Спосіб та пристрій запуску двигуна внутрішнього згоряння

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для запуска двигателя внутреннего сгорания, преимущественно дизелей, при низких температурах окружающей среды. Выбранным в качестве прототипа является способ запуска двигателя внутреннего сгорания путем использования кинетической энергии специальных вращающи хся масс, сущность которого заключается в том, что предназначенная для запуска двигателя механическая энергия предварительно сообщается специальному устройству - маховику путем его раскрутки с помощью маломощного стартера или вручную [1]. Для запуска двигателя с помощью специальной муфты соединяют вал маховика с коленчатым валом двигателя. После запуска двигателя отсоединяют валы друг от друга, например, с помощью обгонной муфты и маховик получает возможность свободного выбега. Общими существенными признаками известного способа и заявляемого являются предварительное аккумулирование механической энергии в маховике и затем передача ее на коленчатый вал двигателя. При осуществлении способа-прототипа при низких температурах окружающей среды требуется предварительный прогрев двигателя, например, путем заливки в систему охлаждения горячей воды. Это обусловлено тем, что при низких температурах ухудшаются условия воспламенения топлива и увеличиваются потери на трение из-за возрастания вязкости масла. Все это приводит к снижению надежности и увеличению времени запуска двигателя. Известно устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит маховик, соединенный управляемой муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройство для раскрутки маховика, состоящее и электрической машины и аккумуляторной батареи, и обгонные муфты, обеспечивающие отключение устройства разгона маховика по достижении им пусковой готовности и размыкание цепи маховик - коленчатый вал при запуске двигателя [2]. Общими существенными признаками известного устройства и заявляемого технического решения являются наличие маховика, соединенного управляемой муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройства для раскрутки маховика и обгонной муфты. Известное устройство обеспечивает только создание крутящего момента на коленчатом валу запускаемого двигателя. Однако, как известно, при низких температурах окружающей среды, из-за поступления в цилиндры двигателя холодного воздуха, ухудшаются условия воспламенения топливовоздушной смеси. Это приводит: вопервых, к снижению надежности запуска двигателя, а во-вторых, к увеличению времени запуска. Невозможность обеспечить воспламенение топливовоздушной смеси при запуске двигателя является существенным недостатком известного устройства-прототипа. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа запуска двигателя внутреннего сгорания, в котором путем повышения температуры и давления воздуха в цилиндре двигателя обеспечивается сокращение периода задержки воспламенения топлива и увеличение коэффициента наполнения цилиндров в процессе запуска и за счет этого повышается надежность и экологичность запуска двигателя при низких температурах, а также сокращается время запуска. Поставленная задача решается тем, что в способе запуска двигателя, включающем предварительное аккумулирование механической энергии в маховике и затем передачу ее на коленчатый вал двигателя, согласно изобретению, одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике производят подогрев пусковой порции воздуха, для чего обеспечивают принудительное его движение в замкнутом контуре, а его подачу в двигатель осуществляют при повышенном давлении одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал. В основу изобретения поставлена также задача усовершенствования устройства запуска двигателя внутреннего сгорания, в котором, путем введения новых конструктивных элементов и связей с маховиком и двигателем, обеспечивается повышение температуры и давления пусковой порции воздуха и за счет этого повышается надежность и экологичность запуска двигателя, а также сокращается время запуска при низких температурах. Поставленная задача решается тем, что устройство запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащее маховик, соединенный управляемой муфтой с коленчатым валом запускаемого двигателя, устройство для раскрутки маховика и обгонную муфту, согласно изобретению, снабжено рециркуляционным подогревателем воздуха, включающим напорный агрегат и ресивер, при этом приводной вал напорного агрегата связан с маховиком, а его выходной патрубок соединен с ресивером, на выходном патрубке которого установлен двухпозиционный пневмораспределитель, к которому подсоединены заборный трубопровод двигателя и входной патрубок напорного агрегата подогревателя. Кроме этого, двухпозиционный пневмораспределитель и управляемая муфта связаны между собой, например, кинематически. Наличие в предлагаемом устройстве рециркуляционного подогревателя воздуха и указанная выше конструктивная связь его элементов с маховиком и двигателем позволяют одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике производить подогрев пусковой порции воздуха и осуществлять его подачу в двигатель при повышенном давлении одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал, т.