СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) относится к двигателестроению и может быть использована в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, в том числе в судовых дизелях портовых буксиров, толкачей, промысловых судов и т.п.
Работа большей части вышеназванных судов в условиях эксплуатации характеризуется частыми и резкими сменами режимов. Например, работа портового буксира практически полностью связана с неустановившимся режимом, частыми остановками и пусками. Спектр по нагрузке весьма велик. Так, хронометраж работы главного двигателя внутреннего сгорания морского портового буксира [1], осуществляющего буксировку судов большой парусности в стесненных условиях при сильном ветре показал, что при общей 14 часовой работе двигателя за каждый час были произведены 29 пусков и 102 хода. Из них «Самый малый» - 60; «Малый» - 27; «Средний» - 3; «Задний» - 12.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что современные системы охлаждения, спроектированные для условий номинального режима двигателей, при работе на малых нагрузках, несмотря на наличие термостатирующих устройств, не обеспечивают поддержание заданного уровня температуры систем охлаждения и приводят к переохлаждению двигателя, особенно в холодное время года.
Таким образом, изменение нагрузок двигателя приводит к нарушению оптимальных параметров теплового состояния двигателя, что оказывает, как правило, отрицательное влияние на характер протекания рабочего процесса в цилиндрах. В результате ухудшаются технико-экономические и экологические показатели работы транспортных ДВС.
Известна система охлаждения для ДВС автомобиля с радиатором и клапаном термостата [2], при помощи которого температура охлаждающего вещества может регулироваться в режиме прогрева, смешанном режиме и в режиме охладителя. Клапан термостата содержит элемент из расширяющего материала, для понижения температуры охлаждающего вещества может электрически нагреваться.
Данная система охлаждения в основном работает в 3-х режимах. В первом режиме поток охлаждающего вещества полностью направляется обратно на двигатель. Во втором режиме система охлаждения работает в смешанном режиме, т.е. с двигателя охлаждающая жидкость частично идет через радиатор и частично обратно на двигатель. В третьем режиме работы система охлаждения работает в режиме охладителя, т.е. охлаждающая жидкость в основном полностью направляется через радиатор обратно на двигатель. При такой конструкции термостата на режимах холостого хода и частичных нагрузках удается поддерживать температуру в системе охлаждения 105°С.
Предлагаемое устройство является системой охлаждения закрытого типа, поэтому данная система не может быть использована в системах охлаждения судовых ДВС, т.к. в судовых двигателях используются открытые системы охлаждения. Температура в открытых системах охлаждения, хотя может быть доведена до 100°С, но как показывают исследования, что при температуре охлаждающей воды выше 97°С приводит к пристенному кипению и возникает опасность появления пленочного кипения в зарубашечном пространстве, что недопустимо в ДВС. Кроме того, при температуре охлаждающей воды выше 90°С в открытой системе охлаждения отмечаются значительные потери охлаждающей воды испарением.
Наиболее близким техническим решением является «Система охлаждения ДВС» [3]. Система охлаждения двигателя содержит внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий полости охлаждения двигателя, терморегулятор, выполненный в виде трехходового крана с электрическим исполнительньм механизмом, циркуляционный насос, жидкостно-жидкостной теплообменник, датчик температуры охлаждающей жидкости, блок регулирования (управления) температуры, электротермоохладитель; внешний контур, состоящий из насоса, кингстона.
Данная система охлаждения двигателя имеет следующие недостатки. Электротермоохладитель имеет низкую эффективность, потребляет много электроэнергии, на режимах холостого хода и частичных нагрузок не предусмотрено повышение температуры охлаждающей жидкости до 95°С.
Заявляемое устройство решает задачу создания системы охлаждения транспортного двигателя с открытым внутренним контуром и закрытым внутренним
контуром, которые в зависимости от нагрузки и эксплуатации могут переходить из открытого состояния в закрытое или наоборот.
