СИСТЕМА ПРОГРЕВА И ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ И МАСЕЛ В АГРЕГАТАХ САМОХОДНЫХ МАШИН
SYSTEM OF HEATING AND KEEPING OF OPTIMAL TEMPERATURES OF WORKING LIQUIDS AND OILS IN PLANTS OF SELF-PROPELLED MACHINES

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для сокращения времени прогрева и поддержания заданного теплового режима в системах, узлах и агрегатах самоходных машин с учетом приоритета подачи к ним дополнительного теплового потока.
В настоящее время практическое использование теплоты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) нашло применение в автономных теплоэнергетических установках. Эти установки вырабатывают электроэнергию и одновременно утилизируют теплоту отработанных газов с помощью газожидкостных теплообменников. Циркулирующая в контуре теплообменника вода может использоваться для теплоснабжения стационарных и передвижных объектов (Патент RU 2520796 С2, F02G 5/04).
Установка содержит ДВС, систему утилизации теплоты и систему вторичного использования тепловой энергии. Насос системы охлаждения ДВС соединен с теплообменником-утилизатором теплоты ДВС. Циркуляционный насос системы утилизации теплоты соединен с теплообменником этой системы и теплообменником-утилизатором теплоты. Отработанные газы ДВС подводятся к теплообменнику-утилизатору их теплоты, после которого она направляется в устройство для получения электроэнергии и другим потребителям.
Недостатком данного изобретения является то, что оно не способно обеспечить быстрый прогрев двигателя и агрегатов трансмиссии мобильных машин и поддержание в них оптимальных температур.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является система автоматического поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах и узлах самоходных машин (Патент RU 2500899 C1, F01M 5/00).
Система содержит ДВС, утилизационный и теплопотребляющий контуры, терморегулирующую аппаратуру. Утилизационный контур включает рекуперативный газожидкостный теплообменник с газовой заслонкой, циркуляционный насос, терморегулятор, расширительный бак теплоносителя, подающий и отводящий трубопроводы. Теплопотребляющий контур системы охлаждения двигателя включает жидкостно-жидкостный теплообменник, включенный параллельно газожидкостному теплообменнику, терморегулятор, радиатор охлаждения жидкостный, включенный параллельно теплообменнику системы охлаждения двигателя. Теплопотребляющий контур системы смазки ДВС включает жидкостно-масляный теплообменник системы смазки ДВС, включенный параллельно газожидкостному теплообменнику, терморегулятор, радиатор охлаждения масла ДВС, включенный параллельно теплообменнику системы смазки ДВС. Теплопотребляющий контур системы смазки коробки передач (КП) включает жидкостно-масляный теплообменник КП, включенный параллельно газожидкостному теплообменнику, терморегулятор, радиатор охлаждения масла КП, включенный параллельно теплообменнику КП. Теплопотребляющие контуры редукторов (ведущих мостов) включают жидкостные теплообменники, включенные параллельно газожидкостному теплообменнику, с терморегуляторами, которые размещены на внешней или внутренней поверхности корпусов редукторов.
Недостатком системы поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах самоходных машин является отсутствие возможности перераспределения части теплоты между системами и агрегатами, а также обеспечения приоритетов очередности при прогреве тех или иных агрегатов машины, что снижает эффективность использования теплоты отработанных газов.
Кроме того, известно, что в период послепускового прогрева холодного двигателя имеют место значительные по величине потери мощности на трение, особенно в цилиндропоршневой группе (ЦПГ), что сопровождается интенсификацией ее износа. Основной причиной повышения интенсивности износа является работа деталей ЦПГ в режиме масляного голодания. Например, испытания двигателя 3Д-6 показали, что при работе на зимнем масле время от момента пуска до начала поступления масла на детали ЦПГ составляет 5 мин 55 сек при 0°C и 7 мин 35 сек при минус 24°C.
