СПОСОБ ЗАПУСКА ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF STARTING GAS ENGINE

Изобретение относится к газовым двигателям для транспорта, в частности к двигателям тепловозов, использующим в качестве топлива природный газ, и направлено на повышение надежности и ускорение процессов запуска двигателя.
Известен способ запуска газового двигателя с воспламенением от сжатия, при котором для устойчивого воспламенения топлива в камерах сгорания цилиндров, в том числе на пусковых режимах, и снижения вредных выбросов из выхлопной системы, компримированный или сжиженный топливный газ («первый компонент») из одного бака предварительно смешивают с инициатором зажигания («второй компонент») из другого бака для получения находящегося под давлением смешанного топлива, которое затем подают через инжектор в камеры сгорания двигателя (RU, патент №2369754 C2, МПК F02B 43/00, F02M 21/02, 43/04, C10L 3/06, 3/12, 2005 г.).
Недостатком известного способа работы газового двигателя является необходимость предварительного смешивания газового топлива с веществом - инициатором зажигания, неустойчивость процессов воспламенения газа в цилиндрах в случаях отклонения от оптимального соотношения топливного газа и инициатора зажигания в смешанном топливе, подаваемом в камеры сгорания двигателя на пусковых режимах. Транспортирование на тепловозе легковоспламеняющегося вещества - «инициатора зажигания» усложняет конструкцию топливной системы и повышает риски в отношении пожаробезопасности газового двигателя и тепловоза.
Известен способ запуска газового двигателя с форкамерно-факельным зажиганием, при котором топливный газ подают к форкамерам цилиндров по пусковой магистрали, содержащей дроссель, и по рабочей магистрали через обратный клапан и дроссель. К воздушным каналам крышек цилиндров газ подают по коллектору цилиндрового газа, на входе в который установлен редуктор-регулятор, на входе цилиндрового газа в воздушные каналы крышек цилиндров установлены дозаторы, управляемые регулятором частоты вращения двигателя. При запуске двигателя дозаторы устанавливают в положение полного открытия. Этот способ запуска повышает надежность системы подачи газа в форкамеры двигателя (RU, патент №2103539 C1, МПК F02B 19/00, 43/00, F02M 21/02, F02D 19/02, 1995 г.).
Недостатком указанного способа запуска газового двигателя с форкамерами является низкое давление газа перед цилиндрами, что уменьшает поступление газа в цилиндры и тепловыделение в цилиндрах, увеличивает продолжительность запуска.
Известен способ запуска газового двигателя с форкамерно-факельным зажиганием, который заключается в ступенчатой по величине подаче газа в цилиндры двигателя в процессе пуска, для чего используются три электромагнитных клапана с дросселями, которые последовательно включают на подачу газа в цилиндры по достижении коленчатым валом, приводимым стартером двигателя, определенных значений частоты вращения. Дроссели подобраны для пропуска в цилиндры определенного количества газа в каждом из трех интервалов частоты вращения коленчатого вала. Управление электромагнитными клапанами осуществляется электронным устройством по сигналам тахометрического датчика. Экономический эффект изобретения обеспечивается исключением простоев двигателя в эксплуатации по причине отказов пусковой системы (RU, патент №2096652 C1, МПК F02B 43/00, F02N 9/00, F02D 19/02, 1995 г.).
Недостатком способа является усложнение устройства системы газоподачи, а также необходимость экспериментального определения оптимального проходного сечения применяемых дросселей для оптимизации параметров запуска.
Известен способ запуска газового двигателя, рекомендованный для газовых двигателей стационарного и транспортного назначения, принятый за прототип изобретения. Система газоподачи предусматривает подачу газа как через форкамеры, так и непосредственно в цилиндры газового двигателя, искровое воспламенение газа в форкамерах и поджог газовоздушной смеси в цилиндрах факелами из форкамер. Способ отличается тем, что при запуске двигателя в процессе повышения частоты вращения коленвала двигателя до частоты вращения холостого хода газ подают только в форкамеры в количестве, не превышающем 25% от требуемой общей величины цикловой подачи газа. При достижении двигателем устойчивой частоты вращения холостого хода включают подачу газа непосредственно в цилиндры двигателя (RU, патент №2103542 C1, МПК F02B 19/00, 43/00, F02M 21/02, F02D 19/02, F02N 17/00, 1995 г.).
Недостатком такого способа запуска газового двигателя является уменьшение цикловых подач газового топлива через форкамеры на режимах разгона двигателя до 25% величины необходимой цикловой подачи, что влечет за собой увеличение продолжительности запуска.
Техническим результатом изобретения является обеспечение надежности и сокращение продолжительности процессов запуска газового двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что при запуске газового двигателя, использующего в качестве основного топлива природный газ, включающем подачу природного газа в цилиндры и форкамеры цилиндров, искровое воспламенение газа в форкамерах, поступление продуктов горения газа из форкамер в камеры сгорания цилиндров двигателя, в период от начала вращения коленчатого вала стартером до выхода на устойчивую частоту вращения холостого хода в форкамеры цилиндров двигателя и (или) цилиндры газового двигателя подают топливный газ с объемной теплотой сгорания, превышающей объемную теплоту сгорания природного газа в 1,5-2 и более раза, причем топливный газ может подаваться в часть цилиндров многоцилиндрового газового двигателя.
