Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания со средствами для предпусковой тепловой подготовки охлаждающей жидкости и масла, а также аккумулирования тепла из отработавших газов, и может быть использовано при эксплуатации двигателя внутреннего сгорания на железнодорожном транспорте в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха.
Известно устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее замкнутый контур циркуляции с водяной рубашкой охлаждения и радиатором, подключенные к этому контуру теплоизолирующий резервуар и перекачивающий агрегат. С целью сокращения времени на запуск, замкнутый контур циркуляции снабжен сливным баком, подключенным между радиатором и рубашкой, и водо-водяным теплообменником, подключенным к водяной рубашке, перекачивающий агрегат выполнен пневматическим, а теплоизолирующий резервуар выполнен с верхним и нижним бачками и установлен над водяной рубашкой двигателя, причем верхний бачок резервуара соединен со сливным баком, а нижний бачок заполнен жидкостью, и в ней размещен водо-водяной теплообменник (а.с. РФ №1175215, МПК F02N17/06, опуб. 12.05.1986, автор Облап Л.М «Устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания»).
Недостатком данного изобретения является слабый прогрев двигателя внутреннего сгорания в условиях низких отрицательных температур, малая утилизация тепла.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания состоящая из системы охлаждения и наддува, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий последовательно установленные первый, второй и третий теплоаккумуляторы, теплообменник отработавших газов, соединенный с выхлопной трубой двигателя, насос, а также теплообменник, размещенный в поддоне картера, причем указанные теплоаккумуляторы выполнены в виде теплоаккумуляторов теплоемкостного типа с различными температурой теплоносителя и тепловыми потенциалами, кроме того третий теплоаккумулятор имеет теплообменник с теплоаккумулирующим материалом - водой под давлением, каждый из указанных теплоаккумуляторов установлен с возможностью поочередного включения его в контур циркуляции жидкого теплоносителя при помощи распределителей, при этом второй и третий теплоаккумуляторы соединены между собой при помощи делителя потока, содержит подогреватель жидкости, всасывающий трубопровод с ответвлением к подогревателю, входной трубопровод подведен к нему через двухпозиционный распределитель, выхлопная труба двигателя переоборудована в теплообменник отработанных газов, (изобретение РФ №2211943, МПК F02N 17/06, опуб. 10.09.2003, авторы Карнаухов Н.Н и др, «Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания»).
Недостатком этой системы является слабый прогрев двигателя внутреннего сгорания в условиях низких отрицательных температур, малая утилизация тепла.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом технического решения является повышение температуры прогрева двигателя внутреннего сгорания в условиях низких отрицательных температур, за счет максимальной утилизации тепла.
Технический результат достигается тем, что система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания состоящая из системы охлаждения и наддува, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий последовательно установленные первый, второй и третий теплоаккумуляторы, теплообменник отработавших газов, соединенный с выхлопной трубой двигателя, насос, а также теплообменник, размещенный в поддоне картера, причем указанные теплоаккумуляторы выполнены в виде теплоаккумуляторов теплоемкостного типа с различными температурой теплоносителя и тепловыми потенциалами, кроме того третий теплоаккумулятор имеет теплообменник с теплоаккумулирующим материалом - водой под давлением, каждый из указанных теплоаккумуляторов установлен с возможностью поочередного включения его в контур циркуляции жидкого теплоносителя при помощи распределителей, при этом второй и третий теплоаккумуляторы соединены между собой при помощи делителя потока, содержит подогреватель жидкости, всасывающий трубопровод с ответвлением к подогревателю, входной трубопровод подведен к нему через двухпозиционный распределитель, выхлопная труба двигателя переоборудована в теплообменник отработанных газов, при этом согласно изобретению в систему предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания дополнительно введены калорифер, два распределителя, один установлен на трубопроводе охлаждения водомасляного теплообменника, второй на трубопроводе входа в основной водяной насос, водовоздушный теплообменник, который установлен на трубопроводе выхода из турбокомпрессора, вход которого соединен с двигателем внутреннего сгорания, турбокомпрессор, который установлен на выходе двигателя внутреннего сгорания, основной и малый водяные насосы, холодильник с двумя секциями и расширительным баком с датчиком уровня, первая его секция соединена через основной водяной насос с основным контуром охлаждения двигателя внутреннего сгорания, вторая секция холодильника соединена через малый водяной насос с водовоздушным теплообменником, образуя малый контур охлаждения, выход из водовоздушного теплообменника соединен с входом водомасляного теплообменника, выход которого в свою очередь соединен с секциями холодильника, образуя контур подогрева водомасляного теплообменника, причем на входе первого теплоаккумулятора после насоса установлен калорифер, который подает теплый воздух на вход малого контура охлаждения.
