УСТАНОВКА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Установка для охлаждения экспериментального оборудования
Полезная модель относится к области машиностроения, в частности, к экспериментальным стендам для проведения комплексных испытаний двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) и дополнительных компонентов ДВС, например, предназначенных для рекуперации остаточной тепловой энергии отработавших газов (далее ОГ) и требующих охлаждения.
Важным этапом при создании двигателя является его экспериментальное исследование, а также дополнительных компонентов, связанных с ним. На этом этапе проверяется адекватность математических моделей, применяемых для расчетного исследования различных процессов, а также основные расчетные результаты, полученные с их помощью. Кроме того, с использованием экспериментального стенда выполняется доводка рабочего процесса автомобильного двигателя и связанных с ним компонентов. В настоящее время накоплен значительный опыт создания специальных стендов для испытаний и исследований автомобильных двигателей и компонентов, связанных с ним (RU 151683 U1, 10.04.2015; RU 2614940 С1, 31.03.2017; RU 122485 U1, 27.11.2012).
Из уровня техники известна система охлаждения испытательного стенда двигателя (CN 201637578 U, 17.11.2017). Принцип работы этой системы охлаждения состоит в следующем: блок управления с помощью датчика температуры измеряет температуру охлаждающей жидкости (далее ОЖ) на выходе тестируемого ДВС и рассчитывает положение пропорционального клапана на основе температурных значений, а затем посылают управляющие сигналы на пропорциональный клапан. Данная система обеспечивает точное поддержание температурного режима ДВС за счет регулирования температуры ОЖ в пределах установленного значения с отклонением 2°С. Движение ОЖ в теплообменнике организовано таким образом, что ОЖ по мере остывания жидкость движется снизу вверх.
Однако при известности, что плотность жидкостей увеличивается по мере снижения их температуры и это значение составляет до 1% на каждые 10°С, нагрузка на насос будет выше, чем при использовании схемы движения ОЖ, при которой жидкость по мере остывания движется сверху вниз, т.е. где соблюдается естественное движение ОЖ под действием силы тяжести. Также недостатком данной системы охлаждения испытательного стенда является ограниченная функциональность, которая состоит в узкой направленности системы, предназначенной только для поддержания необходимого теплового состояния ДВС и не позволяющей проводить измерения нескольких параметров, характеризующих состояние охлаждающей жидкости.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является испытательное устройство для двигателя и устройство контроля температуры воды в двигателе (CN 103018047 А, 03.04.2013). В изобретении раскрыто устройство контроля температуры воды в двигателе, которое содержит блок управления, теплообменник, датчик температуры и клапан регулирования потока тройника. Трехходовой клапан управления потоком расположен во внутренней циркуляционной петле теплообменника. Труба для выпуска воды двигателя разделена на две параллельно соединенные ветви. Одна ветвь проходит через теплообменник, а другая ветвь сообщается с водозаборной трубой двигателя. Выходной конец сигнала блока управления соединен с клапаном управления потоком тройника, а блок управления управляет клапаном регулирования потока тройника, чтобы распределить поток, который проходит через теплообменник и не проходит через теплообменник в соответствии с сигналом датчика температуры.
Устройство может точно контролировать температуру воды на выходе двигателя и может значительно улучшить достоверность и надежность данных испытаний двигателя. Изобретение также раскрывает испытательное устройство для двигателя, снабженное устройством контроля температуры воды в двигателе.
Одним из недостатков указанного выше стенда является его ограниченная функциональность, которая состоит в невозможности проведения исследования дополнительных компонентов и систем, входящих в состав ДВС и требующих охлаждения. Например, стенд не позволяет исследовать компоненты, предназначенные для рекуперации остаточной тепловой энергии ОГ. В данных устройствах происходит передача остаточной тепловой энергии ОГ охлаждающей жидкости, проходящей через устройство. Кроме того, датчики для измерения температуры и давления ОЖ, входящие в оснащение рассмотренного стенда, не позволяют проводить сравнительные исследования параметров, когда требуется определение изменений параметров после прохождения контрольного участка.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на разработку установки для охлаждения экспериментального оборудования, с помощью которого можно будет проводить дополнительные исследования ДВС, среди которых
исследование влияния рекуперации остаточной тепловой энергии отработавших газов на прогрев ДВС после холодного запуска и на расход топлива при работе на этом режиме,
а также проведение сравнительной оценки влияния рекуперации остаточной тепловой энергии отработавших газов на снижение продолжительности прогрева ДВС после холодного запуска и сокращение расхода топлива при работе двигателя на этом режиме.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей экспериментального оборудования (стенда), задействованного в комплексных испытаниях двигателей внутреннего сгорания и испытаний дополнительных компонентов двигателей внутреннего сгорания, требующих охлаждения.