На чертеже показана схема подачи топливного газа для реализации способа запуска газового двигателя.
Газовый двигатель 1, установленный, например, на тепловозе, снабжен электростартером 2, приводящим во вращение коленчатый вал 3 при запуске газового двигателя 1. К камерам сгорания 4 цилиндров газового двигателя 1 по каналам 5 впускных клапанов из коллектора 6 цилиндрового газа через электромагнитный клапан 7 подводится природный газ из емкости 8 или через электромагнитный клапан 9 газ с повышенной теплотой сгорания из емкости 10. К форкамерам 11 коллектором 12 форкамерного газа подведен природный газ через электромагнитный клапан 13 из емкости 8, а через электромагнитный клапан 14 - газ с повышенной теплотой сгорания из емкости 10. Управление запуском двигателя 1 осуществляют с помощью автоматизированного пульта управления 15, который электрически соединен с датчиком тахометра 16, измеряющим частоту вращения коленчатого вала 3 двигателя 1, и электромагнитными клапанами 7, 9, 13 и 14. Запуск двигателя 1 и установку требуемого режима работы двигателя 1 производят перемещением рукоятки управления 17 автоматизированного пульта управления 15.
Предложенный способ запуска газового двигателя, использующего в качестве основного топлива природный газ, осуществляют следующим образом.
При запуске газового двигателя 1, использующего в качестве основного топлива природный газ, включающем подачу природного газа из емкости 8 по коллектору 6 цилиндрового газа камеры сгорания 4 цилиндров, подачу газа в форкамеры 11 цилиндров по коллектору 12 форкамерного газа, искровое воспламенение газа в форкамерах 11 и поступление продуктов горения из форкамер 11 в камеры сгорания 4 цилиндров двигателя, переводят рукоятку управления 17 автоматизированного пульта управления 15 в положение запуска, при этом подаются сигналы:
- на включение электростартера;
- на открытие электромагнитного клапана 14, который соединяет коллектор 12 форкамерного газа с емкостью 10, содержащей топливный газ с объемной теплотой сгорания, превышающей объемную теплоту сгорания природного газа в 1,5-2 и более раза;
- на закрытие электромагнитного клапана 13, который соединяет коллектор 12 форкамерного газа с емкостью 8, содержащей природный газ;
- на открытие электромагнитного клапана 7 для подачи в коллектор 6 природного газа из емкости 8 при закрытии электромагнитного клапана 9, или на открытие электромагнитного клапана 9 для подачи в коллектор 6 из емкости 10 газа с объемной теплотой сгорания, превышающей объемную теплоту сгорания природного газа в 1,5-2 и более раза, при закрытии электромагнитного клапана 7.
Газ из емкости 10 подают в форкамеры 11 под давлением и осуществляют искровое воспламенение поступившего в форкамеры 11 газа. Факелы пламени из форкамер 11 поступают в камеры сгорания 4 цилиндров двигателя и осуществляют воспламенение газовоздушной смеси, давление сгорания в цилиндрах двигателя производит работу по увеличению частоты вращения коленчатого вала 3. Более высокая объемная теплота сгорания газа, подаваемого из емкости 10 в форкамеры 11 и (или) в камеры сгорания 4 цилиндров по сравнению с объемной теплотой сгорания природного газа из емкости 8, обеспечивает значительное повышение давления сгорания в цилиндрах двигателя 1 и, соответственно, ускорение процесса повышения частоты вращения коленчатого вала 3 двигателя 1 до достижения устойчивой частоты вращения холостого хода - до запуска двигателя 1.
При повышении частоты вращения коленчатого вала 3 до уровня устойчивой частоты вращения холостого хода двигателя 1 тахометр 16 передает соответствующий сигнал на автоматизированный пульт управления 15, который в соответствии с алгоритмом управления переводит двигатель на питание природным газом из емкости 8, для чего автоматически открывает электромагнитные клапаны 7 и 13 для подачи природного газа соответственно в коллектор 6 цилиндрового газа и коллектор 12 форкамерного газа и закрывает электромагнитные клапаны 9 и 14, разобщая коллекторы 6 и 12 двигателя 1 с емкостью 10, содержащей топливный газ с повышенной объемной теплотой сгорания, чем обеспечивается экономия этого газа.
3
3
Подача в форкамеры 11 в процессе запуска двигателя топливного газа (например, пропана с объемной теплотой сгорания 84940 кДж/м по ГОСТ 31369-2008), имеющего объемную теплоту сгорания, превышающую более чем в 2 раза объемную теплоту сгорания природного газа (равную 31800 кДж/м по ГОСТ 27577-2000), увеличивает мощность, расходуемую в процессе запуска на повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя, и, соответственно, сокращает продолжительность запуска двигателя и повышает надежность запуска. Вместо газа с повышенной объемной теплотой сгорания для подачи в форкамеры и (или) камеры сгорания цилиндров в процессе запуска двигателя могут использоваться пары горючих жидкостей. При запуске газового двигателя топливный газ с повышенной объемной теплотой сгорания может подаваться в часть цилиндров многоцилиндрового газового двигателя.