Устройство сокращённой тепловой подготовки Российский патент 2024 года по МПК F02N19/04 F01N5/02 F01M5/02 

Изобретение относится к области транспортного двигателестроения, к системам, обеспечивающим надежность пуска, стабильность частоты вращения коленчатого вала, сокращение времени готовности к принятию нагрузки, повышение индикаторной мощности и экологичности двигателя низкотемпературного состояния.

При применении транспортных средств специального назначения в условиях отрицательных температур возникает проблема успешного пуска двигателя. Одной из причин снижения вероятности такого пуска является низкая температура воздушного заряда, вследствие чего не происходит переход жидкого топлива в газообразное состояние и образование гомогенной топливовоздушной смеси для гарантированного воспламенения.

После пуска двигателя низкотемпературного состояния не обеспечивается полнота сгорания топлива, по причине слабой активности окислительных процессов и увеличения периода задержки воспламенения. Низкая полнота сгорания топлива сопровождается пониженной индикаторной мощностью, нестабильной частотой вращения коленчатого вала, дымным выбросом отработавших газов, загрязнением окружающей среды несгоревшими и частично окисленными топливными фракциями. Уносимое с отработавшими газами тепло может быть утилизировано для нагрева впускного воздуха, что обеспечит полноту сгорания топлива, стабильность частоты вращения коленчатого вала, сокращение времени готовности к принятию нагрузки, повышение экологичности и индикаторной мощности при реализации действительного цикла на низкотемпературном режиме.

В условиях оперативной обстановки специальных служб (Министерство чрезвычайных ситуаций, Министерство внутренних дел, Министерство обороны Российской Федерации) возникают ситуации, не предоставляющие время на выполнение мероприятий тепловой подготовки в полном объеме. Решение оперативных задач может осуществляться с применением двигателя низкотемпературного состояния.

Ранее заявленные системы тепловой подготовки и облегчения пуска двигателя не обеспечивают реализацию действительного цикла без нарушения рабочих процессов в низкотемпературном режиме.

Известна система предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания, содержащая подогреватель с впускным и выпускным трубопроводами, снабженными водяными насосами, к которым параллельно подсоединены головка блока с рубашкой блока цилиндров, радиатор с термостатом и змеевик маслобака, система снабжена дополнительным трубопроводом, который с одной стороны подсоединен к головке блока, а с другой стороны - к выпускному коллектору через трехходовой клапан (патент SU №956833, MПК F02N 17/02, опубл. 7.09.1982). Недостатком настоящего изобретения является то, что нагревающий теплоноситель находится в теплообменном взаимодействии с системой охлаждения и смазочной системой и не оказывает теплового воздействия непосредственно на систему питания воздухом.

Известна система подогрева впускного воздуха и охлаждения выхлопных газов, содержащая:

1. Система двигателя, содержащая: устройство нагнетания воздуха, впускной коллектор, выхлопную систему с двойной внешней стенкой, ограничивающей межстеночное пространство, трубу, содержащую межстеночное пространство и впускной коллектор, расположенный после устройства нагнетания воздуха, и регулирующий клапан, расположенный внутри трубки.

2. Система по п.1, в которой межстеночное пространство двойных стенок выхлопной системы выполняет функцию теплообменника между выхлопными газами и воздухом.

3. Система по п.1, дополнительно содержащая регулятор, сконструированный таким образом, чтобы выполнить следующие команды: в случае соблюдения первого условия открыть регулирующий клапан для накачивания во впускной коллектор свежего воздуха, нагретого в межстеночном пространстве выхлопной системы; в случаи соблюдения второго условия открыть регулирующий клапан для накачивания в межстеночное пространство впускного воздуха из впускного коллектора; и в случае соблюдения третьего условия закрыть регулирующий клапан.

4. Система по п.3, в которой регулятор дополнительно выполнен с возможностью в случае соблюдения второго условия выполнить команду отрегулировать по меньшей мере одну систему, выбранную из систем впрыска топлива, дросселя, перепускной заслонки и компрессорного обвода, таким образом, чтобы восполнить потери воздуха на впуске при его перекачке от впускного коллектора.

5. Система по п.3, в которой первое условие включает в себя отсутствие наддува и детонации, а второе условие включает в себя наличие наддува.

6. Система по п.5, в которой первое условие дополнительно заключается в ом что, температура воздуха на впуске ниже пороговой температуры, а второе условие заключается в том, что температура выхлопа выше пороговой.

7. Система по п.1, дополнительно содержащая один и более соединительных с трубкой эжекторов, выполненных с возможностью создания вакуума в поменьше мере одной системе, выбранной из системы принудительной циркуляции картера, системы продува паров топлива и системы активации вакуумного усилителя.