Введение основного контура охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащего расширительный бак, секции холодильника основного контура охлаждения, основной водяной насос, основной контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания и малого контура охлаждения двигателя внутреннего сгорания, состоящего из секции охлаждения малого контура, малого водяного насоса, водомасляного теплообменника, калорифера и системы наддува двигателя внутреннего сгорания, содержащая турбокомпрессор, водовоздушный теплообменник наддувочного воздуха, воздухозаборник компрессора турбокомпрессора, топливоподогреватель, позволяют максимально утилизировать тепло, которое направлено на прогрев двигателя внутреннего сгорания в условиях низких отрицательных температур.
На фиг. представлена принципиальная система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания.
Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, теплообменника 2 расположенного в картере двигателя внутреннего сгорания, теплообменник отработавших газов 3, первый теплоаккумулятор 4, второй теплоаккумулятор 5, третий теплоаккумулятор 6, всасывающий трубопровод 7, насос 8, электродвигатель 9, напорная линия 10, трехпозиционный распределитель 11, трубопровод подключения к теплообменнику 12, сливные трубопроводы 13,14, трубопровод 15, трехпозиционный распределитель 16, двухпозиционные распределители 17, 18, 19, сливной трубопровод двигателя внутреннего сгорания 20, трубопровод к трехпозиционному распределителю 21, трубопровод третьего теплоаккумулятора 22, делитель потока 23, трубопровод в который установлен обратный клапан 24, обратный клапан 25, трубопровод в который установлен обратный клапан 26, обратный клапан 27, трубопровод соединения с трехпозиционным распределителем 28, подогреватель 29, всасывающий трубопровод, связанный с насосом 30, входной трубопровод 31, двухпозиционный распределитель 32, трубопровод прокачки теплоносителя 33, датчики температуры теплоносителя в первом, втором и третьем теплоаккумуляторах 34, 35, 36, трубопровод 37, турбокомпрессор 38, малый водяной насос 39, основной водяной насос 40, водовоздушный теплообменник наддувочного воздуха 41, водомасляный теплообменник 42, секция холодильника малого контура 43 и секция холодильника основного контура охлаждения 44, расширительный бак 45, топливоподогреватель 46, калорифер 47, трубопровод основного контура охлаждения двигателя внутреннего сгорания 48, трубопровод слива основного контура охлаждения 49, трубопровод водовоздушного теплообменника наддувочного воздуха 50, трубопроводы охлаждения водомасляного теплообменника 51, 52, 53, трубопроводы топливоподогревателя 54, 55, трубопроводы калорифера 56, 57, воздухозаборник компрессора турбокомпрессора 58, трубопровод на выходе из компрессора турбокомпрессора 59, трубопровод на входе в двигатель внутреннего сгорания 60, трубопровод на входе в турбину турбокомпрессора 61, трубопровод на входе в теплообменник 62, трубопровод на входе в основной водяной насос 63, датчик уровня 64.
Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания работает в следующих режимах: зарядка теплоаккумуляторов, хранение тепла, предпусковой прогрев (разрядка). В период зарядки, когда двигатель внутреннего сгорания 1 работает двухпозиционные распределители 18, 19 закрыты. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания 1, содержащая расширительный бак 45 с датчиком уровня 64, основной контур циркуляции, включающий секции охлаждения 44, основной водяной насос 40, трубопроводы 48,49,63 и малый контур циркуляции, включающий секции охлаждения 43, малый водяной насос 39, водомасляный  теплообменник 42 с трубопроводами 51, 52, 53, топливоподогреватель 46 с трубопроводами 54, 55, калорифер 47 с трубопроводами 56,57, водовоздушный теплообменник 41 с трубопроводами 50,51 заполнены охлаждающей жидкостью. Основной 40 и малый 39 водяные насосы обеспечивают циркуляцию охлаждающей жидкости. Воздух в двигатель внутреннего сгорания 1 поступает по воздухозаборнику 58, сжимается в компрессоре турбокомпрессора 38, по трубопроводу 59 поступает в водовоздушный теплообменник 41 и по трубопроводу 60 поступает в двигатель внутреннего сгорания 1. Отработавшие газы по трубопроводу 61 поступают в турбину турбокомпрессора 38, а из нее по трубопроводу 62 поступают в теплообменник отработавших газов 3. Машинист включает цепи питания двухпозиционного распределителя 17 (распределитель открывается) и включается привод электродвигателя насоса 8. Насос 8 забирает охлаждающую жидкость из теплоаккумулятора 4 и по всасывающим трубопроводам 7 и 33, а также по трубопроводам 30 и 20 прокачивается теплоноситель через теплообменник отработавших газов 3, где он нагревается. Нагретый теплоноситель по трубопроводам 14 и 21 через распределитель 16 (позиция а) через трубопровод 28 поступает в теплоаккумулятор 6. Теплоаккумулятор 5 и теплоаккумулятор 6 включены последовательно друг другу через трубопровод 22 и делитель потока 23. В теплоаккумуляторе 5 происходит нагрев антифриза, а в теплоаккумуляторе 6 теплоаккумулирующего материала. Когда температура в теплоаккумуляторе
5 достигнет 120°С, что фиксируется датчиком температуры 34, магнит делителя потока 23 (позиция а) обесточивается и нагрев антифриза в теплоаккумуляторе 5 прекращается. Нагретый поток антифриза, пройдя через теплоаккумулятор 6, направляется на слив (позиция 6 делителя потока 23) через трубопровод 24 и обратный клапан 25. Температура теплоаккумулирующего материала в теплоаккумуляторе 6, достигнув 170°С, фиксируется датчиком температуры 35, процесс зарядки теплоаккумулятора
6 завершен. После окончания работы двигателя внутреннего сгорания горячая охлаждающая жидкость из системы охлаждения и подрубашечного пространства двигателя внутреннего сгорания 1 самотеком через распределитель 11 (позиция в) сливается в теплоаккумулятор 4.