Технический результат достигается тем, что установка для охлаждения экспериментального оборудования, представленного двигателем внутреннего сгорания, содержит теплообменник, имеющий внутренний охлаждающий контур, блок управления, датчик температуры охлаждающей жидкости, соединенный с блоком управления, трехходовой клапан с электроприводом для регулирования потока, установленный в циркуляционном контуре теплообменника и соединенный с блоком управления для регулирования потока, причем трехходовой клапан направляет поток охлаждающей жидкости через теплообменник, причем в состав экспериментального оборудования входит объект испытаний, который представляет собой компонент ДВС, предназначенный для рекуперации остаточной тепловой энергии отработавших газов, а охлаждающий контур образован подающей, отводящей и перепускной магистралями, причем отводящая магистраль с расположенными на ней датчиками температуры охлаждающей жидкости и трехходовым клапаном с электроприводом разделена указанным трехходовым клапаном на основную магистраль с расположенными на ней датчиками давления и температуры охлаждающей жидкости, установленными на входе в объект испытаний и датчиками давления и температуры охлаждающей жидкости, установленными на выходе из объекта испытаний соответственно, а также клапаном ДВС предназначенную для последовательного движения охлаждающей жидкости через двигатель внутреннего сгорания и объект испытаний и проходящую через объект испытаний, также содержащую последовательно расположенные циркуляционный насос с электроприводом, расходомер охлаждающей жидкости и клапан объекта испытаний, и регулирующую магистраль, связывающую отводящую магистраль с теплообменником установки, причем в состав охлаждающего контура установки включен клапан теплообменника, а внутренний объем объекта испытаний, в котором движется охлаждающая жидкость, соединен пароотводным каналом с расширительным бачком, который гидравлически связан с основной магистралью с помощью трубопровода, а к блоку управления также подключены циркуляционный насос, расходомер, вышеуказанные датчики давления и датчики температуры охлаждающей жидкости.
Установка для охлаждения экспериментального оборудования также имеет следующие дополнительные отличия:
- электропривод трехходового клапана обеспечивает полный поворот регулирующего элемента клапана в течение 30 секунд, в результате чего достигается быстрое изменение расхода ОЖ через ОИ, что положительно сказывается на качестве работы установки;
- для определения расхода охлаждающей жидкости используется ультразвуковой расходомер с накладными измерительными датчиками, расположенными снаружи трубопровода, в результате чего обеспечивается возможность размещения датчиков на различных трубопроводах и повышается удобство эксплуатации установки при проведении монтажно-сборочных работ.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема установки для охлаждения экспериментального оборудования (фиг. 1), на котором обозначены следующие позиции.
1 - ДВС
2 - объект испытаний
3 - выпускной трубопровод
4 - теплообменник
5 - подающая магистраль
6 - отводящая магистраль
7 - датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на отводящей магистрали
8 - трехходовой клапан
9 - основная магистраль
10 - регулирующая магистраль
11 - циркуляционный насос
12 - расходомер охлаждающей жидкости
13 - клапан, расположенный в основной магистрали перед объектом испытаний (далее клапан объекта испытаний)
14 - датчик давления охлаждающей жидкости, расположенный на основной магистрали на входе в объект испытаний
15 - датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на основной магистрали на входе в объект испытаний
16 - датчик давления охлаждающей жидкости, расположенный на основной магистрали на выходе в объект испытаний
17 - датчик температуры охлаждающей жидкости, расположенный на основной магистрали на выходе в объект испытаний
18 - клапан, расположенный в основной магистрали перед ДВС (далее клапан ДВС)
19 - перепускная магистраль
20 - клапан перепускной магистрали
21 - клапан, расположенный перед теплообменником (далее клапан теплообменника)
22 - пароотводный канал
23 - расширительный бачок
24 - трубопровод
25 - блок управления
Предлагаемая установка для охлаждения экспериментального оборудования, представленного двигателем внутреннего сгорания (далее ДВС) 1 и объектом испытаний (далее ОИ) 2, которые соединены между собой посредством выпускного трубопровода 3, используемого для отвода отработавших газов (далее ОГ) из ДВС 1 и их подачи в ОИ 2, содержит
теплообменник 4, гидравлически связанный посредством подающей магистрали 5 с ДВС 1,
отводящую магистраль 6 ДВС 1, в которой расположены датчик температуры ОЖ 7 и трехходовой клапан 8 с электроприводом, причем клапан 8 делит отводящую магистраль 6 на два направления - основную 9 и регулирующую 10 магистрали.
