АВТОНОМНАЯ АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОДОГРЕВА И ПОДДЕРЖАНИЯ ПРЕДПУСКОВЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно, к системам, предназначенным для подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности при эксплуатации в условиях отрицательных температур окружающей среды. Система может быть использована на железнодорожном, водном транспорте и в передвижных дизельэлектростанциях.
Известно устройство для подогрева двигателя перед пуском (патент RU 2140010 C1 F02N 17/06, опубл. 20.10.1999), содержащее жидкостный котел, патрубки, соединенные с водяной рубашкой двигателя, вентилятор, приводимый в действие от электродвигателя, поддон, снабженный оребренным газоходом, газоотводящий патрубок, электромагнитный клапан, запальную свечу и топливопровод. Устройство осуществляет подогрев двигателя внутреннего сгорания путем одновременного нагрева жидкостным котлом теплоносителя в рубашке охлаждения блока цилиндров двигателя по дополнительному контуру движения теплоносителя и масла в картере двигателя от дополнительного поддона с оребренным газоходом, по которому проходят отработанные выхлопные газы из камеры сгорания жидкостного котла.
Недостатками аналога являются:
1. Устройство не обеспечивает подогрев всех элементов штатного контура охлаждения двигателя, поскольку его подогрев осуществляется по дополнительному контуру движения теплоносителя, что может привести к замерзанию отдельных элементов системы охлаждения двигателя, неохваченных дополнительным контуром и их дальнейшему повреждению.
2. Низкая эффективность теплопередачи при конвективном нагреве масла между оребренным газоходом и корпусом картера двигателя по воздушной среде и сложность конструкции устройства теплообменника.
3. Устройство не предназначено для обеспечения режима поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания.
4. Отсутствует автоматизация процессов управления, контроля за подогревом двигателя, технической диагностики элементов системы подогрева, передачи данных об указанных процессах обслуживающему персоналу.
Цель полезной модели - создание системы, позволяющей в автоматическом режиме осуществлять подогрев и поддержание предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности в течение длительных интервалов времени в условиях низких температур окружающей среды, обеспечивающей за счет этого экономию топлива, сохранение моторесурса и упрощение условий эксплуатации двигателя, а также контроль над указанными процессами и передачи данных контроля обслуживающему персоналу.
Указанная цель достигается применением следующих существенных отличительных технических решений:
1. Для обеспечения подогрева двигателя и всех элементов штатного контура охлаждения двигателя жидкостные подогреватели включены в основную магистраль штатной системы охлаждения двигателя через дополнительные трубопроводы с развязкой между собой и основной магистралью посредством применения обратных клапанов. Данная схема подключения позволяет обеспечить также автономность и независимость функционирования штатной системы охлаждения и жидкостных подогревателей между собой.
2. Для увеличения эффективности теплопередачи при подогреве масла, а также упрощения конструкции холодное масло из картера с помощью дополнительного масляного насоса по дополнительному маслопроводу прокачивается через технологические каналы сброса излишков масла в блоке цилиндров двигателя, где оно в процессе протекания через каналы
непосредственно контактирует с нагретой металлической поверхностью каналов блока цилиндров по всей их площади и таким образом нагревается.
3. Для обеспечения режима поддержания предпусковых температурных условий двигателей в течение длительных интервалов времени организованы следящие системы регулирования процессами подогрева охлаждающей жидкости и масла за счет применения не менее трех датчиков температуры, контроллера и пульта управления. Датчик температуры масла установлен в нижней точке картера двигателя, два датчика температуры теплоносителя установлены по одному на выходе каждого жидкостного подогревателя.
4. Автоматизация процессов управления, контроля над подогревом и поддержанием предпусковых температурных условий двигателя, технической диагностики элементов системы, передачи данных об указанных процессах осуществляется микропроцессорным контроллером, содержащим пульт управления и GSM-модуль для приема и передачи сообщений по линиям сотовой связи действующих операторов по записанным в нем программах.
Сущность полезной модели поясняется фигурой.
На фигуре представлена функциональная схема автономной автоматической системы подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности.
