Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Система содержит контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий последовательно установленные первый, второй и третий теплоаккумуляторы, теплообменник отработавших газов, соединенный с выхлопной трубой двигателя, насос, теплообменник, размещенный в поддоне картера, причем теплоаккумуляторы выполнены теплоемкостного типа с различными температурой теплоносителя и тепловыми потенциалами, кроме того третий теплоаккумулятор имеет теплообменник с теплоаккумулирующим материалом - водой под давлением, каждый из теплоаккумуляторов установлен с возможностью поочередного включения его в контур циркуляции жидкого теплоносителя при помощи распределителей, при этом второй и третий теплоаккумуляторы соединены между собой при помощи потока. Изобретение обеспечивает скорость прогрева двигателя и надежный пуск мобильных машин в условиях низких отрицательных температур и после длительной стоянки. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и, в частности, к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания со средствами для предпусковой тепловой подготовки охлаждающей жидкости и масла, а также аккумулирования тепла из отработавших газов, и может быть использовано при эксплуатации мобильных машин в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха.

Среди основных проблем эффективной эксплуатации мобильных машин особое место занимает задача предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в суровых климатических условиях. Такой прогрев связан со значительными расходами энергии, дефицит которой очевиден. Особенно в условиях автономного функционирования мобильных машин в районе Крайнего Севера вдали от баз механизации, где отсутствуют постоянные источники тепловой, электрической энергии и теплые помещения.

Одним из решений проблемы предпусковой тепловой подготовки является оснащение мобильной техники системами утилизации тепла. Это позволяет радикальным путем разрешить противоречие между потребностью в дополнительной тепловой энергии, необходимой для предпусковой тепловой подготовки двигателя машин к работе и ее нерациональным рассеиванием в окружающее пространство при работе.

Известна система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания, эксплуатирующаяся в холодное время года при низких температурах окружающей среды (пат. 3300946, Германия, F 02 N 17/06, 1984). Эта система содержит тепловой аккумулятор (ТА) и насос, связанные трубопроводом с системой охлаждения двигателя. Перед окончанием рабочей смены машины включается насос и жидкость системы охлаждения, циркулируя по замкнутому контуру через ТА, отдает ему тепло. Перед началом работы охлаждающая жидкость прокачивается насосом через ТА, забирая тепло и перенося его в двигатель. В этом патенте рассматриваются следующие модификации построения ТА: а) теплоемкостного типа; б) на фазовых переходах. Также рассматривается возможность слива охлаждающей жидкости в ТА.

Известно устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания (а.с. 1175215 РФ, F 02 N 17/06, 1986), содержащее замкнутый контур циркуляции с водяной рубашкой охлаждения и радиатором, подключенные к этому контуру теплоизолирующий резервуар и перекачивающий агрегат. С целью сокращения времени на запуск, замкнутый контур циркуляции снабжен сливным баком, подключенным между радиатором и рубашкой, и водо-водяным теплообменником, подключенным к водяной рубашке, перекачивающий агрегат выполнен пневматическим, а теплоизолирующий резервуар выполнен с верхним и нижним бачками и установлен над водяной рубашкой двигателя, причем верхний бачок резервуара соединен со сливным баком, а нижний бачок заполнен жидкостью, и в ней размещен водо-водяной теплообменник. Недостатком данного изобретения является необходимость применения пневмосистемы.

Общим недостатком указанных устройств является то, что аккумулирование тепла в ТА предусматривается путем отбора тепла из охлаждающей жидкости двигателя, что в условиях низких окружающих температур неэффективно. Также устройства не обеспечивают надежного пуска прогреваемого двигателя.

