СИСТЕМА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ГОТОВНОСТИ К ЗАПУСКУ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТЕПЛОВОЗА
SYSTEM TO MAINTAIN AVAILABILITY FOR START-UP OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF DIESEL LOCOMOTIVE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к их средствам запуска с подогревом текучей среды в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания тепловозов, других транспортных машин и передвижных дизель-электростанций.
Известна система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта, содержащая блок подогрева с тепловым аккумулятором, заряжаемым отходящим теплом выхлопных газов. Блок подогрева встраивается в канал отвода выхлопных газов и в контур циркуляции теплоносителя (тосола). Основными функциональными режимами работы системы являются режим предпускового подогрева холодного двигателя и салона автотранспорта, а при работающем двигателе - режим зарядки теплового аккумулятора и режим отопления салона автотранспорта. (RU. Патент №2293207, кл. F02N 17/04, 2007 г.)
Недостатком известной системы является то, что блок подогрева, встраиваемый в канал отвода выхлопных газов, изменяет расчетные режимы работы двигателя, в режиме предпускового подогрева холодного двигателя не производится подогрев масла и тепловой аккумулятор сохраняет тепло ограниченное время.
Известна электрическая система обогрева тепловоза 4ТЭ130 мощностью 12000 л.с., предназначенного для БАМа, содержащая электроподогреватель, водяной прокачивающий насос, маслопрокачивающий насос, топливоподкачивающий тепловозный насос. Питание переменным током электроподогревателя и электродвигателей прокачивающих агрегатов осуществляется от автономного дизель-генератора, установленного на сцепленной с тепловозом передвижной единице. Водяная система разработана таким образом, что обеспечивается необходимая циркуляция воды через электроподогреватель и все обогреваемые агрегаты, а также совместная работа системы прогрева и дизеля для ускорения его прогрева. (Особенности подвижного состава, предназначенного для работы в условиях низких температур. Реферативный сборник 5-80-10, ЦНИИТЭИТЯЖМАШ. МОСКВА. 1980 г.)
Недостатками известной системы являются ее большие габариты и вес вследствие большой мощности электроподогревателя и питающего его дизель-генератора.
Известна также автоматизированная система прогрева тепловозов при горячем простое, содержащая обогреватель системы охлаждения дизеля, обогреватель масляной и топливной систем, подключенных по питанию топливом через топливные насосы к топливному баку тепловоза и оснащенных насосами для прокачки воды в контурах циркуляции, системой вентиляции для удаления продуктов сгорания топлива в атмосферу через трубу тепловоза, а также пультом системы управления и сигнализации на тепловозе и блоком дистанционного контроля, размешенным в помещении дежурного по станции. Насосы, вентиляторы и система управления обогревателей подключены к аккумуляторной батарее через блок преобразования и стабилизации напряжения. Кроме того, система обогрева содержит датчики контроля теплового режима в контурах системы охлаждения дизеля, масляной и топливной систем, датчик контроля напряжения на аккумуляторной батарее, а пульт управления режимами обогревателей содержит блоки звуковой и световой сигнализации на тепловозе и передатчик радиосигналов о штатном и аварийном режимах работы обогревателей для оповещения дежурного по станции, в помещении дежурного размещен приемник радиосигналов с блоком сигнализации, который отражает цифровые номера тепловозов и режимы работы обогревателей. (RU. Патент №2324826, кл. F01M5/02, F02N 17/04, В60К 11/00, 2006 г.)
Недостатком известной системы является то, что насосы, вентиляторы и система управления обогревателей подключены к аккумуляторной батарее через блок преобразования и стабилизации напряжения и при работе системы прогрева происходит разряд аккумуляторных батарей тепловоза, соответственно значительно сокращается длительность работы системы прогрева, так как аккумуляторные батареи должны всегда поддерживаться в заряженном состоянии для обеспечения беспрепятственного запуска дизеля.
