Система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания
Владельцы патента RU 2573435:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к двигателестроению и, в частности, к системам жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания со средствами для предпускового подогрева охлаждающей жидкости, а также аккумулирования тепла отработавших газов в условиях низких температур для обеспечения оптимального теплового режима во всем диапазоне работы.
Система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания дополнительно оборудована абсорбционным повышающим трансформатором, генератор и испаритель которого подключены к газовыпускному трубопроводу через управляемые заслонки, абсорбер подключен в контур подогрева системы охлаждения между теплообменником-утилизатором тепловой энергии отработавших газов и тепловым аккумулятором фазового перехода, а конденсатор подключен к автономному охлаждающему контуру.
Изобретение обеспечивает повышение эффективности системы охлаждения транспортного средства за счет более полного использования тепловой энергии отработавших газов ДВС. 1 ил.
Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к двигателестроению и, в частности, к системам жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания со средствами для предпускового подогрева охлаждающей жидкости, а также аккумулирования тепла отработавших газов в условиях низких температур при обеспечении оптимального теплового режима во всем диапазоне работы.
Известно, что двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет небольшой диапазон изменения оптимальной температуры охлаждающей жидкости от 85°С (номинальный режим) до 100°С (частичные нагрузки) [Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2. Динамика и конструирование / Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 2005, с. 301].
Известно, что с помощью различного рода тепловых насосов, абсорбционных повышающих трансформаторов теплота может отниматься от холодных тел и передаваться телам с более высокой температурой [Холодильные машины. Учеб. для студентов вузов / А.В. Бараненко, Н.Н. Бухарин, В.И. Пекарев и др.; Под. общ. ред. Л.С. Тимофеевского. - СПб.: Политехника, 1997. - с. 957…966].
Известна система для охлаждения свежего заряда - наддувочного воздуха и отработавших газов (ОГ) судового дизеля, подаваемых на впуск в цилиндры дизеля, которая позволяет охлаждать ОГ и свежий заряд - наддувочный воздух с помощью абсорбционной холодильной машины в результате утилизации теплоты ОГ дизеля [Пат. 2466289 РФ, F02G 5/02, F02B 29/04, F02M 25/07. Опубл. 10.11.2012], а также способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания, в систему охлаждения которого встроена абсорбционная холодильная машина [Пат. 2200237 РФ, F01P 9/00, F25B 27/02. Опубл. 10.03.2003].
Недостатком указанных устройств является то, что абсорбционная холодильная машина решает задачи, связанные с охлаждением систем двигателя, и неэффективна при низких температурах.
Известна система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания, содержащая двигатель внутреннего сгорания, тепловой аккумулятор фазового перехода (ТАФП), радиатор-отопитель салона, автономный электронасос, запорную арматуру, теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов и тепловой насос [Пат. 2488015 РФ, F02N 19/00. Опубл. 20.07.2013, прототип].
Недостатком известной системы является дополнительное использование значительной части мощности двигателя внутреннего сгорания на привод компрессора.
Технический результат изобретения - повышение эффективности системы охлаждения транспортного средства, сводится к снижению дополнительных потерь (привод компрессора) при более полном использовании тепловой энергии отработавших газов ДВС, что позволяет сократить продолжительность прогрева и обеспечить оптимальный диапазон температуры охлаждающей жидкости при низких температурах окружающей среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа, система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания содержит двигатель внутреннего сгорания, тепловой аккумулятор фазового перехода, радиатор-отопитель салона, автономный электронасос, запорную арматуру, расширительный бак и теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов, притом она дополнительно оборудована абсорбционным повышающим трансформатором, генератор и испаритель которого подключены к газовыпускному трубопроводу через управляемые заслонки, абсорбер подключен в контур подогрева системы охлаждения между теплообменником-утилизатором тепловой энергии отработавших газов и тепловым аккумулятором фазового перехода, а конденсатор подключен к автономному охлаждающему контуру.
На фигуре представлена система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания.
Система состоит из ДВС 1 с датчиком температуры 2, оборудованного штатными клапаном-термостатом 13, жидкостным радиатором 8 и жидкостным насосом 3, соединенными между собой трубопроводами 7, 14, 16, газовыпускным трубопроводом 32 и глушителем шума выпуска 24. Параллельно жидкостному радиатору 8 через тройник 18 и трехходовой кран 4 подключены два циркуляционных контура охлаждающей жидкости - контур отопления салона и контур подогрева ДВС 1. Первый контур состоит из трубопровода 10 и одноходового крана 11, радиатора-отопителя салона 9, трубопровода 6 и сливного крана 5, а второй контур - из электронасоса 20, теплообменника-утилизатора тепловой энергии отработавших газов 31, абсорбера 22, ТАФП 30, соединенных между собой трубопроводами 19, 33, 34. Расширительный бак 17 с помощью компенсационного трубопровода 15 соединен с всасывающим патрубком жидкостного насоса 3, а с помощью дренажного трубопровода 12 - с жидкостным радиатором 8. В газовыпускном трубопроводе 32 установлен теплообменник-утилизатор 31, а через управляемые заслонки 38, 37 параллельно размещены генератор 25 и испаритель 27 абсорбционного повышающего трансформатора 21. Между теплообменником-утилизатором 31 и глушителем шума выпуска 24 смонтирован обводной газопровод 35, соединяющий коллектор 36 с глушителем шума. Контур абсорбционного повышающего трансформатора 21 состоит из последовательно соединенных гидролиниями абсорбера 22 насоса 23, генератора 25, конденсатора 26 и испарителя 27. В генераторе 25 и испарителе 27 установлены датчики температуры 39 и 29, с помощью которых регулируется положения управляемых заслонок соответственно 38 и 37. Конденсатор 26 содержит автономный охлаждающий контур 28, автоматически поддерживающий рабочую температуру при помощи датчика температуры 40.