Система содержит два жидкостных подогревателя 1 и 2, каждый из которых включает камеру сгорания топлива с теплообменным блоком и трактом вывода отработанных выхлопных газов, тракт движения теплоносителя, соединенный с теплообменным блоком, помпу прокачки теплоносителя и электронный блок управления (на фигуре не показаны). Для обеспечения нормального функционирования и исключения влияния подогревателей 1 и 2 друг на друга и на систему охлаждения двигателя 11 по прокачиваемому теплоносителю входы и выходы жидкостных подогревателей 1 и 2 через четыре дополнительных трубопровода 3, 4 и 5, 6 соединены с основной магистралью штатной системы охлаждения двигателя 7. Кроме того, выход каждого жидкостного подогревателя соединен с дополнительным трубопроводом
через обратные клапаны 8 и 9. Между точками соединения дополнительных трубопроводов 3, 4 и 5, 6 в основной магистрали системы охлаждения установлен обратный клапан 10. Дополнительный масляный насос 12, вход которого с помощью дополнительного масляного трубопровода 13 подключен к картеру 14 двигателя 11, а выход с помощью дополнительного масляного трубопровода 15 подключен к головке блока цилиндров 16 двигателя 11 через специально проделанные отверстия (на фигуре не показаны) к технологическим каналам сброса излишков масла. Контроллер 17, содержащий приемно-передающий модуль GSM 18 и пульт управления 22, подключен с помощью кабеля к электронным блокам управления подогревателей 1, 2, к питающим клеммам дополнительного масляного насоса 12, датчику температуры масла 19, установленному в нижней точке картера 14 двигателя и к двум датчикам температуры теплоносителя 20 и 21, размещенным на дополнительных трубопроводах 3 и 4. Контроллер 17, выполнен на микропроцессоре, в который записаны программы управления и контроля процессами подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателя, технической диагностики элементов системы, приема запросов и передачи данных об указанных процессах по линиям сотовой связи. Автономный источник электропитания 23, подключенный к контроллеру 17 и жидкостным подогревателям 1, 2, обеспечивает электропитанием все элементы системы.
Автономная автоматическая система подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности работает следующим образом.
Включение системы подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателя производят при следующих обстоятельствах:
- сразу после остановки двигателя (для поддержания температурных условий в течение длительного периода);
- перед пуском двигателя (для разогрева двигателя и достижения температурных условий пуска);
- при работающем двигателе (для поддержания рабочей температуры двигателя в условиях низких температур окружающей среды);
Включение системы подогрева при неработающем двигателе осуществляют с пульта управления 22 через контроллер 17 (фигура). При подаче команды на включение с пульта управления 22 контроллер 17 в соответствии с записанной в нем программой производит периодическое измерение значений температур масла и охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя с помощью датчиков температуры 19, 20, 21 этих сред и сравнивает их со значениями предпусковых температур по этим средам, записанным в памяти контроллера 17.
При значениях измеренных температур масла и охлаждающей жидкости равных или больше предпусковых значений, записанных в памяти, контроллер 17 не включает масляный насос 12 и жидкостные подогреватели 1, 2 до момента, пока эти условия сохраняются.
При значениях измеренных температур масла и охлаждающей жидкости ниже предпусковых значений контролер 17 выдает электропитание от автономного источника электропитания 23 на двигатель дополнительного масляного насоса 12 и команду на включение жидкостных подогревателей 1 и 2. Причем выдача электропитания на двигатель дополнительного масляного насоса 12 будет производиться только при условии превышения значения температуры охлаждающей жидкости предпускового значения температуры масла.
При выдаче электропитания на двигатель дополнительного масляного насоса 12 масло из нижней точки картера 14 двигателя через дополнительные маслопроводы 13 и 15 и специально проделанные отверстия в головке блока цилиндров 16 двигателя прокачивается к технологическим каналам сброса излишков масла (на фигуре не видны) в блоке цилиндров двигателя. Протекая по нагретым поверхностям каналов сброса, прокачиваемое масло нагревается, и стекает обратно в картер 14 двигателя. При смешивании с более холодным маслом в картере, общая температура масла возрастает. Этот процесс
продолжается, пока температура масла в картере не достигнет предпускового значения температуры. Выполнение указанных температурных условий фиксируется контроллером 17 по данным от датчика температуры масла 19 в одном из циклов измерения, и, электропитание с двигателя дополнительного масляного насоса 12 отключается. Процесс прокачки, а, следовательно, и нагрева масла не возобновится до тех пор, пока температура масла не снизится ниже предпускового значения. Эти температурные условия фиксируются контроллером 17, который опять подключает электропитание на двигатель дополнительного масляного насоса 12, и, процесс прокачки масла, а соответственно и нагрева масла возобновляется.
