СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING THERMAL STATE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH LIQUID COOLING AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к контролю теплового состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с жидкостным охлаждением.
Известно, что надежность и ресурс современных ДВС лимитируется их теплонапряженностью (см. Иванов Л.А. Теплонапряженносгь и эксплуатационная надежность цилиндро-поршневой группы судового дизеля. Мурманск, 1974. С. 205; Джаллел З. Методология определения теплового состояния деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей. Вестник Астраханского Государственного Технического Университета. №2, 2005. С. 30-36).
Для обеспечения нормального теплового состояния используют системы жидкостного охлаждения ДВС. Причем теплоотдача в воду, как правило, осуществляется в режиме пузырькового кипения недогретой жидкости (см. Колтин И.П. Факторы, определяющие теплоотдачу к охлаждающей жидкости в ДВС. Двигателестроение, Ν 1, 1989, с. 5-8).
При эксплуатации ДВС с перегрузкой, а также в условиях повышенной температуры наружного воздуха и забортной воды, при применении присадок, снижающих поверхностное натяжение охлаждающей жидкости, возможен переход от пузырькового к пленочному кипению с резким (на порядок) уменьшением коэффициента теплоотдачи (см. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1981, с. 257-270).
При этом происходит перегрев деталей цилиндро-поршневой группы и образование трещин на втулках и крышках цилиндров (см. Никитин Е.А. и др Диагностирование дизелей. М.: Машиностроение, 1987, с. 61-63).
В современных ДВС автоматически поддерживается постоянство температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя. Поэтому эта температура не может служить параметром, характеризующим тепловое состояние двигателя (см. Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. М., Регулирование температурного режима, Транспорт, 1988, с. 210).
Известен способ контроля теплового состояния ДВС, заключающийся в измерении температур его деталей с помощью термопар (см. Костин А.К., Пугачев Б.П., Кочинев Ю.Ю. Работа дизелей в условиях эксплуатации. Л.: Машиностроение, 1989, с. 257-265; Петров Б.Н. Исследование температуры цилиндровой втулки как параметра технического диагностирования ЦПГ судового дизеля. Автореферат дис. на соиск. уч. степ. к.т.н. Л., 1981).
Этот способ имеет ряд недостатков:
- установка термопар производится в 2-4 наиболее доступных точках остова двигателя, положение которых может не совпадать с местами перехода от простой конвекции к пузырьковому, а затем пленочному кипению;
- способ дает локальную, а не интегральную характеристику теплового состояния двигателя;
- прокладка электрических коммуникаций через полости охлаждения часто приводит к разрушению изоляции, обрывам проводов потоком охлаждающей жидкости;
- установка электрических проводов в сверлениях деталей снижает их надежность.
Известен способ контроля теплового контроля ДВС по инфракрасному излучению их наружных поверхностей (см. Безюков O.K., Кардаков А.А. Средства для контроля теплового состояния деталей остова судовых дизелей. Журнал университета водных коммуникаций, 2009. Вып. 2. - с. 83-90; Безюков O.K., Кардаков А.А., Шаршавин С.В. Диагностирование технического состояния судовых дизелей по инфракрасному излучению их наружных поверхностей.
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет оценить тепловое состояние деталей, непосредственно примыкающих к поверхностям камеры сгорания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату аналогом заявляемого устройства является система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания по авт.св. СССР №1379471, МПК F01P 3/20, 1988. Указанная система охлаждения содержит контур циркуляции воды, трубопроводы, циркуляционный насос, охладитель воды, расширительную цистерну и деаэратор.
Недостатком прототипа является недостаточная точность и достоверность определения теплового состояния ДВС.
Техническим результатом от использования заявляемых технических решений является повышение точности и полноты диагностирования теплового состояния двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением путем измерения интенсивности парообразования во внутреннем контуре системы охлаждения.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: в способе определения теплового состояния двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, основанном на измерении параметра, характеризующего тепловое состояние ДВС, в отличие от прототипа в качестве параметра, характеризующего тепловое состояние ДВС, измеряют содержание пара в охлаждающей жидкости или его расход, для чего производят отбор пара из внутреннего контура системы охлаждения, определяют расходы пара и охлаждающей жидкости, а затем сбрасывают пар в расширительную цистерну.
При этом при диагностировании технического состояния двигателя измеряют частоту вращения коленчатого вала и характеризующий нагрузку двигателя параметр: крутящий момент, или среднее индикаторное давление, или положение рейки топливного насоса высокого давления, также измеряют температуру и давление рабочих сред: топлива, или масла, или охлаждающей воды, или воздуха, также измеряют интенсивность парообразования: объемное или массовое паросодержание в охлаждающей воде и сравнивают ее с эталонным значением парообразования, известным для тех же условий эксплуатации.
Для реализации заявляемого способа предложено устройство, содержащее собственно ДВС, систему жидкостного охлаждения с циркуляционным насосом внутреннего контура, терморегулятором, водо-водяным холодильником, трубопроводы и контрольно-измерительную аппаратуру, при этом на трубопроводе отвода охлаждающей жидкости из остова двигателя установлено устройство разделения воды и пара, на выходе паровой фазы которого установлено устройство для измерения расхода пара. При этом устройство разделения воды и пара имеет пароотборник, представляющий собой полый перфорированный цилиндр, расположенный во внутренней полости устройства разделения воды и пара на его продольной оси, причем верхний выход пароотборника, представляющий собой выход паровой фазы указанного устройства, соединен через трубопровод отвода пароводяной смеси с расширительной цистерной, а нижний выход этого устройства соединен с помощью трубопровода отвода воды с терморегулятором. В свою очередь на трубопроводе отвода пароводяной смеси установлена кондуктометрическая ячейка, соединенная с системой измерений и аварийно-предупредительной сигнализацией.
