СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО АВТОНОМНОГО ПОДОГРЕВА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА
METHOD OF DIESEL LOCOMOTIVE DIESEL ENGINE COOLING SYSTEM AUTOMATIC INDEPENDENT WARMING-UP

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания тепловозов, в частности к способу подогрева охлаждающей жидкости двигателя при горячем отстое тепловоза для его запуска.
Известен способ обогрева водяной системы тепловоза периодическим запуском дизеля, заключающийся в том, что отключение дизеля осуществляется всегда при одной и той же заданной температуре элемента водяной системы с наибольшей теплоемкостью. Включение дизеля в работу производится при заданной температуре охлаждения этого элемента или по минимально допустимой температуре элемента водяной системы с наименьшей теплоемкостью, причем контроль запуска дизеля ведется по наличию крутящего момента на валу дизеля. Все элементы водяной системы с промежуточными значениями теплоемкости гарантированы от недопустимого снижения температуры (RU, патент №2169274, МПК F01P 11/20, опубл. 20.06.2001 г.).
Недостатками данного способа являются частые запуски дизеля вследствие отсутствия циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения и быстрого снижения температуры элемента охлаждения с наименьшей теплоемкостью, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению ресурса аккумуляторной батареи.
Известен способ подогрева охлаждающей жидкости двигателя при горячем отстое тепловоза для его запуска (RU, патент №2540189, МПК F01 11/20, опубл. 10.02.2015 г.), принятый за прототип, заключающийся в том, что периодически запускают прогретый дизель, осуществляя нагрев дизеля и его системы охлаждения, при этом отключение дизеля происходит автоматически при заданной, не зависящей от температуры окружающей среды, рабочей температуре элемента системы охлаждения дизеля, обладающего наибольшей теплоемкостью, автоматическое включение дизеля в работу происходит при снижении температуры элемента системы охлаждения с наибольшей теплоемкостью до заданного значения или при снижении значения температуры ниже допустимого предела в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью, после отключения дизеля осуществляют прокачку охлаждающей жидкости во всей системе охлаждения дизеля тепловоза.
Недостатками данного способа является то, что аккумуляторная батарея тепловоза интенсивно разряжается из-за продолжительной работы насоса для прокачки охлаждающей жидкости в системе охлаждения при заглушенном дизеле, что приводит к снижению ресурса аккумуляторной батареи, а отсутствие контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи в процессе ее разряда не позволяет определить, достаточно ли ее емкости для очередного запуска дизеля.
Техническим результатом изобретения является снижение времени работы насоса для прокачки охлаждающей жидкости в системе охлаждения и автоматическое определение остаточной емкости аккумуляторной батареи при работающем и заглушенном дизеле тепловоза, что позволит снизить разрядную нагрузку на аккумуляторную батарею тепловоза, увеличить срок ее службы и определять необходимость запуска дизеля при снижении емкости аккумуляторной батареи.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза, заключающегося в том, что периодически запускают прогретый дизель, осуществляя нагрев дизеля и его системы охлаждения, при этом отключение дизеля происходит автоматически при заданной, не зависящей от температуры окружающей среды, рабочей температуре элемента системы охлаждения дизеля, обладающего наибольшей теплоемкостью, автоматическое включение дизеля в работу происходит при снижении температуры элемента системы охлаждения с наибольшей теплоемкостью до заданного значения или при снижении значения температуры ниже допустимого предела в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью, после отключения дизеля осуществляют прокачку охлаждающей жидкости во всей системе охлаждения дизеля тепловоза, причем прокачку включают при снижении температуры в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью до порогового значения, превышающего допустимый предел для включения дизеля и выключают прокачку при достижении температурой в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью установленного предела. В процессе запуска дизеля по вольтамперным характеристикам аккумуляторной батареи с учетом температуры в аккумуляторном отсеке оценивают остаточную емкость аккумуляторной батареи, в процессе работы дизеля и после его отключения с учетом токов заряда и разряда аккумуляторной батареи корректируют значение ее остаточной емкости, при снижении которой ниже установленного уровня осуществляют запуск дизеля.
