Система подогрева городского автобуса

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для подогрева двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и обогрева салона городского автобуса при неработающем ДВС, эксплуатируемого в условиях низких температур окружающей среды. Система подогрева дополнительно оборудована расширительным баком, компенсационный трубопровод которого соединен со всасывающим патрубком водяного насоса ДВС, а дренажный - с водяным радиатором, причем тепловой аккумулятор фазового перехода и радиаторы-отопители салона подключены параллельно водяному радиатору, а перед тепловым аккумулятором фазового перехода установлены теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов с датчиком температуры тосола, имеющим электрическую связь с регулирующим вентилем. Изобретение обеспечивает существенное повышение температуры жидкого теплоносителя, поступающего в тепловой аккумулятор фазового перехода в процессе накопления им теплоты, не понижая при этом температуры воздуха в салоне автобуса. 1 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для подогрева двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и обогрева салона городского автобуса при неработающем ДВС, эксплуатируемого в условиях низких температур окружающей среды.

Известна система подогрева городского автобуса, состоящая из жидкостного подогревателя, работающего за счет сжигания жидкого моторного топлива; автономного электронасоса; жидкостных трубопроводов, соединяющих подогреватель, автономный электронасос, зарубашечное пространство ДВС и радиаторы-отопители в единый циркуляционный контур; запорной арматуры и элетрооборудования, управляющего работой подогревателя. Данная система обеспечивает предпусковой подогрев и автоматическое поддержание теплового состояния ДВС с жидкостным охлаждением, а также обогрев пассажирского салона при неработающем двигателе [1].

Практика эксплуатации таких систем показала, что они обладают невысокой надежностью, обусловленной сложностью их конструкции, и повышенной пожароопасностью вследствие наличия в конструкции подогревателя огневой горелки; кроме того, они ухудшают экологическую обстановку из-за выброса в атмосферу отработавших газов (ОГ) при работе подогревателя.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является система подогрева легкового автомобиля, состоящая из теплового аккумулятора фазового перехода (ТАФП); автономного электронасоса; запорной арматуры; жидкостных трубопроводов, соединяющих ТАФП, автономный электронасос, зарубашечное пространство ДВС и радиатор-отопитель салона [2].

Накопление тепловым аккумулятором фазового перехода тепловой энергии в данной системе осуществляется в процессе движения автомобиля. В этом случае автономный электронасос выключен, а под действием штатного водяного насоса ДВС поток жидкого теплоносителя (тосола) движется по замкнутому контуру: зарубашечное пространство ДВС - ТАФП. В ТАФП жидкий теплоноситель передает часть своей тепловой энергии теплоаккумулирущему материалу (ТАМу), который нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится и далее нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ТАМом и потоком жидкого теплоносителя.

Хранение накопленной теплоты осуществляется в период безгаражной стоянки автомобиля в условиях низких температур. В этом случае ТАМ сохраняется в расплавленном состоянии благодаря наличию в конструкции ТАФП высокоэффективной теплоизоляции.

Разрядка теплового аккумулятора фазового перехода производится путем включения автономного электронасоса. Управляя потоком теплоносителя с помощью запорной арматуры, возможна организация его циркуляции по двум вариантам: зарубашечное пространство ДВС-ТАФП и радиатор-отопитель салона - ТАФП. В первом случае осуществляется подогрев двигателя перед пуском, а во втором - обогрев салона автомобиля при неработающем двигателе. В обоих случаях отдача тепловой энергии потребителю производится за счет выделения ТАМом скрытой теплоты кристаллизации, при этом ТАМ претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое.

В описанной выше системе [2] в качестве ТАМа используется хорошо апробированное вещество - октагидрат гидроксида бария Ba(ОH)₂·8H₂O с температурой плавления Т_пл=78°С и удельной теплотой фазового перехода r=280 кДж/кг.

Недостатками такой системы являются сложность поддержания температуры жидкого теплоносителя в пределах Т_ж=90...100°С для гарантированного накопления тепловым аккумулятором фазового перехода теплоты и понижение в этот период температуры воздуха в салоне.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, сводится к дополнительному использованию тепловой энергии ОГ ДВС, что позволяет существенно повысить температуру жидкого теплоносителя, поступающего в ТАФП в процессе накопления им теплоты, не понижая при этом температуры воздуха в салоне автобуса.

Задача решается благодаря тому, что в системе подогрева городского автобуса перед ТАФП установлены теплообменник-утилизатор тепловой энергии ОГ с датчиком температуры тосола, имеющим электрическую связь с регулирующим вентилем.

На большинстве современных городских автобусов система охлаждения ДВС и система отопления салона конструктивно выполняются в виде единого циркуляционного контура, благодаря чему отопление салона осуществляется за счет тепловой энергии жидкого теплоносителя, нагреваемого в зарубашечном пространстве ДВС. Ввиду того, что на отопление расходуется значительное количество тепловой энергии, температура теплоносителя (охлаждающей жидкости) в системе охлаждения автобуса в реальных условиях зимней эксплуатации значительно ниже того значения, которое рекомендуется заводом-изготовителем. Например, согласно проведенным исследованиям [3] температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения автобуса ЛиАЗ-5256, оборудованного дизелем КамАЗ-7408, при температуре окружающего воздуха Т_окр=-15...0°С составляла Т_ж=45...58°С, а в соответствии с [1] рабочая температура жидкости в системе охлаждения должна быть равна Т_раб=80...98°С.

