Система регулювання температури охолоджуючої рідини двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором з електропідігрівом і моніторингом теплових параметрів

Реферат: Система регулювання температури охолоджуючої рідини двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором з електропідігрівом і моніторингом теплових параметрів належить до систем регулювання двигунів внутрішнього згорання. UA 74456 U (54) СИСТЕМА РЕГУЛЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ ОХОЛОДЖУЮЧОЇ РІДИНИ ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ З УТИЛІЗАЦІЄЮ ТЕПЛОТИ ТЕПЛОВИМ АКУМУЛЯТОРОМ З ЕЛЕКТРОПІДІГРІВОМ І МОНІТОРИНГОМ ТЕПЛОВИХ ПАРАМЕТРІВ UA 74456 U UA 74456 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем регулювання двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Система електронного регулювання охолодження двигуна (ЕРОД), розроблена французькою фірмою "Valeo" для легкових автомобілів, що мають двигуни з робочим обсягом 3 від 1100 до 1400 см і може служити аналогом системи. Електричні датчики Д2 системи на вході і виході рідини з двигуна подають сигнали в електронний модуль керування, що, у свою чергу, регулює роботу електровентилятора й електронасоса. Як показали випробування, застосування такої системи на автомобілях, у залежності від режиму руху, забезпечує економію палива від 1,3 % до 5,5 %, а при холодному пуску навіть до 20 %-24 % [1]. Недоліком системи є те, що перемикання контурів сорочки охолодження відбувається за допомогою класичного термостату, що не забезпечує високої якості регулювання теплового стану двигуна, а також не забезпечує можливість здійснювати автоматичний повторно короткочасний режим роботи шляхом періодичного чергування його роботи і зупинки (циклічний режим) в залежності від температури теплоносія в водяній сорочці блока циліндрів двигуна, а крім цього, система не має можливості додатково використовувати сторонні джерела енергії для підготовки роботоздатності системи, а крім цього, система не має можливості моніторингу основних параметрів температури ДВЗ й системи в цілому. Відома система регулювання температури охолоджуючої рідини газопоршневого електроагрегату з утилізацією теплоти [2], що містить насос з регульованим електричним приводом, двопозиційний клапан з електромагнітним управлінням від електронного блока і датчиків температури, зв'язаних з електронним блоком, встановлених на вході і виході в сорочку охолодження двигуна внутрішнього згоряння і радіатор, тепловий акумулятор, який включено у великий контур циркуляції малого контуру охолодження двигуна, клапани випускної системи, клапани байпасу та клапани вимикання теплообмінника. В основу корисної моделі поставлена задача регулювання температури охолоджуючої рідини газопоршневого електроагрегату з утилізацією теплоти має недолік - це те, що є певна залежність теплової енергії теплового акумулятора, що накопичується ним від температури відпрацьованих газів, від часу зупинки двигуна в непрацюючому стані, і як наслідок суттєве охолодження двигуна і його систем, а також у тепловому акумуляторі відсутня можливість додаткового заряджання його від сторонніх джерел енергії. В реальних умовах експлуатації цей недолік призводить до того, що споживач не має можливості вільно здійснювати пуск двигуна без спеціальної передпускової підготовки при тривалому простоюванні, тобто у двигуна відсутня спроможність здійснювати "гарячий прогрів" двигуна і енергетичної установки в цілому [3, 4], крім цього, відсутня можливість моніторингу основних параметрів температури ДВЗ й системи в цілому за допомогою інформаційної технології позиціонування. Поставлена задача вирішується тим, що підвищення ефективності використання палива та досягнення більшої зручності в утилізації теплоти відпрацьованих газів й охолоджувальної рідини, та підтримання температури рідини в системі охолодження при заглушеному ДВЗ в межах температур "гарячого прогріву" (50-70 °C, в залежності від експлуатаційних вимог й заводської інструкції) при низьких температурах оточуючого повітря в реальних умовах експлуатації, а при зменшенні температури теплоносія в тепловому акумуляторі - підтримання її у встановлених межах за рахунок теплоти відпрацьованих газів ДВЗ шляхом здійснення автоматичного повторно-короткочасного режиму роботи ДВЗ при періодичному чергуванні його роботи і зупинки (циклічний режим), а також за допомогою додаткового заряджання теплового акумулятора електронагрівачем теплового акумулятора, який дає змогу заряджати його від електричної мережі, стаціонарного джерела електроенергії, електрогенератора або рекуперативної системи транспортного засобу, а крім цього, у режимі реального часу одержуватиінформацію про роботу основних систем двигуна: мащення, охолодження живлення, випуску відпрацьованих газів. Як джерело електроенергії для додаткового заряджання теплового акумулятора за допомогою електронагрівача теплового акумулятора і силового електрокабелю може бути