Техническим результатом при этом является создание системы охлаждения с «отрицательной» статической характеристикой, т.е. обеспечение на режимах холостого хода и частичных нагрузок более высокую температуру охлаждающей воды (в судовых дизелях в системах охлаждения используется вода), нежели на номинальных, в пределах зоны неравномерности, что позволяет достижения оптимального теплового состояния на всех режимах работы двигателя. При этом повышается эффективная мощность, уменьшается удельный расход топлива, увеличивается ресурс двигателя.
Технический результат достигается тем, что в известной системе охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания, содержащей открытый внутренний контур системы охлаждения, включающий в себя электрический терморегулятор, циркуляционный насос, датчик температуры охлаждающей воды, теплообменник, расширительный бачок, электронный блок управления; внешний контур, состоящий из кингстона и циркуляционного насоса она дополнительно содержит закрытый внутренний контур системы охлаждения, выполненный в виде паровоздушного клапана, связанного через трехходовой кран с электрическим исполнительным механизмом, соединенным с внутренним открытым контуром системы охлаждения, а электрический исполнительный механизм трехходового крана подключен к блоку управления; причем система охлаждения дополнительно содержит датчик нагрузки, подключенный к задатчику, блок сравнения, вход которого подключен к датчику температуры и задатчику, а выход - к блоку управления, при этом блок управления выполнен программируемым с возможностью подключения системы охлаждения в зависимости от условий эксплуатации транспортного двигателя внутреннего сгорания к открытому или закрытому внутреннему контуру через пульт управления.
На приведенном чертеже представлена система охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания. Система охлаждения содержит (см. чертеж) двигатель 1, терморегулятор 2, связанный с помощью механической связи 3 с электрическим исполнительным механизмом 4, теплообменник 5, циркуляционный насос 6, датчик температуры 7, датчик нагрузки 8, трехходовой кран 9, электрический исполнительный механизм 10, расширительный бачок 11, паровоздушный клапан 12, задатчик 13, блок сравнения 14, электронный программируемый блок управления 15, эксплуатационный пульт управления 16 с
переключателями 17, 18; циркуляционный насос внешнего контура 19, кингстон 20, каналы охлаждающей жидкости: 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 и каналы электрических сигналов: 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39.
Из прилагаемого чертежа видно, что трехходовой кран 9 связан с электрическим исполнительным механизмом 10. В качестве исполнительного механизма может быть использован электродвигатель постоянной скорости, статическая характеристика которого является нелинейной, поэтому для линеаризации исполнительного механизма может быть использовано релейно-импульсное изменение входного сигнала. С помощью электрического исполнительного механизма 10 внутренний контур может быть подключен к расширительному бачку 11 и система охлаждения внутреннего контура становится открытой. В этом случае расширительный бачок 11 непосредственно связан с атмосферой, температура охлаждающей воды не должна превышать 85-90°С. Этот предел температуры охлаждающей воды в замкнутых открытых системах охлаждения ограничивается опасностью появления паровых пробок, нарушающие нормальные условия охлаждения и ведущие к местным перегревам двигателя.
Поэтому в данной системе охлаждения двигателя предусматривается паровоздушный клапан 12, который также подключается к внутреннему контуру системы охлаждения поворотом пробки (позиция на чертеже не обозначена) трехходового крана 9, при этом канал 27 закрывается, а канал 28 открывается и система внутреннего контура становится закрытой. В отличие от открытой системы охлаждения, где жидкостный тракт постоянно сообщается с атмосферой, связь с окружающим пространством в закрытой системе охлаждения осуществляется через паровоздушный клапан, который содержит впускной - воздушный и выпускной - паровой клапаны (на чертеже они показаны одной позицией 12). Паровой клапан регулируется на избыточное давление паров охлаждающей воды. Таким образом, при давлениях в системе ниже давления срабатывания парового клапана система изолирована (закрыта) от атмосферы. В этой системе охлаждения исключается кипение воды, т.к. появляется возможность повышения температуры воды до 120°С при повышении в системе охлаждения давления. При избыточном давлении в системе охлаждения паровоздушный клапан выпускает пар и воздух, а при понижении давления ниже атмосферного в систему через паровоздушный клапан поступает воздух.