100
50
ТЕК
max
min
прот
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема системы, реализующей способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза; на фиг. 2 - графики вольт-амперных характеристик аккумуляторной батареи в зоне стартерных токов для различной величины остаточной емкости (C - для 100% емкости; С - для 50% емкости; С - для текущей емкости, полученной в процессе испытаний); на фиг. 3 - диаграммы работы системы автоматического прогрева, поясняющие принцип работы способа и его отличия от прототипа (t - изменение температуры элемента с наибольшей теплоемкостью в системе, реализующей способ; t - изменение температуры в элементе с наименьшей теплоемкостью в системе, реализующей способ; t - изменение температуры в элементе с наименьшей теплоемкостью, реализующей прототип).
Система, реализующая способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза (фиг. 1) содержит: систему управления 1, дизель 2, контактор 3 пуска дизеля 2, стартер-генератор 4, аккумуляторную батарею 5, датчик 6 частоты вращения коленчатого вала (на схеме не показано) дизеля 2, датчик 7 тока аккумуляторной батареи 5, датчик 8 напряжения на аккумуляторной батарее 5, датчик 9 температуры воздуха в аккумуляторном отсеке (на схеме не показано), систему охлаждения 10, датчик 11 температуры элемента с наименьшей теплоемкостью (на схеме не показано) системы охлаждения 10, датчик 12 температуры элемента с наибольшей теплоемкостью (на схеме не показано) системы охлаждения 10, насос 13 для прокачки охлаждающей жидкости в системе охлаждения 10, реле 14 для управления прокачивающим насосом 13, стоповый выключатель 15 дизеля 2.
АБ
АБ
возд
возд
АБt
Способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения 10 дизеля 2 тепловоза реализуется следующим образом (см. фиг 1). При помощи системы управления 1 и контактора 3 пуска дизеля 2 подключают стартер-генератор 4 к аккумуляторной батарее 5 и тем самым осуществляют запуск дизеля 2 для его нагрева. Процесс запуска дизеля 2 контролируют системой управления 1 при помощи датчика 6 частоты вращения коленчатого вала дизеля 2. В процессе запуска дизеля 2 при помощи датчика 7 тока и системы управления 1 фиксируют ток I аккумуляторной батареи 5, потребляемый стартер-генератором 4 на прокрутку дизеля 2. Одновременно, при помощи датчика 8 напряжения, датчика 9 температуры и системы управления 1 фиксируют напряжение U на аккумуляторной батарее 5 и температуру t воздуха в аккумуляторном отсеке. Используя вольт-амперные характеристики (ВАХ) аккумуляторной батареи 5 и учитывая температуру t в аккумуляторном отсеке определяют остаточную емкость C аккумуляторной батареи 5. В зоне стартерных токов ВАХ аккумуляторной батареи 5 линейная (фиг. 2), а ее наклон зависит от остаточной емкости аккумуляторной батареи 5, которую в данном случае вычисляют по формуле
АБt
где C - остаточная емкость аккумуляторной батареи 5 с учетом температуры в аккумуляторном отсеке;
возд
t - температура воздуха в аккумуляторном отсеке, °C;
АБ
С - емкость аккумуляторной батареи, полученная по формуле
max
100
k - коэффициент наклона ВАХ аккумуляторной батареи для 100% емкости (график C фиг. 2);
50
50
k - коэффициент наклона ВАХ аккумуляторной батареи для 50% емкости (график С фиг. 2);
ТЕК
k - коэффициент наклона ВАХ аккумуляторной батареи для текущей емкости (график С фиг. 2).
Для батареи типа ТН-450ТМ, применяемой на тепловозах ТЭП70БС и 2ТЭ116У эмпирическим методом получены коэффициенты:
50
k=0,0312
max
k=0,0232
ТЕК
Коэффициент k рассчитывают по формуле наименьших квадратов (график С фиг. 2):
где n - число измерений тока и напряжения аккумуляторной батареи при запуске дизеля;
АБ
I - ток аккумуляторной батареи, потребляемый стартер-генератором на прокрутку дизеля, А;
АБ
U - напряжение на аккумуляторной батарее при запуске дизеля, В.
