Патент на изобретение №2258153

(54) СИСТЕМА ПРЕДПУСКОВОЙ ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ ДВС И ГИДРОПРИВОДА СДМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к системе предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и гидропривода строительно-дорожных машин (СДМ), состоящей из контура тепловой подготовки ДВС и контура тепловой подготовки гидропривода. Контур тепловой подготовки ДВС состоит из ДВС, двухкамерного теплоаккумулятора (ТА), теплообменника отработавших газов (ТОГ1), подогревателя жидкостного дизельного (ПЖД), насоса (H1), связанного с системой охлаждения ДВС. ТА представляет собой внутреннюю камеру ТА1, расположенную во внешней камере ТА2. ТА1 заполнена водой под давлением, в ней расположен теплообменник теплоносителя, соединенный гидролинией с ТОГ1. При работе СДМ нагретый в ТОГ1 антифриз циркулирует через теплообменник теплоносителя и нагревает находящуюся в ней воду до температуры 120-130°С. Контур тепловой подготовки гидропривода состоит из гидробака, в котором расположен теплообменник отработавших газов (ТОГ2), насоса (Н2), гидрораспределителя, гидроцилиндра, дополнительной гидролинии с вентилем, соединяющей штоковую и рабочую полости гидроцилиндра. Изобретение позволяет повысить скорость предпусковой тепловой подготовки и обеспечить надежный пуск ДВС и гидропривода СДМ после длительной стоянки в условиях низких температур окружающего воздуха. 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к системам предпусковой тепловой подготовки двигателя (ДВС) и гидропривода строительных и дорожных машин (СДМ), а также аккумулирования тепла отработавших газов (ОГ), и может быть использовано при эксплуатации СДМ в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха.

Для безотказной работы СДМ в условиях низких отрицательных температур воздуха задача предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода становится одной из главных. Тепловая подготовка связана со значительными затратами энергии, дефицит которой очевиден, особенно в условиях автономного использования техники на удаленных от баз механизации объектах, где отсутствуют постоянные источники тепловой, электрической энергии и теплые помещения.

Одним из решений проблемы предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода СДМ является использование тепла ОГ ДВС, накапливаемого в установленных на СДМ системах утилизации тепла. Утилизированное тепло используется для предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода СДМ.

Известна система предпусковой тепловой подготовки ДВС, эксплуатирующаяся в холодное время года при низких температурах окружающей среды (А1 3300946 DE, опубл. 1984). Эта система содержит теплоаккумулятор (ТА) и насос, связанные трубопроводом с системой охлаждения ДВС. Перед окончанием рабочей смены машины включается насос и жидкость системы охлаждения, циркулируя по замкнутому контуру через ТА отдает ему тепло. Перед началом работы охлаждающая жидкость прокачивается насосом через ТА, забирая тепло и перенося его в ДВС.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что аккумулирование тепла в ТА предусматривается путем отбора тепла от охлаждающей жидкости ДВС, что в условиях низких температур окружающей среды неэффективно. Вследствие чего устройство не обеспечивает надежного пуска ДВС. Также в устройстве не предусмотрена тепловая подготовка гидропривода.

Известно устройство для прогрева силовой установки транспортного средства (А.с. 1002654 СССР, МКИ 3 F 02 N 17/04, опубл. 1983), содержащее ТА, водовоздушный и водомасляный теплообменники, вентилятор и блок автоматического регулирования, причем водовоздушный и водомасляный теплообменники подключены к системе циркуляции охлаждающей жидкости, водомасляный теплообменник размещен в картере силовой установки, вентилятор кинематически связан с приводом водяного циркуляционного насоса, а ТА, водовоздушный теплообменник и вентилятор соединены между собой и образуют промежуточный контур циркуляции воздуха. ТА подключен к системе выпуска отработавших газов и выполнен в виде емкости, заполненной теплопоглощающим материалом, и в последнем расположены каналы для нагреваемого воздуха и отработавших газов. Устройство позволяет повысить эффективность прогрева силовой установки и обеспечивает экономию топлива.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является то, что при стоянке транспортного средства для использования тепла в ТА требуется вспомогательный электрический привод, который требует дополнительных затрат электроэнергии, дефицит которой очевиден. Также недостатком является то, что в устройстве не предусмотрена тепловая подготовка гидропривода.