е. реализовать предлагаемый способ. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемые изобретения связаны между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел (единство изобретения). Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что, во-первых, одновременно с аккумулированием механической энергии в маховике (раскруткой маховика) производят подогрев воздуха для дви гателя, во-вторых, подачу этого воздуха осуществляют в цилиндры двигателя при повышенном давлении и, втретьих, эту подачу осуществляют одновременно с передачей механической энергии маховика на коленчатый вал двигателя. Подача подогретого воздуха при повышенном давлении в цилиндры двигателя одновременно с раскруткой его коленчатого вала с помощью маховика благоприятствуе т процессам смесеобразования, связанным с нагреванием и испарением топлива, а также диффузией его паров. Повышение давления поступающего в двигатель воздуха создает благоприятные условия для протекания процесса наполнения цилиндров двигателя, так как уменьшаются относительные потери давления при поступлении воздуха в цилиндр, уменьшается коэффициент остаточных газов и увеличивается коэффициент наполнения цилиндров. Вследствие этого сокращается период задержки воспламенения топлива и создаются более благоприятные условия для самого процесса сгорания топливовоздушной смеси, что приводит к повышению надежности и экологичности запуска двигателя. Таким образом, напорная подача подогретого воздуха одновременно с раскруткой коленвала уменьшает время запуска двигателя. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство имеет следующие отличительные существенные признаки: 1) наличие рециркуляционного подогревателя воздуха, включающего напорный агрегат и ресивер; 2) связь вала напорного агрегата с маховиком и соединение его выходного патрубка с ресивером; 3) установка на выходном патрубке ресивера двухпозиционного пневмораспределителя, соединяющего ресивер с заборным трубопроводом двигателя или входным патрубком напорного агрегата; 4) связь (кинематическая) управляемой муфты и двухпозицинного пневмораспределителя между собой. Первые три из указанных признаков являются достаточными во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, а последний характеризует изобретение в конкретной форме его выполнения. Наличие в устройстве запуска рециркуляционного подогревателя и связь приводного вала его напорного агрегата с маховиком позволяет повысить температуру и давление пусковой порции воздуха одновременно с раскруткой маховика. Установка на выходном патрубке ресивера двухпозиционного пневмораспределителя обеспечивает подачу подогретого воздуха при повышенном давлении в цилиндры двигателя при передаче крутящего момента от маховика на коленчатый вал двигателя. Подача воздуха при повышенных температуре и давлении в цилиндры двигателя, как указывалось выше, приводит к улучшению условий для образования топливовоздушной смеси и ее воспламенения, что повышает надежность запуска. Следует отметить, что подача воздуха повышенного давления в цилиндры обеспечивается практически до полного использования запаса энергии в маховике, оставшегося после его отключения от коленчатого вала. Это приводит к увеличению коэффициента наполнения цилиндров и улучшению рабочего процесса двигателя в начальный после запуска период времени, что также повышает надежность и улучшает экологичность запуска. Наличие связи между двухпозиционным пневмораспределителем и управляемой муфтой упрощает операцию одновременной подачи подогретого воздуха в цилиндры и передачи механической энергии маховика на коленчатый вал двигателя. На чертеже (фиг.) приведена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство запуска ДВС содержит маховик 1 и устройство 2 для его раскрутки, соединенные между собой через обгонную муфту 3. В качестве устройства 2 для раскрутки маховика 1 может быть использован маломощный стартер. Ма ховик 1 через обгонную муфту 4, управляемую муфту 5, механическую передачу из шестерен 6 и 7 и маховик 8 ДВС соединен с коленчатым валом 9, на котором установлен шатун 10 с поршнем 11, размещенным в цилиндре 12 двигателя внутреннего сгорания. Устройство для запуска ДВС снабжено рециркуляционным подогревателем воздуха, включающим напорный агрегат (компрессор) 13 и ресивер 14. Приводной вал 15 компрессора 13 через механическую передачу из шестерен 16 и 17 соединен с валом маховика 