Известна также автономная автоматическая система подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания большой мощности для железнодорожного, водного транспорта и передвижных дизель-электростанций, содержащая два жидкостных подогревателя с электронным управлением, которые подключены к основной магистрали штатной системы охлаждения через четыре дополнительных трубопровода и три обратных клапана, один из которых установлен на участке основной магистрали штатной системы охлаждения, а два других на выходе каждого из жидкостных подогревателей, дополнительный масляный насос, вход которого с помощью дополнительного масляного трубопровода подключен к картеру двигателя, а выход с помощью второго дополнительного масляного трубопровода подключен к головке блока цилиндров двигателя через специально проделанные отверстия к технологическим каналам сброса излишков масла, датчик температуры масла, установленный в нижней точке картера двигателя, два датчика температуры теплоносителя, установленные по одному на выходе каждого жидкостного подогревателя, пульт управления, микропроцессорный контроллер с записанной программой управления, содержащий приемо-передающий модуль GSM и подключенный с помощью кабеля к пульту управления, электронным блокам управления подогревателей, к питающим клеммам дополнительного масляного насоса, датчику температуры масла, к двум датчикам температуры теплоносителя, автономный источник электропитания, подключенный к контроллеру и двум жидкостным подогревателям. (RU, полезная модель №70693 U1, кл. F02N 17/06, 2008 г.)
Недостатком известной системы является то, что она не обеспечивает поддержание предпусковых температурных условий дизельного топлива двигателей внутреннего сгорания и поддержания емкости аккумуляторной батареи при не работающем дизеле. Прогрев масла производится водой не эффективно - через металлоконструкцию дизельного блока (холодное масло подводится к дизелю через специально проделанные отверстия, к технологическим каналам сброса излишков масла). Установка датчиков температуры теплоносителя по одному на выходе каждого жидкостного подогревателя не обеспечивает полный контроль за изменением температуры в опасных зонах системы охлаждения и не исключает замерзание теплоносителя в параллельных ветвях системы с низким расходом и большими теплопотерями. Обогрев кабины машиниста производится каллорифером тепловоза с теплоносителем низкой температуры, что приводит к его малой эффективности.
Известна также система для запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащая систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания, жидкостной подогреватель, подключенный к основной магистрали штатной системы охлаждения, датчики температуры теплоносителя, штатную топливную систему двигателя внутреннего сгорания со штатным топливным баком и подкачивающим топливным насосом, дополнительный масляный насос, автономный источник электропитания выполнен в виде дизель-генераторной установки с устройством подзарядки стартерной аккумуляторной батареи тепловоза, система для запуска двигателя внутреннего сгорания снабжена дополнительным топливным баком, оснащенным переливным трубопроводом, соединенным сливным трубопроводом со штатным топливным баком, трубопроводом с краном и дросселем, соединяющим дополнительный топливный бак с нагнетательным топливным трубопроводом штатной топливной системы, трубопроводом с краном, соединяющим дополнительный топливный бак с топливопроводом дизель-генераторной установки, трубопроводом с краном и трубопроводом, соединяющим дополнительный топливный бак с жидкостным подогревателем, в штатную топливную систему параллельно подкачивающему топливному насосу установлен дополнительный топливный насос, дополнительный масляный насос подключен параллельно штатному прокачивающему масляному насосу, датчики температуры теплоносителя для контроля за работой системы включены в трубопровод с наиболее низкой температурой теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания в режиме работы системы для запуска двигателя внутреннего сгорания. (RU. Патент №2422669, кл. F02N 19/04, 2011 г.)