Для исключения колебательного режима управления дополнительным масляным насосом 12 и вывода его из строя в области установившегося значения температуры (предпусковой температуры) масла контроллер 17 программно увеличивает значение пороговой температуры масла на отключение дополнительного масляного насоса 12 относительно записанного в памяти значения предпусковой температуры на величину, большую погрешности измерения температуры.
При выдаче с контроллера 17 команды на включение жидкостных подогревателей 1 и 2 происходит их запуск в работу с включением помп прокачки теплоносителя. Прокачиваемый через работающие жидкостные подогреватели 1 и 2, теплоноситель нагревается за счет тепла, выделяемого при сгорании топлива в камерах сгорания указанных подогревателей.
Согласно схеме подключения, представленной на фигуре, при одновременной работе помп прокачки двух жидкостных подогревателей 1 и 2 и неработающей помпе системы охлаждения двигателя, обратный клапан 10 в основной магистрали системы охлаждения двигателя 7, за счет разности давлений между входами-выходами жидкостных подогревателей 1, 2 и точками их подсоединения с дополнительными трубопроводами 3, 4 и 5, 6 к основной магистрали системы охлаждения, закрывается, а обратные клапаны 8 и 9 открываются, за счет меньшей производительности и пропускной способности
трактов прокачки теплоносителя в подогревателях 1 и 2, по сравнению с производительностью помпы и пропускной способностью системы охлаждения двигателя. Это обеспечивает движение теплоносителя по всему штатному контуру основной магистрали системы охлаждения двигателя 7 в обход участка с клапаном 10, по дополнительным трубопроводам 5 и 6, через жидкостные подогреватели 1 и 2, обратные клапаны 8 и 9, и далее, по дополнительным трубопроводам 3 и 4 к двигателю 11.
При работе только одного из двух жидкостных подогревателей 1 и 2, например подогревателя 1, и неработающей помпе штатной системы охлаждения двигателя 7 обратный клапан 9 неработающего жидкостного подогревателя 2 и обратный клапан 10 в магистрали системы охлаждения закрывается из-за перепада давления охлаждающей жидкости от работающего жидкостного подогревателя 1, а обратный клапан 8 работающего подогревателя открывается за счет перепада давлений, создаваемого помпой работающего подогревателя, что исключает перетекание теплоносителя через неработающий подогреватель 2 и по участку основной магистрали с клапаном 10 между дополнительными трубопроводами 3, 4 и 5, 6 и обеспечивает протекание теплоносителя через работающий подогреватель 1 и далее, по основной магистрали системы охлаждения двигателя 7.
Прокачка теплоносителя через тракты подогревателей 1, 2 и по всему контуру системы охлаждения двигателя 11 обеспечивает условия для подогрева двигателя и поддержание его предпусковых температурных условий.
Факт подогрева двигателя до предпусковых температур фиксирует контроллер 17 по показаниям датчиков температуры 20 и 21, установленных соответственно на выходе каждого из жидкостных подогревателей 1 и 2. Контроллер 17 вычисляет соответствие измеренных значений температур теплоносителя на выходе подогревателей 1 и 2 предпусковому значению температуры охлаждающей жидкости двигателя, записанному в его памяти и регулирует процессы горения в камерах сгорания жидкостных подогревателей 1 и 2, не производя при этом отключение их помп прокачки теплоносителя.
При значениях измеренных температур охлаждающей жидкости на выходе жидкостного подогревателя 1 или 2, равных или больше предпусковых значений, записанных в памяти, контроллер 17 уменьшает процесс горения в камере сгорания соответствующего подогревателя до минимума или прекращает его и удерживает данный режим подогревателя. Это приводит к уменьшению температуры теплоносителя при его прокачке по системе охлаждения двигателя.
При снижении температуры теплоносителя ниже предпусковых значений, измеряемых датчиками температуры 20 и 21, контроллер 17 возобновляет процесс максимального горения в камере сгорания жидкостного подогревателя 1 или 2, что приводит к возрастанию температуры теплоносителя. Учитывая большую тепловую инерционность теплоносителя, процесс поддержания предпусковой температуры двигателя носит апериодический характер, и в установившемся режиме значения температур двигателя и теплоносителя на выходе подогревателей 1 и 2 будут совпадать.
Контроллер 17 осуществляет автоматизированный контроль над процессом подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателя, а также техническую диагностику исправности жидкостных подогревателей 1, 2 и дополнительного масляного насоса 12 по программам анализа законов изменения температуры нагреваемых сред во времени.
