Система охлаждения нереверсивного судового двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2024 года по МПК F01P3/20 F02N19/10 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано на судах речного и морского транспорта для стабилизации температуры охлаждающей жидкости во всем диапазоне режимов работы нереверсивного судового двигателя.

Известен патент № 214374 Российская Федерация, МПК. Устройство автоматического регулирования температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания / А.Р. Юнусова; опубл. 10.06.23 [1].

В предлагаемом устройстве используется внутренний контур системы охлаждения с электрическим терморегулятором, в котором предусматривается теплоизолированная емкость. Во время работы двигателя теплоизолированная емкость заправляется горячей водой и после остановки двигателя емкость герметически закрывается и соответственно за счет теплоизоляции в емкости поддерживается заданная температура воды. Перед запуском двигателя горячая вода в емкости с использованием элементов автоматики циркулирует через двигатель и происходит предпусковой подогрев двигателя до требуемой величины.

Во время работы двигателя происходит автоматическое регулирование температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения, то есть на частичных нагрузках поддерживается более высокая температура, чем на номинальных; автоматическое заполнение горячей охлаждающей жидкостью теплоизолированной емкости перед плановой остановкой и обеспечение требуемой температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения перед плановой остановкой двигателя.

Основным недостатком данного патента является то, что при низкой температуре во время ночной стоянки температура горячей воды в теплоизолированной емкости снижается и усложняется возможность поддержания двигателя в теплом состоянии.

Известна также система жидкостного охлаждения, патент № 2085753 Россия, МКИ F 01 Р 3/20. Система жидкостного охлаждения ДВС / В.Н. Тимофеев, В.Л. Лаврентьев (Россия). Опубл. в БИ 27.07.97 [2].

Система охлаждения (СО) двигателя внутреннего сгорания, содержит внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий полости охлаждения двигателя, электрический трехходовой кран с приводом вращения пробки, жидкостно - жидкостной теплообменник, выполненный в виде электротермоохладителя (термоэлектрического охладителя) с теплообменниками горячих и холодных спаев, и циркуляционный насос; внешний контур циркуляции охлаждающего теплоносителя, подсоединенный к внутреннему контуру через жидкостно - жидкостной теплообменник, и датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный во внутреннем контуре циркуляции охлаждающей жидкости между полостями охлаждения двигателя и трехходовым краном подключенный к электротермоохладителю. Система охлаждения снабжена блоком регулирования температуры, привод трехходового крана выполнен электрическим, и подсоединен к блоку регулирования температуры, а датчик температуры подключен к электротермоохладителю через блок регулирования температуры.

Система охлаждения позволяет поддерживать заданный температурный режим нереверсивного судового дизеля. Однако у системы охлаждения имеются ряд недостатков. Основными из них являются

- электротермоохладитель потребляет электроэнергию, что снижает эффективность работы судовой энергетической установки;

- электротермоохладитель не предусмотрен для предпускового подогрева и повышения температуры на режимах холостого и частичных нагрузок охлаждающей жидкости внутреннего контура системы охлаждения двигателя;

- температура внутреннего контура СО на частичных нагрузках не может иметь высокую температуру, так как в данной системе используется внутренний контур открытого типа, где давление во внутреннем контуре не может превышать атмосферного давления и появляется возможность кипения охлаждающей жидкости.

- не предусмотрена плановая остановка двигателя, так как перед остановкой температура охлаждающей жидкости должна быть снижена до заданного значения.

Заявляемое изобретение решает задачу создания эффективной системы охлаждения нереверсивного судового двигателя с использованием электрических элементов.

Техническим результатом, достигаемым при этом, является обеспечение оптимального температурного режима в системе охлаждения путем поддержания на режимах холостого и частичных нагрузок более высокую температуру, например, 100°С, чем на номинальных, например, 85°С.

Технический результат достигается тем, что система охлаждения нереверсивного судового двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур открытого типа с возможностью перехода на закрытый тип; термоэлектрический охладитель; замкнутый контур для органического цикла Ренкина (ОЦР), включающий в себя испаритель, турбину с генератором, конденсатор дополнительно содержит теплообменник-посредник, установленный на выхлопном трубопроводе двигателя с возможностью теплообмена теплоносителя термального масла с отработавшими газами, выход теплообменника посредника по термальному маслу подключен к испарителю ОЦР, где происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом ОЦР, и электрически подключен через паровую турбину с генератором ОЦР к термоэлектрическому охладителю и другим электрическим потребителям системы охлаждения. Кроме того, термоэлектрический охладитель системы охлаждения нереверсивного судового двигателя внутреннего сгорания содержит блок реверса, с возможностью подключения термоэлектрического охладителя на режим «нагреватель» при предпусковом подогреве и повышении температуры охлаждающей жидкости внутреннего контура на режимах холостого хода и частичных нагрузок.