8. Система по п.1, в которой выхлопная система дополнительно содержит выпускной воздуховод, через который проходят выхлопные газы и который отличен от межстеночного пространства. (патент RU №112869, МПК В60К 13/00, опубл. 27.01.2012). Существенным недостатком полезной модели является то обстоятельство, что описанное решение работает исключительно в режиме реализации действительного цикла и не обеспечивает тепловую подготовку двигателя.

Известна система предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания транспортного средства специального назначения, содержащая предпусковой подогреватель и систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания связанные между собой трубопроводами образующие замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, распределительную трубу с направляющими соплами, масляный картер, нагнетатель и теплообменник контура циркуляции воздуха картерной полости и подачи воздуха в цилиндры двигателя связаны между собой трубопроводами, воздушную заслонку, трубопровода, воздуховод подачи воздуха в цилиндры двигателя образующие контур циркуляции воздуха картерной полости и подачи воздуха в цилиндры двигателя и топливный насос, теплообменник контура подогрева топлива, топливные заслонки и трубопровода образующие контур подогрева топлива (патент RU №213683, МПК F02N 19/02, опубл. 22.09.2022). Существенным недостатком полезной модели является значительные трудоемкость и время потребное на тепловую подготовку двигателя.

Наиболее близким устройством такого же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков и взятым за прототип является система предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, содержащая предпусковой подогреватель, соединенный с теплообменником, посредством патрубка, кожух масляного картера, нагнетатель воздуха, связанные между собой трубопроводами, образующими контур циркуляции охлаждающей жидкости и контур циркуляции воздуха, кроме того дополнительно содержит теплообменник, нагнетатель воздуха и распределительную трубу, установленную в корпусе масляного картера, предпусковой подогреватель осуществляет подогрев контура циркуляции охлаждающей жидкости и контура циркуляции воздуха картерной полости, который выполнен замкнутым (патент RU №193278, МПК F02N 19/04, опубл. 22.10.2019).

Правильность организации рабочих процессов в цилиндрах в значительной степени зависит от температуры воздушного заряда. Недостатками данного способа являются отсутствие контура нагрева впускного воздуха и его применение исключительно в режиме тепловой подготовки без реализации действительного цикла. А также не предусматривается утилизация тепла отработавших газов, рассеиваемого в атмосферу.

Задачей устройства сокращенной тепловой подготовки является обеспечение успешного пуска и реализации действительного цикла без нарушения рабочих процессов в условиях низкотемпературного состояния двигателя.

Техническим результатом заявленного решения является сокращение времени на тепловую подготовку и пуск двигателя, повышение активности окислительных процессов углеводородов топлива и сокращение периода задержки воспламенения, повышение индикаторной мощности, повышение экологичности.

Технический результат достигается преимуществом предлагаемого решения. А именно, наличие контура распределителя газов подогревателя жидкостного дизельного (ПЖД) с двумя направляющими соплами, одно из которых обеспечивает подачу газов к поддону картера через трубу отвода газов для нагрева масла, а другое в систему питания воздухом, через газовоздушные трубы и теплообменник, который также выполняет роль приемного патрубка отработавших газов двигателя, объединяя в себе два раздельных контура и обеспечивая реализацию теплообменных процессов между ними, эффективный нагрев газов или воздуха, поступающих в систему питания воздухом. Комбинации движения газов определяются положением заслонок.

Изобретение поясняется прилагаемым рисунком и нижеследующим описанием. На фиг. 1 приведен вид поршневого двигателя сверху в сборе с устройством сокращенной тепловой подготовки, где реализуется способ нагрева впускного воздуха утилизацией тепла отработавших газов.

Устройство содержит: ПЖД 1, заслонку распределителя 2, распределитель 3, газовоздушные трубы 4, заслонку объединительного патрубка 5, цилиндры 6, выпускные коллекторы 7, впускные коллекторы 8, систему выпуска отработавших газов 9, трубопровод охлаждающей жидкости 10, трубу отвода газов ПЖД 11, масляный картер 12, воздухораспределитель 13, турбокомпрессоры 14, теплообменники 15, заслонку воздухоочистителя 17, воздухоочиститель 16.

ПЖД 1 и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания связаны между собой трубопроводами 10, образующими замкнутый контур № 1 циркуляции охлаждающей жидкости.

Система распределения газов ПЖД и система выпуска отработавших газов двигателя представляют собой два раздельных контура - контур № 2 и контур № 3 соответственно.

