СПОСОБ РАБОТЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ В ПУСКОВОЙ И ПОСЛЕПУСКОВОЙ ПЕРИОДЫ
DIESEL ENGINE OPERATION AT STARTING AND POST-STARTING

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно двигателестроению, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания.
Эксплуатация машин с дизельными двигателями в зимний период на территории Российской Федерации представляет большую проблему, которая заключается, прежде всего, в том, что холодный пуск двигателя затруднен, а в ряде случаев становится невозможен. Кроме того, работа двигателя в послепусковой период характеризуется большой неполнотой сгорания топлива, интенсивным износом деталей цилиндро-поршневой группы, существенным увеличением вредных выбросов в атмосферу и, как следствие, большим расходом топлива. В настоящее время существующая проблема решается путем организации круглосуточной работы машин, хранения машин в межсменный период в отапливаемых помещениях, хранения на открытых площадках с использованием энергии от других источников, применения автономных подогревателей и накопителей энергии, а также применения пусковых жидкостей.
Вышеперечисленные способы обеспечения готовности двигателя к пуску и последующей работе имеют ряд существенных недостатков:
- большие затраты энергии на поддержание оптимального теплового режима, при котором гарантируется надежный пуск двигателя;
- большие капитальные вложения;
- значительные потери времени на подготовку машины к пуску;
- повышенный расход топлива;
- загрязнение окружающей среды вредными выбросами в период пуска и послепускового прогрева.
Очевидно, что предпочтение нужно отдавать тем способам, которые требуют минимальных затрат энергии на предпусковую подготовку и способствуют качественному процессу сгорания топлива в период пуска и послепускового прогрева.
Известно, что современные двигатели имеют мощную пусковую систему, а в системах смазки применяются высококачественные масла с высокими показателями индекса вязкости, в результате чего обеспечивается прокрутка коленчатого вала двигателей при пуске с необходимой частотой в широком диапазоне температур окружающей среды. Следовательно, надежность пуска в данном случае будет определяться только температурой воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия и температурой топлива на выходе из сопел форсунки. Очевидно, что затраты энергии в данном случае по сравнению с другими вариантами тепловой подготовки к пуску могут быть минимальными.
В период холодного пуска дизеля топливо подается форсункой в камеру сгорания в виде топливных струй (фиг.1), которые плохо распыливаются. При этом большая часть неиспарившегося топлива достигает холодных стенок цилиндра и не участвует в сгорании, смывая масло с поверхности цилиндра, попадает в поддон двигателя, что способствует интенсификации износов деталей двигателя. Другая часть холодного топлива (мелкораспыленного), подаваемого в камеру сгорания форсункой, нагревается, испаряется и перегревается за счет теплоты слоев воздушного заряда, прилегающих к топливному факелу. В результате происходит значительное снижение температуры воздуха по оси топливных факелов (по ряду данных до 150…200°C) (Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / Г.Д. Чернышев и др., - М.:Машиностроение, 1986). Это объясняется скоротечностью процесса тепломассообмена и недостаточной турбулизацией воздушного потока. В итоге двигатель не запускается, а если и запускается, то при прогреве будет работать с перерасходом топлива и выбросом в атмосферу большого количества вредных веществ. Наличие значительного перепада температур по оси топливных факелов требует повышения на эту величину температуры конца такта сжатия. Эту температуру можно увеличить за счет увеличения степени сжатия или с помощью подогрева воздуха. Если в первом случае возможности практически исчерпаны, то во втором случае требуется мощный подогреватель воздуха, который сложно обеспечить энергией от бортовых источников питания.
Исследования, выполненные авторами, показали, что если топливо, находящееся в форсунке, перед его подачей в камеру сгорания подвергнуть нагреванию, то сохраняется та часть энергии воздушного заряда, которая затрачивалась ранее на нагрев и испарение топлива, выходящего из сопел форсунки. Активность топливных факелов в данном случае возрастает (фиг.2) и температура воздуха в камере сгорания снижается менее значительно, чем без подогрева топлива, особенно на границах раздела топливных факелов и воздуха в камере сгорания в начальный период подачи топлива. Следовательно, требуемая температура воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия, при которой обеспечивается надежный пуск, может быть значительно ниже. Ниже будут и затраты энергии, которая необходима для предварительного подогрева воздуха в период предпусковой подготовки.
