Система поддержания заданного температурного режима в основных узлах и прицепном агрегате самоходной машины
SYSTEM FOR MAINTAINING A GIVEN TEMPERATURE REGIME IN THE MAIN UNITS AND THE TRAILER UNIT OF A SELF-PROPELLED MACHINE

Изобретение относится к системам утилизации теплоты отработавших газов, в частности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и предназначено для уменьшения времени, необходимого для обеспечения рабочей температуры ДВС самоходной машины, прогрева с последующим поддержанием заданного температурного режима в гидравлических системах коробки передач (КП) и навесного устройства (НУ), ведущих мостах (ВМ), в прицепном агрегате (ПА), требующем для выполнения технологических операций необходимого температурного режима в условиях пониженных температур окружающей среды, а также создания комфортных условий в кабине самоходной машины.
Анализ эксплуатации тракторов и самоходных машин в течение года, свидетельствует о негативном влиянии атмосферных явлений и климатических факторов на технические системы. Наибольшее негативное воздействие оказывает низкая температура окружающей среды. Результатом такого воздействия является ухудшение свойств конструкционных и эксплуатационных материалов, что, в конечном счете, приводит к снижению надежности и эффективности использования тракторов и самоходных машин по предназначению. В зимнее время достаточно сложно достичь рабочей температуры двигателя, особенно дизельного, а в гидравлических системах коробки передач и навесного устройства, в ведущих мостах машины это задача практически не выполнима.
Существующую проблему решают, как правило, утеплением двигателя и основных узлов трансмиссии специальными чехлами и накидками с целью уменьшения рассевания теплоты. Однако данный способ малоэффективен при утеплении узлов трансмиссии, т.к. в отличие от двигателя, разогрев масла в этих узлах происходит за счет энергии, затрачиваемой на преодоление сил трения в кинематических парах.
Очевидно, что решение указанной проблемы возможно за счет принудительного разогрева масла в основных узлах машины и дальнейшего ее поддержания в заданном температурном диапазоне, однако такое решение требует наличия источника теплоты. Таким источником может выступать двигатель машины, а точнее бросовая теплота, рассеваемая при его работе в атмосферу. Из теплового баланса ДВС известно, что в полезную работу превращается максимум 40% теплоты, полученной от сгорания топлива. Остальная теплота безвозвратно теряется. Самые большие потери приходятся на систему охлаждения двигателя (до 30%) и отработавшие газы (до 40%) (Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: учебник для вузов/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; под общ. ред. В.Н. Луканина. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2010. - 475 с.). Большие бросовые потери теплоты во время работы двигателя самоходной машины можно рассматривать как вторичные тепловые ресурсы (п.п. 3.2.3.2, ГОСТ Р 50498-2010 Ресурсосбережение. Вторичные материальные ресурсы. Термины и определения) и использовать их в качестве источника теплоты для решения указанной проблемы. С учетом выше сказанного, а также на основании патентного поиска, анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении, была разработана система поддержания заданного температурного режима в основных узлах и прицепном агрегате самоходной машины. Предлагаемая система обеспечивает дополнительный послепусковой прогрев двигателя, разогрев в порядке приоритета и поддержание в заданном температурном диапазоне масла гидравлической системы КП, гидравлической системы НУ, ведущих мостов. Система предусматривает возможность подвода дополнительной теплоты в кабину машины с целью создания комфортных условий для оператора, также в системе предусмотрена подача теплоты в прицепной агрегат для обеспечения необходимых температурных условий при выполнения различных технологических операций в условиях низких температур окружающей среды.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является система прогрева и поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в агрегатах самоходных машин (Патент RU 2577916 С1, МПК F01M 5/00).