На рис. 1 представлена принципиальная схема системы охлаждения нереверсивного судового двигателя внутреннего сгорания, которая содержит нереверсивный судовой двигатель 1; термоэлектрический охладитель-нагреватель 2 (ТЭОН2), циркуляционный насос 3; расширительный бачок закрытого типа 4; расширительный бачок открытого типа 5; электрические трехходовые вентили 6, 7, 8 (ЭТВ 6, ЭТВ7, ЭТВ8); выхлопной трубопровод 9, теплообменник посредник 10; замкнутый контур электрические насосы 11, 12; датчики температуры 13 (ДТ13) и нагрузки 14 (ДН14); замкнутый контур 15 для органического цикла Ренкина, включающий в себя испаритель 16, турбину 17 с генератором 18, конденсатор 19; блок реверса 20; блок питания 21; блок управления 22 (БУ22); блок сравнения 23 (БС23); задатчик 24 (ЗД24); панель управления 25; переключатели режимов: «Работа 26», «Остановка 27», «Нагреватель 28»; каналы внутреннего контура охлаждения 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38; каналы забортной воды 39, 40, 41, 42, 43; каналы термального масла 44, 45, 46; каналы низкокипящего вещества ОЦР 47, 48, 49; каналы электрической энергии 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60; каналы электрических сигналов 61, 62, 63, 64, невозвратный клапан 65.

Схема, представленная на рис. 1 с применением электрических элементов позволяет создать эффективную систему охлаждения нереверсивного судового двигателя внутреннего сгорания. Так, значительного технико-экономического эффекта можно добиться от повышения температуры в системе охлаждения при переходе двигателя от номинальных нагрузок к частичным, когда трудно поддерживать оптимальный температурный режим системы охлаждения. Для этого необходимо создавать систему охлаждения с «отрицательной» статической характеристикой, т.е. обеспечивать на малых нагрузках более высокую температуру в системе охлаждения, чем на номинальных нагрузках, в пределах зоны неравномерности. Например, для двигателя ПД1М повышение температуры охлаждающей воды в системе охлаждения на холостом ходу от 49 до 80°С ведет к уменьшению часового расхода топлива на 15% [4]. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей/Н.М. Луков. М.: Машиностроение, 1977. 224 с, ил.

В существующих системах охлаждения судовых дизелей используются внутренние контуры открытого типа, которые имеют расширительные бачки, сообщенные с атмосферой. Давление в различных точках СО определяется гидравлическим сопротивлением элементов СО и напором насоса. Очевидно, что давление выше атмосферного может быть только на линии нагнетания насоса до точки гидравлической цепи, сообщенной с атмосферой.

Если создать давление на входе в насос равное атмосферному давлению путем подключения емкости, сообщенной с атмосферой, то можно обеспечить температуру воды в СО не более 100°С. Однако, как показывают проведенные исследования, повышение температуры охлаждающей воды выше 95°С в открытой системе приводит к пристенному кипению. Этот предел температуры охлаждающей воды в замкнутых открытых системах ограничивается опасностью появления паровых пробок, нарушающие нормальные условия охлаждения и ведущих к местным перегревам двигателя. Кроме того, при температуре охлаждающей воды выше 95°С в открытой системе отмечаются значительные потери охлаждающей воды испарением. Как уже было отмечено выше, для достижения эффективных показателей работы двигателя необходимо поддерживать температуру воды в СО в пределах 80-85°С на номинальных нагрузках и 95-100°С на режимах холостого хода и частичных нагрузок. Эту задачу может выполнить разработанная нами система охлаждения, которая представлена на рис. 1, состоящая из расширительного бачка закрытого типа, поз. 4 и расширительного бачка открытого типа, поз. 5. Переход СО от закрытого режима к открытому осуществляется автоматически в зависимости от нагрузки двигателя. Такая конструкция позволит в СО поддерживать более высокую температуру на режимах холостого хода и частичных нагрузок, чем на номинальных нагрузках.

