Система автоматического регулирования теплового режима судового двигателя внутреннего сгорания

Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к синтезу жидкостного охлаждения путем предпускового подогрева охлаждающей жидкости с использованием тепловой энергии главного судового котла, а также утилизацией тепловой энергии отработавших газов в условиях низких температур при переменных режимах работы судового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - судового дизеля.
Известна система охлаждения - подогрева [1], обеспечивающая требуемый температурный режим на всех нагрузках работы судового дизеля. Данная система охлаждения - подогрева содержит внутренний и внешний контуры, утилизационный котел (УК), установленный на выхлопной трубе. Внутренний контур содержит дополнительный теплообменник, связанный с утилизационным котлом. Во время работы дизеля в дополнительном теплообменнике поддерживается заданная температура, например 95-98°C, которая в зависимости от нагрузки поддерживает требуемую температуру во внутреннем контуре системы охлаждения.
Основным недостатком данной системы является то, что во время стоянки судна дизель не работает, происходит переохлаждение дизеля, особенно в холодное время года, что затрудняет пуск дизеля, при этом уменьшаются технико-экономические показатели дизеля - увеличивается износ, расход топлива, уменьшается мощность дизеля.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является «Система охлаждения силовой установки двухдизельного тепловоза» [2]. Предложенная система содержит двухдизельную силовую установку дизеля, которая за счет предлагаемой конструкции системы охлаждения автоматически обеспечивает прогрев неработающего дизеля за счет работающего дизеля, постоянную готовность неработающего дизеля к запуску и приему нагрузки без дополнительных затрат времени и энергии, а также повышение экономичности тепловоза путем уменьшения затрат мощности на привод вентиляторов охлаждающего пространства за счет естественного рассеяния теплоты в системе охлаждения неработающего дизеля. При этом предлагаемая конструкция силовой установки двухдизельного тепловоза соединяют системы охлаждающей жидкости обоих дизелей таким образом, что автоматически обеспечивает подогрев неработающего дизеля и его поддержание в состоянии готовности к пуску и приему нагрузки за счет тепловыделения работающего дизеля.
Недостатком данного прототипа является то, что двух дизельные судовые установки всегда работают одновременно, поэтому это устройство не может быть использовано для предпускового подогрева.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания системы автоматического подогрева судового ДВС и оптимального теплового состояния во время его эксплуатации.
Техническим результатом, достигаемом при этом, является поддержание требуемого теплового режима, как перед пуском, так и при переменных нагрузках работы дизеля.
Этот технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе автоматического регулирования судового ДВС, содержит внутренний, внешний контуры, утилизационный котел, датчики температуры и нагрузки, блок управления, запорную арматуру и элементы автоматики дополнительно содержит главный судовой котел, вход которого подключен через блок управления и теплообменник к внутреннему контуру системы, выход связан с каналом потребителя тепловой энергии, причем блок управления выполнен программируемым с возможностью изменения температуры охлаждающей воды на переменных нагрузках работы судового двигателя.
На Фиг. 1 представлена схема системы автоматического регулирования теплового режима судового ДВС. Система содержит внутренний контур охлаждения, включающий полости охлаждения двигателя 1, теплообменник 2, электрический насос 3, утилизационный котел (УК) 4, главный судовой котел 5, теплообменники 6, 7; потребитель тепловой энергии 8, циркуляционный насос 9, четырехходовые электронные краны (4ХКР) 10, 11; трехходовый электронный кран (3ХКР) 12, датчики нагрузки 13 и температуры 14 (ДТ), блок управления (БУ) 15; блок сравнения (БС) 16, 18; задатчики 17, 19; пульт управления 20 с переключателями 21, 22; каналы теплоносителя 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31; каналы теплоносителя главного судового котла 32, 33, 34, 35, 36; каналы теплоносителя утилизационного котла 37, 38, 39; каналы подачи электроэнергии 40, 41, 42, 43, 44, 45; каналы подачи электрических сигналов 46, 47, 48, 49, 50, 51; каналы внешнего контура забортной воды 52, 53.
Трехходовой электронный кран (3ХКР) 12 выполняется по патенту 2031216 [3], служит для регулирования подачи теплоносителя к потребителю 8 и теплообменнику 6. Четырехходовые электронные краны (4ХКР) 10, 11 выполняются по патенту 2253024 [4], при этом 4ХКР 10 служит для подачи потока внутреннего контура охлаждающей воды по каналу 26 в теплообменник 7, по каналу 24 в теплообменник 6, по каналу 29 в 4ХКР 11. 4ХКР 11 служит для приема потока охлаждающей воды по каналам 28, 29 и подачи потока охлаждающей воды по каналу 27 на перепуск, по каналу 30 в теплообменник 2.
Контур главного судового котла включает: котел 5, канал 32, 3ХКР 12, каналы 33, 34, теплообменник 6, канал 35, потребитель тепловой энергии 8, канал 36. Циркуляционный насос не показан. Контур утилизационного котла включает следующие элементы: УК 4, канал 37, насос 9, канал 38, теплообменник 7, канал 39.
Блок управления 15 выполняется программируемым, благодаря чему обеспечивается регулирование температурного режима в зависимости от нагрузки дизеля, т.е. на частичных нагрузках предусматривается поддержание температуры внутреннего контура в пределах 95-98°C, а на номинальных - 80-85°C.
