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

Реферат: Система регулювання температури охолоджуючої рідини, оливи, палива двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором і моніторингом теплових параметрів містить насос з регульованим електричним приводом, триступеневий клапан з електромагнітним керуванням від електронного блока і датчиків температури, радіатор, тепловий акумулятор, клапани випускної системи, клапани байпасу та клапани вимикання теплообмінника. Система має блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску, блок керування пуском ДВЗ, блок нагріву оливи ДВЗ, блок нагріву палива ДВЗ, двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву оливи ДВЗ, двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву палива ДВЗ, блок керування нагріванням оливи та палива ДВЗ, датчики температури теплового акумулятора, шлейф зв'язку, блок контролю параметрів датчиків температури, комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер), диспетчерський центр інженерно-технічної служби та датчик температури відпрацьованих газів. UA 75713 U (12) UA 75713 U UA 75713 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 , 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 повторнокороткочасний 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 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, 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 згоряння і радіатор, тепловий акумулятор, який включено у великий контур циркуляції малого контуру охолодження двигуна, клапани випускної системи, клапани байпасу та клапани вимикання теплообмінника. Дана система 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. 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 й елементів і систем енергетичної установки в цілому [3, 4], крім цього відсутня можливість моніторингу основних параметрів температури ДВЗ й системи в цілому за допомогою інформаційної технології позиціонування. Задачею корисної моделі є підвищення ефективності використання палива та досягнення більшої зручності в утилізації теплоти відпрацьованих газів й охолоджувальної рідини, та підтримання температури рідини в системі охолодження, мащення і живлення при заглушеному ДВЗ в межах температур "гарячого прогріву" (50-70 °C) для охолоджуючої рідини, а для оливи і для палива - у відповідності до рекомендацій з експлуатації ДВЗ, в залежності від експлуатаційних умов 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 крім цього у режимі реального часу одержувати інформацію про роботу основних систем двигуна: мащення, охолодження живлення, випуску відпрацьованих газів. При цьому, для вирішення задачі і в межах вимог, встановлених заводською інструкцією щодо підтримання необхідного передпускового значення тиску в системі мащення ДВЗ, забезпечення безпечних експлуатаційних умов означеного автоматичного повторно-короткочасного режиму роботи ДВЗ за допомогою блока керування пуском ДВЗ, 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 поставленої задачі запропонована інформаційно-вимірювальна система, що представляє собою функціонально об'єднані вимірювальні, обчислювальні й допоміжні засоби, пристрої й прилади, 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 "on-line", кожний ДВЗ енергетичної установки або транспортного засобу оснащується комунікаційним інтелектуальним контролером (трекером), що містить апаратуру супутникової навігації й, у плані функціональних доповнень, передбачає підключення різних датчиків [7]. Перелік одержуваних сигналів від датчиків і систем транспортного засобу 1 UA 75713 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 інженернотехнічної 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 5ти 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, оливи, палива двигуна внутрішнього згорання (ДВЗ) з утилізацією теплоти тепловим акумулятором і інформаційною технологією позиціонування має блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску, блок керування пуском ДВЗ, блок нагріву оливи ДВЗ, блок нагріву палива ДВЗ, двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву оливи ДВЗ, двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву палива ДВЗ, блок керування нагріванням оливи та палива ДВЗ, датчики температури теплового акумулятора, шлейф зв'язку, блок контролю параметрів датчиків температури, комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер) та диспетчерський центр інженерно-технічної служби. На кресленні наведена схема запропонованої системи. Система регулювання містить ДВЗ 1 з приєднаним до нього генератором 2, теплообмінник 3, блок керування роботою двигуна 5, який здійснює управління регулятором ДВЗ 6, блок керування системи охолодження 4, який здійснює керування триступеневим клапаном 7, циркуляційним насосом 8, тепловим акумулятором 9, клапанами випускної системи 10 та клапанами байпасу 11, клапанами керування теплообмінником 12 та з'єднаний за допомогою шлейфа зв'язку 20 з блоком блок керування нагріванням оливи та палива ДВЗ 19, який здійснює керування блоком нагріву оливи ДВЗ 15, блоком нагріву палива ДВЗ 18, двопозиційними електромагнітними клапанами керування блоком нагріву оливи ДВЗ 16, двопозиційними електромагнітними клапанами керування блоком нагріву палива ДВЗ 17, блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску 13 і блок керування пуском ДВЗ 14, а також блок контролю параметрів датчиків температури 21, що передає отриману інформацію на комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер) 22, 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 23 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 датчику датчик температури паливо-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 температури палива Д5, датчиків температури теплового акумулятора Д6 й датчика температури відпрацьованих газів Д7. Система працює наступним чином. При роботі ДВЗ 1 на режимі прогріву при теплих кліматичних умовах триступеневий клапан 7 встановлюється блоком керування системи охолодження 4 у положення, в якому 2 UA 75713 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 циркуляційний насос 8 забезпечує рух охолоджувальної рідини по малому колу циркуляції. Після того як датчики температури охолоджувальної рідини Д2 зафіксують температуру відповідну прогрітому стану ДВЗ 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 температури охолоджуючої рідини, оливи, палива двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором відбувається на основі даних датчиків температури Д2, Д3. Відповідно до показників температур цих датчиків