Система поддержания заданной температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания
SYSTEM FOR MAINTAINING THE SET CHARGE AIR TEMPERATURE OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Современные ДВС оснащаются устройствами для нагнетания воздуха в камеру сгорания, что позволяет значительно улучшить мощностные и экономические показатели двигателя. В качестве устройств, нагнетающих воздух, используют различные виды нагнетателей, наибольшее распространение получили центробежные нагнетатели с газовым приводом. Использование любых видов нагнетателей воздуха приводит к увеличению температуры наддувочного воздуха (свыше 360 К), что требует его охлаждения до оптимальных значений (в диапазоне температур 300…340 К). Такое явление, когда необходимо охлаждение наддувочного воздуха, наиболее характерно использованию ДВС в условиях положительных температур окружающего воздуха и давлении наддувочного воздуха свыше 0,15 МПа. С другой стороны эксплуатация двигателя в условиях отрицательных температур и использование частичных нагрузочных режимов, когда наддувочный воздух подается в ДВС под давлением ниже 0,15 МПа, требует повышения температуры наддувочного воздуха, поскольку нагревание воздуха в нагнетателе при данных условиях незначительное. Следовательно, для обеспечения условий испарения и сгорания топлива требуется принудительный нагрев наддувочного воздуха в ДВС. Кроме того, в режимах холостого хода ДВС, когда сжатие поступающего воздуха отсутствует в нагнетателе, а всасываемый воздух имеет отрицательную температуру, может наблюдаться поступление воздуха в камеру сгорания с отрицательной температурой, что потенциально приводит к неустойчивому сгоранию топлива и нарушению работы ДВС. Таким образом, эксплуатация ДВС в различных природных и производственных условия, а также нагрузочных режимах требует обеспечения оптимальной температуры наддувочного воздуха в диапазон 300…340 К.
В качестве охладителей наддувочного воздуха применяются воздушные или жидкостные охладители. При этом высокую эффективностью работы имеют жидкостные охладители, которые имеют техническую возможность, как охлаждать наддувочный воздух, так и подогревать его. Следовательно, использование охладителя наддувочного воздуха является предпочтительным для обеспечения оптимальной температуры наддувочного воздуха в ДВС.
Известна автоматическая система регулирования температуры наддувочного воздуха ДВС (RU 151615, опубл. 10.04.2015), являющаяся наиболее близкой к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату, содержащая трубопровод, впускной коллектор, нагнетатель, трехходовые перепускные устройства, воздушный охладитель наддувочного воздуха, байпасную линию, связанную с системой охлаждения двигателя, и теплообменник, при этом охлаждение наддувочного воздуха происходить в воздушном охладителе наддувочного воздуха, а нагрев в теплообменнике, в который поступает теплоноситель от жидкостной системы охлаждения, дозирование теплоносителя, а также направление потоков наддувочного воздуха осуществляются трехходовыми устройствами под управлением микропроцессорного контроллера.
Совокупность отличительных признаков в заявляемой системе, заключающаяся в том, что охлаждение или нагревание наддувочного воздуха осуществляется одним теплообменным аппаратом, в которой может закачиваться как охлажденная охлаждающая жидкость из изолированного контура циркуляции, так и нагретая охлаждающая жидкость из контура системы охлаждения ДВС, тем самым нагревая наддувочный воздух, так и смешивание потоков теплоносителей для поддержания заданной температуры наддувочного воздуха.
Таким образом, в совокупности отличительные признаки позволяют повысить эффективность поддержания заданной температуры наддувочного воздуха в различных режимах и условиях работы ДВС.
В результате проведенного анализа уровня техники по патентам и другим источникам научно-технической информации, прототипа, характеризующегося признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого технического решения, обнаружено не было. Следовательно, предложение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Задачей изобретения является поддержание оптимальной температуры наддувочного воздуха вне зависимости от его давления нагнетания и температуры окружающей среды, что достигается за счет прохождения наддувочного воздуха только через жидкостный охладитель, в котором возможно как охлаждение наддувочного воздуха, так и нагрев, при этом охлаждение наддувочного воздуха или его нагрев определяет микропроцессорный контроллер, имеющий возможность программирования параметров (давления и температуры) наддувочного воздуха, а в качестве теплоносителя использует охлаждающая жидкость.
Технический результат достигается установкой трехходовых перепускных устройств, соединяющих контур охлаждения наддувочного воздуха с контуром системы охлаждения ДВС посредством байпасной лини, насоса охладителя наддувочного воздуха, радиатора охладителя наддувочного воздуха, расширительного бачка контура охлаждения наддувочного воздуха, микропроцессорного контроллера и датчиков давления и температуры наддувочного воздуха, смонтированных на трубопроводе и впускном коллекторе ДВС. При этом микропроцессорный контроллер, оказывая управляющее воздействие на трехходовые перепускные устройства, позволяет им направлять охлаждающую жидкость, в зависимости от температуры наддувочного воздуха, либо в контур охлаждения наддувочного воздуха, тем самым снижая температуру наддувочного воздуха, либо в контур системы охлаждения ДВС, тем самым увеличивая температуру наддувочного воздуха, при этом управление потоком охлаждающей жидкости, как для охлаждения, так и для нагревания наддувочного воздуха, осуществляется на основании показаний датчиков температуры и давления.