Система работает следующим образом.
Во время работы двигателя внутреннего сгорания поток охлаждающей жидкости, выходящей из ДВС 1, поступает в трубопровод 16 под действием жидкостного насоса 3 и делится на три части. При этом часть потока поступает в штатный клапан-термостат 13, другая часть через тройник 18 и одноходовой кран 11 - в контур отопления салона и третья часть через тройник 18 - в контур подогрева ДВС 1. Температура начала открытия штатного клапана-термостата составляет (80±2)°С, полное его открытие достигается при (93±2)°С. Поэтому при прогреве ДВС 1 до оптимальной температуры охлаждающая жидкость поступает в трубопровод 14, минуя радиатор 8. В контуре отопления салона охлаждающая жидкость через одноходовой кран 11 по трубопроводу 10 проходит через радиатор-отопитель салона 9, отдавая часть тепловой энергии для отопления салона. Затем по трубопроводу 6 охлаждающая жидкость возвращается в систему охлаждения. В контуре подогрева ДВС 1 охлаждающая жидкость движется через тройник 18 по трубопроводу 19, затем по жидкостному тракту теплообменника-утилизатора отработавших газов 31 и абсорбер 22, в которых она нагревается. Далее поток охлаждающей жидкости поступает в ТАФП 30, где отдает часть своей тепловой энергии. При этом теплоаккумулирующий материал (ТАМ), находящийся в ТАФП, нагревается в твердой фазе до температуры плавления Тпл, плавится при этой температуре и далее нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой достигается тепловое равновесие между потоком охлаждающей жидкости и ТАМом. Из ТАФП 30 охлаждающая жидкость возвращается в систему охлаждения по трубопроводу 33. После того как ТАФП 30 полностью накопил тепловую энергию, циркуляция охлаждающей жидкости через теплообменник-утилизатор отработавших газов 31, абсорбер 22 и ТАФП 30 не прекращается, в этом случае обеспечивается оптимальный тепловой режим ДВС 1 и салона при низких отрицательных температурах окружающей среды.
При этом поддержание рабочих температур (40…65°С) в генераторе 25 и испарителя 27 абсорбционного повышающего трансформатора 21 обеспечивается с помощью управляемых заслонок 38 и 37 соответственно. В конденсаторе 26 рабочая температура (0,5…15°С) автоматически поддерживается автономным охлаждающем контуром 28.
В случае повышения температуры охлаждающей жидкости в ДВС выше оптимальной, открывается штатный клапан-термостат 13, и теплота отводится радиатором 8 в окружающую среду.
Датчик температуры 2, имеющий электрическую связь с насосом 23 абсорбционного повышающего трансформатора 21, управляет его работой таким образом, что при температуре охлаждающей жидкости в двигателе ниже оптимальной насос включается, а при достижении нижнего уровня оптимального диапазона температуры выключается.
Работа абсорбционного повышающего трансформатора основана на способности концентрированного водного раствора (например, бромистого лития) абсорбировать водяной пар с выделением теплоты. Температура абсорбции выше температуры конденсации пара при том же давлении. В результате, появляется возможность "отобрать" теплоту у низкотемпературного теплового источника и передать ее нагреваемой воде с более высоким температурным уровнем. Все процессы в машине протекают под вакуумом, в замкнутом цикле. Для регенерации раствора бромистого лития и требуется источник высокопотенциальной тепловой энергии, при этом используется теплота отработавших газов (в интервале от температуры охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника-утилизатора до температуры окружающей среды), которую невозможно передать рекуперативным теплообменником более нагретой охлаждающей жидкости.
В процессе хранения тепловой энергии во время стоянки транспортного средства трехходовой кран 4 и одноходовой кран 11 закрываются. При этом ТАМ сохраняется в расплавленном состоянии благодаря наличию в ТАФП 30 высокоэффективной теплоизоляции.
Для подогрева ДВС 1 после стоянки, трехходовой кран 4 устанавливается в такое положение, при котором контур подогрева ДВС 1 открыт для движения охлаждающей жидкости из ТАФП 33, а контур отопления салона закрыт. При включении автономного электронасоса 20 охлаждающая жидкость поступает в трубопроводы 19 и 34. Далее поток охлаждающей жидкости проходит через ТАФП 30 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 нагретая охлаждающая жидкость по трубопроводу 33 поступает в полость водяного насоса 3 и в зарубашечное пространство ДВС, разогревая последний.
Расширительный бак 17 с компенсационным трубопроводом 15 и дренажным трубопроводом 12 предназначены для компенсации увеличения объема жидкого теплоносителя вследствие его теплового расширения, удаления воздуха и паров охлаждающей жидкости, а также для заполнения системы.
Предложенные технические решения обеспечивают сокращение продолжительности прогрева и поддержание температуры охлаждающей жидкости в оптимальном диапазоне за счет более полного использования тепловой энергии отработавших газов ДВС при низких отрицательных температурах окружающего воздуха.
Система служит для сокращения продолжительности прогрева и поддержания оптимальной температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания и может быть легко реализована в тракторостроении и транспортном машиностроении.
Система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания, содержащая двигатель внутреннего сгорания, тепловой аккумулятор фазового перехода, радиатор-отопитель салона, электронасос, запорную арматуру, расширительный бак, теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов, отличающаяся тем, что она дополнительно оборудована абсорбционным повышающим трансформатором, генератор и испаритель которого подключены к газовыпускному трубопроводу через управляемые заслонки, абсорбер подключен в контур подогрева системы охлаждения между теплообменником-утилизатором тепловой энергии отработавших газов и тепловым аккумулятором фазового перехода, а конденсатор подключен к автономному охлаждающему контуру.
