РОТАЦИОННАЯ ГИБРИДНАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ ПУСКА ДВС ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Основные запасы сибирской нефти и газа расположены на территориях Среднего и Нижнего Приобъя, которые отличается суровым климатом с длинной зимой, когда температура окружающей среды нередко опускается ниже отметки в -40 0С с ветрами до 20-25 м/с. Кроме того, там очень часто происходят резкие изменения температуры, и она в течение суток может колебаться на 20-25 0С. Эти обстоятельства создают не только сложности для рабочего персонала, но и чрезвычайно затрудняют эксплуатацию всего используемого вне отапливаемых помещений оборудования, в том числе и автотранспортной техники,  без которой невозможно не только работа на месторождениях, но и поддержание жизнедеятельности в целом. Нередки случаи, когда при сильных морозах наблюдаются перебои в снабжении населения продуктами питания.

В этих условиях достаточно хорошо освоены способы первичного запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей в начале рабочего дня, когда транспортное средство находится на территории эксплуатирующего его подразделения. Это и хранение в «теплом» гараже, и прогрев моторного отсека паром, и использование различных типов подогревателей рабочих жидкостей и воздуха на впуске в ДВС [1]. В то же время при вынужденном простое автомобиля в рейсе или во время его эксплуатации на необорудованных площадках, в сильные морозы водители вынуждены оставлять автомобиль на длительное время с работающим двигателем, чтобы иметь гарантированную возможность продолжить выполнения производственного задания. Это приводит к существенным дополнительным затратам на топливо, ухудшению экологической обстановки и к снижению полезно отработанного моторесурса ДВС.

Аналогичная ситуация складывается и с личным транспортом жителей северных территорий. Если около дома еще можно воспользоваться электрическим подогревателем охлаждающей жидкости и масла (с ненулевой вероятностью пожара в машине), то отъехав от своей квартиры, владелец автомобиля эту возможность теряет. Применение системы автоматического запуска ДВС при снижении его температуры на заданную величину или через заданный промежуток времени приводит к большому расходу топлива, и не гарантирует на 100% пуск ДВС. В зависимости от программы, заложенной в управляющий процессор, если несколько раз подряд (обычно – три) совершенных системой попыток включить ДВС оказались неудачными, система останавливает работу, чтобы не разрядить полностью аккумулятор. Либо она продолжает попытки  пуска и «садит» аккумулятор. Применение бензиновых подогревателей не дешево и пожароопасно. В связи с проблемами запуска ДВС при низких температурах (ниже -200С) автодиллеры России стали отказываться принимать претензии автовладельцев, купивших у них автомобиль.

Одним из основных параметров, влияющих на успех при запуске ДВС любого типа, является наличие в рабочей смеси нужного количества паров топлива [2]. Именно для этого при запуске в «холодный» двигатель подают повышенное количество топлива, чтобы в цилиндре оказалось достаточная масса легких фракций, которые могут испаряться и при относительно невысокой температуре. В России и странах СНГ с этой целью применяются специальные пусковые жидкости на основе эфиров (например, жидкости «Арктика», «Холод Д-40» и др.[3]) с температурой самовоспламенения около 200 0С. Но, чтобы достичь и этой температуры в такте сжатия при морозе около -40 0С и ниже, когда стартер не может вращать коленчатый вал ДВС даже с минимальной для пуска частотой (порядка 50-70 мин-1 – бензиновые, и 100-200 мин-1 - дизельные ДВС [4]), этого зачастую недостаточно.

Авторами [5] предложен способ, в котором во время запуска ДВС часть рабочей смеси, подаваемой в цилиндры в такте впуска, например, через пусковую форсунку, создается за счет работы ротационной гибридной машины объемного действия (РГМОД), которая одновременно сжимает и подает к пусковой форсунке нагретый в результате повышения температуры при сжатии воздух и распыленное топливо, часть которого тут же испаряется в струе горячего воздуха (фиг. 1).

Принцип работы всей системы впрыска не отличается от обычной. Топливо подается по топливной магистрали к форсункам 10, которые управляются от бортового компьютера в соответствии с результатами измерений датчиков (на рисунке показан только датчик температуры 13). Отличие представленной схемы состоит в том, что во время работы стартера включается электрический двигатель РГЭМОД 5, который приводит в действие насос-компрессор. Последний забирает из магистрали 15 топливо в насосную полость, повышает его давление и впрыскивает в компрессорную полость, где топливо смешивается с воздухом. Топливовоздушная смесь сжимается, ее давление и температура возрастают, после чего она через форсунку 16 впрыскивается в трубопровод 4.