Топливо, находясь в виде мелкодисперсных частиц, смешивается с воздухом и образует по всему объему камеры сгорания гомогенную рабочую смесь, которая будет более подготовлена к началу окислительного процесса. В данном случае энергия воздушного заряда тратится только на перегрев паров топлива до температуры, при которой начинается процесс окисления.
Предварительный подогрев топлива в форсунке создает возможность одновременно увеличить общее теплосодержание топливовоздушной смеси в конце такта сжатия, повысить дисперсность топливных факелов и уменьшить период задержки самовоспламенения.
Таким образом, изменяя энергообеспеченность воздушного заряда и активность топливных факелов в зависимости от температуры окружающего воздуха и теплового состояния двигателя можно влиять на пусковые качества дизельного двигателя и полноту сгорания топлива в период послепускового прогрева.
Известен способ запуска двигателя с использованием свечей накаливания (Двигатели внутреннего сгорания. Низкотемпературный пуск дизелей. Обзор НИИИнформтяжмаш. 4 - 77-30. Москва. 1977, стр.34). В соответствии с рассматриваемым способом воздух, подаваемый в цилиндры двигателя при пуске, нагревают электрическими спиралями накаливания, которые питаются от аккумуляторных батарей.
Недостатком указанного способа является то, что спирали накаливания потребляют значительное количество энергии аккумуляторных батарей, при этом обеспечивается нагрев небольшого объема воздушного заряда, что не позволяет обеспечить надежный запуск двигателя. Кроме того, отсутствие подогрева топлива в период пуска и послепускового прогрева не позволяет обеспечить качественное смесеобразование при низких температурах окружающего воздуха.
Известен также способ запуска двигателя внутреннего сгорания путем подогрева воздуха на впуске с помощью пламенного подогревателя (патент 2162160 RU, МПК F02N 17/00, опубл. 20.01.2001). Сущность изобретения заключается в том, что коленчатый вал двигателя прокручивают от постороннего источника энергии, впускной воздух нагревают в пламенном подогревателе и подают в цилиндры двигателя, а топливо начинают подавать с началом прокручивания коленчатого вала. Впускной воздух дополнительно подогревают электрическим подогревателем. Электрический подогреватель включают до начала прокручивания коленчатого вала и осуществляют прогрев воздуха во впускном тракте двигателя при неподвижном коленчатом вале. Период времени от включения электрического подогревателя до начала прокручивания коленчатого вала составляет 1-5 мин.
При прокручивании коленчатого вала холодное топливо с помощью форсунки впрыскивается в нагретый воздушный заряд, разогревается и испаряется, улучшая тем самым пусковые качества двигателя.
Как и в предыдущем случае, отсутствие контроля температуры рабочей смеси в конце такта сжатия, а также отсутствие подогрева топлива в период пуска и послепускового прогрева не позволяют оптимизировать процесс смесеобразования в зависимости от температуры окружающего воздуха и теплового состояния двигателя.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является способ улучшения пусковых качеств дизельного двигателя путем подогрева топлива, подаваемого форсункой в камеру сгорания (А.С. SU №1268785, F02N 17/02, F02M 53/06). Перед запуском двигателя в условиях отрицательных температур окружающего воздуха включают электрический подогреватель, установленный на корпусе распылителя форсунки. Дизельное топливо, находящееся в топливном канале распылителя, нагревается до температуры 180…200°C. При прокручивании коленчатого вала от пускового устройства нагретое топливо впрыскивается в камеру сгорания, испаряется и воспламеняется, обеспечивая пуск двигателя. Данное устройство включается в работу перед пуском и выключается сразу после пуска двигателя.
Недостатком указанного технического решения является то, что перед пуском подогревается лишь небольшой объем топлива, позволяющий улучшить пуск двигателя при низких температурах окружающего воздуха. В процессе послепускового прогрева подогрев топлива не осуществляется, что ведет к ухудшению экономичности, увеличению затрат времени на прогрев, и ухудшению экологических показателей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является значительное сокращение времени и затрат энергии на подготовку дизельного двигателя к пуску в широком диапазоне температур окружающего воздуха, снижение расхода топлива, износов цилиндро-поршневой группы и выбросов вредных веществ в атмосферу в период его послепускового прогрева.