Система автоматического регулирования теплового режима судового ДВС работает следующим образом. Во время стоянки судна, например на рейде, главный судовой дизель не работает, а главный судовой котел 5 находится в рабочем состоянии. При нерабочем состоянии дизеля 1, особенно в осенне-зимнее время происходит снижение температурного состояния дизеля. Низкая температура охлаждающей воды и стенок цилиндра приводят к потерям теплоты, что отрицательно сказывается на пусковые качества. Кроме того, трущаяся пара поршень - втулка работает весьма в неблагоприятных условиях вследствие наличия разности температур и трудности обеспечения смазки.
Исходя из этого, в предлагаемой системе предусматривается подогрев холодного дизеля перед пуском. Для этого включением переключателя 21 по каналу 40 подается электроэнергия на блок управления (БУ) 15 и приводится в действие предлагаемая система. БУ 15 подает электроэнергию электрическим элементам по каналам 42, 43, 44, 45. Запускается электрический насос 3, приводятся в действие 3ХКР 12; 4ХКР 10, 11. При этом канал 23 открывается, канал 26 закрывается, каналы 24, 29 открываются. 4ХКР 11 открывает каналы 25, 27; закрывает канал 30 и проход потока воды из 4ХКР 10. Одновременно 3ХКР 12 открывает канал 32 и начинается циркуляция теплоносителя главного судового котла: канал 32, 3ХКР 12, канал 33, теплообменник 6, канал 35, потребитель 8, канал 36, котел 5.
Начинается циркуляция потока охлаждающей воды внутреннего контура, где этот поток в теплообменнике 6 повышает свою температуру, а в двигателе 1 отдает свою теплоту деталям дизеля. При этом температура потока воды внутреннего контура системы охлаждения (СО) контролируется ДТ 14 и доводится до заданного значения.
Для пуска дизеля 1 останавливают подогрев выключением переключателя 21 и нажатием на переключатель 22 система приводится к пуску дизеля 1. При этом закрываются каналы 33, 35 и главный судовой котел 5 продолжает обеспечивать тепловой энергией судовой потребитель тепловой энергии 8, 4ХКР 10 закрывает канал 24; открывает каналы 26,29, а 4ХКР 11 закрывает каналы 25, 30, открывает каналы 27, 28, 29.
После пуска дизеля 1 УК 4 начинает циркулировать по своему контуру и подогревать теплообменник 7.
е
ном
е
ном
р.вн.конт
р.вн.конт
В зависимости от нагрузки дизеля 1 блок управления 15 устанавливает требуемую температуру потока воды внутреннего контура СО. При этом: если нагрузка P≤0,5 P (P - эффективная мощность, P - номинальная мощность) температура T (T - регулируемая температура охлаждающей воды внутреннего контура) должна поддерживаться в пределах 95-98°C, при этом температура потока охлаждающей воды внутреннего контура контролируется ДТ 14. Блок управления 15 передает электроэнергию на 4ХКР 10, который распределяет требуемый поток воды открытием и закрытием каналов 26, 29. При этом в теплообменнике 7 в результате теплообмена охлаждающей воды с теплоносителем утилизационного контура происходит повышение температуры охлаждающей воды внутреннего контура, например, на частичных нагрузках до 95-98°C. Далее, повышенный температурный поток охлаждающей воды по каналам 28 поступает в канал 29, куда одновременно поступает часть потока воды внутреннего контура СО от 4ХКР 11, происходит смешивание этих потоков и через 4ХКР 11, канал 27, насос 3 поступает в дизель 1.
е
ном
При повышении нагрузки P≥0,5 P температура внутреннего контура системы охлаждения поддерживается в пределах 80-85°C. В этом случае 4ХКР 10 закрывает каналы 26, 24; открывает каналы 23, 29, а 4ХКР 11 закрывает канал 25; открывает каналы 27, 30. Поток охлаждающей воды из дизеля 1 по каналу 23, 4ХКР 10, каналу 29 поступает 4ХКР 11, который в зависимости от нагрузки и температуры охлаждающей воды внутреннего контура производит распределение потока охлаждающей воды на перепуск по каналу 27 и по каналу 30 в теплообменник 2. В теплообменнике 2 происходит понижение температуры потока охлаждающей воды внутреннего контура в результате теплообмена с внешним контуром забортной воды. Забортная вода поступает по каналу 52 (насос не показан), выходит из теплообменника 2 по каналу 53 и сливается за борт.
В канале 31 происходит смешение потоков охлаждающей воды, поступающих из канала 27 и теплообменника 2 и подача охлаждающей воды насосом 3 в дизель 1.
Таким образом, предлагаемая система автоматического регулирования теплового режима судового ДВС используя тепловую энергию главного судового котла и электрические элементы поддерживается номинальный тепловой режим ДВС 1 в момент пуска, а утилизационный котел с элементами автоматики обеспечивает требуемый температурный режим на всех режимах его работы, что позволит уменьшать износ, удельный расход топлива и повысить эксплуатационную мощность ДВС.
Источники информации
1. Патент 2165027 Россия, МКИ F01P 3/20. Система охлаждения-подогрева двигателя внутреннего сгорания / В.Н. Тимофеев. (Россия); Опубл. в БИ 10.04.01.
2. Патент 2375211, B60K 11/02. Система охлаждения силовой установки двухдизельного тепловоза / В.С. Косов, В.И. Горин, Л.М. Бондаренко и др. Опубл. 10.12.2009.
3. Патент 2031216 Россия, МКИ F01P 7/14. Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости ДВС / В.Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е.В. Кротов и др.(Россия). Опубл. в БИ 20.03.95.
4. Патент 2253024 Россия, МПК F01P 7/14, 3/20 Устройство для регулирования рабочей температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания / В.Н. Тимофеев, А.М. Поздеев, Л.В. Тимакова. Опубл. в БИ №15 27.05. 2005.