Система включает ДВС, утилизационный контур, включающий газожидкостный теплообменник с газовой заслонкой, циркуляционный насос, терморегулятор, расширительный бак теплоносителя, подающий и отводящий трубопроводы; теплопотребляющий контур, включающий жидкостно-жидкостный теплообменник системы охлаждения двигателя, терморегулятор, радиатор охлаждения жидкостный, датчик температуры охлаждающей жидкости в ДВС; теплопотребляющий контур, включающий жидкостно-масляный теплообменник системы смазки двигателя, радиатор охлаждения масла ДВС; запорный электромагнитный клапан, перекрывающий циркуляцию теплоносителя через теплообменники системы охлаждения и системы смазки ДВС; теплопотребляющий контур, включающий жидкостно-масляный теплообменник КП, терморегулятор, радиатор охлаждения масла КП, датчик температуры масла в коробке передач; запорный электромагнитный клапан, перекрывающий циркуляцию теплоносителя через теплообменник системы смазки КП; теплопотребляющие контуры, включающие жидкостные теплообменники, с терморегуляторами, которые размещены на внешней или внутренней поверхностях корпусов редукторов, датчик температуры масла в редукторах ведущих мостов; запорный электромагнитный клапан, перекрывающий циркуляцию теплоносителя через теплообменники ведущих мостов и редукторов; перепускной электромагнитный клапан, блок управления или бортовой компьютер.
К недостаткам приведенной системы следует отнести то, что в ее состав не включена гидравлическая система НУ, которая при работе в зимнее время тоже нуждается в подогреве, не предусмотрена возможность подачи теплоты в прицепной агрегат самоходной машины и кабину оператора. Так же к недостаткам можно отнести способ управления системой, который не предусматривает возможности ручной корректировки приоритета подачи теплоты теплопотребителям.
Задачей, которая решается в заявляемом изобретении, является создание системы поддержания заданного температурного режима в основных узлах и ПА самоходной машины, обладающей высокой эффективностью при ее работе как на режимах подогрева узлов и механизмов самоходной машины, так и на режиме подвода теплоты в ПА.
Поставленная задача решается путем введения новых конструктивных и функциональных элементов и изменением характера взаимосвязи между существующими и новыми элементами.
Технический результат изобретения - сокращение времени готовности двигателя к принятию нагрузки, повышение экономичности, тяговой мощности, надежности и эффективности функционирования самоходной машины или машинно-тракторного агрегата (МТА) в условиях пониженных температур окружающей среды за счет утилизации и использования бросовой теплоты двигателя самоходной машины, рассеиваемой в атмосферу с отработавшими газами (ОГ).
Система поддержания заданного температурного режима в основных узлах и ПА самоходной машины содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС), утилизационный контур, включающий газожидкостный теплообменник с газовой заслонкой, циркуляционный насос, терморегулятор, расширительный бак теплоносителя, подающий и отводящий трубопроводы; теплопотребляющий контур, включающий жидкостно-жидкостный теплообменник системы охлаждения двигателя, терморегулятор, радиатор охлаждения жидкостный, датчик температуры охлаждающей жидкости в ДВС; теплопотребляющий контур, включающий жидкостно-масляный теплообменник системы смазки двигателя, терморегулятор, радиатор охлаждения масла ДВС; запорный электромагнитный клапан, перекрывающий циркуляцию теплоносителя через теплообменники системы охлаждения и системы смазки ДВС; теплопотребляющий контур, включающий жидкостно-масляный теплообменник коробки передач (КП), терморегулятор, радиатор охлаждения масла КП, датчик температуры масла в КП; запорный электромагнитный клапан, перекрывающий циркуляцию теплоносителя через теплообменник системы смазки КП; теплопотребляющие контуры, включающие жидкостные теплообменники с терморегуляторами которые размещены на внешней или внутренней поверхностях корпусов редукторов, датчик температуры масла в редукторах ведущих мостов (ВМ); запорный электромагнитный клапан, перекрывающий циркуляцию теплоносителя через теплообменники ВМ и редукторов; перепускной электромагнитный клапан, блок управления или бортовой компьютер, и отличается от прототипа тем, что она дополнительно снабжена теплопотребляющим контуром гидравлической системы НУ, включающим жидкостно-масляный теплообменник гидравлической системы НУ, датчик температуры масла в гидравлической системе НУ, нормально открытый и нормально закрытый электромагнитные клапаны управления потоком греющего теплоносителя; теплопотребляющим контуром отопителя кабины, включающим жидкостно-воздушный теплообменник-конвектор с принудительной конвекцией, нормально открытый и нормально закрытый электромагнитные клапаны управления потоком греющего теплоносителя; теплопотребляющим контуром ПА, включающим быстроразъемные гидравлические соединения с теплопотребляющим контуром ПА, нормально закрытые запорные электромагнитные клапаны, перекрывающие циркуляцию греющего теплоносителя через ПА, перепускным электромагнитным клапаном, обеспечивающим работу системы без ПА.