Первоначально из теплоаккумулятора 4, система охлаждения и подрубашечное пространство двигателя внутреннего сгорания 1 заполняется горячим теплоносителем. Для этого машинист включает цепи питания магнита распределителей 11 (позиция а) и 19, а также электродвигателя 9 привода насоса 8. Теплоаккумулятор 4 опорожняется, процесс прекращается автоматически, согласно показанию датчика уровня 64. При умеренных морозах этой тепловой подготовки достаточно для пуска двигателя внутреннего сгорания 1.
На втором этапе тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания 1 следует образовать контур: насос 8, распределитель 11, трубопровод 12, теплообменник 2 картера, трубопроводы 13, 14, 15 и 21, распределитель 16 (позиция в), трубопровод 37, теплоаккумулятор 5, делитель потока 23, теплоаккумулятор 6. В связи с тем, что охлажденный в двигателе внутреннего сгорания 1 теплоноситель после перемешивания в теплоаккумуляторе 5 может достигнуть температуры ниже 110°С, то для достижения максимальной температуры прогрева двигателя внутреннего сгорания 1 следует воспользоваться показанием датчика температуры 36 для пропорционального изменения тока питания электромагнита делителя потока 23. В результате часть потока теплоносителя, прошедшего теплоаккумулятор 5, пойдет прежним путем через обратный клапан 27, а другая - через теплоаккумулятор 6, где температура теплоносителя повысится. Оба потока теплоносителя на выходе из теплоаккумулятора 6 смешиваются и направляются к насосу 8. Чем холоднее теплоноситель на выходе теплоаккумулятора 5, тем большая часть ее потока проходит через теплоаккумулятор 6, что регулируется величиной тока питания магнита делителя потока 23 согласно показанию датчика температуры 38. Когда возможности теплоаккумулятора 5 и теплоаккумулятора 6 по поддержанию температуры охлаждающей жидкости исчерпаны, ток питания магнита делителя потока 23 максимален. Весь поток охлаждающей жидкости проходит последовательно через теплоаккумулятор 5 и теплоаккумулятор 6. Температурный напор снижается в холод до 10°С (в соответствии с показаниями датчиков температуры 34 и 36), теплоперенос от теплоаккумулятора 5 и теплоаккумулятора 6 к двигателю внутреннего сгорания 1 практически прекратится. Нагрев двигателя внутреннего сгорания 1, как правило, будет достаточен для его пуска, но при очень сильных морозах или в условиях продолжительного простоя двигателя внутреннего сгорания 1, тепловую подготовку двигателя внутреннего сгорания необходимо продолжить. Для этого рассматривается третий этап. В контур циркуляции следует включить источник первичного тепла от подогревателя 29. При этом магниты распределителя 16 и делителя потока 23 обесточиваются, и распределители возвращаются в исходное положение. После этого ток питания подается к магниту распределителя 32, образуется новый контур циркуляции охлаждающей жидкости, состоящий из насоса 8, трубопровода 10, распределителя 11, теплообменника 2 картера, трубопроводов 13, 14, 31, распределителя 32, подогревателя 29 и выходного трубопровода 30.
Предлагаемое устройство позволяет повысить температуру прогрева двигателя внутреннего сгорания на 5-10°С, сократить расход топлива на прогрев 15-20%, сократить время стоянки на прогреве тепловоза на 10-15 мин, повысить ресурс двигателя внутреннего сгорания.