Известна система регулирования температуры рабочей жидкости транспортного средства (А.с. 1144901 СССР, МКИ 4, В 60 К 13/04, F 15 B 21/04, опубл. 1985), состоящая из масляного бака с теплообменником и термодатчиком, насоса с приводом от ДВС, выхлопная труба которого имеет подвижную и неподвижную заслонки и сообщается с теплообменником, датчика давления, установленного во всасывающем трубопроводе насоса и связанного с задатчиком давления через блок сравнения, который через последовательно включаемые усилитель, преобразователь и исполнительное устройство связан с устройством управления ДВС, и гидрораспределителя. При низкой температуре и, соответственно, высокой вязкости рабочей жидкости подвижная заслонка закрыта, и ОГ от ДВС поступают в теплообменник, разогревая рабочую жидкость в баке. При излишне высоких оборотах вала насоса рассогласование показаний датчика и задатчика приводит к уменьшению частоты вращения этого вала. По мере повышения температуры рабочей жидкости то же рассогласование обратной полярности приводит к увеличению частоты его вращения.

Известна система подогрева гидравлического масла землеройной машины (пат. 2027079 РФ, МПК 5 F 15 В 21/04, опубл. 1995), содержащая систему выхлопа двигателя внутреннего сгорания и гидросистему машины. С целью предварительного подогрева масла при запуске гидросистемы и поддержания ее рабочей температуры при эксплуатации машины при низких температурах от коллектора выхлопной трубы выполнен отвод, в котором снаружи установлена вторая теплоизолированная труба, герметично соединенная с первой, пространство между которыми заполнено теплоносителем и соединено гидравлически с гидронасосом и далее с регулируемым делителем потока, один выход которого соединен с теплообменниками, выполненными в виде перегородок основного гидробака. Другой выход делителя потока соединен с теплообменником кабины оператора. В гидробаке установлено температурное реле, соединенное с информационным табло в кабине оператора и с гидробаком привода насоса перекачки теплоносителя. В трубопроводе коллектора и отводной трубе установлены путевые заслонки, имеющие общий привод поворота от электромагнита.

Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются: необходимость существенных изменений стандартной схемы гидросистемы; ограничение прогрева гидросистемы подогревом жидкости в гидробаке; отсутствие тепловой подготовки ДВС.

Наиболее близким является устройство (пат. 2059049 РФ, МПК 6, F 02 N 17/06, опубл. 1996) предпускового прогрева привода землеройно-строительной машины, которое имеет ДВС с системой охлаждения, контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий многосекционный ТА, теплообменный аппарат, связанный с выхлопной трубой двигателя, насос, а также теплообменника в гидробаке гидросистемы и в поддоне картера. Секции ТА могут поочередно подключаться к контуру циркуляции жидкого теплоносителя. На входе ТА установлен многопозиционный кран с отводами в каждую секцию. В напорной линии насоса установлен трехходовой распределитель.

Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является малая скорость прогрева силовой установки и недостаточный прогрев двигателя после длительной стоянки мобильной техники, и при очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха. Прогрев гидросистемы осуществляется за счет теплоносителя, поступающего в теплообменник, находящийся в гидробаке, из теплоаккумулятора, что мало эффективно и ведет к дополнительному увеличению размеров теплоаккумулирующего устройства.

Для эффективной работы СДМ в зимний период нормативное требование – запустить машину и вывести ее на рабочий режим за время не более 45 мин при температуре воздуха -60°С, при температуре -40°С не более чем за 30 мин (ГОСТ 19677-74) с наименьшими затратами внешней энергии, обеспечив надежный пуск ДВС и гидропривода.

При конструировании теплоаккумулирующих средств, систем предпусковой тепловой подготовки СДМ, задачи повышения темпа прогрева и достижения их высокой удельной энергоемкости, являются основными, что позволяет обеспечить накапливание большой тепловой энергии в условиях малого объема.