використана електрична мережа, стаціонарне джерело електроенергії, електрогенератор або рекуперативна система транспортного засобу [5]. При цьому для задоволення мети і в межах вимог, встановлених заводською інструкцією щодо підтримання необхідного передпускового значення тиску в системі мащення ДВЗ, забезпечення безпечних експлуатаційних умов означного автоматичного повторно-короткочасного режиму роботи ДВЗ за допомогою блока керування пуском двигуна, а також моніторингу основних параметрів температури ДВЗ й системи в цілому за допомогою інформаційної технології позиціонування необхідне обов'язкове проведення відповідного автоматичного передпускового прокачування оливи для досягнення встановленого значення цього тиску перед здійсненням пуску ДВЗ. Для вирішення зазначеної проблеми запропонована інформаційно-вимірювальна система, що являє собою функціонально об'єднані вимірювальні, обчислювальні й допоміжні 1 UA 74456 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 засоби, пристрої й приладдя, призначені для одержання, перетворення й обробки вимірювальної інформації з метою її надання для функцій контролю, діагностування й ідентифікації [5, 6]. Щоб одержувати необхідну для технічної служби інформацію про стан теплових процесів двигуна й системи в цілому в режимі "оn-linе", кожний ДВЗ енергетичної установки або транспортного засобу оснащується комунікаційним інтелектуальним контролером (трекером), що містить у своєму складі апаратуру супутникової навігації й, у плані функціональних доповнень, передбачає підключення різних датчиків [7]. Перелік одержуваних сигналів від датчиків і систем транспортного засобу проходить алгоритмічну обробку, потім формується масив повідомлень [8]. Для одержання інформації від додатково вбудованих датчиків (датчика витрати палива, рівня палива, температури й ін.) трекер формує серію необхідних для цього команд. Після одержання інформації із всіх датчиків масив даних із трекера передається на сервер через технологію GSM-GPRS, а потім через Інтернет інформація надходить у диспетчерський центр інженерно-технічної служби оснащеної комп'ютером із установленим стандартним Інтернет браузером, що і виводить отримані дані на екран монітора. Період опитування трекером датчиків необхідних для контролю теплових процесів двигуна й системи в цілому (датчиків температури) можна виставляти в межах від 5 секунд до 30 хвилин. При відсутності стійкого зв'язку GPS або GSM всі дані записуються в блок збору даних (чорний ящик) трекера протягом усього періоду з наступною передачею всіх даних при відновленні зв'язку на сервер. Температура деталей систем охолодження, мащення й паливної системи змінюється з низькою швидкістю, тому для контролю їхньої температури, досить установки часу періоду опитування датчиків у межах 3-х 5-ти хвилин. У той же час температура деталей, де температура може змінюватися достатньо швидко, особливо на перехідних режимах, період їхнього опитування не повинен перевищувати 20-40 секунд. Розташування датчиків дозволяє в режимі реального часу одержувати інформацію про роботу основних систем двигуна: мащення, охолодження живлення, випуску відпрацьованих газів. Отримані дані про температури й витрати робочих середовищ у зазначених системах дозволять більш точно визначати складові теплового балансу двигуна, ефективні показники його роботи, оцінювати оптимальність настроювань і регулювань основних систем двигуна. Розроблена система автоматичного збору й обробки інформації дозволяє в режимі реального часу вимірювати параметри, що визначають величину зазначених втрат теплоти: витрати рідин і газів, їхньої температури. Отримані дані дозволяють оцінювати ефективність перетворення теплоти, що виділяється при згорянні палива в роботу, а також результативність режимних і конструктивних заходів і модернізацій, спрямованих на енергозбереження у ДВЗ. Запропонована система регулювання температури охолоджуючої рідини ДВЗ з утилізацією теплоти тепловим акумулятором з електропідігрівом і моніторингом теплових параметрів має блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску, блок керування пуском двигуна, блок контролю параметрів датчиків температури, комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер), диспетчерський центр інженерно-технічної служби, датчик температури відпрацьованих газів, електронагрівач теплового акумулятора, силовий електрокабель та джерело електроенергії. Суть корисної моделі пояснює креслення, на якому наведена схема запропонованої системи. Система регулювання містить газопоршневий двигун 1 з приєднаним до нього генератором 2, теплообмінник 3, блок керування двигуном 5, який здійснює управління регулятором 6, та блок керування системи охолодження 4, який здійснює керування триступеневим клапаном 7, циркуляційним насосом 8 та тепловим акумулятором 9 з встановленим в ньому електронагрівачем теплового акумулятора 18, що з'єднаний з джерелом електроенергії 20 за допомогою силового електрокабеля 