Контур № 2 состоит из двух линий и включает следующие элементы: ПЖД 1, распределитель 3, задающий два направления движения по первой линии к поддону картера и по второй линии в систему питания воздухом через газовоздушную трубу 4, теплообменники 15, воздухораспределитель 13, впускные коллекторы 8, заслонку объединительного патрубка 5.

Контур № 3 включает следующие элементы: выпускные коллекторы 7, турбокомпрессоры 14, теплообменники 15, систему выпуска отработавших газов 9.

В качестве теплоносителя для повышения температуры конструктивных элементов системы питания воздухом в период тепловой подготовки используются газы ПЖД, поступающие по первой линии контура № 2. После пуска возможна остановка ПЖД, так как отработавшие газы двигателя - контур №3 представляют собой более теплопроизводительный теплоноситель, обеспечивающий большую активность теплообменных процессов в сравнении с ПЖД.

В условиях экстремально низких температур возможно применение обоих источников с одновременной работой трех контуров. Устройство сокращенной тепловой подготовки работает следующим образом.

Исходно двигатель и ПЖД находятся в состоянии покоя. Положение заслонок: распределителя 3 - закрыто, воздухоочистителя 16 - открыто, объединительного патрубка 2 - закрыто.

Изначально заслонки переводятся в следующие положения: распределителя 3 - открыто, воздухоочистителя 16 - закрыто, объединительного патрубка 5 - открыто. Таким образом обеспечивается соответствующая комбинация движения газов предпускового жидкостного подогревателя 1 и исключается их неоправданные потери противотоком. После чего осуществляется пуск ПЖД в соответствии с руководством по эксплуатации изделия. При этом активизируются контур № 1 и контур № 2. В результате работы контура № 1 повышается температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения, а в результате работы первой линии контура № 2 повышается температура масла в поддоне картера 12, а второй линии конструктивных элементов системы питания воздухом, где газы предпускового жидкостного подогревателя 1 поступают в газовоздушную трубу 4, направляются во впускные коллекторы 8, достигают заслонки объединительного патрубка 5 и выходят в атмосферу.

В соответствии с руководствами по эксплуатации критерием готовности двигателя к пуску по результатам тепловой подготовки является температура охлаждающей жидкости. В оперативной обстановке таким критерием является температурное состояние конструктивных элементов системы питания воздухом. Именно температура топливовоздушной смеси в цилиндре определяет вероятность образования вспышки и успех пуска двигателя в условиях отрицательных температур. При этом температуры охлаждающей жидкости и масла приобретают второстепенное значение в вопросе пуска двигателя и оперативного применения транспортных средств специального назначения. Поскольку суммарная масса конструктивных элементов системы питания воздухом отстает от массы охлаждающей жидкости и масла, то время на тепловую подготовку кратно сокращается.

Дальнейшее применение устройства сокращенной тепловой подготовки может осуществляться в двух режимах: в обычном режиме и в режиме полнофункциональной работы.

В обычном режиме при достижении температуры конструктивных элементов системы питания воздухом определенного значения осуществляется перевод заслонок воздухоочистителя 16 и объединительного патрубка 2 в исходные положения. После чего осуществляется пуск двигателя и возникает более теплопроизводительный источник, обеспечивающий бóльшую активность теплообменных процессов, реализуемых в теплообменнике 15. Теплообмен осуществляется в результате взаимодействия контуров № 2 и № 3. ПЖД останавливается, а его газы заменяются воздухом, поступающим через открытую заслонку распределителя 2 по газовоздушной трубе 4. В воздухораспределителе 13 происходит смешение двух потоков воздуха: потока второй линии контура № 2 и потока поступаемого из воздухоочистителя 17.

Реализация теплообменных процессов и разряжение, создаваемое системой питания воздухом, обеспечивает поступление нагретого воздуха в систему и цилиндры 6, а также работу двигателя низкотемпературного состояния без нарушения рабочих процессов. При достижении оптимального значения температуры охлаждающей жидкости заслонка распределителя 2 переводится в исходное положение и двигатель работает в штатном режиме.

В условиях экстремально низких температур возможна реализация полнофункционального режима с одновременной работой трех контуров при непосредственном применении транспортных средств специального назначения.

В полнофункциональном режиме при достижении температуры конструктивных элементов системы питания воздухом определенного значения осуществляется перевод заслонок воздухоочистителя 16 и объединительного патрубка 5 в исходные положения.

