СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ И МАСЕЛ В АГРЕГАТАХ И УЗЛАХ САМОХОДНЫХ МАШИН
SYSTEM OF AUTOMATIC MAINTENANCE OF OPTIMAL TEMPERATURES OF WORKING FLUIDS AND OILS IN AGGREGATES AND UNITS OF SELF-PROPELLED MACHINES

Изобретение относится к области машиностроения, предназначено для сокращения времени прогрева и поддержания заданного теплового режима в системах смазки и охлаждения ДВС, а также в агрегатах трансмиссии самоходных машин.
Современные поршневые дизельные двигатели имеют КПД до 45%. В то же время системой охлаждения двигателя в окружающую среду рассеивается до 28% теплоты, системой смазки - 5-7%, боковой поверхностью - 1-3%, а с выхлопными газами в атмосферу может выбрасываться до 40% теплоты, полученной в результате сгорания топлива.
Термодинамические показатели современных поршневых ДВС близки к предельным значениям. Ощутимого повышения их КПД за счет совершенствования процессов смесеобразования, горения, газообмена и использования новых конструкционных материалов не представляется возможным. В тоже время, большие потери теплоты с выхлопными газами свидетельствует о значительных резервах теплоты, которую можно полезно использовать для поддержания оптимального теплового режима в основных системах самоходных машин.
Известно, что с понижением теплового режима агрегатов трансмиссии самоходных машин возрастает вязкость масла, которая вызывает соответствующее повышение потерь мощности, особенно в начальный момент времени их работы, снижается тяговый коэффициент полезного действия. По данным ряда исследователей потери в трансмиссии тракторов в зимний период эксплуатации могут достигать в первые минуты движения 80-90% от номинальной мощности, которую развивает двигатель. В итоге увеличивается износ и расход топлива, снижается производительность машины и увеличивается себестоимость производимой продукции.
В настоящее время практическое использование теплоты выхлопных газов ДВС нашло применение в автономных теплоэнергетических установках. Эти установки вырабатывают электроэнергию и одновременно утилизируют теплоту выхлопных газов с помощью газожидкостных теплообменников. Циркулирующая в контуре теплообменника вода может использоваться для теплоснабжения стационарных и передвижных объектов (Патент RU 2007606 C1, F02G 5/04).
Подобная установка содержит газо-жидкостный теплообменник, в который поступают выхлопные газы ДВС, где происходит передача теплоты воде, находящейся в сетевом контуре теплоснабжения. Предварительный подогрев «холодной» воды осуществляется сначала в дополнительном газо-жидкостном теплообменнике, а затем в теплообменниках, включенных последовательно в контур системы смазки и системы охлаждения ДВС.
Образовавшейся конденсат на выходе из дополнительного газожидкостного теплообменника насосом подается в камеру сгорания газотурбинной установки, где происходит его сгорание, а продукты сгорания поступают в турбину турбокомпрессора, заставляя его вал вращаться. Воздух, засасываемый из атмосферы компрессором, так же подается в камеру сгорания газотурбинной установки.
После турбины горячие газы подаются на вход первого теплообменника, где смешиваются с выхлопными газами дизеля и участвуют в дальнейшем тепловом процессе. Камера сгорания оснащена системой автономного снабжения топливом и системой запуска турбины.
На большой частоте вращения коленчатого вала дизеля температура выхлопных газов высока, при этом обеспечивается тепловой поток, достаточный для потребителя, и газотурбинная установка используется только в качестве утилизатора теплоты выхлопных газов, повышая при этом КПД установки. Подача топлива в этом случае в камеру сгорания не производится. При снижении частоты вращения коленчатого вала дизеля и работе его на частоте холостого хода в камеру сгорания газотурбинной установки подается топливо, при этом обеспечиваются высокая температура и большое количество отработанных газов, что обеспечивает постоянство теплового потока установки.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является система смазки коробки передач транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания (А.с. №1474293 СССР, Кл. F01M 1/00, B60 17/00).
Система смазки содержит масляный насос с маслозаборником, масляный радиатор, входной и выходной маслопроводы, терморегулятор и масло-масляный теплообменник, последовательно соединенный с входным и выходным маслопроводами. Масляный радиатор подключен параллельно терморегулятору, а масло-масляный теплообменник размещен непосредственно в поддоне двигателя в верхнем слое масла. Терморегулятор снабжен чувствительным силовым элементом, который омывается «горячим» маслом, поступающим из двигателя в коробку передач. Силовой элемент терморегулятора перемещает золотник в ту или иную сторону в зависимости от температуры масла, поступающего из масло-масляного теплообменника. В результате чего обеспечивается включение или выключение радиатора охлаждения масла и одновременное выключение или включение теплообменника.
