ЕДИНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
COMMON COOLING AND CONTROL SYSTEM FOR DIESEL ENGINES

Область техники, к которой относится изобретение
В общем настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к системе охлаждения и способу управления двигателем, предназначенным для дизельных двигателей с турбонаддувом, используемых в локомотивах.
Уровень техники
Для двигателей внутреннего сгорания, таких как дизельные двигатели с турбонаддувом, используемых в железнодорожных локомотивах, требуются системы охлаждения для ограничения температур разнообразных компонентов двигателя. Известно, что двигатели внутреннего сгорания должны проектироваться с внутренними каналами охлаждения для циркуляции охлаждающей жидкости с целью отведения тепловой энергии от компонентов двигателя. Смазочное масло, которое циркулирует через двигатель для снижения трения, также поглощает теплоту, и поэтому также требуется его охлаждение во избежание достижения температур, которые пагубно сказываются на его смазочных свойствах. В дизельных двигателях часто используют турбонагнетатели для повышения мощности путем сжатия воздуха горения на впуске до более высокой плотности. Такое сжатие приводит к нагреванию воздуха горения, который в таком случае должен быть охлажден перед его использованием, что позволит получать высокую мощность на единицу рабочего объема двигателя и незначительное выделение загрязняющих веществ в выхлопных газах. В случае применений для подвижных средств, таких как железнодорожные локомотивы, единственно доступным поглотителем теплоты является воздух окружающей среды. Известно использование нагнетаемой охлаждающей среды, такой как вода, для переноса теплоты к оребренным радиаторным трубам. Затем радиаторные трубы передают теплоту в окружающий воздух, часто с использованием принудительной конвекции, создаваемой вентиляторами.
Часто желательно поддерживать двигатель внутреннего сгорания и относящийся к нему воздух горения на впуске при нескольких различных температурах, чтобы оптимизировать характеристики двигателя. Поэтому охлаждающая жидкость при одной температуре может быть подана в рубашки цилиндров дизельного двигателя с турбонаддувом, а охлаждающая жидкость с более низкой температурой может быть подана в промежуточный охладитель для охлаждения сжатого воздуха горения. В такой системе для решения задач двойного охлаждения могут использоваться один насос, теплообменник и клапан регулирования температуры.
В других схемах охлаждения дизельных двигателей с турбонаддувом в дополнение к радиатору может использоваться предварительный охладитель. Предварительный охладитель обычно располагают выше по потоку относительно радиатора в потоке охлаждающего окружающего воздуха. В случае применений на локомотивах окружающий воздух, протекающий через радиаторы, обычно подается многоскоростным вентилятором, поскольку радиаторы расположены на крыше локомотива. Использованием предварительного охладителя обеспечивается возможность получения более высокой разности температур между температурой двигателя и температурой воздуха горения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематичный вид системы охлаждения дизельного двигателя с турбонаддувом согласно примеру осуществления;
фиг.2 представляет собой схематичный вид системы охлаждения, показанной на фиг.1, сконфигурированной для другого режима охлаждения; и
фиг.3 представляет собой график характеристик двигателя для примера режимов охлаждения системы охлаждения, показанной на фиг.1, при различных эксплуатационных окружающих условиях.
Подробное описание изобретения
Авторы настоящего изобретения творчески осознали, что путем управления потоками охлаждающей жидкости, подаваемыми к различным компонентам дизельного двигателя с турбонаддувом, такого как двигатель локомотива, различные заданные рабочие характеристики двигателя могут быть получены при различных рабочих условиях. Изобретение включает в себя систему охлаждения, которая имеет раздельные контуры охлаждающей жидкости, которые предусмотрены для потоков охлаждающей жидкости с различными степенями охлаждения. Согласно варианту осуществления система охлаждения может работать в первом режиме охлаждения для подачи первого потока охлаждающей жидкости в промежуточный охладитель двигателя и второго потока охлаждающей жидкости в маслоохладитель двигателя при первой температуре, отличающейся от температуры первого потока охлаждающей жидкости, чтобы осуществлять преимущественно охлаждение промежуточного охладителя. В первом режиме уровень выбросов, создаваемых двигателем, может поддерживаться на благоприятном уровне или оптимизироваться, при сохранении заданной мощности двигателя в лошадиных силах. Система охлаждения может работать во втором режиме охлаждения для подачи первого потока охлаждающей жидкости в промежуточный охладитель и второго потока охлаждающей жидкости в маслоохладитель при второй температуре, отличающейся от температуры первого потока охлаждающей жидкости, чтобы осуществлять преимущественно охлаждение маслоохладителя. Во втором режиме мощность в лошадиных силах, создаваемая двигателем, может поддерживаться на благоприятном уровне или оптимизироваться.