После чего осуществляется пуск двигателя и возникает более теплопроизводительный источник, обеспечивающий бóльшую активность теплообменных процессов, реализуемых в теплообменнике 15. Теплообмен осуществляется между работой контуров № 2 и № 3. ПЖД продолжает работу, а температура его газов дополнительно повышается в теплообменниках 15 за счет теплообменных процессов с отработавшими газами двигателя. В воздухораспределителе 13 происходит смешивание двух потоков: потока газов второй линии контура № 2 и потока воздуха, поступающего из воздухоочистителя 17.

Одновременно с функционированием второй линии контура № 2 и контуром № 3 реализуется работа первой линии контура № 2 и контура № 1, чем обеспечивается повышение температуры моторного масла в поддоне картера 12 и теплоносителя трубопровода охлаждающей жидкости 10. При этом нагрев осуществляется в результате теплового воздействия двух отдельных устройств: предпускового жидкостного подогревателя 1 и поршневого двигателя.

При достижении температуры охлаждающей жидкости оптимального значения ПЖД останавливается, заслонка распределителя 2 переводится в исходное положение и двигатель продолжает работу в штатном режиме.

Заявляемое техническое решение позволяет сократить время тепловой подготовки в условиях оперативной обстановки, осуществить успешный пуск двигателя низкотемпературного состояния и его применение без нарушения рабочих процессов, характеризуемых активностью окислительных процессов углеводородов топлива, периодом задержки воспламенения, индикаторной мощностью и экологичностью. Предлагаемое изобретение «Устройство сокращенной тепловой подготовки» может проектно включаться в конструкцию поршневых двигателей для транспортных средств специального назначения северного исполнения, серийно изготавливаемых промышленным способом.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Устройство сокращенной тепловой подготовки впускного воздуха утилизацией тепла отработавших газов поршневого двигателя содержит подогреватель жидкостный дизельный (ПЖД) (1), заслонку (2) распределителя, распределитель (3), газовоздушные трубы (4), заслонку (5) объединительного патрубка, цилиндры (6), выпускные коллекторы (7), впускные коллекторы (8), систему (9) выпуска отработавших газов, трубопровод (10) охлаждающей жидкости, трубу (11) отвода газов ПЖД (1), масляный картер (12), воздухораспределитель (13), турбокомпрессоры (14), теплообменники (15), заслонку (17) воздухоочистителя и воздухоочиститель (16). Устройство сокращенной тепловой подготовки впускного воздуха представляет собой трехконтурную систему. ПЖД (1) и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания связаны между собой трубопроводами (10), образующими первый замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости. Система распределения газов ПЖД и система выпуска отработавших газов двигателя представляют собой два раздельных контура – второй и третий контуры соответственно. Второй контур состоит из двух линий и включает следующие элементы - ПЖД (1), распределитель (3), задающий два направления движения по первой линии к поддону картера (12) и по второй линии в систему питания воздухом через газовоздушную трубу (4), теплообменники (15), воздухораспределитель (13), впускные коллекторы (8) и заслонку (5) объединительного патрубка. Третий контур включает выпускные коллекторы (7), турбокомпрессоры (14), теплообменники (15) и систему (9) выпуска отработавших газов. Технический результат заключается в сокращении времени на тепловую подготовку и пуск двигателя. 1 ил.

Устройство сокращенной тепловой подготовки впускного воздуха утилизацией тепла отработавших газов поршневого двигателя, содержащее подогреватель жидкостный дизельный (ПЖД) (1), заслонку (2) распределителя, распределитель (3), газовоздушные трубы (4), заслонку (5) объединительного патрубка, цилиндры (6), выпускные коллекторы (7), впускные коллекторы (8), систему (9) выпуска отработавших газов, трубопровод (10) охлаждающей жидкости, трубу (11) отвода газов ПЖД (1), масляный картер (12), воздухораспределитель (13), турбокомпрессоры (14), теплообменники (15), заслонку (17) воздухоочистителя, воздухоочиститель (16), отличающееся тем, что устройство представляет собой трехконтурную систему, причем ПЖД (1) и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания связаны между собой трубопроводами (10), образующими первый замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, система распределения газов ПЖД и система выпуска отработавших газов двигателя представляют собой два раздельных контура – второй и третий контуры соответственно, второй контур состоит из двух линий и включает следующие элементы - ПЖД (1), распределитель (3), задающий два направления движения по первой линии к поддону картера (12) и по второй линии в систему питания воздухом через газовоздушную трубу (4), теплообменники (15), воздухораспределитель (13), впускные коллекторы (8), заслонку (5) объединительного патрубка, а третий контур включает выпускные коллекторы (7), турбокомпрессоры (14), теплообменники (15), систему (9) выпуска отработавших газов.