Недостатком приведенной системы смазки коробки передач транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания является небольшой коэффициент полезного использования теплоты, которая выделяется в результате сгорания топлива в двигателе и рассеивается в окружающую среду, а следовательно, их малая эффективность.
Технической задачей изобретения является сокращение времени послепускового прогрева, повышение экономичности, тяговой мощности, надежности работы агрегатов моторно-трансмиссионной установки самоходной машины, работающей в широком диапазоне температур окружающей среды, путем использования теплоты выхлопных газов.
Поставленная задача решается путем введением новых конструктивных и функциональных элементов и изменением характера взаимосвязи между существующими и новыми элементами.
Сущность изобретения состоит в том, что система содержит двигатель внутреннего сгорания, теплообменник, размещенный в поддоне двигателя, радиатор охлаждения масла, терморегулятор, подключенный параллельно радиатору, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена утилизационным контуром, включающим газожидкостный теплообменник с газовой заслонкой, циркуляционный насос, терморегулятор, расширительный бак теплоносителя, подающий и отводящий трубопроводы; теплопотребляющим контуром, включающим жидкостно-жидкостный теплообменник системы охлаждения двигателя, включенный параллельно газо-жидкостному теплообменнику, терморегулятор, радиатор охлаждения жидкостный, включенный параллельно теплообменнику системы охлаждения двигателя; теплопотребляющим контуром, включающим жидкостно-масляный теплообменник системы смазки двигателя, включенный параллельно газо-жидкостному теплообменнику, терморегулятор, радиатор охлаждения масла ДВС, включенный параллельно теплообменнику системы смазки двигателя; теплопотребляющим контуром, включающим жидкостно-масляный теплообменник коробки передач, включенный параллельно газо-жидкостному теплообменнику, терморегулятор, радиатор охлаждения масла КП, включенный параллельно теплообменнику коробки передач; теплопотребляющими контурами, включающими жидкостные теплообменники, включенные параллельно газожидкостному теплообменнику, с терморегуляторами, которые размещены на внешней или внутренней поверхности корпусов редукторов.
Утилизационный контур использует теплоту отработавших газов и включает газожидкостный теплообменник с заслонкой, терморегулятор с исполнительным механизмом для привода заслонки, насосный узел для циркуляции теплоносителя, расширительный бак и трубную обвязку. В качестве теплоносителя может использоваться жидкость с высокой температурой кипения и высокими коэффициентами теплоемкости и теплоотдачи.
Теплообменники теплопотребляющих контуров могут быть внешними или внутренними (встроенными). В теплообменниках происходит теплопередача от теплоносителя к рабочим жидкостям, циркулирующим в контурах теплопотребления.
Контуры теплопотребления содержат жидкостно-жидкостный теплообменник, который предназначен для подвода теплоты к системе жидкостного охлаждения ДВС, жидкостно-масляный теплообменник - для системы смазки ДВС, жидкостно-масляный теплообменник - для коробки передач, жидкостные теплообменники - для ведущих мостов и других редукторов трансмиссии самоходной машины. Для поддержания оптимального теплового режима в системах жидкостного охлаждения, смазки ДВС и смазки коробки передач установлены радиаторы охлаждения и регуляторы температуры.
В других редукторах (к которым можно отнести ведущие мосты, бортовые редукторы, раздаточные коробки и т.д.), где отсутствует принудительная система смазки, теплообменники размещаются непосредственно в корпусах редукторов. Внутренний (встроенный) теплообменник может быть пластинчатым или выполненным из металлической трубки, уложенной внутри корпуса редуктора с учетом его конструктивных особенностей. Теплообменник снабжен терморегулятором.
