СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА СУДОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к системам автоматического регулирования температуры наддувочного воздуха дизельных установок служебно-вспомогательных, портовых, рейдовых судов, а также пассажирских судов, работающих на переправе от одного берега к другому, в том числе паромов и т.п.
Работа вышеназванных судов в условиях эксплуатации характеризуется частыми и резкими сменами режимов. Режимы работы судовых дизелей изменяются столь часто, что переходные процессы не успевают завершиться. При этом двигатель (дизель) работает все время в условиях неустановившихся режимов, а рабочие системы, в том числе система наддувочного воздуха, работают с нарушением температурного режима.
Температура наддувочного воздуха оказывает значительное влияние на технико-экономические показатели судового дизеля. Значения оптимальной температуры наддувочного воздуха увеличиваются при снижении нагрузки. Требуемые оптимальные значения температуры наддувочного воздуха могут обеспечиваться путем подогрева или охлаждения.
Для подогрева наддувочного воздуха может использоваться теплота отработавших газов при работе дизеля при частичных нагрузках и при низких температурах наружного воздуха.
Известна автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха, содержащая двигатель с V-образно расположенными цилиндрами; нагнетатель наддувочного воздуха, состоящий из газовой турбины и компрессора; воздушный охладитель наддувочного воздуха; вентилятор; управляющий орган, расположенный во всасывающем ресивере [USPatent№ 4124979, F02B 29/04 (US 60/599), Internalcombustionenginewithex-haustgasturbosupercharger. / IholenP., 1978]. На холостом ходу и при низких температурах наружного воздуха подогрев осуществляется путем перепуска горячих выпускных газов дизеля из выхлопного коллектора во впускной ресивер с помощью поворотной заслонки. Недостатком этой системы является следующее. Перепуск горячих выпускных газов двигателя во впускной ресивер повышает температуру наддувочного воздуха, но, с другой стороны, ухудшает рабочий процесс за счет уменьшения количества кислорода, поступающего в цилиндры двигателя. Способ перепуска позволяет использовать только часть теплоты выхлопных газов. Кроме того, как отмечается в работе [Хомич А.З., Тупицын О.И., Симсон А.Э. Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов. - М.: Транспорт, 1975, с. 188], перепуск выпускных газов на всасывание приводит к закоксовыванию проточной части компрессора.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является «Устройство для регулирования температуры наддувочного воздуха «патент RU 2184251, F02B 29/04, В.Н. Тимофеев, И.П. Данилов, М.С. Алатырев, Д.В. Тимофеев, опубл. 27.06.2002, бюл. №18». Устройство содержит турбокомпрессор, распределитель воздуха, два теплообменника: один из которых предназначен для охлаждения наддувочного воздуха забортной водой, а другой для подогрева наддувочного воздуха при работе дизеля на частичных нагрузках и при низких температурах атмосферного воздуха. Кроме того, устройство содержит психрометр, который при глубоком охлаждении наддувочного воздуха на долевых нагрузках не позволяет работать системе в точке росы, т.е. исключает возможность конденсации охлажденного воздуха.
Недостатком данного прототипа является то, что данное устройство не может быть эффективно использовано на предлагаемых нами судах, так как на этих транспортных средствах горячий теплообменник, например утилизационный котел, не может обеспечивать систему наддувочного воздуха горячей водой, потому что главная дизельная установкавышеназванных судов постоянно работает на частичных нагрузках. А использование судовой котельной установки для получения горячей воды приводит к удорожанию судовой энергетической установки. Кроме того, при работе дизеля в южных регионах забортная вода имеет высокую температуру, что отрицательно будет влиять на охлаждение наддувочного воздуха.
Заявляемая полезная модель решает задачу поддержания температуры наддувочного воздуха дизеля на оптимальных уровнях, зависящих от режимов дизеля и не зависящих от температуры наружного воздуха, уменьшение затрат энергии на охлаждение и повышение эффективности воздушно-газовой системы охлаждения и подогрева наддувочного воздуха.
Этот технический результат достигается тем, что заявляемая система регулирования температуры наддувочного воздуха судового двигателя внутреннего сгорания, содержащая канал подачи наддувочного воздуха в двигатель; психрометр; турбокомпрессор, связанный с распределителем воздуха, соединенным двумя каналами с двигателем через теплообменники, один из которых предназначен для охлаждения наддувочного воздуха, а другой - для его подогрева, а третьим каналом распределитель соединен с каналом подачи наддувочного воздуха в двигатель; элементы автоматики; дополнительно содержит тепловой насос, вход которого через испаритель подключен к низкопотенциальному источнику энергии - забортной воде с возможностью подключения к холодному теплообменнику и потребителю холода судовой энергетической установки, выход - через подогреватель подключен к горячему теплообменнику наддувочного воздуха и судовым тепловым потребителям.