Аналогичная схема может быть применена и в карбюраторных ДВС, и в дизельных двигателях. Ниже, на фиг. 2 показана конструктивная схема РГМОД

Данная машина представляет собой гибрид компрессора и насоса с единым катящимся ротором и единым цилиндром, разделенным пластинами 7 и 9 с образованием компрессорной (3, 12) и насосной (9) полостями. Пластины поджаты пружинами 5 и «отслеживают» орбитальное движение ротора 2 с наружной обоймой 14, при котором происходит всасывание и сжатие воздуха и топлива. После выхода из машины оба потока смешиваются и направляются в форсунку, из которой производится впрыск горячей смеси во впускной трубопровод 4 и далее – в цилиндр ДВС.

На первой стадии, для эффективного решения задачи по разработке и исследованию РГЭМОД, была разработана и реализована математическая модель рабочих процессов РГЭМОД (в разработанной математической модели не учитывались особенности работы всей схемы в системе пуска ДВС) [6].

Система основных уравнении математической модели рабочих процессов компрессорной секции базируется на основных уравнениях сохранения массы и энергии: уравнении первого закона термодинамики для тела переменной массы, уравнение сохранения массы, уравнение динамики запорного органа самодействующего клапана в одномассовой постановке, уравнение состояния идеального газа.

Система основных уравнений математической модели насосной секции включает уравнение сохранения массы, уравнение сохранения энергии в виде уравнения Бернулли для процессов всасывания и нагнетания, уравнение динамики запорных элементов самодействующих клапанов насосной секции.

Исследования работы РГЭМОД, проведенные с помощью математических моделей, позволили сделать следующие выводы:

1.      Экономичность машины в режиме работы компрессора заметно выше (на 5-10 %), чем у поршневого компрессора за счет интенсификации отвода теплоты от компримируемого газа путем охлаждения поверхностей рабочей камеры при прокачке жидкости, играющей роль охлаждающей среды.

2.      При работе в режиме насоса данная конструкция существенно уступает ротационно-пластинчатым насосам по КПД (на 8-10 %) в связи с потерями в клапанах, проходные сечения которых не могут быть очень большими из-за особенности конструкции.

3.      При работе в режиме насос-компрессора при обычных давлениях нагнетания воздуха порядка 6-8 бар и повышенных давлениях жидкости (около 10-12 бар и более) наблюдается значительное количество жидкости (до 5 % по массе), проникающей в камеру компрессора через неплотности между поверхностями разделительной пластины и стенками камеры сжатия. Это обстоятельство требует в данном режиме работы установки на нагнетательной линии компрессора эффективных фильтров-маслоотделителей. Однако одновременно при этом происходит улучшение работы компрессора с точки зрения интенсификации отвода теплоты сжатия и обеспечения высокого КПД протекающих в нем процессов.

4.      Массогабаритные    характеристики     предложенной     конструкции      насос-компрессора     примерно соответствуют аналогичному по производительности поршневому компрессору.

 

 

Список литературы

1.      Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. – М.: ЗАО КЖИ «За рулем», 2001. – 384 с.

2.      Болштянский А.П., Зензин Ю.А., Щерба В.Е. Основы конструкции автомобиля. – М.: «Легион-Автодата», 2005. – 312 с.

3.      Лазарев А.А. Совершенствование электростартерной системы пуска двигателей внутреннего сгорания.Автореф. канд. дисс. – Иваново: Ивановский гос. энерг. ун-т, 2009. – 20 с.

4.      Патент РФ № 2 295 057. Способ пуска двигателя внутреннего сгорания при низких температурах и устройство для его осуществления/ Болштянский А.П., Щерба В.Е., Зензин Ю.А., Павлюченко Е.А.//Омский. гос. тех. ун-т. Заявка № 2005121783, Заявл. 11.07.2005. Опубл. 10.03.2007. Бюл. № 7.

5.      Щерба В.Е., Болштянский А.П., Лысенко Е.А. и др. Электрооборудование транспортных машин. - Омск: ОмГТУ, 2011. – 172 с.

6.      Щерба В.Е., Павлюченко Е.А., Болштянский А.П., Лысенко Е.А., Кужбанов А.К.. Математическая модель рабочих процессов ротационного насос-компрессора для малых станций технического обслуживания // Омский научный вестник. Серия «Приборы, машины и технологии». №2 (100), 2011. – С. 118-121.