СИСТЕМА ПРЕДПУСКОВОГО РАЗОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE INTERNAL COMBUSTION ENGINE PREHEATING SYSTEM

Изобретение относится к двигателестроению и предназначено для подогрева и поддержания пусковой температуры судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) после стоянки транспортного средства в условиях низких температур. Предлагаемая система обеспечивает предпусковой разогрев ДВС за счет вторичных энергоресурсов судна и накопленной электроэнергии.
Среди аналогов, использующих вторичные энергоресурсы и накопленную электроэнергию для отдачи тепла в систему охлаждения ДВС транспортных средств - системы с тепловыми аккумуляторами (ТА) (пат. РФ №2353795, МКП F02N 17/06, опубл. 2009; по пат. РФ №188977, МПК F02N 19/04, F24H 7/04, опубл. 2019 и др.), которые подключаются к системе охлаждения ДВС посредством управляемых клапанов. При открытии клапанов теплоноситель из системы охлаждения ДВС протекает через ТА, снимает с него аккумулированное тепло и возвращает в контур охлаждения двигателя, тем самым облегчая его запуск и уменьшая износ трущихся деталей двигателя, что в свою очередь повышает его ресурс.
Недостатком указанных устройств является подклинивание обратных клапанов при меняющейся температуре теплоносителя вследствие теплового расширения металла клапанов и их неполного открытия из-за недостаточного давления в магистрали систем.
Известна система поддержания оптимального режима ДВС (пат. N 2134804, кл. F01P 3/20, опубл. 1999), содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающая рубашку охлаждения ДВС, циркуляционный насос с приводом, радиатор и датчик температуры охлаждающей жидкости, аккумулятор тепла, снабженный резервуаром с теплоаккумулирующим материалом и каналами для прохода охлаждающей жидкости и отработавших газов.
Недостатками указанной системы являются значительная продолжительность времени предпускового разогрева и связанные с ними большие теплопотери.
Наиболее близким по технической сущности и назначению аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является система, описанная в пат. №2620476, МПК F28D 20/00, опубл. 25.05.2017. Известная система (фиг. 2 описания) содержит тепловой аккумулятор (ТА), подключаемый к контуру охлаждения ДВС посредством управляемых клапанов. В режиме накопления тепла хладагент (теплоноситель) проходит в ТА, заполняя его. При открытии клапанов теплоноситель из контура охлаждения ДВС протекает через ТА, снимает с него аккумулированное тепло и возвращает в контур охлаждения, тем самым подогревая ДВС и облегчая его запуск.
Недостатком прототипа является недостаточная эффективность системы при использовании на судах из-за ограниченного объема аккумулированного и соответственно отдаваемого тепла.
Предлагаемая система предпускового разогрева ДВС позволяет получить новый по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы за счет увеличения объема аккумулируемого тепла, что позволяет использовать систему для судовых ДВС.
Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: система предпускового разогрева ДВС транспортного средства, содержащая, как и прототип, тепловой аккумулятор (ТА), подключенный через управляемые клапаны к контуру охлаждения ДВС и к бытовым потребителям, теплообменный аппарат и датчики температуры, в отличие от прототипа, дополнительно содержит тепловой насос, подключенный через управляемые клапаны к ДВС, к тепловому аккумулятору и к теплообменному аппарату, выполненному в виде бокскулера, встроенного в корпус судна, с возможностью забора забортной воды и ее преобразования в тепло.
Для поддержания необходимого давления в системе внутреннего контура ТА и предотвращения повреждений от гидроударов и температурных расширений в ТА внутренняя оболочка выполнена эластичной, а наружная - в виде жесткого кожуха.
Для исключения подклинивания обратных клапанов при меняющейся температуре теплоносителя, клапаны выполнены трехходовыми с электроприводом, подключенным через блок программного обеспечения к пульту судового механика с возможностью управления и контроля за системой.