Сущность изобретения поясняется иллюстрацией, на которой представлена функциональная схема предлагаемой системы.
Система поддержания заданного температурного режима в основных узлах и прицепном агрегате самоходной машины состоит из утилизационного контура I; теплопотребляющих контуров II, III, IV, V, VI, VII; газожидкостного теплообменника утилизационного контура с газовой заслонкой 1; расширительного бака утилизационного контура 2; нормально открытых перепускных электромагнитных клапанов теплопотребляющих контуров 3, 8, 11, 14, 17; нормально закрытых перепускных электромагнитных клапанов теплопотребляющих контуров 4, 6, 10, 13, 16; теплообменников теплопотребляющих контуров 5, 9, 12, 15, 18; перепускного нормально открытого электромагнитного клапана 19; нормально закрытых запорных электромагнитных клапанов 20 теплопотребляющего контура ПА VII; быстроразъемных гидравлических соединений 21 теплопотребляющего контура ПА VII; датчика температуры в ПА 22; датчика температуры масла в ВМ 23; датчика температуры масла в гидросистеме НУ 24; датчика температуры масла в КП 25; датчика температуры охлаждающей жидкости в двигателе 26; циркуляционного насоса утилизационного контура 27; исполнительного механизма привода газовой заслонки 28.
Система работает следующим образом. В зависимости от вида предстоящей работы перед запуском двигателя машины оператор выбирает режим функционирования системы. Система может работать в автоматическом режиме в соответствие с базовым алгоритмом работы и в режиме ручного выбора приоритета подвода теплоты теплопотребителям. Работа в автоматическом режиме предусматривает поддержание заданного температурного режима в ДВС, КП, ведущих мостах машины и осуществляется следующим образом. После пуска холодного ДВС (температура охлаждающей жидкости менее 60°С) включаются электромагнитные клапаны 3 и 4 теплопотребляющего контура ЛВС II, вследствие чего теплоноситель утилизационного контура (греющий теплоноситель) начинает циркулировать через жидкостно-жидкостный теплообменник 5. В данном случае максимальное количество бросовой теплоты, утилизируемой газожидкостным теплообменником утилизационного контура из ОГ, используется для разогрева двигателя. При достижении температуры охлаждающей жидкости ДВС равной или более 70°С клапан 3 и 4 отключаются, и подача теплоносителя утилизационного контура в теплообменник 5 прекращается. Дальнейший разогрев ДВС до рабочей температуры осуществляется в штатном режиме. Одновременно с отключением клапанов 3 и 4 включаются электромагнитные клапаны 7 и 8 теплопотребляющего контура КП III, вследствие чего теплоноситель утилизационного контура начинает циркулировать через жидкостно-масляный теплообменник 9 и нагревать масло КП. При достижении температуры масла в КП равной или более 70°С клапаны 7 и 8 отключаются, и циркуляция теплоносителя утилизационного контура через теплообменник 9 прекращается. Одновременно с отключением клапанов 7 и 8 включаются электромагнитные клапаны 13 и 14 теплопотребляющего контура ВМ IV, вследствие чего теплоноситель утилизационного контура начинает циркулировать через жидкостный теплообменник 15 и нагревать масло ВМ. При достижении температуры масла в ВМ равной или более 50°С клапаны 13 и 14 отключаются, и циркуляция теплоносителя утилизационного контура через теплообменник 15 прекращается. После разогрева технических жидкостей теплопотребителей до заданных значений система работает в режиме подогрева, т.е. при охлаждении жидкости теплопотребителя ниже заданного температурного диапазона происходит включение соответствующих электромагнитных клапанов, теплоноситель утилизационного контура начинает циркулировать через теплообменники теплопотребляющих контуров и возобновляется нагрев масла или охлаждающей жидкости до заданного уровня. Температурный диапазон каждого узла задается на основании рекомендаций завода-изготовителя, а при отсутствии последних, с учетом опубликованных рекомендаций исследований и работ в этой области.
