Транспортное средство с высокофорсированным двигателем внутреннего сгорания и способ предотвращения выхода из строя двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации транспортного средства Российский патент 2022 года по МПК F02D41/22 B60W10/06 

Изобретение относится к эксплуатации высокофорсированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств, преимущественно военных гусеничных машин. Заявляемое техническое решение направлено на предотвращение выхода из строя ДВС при возникновении критичных параметров температуры охлаждающей жидкости, масла, других параметров, предваряющих аварийную работу двигателя.

Техническим результатом является предотвращение выхода из строя двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации транспортного средства в случае превышения температуры выхлопных газов двигателя выше заданных предельных значений, предотвращение выхода из строя ДВС при продолжении работы двигателя при критичных параметрах температуры текучих сред или несвоевременных действиях экипажа по снижению упомянутых параметров.

Известен способ управления режимом работы теплового агрегата на основе температуры выхлопного газа [1]. Способ заключается в определении эталонной кривой перехода от режима горения топлива в разных зонах горения как функции от параметров давления и температуры выхлопных газов и управления распределением топлива при отклонениях рабочих точек графика процесса от эталонной пороговой кривой. Рекомендован для управления тепловыми агрегатами в условиях стационарного размещения турбомашин, например, на электростанциях, работающих на газовом топливе. Реальные условия работы двигателя внутреннего сгорания транспортного средства отличаются от стационарного и сравнение процессов сгорания топлива с теоретической кривой неприемлемо. Хотя точное управление температурой выхлопного газа турбомашины является, по мнению патентообладателя, важным фактором для разработки успешных применений.

Следующий известный [2] способ для определения температуры отработавших газов заключается в определении многофакторных составляющих для последующего управления двигателем, например, автомобиля. Среди упомянутых факторов - нагрузка двигателя, скорость транспортного средства, температура на выпускном фланце. Такой способ имеет недостатки, по мнению заявителя. Во-первых, оценка температуры на выпускном фланце может явиться запоздалым сигналом в случае критического значения, во-вторых, увеличение числа учитываемых факторов усложняет алгоритм и затрачивает время на обработку информации для своевременного принятия решения в случае нештатной ситуации. Значимое оперативное различие в точке определения температуры газов в системе выхлопа отмечают и авторы публикации [3]: выхлопные газы - движущиеся в выхлопном коллекторе дизеля, перед турбиной турбокомпрессора; отработавшие газы - газы, выходящие из турбины турбокомпрессора. При этом разница температур может достигать 50-100° С [3].

Близким аналогом по цели, достигаемой техническим решением - предотвращение выхода из строя двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации, - является патент [4], в котором осуществлен принцип контроля критического перепада давлений охлаждающей жидкости в водяном насосе с последующим включением механизма остановки двигателя (МОД) при критическом значении перепада давлений, свидетельствующего о частичной или полной потере охлаждающей жидкости. Заявитель рассматривает источник [4], как заслуживающий внимания, но частный случай нештатной ситуации.

Наиболее близким по техническому решению, принятым за прототип данного изобретения, является танк Т-90 с оборудованием, в состав которого входит: шасси с расположенной в шасси силовой установкой, имеющей двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом от турбокомпрессора, систему выпуска двигателя, включающую выпускную трассу за турбокомпрессором, систему электрооборудования шасси с оборудованием аварийной сигнализации, механизм ограничения мощности, механизм остановки двигателя [5], [6].

Недостатком приведенной комплектации транспортного средства является то, что при работе двигателя отсутствует дополнительная необходимая информация о параметрах высокофорсированного двигателя, используемая для принятия решения об ограничении подачи топлива в цилиндры двигателя при возможных неисправностях его систем (агрегатов) или неверно выбранных режимах работы двигателя в зависимости от нагрузки и дорожных условий работы транспортного средства, при этом снижают подачу топлива или выполняют последующий останов двигателя автоматически или вручную по критическим значениям других параметров, что не всегда может выполняться своевременно и обеспечивать предотвращение выхода двигателя из строя.

Сущность изобретения заключается в совокупности признаков, обеспечивающих получение технического результата. Помимо датчиков температуры текучих сред датчиком температуры снабжена и система выпуска отработавших газов ДВС, установленным за турбиной турбокомпрессора. При этом оборудование аварийной сигнализации шасси дополнительно снабжено устройствами сигнализации и автоматического включения сигнализации и механизма ограничения мощности (МОМ), как механизма ограничения подачи топлива в цилиндры двигателя при достижении заданных предельных значений температуры текучих сред и /или отработавших газов и автоматического отключения сигнализации и механизма ограничения подачи топлива в цилиндры двигателя при снижении температуры текучих сред и отработавших газов до заданных рабочих (нормальных) значений.