Сопоставление предлагаемых способа и устройства и прототипов показало, что поставленная задача - повышение точности и полноты диагностирования путем измерения интенсивности парообразования во внутреннем контуре системы охлаждения, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Вместе с тем проведенный информационный поиск в области контроля теплового состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с жидкостным охлаждением, в частности анализ научно-технической, патентной, производственной и рекламной литературы, не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность способа определения теплового состояния двигателя внутреннего сгорания иллюстрируется следующим примером.
Во время работы ДВС (судового дизеля) во внутреннем контуре охлаждения циркулирует охлаждающая вода, имеющая температуру на выходе 70-95°С, т.е. меньше температуры кипения. Однако часть деталей, образующих зарубашечное пространство (верхней части втулок и крышки цилиндров), имеют температуру существенно выше 100°С. В результате имеет место поверхностное кипение недогретой жидкости с выделением паровых пузырьков. Интенсивность образования пара или его объемное (массовое) содержание в охлаждающей жидкости зависит от температуры омываемых стенок.
Для реализации указанного способа производят отбор пара из внутреннего контура системы охлаждения, определяют расходы пара и охлаждающей жидкости, а затем сбрасывают пар в расширительную цистерну.
Таким образом, измерение количества пара, образующегося в охлаждающей жидкости и/или его объемный или массовый расход, является мерой теплового состояния ДВС.
Устройство для осуществления способа иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображен ДВС (судовой дизель) с жидкостной системой охлаждения; на фиг. 2 - устройство разделения воды и пара.
Устройство для осуществления способа содержит двигатель внутреннего сгорания (судовой дизель) 1, в полости охлаждения которого с помощью насоса 2 по трубопроводу 3 нагнетается охлаждающая жидкость, выходящая из двигателя по трубопроводу 4 и поступающая в терморегулятор 5, после которого охлаждающая жидкость полностью или частично поступает по трубопроводу 6 в водо-водяной холодильник 7, а затем трубопровод 8.
Расширительная цистерна 9 соединена с системой охлаждения трубопроводами 10 и 11.
На трубопроводе 4 установлено устройство разделения воды и пара 12, пароотборник 13 которого соединен с трубопроводом 10, на котором в свою очередь установлено устройство для измерения расхода пара 14 (массового или объемного паросодержания).
Для измерения расхода воды во внутреннем контуре после насоса 2 установлено устройство для измерения расхода воды 15 (турбинный или ультразвуковой расходомер). Нижний выход устройства разделения воды и пара 12 соединен с помощью трубопровода отвода воды 16 с терморегулятором 5.
Устройство по заявленному способу работает следующим образом.
В процессе работы двигателя 1 с помощью насоса 2, трубопроводов 3, 4, 6 и 8 обеспечивается циркуляция охлаждающей жидкости, которая на входе в устройство имеет температуру 70-95°С.
Для ее охлаждения используют терморегулятор 5, который полностью или частично направляет охлаждающую жидкость в водо-водяной холодильник 7. При этом среднемассовая температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя не достигает температуры кипения. Однако температура стенок полостей охлаждения, примыкающих к рабочему объему двигателя, превышает 100-150°С. Это приводит к интенсивному поверхностному кипению и образованию большого количества пара, который по теплоизолированным трубам трубопроводов 4 и 10 сбрасывается в расширительную цистерну 9 (см. Влияние поверхностного кипения на скорость движения жидкости и теплообмен в зарубашечном пространстве дизеля. Кривов В.Г. и др. Двигателестроение, №12, 1986, с. 6, 7 и 13).
В высокотемпературных системах охлаждения процесс образования пара происходит еще более интенсивно.
На режиме измерения теплового состояния ДВС при заданных (измеренных) значениях мощности (крутящего момента, среднего индикаторного давления, положения рейки топливного насоса высокого давления) и частоты вращения коленчатого вала (средства измерения на чертеже не показаны) пар от каждого цилиндра или от всех вместе через трубопровод 4 направляется в устройство для измерения расхода пара 14. Для измерения его расхода может быть применен расходомер для двухфазных потоков (см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л., 1989, глава 33. Измерение расхода двухфазных веществ. С. 622-641; Авт. св. СССР №913208, МПК G01N 27/02, 1982; Авт. св. СССР №1286983, МПК G01N 27/02, 1987).
Уменьшение расхода пара (конденсата) по сравнению с эталонным значением свидетельствует об ухудшении теплоотдачи на данном режиме, увеличение - о росте температуры деталей, например из-за износа зеркала втулок цилиндров, поршневых колец, нарушении в системе топливоподачи.
Бурное парообразование свидетельствует об аварийной ситуации, отказе насосов охлаждения, терморегуляторов, прорыве газов в зарубашечное пространство.
Таким образом, достигнутым техническим результатом изобретения является более полная информативность и точность диагностирования теплового состояния ДВС, т.к. обеспечивается контроль за состоянием не отдельных деталей двигателя, а всего остова, омываемого охлаждающей жидкостью. В свою очередь заявляемое устройство обеспечивает простоту и надежность процедуры, т.к. не требует сложных измерительных устройств, прокладки электрических коммуникаций, сверления остова ДВС и др. Вместе с тем использование способа позволяет создать условия нормального теплового состояния двигателя, его высокую экономичность и ресурс.
Предлагаемое изобретение было создано специалистами кафедры теории и конструкции судовых ДВС ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательской работы. Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемых изобретений для диагностирования теплового состояния современных высокофорсированных дизельных двигателей, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности их промышленного применения.