Датчик нагрузки 8 через канал 34 подключен к задатчику 13, который в зависимости от нагрузки двигателя определяет величину температурного режима, и это значение по каналу 36 подается в блок сравнения 14. Одновременно в блок сравнения 14 по каналу 33 поступает сигнал от датчика температуры 7. В блоке сравнения 14 формируется сигнал сравнения и подает его в программируемый блок управления 15.
Программируемый блок управления 15 в зависимости от вариантов эксплуатации транспортного двигателя внутреннего сгорания выполняет следующие функции.
- производит с помощью электрического исполнительного механизма 10 подключение системы охлаждения к открытому или закрытому контуру системы охлаждения двигателя через пульт управления 10;
- выполняет распределение потока охлаждающей воды с помощью терморегулятора 2 на перепуск или на теплообменник 5.
- выполняет двухимпульсное регулирование.
Таким образом, сигнал управления, формирующийся на выходе блока управления, зависит от отклонений, как регулируемой температуры охлаждающей воды, так и текущего значения нагрузки (мощности). Это дает возможность использовать в системе охлаждения комбинированное регулирование, что приводит к улучшению качества регулирования на переменных нагрузках работы двигателя. Пульт управления 16 устанавливается в ходовой рубке судна и служит для включения режима работы системы охлаждения двигателя, т.е. в зависимости от условий эксплуатации двигателя пользователь определяет вариант работы системы охлаждения двигателя нажатием на переключатели 17 «Вариант №1. Маневренный режим. Система закрытая» или 18 «Вариант №2. Ходовой режим и остановка. Система открытая»
Охлаждающая вода внешнего контура системы охлаждения является забортной, в теплообменнике 5 происходит теплообмен между забортной водой и охлаждающей водой внутреннего контура, при этом забортная вода нагревается и может быть использована потребителями для судовых нужд или удалена за борт.
Терморегулятор 2 является электрическим. В качестве электрического исполнительного механизма может быть использованы электродвигатель, электромагнит, а также в случае использования терморегулятора с твердым
наполнителем электрический подогрев наполнителя дополнительно может осуществляться термоэлектрическими элементами или электронагревателем.
Система охлаждения транспортного двигателя работает следующим образом.
При неработающем двигателе терморегулятор 2 не работает, питание на электрический исполнительный механизм 10, блок управления 15 и пульт управления 16 не поступает.
После запуска двигателя 1 система охлаждения транспортного двигателя начинает работать. При этом пользователь должен определиться, на каком варианте должна работать система охлаждения двигателя. Пусть выбран вариант №1 «Маневренный режим». Тогда пользователь нажимает на переключатель 17 и по каналу 39 сигнал поступает в блок управления 15. В блоке управления формируется сигнал управления и подает его по каналу 35 в исполнительный механизм 10, который поворачивает пробку трехходового крана 9, при этом канал 28 открывается, т.е. свяжется через трехходовой кран 9 с каналом 26 внутреннего контура, а канал 27 закрывается и система охлаждения становится закрытой. Одновременно блок управления 15 формирует сигнал управления в результате обработки сигналов в блоке сравнения 14, полученных от датчиков температуры 7 и нагрузки 8 по каналам 33, 34. В результате воздействия этого сигнала на исполнительный механизм 4 терморегулятор 2 открывает канал 22, закрывает канал 23 и происходит повышение температуры охлаждающей воды, например до 95-100°С. При этом давление в системе становится выше атмосферного и регулируется паровоздушным клапаном 12. В этой закрытой системе охлаждения область пристенного кипения лежит за пределами 120°С.
i
При повышении температуры охлаждающей воды, наряду с ростом температуры деталей, наблюдается более равномерное распределение температур по толщине стенок, перепада температур воды на выходе из двигателя и входе в него и температурного перепада между охлаждающей водой и омываемыми стенками. В итоге снижаются тепловые напряжения и улучшаются условия работы деталей. С повышением температуры охлаждающей воды будет уменьшаться период задержки самовоспламенения т;. Особенно ощутимо изменение t, на малых нагрузках работы двигателя.