Целью настоящего изобретения является создание оборудования, позволяющего предотвращать выход высокофорсированного двигателя внутреннего сгорания транспортного средства из строя путем автоматического включения сигнализации и механизма ограничения мощности (МОМ), осуществляющего ограничение подачи топлива в цилиндры двигателя при достижении заданных предельных значений температуры текучих сред и отработавших газов, а впоследствии - автоматического отключения сигнализации и механизма ограничения подачи топлива в цилиндры двигателя при снижении температуры текучих сред и отработавших газов до заданных рабочих (нормальных) значений.

Указанная цель достигается тем, что:

- в системы охлаждения и смазки ДВС подключают измерители (датчики) температуры текучих сред и датчик температуры отработавших газов, установленный за турбиной турбокомпрессора;

- двигатель снабжен исполнительным механизмом - механизмом ограничения мощности (МОМ), ограничивающим, как указывалось выше, подачу топлива в цилиндры двигателя;

- оборудование аварийной сигнализации дополнительно снабжено устройствами сигнализации и автоматического включения и отключения механизма ограничения мощности (МОМ).

Осуществление заявляемого технического решения поясняет фиг. 1, раскрывающая узлы и оборудование в составе транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания и функционал упомянутого оборудования, позволяющего предотвратить выход из строя двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации транспортного средства. Фиг. 1. Позиции: транспортное средство с высокофорсированным двигателем внутреннего сгорания (2), содержащее шасси (контур I), в котором расположены силовая установка (контур II), включающая упомянутый двигатель внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором (3) (турбина 1 обозначена отдельно), штатным топливным насосом высокого давления (4), систему охлаждения (16) и систему смазки (17) с датчиками температуры текучих сред (5, 6); систему выпуска отработавших газов (7); систему электрооборудования; оборудование аварийной сигнализации (8); механизм остановки двигателя (МОД) (9), прекращающий подачу топлива в цилиндры двигателя, заглушающий ДВС и предотвращающий выход его из строя; блок управления (10), датчик температуры отработавших газов (11); устройство сигнализации и автоматического включения (12) механизма ограничения мощности (13); 13 - упомянутый механизм ограничения мощности (МОМ), осуществляющий посредством блока управления (10) ограничение подачи топлива в цилиндры двигателя при достижении заданных предельных значений температуры отработавших газов и/или текучих сред с последующим автоматическим отключением сигнализации и механизма ограничения подачи топлива в цилиндры двигателя при снижении температуры отработавших газов или текучих сред до заданных значений; топливный насос высокого давления, оснащенный пневмоприводом с воздушной трассой (14) от пневмоклапана (15), посредством блока управления обеспечивающего функционал механизма ограничения мощности.

Осуществление технического решения.

Способ предотвращения выхода из строя двигателя внутреннего сгорания (2), оснащенного турбокомпрессором (3), при эксплуатации транспортного средства осуществляют мониторингом показаний датчиков температуры текучих сред (5 и 6) в системах охлаждения и смазки (16 и 17), отработавших газов (11) в системе выпуска отработавших газов упомянутого двигателя (7). Предотвращение выхода из строя двигателя обеспечивают автоматическим включением механизма ограничения мощности (МОМ) (13), системно и электрически связанного с оборудованием транспортного средства и блоком управления (10).

Для осуществления описанного «Способа..» заявитель приводит пример транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания (2), содержащего шасси (контур I), в котором расположены силовая установка (контур II), включающая упомянутый двигатель внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором (3), штатным топливным насосом высокого давления (4), датчиками температуры текучих сред (5 и 6) в системах охлаждения и смазки (16 и 17). Транспортное средство включает в себя систему выпуска выхлопных и отработавших газов (7) с датчиком температуры отработавших газов (11) и датчиками температуры текучих сред (5 и 6), оборудование аварийной сигнализации (8), блок управления (10), механизм остановки двигателя (9). Упомянутый двигатель внутреннего сгорания системно связан с механизмом ограничения мощности (МОМ) (13), являющимся исполнительным механизмом топливного насоса высокого давления (4) и посредством блока управления (10) обеспечивающий функционал МОМ с помощью пневмоклапана (15). При этом оборудование аварийной сигнализации (8) шасси снабжено устройствами сигнализации и автоматического включения (12) и отключения упомянутого механизма ограничения мощности (13).