На фигуре представлена схема системы регулирования температуры наддувочного воздуха судовой дизельной установки и содержит двигатель 1; турбокомпрессор 2; распределитель воздуха 3; электрический исполнительный механизм 4; «горячий» теплообменник 5; «холодный» теплообменник 6; клинкет 7; тепловой насос 8, который включает в себя компрессор 9, конденсатор 10, водоподогреватель 11, дроссель 12, испаритель 13; теплообменник 14; потребитель холода 15; электронный четырехходовой кран 16; электронный трехходовой вентиль 17; электронный вентиль 18; вентиль 19; психрометр 20; датчик нагрузки 21; датчики температуры 22, 23; датчик психрометра 24; задатчики 25, 26, 27; блоки сравнения 28, 29, 30; блок управления 31; блок питания 32; выключатель 33; электрические насосы 34, 35, 36; каналы подачи низкопотенциального источника энергии - забортной воды - и теплоносителей 37, 38, 39,40, 41, 42, 43, 44, 45,46, 47, 48, 49, 50, 51; каналы наддувочного воздуха 52, 53, 54, 55, 56; каналы подачи электроэнергии 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64; каналы подачи электрических сигналов 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74.
Электрический психрометр 20 установлен на канале подачи наддувочного воздуха 56 в двигатель 1 и через датчик 24 передает информацию о содержании влаги в наддувочном воздухе в электронный блок управления 31.
Распределитель 3 с помощью исполнительного механизма 4 работает как трехпозиционный регулятор в зависимости от нагрузки и температуры наддувочного воздуха, и может занимать три режима:
1. Режим №1. Открыт горячий канал 55, закрыты каналы 53, 54.
2. Режим №2. Открыт «номинальный» канал 54, закрыты каналы 53, 55.
3. Режим №3. Открыт «холодный» канал 53, закрыты каналы 54, 55.
В тепловом насосе 8 циркулирует легкокипящее вещество - хладагент. При этом в испарителе 13 в результате испарения хладагента происходит понижение температуры низкопотенциального источника энергии - забортной воды, а в конденсаторе 10 в результате конденсации паров хладагента происходит подогрев контурной охлаждающей воды
Электронный четырехходовой кран 16 выполняется по патенту №2253024, Россия, МПК F01P 7/14, 3/20 «Устройство для регулирования рабочей температуры охлаждающейжидкости ДВС» / В. Н. Тимофеев, А. М. Поздеев, Л.В. Тимакова. Опубл. в БИ 15.27.05.2005.
Электронный трехходовой вентиль 17 выполняется по патенту №2270923, Россия, МПК F01P 7/16, «Электрический термостат» / В.Н. Тимофеев, Н.П. Кузин, А.Н. Краснов. Опубл. 27.02.06 бюл. №6.
Замкнутый контур, включающий в себя теплообменник 14, канал 50, электронный вентиль 18, канал 48, «горячий» теплообменник 5, канал 49 заполняется водой, служащей для подогрева наддувочного воздуха в «горячем» теплообменнике 5. Электрический датчик температуры 23 контролирует температуру забортной воды, датчик температуры 22 контролирует температуру наддувочного воздуха. Сигнал от датчика температуры 22 подается по каналу 66 в блок сравнения 28. Одновременно сигнал от датчика нагрузки 21 подается по каналу 65 на задатчик 25, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает по каналу 71 на блок сравнения 28. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика температуры 22 и задатчика 25 в блоке сравнения 28, происходит вычисление регулирующего сигнала, который по каналу 72 поступает в блок управления 31. Таким образом, сигнал, формирующийся на выходе блока управления 31, зависит от отклонений как регулируемой температуры, так и текущего значения нагрузки.
В потребителе 15 используется охлажденная забортная вода, особенно в летнее время, например в качестве кондиционера воздуха.
В водоподогревателе 11 происходит подогрев забортной воды, которая используется в качестве горячей воды на камбузе, в душевой и т.п.
В тепловом насосе 8 компрессор 9 может быть электрическим или может быть подключен к главному двигателю внутреннего сгорания.