Известно устройство для прогрева силовой установки транспортного средства (а.с. 1002654 РФ, F 02 N 17/04, 1983). Рассматриваемое устройство позволяет повысить эффективность прогрева силовой установки и обеспечивает экономию топлива. Устройство содержит ТА, водо-воздушный и водо-масляный теплообменники, вентилятор и блок автоматического регулирования, причем водо-воздушный и водо-масляный теплообменники подключены к системе циркуляции охлаждающей жидкости, водо-масляный теплообменник размещен в картере силовой установки, вентилятор кинематически связан с приводом водяного циркуляционного насоса, а ТА, водо-воздушный теплообменник и вентилятор соединены между собой и образуют промежуточный контур циркуляции воздуха. ТА подключен к системе выпуска отработавших газов и выполнен в виде емкости, заполненной теплопоглощающим материалом, и в последнем расположены каналы для нагреваемого воздуха и отработавших газов.

Недостатком указанного устройства является то, что при стоянке транспортного средства для использования тепла в ТА требуется вспомогательный электрический привод и не обеспечивает надежного пуска прогреваемого двигателя.

Наиболее близким является устройство (пат. 2059049 РФ, Е 02 F 9/20, 9/22; F 02 N 17/06, 1996) для прогрева силовой установки, которое имеет двигатель с системой охлаждения, контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий ТА из нескольких одинаковых секций, теплообменный аппарат, связанный с выхлопной трубой двигателя, насос, а также теплообменника в гидробаке гидросистемы и в поддоне картера. Секции ТА могут поочередно подключаться к контуру циркуляции жидкого теплоносителя. На входе ТА установлен многопозиционный кран с отводами в каждую секцию. В напорной линии насоса установлен трехходовой распределитель.

Недостатком устройств является малая скорость прогрева силовой установки и недостаточный прогрев двигателя после длительной стоянки мобильной техники и при очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха.

Для эффективной работы мобильной машины в зимний период нормативное требование - запустить машину и вывести ее на рабочий режим за время не более 45 мин при температуре воздуха -60^oС, при температуре -40^oС не более чем за 30 мин с наименьшими затратами внешней энергии, обеспечив надежный пуск двигателя.

Территории севера занимают огромные площади с разнообразными природно-климатическими условиями. Это предопределяет большое разнообразие реальных ситуаций (температура воздуха, грунты, схемы работы), которые характеризуют условия работы и нагружения приводов мобильной техники. Возникает естественная потребность разделения прогрева ДВС на этапы, применимые в зависимости от климатической зоны.

Одной из основных проблем, решаемых при конструировании теплоаккумулирующих средств, систем предпусковой тепловой подготовки мобильных машин, являются задачи повышения темпа прогрева и достижения их высокой удельной энергоемкости, что позволяет обеспечить накапливание в условиях малого объема большой тепловой энергии, требуемой для подогрева, в первую очередь ДВС.

Поставленные задачи решаются за счет достижения технического результата, который заключается в повышении скорости прогрева ДВС и обеспечении надежного пуска ДВС мобильных машин в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха и после длительной стоянки.

Указанный технический результат достигается тем, что система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания содержит контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий последовательно установленные первый, второй и третий теплоаккумуляторы, теплообменник отработавших газов, соединенный с выхлопной трубой двигателя, насос, связанный с системой охлаждения двигателя. Указанные теплоаккумуляторы представляют собой ТА теплоемкостного типа с разной температурой теплоносителя и разными тепловыми потенциалами и установлены с возможностью поочередного включения всех ТА в контур циркуляции жидкого теплоносителя при помощи распределителей. Третий ТА включает теплообменник с теплоаккумулирующим материалом - водой под давлением, а третий и второй ТА соединены между собой при помощи делителя потока. Кроме того, система дополнительно снабжена подогревателем, всасывающий трубопровод имеет ответвление к подогревателю, а входной трубопровод подведен к нему через двухпозиционный распределитель. Выхлопная труба двигателя может быть переоборудована в теплообменник отработавших газов.

Наличие трех ТА, два из которых соединены с делителем потока, обеспечивает поддержание входной температуры теплоносителя при прогреве ДВС допустимо высокой и постоянной. Это позволяет уменьшить время прогрева ДВС. Дополнительно установленный подогреватель типа ПЖД (подогреватель жидкостный дизельный) обеспечивает более полный прогрев ДВС, а следовательно, и надежный пуск ДВС при длительной стоянке мобильной техники и при очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха.