Таким образом, при утилизации и аккумулировании тепловой энергии только охлаждающей жидкости ДВС городского автобуса использование в качестве ТАМа хорошо апробированного вещества Ва(ОН)₂·8Н₂O, имеющего стабильные и достаточно высокие термодинамические параметры, не представляется возможным, поскольку температура теплоносителя в процессе эксплуатации автобуса значительно ниже температуры плавления вышеуказанного ТАМа. Применение в качестве ТАМов других веществ или композиций веществ с температурой плавления Т_пл<Т=45...58°С нецелесообразно, так как в процессе разрядки такового ТАФП температурный напор ΔТ=Т_пл-Т_ж будет иметь низкие значения.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию “изобретательский уровень”.

Предлагаемая система представлена на чертеже.

Она состоит из ДВС 7, оборудованного штатными клапаном-термостатом 2, водяным радиатором 3 и водяным насосом 4, соединенными между собой трубопроводами 5, 6, 7, газовыпускным трубопроводом 8 и глушителем шума выпуска 9. Трубопровод 7 соединяет нижний патрубок водяного радиатора 3 с водяным насосом 4. Параллельно водяному радиатору 3 через тройник 10 и трехходовой кран 11 подключены два циркуляционных контура - контур отопления салона автобуса и контур подогрева ДВС 1. Первый контур состоит из трубопровода 12 со смонтированным на нем одноходовым краном 13, радиаторов-отопителей салона 14, трубопровода 15 и сливного крана 16, а второй контур - из параллельно расположенных между собой трубопроводов 17 и 18, ТАФП 19 и трубопровода 20 со сливным краном 21, соединяющего ТАФП 19 с трехходовым краном 11. На трубопроводе 17 смонтированы регулирующий вентиль 22, имеющий электрическую связь с датчиком температуры тосола 23, и теплообменник-утилизатор ОГ 24, а на трубопроводе 18 - одноходовой кран 25 и автономный электронасос 26, приводимый от электрических аккумуляторных батарей автобуса. Датчик температуры тосола 23 установлен в жидкостном тракте теплообменника-утилизатора ОГ 24. Расширительный бак 27 с помощью компенсационного трубопровода 28 соединен со всасывающим патрубком водяного насоса 4, а с помощью дренажного трубопровода 29 - с водяным радиатором 3.

Система работает следующим образом.

Для накопления ТАФП 19 теплоты открывается одноходовой кран 13, а одноходовой кран 25 закрывается. Трехходовой кран 11 устанавливается в такое положение, при котором контуры отопления салона и подогрева ДВС 1, а также зарубашечное пространство последнего открыты для движения жидкого теплоносителя. Поток тосола, выходящий из ДВС 1 и поступающий в трубопровод 5 под действием водяного насоса 4, делится на три части. При этом часть потока поступает в штатный клапан-термостат 2, другая часть - в контур отопления салона и третья часть - в контур подогрева ДВС 1. Температура начала открытия штатного клапана-термостата составляет (80±2)°С, полное его открытие достигается при (93±2)°С. Поэтому в зависимости от температуры тосола в трубопроводе 5 поток из клапана-термостата 2 поступает или в водяной радиатор 3, или в трубопровод 6, или одновременно в водяной радиатор 3 и в трубопровод 6. В контуре отопления салона жидкий теплоноситель по трубопроводу 12 проходит через радиаторы-отопители салона 14, отдавая часть тепловой энергии для его отопления. Затем по трубопроводу 15 тосол возвращается в систему охлаждения. В контуре подогрева ДВС 1 жидкий теплоноситель движется через регулирующий вентиль 22 по трубопроводу 17, затем по жидкостному тракту теплообменника-утилизатора ОГ 24, в котором он нагревается. Регулирующий вентиль 22, имеющий электрическую связь с датчиком температуры тосола 23, управляет его расходом таким образом, что температура тосола на входе в ТАФП 19 поддерживается в пределах 90...95°С. Нагревание тосола осуществляется за счет утилизации тепловой энергии ОГ, поступающих из ДВС 1 по газовыпускному трубопроводу 8 в газовый тракт теплообменника-утилизатора ОГ 24. Затем после прохождения глушителя шума выпуска 9 ОГ выбрасываются в атмосферу. Далее поток теплоносителя поступает в ТАФП 19, где отдает часть своей тепловой энергии. При этом ТАМ, находящийся в ТАФП, нагревается в твердой фазе до температуры плавления Т_пл, плавится при этой температуре и далее нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой достигается тепловое равновесие между потоком жидкого теплоносителя и ТАМом. Из ТАФП 19 тосол возвращается в систему охлаждения по трубопроводу 20. После того как ТАФП 19 полностью накопил тепловую энергию, циркуляция жидкого теплоносителя через теплообменник-утилизатор ОГ 14 и ТАФП 19 не прекращается; в этом случае теплообменник-утилизатор ОГ 14 обеспечивает оптимальный тепловой режим ДВС 1 и салона автобуса, нагревая поток жидкого теплоносителя. Таким образом, накопление тепловым аккумулятором фазового перехода 19 тепловой энергии происходит одновременно с отоплением салона автобуса. При этом температура воздуха в салоне автобуса не уменьшается, поскольку в ТАФП 19 происходит утилизация тепловой энергии ОГ.