max
АБз
При достижении частотой вращения коленчатого вала дизеля 2 порогового значения при помощи системы управления 1 отключают контактор 3 пуска дизеля 2, тем самым переводя стартер-генератор 4 из режима стартера в режим генератора. В процессе работы дизеля 2 при помощи системы управления 1 и датчика 12 температуры элемента с наибольшей теплоемкостью контролируют нагрев охлаждающей жидкости в системе охлаждения 10 дизеля 2. Процесс нагрева охлаждающей жидкости в элементе системы охлаждения 10 с наибольшей теплоемкостью, во время работы дизеля 2 изображен на графике t (фиг. 3). Также при помощи системы управления 1 и датчика 7 тока контролирует зарядный ток I аккумуляторной батареи 5, интегрируя который по времени, корректируют остаточную емкость С аккумуляторной батареи 5 на данный момент времени по формуле
НОМ
где С - номинальная емкость аккумуляторной батареи, Ач;
АБз
I- ток заряда аккумуляторной батареи, А;
ΔT - дискрет времени между измерениями, час;
m - число измерений тока заряда аккумуляторной батареи за время работы дизеля;
ϕ - коэффициент использования зарядного тока.
Коэффициент ϕ определяют исходя из паспортных данных аккумуляторной батареи 5 как величину, обратную рекомендуемому объему ампер-часов для полного заряда аккумуляторной батареи 5. Для батареи типа ТН-450ТМ, применяемой на тепловозах ТЭП70БС и 2ТЭ116У рекомендуемый объем ампер-часов для заряда составляет 115-118% от емкости. Коэффициент ϕ=0,84.
0
max
1
min
2
3
АБр
ОСТ
При достижении датчиком 12 температуры элемента с наибольшей теплоемкостью порогового значения t (график t, фиг. 3) при помощи системы управления 1 формируют сигнал на остановку дизеля 2 и передают его на стоповый выключатель 15 дизеля 2, который перекрывает подачу топлива в дизель 2. Дизель 2 останавливается. Процесс остановки дизеля 2 контролируют системой управления 1 по датчику 6 частоты вращения. При остановленном дизеле 2 при помощи системы управления 1 и датчика 11 температуры элемента с наименьшей теплоемкостью осуществляют контроль температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения 10. При снижении температуры в элементе с наименьшей теплоемкостью системы охлаждения 10 до порогового значения t (график t, фиг. 3), превышающего допустимый предел t для включения дизеля при помощи системы управления 1 и реле 14 включают прокачивающий насос 13. При достижении температурой в элементе системы охлаждения 10 с наименьшей теплоемкостью установленного предела t при помощи системы управления 1 и реле 14 выключают прокачку охлаждающей жидкости прокачивающим насосом 13. Процессы включения и выключения прокачки чередуют до тех пор, пока температура в элементе системы охлаждения 10 с наименьшей теплоемкостью не перестанет расти. При помощи системы управления 1 и датчика 7 тока аккумуляторной батареи контролируют разрядный ток I аккумуляторной батареи 5, интегрируя который по времени корректируют остаточную емкость С аккумуляторной батареи 5 на данный момент времени по формуле
НОМ
где С - номинальная емкость аккумуляторной батареи, Ач;
АБр
I - ток, потребляемый от аккумуляторной батареи на прокачку охлаждающей жидкости, А;
ΔT - дискрет времени между измерениями, час;
j - число измерений тока аккумуляторной батареи за время прокачки охлаждающей жидкости.
2
прот
Если остаточная емкость аккумуляторной батареи 5 снизится ниже установленного уровня, например 75%, или температура в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью опустится ниже допустимого предела t, при помощи системы управления 1 и контактора 3 пуска дизеля 2 подключают стартер-генератор 4 к аккумуляторной батарее 5 и тем самым осуществляют запуск дизеля 2 для его очередного нагрева. График t на фиг. 3 иллюстрирует процесс снижения температуры охлаждающей жидкости в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью без отключения прокачки, реализуемый в прототипе.
Таким образом, способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза позволяет снизить разрядную нагрузку на аккумуляторную батарею тепловоза в процессе прокачки охлаждающей жидкости и осуществить постоянный автоматический контроль остаточной емкости аккумуляторной батареи, позволяющий гарантированно осуществлять запуск дизеля.