По указанным программам контроллер устанавливает соответствие или несоответствие параметров законов (вид закономерности, скорости нарастания-уменьшения температуры) нагрева теплоносителя в системе охлаждения двигателя (масла в картере двигателя) в течение определенного интервала времени при выдаче-снятии команд на нагрев и установившихся значений температуры этих сред параметрам, записанным в его памяти.
При соответствии параметров нагрева масла и теплоносителя и установившихся значений температуры этих сред параметрам, записанным в памяти контроллера, принимается решение о нормальном функционировании элементов и всей системы подогрева.
При несоответствии параметров нагрева масла и теплоносителя и установившихся значений температуры этих сред параметрам, записанным в памяти контроллера, принимается решение о неисправности того или иного элемента.
При возникновении неисправности и ее выявлении контроллер 17, по записанной в нем программе, автоматически отключает неисправный элемент системы подогрева, выводит информацию о неисправности на пульт управления 22 и передает с помощью GSM модуля 18 на заранее записанные номера сотовых телефонов обслуживающего персонала условные сигналы о возникших неисправностях, например, голосовые или текстовые SMS сообщения.
Отключение системы подогрева осуществляют после прогрева двигателя и масла до предпусковых значений температур перед пуском двигателя с пульта управления 22 путем выдачи соответствующей команды на контроллер 17. Контроллер 17 по записанной в нем программе реализует отключение масляного насоса 12 от автономного источника электропитания 23 и безопасное отключение жидкостных подогревателей 1 и 2 (в камерах сгорания жидкостных подогревателей 1 и 2 дожигаются остатки топлива до полной остановки горения, и производится их продувка заборным воздухом, а помпы прокачки теплоносителя отключаются только после стабилизации и отсутствия возрастания температуры теплоносителя на выходе жидкостных подогревателей 1 и 2, контролируемых датчиками температуры 20 и 21).
При отказе отключения подогревателей 1 и 2 (отсутствии факта стабилизации температуры на выходе жидкостных подогревателей 1 и 2 или возрастания температуры) контроллер 17 по записанной в нем программе классифицирует данную ситуацию как отказ функционирования подогревателей 1 и 2, не отключает помпы прокачки подогревателей 1 и 2, и производит формирование и передачу речевых и текстовых SMC сообщений обслуживающему персоналу на заранее записанные номера сотовых телефонов до тех
пор, пока система подогрева не будет отключена оператором принудительно.
В выключенном состоянии системы подогрева контроллер 17 остается включенным, и, по содержащейся в нем программе, продолжает следить за температурой масла и охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя 11 и обеспечивает выдачу значений этих температур на сотовые телефоны операторов по их запросу через GSM модуль 18. После успешного отключения системы подогрева оператор может произвести запуск двигателя по штатной инструкции.
После отключения оператором с помощью пульта управления 22 системы подогрева и включения двигателя в штатном режиме его работы движение теплоносителя в основной магистрали системы охлаждения двигателя 7 происходит следующим образом. Все обратные клапаны 8, 9 и 10 открываются, за счет разности давлений, создаваемой помпой двигателя 11, и, теплоноситель проходит как по основной магистрали системы охлаждения двигателя 7 через обратный клапан 10, так и через дополнительные направления, образованные дополнительными трубопроводами 5 и 6, жидкостными подогревателями 1 и 2, обратными клапанами 8 и 9, дополнительными трубопроводами 3 и 4, не нарушая штатных режимов работы систем охлаждения и подогрева двигателя.
Возможно включение системы подогрева и ее функционирование при работающем двигателе. Движение теплоносителя в основной магистрали системы охлаждения 7 в этом случае происходит следующим образом. Все обратные клапаны 8, 9 и 10 открываются за счет разности давлений, создаваемой помпой двигателя и помпами подогревателей 1 и 2, а также большей производительности помпы двигателя относительно помп подогревателей 1 и 2. Протекание теплоносителя происходит по основной магистрали штатной системы охлаждения 7 как через обратный клапан 10, так и через дополнительные направления, образованные дополнительными трубопроводами 5 и 6, жидкостными подогревателями 1 и 2, обратными клапанами 8 и 9,
дополнительными трубопроводами 3 и 4, не нарушая штатных режимов работы систем охлаждения двигателя и подогрева.
Автономная автоматическая система подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности позволяет в автоматическом режиме осуществлять подогрев и поддержание предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности в течение длительных интервалов времени в условиях низких температур окружающей среды, обеспечивает за счет этого экономию топлива, сохранение моторесурса и упрощение условий эксплуатации двигателя, а также контроль над указанными процессами и передачи данных контроля обслуживающему персоналу.