Представленная на фигуре функциональная схема системы автоматического поддержания оптимальных температур рабочих жидкостей и масел в основных агрегатах и узлах самоходных машин состоит из I - утилизационного контура; II - контура теплопотребления системы охлаждения ДВС; III - контура теплопотребления системы смазки ДВС; IV - контура теплопотребления системы смазки КП; 1 - газовой заслонки; 2 - газо-жидкостного теплообменника утилизационного контура; 3 - расширительного бака теплоносителя утилизационного контура; 4 - теплообменника контура теплопотребления системы охлаждения ДВС; 5 - теплообменника контура теплопотребления системы смазки ДВС; 6 - теплообменника контура теплопотребления системы смазки КП; 7 - теплообменника ведущего моста; 8 - терморегулятора ведущего моста; 9 - терморегулятора контура теплопотребления системы смазки КП; 10 - масляного радиатора системы смазки коробки передач; 11 - терморегулятора контура теплопотребления системы смазки ДВС; 12 - масляного радиатора системы смазки ДВС; 13 - терморегулятора (термостата) контура теплопотребления системы охлаждения ДВС; 14 - радиатора системы охлаждения ДВС; 15 - циркуляционного насоса утилизационного контура; 16 - терморегулятора с исполнительным механизмом заслонки.
Система работает следующим образом. При пуске холодного двигателя заслонка 1 закрыта. Выхлопные газы проходят только через кожухотрубную часть газо-жидкостного теплообменника 2. Теплоноситель, который находится в утилизационном контуре, нагревается и подается с помощью циркуляционного насоса 15, в соответствующий контур теплообменников 4, 5, 6, 7 и т.д. При достижении заданной температуры заслонка 1, в результате срабатывания терморегулятора с исполнительным механизмом 16, открывается, и выхлопные газы выбрасываются в атмосферу, минуя теплообменник 1.
Теплообменник 4 включен последовательно малому кругу циркуляции жидкости в системе охлаждения через терморегулятор (термостат) 13 и параллельно охлаждающему радиатору 14 ДВС. После пуска холодного двигателя охлаждающая жидкость проходит через терморегулятор 13, поступает в теплообменник 4, нагревается и подается обратно в двигатель (на линию всасывания циркуляционного насоса или блок двигателя). При достижении оптимального теплового режима в системе охлаждения двигателя терморегулятор перекрывает трубопровод, и подача охлаждающей жидкости в теплообменник 4 прекращается. Дальнейшее повышение температуры охлаждающей жидкости в ДВС сопровождается включением в работу радиатора охлаждения 14. Система охлаждения ДВС с теплообменником способна отрабатывать промежуточные положения, когда охлаждающая жидкость одновременно циркулирует через теплообменник 4 и охлаждающий радиатор 14. Таким образом, обеспечивается сокращение времени послепускового прогрева ДВС и стабилизация его теплового режима на оптимальном уровне.
Теплообменник 5 включен параллельно масляному радиатору 12 ДВС через терморегулятор 11. После пуска холодного двигателя масло из поддона двигателя закачивается радиаторной секцией масляного насоса ДВС и через терморегулятор 11 поступает в теплообменник 5, нагревается и по трубопроводу сливается в поддон. При достижении оптимального теплового режима масла в системе смазки двигателя подача масла в теплообменник прекращается. Дальнейшее повышение температуры масла в системе смазки вызывает включение в работу радиатора охлаждения масла 12. Система охлаждения масла с теплообменником может отрабатывать промежуточные положения, когда масло одновременно циркулирует через теплообменник 5 и охлаждающий радиатор 12. Таким образом, достигается оптимизация температуры масла в системе смазки и сокращение времени прогрева ДВС.
Теплообменник 6 включен параллельно масляному радиатору 10 коробки передач (КП) самоходной машины через терморегулятор 9. После холодного пуска масло из КП масляным насосом (или радиаторной секцией масляного насоса) засасывается и через терморегулятор 9 подается в теплообменник 6, где нагревается и далее по трубопроводу сливается во внутреннею полость маслозаборника КП. При достижении оптимального теплового режима в системе смазки КП подача масла в теплообменник прекращается. Дальнейшее повышение температуры масла в системе смазки КП сопровождается включением в работу радиатора охлаждения масла 10. Таким образом, достигается сокращение времени прогрева и стабилизация теплового режима КП в широком диапазоне температур окружающей среды.
В редукторах (ведущие мосты, бортовые редукторы, раздаточные коробки и т.д.) теплообменники размещаются непосредственно в корпусах. Например, в корпусе одного из ведущих мостов установлен теплообменник 7 с терморегулятором 8. Терморегулятор 8 содержит термочувствительный силовой элемент, который срабатывает при определенной температуре, и обеспечивает циркуляцию теплоносителя через теплообменник или мимо его. Таким образом, достигается сокращение времени прогрева редукторов в трансмиссии самоходной машины и дальнейшая стабилизация их теплового режима.