19, клапани випускної системи 10 та клапани байпасу 11 та клапанів 12 відключення теплообмінника 3, блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску 13 і блок керування пуском двигуна 14, а також блок контролю параметрів датчиків температури 15, що передає отриману інформацію на комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер) 16, який за допомогою одержання інформації із всіх датчиків масив даних із трекера передає на сервер через технологію GSM-GPRS, а потім через Інтернет інформація надходить у диспетчерський центр інженерно-технічної служби 17, оснащеної комп'ютером із установленим стандартним Інтернет браузером, що і виводить отримані дані на екран монітора. Всі блоки системи і сама система працюють в залежності від отриманої інформації від датчика температури паливно-повітряної суміші (повітря) на вході в ДВЗ Д1, датчиків температури охолоджуючої рідини ДВЗ Д2, датчиків температури охолоджуючої рідини теплообмінника Д3, датчиків температури оливи Д4, датчиків 2 UA 74456 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 температури палива Д5, датчиків температури теплового акумулятора Д6 й датчика температури відпрацьованих газів Д7. Система працює наступним чином. При роботі двигуна на режимі прогріву при теплих кліматичних умовах триступеневий клапан 7 встановлюється блоком керування системи охолодження 4 у положення, в якому циркуляційний насос 8 забезпечує рух охолоджувальної рідини по малому колу, після того як датчики температури охолоджувальної рідини Д2 зафіксують температуру, відповідну прогрітому стану двигуна, блок керування системи охолодження 4 подає сигнал на триступеневий клапан 7, який перемикається у положення циркуляції охолоджувальної рідини через теплообмінник 3. Подальша робота системи регулювання теплоти двигуна відбувається на основі даних датчиків температури Д2, Д3. Відповідно до показників температур цих датчиків визначається оптимальна частота обертання насоса 8. У залежності від навантаження на генератор 2 та температури паливно-повітряної суміші, яка виміряється датчиком Д1, блоком керування 4 визначається необхідна кількість палива для роботи двигуна з постійною частотою та подає керуючий сигнал на кроковий електромотор, який встановлює важіль керування у відповідне положення. Відповідно до показників датчиків температури Д2, Д3 визначається частота обертання насоса 8, яка буде забезпечувати оптимальний прогрів теплоносія. При показниках датчиків температури Д2 та Д3, що відповідають температурі більш ніж оптимальній для цього двигун, включається тепловий акумулятор 9 та акумулює надлишки теплоти від системи охолодження двигуна. Коли тепловий акумулятор 9 накопичив запас теплоти, який відповідає його потужності, блок керування системи охолодження 4 формує сигнал, який закриває клапани 10 та відкриває клапани байпасу 11. При низькій температурі навколишнього середовища та зарядженому тепловому акумуляторі 9 прогрів двигуна 1 здійснюється наступним чином: клапани 12 відключають від циркуляції теплообмінник 3, а триступеневий клапан 7 встановлюється у положення великого контуру малого кола циркуляції, чим дозволяє прогріти охолоджуючу рідину від теплового акумулятора 9 в процесі момент пуску двигуна. При цьому елементи схеми, що входять в мале коло циркуляції, працюють аналогічно описаному раніше. Для підтримання температури рідини в системі охолодження при заглушеному ДВЗ в межах температур "гарячого прогріву" при низьких температурах оточуючого повітря в реальних умовах експлуатації, коли температура в тепловому акумуляторі може опуститися нижче допустимого значення, запропонована система працює наступним чином: після отримання команди з блока керування системи охолодження 4за допомогою блока керування автоматично діючого передпускового прокачування масла при здійсненні пуску 13 здійснюється автоматичне примусове прокачування оливи в системі мащення ДВЗ (на фігурі 1 умовно не показано), і блок керування пуском двигуна 4 здійснює примусовий пуск ДВЗ. Після досягнення температури в тепловому акумуляторі у встановлених межах для здійснення його роботи, яка накопичується від відпрацьованих газів, за допомогою блока керування пуском двигуна 4 виконується зупинка ДВЗ. Таким чином здійснюється повторно-короткочасний режим роботи ДВЗ шляхом періодичного чергування його роботи і зупинки (циклічний режим). Для додаткового заряджання теплового акумулятора його оснащено електронагрівачем теплового акумулятора 18, який дає змогу заряджати його від джерела електроенергії 20 за допомогою силового електрокабелю 19. Як джерело електроенергії 20 може бути використана електрична мережа, стаціонарне джерело електроенергії, електрогенератор або рекуперативна система транспортного засобу. Для контролю параметрів роботи системи блок контролю параметрів датчиків температури 15, в який передається інформація з датчиків температури Д1Д7, передає отриману інформацію на комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер) 