Недостатком известной системы является то, что меняется режим наполнения дополнительного топливного бака из-за дросселя, установленного в питательном трубопроводе, в зависимости от температуры топлива (меняется плотность дизельного топлива), что может привести к полному опорожнению дополнительного топливного бака при большом потреблении топлива системой для запуска двигателя внутреннего сгорания (при низких температурах окружающего воздуха); для обогрева кабины машинистов не используется штатный жидкостной подогреватель кабины, так как из-за наличия параллельных контуров в водяной системе циркуляция через жидкостной подогреватель недостаточна, что не исключает замерзание теплоносителя в отдельных трубках и снижает надежность системы для запуска двигателя внутреннего сгорания в целом; кроме этого применение дизель-генератора в качестве источника электропитания приводит к существенному возрастанию стоимости системы, трудоемкости и затрате средств на техническое обслуживание всей системы.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности системы для поддержания к запуску двигателя внутреннего сгорания тепловоза, увеличение времени простоя неработающего двигателя внутреннего сгорания в холодное время года в постоянной готовности его к запуску за счет гарантированного постоянного заполнения топливом дополнительного топливного бака, расположенного в сливной трубопроводе штатной топливной системы, при этом топливо всегда подогрето в топливоподогревателе, что снижает вероятность парафинизации его в трубопроводах и топливных фильтрах при низких температурах окружающего воздуха; применение дополнительного прокачивающего насоса на входе в штатные жидкостные подогреватели позволило существенно увеличить циркуляцию горячего теплоносителя через них, что повышает эффективность обогрева кабины и позволяет отказаться от установки дополнительных подогревателей воздуха в ней; отказ от применения дополнительного обогревателя воздуха в кабине машинистов и дизель-генератора в качестве источника энергии позволяет существенно снизить стоимость и затраты на техническое обслуживание системы поддержания к запуску двигателя внутреннего сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе для поддержания готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания тепловоза, содержащей штатную систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания, не менее одного жидкостного подогревателя, подключенного к основной магистрали штатной системы охлаждения, штатную топливную систему двигателя внутреннего сгорания со штатным топливным баком и штатным подкачивающим топливным насосом, дополнительный топливный бак, оснащенный переливным трубопроводом, сливным трубопроводом с краном и трубопроводом, соединяющим дополнительный топливный бак с не менее чем одним жидкостным подогревателем, дополнительный топливный насос, установленый в штатной топливной системе параллельно штатному подкачивающему топливному насосу, дополнительный масляный насос, подключеный параллельно штатному прокачивающему масляному насосу, устройство подзарядки аккумуляторной батареи тепловоза, поддерживающее ее в состоянии готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания, датчики температуры теплоносителей охлаждения для контроля за работой системы, включенные в трубопровод с наиболее низкой температурой теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, система для поддержания готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания тепловоза снабжена дополнительным топливным баком системы, включенным в сливной трубопровод штатной топливной системы для обеспечения его надежного заполнения дизельным топливом, дополнительными циркуляционными водяными насосами, установленными на входных трубопроводах штатных жидкостных подогревателей воздуха в кабинах машиниста для обеспечения в них условий пуска двигателя внутреннего сгорания; питание электромоторов циркуляционных, масляного и топливного насосов, устройства подзарядки аккумуляторной батареи тепловоза и элементов управления системы выполнено через отдельный шкаф электрооборудования от внешнего источника энергии.
На чертеже изображена схема системы для поддержания готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания с подогревом текущей среды системы охлаждения.
Система для поддержания готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания тепловоза содержит не менее одного жидкостного подогревателя 1 с электронным управлением, который подключен к основным трубопроводным магистралям 2 и 3 штатной системы охлаждения 4, включающей в себя горячий контур 5 и холодный контур 6 двигателя внутреннего сгорания (например, дизеля) 7 последовательно с дополнительным циркуляционным насосом 8 (одним или несколькими), перепускными трубопроводами 9 и 10, дополнительный масляный насос 11 подсоединен параллельно штатному масляному насосу 12, датчики 13 температуры теплоносителя охлаждения, розетку 14 для подключения внешнего источника питания, устройство подзарядки 15 аккумуляторной батареи 16 тепловоза, поддерживающее ее в состоянии готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания 7, дополнительный топливный насос 17, установленный в штатную топливную систему 18 параллельно подкачивающему штатному топливному насосу 19, дополнительный топливный бак 20, оснащенный переливным трубопроводом 21, соединенный сливным трубопроводом 22 со штатным топливным баком 23, трубопровод 24 с краном, соединяющий дополнительный топливный бак 20 со сливным топливным трубопроводом 25 штатной топливной системы 18, трубопровод 26 с краном и трубопровод 27, соединяющие дополнительный топливный бак 20 с жидкостным подогревателем 1, установленным на трубопроводе перепуска 9 или 10 штатной системы охлаждения 4. На трубопроводе 2 на входе в штатные жидкостные подогреватели 28 воздуха в кабине машиниста 29 установлены дополнительные циркуляционные насосы 30 (по одному на каждую кабину).