Вес ТА во многом определяется характеристиками теплопоглощающего материала. Использование вещества с фазовым переходом утяжеляет ТА, а размещенные в нем каналы для пропуска теплоносителей делают его конструкцию ненадежной. Кроме того, вещества с фазовыми переходами имеют низкую теплопроводность, что увеличивает процесс его разрядки, а следовательно, и время прогрева ДВС. Поэтому в качестве теплоаккумулирующего материала предложен материал - вода, обладающая наибольшей удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема системы предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - график изменения температуры теплоносителя t от времени τ на входе в прогреваемый двигатель при прогреве ДВС тремя ТА: 1 - динамика изменения температуры теплоносителя на входе в двигатель, 2 - динамика изменения температуры прогреваемого двигателя.

Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания содержит двигатель 1 с системой охлаждения, теплообменник 2, размещенный в поддоне картера. Выхлопная труба дизельного двигателя переоборудована в теплообменник отработавших газов 3. Первый ТА 4, второй ТА 5 и третий ТА 6 представляют собой теплоаккумуляторы теплоемкостного типа с разными тепловыми потенциалами, а ТА 6 включает теплообменник с теплоаккумулирующим материалом - водой под давлением. Указанные теплоаккумуляторы установлены последовательно с возможностью поочередного включения их в контур циркуляции жидкого теплоносителя.

Первый ТА 4 имеет объем, равный с некоторым запасом объему подрубашечного пространства дизеля и установленным в нем клапаном давления и воздушным фильтром, связанным с атмосферой. ТА 4 всасывающим трубопроводом 7 соединен с насосом 8, работающим от электродвигателя 9. Его напорная линия 10 через трехпозиционный распределитель 11 и линии 12 подключена к теплообменнику 2. Сливные линии 13 и 14 системы охлаждения двигателя присоединены к заливной горловине, установленной на входе в первый ТА 4.

Второй ТА 5 всасывающим трубопроводом 15 соединен с насосом 8 через трехпозиционный распределитель 16. Напорная линия 10 через трехпозиционный распределитель 11 линии 12 подключена к теплообменнику 2, а через двухпозиционный распределитель 17 - с теплообменником отработавших газов 3. Сливные линии 13 и 18 соответственно двигателя 1 и теплообменника отработавших газов 3 соединены линией 14, присоединенной линией 19 к трехпозиционному распределителю 16.

Третий ТА 6 линией 20 присоединен к делителю потока 21. В линию 22 установлен обратный клапан 23, а в линию 24 установлен обратный клапан 25. ТА 6 линией 26 соединен с трехпозиционным распределителем 16. Подогреватель 27 связан всасывающим трубопроводом 28 с насосом 8. Сливная линия 13 соединена с входной линией 29 подогревателя 27 через двухпозиционный распределитель 30.

Система предпусковой тепловой подготовки ДВС работает в следующих режимах: зарядка ТА, хранение тепла и предпусковой прогрев (разрядка). В период зарядки, когда машина работает и через теплообменник отработавших газов 3 выделяется тепловая энергия, включается насос 8 и через линии 31 и 18 прокачивается теплоноситель (антифриз), который нагревается в теплообменнике отработавших газов 3. Далее нагретый теплоноситель по линиям 14 и 19 через распределитель 16 (позиция а) поступает в ТА 6. ТА 5 и ТА 6 включены последовательно друг другу через делитель потока 21. В ТА 5 происходит нагрев антифриза, а в ТА 6 теплоаккумулирующего материала. Когда температура в ТА 5 достигнет 120^oС, что фиксируется датчиком температуры 32, магнит делителя потока 21 (позиция а) обесточивается и нагрев антифриза в ТА 5 прекращается. Его поток, пройдя через ТА 6, направляется на слив (позиция б делителя потока 21) через обратный клапан 23. Когда температура теплоаккумулирующего материала в ТА 6 достигнет 170^oС, что фиксируется датчиком температуры 33, процесс зарядки ТА 6 завершен. После окончания работы машины горячая охлаждающая жидкость из подрубашечного пространства самотеком через распределитель 11 (позиция в) сливается в ТА 4.