На фиг.1 показан схематичный вид примера варианта осуществления системы 10 охлаждения для дизельного двигателя 12 с турбонаддувом, например, который может быть использован в железнодорожном локомотиве. Система 10 охлаждения включает в себя дизельный двигатель 12 с турбонаддувом, получающий поток воздуха 14 горения через промежуточный охладитель 16, предназначенный для охлаждения воздуха 14 горения. Воздух 14 горения, протекающий через промежуточный охладитель 16, охлаждается первым потоком охлаждающей жидкости или потоком 26 охлаждающей жидкости промежуточного охладителя с использованием, например, теплообменника, расположенного в воздухе 14 горения внутри промежуточного охладителя 16. Нагретый поток 27 охлаждающей жидкости промежуточного охладителя, выпускаемый из промежуточного охладителя 16, может быть смешан с потоком 18 охлаждающей жидкости двигателя, подаваемым в двигатель 12. Согласно одному аспекту изобретения величина потока 26 охлаждающей жидкости промежуточного охладителя, подаваемого в промежуточный охладитель 16, может регулироваться для достижения заданных рабочих условий двигателя 12, например заданного уровня образования выбросов газообразных отходов.
Двигатель 12 также включает в себя маслопроводные каналы, которые принимают поток масла 22, рециркуляция которого через маслоохладитель 28 осуществляется масляным насосом 24. Масло 22, протекающее через маслоохладитель 28, может быть охлаждено вторым потоком охлаждающей жидкости или охлаждающим масло потоком 30 с использованием, например, теплообменника, расположенного в охлаждающем масло потоке 30 внутри маслоохладителя 28. Нагретый охлаждающий масло поток 29, выпускаемый из маслоохладителя 28, может быть смешан с потоком 18 охлаждающей жидкости двигателя, подаваемым к двигателю 12. Согласно аспекту изобретения величина охлаждающего масло потока 30, подаваемого в маслоохладитель 28, может регулироваться для достижения заданных рабочих условий двигателя, таких как поддержание заданной температуры масла с целью получения заданной продолжительности срока службы двигателя 12.
Двигатель 12 также включает в себя каналы охлаждения, принимающие поток 18 охлаждающей жидкости двигателя, рециркуляция которого через радиатор 32 и один или более предварительные охладители 34, 36 обеспечивается водяным насосом 20. Нагретая охлаждающая жидкость 40 двигателя втекает в радиатор 32 и охлаждается на первой стадии потоком охлаждающего воздуха 42, нагнетаемого к радиатору 32 одним или более вентиляторами 38. После выхода из радиатора 32 охлажденный на первой стадии поток 44 охлаждающей жидкости разделяется на первую часть 46, подводимую обратно к двигателю 12, и вторую часть 48, подаваемую в первый предварительный охладитель 34 для дополнительного охлаждения на второй стадии до температуры ниже температуры охлажденного на первой стадии потока 44 охлаждающей жидкости. После выхода из первого предварительного охладителя 34 охлажденный на второй стадии поток 50 охлаждающей жидкости разделяется на первую охлаждающую жидкость, или первую часть 52, и вторую часть 54. Вторая часть 54 подается во второй предварительный охладитель 36 для дополнительного охлаждения на третьей стадии, так что вторая охлаждающая жидкость, или охлажденный на третьей стадии поток 56 охлаждающей жидкости, выходящий из второго предварительного охладителя 36, имеет температуру ниже температуры охлажденного на второй стадии потока 50 охлаждающей жидкости.
Согласно аспекту изобретения потоки 52, 56, выходящие из соответствующих предварительных охладителей 34, 36 и распределяемые для обеспечения охлаждения компонентов системы 10 охлаждения, могут регулироваться для достижения заданных рабочих условий двигателя 12. Согласно одному варианту осуществления трехходовые клапаны 58, 60 могут быть предусмотрены для избирательного регулирования соответствующих потоков 52, 56 охлаждающей жидкости, подаваемых в маслоохладитель 28 и промежуточный охладитель 16. Клапан 58 принимает охлажденный на третьей стадии поток 56 охлаждающей жидкости и регулирует величину первой части 62 охлажденного на третьей стадии потока 56 охлаждающей жидкости, подаваемого в промежуточный охладитель 16, и величину второй части 64, подаваемой в маслоохладитель 28. Клапан 60 принимает первую часть 52 охлажденного на второй стадии потока 50 охлаждающей жидкости и регулирует величину первой части 68 из первой части 52 охлажденного на второй стадии потока 50 охлаждающей жидкости, подаваемого в промежуточный охладитель 16, и величину второй части 66, подаваемой в маслоохладитель 28.