Штатная топливная система 18 двигателя внутреннего сгорания 7 состоит из топливного бака 23, подкачивающего штатного топливного насоса 19, сливного топливного трубопровода 25, редукционного клапана 31, топливоподогревателя 32, заборно-сливного устройства 33, все элементы соединены трубопроводом 34.
Штатная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания 7 состоит из горячего 5 и холодного 6 контуров. Горячий контур 5 включает штатный циркуляционный насос 35, жидкостные полости охлаждения 36 двигателя внутреннего сгорания 7, радиатор охлаждения 37, полости топливоподогревателя 32 (например, водяные), штатный жидкостный подогреватель воздуха 28 в кабине машиниста 29, все элементы горячего контура 5 объединены трубопроводной магистралью 2. Холодный контур 6 включает штатный циркуляционный насос 38, охладитель наддувочного воздуха 39, водомасляный теплообменник 40 и радиатор охлаждения 41, все элементы холодного контура объединены трубопроводной магистралью 3.
Штатная масляная система 42 двигателя внутреннего сгорания 7 состоит из штатного прокачивающего масляного насоса 43, масляных полостей водомасляного теплообменника 40 и масляных каналов 44 смазки двигателя внутреннего сгорания 7, все элементы системы соединены трубопроводом 45.
Штатный жидкостный подогреватель воздуха 28 в кабине машиниста 29 соединен со штатным циркуляционным насосом 35 трубопроводом 46 с установленными на нем циркуляционным насосом 30 и датчиками 13 температуры теплоносителя охлаждения для контроля за работой системы, включенные в трубопровод 46 с наиболее низкой температурой теплоносителя охлаждения двигателя внутреннего сгорания 7. Место установки датчиков определено как место с наиболее низкой температурой теплоносителя системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания 7 в режиме работы системы для запуска двигателя внутреннего сгорания тепловоза.
Питание жидкостного подогревателя 1 (одного или нескольких), электромоторов циркуляционных 8 и 30, дополнительных масляного 11 и топливного 17 насосов, устройства подзарядки 15 аккумуляторной батареи 16 тепловоза и элементов управления системы 47 выполнено через отдельный шкаф электрооборудования 48 от внешнего источника энергии, подводимого к розетке 14.
Система для поддержания готовности к запуску двигателя внутреннего сгорания тепловоза работает следующим образом.
При работающем двигателе внутреннего сгорания 7 топливо в штатную топливную систему 18 подается подкачивающим штатным топливным насосом 19, поддерживается давление топлива на необходимом уровне редукционным клапаном 31. На штатном сливном топливном трубопроводе 25 установлен дополнительный топливный бак 20, в который топливо подается по трубопроводу 24 с краном, а из него излишки топлива сливаются по переливному трубопроводу 21 и по сливному трубопроводу 22 в штатный топливный бак 23. При остановке двигателя внутреннего сгорания 7 и переводе тепловоза, или других транспортных средств, или передвижных электростанций в режим отстоя, оператор подключает к розетке 14 тепловоза кабель электропитания от внешнего источника, тем самым обеспечивается электропитание жидкостного подогревателя 1, электромоторов циркуляционных 8 и 30, масляного 11 и топливного насосов 17, устройства подзарядки 15 аккумуляторной батареи 16 тепловоза и элементов управления системы 47 через отдельный шкаф электрооборудования 48.
В режиме отстоя тепловоза в соответствии с алгоритмом работы системы и в зависимости от температур жидкости (например, воды), масла и топлива включаются три системы циркуляции теплоносителей: топливная 18, масляная 42, охлаждения 4.
При включении дополнительного топливного насоса 17, установленного в штатную топливную систему 18 параллельно подкачивающему топливному насосу 19, обеспечивается подача топлива в дополнительный топливный бак 20 и циркуляция топлива по всей топливной системе 18 двигателя внутреннего сгорания 7, тем самым используя штатные устройства тепловоза (например, топливоподогреватель 32, заборно-сливное устройство 33 во всасывающей трубе подкачивающего штатного топливного насоса 19) для подогрева топлива.