В отличие от ДВС, представляющего собой компактную конструкцию, гидрооборудование гидропривода размещено по всей СДМ, содержит в десятки раз больше масла, поэтому разогрев гидропривода является более энергоемкой задачей. В связи, с чем применение теплоаккумуляторов для тепловой подготовки гидропривода малоэффективно. Разогрев гидропривода наиболее эффективно можно осуществить с помощью использования ОГ ДВС, тепло которых передается непосредственно рабочей жидкости гидропривода. В начальный момент работы гидропривода из-за повышенной вязкости рабочей жидкости давление превышает номинальное в 2-2.5 раза.

Поставленные задачи решаются за счет достижения технического результата, который заключается в повышении скорости предпусковой тепловой подготовки и обеспечении надежного пуска ДВС и гидропривода СДМ после длительной стоянки в условиях низких температур окружающего воздуха.

Указанный технический результат достигается тем, что система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания и гидропривода строительно-дорожных машин, содержащая контур тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя двухкамерный теплоаккумулятор, теплообменник отработавших газов, насос, гидрораспределители, вентили, подогреватель жидкостной дизельный, а также контур тепловой подготовки гидропривода, включающий в себя, гидробак в котором расположен теплообменник отработавших газов, насос, гидрораспределитель, гидроцилиндр, отличающаяся тем, что указанный двухкамерный теплоаккумулятор, представляет собой две камеры, причем одна из камер – внутренняя, расположена внутри второй камеры – внешней, материал стенки внутренней камеры имеет низкую теплопроводность, во внутренней камере расположен теплообменник теплоносителя, соединенный гидролинией с теплообменником отработавших газов и двигателем внутреннего сгорания, гидроцилиндр имеет дополнительную гидролинию с вентилем, соединяющую штоковую и рабочую полости гидроцилиндра.

Применение двухкамерного теплоаккумулятора данной конструкции (“внутренняя камера во внешней камере”) позволяет обеспечить наиболее высокую теплоемкость теплоаккумулятора, низкую теплоотдачу окружающей среде на этапе хранения тепла и высокий темп теплоотдачи на этапе разрядки теплоаккумулятора, оснащение гидроцилиндра дополнительной гидролинией с вентилем, соединяющей штоковую и рабочую полости позволяет прогреть гидроцилиндр без передвижения поршня, а значит избежать перегрузок во время предпусковой тепловой подготовки гидропривода, все это позволяет повысить скорость предпусковой тепловой подготовки и обеспечить надежный пуск ДВС и гидропривода СДМ после длительной стоянки в условиях низких температур окружающего воздуха.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена система предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода СДМ, на фиг.2 представлен двухкамерный теплоаккумулятор, на фиг.3 представлен график динамики прогрева ДВС от предлагаемой системы предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода СДМ, на фиг.4 представлен график динамики прогрева гидробака и гидроцилиндра от системы предварительной тепловой подготовки ДВС и гидропривода СДМ.

Система предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода СДМ состоит из двух контуров: тепловой подготовки ДВС и тепловой подготовки гидропривода.

Контур тепловой подготовки ДВС состоит из ДВС 1, насоса 2, внешней камеры 3 и внутренней камеры 4 двухкамерного теплоаккумулятора, гидрораспределителей 5, 6, 7, 8, вентилей 9, 10, теплообменника отработавших газов 11, теплообменника теплоносителя 12, подогревателя жидкостного дизельного (ПЖД) 13.

Контур тепловой подготовки гидропривода состоит из ДВС 1, заслонки 14, гидробака 15, теплообменника отработавших газов 16 гидробака 15, насоса 17, гидрораспределителя 18, гидроцилиндра 19, дополнительной гидролинии 20, вентиля 21.

Контур тепловой подготовки ДВС работает в три стадии: зарядка камер двухкамерного теплоаккумулятора, хранение тепла в камерах двухкамерного теплоаккумулятора, отдача тепла камер двухкамерного теплоаккумулятора ДВС.