Система 10 охлаждения может быть снабжена контроллером 70 для реализации этапов, необходимых для регулирования потоков охлаждающей жидкости в системе 10, как например для регулирования потоков охлаждающей жидкости к промежуточному охладителю 16 и маслоохладителю 28 путем позиционирования трехходовых клапанов 58, 60 для достижения заданных рабочих условий двигателя 12. Контроллер 70 может быть любого вида, известного из уровня техники, например аналоговым, или цифровым микропроцессором, или компьютером, и он может составлять целое или может быть объединенным с одним или несколькими контроллерами, используемыми для выполнения других функций, связанных с работой двигателя 12. Контроллер 70 может быть выполнен с возможностью регулирования потоков охлаждающей жидкости соответственно заданному рабочему режиму двигателя, как например режиму, в котором оптимизируются выбросы, мощность двигателя, эффективность использования топлива или продолжительность срока службы двигателя. Согласно одному варианту осуществления рабочий режим может выбираться автоматически или вручную на основании окружающих условий вблизи локомотива, таких как окружающая температура и/или высота над уровнем моря. Этапы, необходимые для выполнения таких процессов, могут быть осуществлены с помощью аппаратного обеспечения, программного обеспечения и/или встроенных программ в любой форме, которая является доступной и выполняемой контроллером 70 и может быть сохранена на любом носителе информации, который является удобным для конкретного применения.
Согласно аспекту изобретения контроллер 70 принимает входные сигналы от одного или более источников, таких как датчик 72 состояния окружающей среды, датчик 74 режима эксплуатации локомотива и/или входные данные 76 машиниста. Датчик 72 состояния окружающей среды может включать в себя датчик окружающей температуры и/или высоты над уровнем моря. Датчик режима эксплуатации локомотива может включать в себя один или более датчики температуры охлаждающей воды, датчики температуры масла, контроля потребления мощности в лошадиных силах и/или датчики выбросов. Входные данные машиниста могут включать в себя команды управления локомотивом, вводимые машинистом локомотива, управляющим локомотивом, которые могут включать в себя конкретные команды управления рабочим режимом. На основании таких входных данных контроллер 70 может управлять работой клапанов 58, 60 регулирования потоков для регулирования потоков 26, 30 охлаждающей жидкости, подаваемых в промежуточный охладитель 16 и маслоохладитель 28 для достижения заданного рабочего режима двигателя. Например, величины соответствующих частей 62, 64, 66, 68 потоков охлаждающей жидкости, подаваемых через клапаны 58, 60, могут быть определены с использованием таких способов, как калмановская фильтрация или алгоритмы последовательного разложения во времени в ряд Тейлора в контурах регулирования с обратной связью и прямой связью. Согласно другому аспекту контроллер 70 может управлять другими компонентами, такими как другие клапаны, насосы, вентиляторы и/или термостаты, для регулирования потоков охлаждающей жидкости, масла и воздуха в системе 10.
Система 10 охлаждения может иметь несколько режимов работы, которые могут управляться контроллером 70. Например, в зависимости от заданного режима работы путем управляемого выбора маршрута потоков охлаждающей жидкости может быть отдан приоритет направлению самой холодной охлаждающей жидкости в промежуточный охладитель 16 или в маслоохладитель 28. На фиг.1 показано позиционирование клапанов 58, 60 управления потоками в качестве примера первого режима работы, оптимизированного для обеспечения заданного уровня выбросов, создаваемых двигателем, при сохранении заданного уровня мощности двигателя, выраженной в лошадиных силах. В первом режиме клапан 58 может быть позиционирован контроллером 70, например, для направления охлажденного на третьей стадии потока 56 охлаждающей жидкости из второго предварительного охладителя 36 в промежуточный охладитель 16, так что промежуточный охладитель 16 принимает самую холодную охлаждающая жидкость, имеющуюся в системе 10. В соответствии с этим охлаждение воздуха 14 горения может быть более успешным по сравнению с охлаждением других компонентов системы 10. Согласно другому аспекту клапаны 58, 60 могут быть позиционированы для обеспечения возможности смешения первой части 62 с первой частью 68 с образованием смешанного потока 26 охлаждающей жидкости промежуточного охладителя, подаваемого в промежуточный охладитель 16. В первом режиме поток 26 охлаждающей жидкости промежуточного охладителя может включать в себя большее количество потока 56, чем первой части 52.