При включении дополнительного масляного насоса 11, установленного в штатную масляную систему 42 двигателя внутреннего сгорания 7 параллельно штатному прокачивающему масляному насосу 43, обеспечивается циркуляция масла по всей масляной системе двигателя внутреннего сгорания 7, тем самым используя для подогрева масла штатные устройства - водомасляный теплообменник 40 и масляные каналы 44 смазки двигателя внутреннего сгорания 7.
При включении дополнительного циркуляционного насоса 8 и жидкостного подогревателя 1 (одного или нескольких), подключенных к штатной системе охлаждения 4, обеспечивается прогрев всех теплоносителей двигателя внутреннего сгорания 7 во время отстоя тепловоза. Подогрев теплоносителя жидкостным подогревателем 1 (одним или несколькими) происходит по команде с датчиков 13 температуры, установленных на трубопроводе 46 теплоносителя в месте с самой большой скоростью остывания и соответственно с самой низкой температурой теплоносителя. На тепловозах этим местом, как правило, является трубопровод 46, соединяющий жидкостный подогреватель воздуха 28 в кабине машиниста 29 с всасывающей линией штатного циркуляционного насоса 35.
Подогретый теплоноситель из жидкостного подогревателя 1 (одного или нескольких) поступает на вход насоса 35 горячего контура 5 и далее через жидкостные полости охлаждения 36 двигателя внутреннего сгорания 7 на вход в радиаторы охлаждения 37 горячего контура 5, в топливоподогреватель 32 и на вход дополнительного циркуляционного насоса 30, далее в жидкостный подогреватель воздуха 28 кабины машинистов 29; на входе в радиаторы охлаждения 37 горячего контура 5 поток разделяется на два: один в радиаторы охлаждения 37 горячего контура 5, а другой - по перепускному трубопроводу 10 на вход штатного циркуляционного насоса 38 холодного контура 6, где разделяется опять на два потока: один через радиаторы охлаждения 41 холодного контура 6 обратным током поступает во всасывающий трубопровод дополнительного циркуляционного насоса 8 подогревателя жидкости 1, а другой - через штатный циркуляционный насос 38 холодного контура 6, охладитель наддувочного воздуха 39 и водомасляный теплообменник 40 поступает также на всасывание дополнительного циркуляционного насоса 8 подогревателя жидкости 1.
Теплоноситель, протекающий по трубопроводу 46, на выходе из штатного жидкостного подогревателя воздуха 28 имеет наиболее высокую скорость охлаждения из-за удаленности этой ветви от двигателя внутреннего сгорания 7 и малого диаметра трубопровода 46, по этой причине трубопровод 46 является наиболее подходящим местом для установки датчиков 13 температуры теплоносителя охлаждения на рассматриваемом тепловозе. При включенной системе прогрева двигателя внутреннего сгорания 7 обогрев кабины машиниста 29 производится штатным жидкостным подогревателем воздуха 28.
Использование внешнего источника электропитания с устройством подзарядки стартерной аккумуляторной батареи 15, например, тепловоза, позволяет находиться тепловозу в режиме прогрева неограниченное время (до окончания топлива в баке тепловоза), сохраняя ресурс работы двигателя внутреннего сгорания 7, повышая его эксплуатационную надежность и обеспечивая возможность запуска двигателя внутреннего сгорания 7 в любое время.
Датчики 13 температуры теплоносителя, установленные в наиболее холодный трубопровод 46 системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания 7, своевременно подают сигналы в систему прогрева при достижении температуры теплоносителя предельных значений, обеспечивая надежный контроль за состоянием теплоносителей двигателя внутреннего сгорания 7.
Использование в кабине машинистов 29 штатного подогревателя воздуха 28 с дополнительным циркуляционным насосом 30 позволяет поддерживать температуру воздуха в кабине машиниста 29 на требуемом уровне в течение всего времени работы системы прогрева, обеспечивая в кабине машиниста 29 приемлемые условия для пуска двигателя внутреннего сгорания 7.