Из прилагаемого рис. 1 видно, что электрический трехходовой вентиль 7 может подключить внутренний контур СО к расширительному бачку 5 и СО внутреннего контура становится открытой. В этом случае расширительный бачок непосредственно связан с атмосферой, температура охлаждающей воды не должна превышать 80-85°С. Поэтому в данной СО предусматривается паровоздушный клапан (на рис. 1 паровоздушный клапан не показан), который также подключается к внутреннему контуру СО (поз. 4) трехходового вентиля, при этом канал 30 закрывается, а канал 31 открывается и система внутреннего контура становится открытой. В отличие от открытой системы, где жидкостный тракт постоянно сообщается с атмосферой, связь с окружающим пространством в закрытой системе осуществляется через паровоздушный клапан, который содержит впускной воздушный и выпускной паровой клапаны (на рис. 1 они не показаны). Паровой клапан регулируется на избыточное давление паров охлаждающей воды. Таким образом, при давлениях в системе ниже давления срабатывания парового клапана система изолирована (закрыта) от атмосферы. В этой СО исключается кипение воды, т.к. появляется возможность повышения температуры воды до 120°С при повышении в системе охлаждения давления. При избыточном давлении в СО паровоздушный клапан выпускает пар и воздух, а при понижении давления ниже атмосферного в систему через паровоздушный клапан поступает воздух согласно патенту 56967 Россия, МПК F01P 7/16. Система охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания / В.Н.Тимофеев, Д.В.Тимофеев. Опубл. в БИ № 27 27.09.2006 [3].

В ТЭОН2 предусмотрены 3 емкости А, Б, С: емкость А, где происходит теплообмен между охлаждающей водой внутреннего контура и забортной водой; емкость Б, где происходит понижение температуры охлаждающей воды внутреннего контура на номинальных нагрузках, подогрев охлаждающей воды внутреннего контура ТЭОН12 перед пуском холодного двигателя и на режимах холостого хода и частичных нагрузок. ЭТВ8 служит для подачи забортной воды в емкости А, С. В емкости С забортная вода создает требуемую разность температур между холодными и горячими спаями термоэлектрических модулей ТЭОН2.

В блоке реверса 20 предусмотрены два режима ТЭОН2: режим охлаждения, при этом в емкости Б происходит охлаждение в результате теплообмена охлаждающей воды внутреннего контура СО с холодными спаями термоэлектрических модулей ТЭОН2 по заданной программе и режим нагрева, при этом в емкости Б происходит нагрев охлаждающей воды внутреннего контура СО перед пуском на режимах холостого хода и частичных нагрузок.

Блок управления 22 выполнен программируемым с возможностью изменения температуры охлаждающей воды внутреннего контура СО на переменных нагрузках. При этом ЭТВ6, БУ22, ДТ13, ДН14,БС23, ЗД24, БУ22 выполняют заданную программу по поддержанию температурного режима в условиях эксплуатации, то есть на режимах холостого хода и частичных нагрузок будет поддерживаться 100°С, а при плановой остановки двигателя температура охлаждающей воды внутреннего контура будет снижаться до 50°С.

Замкнутый контур 15 для органического цикла Ренкина позволяет утилизировать тепловую энергию отработавших газов и выработать дополнительную электрическую энергию, которая будет использована для питания ТЭОН2 и потребителей электрических элементов предлагаемой системы охлаждения.

В замкнутом контуре 15 для органического цикла Ренкина циркулирует низкокипящее вещество (НВ); включает в себя испаритель 16, канал 48, паровую турбину 17 с генератором 18, канал 49, конденсатор 19, канал 47. Рабочим телом в замкнутом контуре 15 для ОЦР является вещество, имеющее более низкую, чем у воды, температуру кипения. Благодаря этому, испарение рабочего тела происходит при относительно низкой температуре, что и позволяет утилизировать низкопотенциальную энергию.

На выхлопном трубопроводе 9 установлен теплообменник-посредник 10, теплоносителем которого является термическое масло. Это вызвано тем, что температура отработавших газов достигает 500°С. Термомасло более устойчиво к высоким температурам и позволяет передать тепловую энергию низкокипящему веществу не выше заданной температуры. Термомасло служит передаточным звеном, оставаясь жидкостью при высоких температурах, оно хорошо передает тепловую энергию. Температура термического масла на выходе из теплообменника 10 находится в пределах 280-310°С. Термическое масло циркулирует по замкнутому контуру: в теплообменнике 10 происходит теплообмен между отработавшими газами и термомаслом, далее нагретое масло по каналу 44 поступает виспаритель 16, где в результате теплообмена термомасла с низкокипящим веществом происходит кипение НВ и повышение его давления и температуры, затем по каналу 48 поступает в турбину 17 с генератором 18, где в результате его расширения происходит выработка электроэнергии, а отработанное термомасло по каналу 45 через насос 11 поступает в теплообменник 10 и цикл повторяется.

Предлагаемая система охлаждения нереверсивного судового двигателя работает следующим образом.

Рассмотрим два варианта.