На фиг.2 показано позиционирование клапанов 58, 60 управления потоками в качестве примера второго режима работы, оптимизированного для обеспечения заданного уровня мощности, создаваемого двигателем, например, при окружающих температурах, выше которых требования относительно выбросов могут быть трудными для выполнения. Во втором режиме клапан 58 позиционирован для направления охлажденного на третьей стадии потока 56 охлаждающей жидкости из второго предварительного охладителя 36 в маслоохладитель 28, так что он принимает самую холодную охлаждающую жидкость, имеющуюся в системе 10. В соответствии с этим охлаждение масла 22 является более успешным или оптимизированным по сравнению с охлаждением других компонентов. Клапан 60 позиционирован для направления первой части 52 охлажденного на второй стадии потока 50 охлаждающей жидкости из первого предварительного охладителя 34 в промежуточный охладитель 16, в результате чего в промежуточный охладитель 16 подается относительно более теплый поток охлаждающей жидкости, чем поток, который подается в маслоохладитель 28. Кроме того, клапаны 58, 60 могут быть позиционированы для обеспечения возможности смешения второй части 66 с второй частью 64 с образованием смешанного охлаждающего масло потока 30, подаваемого в маслоохладитель 28. Во втором режиме охлаждающий масло поток 30 может включать в себя большее количество охлажденного на третьей стадии потока 56 охлаждающей жидкости, чем первой части 52.
Согласно третьему примеру режима, который может быть реализован при более низких окружающих рабочих температурах, чем температуры в случае, когда работа осуществляется в первом режиме, потоки охлаждающей жидкости могут регулироваться для получения заданной продолжительности срока службы двигателя. В любом режиме продолжительность срока службы двигателя не является предметом компромисса.
На фиг.3 показан график 78 характеристик двигателя для примеров режимов охлаждения системы 10 охлаждения при изменяющихся рабочих условиях окружающей среды. Кривой 80 представлена работа системы 10 охлаждения при более высоких окружающих температурах согласно второму режиму, благоприятствующему повышению мощности. Кривой 82 представлена работа системы 10 охлаждения при более низких окружающих температурах согласно первому режиму, благоприятствующему снижению уровня выбросов до такого, какой может предписываться контролирующими органами для окружающих температур ниже около 86°F, например, на уровне моря.
Изобретение может быть реализовано на основании приведенного выше описания с использованием методов программирования или технических способов, включая программное обеспечение компьютеров, встроенные программы, аппаратное обеспечение или любое их сочетание или поднабор из них, при этом технический эффект заключается в создании встроенного устройства управления двигателем и системы охлаждения дизельных двигателей. Любая такая конечная программа, имеющая машиночитаемое кодовое средство, может быть заключена или предусмотрена в пределах одного или более машиночитаемых носителей, в результате чего образуется компьютерный программный продукт, то есть предмет обработки согласно изобретению. Машиночитаемым носителем может быть, например, фиксированный (жесткий) диск, дискета, оптический диск, магнитная лента, полупроводниковое запоминающее устройство, такое как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), и т.д. или любая передающая/приемная среда, такая как Интернет или другая сеть или линия связи. Предмет обработки, содержащий программу в машинном коде, может быть получен и/или использован при выполнении программы непосредственно с одного носителя информации, при копировании программы с одного носителя информации на другой носитель информации или при передаче программы через сеть.
Специалист в области вычислительной техники должен быть способен без труда совместить описанное разработанное программное обеспечение с соответствующим универсальным или специализированным аппаратным обеспечением компьютера, таким как микропроцессор, для построения компьютерной системы или компьютерной подсистемы, реализующей способ изобретения. Устройством для осуществления, использования или сбыта может быть одна или более система обработки, включающая в себя, но не ограничиваясь ими, центральный процессор, запоминающее устройство, устройства хранения данных, линии и устройства связи, серверы, устройства ввода-вывода или любые подкомпоненты одной или более систем обработки, включающих в себя программное обеспечение, встроенные программы, аппаратное обеспечение или любое их сочетание или поднабор из них, которые реализуют изобретение.
Хотя в настоящей заявке были показаны и описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, очевидно, что такие варианты осуществления приведены только в качестве примера. Множество вариантов, изменений и дополнений могут быть сделаны не отступая от изобретения. Например, система и способ могут быть применены для систем мокрого или мокрого/сухого охлаждения. Поэтому предполагается, что изобретение должно быть ограничено только сущностью и объемом прилагаемой формулы изобретения.