Под трехходовым перепускным устройством понимается устройство, которое способно изменять потоки жидкости под действием внешнего управления, либо обеспечивать смешение двух поток жидкости в один, описание работы трехходового перепускного устройства не приводиться ввиду распространенности их конструкции и не является принципиальным моментом работы данной системы, влияющим на техническую сущность.
Под нагнетателем воздуха понимает любой устройство, используемое в ДВС, для увеличения давления воздуха на впуске выше атмосферного.
Под трубопроводом понимает часть системы подачи наддувочного воздуха от нагнетателя воздуха до охладителя наддувочного воздуха.
Под охладителем наддувочного воздуха понимает теплообменный аппарат рекуперативного типа, в котором происходит теплообмен от более нагретого теплоносителя к менее нагретому.
Технический результат использования изобретения - обеспечение оптимальной температуры наддувочного воздуха вне зависимости от давления наддува и температуры окружающей среды.
Предлагается система поддержания заданной температуры наддувочного воздуха поясняется чертежом (фиг. 1). Предлагаемая система состоит из:
1 - нагнетатель;
2 - трубопровод;
3 - трехходовое перепускное устройство;
4 - радиатор охладителя наддувочного воздуха;
5 - трехходовое перепускное устройство;
6 - насос охладителя наддувочного воздуха;
7 - охладитель наддувочного воздуха;
8 - впускной коллектор ДВС;
9 - байпасная линия;
10 - датчик давления наддувочного воздуха после нагнетателя;
11 - датчик температуры воздуха после нагнетателя;
12 - датчик давления воздуха после охладителя наддувочного воздуха;
13 - датчик температуры воздуха после охладителя наддувочного воздуха;
14 - электропроводка датчиков давления и температуры;
15 - микропроцессорный контроллер;
16 - электролиния управления трехходовыми перепускными устройствами и насосом охладителя наддувочного воздухаохладителя наддувочного воздуха;
17 - расширительный бачок системы охладителя наддувочного воздуха наддувочного воздуха.
Рассмотрим схему работы предлагаемой системы.
Систему поддержания заданной температуры наддувочного воздуха можно разделить на два контура: контур системы охлаждения ДВС (контур Б); контур охлаждения наддувочного воздуха (контур А). В данном случае не рассматривается работа жидкостной системы охлаждения (т.е. контур Б), а лишь принимается ее наличие на ДВС, при этом контур системы охлаждения ДВС (контур Б) и контур охлаждения наддувочного воздуха (контур А) имеют одинаковую охлаждающую жидкость. Связь двух контуров происходит по байпасной линии 9, при этом подключение байпасной линии 9 должно осуществляться в малый круг системы охлаждения ДВС.
Очищенный воздух из воздушного фильтра (не показано) поступает в нагнетатель 1, после чего осуществляется сжатие воздуха до давления выше атмосферного. Далее по трубопроводу 2 сжатый воздух поступает в охладитель наддувочного воздуха 7, в котором происходит либо охлаждение наддувочного воздуха, либо его нагревание. Понижение или повышение температуры наддувочного воздуха в охладителе наддувочного воздуха 7 выбирается в зависимости от давления и температуры наддувочного воздуха в трубопроводе 2.
Существуют четыре вариант работы данной системы.
Вариант №1.
В случае если давление наддувочного воздуха свыше 0,15 МПа и температура свыше 340 К, что определяется датчиками температуры 11 и давления 10, установленными в трубопроводе 2, микропроцессорный контроллер 15 с помощью трехходовых перепускных устройств 3 и 5 направляет поток охлаждающей жидкости из охладителя наддувочного воздуха 7 в радиатор охладителя наддувочного воздуха 4, перекачивание жидкости осуществляется насосом охладителя наддувочного воздуха 6, тем самым осуществляется теплоотвод и обеспечивается понижение температуры наддувочного воздуха. Для компенсации теплового расширения охлаждающей жидкости в контуре А предусмотрен расширительный бачок 17. После чего охлажденный и сжатый наддувочный воздух поступает во впускной коллектор ДВС 8. Таким образом, из охладителя наддувочного воздуха 7 сжатый и охлажденный воздух поступает во впускной коллектор ДВС 8, после чего попадает в камеру сгорания ДВС.
Вариант №2.