Сущность изобретения заключается в увеличении эффективности аккумулирования, хранения и использования в системе предпускового разогрева судового ДВС отводящего тепла двигателя, за счет увеличения объема аккумулируемого тепла. Для получения указанного результата система включает три основных ключевых агрегата: тепловой насос, тепловой аккумулятор, теплообменный аппарат - бокскулер, где:
- тепловой насос представляет собой агрегат по выработке определенного количества тепла и имеющий соответствующий коэффициент полезного действия. Насос может быть подключен к общей системе охлаждения ДВС и/или к системе отопления или подогрева бытовых потребителей;
- тепловой аккумулятор является накопителем тепла (вторичных энергоресурсов) с наименьшим коэффициентом теплоотдачи в окружающую среду, способный аккумулировать и хранить тепло на длительный период времени. ТА также подключен к общей системе. В тепловом аккумуляторе происходит накопление тепла, отведенного от внутренних стенок рубашки ДВС посредством теплопередачи от охлаждающей жидкости, а также - от теплового насоса за счет преобразования тепла забортной воды в теплоноситель. Средняя температура накопления в аккумуляторе тепла составляет 60-80°С;
- теплообменный аппарат представляет собой бокскулер, встроенный в корпус судна и способный передавать низкопотенциальное тепло забортной воды для дальнейшего его преобразования в носитель с соответствующей температурой. Таким образом использование теплового насоса, теплового аккумулятора и теплообменного аппарата, преобразующих и аккумулирующих низко потенциальный источник тепла - забортную воду в дополнительное тепло повышает объем полезного тепла и эффективность установки в целом. Дополнительно объем аккумулированного тепла может быть повышен за счет выполнения теплового аккумулятора с эластичной внутренней оболочкой и жестким наружным корпусом.
Сопоставление предлагаемого изобретения с прототипом показало, что поставленная задача - повышение эффективности работы системы для пускового разогрева судовых ДВС - решается в результате совокупности новых признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
Вместе с тем, проведенный информационный поиск в области двигателестроения не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 позициями 1-13 обозначены: 1 - судовой ДВС (главный двигатель); 2 - бытовые потребители (отопление, подогрев); 3 - тепловой аккумулятор; 4 - тепловой насос; 5 - теплообменный аппарат (бокскулер); 6 - водо-водяной охладитель ДВС; 7 - трехходовые краны; 8 - термометр; 9 - термостат; 10 - дополнительный подкачивающий насос; 11 - Инвертор 220/24; 12 - аккумуляторная группа 24 В; 13 - навесной генератор.
Предлагаемая система работает следующим образом.
Во время эксплуатации судна на ДВС (рабочем двигателе) 1 устанавливается температура охлаждающей жидкости на уровне 86-88°С. В данном случае установка работает на накопление тепловой энергии и аккумулирования ее в тепловом аккумуляторе 3. В свою очередь при работе главного двигателя 1 от одного из навесных генераторов 13 заряжается группа аккумуляторных батарей 12 до необходимого уровня.
После остановки двигателя или при стоянке судна происходит процесс отдачи тепловой энергии от аккумулятора 3 на судовые нужды 2 (обогрев кают, нагревание воды и т.п.). Во время продолжительной стоянки судна и падении температуры во внутреннем контуре двигателя 1 ниже уровня, необходимого для его запуска, при помощи насоса 10 через трехходовые клапаны 7 осуществляется нагрев самого двигателя до соответствующей температуры. В этом случае затраты на электроэнергию от резервных аккумуляторов 12 ничтожно малы.
В период обогрева салона и кают судна во время промежуточной стоянки судна тепло от аккумулятора тепла 3 направляется при помощи трехходового крана 7 и насоса 10 на отопление. При падении температуры в аккумуляторе ниже 45°С происходит подключение теплового насоса 4 через инвертор 11 к резервной группе аккумуляторов 12. Внешний контур теплового насоса 4 подключен к теплообменному аппарату открытого типа - бокскулеру 5, что в свою очередь исключает необходимость в циркуляционном насосе забортной воды и соответственно снижает потребление дополнительной электроэнергии. На финальной стадии открываются клапаны 7 на обогрев внутреннего контура двигателя и после запуска цикл повторяется.
Система позволяет осуществлять автоматизированный запуск судового ДВС и тем самым обеспечить готовность техники к работе после стоянки судна в условиях низких температур окружающего воздуха. Использование предлагаемого изобретения повышает эффективность установки и технологичность ее по хранению, использованию и утилизации тепловой энергии. Кроме того, изобретение позволяет сократить время на прогрев двигателя, снизить потребление топлива и электроэнергии, уменьшить выброс вредных веществ и увеличить ресурс ДВС в целом.
Описанное устройство разработано специалистами «Кафедры судостроения и энергетических установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в процессе выполнения научно-исследовательской работы. Данная установка наиболее актуальна к применению на судах с односменным режимом работы экипажа, при котором эксплуатация судна разрешена до 12 часов и/или при двусменном при эксплуатации до 18 часов соответственно и на судах с автоматизированной энергетической установкой при отсутствии вахтенных в машинном отделении. Проведенные испытания изделия дали положительный результат, подтвердивший возможность использования устройства для оперативного запуска ДВС после стоянки в условиях низких температур.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявленному изобретению критерию «промышленная применимость».