Повышенный расход топлива двигателем в период прогрева - результат не только значительного увеличения потерь на трение, но и низкого качества процесса смесеобразования. Из-за низкого теплового режима двигателя топливо, подаваемое в камеру сгорания, не успевает полностью испариться и сгореть. В период прогрева ДВС возможен выброс части топлива в виде промежуточных продуктов окислительного процесса и паров, которые частично конденсируются на холодных стенках цилиндров, попадая в поддон двигателя, и выбрасываются через выхлопную трубу в окружающую среду. По мере прогрева расход топлива снижается (изменение происходит по экспоненте) и стабилизируется на определенном уровне при температуре охлаждающей жидкости выше 65°C.
Известно, что в послепусковой период прогрев масла в системе смазки осуществляется за счет теплопередачи от системы охлаждения и частично за счет потерь на трение в сопряжениях работающего ДВС. Нагрев топлива в форсунках также обеспечивается за счет теплопередачи от охлаждающей жидкости и за счет теплоты, подведенной от рабочего тела к поверхности распылителя, находящейся в камере сгорания. Не вызывает сомнения, что для снижения расхода топлива, сокращения времени поступления обильной смазки на детали ЦПГ и, как следствие, снижения износа необходимо сократить время послепускового прогрева ДВС. Поскольку ДВС представляет наиболее сложный и дорогостоящий агрегат, который при работе на низком тепловом режиме имеет повышенный расход топлива и подвергается интенсивному износу, то очевидно, что, в первую очередь, вся теплота сгоревшего в нем топлива должна использоваться для сокращения времени его прогрева.
Известно также, что в период холодного пуска имеют место значительные по величине потери мощности в КП. При включении передачи и последующем движении машины эти потери значительно возрастают. Из многочисленных литературных источников известно, что их величина может достигать 70% от общих потерь мощности в агрегатах трансмиссии. Поскольку основная доля потерь приходится на гидравлические (дисковые, выдавливание из межзубового пространства, привод масляного насоса, в уплотнениях КП с гидроподжимными муфтами и т.п.), то наиболее эффективным и экономичным способом снижения потерь мощности может быть быстрый прогрев масла до оптимального теплового режима. Поэтому после прогрева двигателя до оптимальной температуры целесообразно во вторую очередь дополнительный тепловой поток направить к КП как наиболее нагруженному агрегату трансмиссии.
Технической задачей, которая решается в заявляемой системе, является сокращение времени послепускового прогрева ДВС, агрегатов трансмиссии и других редукторов, повышение экономичности, тяговой мощности, надежности работы машины в широком диапазоне температур окружающей среды за счет перераспределения теплоты, выделяемой системами и агрегатами машины, и вторичного использования теплоты отработавших газов с учетом приоритетов очередности их прогрева. Система прогрева и поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах самоходных машин отличается от прототипа тем, что она дополнительно снабжена датчиком температуры масла в КП, датчиком температуры охлаждающей жидкости в ДВС, датчиками температуры масла в редукторах ведущих мостов, запорным электромагнитным клапаном, перекрывающим циркуляцию теплоносителя через теплообменники системы охлаждения и системы смазки ДВС, запорным электромагнитным клапаном, перекрывающим циркуляцию теплоносителя через теплообменник системы смазки КП, запорным электромагнитным клапаном, перекрывающим циркуляцию теплоносителя через теплообменники ведущих мостов и других редукторов, перепускным электромагнитным клапаном, блоком управления или бортовым компьютером, который управляет работой системы.
Устройство и работа предлагаемого изобретения поясняется следующими иллюстрациями:
- фиг. 1. - функциональная схема системы прогрева и поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах самоходных машин;
- фиг. 2. - блок-схема управления работой системы прогрева и поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах самоходных машин.