Если давление наддувочного воздуха в трубопроводе 2 свыше 0,15 МПа, а температура ниже 290 К, что определяется датчиками температуры 11 и давления 10, установленными в трубопроводе 2, микропроцессорный контроллер 15 посредством трехходовых перепускных устройств 3 и 5 перенаправляет потоки нагретой охлаждающей жидкости из контура системы охлаждения ДВС (контур Б) через байпасные линии 9 в контур охлаждения наддувочного воздуха (контур А), обеспечивая циркуляцию насосом охладителя наддувочного воздуха 6 в охладителе наддувочного воздуха 7, тем самым осуществляется повышение температуры наддувочного воздуха до температуры 340 К с последующим ее поддержанием во впускном коллекторе ДВС 8, что определиться по показаниям датчика температуры 13. При этом для реализации данного режима трехходовые перепускные устройства 3 и 5 должны иметь конструктивную особенность, обеспечивающая смешение охлаждающей жидкости в двух контурах для реализации данного режима работы. При достижении температуры 340 К наддувочного воздуха во впускном коллекторе ДВС 8, микропроцессорный контроллер 15 должен обеспечить такое положение трехходовых перепускных устройств 3 и 5, которое позволяет поддерживать температуру наддувочного воздуха на значении 340 К за счет смешивания потов жидкостей из двух контуров. Таким образом, из охладителя наддувочного воздуха 7 сжатый воздух с поддержанной оптимальной температурой поступает во впускной коллектор ДВС 8, после чего попадает в камеру сгорания ДВС.
Вариант №3.
В случае если давление наддувочного воздуха в трубопроводе 2 ниже 0,15 МПа и температура ниже 290 К, что определяется датчиками температуры 11 и давления 10, установленными впускном трубопроводе 2, микропроцессорный контроллер 15 посредством трехходовых перепускных устройств 3 и 5 обеспечивает циркуляцию насосом охладителя наддувочного воздуха 6 нагретой охлаждающей жидкости только из контура системы охлаждения ДВС (контур Б) через байпасные линии 9 в охладитель наддувочного воздуха 7, тем самым обеспечивая подогрев наддувочного воздуха. Таким образом, из охладителя наддувочного воздуха 7 сжатый и нагретый воздух поступает во впускной коллектор ДВС 8, после чего попадает в камеру сгорания ДВС.
Вариант №4.
Если давление наддувочного воздуха в трубопроводе 2 ниже 0,15 МПа, а температура свыше 340 К, что определяется датчиками температуры 11 и давления 10, установленными впускном трубопроводе 2, микропроцессорный контроллер 15 с помощью трехходовых перепускных устройств 3 и 5 направляет поток охлаждающей жидкости из охладителя наддувочного воздуха 7 в радиатор охладителя наддувочного воздуха 4, перекачивание жидкости осуществляется насосом охладителя наддувочного воздуха 6 с тем самым осуществляя теплоотвод и обеспечивая понижение температуры наддувочного воздуха. Для компенсации теплового расширения охлаждающей жидкости в контуре А предусмотрен расширительный бачок 17. После чего охлажденный и сжатый наддувочный воздух поступает во впускной коллектор ДВС 8. Таким образом, из охладителя наддувочного воздуха 7 сжатый и охлажденный воздух поступает во впускной коллектор ДВС 8, после чего попадает в камеру сгорания ДВС.
По датчикам температуры 13 и давления 12, установленными во впускном коллекторе ДВС 8 определяется конечная температура наддувочного воздуха в ДВС, после чего показания датчиков температуры 13 и давления 12 могут быть использованы блоком управления ДВС (при его наличии, не показан) для определения состава горючей смеси в зависимости от конструктивных особенности двигателя, где применяется данная система.
Считывание сигналов датчиков давления 10 и 12 и температуры 11 и 13 происходит по электропроводке 14. Управление трехходовыми перепускными устройствами 3 и 5, а также насоса охладителя наддувочного воздуха 6 осуществляется по электропроводке 16.
Использование максимальной и минимальной температуры наддувочного воздуха на значениях 340 К и 290 К соответственно не является обязательным, а может устанавливаться индивидуально под каждый ДВС, на котором применяется данная система в зависимости от их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.
Использование давления наддувочного воздуха на значении 0,15 МПа не является обязательным, а может устанавливаться индивидуально под каждый ДВС, на котором применяется данная система в зависимости от их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.
Реализованный алгоритм работы системы поддержания заданной температуры наддувочного воздуха позволяет получить наибольшую эффективность как на режимах малых нагрузок, когда давление и температура наддувочного воздуха низкие, тем самым повысить эффективность работы ДВС, а при высоких нагрузках, т.е. высоком давлении наддува, позволяет получить охлажденный наддувочный воздух. Использование микропроцессорного контроллера, управляющего трехходовыми перепускными устройствами, позволяет программировать алгоритм управления в зависимости от природных и производственных условий, тем самым система может быть «гибкой» и приспосабливаться к внешним условиях эксплуатации.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании.