Способ работы двигателя вспомогательной энергетической установки в условиях низких температур и устройство для его реализации
METHOD OF OPERATION OF AUXILIARY POWER PLANT ENGINE IN CONDITIONS OF LOW TEMPERATURES AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к осуществлению подготовки двигателя сгорания вспомогательной энергетической установки (ВЭУ) транспортного средства к пуску и может быть использовано при эксплуатации транспортного средства в условиях низких температур окружающего воздуха.
Область применения предлагаемого способа подготовки двигателя ВЭУ к пуску – эксплуатация транспортного средства преимущественно военного назначения, оснащенного вспомогательной энергетической установкой, при температуре окружающего воздуха преимущественно ниже +5°С (далее – низких температур) [1].
Техническим результатом применения «Способа работы двигателя вспомогательной энергетической установки в условиях низких температур и устройство для его реализации» является увеличение ресурса боевой машины, увеличение межремонтного периода, расширение функциональных возможностей транспортного средства, повышение боеготовности боевой машины.
Детали транспортных средств, эксплуатация которых осуществляется в условиях низких температур, подвергаются значительным нагрузкам и износу из-за резких изменений распределения сил трения. Пуск двигателя без должной подготовки имеет существенные последствия – это воздействие в 3-4 раза больших сил трения по сравнению с запуском при положительных температурах, и, как следствие, вероятный выход из строя пусковых устройств, проворачивание вкладышей коленчатого вала, повышенный износ деталей и т.д. [2]. Подготовка двигателя к пуску в условиях низких температур – тема известная, тем не менее, технологические приемы, отличительные особенности могут быть таковыми [3], [4], стать полезными для увеличения ресурса двигателя, снижения расхода топлива, повышения надежности транспортного средства, особенно важными для боевой машины.
Первым приближением к решению задачи по пуску двигателя сгорания в условиях низкой температуры окружающего воздуха можно считать патент [5], техническим решением которого является предварительный нагрев топливовоздушной смеси. Это решение снимает только часть проблемы, используя запитываемую от аккумулятора вставку нагрева топливовоздушной смеси для облегчения воспламенения топлива. При этом с использованием нагрева смеси производится принудительный пуск холодного двигателя со всеми присущими отрицательными пунктами – проворачивание холодного коленчатого и распределительного вала, отсутствие необходимого количества смазки трущихся узлов и деталей.
Развитие темы пуска дизеля рассмотрено в статье [4]. Подробно рассмотрены негативные последствия холодного пуска, включая экологические. Предложено осуществлять нагрев двигателя паром, горячим воздухом, горячей водой, электро~ и газонагревателями. В реальных условиях вне стационарного размещения транспортного средства затруднительно сохранить тепло, защитить двигатель и картер какими бы то ни было чехлами, утеплителями, практически исключено использование водогрейной установки, а также источника электрического напряжения 220 V для подключения погружного трубчатого электронагревателя (ТЭН).
Более приближено к применению в полевых условиях для зимнего пуска двигателя предложение [3], предлагающее использовать мобильный предпусковой подогреватель. В тексте нет ссылок на источник энергии для подогревателя мощностью 20 кВт, но исходя из приведенного эскиза, это - газовый баллон. Нагреваемый воздух подается через маслозаливную горловину, чем обеспечивается постепенный прогрев блока двигателя, камеры сгорания, внутрикартерного пространства.
Также в качестве аналога может быть упомянуто решение, защищенное патентом на полезную модель [6]. Автоматизированная система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания транспортного средства повышает, по описанию к полезной модели, вероятность запуска двигателя внутреннего сгорания в условиях низких отрицательных температур, устраняет эффект запаздывания поступления разогретого масла в смазочную систему двигателя при его пуске. Система  анонсирует осуществление тепловой подготовки технологических сред – охлаждающей жидкости, моторного масла с применением электрических нагревательных элементов, подключенных к аккумуляторной батарее транспортного средства. По мнению заявителя данный комплекс оборудования не гарантирует пуск двигателя, распределяя крайне ограниченный запас энергии в аккумуляторной батарее на разные подогреватели, причем некоторые из них не участвуют  в собственно  пуске двигателя (подогреватели топливозаборника, топливного фильтра, электролита аккумуляторной батареи, дополнительного маслонасоса). Кроме этого, упоминаемый в описании к [6] электронный блок управления может отказать при очень низких температурах и тем самым не обеспечить пуск двигателя. В описании к полезной модели нет сведений о нагреве воздуха перед пуском двигателя в холодный период.
Близким аналогом, на первый взгляд, может служить полезная модель [7]. Устройство для поддержания систем двигателей внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии действительно содержит помимо основного двигателя вспомогательный дизель-генератор. Но, во-первых, устройство предназначено для поддержания систем основного двигателя в предпусковом состоянии, во-вторых, и это главное, – в описании к упомянутой ПМ не указан порядок запуска этого вспомогательного дизель-генератора в условиях низких температур. А поскольку в качестве ОЖ приведена вода, делаем вывод о безостановочной  работе оборудования, либо необходимости слива ОЖ при длительном останове основного двигателя в холодные периоды года.
Предлагаемое техническое решение, заявленное как «Способ работы двигателя..», включающее в себя устройство для реализации данного «Способа..», решает задачу комплексной подготовки двигателя сгорания ВЭУ к пуску и, в частности, может быть применено при эксплуатации транспортного средства в условиях низких температур окружающего воздуха.
На Фиг.1 представлен внешний вид Устройства для реализации заявляемого «Способа…» на образце вспомогательной энергетической установки. Цифрами обозначены:
1 – блок автоматического управления;
2 – электрический нагреватель воздуха во впускном трубопроводе или свечи накаливания в камерах сгорания двигателя (далее по тексту везде – электрический нагреватель воздуха);
3 – впускной трубопровод двигателя;
4 – двигатель;
5 – реле нагревателя воздуха;
6 – пульт управления;
7 – датчик температуры охлаждающей жидкости;
8 – электрический нагреватель моторного масла;
9 – нижний картер двигателя;
10 – электрический нагреватель охлаждающей жидкости (внешний или встроенный в блок цилиндров двигателя, далее по тексту везде – электрический нагреватель охлаждающей жидкости);
11 – трубопровод от водяного радиатора;
12 – трубопровод к водяному насосу;
13 – генератор.
Функционал элементов, обозначенных на Фиг.1, заключается в следующем:
– электрический нагреватель воздуха 10 предназначен для разогрева охлаждающей жидкости, вход нагревателя соединен с возвратным трубопроводом 11 от водяного радиатора, выход соединен с подводящим трубопроводом 12 к водяному насосу двигателя 4;
- электрический нагреватель 8 предназначен для разогрева моторного масла, установлен в непосредственной близости от маслозаборника масляного насоса в нижнем картере 9 двигателя 4;
- электрический нагреватель воздуха 2, установлен во впускном трубопроводе 3 или в камерах сгорания двигателя 4 и предназначен для разогрева воздуха для сгорания. Его работой управляет реле 5, связанное с датчиком температуры охлаждающей жидкости 7, установленным в двигателе 4;
- блок автоматического управления 1 предназначен для управления работой нагревателей 9 и 11, содержит реле включения нагревателей охлаждающей жидкости, масла и топлива (при необходимости);
- пульт управления 6 предназначен для управления работой и контроля параметров вспомогательной энергетической установки, включая управление  разогревом.
Осуществление технического решения, заявленного в качестве изобретения, пояснено Фиг.2, на которой обозначена взаимосвязь элементов устройства для реализации  данного «Способа..». Для осуществления пуска двигателя ВЭУ при низкой температуре окружающего воздуха при подготовке двигателя к пуску включают кнопку «Разогрев» на пульте управления 6. При этом электрическая энергия от аккумуляторной батареи транспортного средства подается на элементы системы тепловой подготовки:
1. Осуществляют разогрев охлаждающей жидкости в двигателе с помощью электрического нагревателя охлаждающей жидкости 10,  обеспечивающего нагрев  охлаждающей жидкости в блоке цилиндров двигателя за счет разности плотностей холодной и нагретой жидкости.
2. Осуществляют разогрев моторного масла в нижнем картере 9 двигателя 4 посредством электрического нагревателя 8, расположенного в непосредственной близости от маслозаборника масляного насоса двигателя, что обеспечивает наиболее быструю подачу разогретого масла к трущимся узлам двигателя в процессе его пуска и работы.
3. После разогрева охлаждающей жидкости и масла осуществляют разогрев воздуха для сгорания посредством электрического нагревателя воздуха 2, подключаемого реле 5 на время, определяемое в зависимости от сигнала датчика 7 температуры охлаждающей жидкости, по истечении которого включают стартер и пускают двигатель.
Разогрев охлаждающей жидкости и масла отключается вручную или продолжает свою работу до начала процесса пуска двигателя. Разогрев воздуха может оставаться включенным после пуска двигателя в течение определенного времени до момента отключения реле 5.
Кроме систем тепловой подготовки, указанных выше, при необходимости, возможно  осуществление разогрева топлива в топливном фильтре, трубопроводах и других элементах топливной системы посредством дополнительных электрических нагревателей.
После пуска двигателя возможна реализация автоматического включения электрических нагревателей охлаждающей жидкости и масла для ускорения разогрева охлаждающей жидкости и моторного масла двигателя вспомогательной энергетической установки до оптимальных рабочих температур 60-100°С.
После включения генератора 13 вспомогательной энергетической установки, бортовая электрическая сеть транспортного средства обеспечена электрической энергией, в количестве, достаточном для питания электрических нагревательных элементов, которые могут быть размещены в обслуживающих системах основного двигателя транспортного средства для его разогрева или поддержания теплового состояния.
Таким образом, по мнению заявителя, при применении «Способа работы двигателя вспомогательной энергетической установки в условиях низких температур и устройства для его реализации» может быть достигнут технический результат – расширение функциональных возможностей транспортного средства, повышение боеготовности боевой машины, увеличение ресурса боевой машины, увеличение межремонтного периода.
Литература
1. Пругло А.В. и др. Запуск двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха. В _Н.: Инструкция по эксплуатации танка Т-64. Воениздат, М., 1968г., с. 137.
2. Новопашин Л.А. и др. Комплексный разогрев дизельного двигателя. В ж.: Аграрный вестник Урала. №7, 2015г., с.48-50.
3. Гамаюнов П.П., Балберов Р.В. Предпусковой подогрев двигателя с помощью современных технических средств. Сборник трудов материалов XIV Международной научно-технической конференции, Саратовский государственный технический университет им. Ю.А.Гагарина , 2019г., с.334-338.
4. Шуруев А.В. Предпусковой подогрев  - как средство  для экономичной и безопасной эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в холодный период года. В ж.: Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. Курск, № 5, 2011г., с.78-80.
5. Коле Франсуа и др. (FR). Способ и система управления запитываемой низковольтным напряжением вставкой для предварительного нагрева топливовоздушной смеси дизельного двигателя. Патент РФ № 2424443. МПК F02P 19/02, F02D 41/00. Патентообладатель РЕНО С.А.С. (FR). Конвенционный приоритет от 23.02.2006. Публ. 20.07.2011г. Бюлл. № 20. Патент не действует.
6. Жигадло А.П. и др. Автоматизированная система предпусковой  тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания. Патент РФ ПМ № 134248. МПК F02N 19/04, F0M 5/02, F02M 31/125. Патентообладатель – «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ). Приоритет 10.01.2013г. Публ. 10.11.2013. Бюлл.№ 31. Патент не действует.
7. Носырев Д.Я. и др. Устройство для поддержания систем двигателей внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии. Патент РФ ПМ 69929. МПК F02N 17/06. Патентообладатель – «Самарский государственный университет путей сообщения» (СамГУПС). Приоритет 25.07.2007г. Опубликовано 10.01.2008г. Бюлл. №1. Патент не действует.