блоком керування системи охолодження 4 визначається оптимальна частота обертання циркуляційного насосу 8. В залежності від навантаження на генератор 2 та температури паливо-повітряної суміші (повітря), яка вимірюється датчиком температури паливо-повітряної суміші (повітря) на вході в ДВЗ Д1 блок керування роботою двигуна 5 для встановленого режиму роботи встановлює необхідну кількість палива для роботи двигуна зі сталою частотою обертання та подає керуючий сигнал на регулятор ДВЗ 6, який встановлює важіль керування ДВЗ у відповідне положення. Відповідно до показників датчиків температури Д2, Д3 визначається частота обертання насосу 8, яка буде забезпечувати оптимальний температурний стан теплоносія ДВЗ і системи регулювання температури охолоджуючої рідини, оливи, палива двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором в цілому. Під час роботи ДВЗ в залежності від теплового стану теплового акумулятора 9, який вимірюється датчиками температури теплового акумулятора Д6, блоком керування системи охолодження 4 здійснюється керування процесом заряджання його і підтримання його сталого теплового стану на режимі повного заряджання за допомогою клапанів випускної системи 10 і клапанів байпасу 11, які відкриваються і закриваються для виконання вказаної умови (для заряджання - відкриваються клапани випускної системи 10 та закриваються клапани байпасу 11, а при повністю зарядженому тепловому акумуляторі 9 - навпаки). При низькій температурі навколишнього середовища та повністю зарядженому тепловому акумуляторі 9 прогрів ДВЗ 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, оливу і паливо ДВЗ від теплового акумулятора 9 в процесі пуску двигуна, або попередньо прогріти його. Для цього блоком керування нагріванням оливи та палива ДВЗ 19 відкриваються двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву оливи ДВЗ 16 і двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву палива ДВЗ 17 й здійснюється прокачування циркуляційним насосом 8 прогрітої в тепловому акумуляторі 9 охолоджувальної рідини системи охолодження ДВЗ через блок нагріву оливи ДВЗ 15 і блок нагріву палива ДВЗ 18. Процес прогріву оливи і палива ДВЗ здійснюється відповідно датчиками температури оливи Д4 й датчиками температури палива Д5. При досягненні цими датчиками температури, яка відповідає зазначеному значенню у блоці керування нагріванням оливи та палива ДВЗ 19 у постійній взаємодії з програмою блока керування системи охолодження 4 формується керуючий сигнал, який перекриває двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву оливи ДВЗ 16 і (або) двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву палива ДВЗ 17, або змінює параметри швидкості циркуляційного насосу 8. 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 системою охолодження 4 за допомогою блока керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску 13 здійснюється автоматичне примусове прокачування оливи в системі мащення дизеля (на фігурі 1 умовно не показано), і блок керування пуском дизеля 14 здійснює примусовий пуск ДВЗ, а блок керування роботою ДВЗ 5 забезпечує його сталу роботу. Після досягнення температури в тепловому акумуляторі 9 у встановлених межах для здійснення його роботи, яка накопичується від відпрацьованих газів, за допомогою блока керування пуском ДВЗ 14 виконується зупинка самого ДВЗ. Таким чином здійснюється повторно - короткочасний режим роботи ДВЗ шляхом періодичного чергування його роботи і зупинки (циклічний режим) спрямованої на заряджання теплового акумулятора і підтримання в працездатному стані система регулювання температури охолоджуючої рідини, оливи, палива двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором. 3 UA 75713 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Для контролю параметрів роботи системи блок контролю параметрів датчиків температури 21, в який передається інформація з датчиків температури Д1 - Д7, передає отриману інформацію на комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер) 22, 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 23 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 ДВЗ, системою регулювання температури елементів ДВЗ з тепловим акумулятором за допомогою блоків забезпечення повторно - короткочасного режиму роботи дизеля підвищити ефективність використання палива та досягти більшої зручності в процесі утилізації теплоти від теплового акумулятора при забезпеченні передпускового підігріву і прискореного прогріву ДВЗ, що включає в себе попередній прогрів не тільки системи охолодження, а й оливи і палива ДВЗ. Тепловий акумулятор з системою блоків нагріву оливи і палива дозволяють більш гнучко утилізувати теплоту та скоротити час прогріву ДВЗ. Блок керування автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску і блок керування пуском ДВЗ 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, 1988. - № 88.-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, 2004. - № 1. 4. Крутов В.И. Автоматическое регулирование двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1979.-615 с. 5. 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. 6. Блинов О.М. Теплотехнические измерения и приборы / О.М. Блинов, А.М. Беленький, В.Ф. Бердышев. - М.: Металлургия, 1993.-288 с. 7. Телематика на транспорте / П. Пржибыл, М. Свитек; Под ред. Проф. В.В. Сильянова. -М.: МАДИ(ГТУ), 2003-540 с. 8. 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. ун-т). - М.: Наука, 2006.-283 с. 50 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Система регулювання температури охолоджуючої рідини, оливи, палива двигуна внутрішнього згорання з утилізацією теплоти тепловим акумулятором і моніторингом теплових параметрів, що містить насос з регульованим електричним приводом, триступеневий клапан з електромагнітним керуванням 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 4 UA 75713 U 5 автоматично діючого передпускового прокачування оливи при здійсненні пуску, блок керування пуском ДВЗ, блок нагріву оливи ДВЗ, блок нагріву палива ДВЗ, двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву оливи ДВЗ, двопозиційні електромагнітні клапани керування блоком нагріву палива ДВЗ, блок керування нагріванням оливи та палива ДВЗ, датчики температури теплового акумулятора, шлейф зв'язку, блок контролю параметрів датчиків температури, комунікаційний інтелектуальний контролер (трекер), диспетчерський центр інженерно-технічної служби та датчик температури відпрацьованих газів. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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