Система регулирования температуры наддувочного воздуха судового двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
После запуска двигателя 1 из турбокомпрессора 2 воздух поступает в двигатель следующим образом. В электронный блок управления 31 поступают сигналы от датчиков температуры 22, 23; датчика психрометра 24 и датчика нагрузки 21. В зависимости от нагрузки двигателя 1 и температуры наддувочного воздуха система позволяет поддерживать требуемую его температуру на всех режимах работы двигателя. Одновременно открывается вентиль 19, приводятся в действие электрические насосы, в том числе насос 34, который начинает подавать забортную воду через четырехходовой электронный кран 16: по каналу 40 - в водоподогреватель 11, по каналу 39 - в испаритель 13, по каналу 38 - в теплообменник 6 при номинальных нагрузках работы дизеля, а при глубоком охлаждении двигателя патрубок четырехходового крана 16 закрывает канал 38, и забортная вода поступает в теплообменник 6 через испаритель 13. Включается выключателем 33 блок питания 32 и блок управления 31, который начинает подавать электроэнергию на электрические потребители системы регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя. Начинает работать тепловой насос 8.
При этом:
н.в
1. Если температура наддувочного воздуха при работе двигателя на долевых на грузках и холостом ходу, например t°≤60°С, блок управления 31 подает сигнал на исполнительный механизм 4, который поворачивает распределитель 3 в положение «Режим 1». Тогда наддувочный воздух из турбокомпрессора 2 по каналу 52 поступает в «горячий» теплообменник 5, где воздух подогревается до заданного значения и направляется по каналам 55, 56 в двигатель 1.
2. Если при изменении нагрузки двигателя температура наддувочного воздуха становится номинальной, блок управления 31 подает новый сигнал на исполнительный механизм 4, который поворачивает распределитель 3 в положение «Режим 2» и наддувочный воздух из турбокомпрессора 2 по каналу 52 через распределитель 3 и по каналам 54, 56 поступает в двигатель 1.
При этом тепловой насос 8 продолжает работать, охлажденная вода из испарителя 13 по каналу 45 через трехходовой вентиль 17 подается к потребителю холода 15, а после по каналам 47, 51 сливается за борт. У трехходового вентиля 17 третий патрубок находится в закрытом положении.
3. Если при изменении нагрузки двигателя до номинального значения и выше температура наддувочного воздуха становится выше номинальной, то блок управления 31 подает сигнал на исполнительный механизм 4, который поворачивает распределитель 3 в положение «Режим 3». Тогда наддувочный воздух из турбокомпрессора 2 по каналу 52 через распределитель 3, канал 53 поступает в «холодный» теплообменник 6, где охлаждается до заданной температуры, например до 40°С и по каналам 53, 56 направляется в двигатель 1.
В этом случае забортная вода в «холодный» теплообменник 6 поступает следующим образом.
0
з.в
Если забортная вода имеет температуру, например, t.<10°С, то четырехходовой электронный кран 16 открывает канал 38 и по этому каналу забортная вода подается в «холодный» теплообменник 6.
з.в
Если температура забортной воды становится, например, t°≤10°С, то четырехходовой электронный кран 16 прекращает подачу забортной воды закрытием патрубка канала 38.
При этом, электронный трехходовой вентиль 17 открывает все свои патрубки: первый патрубок принимает охлажденную забортную воду из испарителя 13, второй патрубок направляет поток охлажденной воды по каналу 46 в потребитель 15, третий патрубок направляет охлажденный поток забортной воды по каналу 38 в «холодный» теплообменник 6.
Датчик психрометра 24 контролирует влажность наддувочного воздуха. При охлаждении наддувочного воздуха до точки росы датчик психрометра 24 подает сигнал по каналу 67 в блок сравнения 30, куда одновременно подается сигнал по каналу 69 из задатчика 27. Обработанный сигнал в блоке сравнения 30 подается по каналу 70 в блок управления 31, который уменьшает подачу охлажденной забортной воды в трехходовом вентиле 17, что приводит к увеличению температуры наддувочного воздуха, т.е. температура наддувочного воздуха становится выше точки росы.
Таким образом, предлагаемая система регулирования температуры наддувочного воздуха судового двигателя внутреннего сгорания позволяет решать задачу поддержания температуры наддувочного воздуха на переменных нагрузках, зависящих от режимов работы двигателя и не зависящих от температуры наружного воздуха. Кроме того, использование теплового насоса в системе регулирования температуры наддувочного воздуха позволяет иметь на предлагаемых судах постоянные источники холода и теплоты, что приводит к повышению эффективности эксплуатации судовой энергетической установки служебно-вспомогательных, портовых, рейдовых судов, а также пассажирских судов, работающих на переправе от одного берега к другому, в том числе паромов и т.п.