Осуществление описанного «Способа..» происходит по следующему алгоритму:

- датчики (5 и 6) температуры текучих сред и отработавших газов (11) постоянно производят контроль (измерение) температуры и выдают их значения в блок управления (10);

- блок управления (10) производит обработку полученных значений температуры и осуществляет сравнение их с заданными значениями температуры (рабочими, предельными и критическими):

Заданные значения температуры

Табл.1. Технологическая среда Рабочее значение
температуры, 0С Предельное значение температуры, 0С Критическое значение температуры, 0С Охлаждающая жидкость <100 125 130 Масло двигателя <100 125 130 Отработавшие газы <580 650 680

- при достижении температур предельных значений хотя бы по одному из датчиков (5, 6, 11) блок управления (10) с помощью оборудования аварийной сигнализации (8) выдает сигнал в устройство сигнализации и автоматического включения МОМ (12);

- при получении сигнала автоматически срабатывает сигнализация, информирующая экипаж о достижении предельных значений температур, а также выдается команда на отсчет заданного интервала времени, в течение которого возможна работа двигателя при таких температурах; и включение, по истечению заданного интервала времени, с помощью пневмоклапана (15) и воздушной трассы (14) механизма ограничения мощности МОМ (13);

- при срабатывании сигнализации экипаж в течение определенного (заданного заранее) интервала времени вручную снижает подачу топлива в цилиндры двигателя, при этом уменьшается загрузка двигателя и снижается температура текучих сред и отработавших газов;

- при отсутствии действий со стороны экипажа по истечению заданного интервала времени или достижении критических значений температуры текучих сред и отработавших газов, автоматически выдается команда на включение механизма ограничения мощности МОМ (13) с помощью пневмоклапана (15) и воздушной трассы (14);

- при срабатывании МОМ (13) происходит ограничение подачи топлива в цилиндры двигателя, при этом уменьшается загрузка двигателя и снижается температура текучих сред и/или отработавших газов;

- при снижении температуры отработавшихх газов до заданных рабочих нормальных значений автоматически выдается команда на отключение аварийной сигнализации или механизма ограничения мощности МОМ (13) с помощью пневмоклапана (15) и появляется возможность вновь увеличивать подачу топлива в цилиндры и повышать загрузку двигателя;

- при отсутствии снижения температуры текучих сред и отработавших газов после действий со стороны экипажа или после включения МОМ возможно автоматическое включение механизма остановки двигателя МОД (9), позволяющее прекратить подачу топлива в цилиндры двигателя, заглушить двигатель и предотвратить выход его из строя.

Приведенная диаграмма (фиг. 2) иллюстрирует технологический процесс работы ДВС и включает в себя графики, сочетающие нормальные, предельные и критические значения температур текучих сред и отработавших газов в различные периоды работы ДВС, где:

Т_{1 (ож,м,ог)} - рабочие значения температуры охлаждающей жидкости, масла, отработавших газов;

Т_{2 (ож,м,ог)} - предельные значения температуры охлаждающей жидкости, масла, отработавших газов;

Т_{3 (ож,м,ог)} - критические значения температуры охлаждающей жидкости, масла, отработавших газов.

Таким образом, «Транспортное средство с высокофорсированным двигателем внутреннего сгорания и способ предотвращения выхода из строя двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации транспортного средства» в совокупности признаков обладает новизной, изобретательским уровнем и практически применимо с достижением заявленного технического результата.

Литература

1. Ботарелли К. (IT). Способ управления режимом работы газовой турбины на основе температуры выхлопного газа и газовая турбина. Патент №2539930, приоритет от 19.11.201 г. МПК F02C 9/00, F02C 9/20. Опубл. 10.01.2014г., бюлл. №1. Патентообладатель Нуово Пиньоне С.п.А. (IT). Патент не действует.

2. Мартин Д.Р. и др. (US). Способ определения температуры отработавших газов. Патент № 2716943, приоритет от 07.02.2017 г. МПК F01N 11/00, F02D 41/22. Опубл. 07.08.2018г., бюлл. № 22. Патентообладатель Форд Глобал Текнолоджиз, ЛЛК (US). Патент действует.

