндр двигателя 1, обеспечивая раскрутку коленчатого вала двигателя. В такте расширения попадая в цилиндр, сжатый воздух давит на поршень и тем самым проворачивает коленчатый вал.
Воздухораспределитель 4 предназначен для распределения сжатого воздуха между цилиндрами в соответствии с порядком их работы. Одновременно с коленчатый валом двигателя 1 проворачивается и приводной вал 13 воздухораспределителя 4. При вращении вала двигателя 1 редуктор 12 при помощи кинематической передачи осуществляет вращение вала 13, при этом проворачивается закрепленная на нем первая планшайба 6, которая вращается синхронно с коленчатым валом двигателя 1 и во время тактов рабочего хода направляет сжатый воздух в соответствующие цилиндры двигателя 1. Выполненный в первой планшайбе 6 вертикальный сквозной канал, при повороте последовательно сообщается с каждым из вертикальных сквозных каналов, выполненных в распределительном элементе 5. Пусковые клапаны 2 открываются под действием давления сжатого воздуха, преодолевая усилие возвратной пружины 3, осуществляя подачу сжатого воздуха в цилиндры двигателя 1 в соответствии с порядком их работы.
В начале такта сжатия в цилиндре двигателя 1 (после прохождения нижней мертвой точки - НМТ), для улучшения воспламенения и сгорания топлива в цилиндры двигателя 1 подается водород из баллона 10.
Открывают вентиль баллона 10 и сжатый водород из него поступает через трубопровод 14, отводящий сжатый водород в кран-редуктор 11, где его давление снижается.
После крана-редуктора 11 сжатый водород по трубопроводу 15 поступает в нижнюю полость воздухораспределителя 4, откуда поступает в сквозные вертикальные каналы второй планшайбы 7 и далее поступает через сквозные вертикальные каналы распределительного элемента 5 во все отводящие трубопроводы 18, из которых сжатый водород подается во все пусковые клапаны 2 цилиндров двигателя 1. При достижении двигателем номинальной частоты вращения и выхода на 100%-ю нагрузку подача водорода отключается кран-редуктором 11.
Под действием сжатого воздуха поршень двигателя 1 двигается вниз, приводя во вращение вал двигателя 1. После нескольких оборотов вала двигателя 1 достигается пусковая частота и происходит пуск двигателя 1. Кран-редуктор 9 отключает подачу сжатого воздуха при достижении двигателем 1 пусковой частоты вращения.
На фиг. 2 и фиг. 3 пунктиром показана виртуальная (исходная) диаграмма изменения давления в процессе сжатия-расширения без применения предлагаемой системы пневмопуска.
Применение заявленного изобретения может найти применение на объектах промысловой подготовки природного газа, его подземного хранения, малотоннажного производства СПГ и других объектах, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией, на которых применяются дизельные двигатели (резервные дизельгенераторы), которые должны пуститься, выйти на номинальную нагрузку (100%) и обеспечить выдачу электроэнергии в сеть в течение от 10 секунд (для маломощных) до 80 секунд и более для дизельгенераторов большой мощности.
Заявленное изобретение обеспечивает достижение нормативной продолжительности выхода на 100%-ю нагрузку при обеспечении надежного воспламенения топлива в цилиндре двигателя и максимально полном его сгорании.
Предлагаемое техническое решение за счет улучшения воспламенения и сгорания топлива путем подачи в цилиндры двигателя водорода, (добавка которого даже в малых концентрациях улучшает воспламеняемость и полноту сгорания основного топлива), позволит сократить время выхода дизельгенератора на 100%-ю нагрузку.