Представленная на фиг. 1 функциональная схема системы состоит из I - утилизационного контура; II, III, IV - контуров теплопотребления; 1 - рекуперативного теплообменника утилизационного контура с газовой заслонкой; 2 - расширительного бака утилизационного контура; 3 - запорного электромагнитного клапана теплообменников системы охлаждения и системы смазки ДВС; 4 - теплообменников теплопотребляющих контуров; 5 - запорного электромагнитного клапана теплообменника системы смазки КП; 6 - масляного радиатора КП; 7 - запорного электромагнитного клапана теплообменника ведущего моста; 8 - блока управления или бортового компьютера; 9 - перепускного электромагнитного клапана; 10 - теплообменника редуктора ведущего моста; 11 - датчика температуры масла в ведущем мосту; 12 - датчика температуры масла в КП; 13 - терморегуляторов контуров теплопотребления; 14 - масляного радиатора системы смазки двигателя; 15 - радиатора системы охлаждения двигателя; 16 - датчика температуры охлаждающей жидкости в ДВС; 17 - циркуляционного насоса утилизационного контура; 18 - терморегулятора привода газовой заслонки рекуперативного теплообменника утилизационного контура.
Система работает следующим образом. После пуска холодного ДВС (температура жидкости tж<60°C) включается электромагнитный клапан 3 теплообменников систем охлаждения и смазки ДВС. В данном случае вся теплота отработанных газов, которая утилизируется рекуперативным теплообменником утилизационного контура, используется для разогрева двигателя. При температуре жидкости в системе охлаждения ДВС равной или более 70°C клапан 3 отключается и подача теплоносителя в теплообменники прекращается. Одновременно дается разрешение на включение электромагнитного клапана теплообменника КП 5.
Дальнейший разогрев ДВС до оптимальной температуры (85-95°C) осуществляется за счет теплоты, которая аккумулируется системами охлаждения и смазки при работе в штатном режиме.
При температуре масла в КП менее 60°C включается электромагнитный клапан 5 и жидкость из утилизационного контура поступает в теплообменник системы смазки КП. Масло нагревается. При достижении температуры масла в КП равной или более 70°C электромагнитный клапан 5 отключается. Одновременно дается разрешение на включение электромагнитного клапана 7 теплообменников ведущих мостов. Циркуляция жидкости, находящейся в утилизационном контуре, через теплообменник КП прекращается.
Из многочисленных литературных источников известно, что температура масла в КП машин считается оптимальной в диапазоне от 60 до 80°C. Приведенный тепловой режим позволяет обеспечить оптимальное значение вязкости масла, при которой достигаются минимальные потери мощности в КП и сохраняется довольно высокая несущая способность масляной пленки на поверхностях трения, наличие которой способствует минимальным износам сопряжений.
При температуре масла в теплообменнике ведущего моста менее 40°C открывается электромагнитный клапан 7. Горячее масло поступает в теплообменники ведущих мостов и других редукторов. Если температура масла в ведущем мосту достигает значения, равного или более 50°C, то клапан 7 отключается и циркуляция жидкости через теплообменник прекращается.
На основании опубликованных данных и исследований, выполненных авторами предлагаемого изобретения, температура масла 50°C в ведущих мостах 9 может считаться оптимальной.
С понижением температуры масла в КП менее 60°C подача теплоты к ведущим мостам и другим редукторам прекращается. Электромагнитный клапан 7 закрывается. Если температура охлаждающей жидкости в ДВС достигает значений менее 60°C, то отключаются все потребители, кроме ДВС. Закрываются запорные электромагнитные клапаны 5 и 7, а клапан 3 открывается. Системы охлаждения и смазки ДВС вновь подключаются к утилизационному контуру.
При достижении оптимальных температур во всех теплопотребляющих контурах электромагнитные клапаны 3, 5, 7 закрываются, и открывается перепускной электромагнитный клапан 9, позволяющий осуществлять непрерывную циркуляцию теплоносителя утилизационного контура через газожидкостный теплообменник 1, тем самым предотвращая перегрев или закипание теплоносителя.
Предлагаемое устройство позволяет в случае необходимости корректировать значения оптимальных рабочих температур систем и агрегатов конкретных марок машин.