Зарядка внутренней камеры 4 происходит при работе ДВС 1 при включении насоса 2. Антифриз (теплоноситель) проходит через теплообменник отработавших газов 11, где нагревается и затем поступает через гидрораспределитель 6 в теплообменник теплоносителя 12 внутренней камеры 4, где нагревает теплоаккумулирующий материал (вода под давлением) до температуры 120-130°С. В конце рабочей смены антифриз из системы охлаждения ДВС 1 сливается через вентиль 9 во внешнюю камеру 3, объем которой на 10% больше емкости системы охлаждения. Это связано с тем, что внешняя камера 3 выполняет функцию подпиточного бака всей системы. Температура антифриза во внешней камере 3 составляет 85-90°С. При необходимости, теплоаккумулирующий материал (вода под давлением) из внутренней камеры 4 сливается с помощью вентиля 10.

Хранение тепла в камерах 3 и 4 двухкамерного теплоаккумулятора происходит следующим образом. Материал стенки внутренней камеры 4 имеет низкую теплопроводность, внешняя камера 3 имеет теплоизоляцию. За счет такой конструкции теплообмен между внешней камерой 3 и внутренней камерой 4 и окружающей средой происходит так, что к началу рабочей смены (через 16 ч) температура в камерах 3 и 4 сравнивается на отметке 100°С.

Отдача тепла внешней камеры 3 осуществляется с помощью включения насоса 2 и гидрораспределителя 8. Антифриз из внешней камеры 3 поступает в систему охлаждения ДВС 1, затем при включении гидрораспределителя 6 антифриз, проходя через теплообменник теплоносителя 12 внутренней камеры 4, переносит тепло, накопленное теплоаккумулирующим материалом внутренней камеры к ДВС 1.

При очень низких отрицательных температурах окружающего воздуха и после длительной стоянки СДМ, тепла для предпусковой тепловой подготовки ДВС 1 в камерах 3 и 4 двухкамерного теплоаккумулятора недостаточно. Чтобы обеспечить надежный пуск ДВС включается гидрораспределитель 7, гидрораспределитель 6 ставится в нейтральное положение, включается насос 2 и антифриз поступает в котел ПЖД 13, там нагревается и поступает в ДВС 1.

Контур тепловой подготовки гидропривода работает следующим образом. После пуска ДВС 1, заслонка 14 ставится в положение, при котором ОГ проходят через теплообменник отработавших газов 16 гидробака 15. Одновременно с этим при включении насоса 17 осуществляется подача рабочей жидкости через гидрораспределитель 18, к гидроцилиндру 19, имеющему дополнительную гидролинию 20 с вентилем 21. При этом вентиль 21 открыт, что позволяет прогреть гидроцилиндр 19 без движения поршня, и избежать перегрузок в начальный момент работы гидропривода, затем жидкость по замкнутому контуру через гидрораспределитель 18 поступает в гидробак 15. После завершения тепловой подготовки гидропривода СДМ заслонка 14 устанавливается в положение, при котором ОГ не поступают в теплообменник отработавших газов 16, вентиль 21 закрывается.

Таким образом, осуществляется предпусковая тепловая подготовка ДВС и гидропривода СДМ.

Формула изобретения

Система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания и гидропривода строительно-дорожных машин, содержащая контур тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя двухкамерный теплоаккумулятор, теплообменник отработавших газов, насос, гидрораспределители, вентили, подогреватель жидкостной дизельный, а также контур тепловой подготовки гидропривода, включающий в себя гидробак, в котором расположен теплообменник отработавших газов, насос, гидрораспределитель, гидроцилиндр, отличающаяся тем, что указанный двухкамерный теплоаккумулятор представляет собой две камеры, причем одна из камер – внутренняя, расположена внутри второй камеры – внешней, материал стенки внутренней камеры имеет низкую теплопроводность, во внутренней камере расположен теплообменник теплоносителя, соединенный гидролинией с теплообменником отработавших газов и двигателем внутреннего сгорания, гидроцилиндр имеет дополнительную гидролинию с вентилем, соединяющую штоковую и рабочую полости гидроцилиндра.

РИСУНКИ