СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ОТЧЕТ

ПО ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРАКТИКЕ

(НАУЧНО-ИСЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА)

Кафедра Тракторы и автомобили

 

Будьков Эдуард Александрович

 

Курс 2 группа И41-18о ф. обучения очная

Направление подготовки 35.03.06 «Агроинженерия»

 

Направленность «Технологии и средства механизации сельского хозяйства»

 

Период прохождения практики: с 02.09.2019 г. по 12.10.2019 г.

 

 

Красноярск 2019 г.

Содержание

1. Введение……………………………………………………………………3

2. Цели и задачи технологической практики……………………………….4

3. СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ТИПЛОВОГО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ………………..5

4. Повышение эффективности системы охлаждения автотракторной техники……………………………………….10

Используемая литература………………………………………………. 12

 

Ввидение

Производственная практика (НИР) является обязательным разделом основной образовательной программы магистратуры и направлена на формирование компетенций студентов в процессе выполнения работ, определенных ФГОС ВО, видов деятельности. Практика представляет собой вид учебных занятий, непосредственно ориентированных на профессионально-практическую подготовку будущих магистров направления 35.04.06 «Агроинженерия» по направленности «Технологии и средства механизации сельского хозяйства».

 

Цели и задачи научно-исследовательской работы

 Целями научно-исследовательской работы является формирование компетенций, необходимых для проведения самостоятельной и

коллективной научно-исследовательской работы, основным результатом которой является подготовка и успешная защита выпускной квалификационной работы.

Задачами научно-исследовательской работы являются:8

– анализ мировых тенденций развития механизации технологических процессов в сельскохозяйственном производстве, сбор, обработка и систематизация научно-технической информации по теме исследования, выбор методик и средств решения поставленных задач;

– разработка физических и математических моделей исследуемых процессов, явлений и объектов, относящихся к процессам механизации сельскохозяйственного производства;

– выбор стандартных и разработка частных методик проведения

экспериментов и испытаний, анализ их результатов и, в том числе,

проведение стандартных и сертификационных испытаний машин и

оборудования в АПК;

– приобретение навыков поиска инновационных решений в инженерно-технической сфере агропромышленного комплекса;

– приобретение практических навыков подготовки и проведения

экспериментальных исследований;

– приобретение практических навыков оценки результатов научных исследований и внедрения их в производство; подготовка на-

учно-технических отчетов, обзоров, публикаций по результатам выполненных исследований и, в том числе, для управления результатами научно-исследовательской деятельности и коммерциализации прав на объекты интеллектуальной собственности.

 

 

СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 Система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания, содержащая двигатель внутреннего сгорания, тепловой аккумулятор фазового перехода, радиатор-отопитель салона, автономный электронасос, запорную арматуру, расширительный бак и теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов, отличающаяся тем, что она дополнительно оборудована тепловым насосом, испаритель-теплообменник которого подключен к газовыпускному трубопроводу на выходе теплообменника-утилизатора тепловой энергии отработавших газов, а контур его теплового насоса соединен гидролиниями с дросселем и входом в компрессор, конденсатор-теплообменник теплового насоса подключен в контур подогрева системы охлаждения между теплообменником-утилизатором тепловой энергии отработавших газов и тепловым аккумулятором фазового перехода, а контур его теплового насоса соединен гидролиниями с выходом компрессора и дросселем.

Известно, что двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет небольшой диапазон изменения оптимальной температуры охлаждающей жидкости от 85°С (номинальный режим) до 100°С (частичные нагрузки) [Двигатели внутреннего сгорания. Кн.2. Динамика и конструирование / Под ред. В.Н.Луканина и М.Г.Шатрова. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 2005, с.301].

Известно, что с помощью различного рода холодильников, кондиционеров и тепловых насосов (обратные циклы тепловых машин), теплота может отниматься от холодных тел и передаваться телам с более высокой температурой [Теплотехника: Учеб. Для вузов / В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.; Под. ред. В.Н.Луканина. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2000. - C.195…206].