1 Вариант

Судовой двигатель 1 эксплуатируется в осенне-зимнее время. Во время ночной стоянки судна, особенно в отсутствии вахтенной службы двигатель остывает и без подогрева двигатель 1 не может запускаться.

В этом случае происходит подогрев двигателя 1 следующим образом: - включается блок питания 21, тогда по каналу 51 подается электроэнергия на блок управления 22;

- включается подогрев двигателя 1 нажатием на переключатель 28, при этом блок управления 22 подачей по каналу 57 включает блок реверса 20. Одновременно подачей электроэнергии по каналу 58 начинает работать ТЭОН2 в режиме «нагреватель», емкость Б начинает подогреваться; при этом ЭТВ8 по каналу 40 подает забортную воду в емкость С, которая поддерживает требуемую разность температур между холодными и горячими спаями термоэлектрических модулей ТЭОН2; запускается подачей электроэнергии по каналу 56 электрический насос 12. Начинается циркуляция охлаждающей воды внутреннего контура СО, в емкости Б в результате теплообмена с ТЭОН2 ее температура поднимается, а в двигателе 1 путем теплообмена с подогретой водой внутреннего контура происходит его подогрев до заданного значения. При этом блок управления 22 подачей электроэнергии по каналу 54 на ЭТВ7 закрывает канал 31 и расширительный бачок 5; подачей электроэнергии по каналу 52 на ЭТВ6 закрывается канал 36.

Таким образом, ТЭОН2 позволяет подготовить холодный двигатель 1 после ночной стоянки 1 к пуску.

2 вариант

В теплое время года двигатель 1 не подогревается.

Пуск двигателя.

После подогрева двигатель 1 запускается следующим образом.

На панели управления 25 включается переключатель «Работа 26» и запускается двигатель 1. При этом БУ22, ДТ13, ДТ14, ЭТВ6, ЗД24, БС23 контролируют температуру охлаждающей воды внутреннего контура СО при работе двигателя 1 на режимах холостого и частичных нагрузок следующим образом.

1) Двигатель 1 работает на холостом ходу.

В этом случае, если

- t_ОХЛ.В≤100°С то БУ22 подачей электроэнергии по каналу 54 на ЭТВ7 закрывается расширительный бачок 5, ЭТВ6 закроет канал 36, блок реверса 20 включает ТЭОН2 на режим «нагреватель», ЭТВ8 закроет канал 41, насос 3 приводится в рабочее положение и путем циркуляции: Д1, канал 29, ЭТВ7, канал 30, расширительный бачок 4, канал 32, канал 34, ЭН12, ЭТВ 6, канал 35, ТЭОН2, канал 37, насос 3, канал 38, температура охлаждающей воды внутреннего контура поднимается до заданного значения.

2) Двигатель 1 начинает работать на частичных нагрузках.

По мере повышения нагрузки двигателя 1 начинает работать замкнутый контур 15 для ОЦР и происходит выработка электрической энергии, которая через блок питания 21 начинает обеспечивать ТЭОН2 и потребителей предлагаемой СО электроэнергией.

Если нагрузка двигателя 1 поддерживается Р_ДВ<Р_НОМ то полученная температура, например, t_T1=100°С (t_T1 - температура охлаждающей воды на частичных нагрузках) будет поддерживаться до тех пор, пока не изменится нагрузка.

При изменении нагрузки, Р_дв>,Р_ном. (Р_дв - текущее значение нагрузки двигателя 1; Р_ном. - номинальная нагрузка двигателя 1) БУ22 подачей электроэнергии на ЭТВ7, закрывает канал 30, открывает канал 31; ЭТВ6, открывает оба канала 35, 36; блок реверса 20 переводит ТЭОН2 на режим «охлаждение», но на ТЭОН2» электроэнергия не подается. Путем распределения потока охлаждающей воды на ТЭОН2 и перепуска по каналу 36 температура охлаждающей воды доводится до заданного значения, например, t_T2=85°С.

В летнее время или при работе двигателя 1 в южных регионах, если температура охлаждающей воды внутреннего контура СО на номинальных нагрузках работы дизеля 1 становится t_T2≥85°С, БУ22 подачей электроэнергии по каналу 58 включает ТЭОН2 на «Охлаждение», который в результате теплообмена с охлаждающей водой внутреннего контура СО ее температура доводится до заданного значения.

При изменении нагрузки и переходе двигателя 1 на холостой ход температурный режим поддерживается согласно нашему вышеописанному алгоритму, то есть на режимах холостого хода частичных нагрузок температура охлаждающей воды внутреннего контура поддерживается выше, чем на номинальных.