При прогреве дизеля задействуются поочередно все входящие в систему предпусковой тепловой подготовки двигателя источники тепла. Первоначально из ТА 4 подрубашечное пространство ДВС 1 заполняется горячим антифризом. Машинист открывает пробку системы охлаждения дизеля, включает цепи питания магнита распределителя 11 (позиция а) и электродвигатель 9 привода насоса 8. ТА 4 опорожняется, процесс прекращается автоматически, согласно показанию датчика уровня 34 (питание электромагнита и насоса 8). Машинист заворачивает пробку системы циркуляции антифриза в подрубашечном пространстве ДВС. При умеренных морозах этой тепловой подготовки достаточно для пуска машины.

На втором этапе тепловой подготовки двигателя следует образовать контур: насос 8, распределитель 11, линия 12, теплообменник 2 картера, линии 13, 14, 19, распределитель 16 (позиция в), линия 35, ТА 5, делитель потока 21, ТА 6. В связи с тем, что охлажденный в ДВС 1 антифриз после перемешивания в объеме ТА 5 может приобрести температуру ниже 110^oС, то для получения при прогреве ДВС 1 максимального температурного напора следует воспользоваться показанием датчика температуры 36 для пропорционального изменения тока питания электромагнита делителя потока 21. В результате часть потока антифриза, прошедшего ТА 5, пойдет прежним путем через обратный клапан 25, а другая - через ТА 6, где станет горячее. Теплая и горячая части потока на выходе из ТА 6 смешиваются и направляются к насосу 8. Чем холоднее охлаждающая жидкость на выходе ТА 5, тем большая часть ее потока проходит через ТА 6, что регулируется величиной тока питания магнита делителя потока 21 согласно показанию датчика температуры 36. Когда возможности ТА 5 и ТА 6 по поддержанию температуры охлаждающей жидкости на выходе из нее исчерпаны, ток питания магнита делителя потока 21 максимален. Весь поток охлаждающей жидкости проходит последовательно через ТА 5 и ТА 6. Температурный напор (разница показаний датчиков 32 и 36) снижается в холод до 10^oС, когда теплоперенос от ТА 5 и ТА 6 к ДВС 1 практически прекратится. Этого нагрева ДВС 1, как правило, будет достаточно для его пуска, но при очень сильных морозах или в условиях продолжительного простоя машин, тепловую подготовку двигателя 1 необходимо продолжить. Для этого рассматривается третий этап. В контур циркуляции следует включить источник первичного тепла - подогреватель 27. При этом, магниты распределителя 16 и делителя потока 21 обесточиваются, а распределители возвращаются в исходное положение. После этого ток питания подается к магниту распределителя 30. Образуется новый контур циркуляции охлаждающей жидкости: насос 8, линия 10, распределитель 11, теплообменник 2 картера, линии 13, 14, 29, распределитель 30, подогреватель 27 и выходная линия 28.

Таким образом, удается повысить скорость прогрева ДВС и обеспечить надежный пуск ДВС мобильных машин в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха и после длительной стоянки.

Формула изобретения

1. Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий последовательно установленные первый, второй и третий теплоаккумуляторы, теплообменник отработавших газов, соединенный с выхлопной трубой двигателя, насос, а также теплообменник, размещенный в поддоне картера, причем указанные теплоаккумуляторы выполнены в виде теплоаккумуляторов теплоемкостного типа с различными температурой теплоносителя и тепловыми потенциалами, кроме того третий теплоаккумулятор имеет теплообменник с теплоаккумулирующим материалом - водой под давлением, каждый из указанных теплоаккумуляторов установлен с возможностью поочередного включения его в контур циркуляции жидкого теплоносителя при помощи распределителей, при этом второй и третий теплоаккумуляторы соединены между собой при помощи делителя потока.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит подогреватель жидкости.

3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что всасывающий трубопровод имеет ответвление к подогревателю, а входной трубопровод подведен к нему через двухпозиционный распределитель.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выхлопная труба двигателя переоборудована в теплообменник отработавших газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2