В процессе хранения тепловой энергии во время безгаражной стоянки автобуса трехходовой кран 11 и одноходовой кран 13 закрываются. При этом ТАМ сохраняется в расплавленном состоянии благодаря наличию в ТАФП 19 высокоэффективной теплоизоляции.

Для подогрева ДВС 1 открывается одноходовой кран 25, а одноходовой кран 13 закрывается. Трехходовой кран 11 устанавливается в такое положение, при котором контур подогрева ДВС 1 открыт для движения жидкого теплоносителя, а контур отопления салона - закрыт. При включении автономного электронасоса 26 тосол поступает в трубопровод 18. Далее поток жидкого теплоносителя проходит через ТАФП 19 и нагревается в нем за счет выделения ТАМом скрытой теплоты кристаллизации. При этом ТАМ претерпевает обратимый фазовый переход, превращаясь из жидкого состояния в твердое. Затем нагретый жидкий теплоноситель по трубопроводу 20 поступает в полость водяного насоса 4 и в зарубашечное пространство ДВС 7, разогревая последний.

Для обогрева салона автобуса при неработающем ДВС 1 открываются одноходовые краны 13, 25. Трехходовой кран 11 устанавливается в такое положение, при котором контуры отопления салона и подогрева ДВС 1 открыты для движения жидкого теплоносителя, а зарубашечное пространство ДВС 1 - закрыто. При включении автономного электронасоса 26 тосол движется и нагревается в контуре подогрева ДВС 7 аналогично тому, как это происходит в вышеописанном случае предпускового подогрева ДВС. Затем он поступает в трубопровод 75 и в радиаторы-отопители салона 14, в которых охлаждается, передавая часть своей тепловой энергии для обогрева салона автобуса. Затем охлажденный жидкий теплоноситель по трубопроводу 12 вновь возвращается в контур отопления ДВС 1.

Расширительный бак 27 с компенсационным трубопроводом 28 и дренажным трубопроводом 29 предназначены для компенсации увеличения объема жидкого теплоносителя вследствие его теплового расширения, удаления воздуха и паров тосола, а также для заполнения системы. В летний период эксплуатации, когда отсутствует необходимость в предпусковом подогреве ДВС 7 или обогреве салона автобуса, из контура подогрева ДВС 1 жидкий теплоноситель удаляется через сливной кран 21, а контур обогрева салона перекрывается с помощью кранов 11, 13.

Подтверждением достижения поставленной задачи является следующее: применение регулирующего вентиля, имеющего электрическую связь с датчиком температуры, и теплообменника-утилизатора тепловой энергии ОГ позволяет нагревать поток жидкого теплоносителя до температур, обеспечивающих гарантированное накопление тепловым аккумулятором фазового перехода теплоты, не уменьшая при этом температуры воздуха в салоне автобуса.

Источники информации

1. Автобус ЛиАЗ-5256: Руководство по эксплуатации / Ликинский автобусный завод - М.: Транспорт, 1991, 224 с.

2. Куликов А. “Термос” под капотом // Наука и жизнь. - 1993. - №3. - С.62-64.

3. Исследование предпусковой тепловой подготовки двигателей городских автобусов в зимний период эксплуатации, разработка и испытание системы предпускового разогрева двигателя автобуса с тепловым аккумулятором фазового перехода: Отчет о НИОКР (№50517 - ЛД, промежут. по этапу №2 / В.В.Шульгин, Г.И.Никифоров, С.Д.Гулин и др. - СПб.: ВИТУ, 2001, 39 с.

Формула изобретения

Система подогрева городского автобуса, состоящая из двигателя внутреннего сгорания с водяным радиатором и водяным насосом, теплового аккумулятора фазового перехода, радиаторов-отопителей салона, автономного электронасоса и запорной арматуры, объединенных жидкостными трубопроводами, отличающаяся тем, что система подогрева дополнительно оборудована расширительным баком, компенсационный трубопровод которого соединен со всасывающим патрубком водяного насоса двигателя внутреннего сгорания, а дренажный - с водяным радиатором, причем тепловой аккумулятор фазового перехода и радиаторы-отопители салона подключены параллельно водяному радиатору, а перед тепловым аккумулятором фазового перехода установлены регулирующий вентиль, имеющий электрическую связь с датчиком температуры тосола, и теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов, в жидкостном тракте которого расположен датчик температуры тосола.

РИСУНКИ

Рисунок 1