Указанная задача в предлагаемом способе решается тем, что надежность пуска дизельного двигателя и последующая его работа в режиме послепускового прогрева обеспечивается путем поддержания соответствующего уровня энергетического потенциала рабочей смеси в камере сгорания. Для этого по измеренным значениям температуры окружающего воздуха и температуры охлаждающей жидкости определяют время работы нагревателя воздуха в предпусковой период, время работы нагревателя воздуха корректируют по температуре рабочей смеси в камере сгорания в конце такта сжатия; топливо в форсунке в предпусковой период подогревают до максимально возможной величины, а после пуска двигателя величину подогрева топлива снижают до оптимального значения, требуемый тепловой режим форсунки обеспечивают с помощью встроенного в форсунку термодатчика, нагревателя и блока управления и поддерживают на заданном уровне в течение всего послепускового периода с учетом теплового состояния двигателя и температуры окружающей среды.
На фиг.1 и фиг.2 показан процесс впрыска соответственно холодного и подогретого дизельного топлива в камеру сгорания, на фиг.3 принципиальная схема устройства, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ.
Условно работу устройства можно разбить на три режима: «предпусковая подготовка», «послепусковой прогрев» и «работа». Первый режим активирует оператор, а переход на последующие режимы происходит автоматически с помощью блока управления и сигналов с соответствующих датчиков.
Считаем, что двигатель «горячий», когда температура охлаждающей жидкости 80°C и более, «теплый» от 80°C до 40°C и «холодный» - менее 40°C.
Перед пуском «холодного» двигателя включают режим «предпусковая подготовка». Блок управления опрашивает датчики и включает подогрев топлива в форсунке. Температура топлива в топливном канале форсунки перед пуском достигает 180-200°C (обеспечивается режим термофорсирования). По ряду исследований температура топлива выше 200-230°C может привести к зависанию иглы распылителя.
Одновременно с подогревом топлива осуществляют подогрев воздуха на впуске. Количество электрической энергии, которую необходимо затратить на нагрев воздуха для обеспечения надежного пуска в заданном диапазоне температур, зависит от температуры окружающего воздуха и температуры охлаждающей жидкости в двигателе. Поскольку напряжение бортовой сети известно, величина тока определяется конструктивными особенностями нагревательного элемента, местом установки, объемом камеры сгорания и для конкретной марки двигателя является величиной постоянной, то необходимое количество электрической энергии для предпусковой подготовки будет определяться в основном временем работы нагревателя. Следовательно, продолжительность работы нагревателя воздуха в предпусковой период зависит от температуры окружающего воздуха и температуры охлаждающей жидкости в двигателе и отсчитывается блоком управления по заложенному в него алгоритму. По истечению заданного времени блоком управления на реле стартера подается управляющий сигнал. Включается стартер и начинает вращаться коленчатый вал двигателя с пусковой частотой.
С целью экономии электрической энергии и исключения потерь теплоты в окружающую среду поверхность впускного коллектора покрывают теплоизоляционным материалом.
Датчик температуры рабочей смеси постоянно отслеживает ее текущую температуру. Если максимальная температура рабочей смеси в камере сгорания в конце такта сжатия меньше порогового значения, то интенсивность нагрева воздуха увеличивают.
Пороговое значение температуры смеси в камере сгорания, при которой обеспечивается надежный пуск, определяют экспериментальным путем для каждой марки двигателя отдельно и заносят в память блока управления.
Пуск двигателя считают состоявшимся, если частота вращения коленчатого вала двигателя превышает пусковую частоту и с угловым ускорением возрастает до установившегося значения. Систему пуска автоматически отключают блоком управления на участке разгона при заданном угловом ускорении коленчатого вала. Если пуск двигателя состоялся, то двигатель автоматически переходит на режим послепускового прогрева.