3. Барский И.А. и др. Температура отработавших газов дизелей. В ж.: Вестник РУДН, сер. Инженерные исследования, М., 2004 г., №1 (8), с. 57-59. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/temperatura-otrabotavshih-gazov-dizel/viewer. (Обращение 30.11.2021г.)

4. Гаев Е.Г. и др. Транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания и способ предотвращения выхода из строя такого двигателя при эксплуатации транспортного средства. Патент №2526132, приоритет от 13.05.2013 г. МПК F01P 11/18, F01P 3/20. Опубл. 20.08.2014г., бюлл. № 23.

Патентообладатель АО «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения». Патент действует.

5. Устройство танка Т-72Б. Учебное пособие. Белорусский национальный технический университет. Военно-технический факультет. Кафедра «Бронетанковое вооружение и техника». Учебное электронное издание. Минск, 2011 г. С.460-462, 464-467.

6. Танк Т-90С. Техническое описание 188.ТО-Э4. Часть 1. [Электронный ресурс] URL: https://vk.com/topic-93248495_37085971//, с.174-175, 229, 250. (Обращение 07.12.2021 г.).

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания транспортных средств. Транспортное средство с высокофорсированным двигателем внутреннего сгорания содержит шасси (I), в котором расположены силовая установка (II), включающая в себя двигатель (2) внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором (3), штатным топливным насосом (4) высокого давления, датчиками (5), (6) температуры текучих сред в системах (16), (17) охлаждения и смазки, систему (7) выпуска отработавших газов, система электрооборудования шасси, оборудование аварийной сигнализации (8), блок (10) управления и механизм (9) остановки двигателя. Система (7) выпуска отработавших газов снабжена датчиком (11) температуры отработавших газов. Двигатель (2) внутреннего сгорания связан с механизмом (13) ограничения мощности. Оборудование аварийной сигнализации шасси снабжено устройствами (12) сигнализации и автоматического включения и отключения механизма (13) ограничения мощности. Топливный насос (4) высокого давления связан с механизмом ограничения мощности (13) и оснащен пневмоприводом с воздушной трассой (14) от пневмоклапана (15), а посредством блока (10) управления обеспечивают включение и выключение механизма ограничения мощности (13). Раскрыт способ предотвращения выхода из строя двигателя внутреннего сгорания. Технический результат заключается в предотвращении выхода из строя двигателя внутреннего сгорания при эксплуатации транспортного средства в случае превышения температуры выхлопных газов двигателя выше заданных предельных значений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Транспортное средство с высокофорсированным двигателем внутреннего сгорания, содержащее шасси (I), в котором расположены силовая установка (II), включающая двигатель (2) внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором (3), штатным топливным насосом (4) высокого давления, датчиками (5), (6) температуры текучих сред в системах (16), (17) охлаждения и смазки, систему (7) выпуска отработавших газов, система электрооборудования шасси, оборудование аварийной сигнализации (8), блок (10) управления и механизм (9) остановки двигателя, система (7) выпуска отработавших газов снабжена датчиком (11) температуры отработавших газов, двигатель (2) внутреннего сгорания связан с механизмом (13) ограничения мощности, оборудование аварийной сигнализации шасси снабжено устройствами (12) сигнализации и автоматического включения и отключения механизма (13) ограничения мощности, причем топливный насос (4) высокого давления связан с механизмом ограничения мощности (13), оснащен пневмоприводом с воздушной трассой (14) от пневмоклапана (15), а посредством блока (10) управления обеспечивают включение и выключение механизма ограничения мощности (13).

2. Способ предотвращения выхода из строя двигателя внутреннего сгорания (2) при эксплуатации транспортного средства, при котором контролируют температуру текучих сред в системах (16), (17) охлаждения и смазки, в системе (7) выпуска отработавших газов двигателя (2), оснащенного турбокомпрессором (3), отличающийся тем, что предотвращение выхода из строя двигателя (2) обеспечивают автоматическим включением механизма (13) ограничения мощности при достижении предельных или критических значений температуры охлаждающей жидкости, температуры масла и/или температуры отработавших газов, при этом предельное значение температуры охлаждающей жидкости и масла двигателя составляет 125°С, критическое значение температуры 130°С, предельное значение температуры отработавших газов составляет 650°С, критическое значение температуры отработавших газов 680°С, а значения температур определяют по электрически связанным с блоком (10) управления датчику (5) температуры охлаждающей жидкости, датчику (6) температуры масла двигателя и датчику (11) температуры отработавших газов.