e
ен
ен
При повышении нагрузки выше Р≥0,4 Р (P - номинальная эффективная мощность двигателя) датчик нагрузки 8 подает сигнал изменения нагрузки в задатчик 13, который в зависимости от нагрузки определяет требуемый
температурный уровень в системе охлаждения и посылает его по каналу 36 в блок сравнения 14 и обработанный сигнал подается по каналу 37 в блок управления 15. В блоке управления 15 формируется сигнал управления. Этот сигнал по каналу 32 поступает в электрический исполнительный механизм 4 и в результате его воздействия на терморегулятор 2 происходит распределение потока охлаждающей воды на перепуск по каналу 22 и на теплообменник 5 по каналу 23. В теплообменнике 5 происходит теплообмен между потоком охлаждающей воды и забортной водой и температура охлаждающей воды во внутреннем контуре доводится до оптимального значения для данной нагрузки, например до 80-85°С.
При выборе варианта №2 «Ходовой режим и остановка» пользователь нажимает на переключатель 18 и по каналу 38 сигнал поступает в блок управления 15. В блоке управления 15 формируется сигнал управления и подает его в исполнительный механизм 10, который поворачивает пробку трехходового крана 9. При этом канал 28 закрывается, а канал 27 открывается и через трехходовой кран 9 свяжется с каналом 26 внутреннего контура и система охлаждения двигателя становится открытой. Одновременно блок управления 15 формирует сигнал управления и подает его на электрический исполнительный механизм 4, который приводит в действие терморегулятор 2 и регулированием потока охлаждающей воды на перепуск по каналу 22 и на теплообменник 5 по каналу 23, температура охлаждающей воды в канале 25 поддерживается в зависимости от нагрузки, например
e
ен
о.в
При Р≤0,4Р, Т=80-85°С;
е
ен
о.в
При Р≥0,4Р, Т=65-70°С.
В целях уменьшения напряжений, возникающих при остановке горячего двигателя, требуется заранее снижать мощность, переводя двигатель на режимы среднего, малого, а затем холостого хода. Поэтому при остановке двигателя независимо от номера варианта его работы, пользователь нажимает на переключатель 18 «Вариант №2. Ходовой режим. Остановка». Двигатель начинает работать на холостом ходу, при этом система охлаждения начинает работать по выше описанному варианту №2 и температура охлаждающей воды понижается. При достижении температуры охлаждающей воды 60°С двигатель останавливают.
Таким образом, благодаря данной конструкции удается создать систему охлаждения с «отрицательной» статической характеристикой, т.е. обеспечивать на малых нагрузках более высокую температуру охлаждающей воды, нежели на
больших, в пределах зоны неравномерности [4]. Использование электрического (электронного) терморегулятора в системах охлаждения двигателя внутреннего сгорания позволит наряду с регулированием по отклонению температуры охлаждающей воды осуществить дополнительное регулирование по возмущению, т.е. использовать комбинированное регулирование. Это приводит к повышению качества регулирования и к улучшению технико-экономических и экологических показателей двигателя транспортного средства, например портового буксира, промыслового судна и других транспортных средств.
Источники информации
1. Костин А.К. и др. Работа дизелей в условиях эксплуатации:справочник / А.К.Костин, Б.П.Пугачев, Ю.Ю.Кочинев; Под общ. Ред А.К.Костина. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - 284 с: ил.С.9.
2. Патент Германии, DE 4324178 A1, F 01 P 7/16, 3. Р 4324178.6 от 19.07.1993, опубл.26.01.199. Заявитель «Bayerische Motoren Werke AG» «Система охлаждения для автомобильного ДВС с клапаном термостата, содержащим элемент из расширяющего материала с электрическим нагревом».
3. Патент 2085753. Россия, МКИ F 01 Р 3/20. Система охлаждения ДВС / В.Н.Тимофеев, В.Л.Лаврентьев; Опубл. в БИ №21 от 27.07.97.
4. Тимофеев В.Н., Тузов Л.В. Использование электронного терморегулятора в системе охлаждения ДВС // Двигателестроение. 1999. №4. С.32-34.