16, який за допомогою одержання інформації із всіх датчиків масив даних із трекера передає на сервер через технологію GSM-GPRS, а потім через Інтернет інформація надходить у диспетчерський центр інженерно-технічної служби 17, оснащеної комп'ютером із установленим стандартним Інтернет браузером, що і виводить отримані дані на екран монітора. Таким чином, використання запропонованої системи дозволяє шляхом електронного керування двигуна, системою регулювання температури двигуна з тепловим акумулятором і елементами забезпечення повторно-короткочасного режиму роботи ДВЗ підвищити ефективність використання палива та досягти більшої зручності в процесі утилізації теплоти від теплового акумулятора при забезпеченні передпускового підігріву і прискореного прогріву ДВЗ. Тепловий акумулятор дозволяє більш гнучко утилізувати теплоту та скоротити час прогріву двигуна. Для додаткового заряджання теплового акумулятора його оснащено 3 UA 74456 U 5 10 15 20 25 30 35 електронагрівачем теплового акумулятора, який дає змогу заряджати його від електричної мережі, стаціонарного джерела електроенергії, електрогенератора або рекуперативної системи транспортного засобу. Блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску і блок керування пуском двигуна дозволяють забезпечити здійснення повторно-короткочасного режиму роботи ДВЗ шляхом періодичного чергування його роботи і зупинки (циклічний режим) для підтримання сталої температури теплоносія в тепловому акумуляторі у відповідних межах за рахунок теплоти відпрацьованих газів ДВЗ. Блок контролю параметрів датчиків температури передає отриману інформацію на комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер), який за допомогою одержання інформації із всіх датчиків масив даних із трекера передає на сервер через технологію GSM-GPRS, а потім через Інтернет інформація надходить у диспетчерський центр інженерно-технічної служби, оснащеної комп'ютером із установленим стандартним Інтернет браузером, що і виводить отримані дані на екран монітора. Джерела інформації: 1. Использование водяного электронасоса для електронного регулирования температуры охлаждающей жидкости / Х.К. Нгуен, Ж.Л. Мулен, П. Перрье, Э. д'Орсе // Препринт/ Ярославський политехнический Інститут: №88. - Ярославль. - 1988. - 31 с. 2. Патент на корисну модель № 62417 від 25.08.2011р. "Система регулювання температури охолоджуючої рідини газопоршневого електроагрегату з утилізацією теплоти з тепловим акумулятором", автори Грицук І.В., Краснокутська З.І., Адров Д.С. Вербовський B.C., Черняк Ю.В., Гущін A.M., Дорошко B.I. Патента № 62417; опубл. 25.08.2011 р. бюл. №16. 3. Шумков Е.Б., Ерилин Е.С., Сычушкин И.В. Работа дизеля в режиме автоматического обогрева тепловоза // Вестник ВНИИЖТ. - №1 - 2004 4. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1979. - 615 с. 5. Черняк Ю.В., Прилепський Ю.В., Грицук І.В. Фізична модель рекуперативної системи маневрового тепловозу: Монографія. - Донецьк. 2010. - 196 с. ISBN 978-966-8707-28-5 6. Глазков Ю.Е., Попов А.И. Использование информационных технологий в профессиональной деятельности инженера автотранспортных производств // Материалы XIV Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы эксплуатации автотранспортных средств". Сборник статей под общей редакцией Кириллова А.Г. - Владимир. - ВлГУ. - 2011. - С. 61-64. 7. Блинов О. М. Теплотехнические измерения и приборы / О. М. Блинов, А. М. Беленький, В.Ф. Бердышев. - М.: Металлургия, 1993. - 288 с. 8. Телематика на транспорте / П. Пржибыл, М. Свитек; Под ред. Проф. В.В. Сильянова; М: МАДИ(ГТУ), 2003 - 540 с. 9. Информационные технологии на автомобильном транспорте / В.М. Власов, А.Б. Николаев, А.В. Постолит, В.М. Приходько; под общ. ред. В.М. Приходько; МАДИ (Гос. техн. унт). - М.: Наука, 2006. - 283 с. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 Система регулювання температури охолоджуючої рідини двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором з електропідігрівом і моніторингом теплових параметрів, що містить насос з регульованим електричним приводом, триступеневий клапан з електромагнітним управлінням від електронного блока і датчиків температури, зв'язаних з електронним блоком, встановлених на вході і виході в сорочку охолодження двигуна внутрішнього згорання і радіатор, тепловий акумулятор, який включено у великий контур циркуляції малого контуру охолодження двигуна, клапани випускної системи, клапани байпасу та клапани вимикання теплообмінника, яка відрізняється тим, що має блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску, блок керування пуском двигуна, блок контролю параметрів датчиків температури, комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер), диспетчерський центр інженерно-технічної служби, датчик температури відпрацьованих газів електронагрівач теплового акумулятора, силовий електрокабель та джерело електроенергії. 4 UA 74456 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5