Объектом испытаний является компонент ДВС и предназначенный для рекуперации остаточной тепловой энергии отработавших газов, требующий охлаждения.
Основная магистраль 9 (показана на фиг. 1 толстой линией), предназначенная для последовательного движения ОЖ через ДВС 1 и ОИ 2, содержит последовательно расположенные циркуляционный насос 11 с электроприводом, расходомер ОЖ 12 и клапан 13, расположенный в основной магистрали перед объектом испытаний. Основная магистраль 9 проходит через ОИ 2 и содержит датчики давления 14 и температуры 15 ОЖ, установленные на входе в ОИ 2 и датчики давления 16 и температуры 17 ОЖ, установленные на выходе из ОИ 2 соответственно, а также клапан 18, расположенный в основной магистрали перед ДВС.
Регулирующая магистраль 10 связывает отводящую магистраль 6 с теплообменником 4 установки.
Перепускная магистраль 19, подключенная параллельно основной магистрали 9, содержит клапан 20.
Основная, регулирующая и перепускная магистрали образуют охлаждающий контур установки.
В состав охлаждающего контура установки включен клапан 21, расположенный перед теплообменником 4 со стороны основной магистрали 9.
Внутренний объем объекта испытаний 2, в котором движется ОЖ, соединен пароотводным каналом 22 с расширительным бачком 23, который также гидравлически связан с основной магистралью 9 с помощью трубопровода 24.
Установка снабжена электронным блоком управления 25, к которому подключены трехходовой клапан 8, циркуляционный насос 11, расходомер 12 и перечисленные датчики 14, 15, 16 и 17.
Техническое оснащение установки в зависимости от цели проводимых испытаний позволяет варьировать следующие параметры:
- температуру ОЖ на входе в ДВС 1 и ОИ 2;
- расход ОЖ через ДВС 1 и ОИ 2.
Изменением перечисленных параметров обеспечивается условия для проведения исследований ОИ 2 на различных расходно-температурных режимах, что позволяет моделировать разнообразные условия работы ОИ 2 в реальных условиях функционирования ДВС 1 в составе транспортного средства.
Установка для охлаждения экспериментального оборудования работает следующим образом.
Перед началом работы установки происходит заполнение охлаждающей жидкостью охлаждающего контура установки, ДВС 1 и внутреннего объема ОИ 2, предназначенного для ОЖ. Затем включается циркуляционный насос 11 и производится запуск ДВС 1.
В зависимости от режимов работы установки, определяемых целями исследований, все клапаны установки переводятся в требуемые положения, что будет рассмотрено далее.
1) Измерение параметров на режиме прогрева ДВС 1 после его холодного запуска.
К измеряемым параметрам относятся продолжительность прогрева ДВС 1 после его холодного запуска и расход топлива при работе двигателя на этом режиме.
В этом случае теплообменник 4 не используется и нагрев ОЖ происходит за счет остаточной теплоты, образующейся в ходе рабочего цикла двигателя.
Рассматриваемый режим предусматривает два варианта работы установки, согласно которым происходит работа только ДВС 1 (вариант «а») или работа совместно с ОИ 2 (вариант «б»).
а) В этом варианте перед запуском холодного ДВС 1 клапаны 13 и 21 находятся в закрытом положении, а клапаны 18 и 20 - в открытом. Трехходовой клапан 8 переводится в крайнем положении, при котором весь поток ОЖ на выходе из ДВС 1 направляется в основную магистраль 9. Циркуляционным насосом 11 задается необходимый расход ОЖ, измеряемый расходомером 12. Полученные значения расхода ОЖ передаются в электронный блок управления 25, который, при необходимости, корректирует производительность насоса 11.