В режиме послепускового прогрева отключают подогреватель воздуха и снижают интенсивность подогрева топлива в форсунке до рабочего значения. По данным авторов и других источников температура топлива (рабочая температура) в форсунке двигателя, работающего на номинальной нагрузке и оптимальном тепловом режиме, находится в пределах 95-110°C
В период послепускового прогрева повышается температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя от температуры окружающей среды до оптимального значения, что вызывает соответствующее повышение температуры топлива в топливном канале форсунки. Температура топлива в форсунке контролируется датчиком. Если температура топлива становится выше указанных пределов, то интенсивность подогрева топлива снижают. При достижении температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя 80°C и более подогреватель топлива отключается. Двигатель переходит в режим «работа».
При остановке двигателя (частота вращения равна нулю) нагреватели воздуха и топлива независимо от температуры окружающей среды, температуры топлива, температуры охлаждающей жидкости отключают.
Повторный пуск возможен без автоматической активации режима «предпусковая подготовка», если двигатель «горячий» или «теплый» и с помощью активации, если двигатель «холодный».
Устройство для осуществления предлагаемого способа работы дизельного двигателя в пусковой и послепусковой период включает в себя: камеру сгорания 1 дизельного двигателя 2, подогреватель воздуха во впускном коллекторе 3, блок управления 4, датчик температуры окружающего воздуха 5, датчик температуры топлива в топливном канале форсунки 6, датчик температуры рабочей смеси в камере сгорания 7, датчик температуры охлаждающей жидкости в двигателе 8, датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя 9, подогреватель топлива в форсунке 10, реле электростартера 11. Датчики температуры окружающего воздуха 5, температуры топлива в топливном канале форсунки (распылителя) 6, температуры рабочей смеси в топливном канале 7 и температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя 8 могут быть резистивными, полупроводниковыми или генераторными (термопара). Особые требования предъявляются к датчикам температуры топлива в форсунке и температуры рабочей смеси в камере сгорания. Датчики температуры топлива в форсунке и рабочей смеси в камере сгорания должны быть компактными (малогабаритными), надежными и малоинерционными.
Подогреватель воздуха может быть открытого типа (в виде спирали) или закрытого (ТЭН). Подогреватель также может быть выполнен в виде пленки, которую наносят на внутреннюю поверхность всасывающего коллектора и теплоизолируют от его корпуса.
Датчик температуры рабочей смеси размещается непосредственно в камере сгорания (огневая поверхность головки цилиндра или вихревая камера).
Устройство работает следующим образом.
По величине сигнала с датчика 8 определяется тепловое состояние двигателя. Если двигатель «холодный», то блок управления 4 подает напряжение на нагреватель топлива в форсунке 10 и на нагреватель воздуха 3. Нагреватель воздуха может устанавливаться как во впускном коллекторе, так и непосредственно в камере сгорания 1 двигателя 2 или одновременно и в коллекторе и в камере сгорания.
В период «предпусковой подготовки» топливо в форсунке нагревается до 180-200°C и поддерживается на данном уровне до завершения пуска двигателя. Нагревательный элемент желательно расположить непосредственно в корпусе распылителя или топливном канале форсунки. Он может быть выполнен, например, в виде трубчатого элемента, который теплоизолирован от корпуса распылителя или форсунки с целью исключения потерь теплоты, или иметь какую либо другую конструкцию.
Сигналы с датчика температуры окружающего воздуха 5 и датчика температуры охлаждающей жидкости двигателя 8 поступают в блок управления 4 и обрабатываются. Блоком управления 4 подается питание на нагревательный элемент воздуха 3 и запускается таймер, который по истечении определенного времени подает управляющий сигнал на реле стартера 11. Двигатель запускается. По измеренному значению ускорения коленчатого вала стартер отключается. Двигатель переходит в режим послепускового прогрева. По величине сигнала с датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя 9 блок управления 4 отключает нагреватель воздуха 3 и снижает температуру нагрева топлива в форсунке до нормальных значений (95-110°C). Частота вращения коленчатого вала должна быть больше или равна частоте холостого хода.
В период послепускового прогрева температура топлива в форсунке поддерживается на оптимальном уровне (95-110°C) с помощь датчика температуры топлива 6, блока управления 4 и подогревателя топлива 10.
При «горячем» или «теплом» пуске включается только подогреватель топлива, который подогревает топливо в форсунке до оптимального уровня (95-110°C) и поддерживает эту температуру в послепусковой период прогрева.
При достижении температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя 80°C и более все нагреватели отключаются, и двигатель переходит в режим «работа».