Ручной режим выбора приоритета подвода теплоты теплопотребителям, подразумевает возможность включения (выключения) в работу системы одного или нескольких теплопотребляющих контуров. Это реализуется путем вывода на панель управления системой тумблеров для принудительного включения соответствующих теплопотребляющих контуров. При работе самоходной машины с различным навесным оборудованием в условиях пониженных температур окружающей среды необходимо обеспечить оптимальную температуру масла в гидравлической системе НУ. В данном случае соответствующим тумблером панели управления системой включается в работу теплопотребляющий контур НУ IV. Его работа аналогична работе других теплопотребляющих контуров. Включаются электромагнитные клапаны 10 и 11, вследствие чего теплоноситель начинает циркулировать через жидкостно-масляный теплообменник 12, нагревая масло гидравлической системы НУ. При достижении температуры масла в гидравлической системе НУ равной или более 40°С клапаны 10 и 11 отключаются, и циркуляция теплоносителя утилизационного контура через теплообменник 12 прекращается, система продолжает работать в режиме поддержания заданного температурного режима.
При эксплуатации самоходных машин в жестких климатических условиях, особенно в северных районах, могут понадобиться дополнительные меры обеспечения комфортных условий в кабине машины. Для решения этой задачи предлагаемая система содержит теплопотребляющий контур кабины самоходной машины VI. Он включается принудительно с панели управления и работает аналогично другим теплопотребляющим контурам, за тем исключением, что его выключение осуществляется тоже оператором. При активации контура включаются электромагнитные клапаны 16 и 17, вследствие чего теплоноситель начинает циркулировать через жидкостно-воздушный теплообменник-конвектор 18. При выключении теплопотребляющего контура кабины электромагнитные клапаны 16 и 17 отключаются, и теплоноситель утилизационного контура циркулирует, минуя теплообменник 18. Нагрев воздуха кабины самоходной машины прекращается.
При эксплуатации самоходной машины в составе МТА может понадобиться подвод теплоты в буксируемый агрегат. Для решения этой задачи предлагаемая система содержит возможность подключения к теплопотребляющему контуру ПА VII. Он включается принудительно с панели управления после соединения с утилизационным контуром посредством быстроразъемных гидравлических соединений 21. Одновременно с подключением теплопотребляющего контура ПА перепускной электромагнитный клапан 19 перекрывает ток теплоносителя утилизационного контура, а запорные электромагнитные клапаны 20 открываются, вследствие чего теплоноситель утилизационного контура начинает циркулировать через теплопотребляющий контур ПА VII. Алгоритм работы теплопотребляющего контура ПА программируется в зависимости от его устройства и вида выполняемых им задач.
Заявленная система поддержания заданного температурного режима в основных узлах и ПА самоходной машины может быть использована в качестве вспомогательной системы для обеспечения оптимальных температур в основных узлах самоходной машины и прицепном агрегате. Применение ее позволит максимально повысить эффективность использования теплоты, выделившейся от сгорания топлива в ДВС.