Затем через открытый клапан 20 ОЖ поступает в перепускную магистраль 19, минуя ОИ 1. Через точку пересечения подающей 5 и перепускной 19 магистрали ОЖ поступает в ДВС 1, а через открытый клапан 18 и трубопровод 24 происходит сообщение контура охлаждения с расширительным бачком 23, в результате чего компенсируется расширение жидкости при ее нагреве.
По датчику температуры 7 определяется текущее значение температуры ОЖ на выходе из ДВС 1 и после достижения установленного значения, соответствующего величине прогрева ДВС 1, данный вид испытания завершается.
б) В этом варианте проводятся исследования с использованием ОИ 1, в котором происходит рекуперация остаточной тепловой энергии ОГ.
Перед запуском вновь остывшего ДВС 1 клапаны 20 и 21 переводятся в закрытое положение, а клапаны 13 и 18 - в открытое. Положение трехходового клапана 8 и порядок управления циркуляционным насосом 11 остаются прежними.
Пройдя через расходомер 12, поток ОЖ через открытый клапан 13 поступает во внутреннюю полость ОИ 2, в которой происходит теплообмен между горячими ОГ и ОЖ. В результате этого происходит рекуперация остаточной тепловой энергии ОГ, что приводит к снижению температуры ОГ и увеличению температуры ОЖ.
Датчики давления ОЖ 14 и 16 применяются для определения гидравлического сопротивления внутренней полости ОИ 2, а также для контроля параметров ОИ 2 во время его работы.
Для определения тепловой мощности, переданной в ОЖ, используются показания датчиков температуры ОЖ 15 и 17 и данные расхода ОЖ, определяемые расходомером 12.
Пароотводная магистраль 22 во время работы установки используется для отвода пара из ОИ 2, образуемого в случае пристеночного кипения ОЖ, а также для выпуска воздуха во время заполнения охлаждающего контура ОЖ.
Далее через открытый клапан 18 и подающую магистраль 5 ОЖ поступает в ДВС 1. Испытания завершаются после достижения установленного значения прогрева ДВС 1, определяемого по показаниям датчика температуры 7.
2) Измерение параметров на установившемся рабочем температурном режиме ДВС 1, когда ОЖ последовательно движется через ДВС 1, ОИ 2 и теплообменник 4.
К измеряемым параметрам относятся гидравлическое сопротивление внутренней полости ОИ 2, уровень нагрева ОЖ после ее прохождения через ОИ 2 и тепловая мощность, переданная в ОЖ.
Клапаны 18 и 20 находятся в закрытом положении, а клапаны 13 и 21 - в открытом. Таким образом, исключается движение ОЖ по перепускной магистрали 19.
На этом режиме работы установки положением трехходового клапана 8 регулируется расход ОЖ через ОИ 2, а также температура ОЖ на входе ДВС 1. Последнее достигается тем, что часть потока ОЖ через регулирующую магистраль 10 попадает в теплообменник 4, где происходит ее охлаждение, и через подающую магистраль 5 ОЖ поступает в ДВС 1.
Последующая работа установки на этом режиме происходит аналогично порядку, рассмотренному в варианте «б».
Таким образом, обеспечивается расширение функциональных возможностей экспериментального оборудования, таких как:
- проведение исследования различных компонентов, частично или полностью расположенных в системе охлаждения, например, для рекуперации остаточной тепловой энергии ОГ;
- исследования влияния рекуперации тепловой энергии ОГ на ускорение прогрева ДВС после холодного запуска и на снижение расхода топлива при работе на этом режиме;
- применения дифференциальных датчиков давления и температуры ОЖ, расположенных в дополнительной охлаждающей магистрали, что позволяет увеличить количество параметров, измеряемых во время исследований;
- проведение комплексных исследований компонентов, позволяющих определять гидравлическое сопротивление и тепловую мощность, передаваемую охлаждающей жидкости.
При этом увеличивается область применения оборудования за счет проведения сравнительных исследований различных компонентов, расположенных в системе охлаждения.