Для плановой остановки двигателя пользователь на панели 26 нажимает на переключатель «Остановка 28».

Тогда блок управления 22 подает электроэнергию по каналу 54 на ЭТВ7, который закроет расширительный бачок 4, откроет расширительный бачок 5; ЭТВ 6 закроет канал 36; ТЭОН2 включится на режим «охлаждение»; ЭТВ8 откроет оба канала и забортная вода начнет поступать как в емкость С, так и в емкость А; насос 3 продолжит циркуляцию внутреннего контура СО до понижения температуры охлаждающей воды до заданного значения, например, до (t_OCT=50°С (t_OCT - температура охлаждающей воды внутреннего контура СО), после этого двигатель 1 может быть остановлен.

Таким образом, замкнутый контур для органического цикла Ренкина позволяет утилизировать тепловую энергию отработавших газов, при этом выработанная электрическая энергия может быть использована судовой энергетической установкой для питания ТЭОН2 и других электрических потребителей предлагаемой системы охлаждения. ТЭОН2, обладая такими свойствами, как: возможность получения холода и теплоты на основе использования эффекта Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; универсальность, то есть возможность перевода термоэлектрического устройства из режима охлаждения в режим нагревания путем реверса постоянного тока; сочетание в едином устройстве таких традиционно раздельных элементов, как источник холода или тепла и теплообменный аппарат; простота устройства и компактность; высокая надежность; практически неограниченный срок службы, позволяет создать компактное, надежное, эффективную конструкцию для регулирования температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

Кроме того, главный судовой нереверсивный двигатель внутреннего сгорания при выполнении частых маневровых работ, например, на перевозке песка имеет возможность поддерживать на холостом ходу и частичных нагрузок более высокую температуру, чем на номинальных, что позволяет получить весомую экономию топлива.

Источники информации

1. Патент № 214374 Российская Федерация, МПК. Устройство автоматического регулирования температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения судового двигателя внутреннего сгорания / А.Р. Юнусова; опубл. 10.06.23.

2. Патент № 2085753 Россия, МКИ F 01 Р 3/20. Система жидкостного охлаждения ДВС / В.Н. Тимофеев, В.Л. Лаврентьев. (Россия). Опубл. в БИ 27.07.97.

3. Патент 56967. Россия, МПК F01P 7/16. Система охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания / В.Н. Тимофеев, Д.В. Тимофеев. Опубл. в БИ № 27 27.09.2006.

4. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей / Н.М. Луков. М.: Машиностроение, 1977. 224 с., ил.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Система охлаждения нереверсивного судового двигателя (1) внутреннего сгорания содержит внутренний контур открытого типа с возможностью перехода на закрытый тип, термоэлектрический охладитель (2) и замкнутый контур для органического цикла Ренкина (ОЦР). Замкнутый контур ОЦР включает в себя испаритель (16), турбину (17) с генератором (18) и конденсатор (19). Система дополнительно содержит теплообменник-посредник (10), установленный на выхлопном трубопроводе (9) двигателя с возможностью теплообмена теплоносителя - термального масла с отработавшими газами. Выход теплообменника-посредника (10) по термальному маслу подключен к испарителю (16) ОЦР. В испарителе (16) ОЦР происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом ОЦР. Испаритель (16) ОЦР электрически подключен через паровую турбину (17) с генератором (18) ОЦР к термоэлектрическому охладителю (2) и другим электрическим потребителям системы охлаждения. Технический результат заключается в обеспечении оптимального температурного режима в системе охлаждения путем поддержания на режимах холостого и частичных нагрузок более высокой температуры, чем на номинальных режимах. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система охлаждения нереверсивного судового двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур открытого типа с возможностью перехода на закрытый тип; термоэлектрический охладитель, замкнутый контур для органического цикла Ренкина (ОЦР), включающий в себя испаритель, турбину с генератором, конденсатор, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит теплообменник-посредник, установленный на выхлопном трубопроводе двигателя с возможностью теплообмена теплоносителя - термального масла с отработавшими газами, выход теплообменника-посредника по термальному маслу подключен к испарителю (ОЦР), где происходит теплообмен между термальным маслом и низкокипящим веществом ОЦР, и электрически подключен через паровую турбину с генератором ОЦР к термоэлектрическому охладителю и другим электрическим потребителям системы охлаждения.

2. Система охлаждения нереверсивного двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что термоэлектрический охладитель содержит блок реверса с возможностью подключения термоэлектрического охладителя на режим «нагреватель» при предпусковом подогреве и повышении температуры охлаждающей жидкости внутреннего контура на режимах холостого хода и частичных нагрузок.