1. Выходной патрубок 18 компрессора 13 соединен с ресивером 14. На выходном патрубке 19 ресивера 14 установлен двухпозиционный пневмораспределитель 20, к которому подсоединены входной патрубок 21 компрессора 13 и через трубопровод 22 и форсунку 23 заборный (всасывающий) трубопровод 24 ДВС. Управляемая муфта 5 имеет рычаг переключения 25, а двухпозиционный пневмораспределитель - рычаг переключения 26. Управляемая муфта 5 и двухпозиционный пневмораспределитель 20 связаны между собой кинематической связью 27. Двухпозиционный пневмораспределитель содержит клапанный узел, выполненный в виде штока 28 с установленными на нем двумя золотниками 29 и 30, расположенными напротив выходных отверстий канала 31, который связан с выходным патрубком 19 ресивера 14, и золотником 32, обеспечивающим в совокупности с седлом 33 клапана соединение входного патрубка 21 компрессора с дренажным патрубком 34 пневмораспределителя 20 при пусковом положении рычага 26. Способ запуска ДВС осуществляется следующим образом. От стороннего источника энергии пониженной мощности, например стартера, или вручную производят раскрутку маховика до оборотов, соответствующи х пусковым при данной температуре окружающей среды. Одновременно с раскруткой маховика с помощью подсоединенного к нему компрессора осуществляют принудительное движение пусковой порции воздуха по замкнутому контуру при повышенном давлении. Из-за разного рода потерь, связанных с торможением воздуха при его движении, он нагревается. Когда обороты маховика достигают необходимой величины, его с помощью муфты соединяют с коленчатым валом ДВС и одновременно подают нагретый воздух в цилиндры двигателя, для чего соединяют замкнутый контур, по которому двигался воздух, с заборным трубопроводом двигателя, сообщая при этом входной патрубок компрессора с атмосферой. После запуска двигателя маховик отсоединяют от коленчатого вала, а оставшуюся энергию маховика используют для вращения приводного вала компрессора, что обеспечивает в течение некоторого времени после запуска наддув цилиндров при повышенном давлении, что увеличивает полноту сгорания топлива. Способ реализуется предложенным устройством запуска ДВС, которые работают следующим образом. При отключенной управляемой муфте 5 и смещении штока 28 клапанного узла двухпозиционного пневмораспределителя 20 в крайне левое положение (как изображено на рисунке) включают привод 2, который через обгонную муфту 3 раскручивает маховик 1. Одновременно крутящий момент от устройства 2 через механическую передачу из шестерен 16 и 17 передается на приводной вал 15 компрессора 13. Давление воздуха на выходе из компрессора 13 повышается и осуществляется напорное движение воздуха по замкнутому газодинамическому тракту "вы ходной патрубок 18 компрессора 13 - ресивер 14 - выходной патрубок 19 ресивера 14 - канал 31 двухпозиционного пневмораспределителя 20 входной патрубок 21 компрессора 13". В процессе движения воздуха разного рода потери, связанные с его торможением, становятся источником тепла, воздух подогревается. При достижении маховиком 1 пусковых оборотов и соответствующем разогреве воздуха в ресивере. 14 привод 2 отключают и обгонная муфта 3 размыкает кинематическую цепь "привод 2 маховик 1". Для осуществления запуска ДВС рычагами 25 и 26 осуществляют одновременное включение муфты 5 и переключение двухпозиционного пневмораспределителя 20 (рычагом 26) в пусковое положение. При переключении пневмораспределителя 20 шток 28 перемещается в крайнее правое положение, золотник 29 перекрывает выход из канала 31, а золотник 30, наоборот, открывает выход из канала 31, и тем самым открывает проход для воздуха из ресивера 14 в трубопровод 22, связанный с заборным трубопроводом 24 ДВС. При этом входной патрубок 21 компрессора 13 сообщается с атмосферой через открытый клапан 32, 33 и дренажный патрубок 34. При включении муфты 5 замыкается кинематическая цепь "маховик 1 - обгонная муфта 4 управляемая муфта 5 - механическая передача из шестерен 6 и 7 - маховик 8 ДВС - коленчатый вал 9" и происходит раскрутка коленчатого вала 9 за счет использования предварительно накопленной в маховике 1 энергии. Одновременно из ресивера 14 через выходной патрубок 19, канал 31, трубопровод 22 и форсунку 23 подогретый воздух повышенного давления поступает во всасывающий (заборный) трубопровод 24 и далее в цилиндр 12 ДВС. При достижении коленчатым валом пусковых оборотов происходит запуск ДВС. После запуска двигателя обгонная муфта 4 размыкает кинематическую цепь "маховик 1 - коленчатый вал 9" и вся оставшаяся в маховике 1 энергия передается через механическую передачу из шестерен 16 и 17 на приводной вал 15 компрессора 13, что обеспечивает в течение некоторого времени после запуска наддув цилиндров ДВС при повышенном давлении, что увеличивает полноту сгорания топлива.