На большинстве современных транспортных средств система охлаждения ДВС и система отопления салона конструктивно выполняются в виде единого циркуляционного контура, благодаря чему отопление салона осуществляется за счет тепловой энергии жидкого теплоносителя, нагреваемого в зарубашечном пространстве ДВС. Ввиду того, что на отопление расходуется значительное количество тепловой энергии, температура теплоносителя (охлаждающей жидкости) в системе охлаждения двигателя в условиях зимней эксплуатации значительно ниже того значения, которое рекомендуется заводом-изготовителем. Например, согласно проведенным исследованиям [Исследование предпусковой тепловой подготовки двигателей городских автобусов в зимний период эксплуатации, разработка и испытание системы предпускового разогрева двигателя автобуса с тепловым аккумулятором фазового перехода: Отчет о НИОКР (№50517 - ЛД, промежут. по этапу №2 / В.В.Шульгин, Г.И.Никифоров, С.Д.Гулин и др. - СПб.: ВИГУ, 2001, 39 с.] температура охлаждающей жидкости в системе охлаждения автобуса ЛиАЗ-5256, оборудованного дизелем КамАЗ-7408, при температуре окружающего воздуха t_окр=-15…0°С составляла t_ж=45…58°C, а в соответствии с требованиями [Автобус ЛиАЗ-5256: Руководство по эксплуатации / Ликинский автобусный завод - М.: Транспорт, 1991, 224. с.] рабочая температура жидкости в системе охлаждения двигателя должна быть равна t_раб=80…98°С.

Известны системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания, эксплуатирующихся значительную часть времени на режиме холостого хода при низких температурах окружающей среды [авт.св. N 756056, кл. F01P 3/20, 1980].

Недостатком указанных устройств является то, что аккумулирование тепла в теплоаккумуляторе предусматривается путем отбора теплоты из охлаждающей жидкости двигателя, что в условиях низких температур окружающего воздуха и продолжительной работы на неполной нагрузке является весьма проблематичным.

Известна система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий рубашку охлаждения двигателя, циркуляционный насос с приводом, радиатор и датчик температуры охлаждающей жидкости, вентилятор обдува радиатора и аккумулятор тепла, снабженный резервуаром с теплоаккумулирующим веществом и каналами для прохода охлаждающей жидкости, масла и отработавших газов [Пат. 2134804 РФ, F01P 3/20, F02N 17/02. Опубл. 20.08.1999], а также система подогрева городского автобуса, состоящая из двигателя внутреннего сгорания, теплового аккумулятора фазового перехода (ТАФП), радиаторов-отопителей салона, автономного электронасоса, запорной арматуры, расширительного бака, теплообменника-утилизатора тепловой энергии отработавших газов, объединенных жидкостными трубопроводами [Пат. 2230929 РФ, F02N 17/00, В60Н 1/04. Опубл. 20.06.2004, прототип].

Общим недостатком известных систем является недостаточно полное использование теплоты, отводимой от двигателя внутреннего сгорания отработавшими газами для подогрева охлаждающей жидкости из-за невысокого температурного напора между ними.

Технический результат изобретения - повышение эффективности системы охлаждения транспортного средства сводится к более полному использованию тепловой энергии отработавших газов ДВС, что позволяет сократить продолжительность прогрева и обеспечить оптимальный диапазон температуры теплоносителя при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от прототипа система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания, содержит двигатель внутреннего сгорания, тепловой аккумулятор фазового перехода, радиатор-отопитель салона, автономный электронасос, запорную арматуру, расширительный бак и теплообменник-утилизатор тепловой энергии отработавших газов, притом она дополнительно оборудована тепловым насосом, испаритель-теплообменник которого подключен к газовыпускному трубопроводу на выходе теплообменника-утилизатора тепловой энергии отработавших газов, а контур его теплового насоса соединен гидролиниями с дросселем и входом в компрессор, конденсатор-теплообменник теплового насоса подключен в контур подогрева системы охлаждения, между теплообменником-утилизатором тепловой энергии отработавших газов и тепловым аккумулятором фазового перехода, а контур его теплового насоса соединен гидролиниями с выходом компрессора и дросселем.

На фиг.1 представлена система поддержания оптимального теплового режима двигателя внутреннего сгорания.

Система состоит из ДВС 1 с датчиком температуры 2, оборудованного штатными клапаном-термостатом 13, жидкостным радиатором 8 и жидкостным насосом 3, соединенными между собой трубопроводами 7, 14, 16, газовыпускным трубопроводом 21 и глушителем шума выпуска 24. Параллельно жидкостному радиатору 8 через тройник 18 и трехходовой кран 4 подключены два циркуляционных контура охлаждающей жидкости - контур отопления салона и контур подогрева ДВС 1. Первый контур состоит из трубопровода 10 и одноходового крана 11, радиатора-отопителя салона 9, трубопровода 6 и сливного крана 5, а второй контур - из электронасоса 20, теплообменника-утилизатора тепловой энергии отработавших газов 22, конденсатора-теплообменника 30, ТАФП 33 соединенных между собой трубопроводами 19, 27, 34. В газовыпускном трубопроводе 21 на выходе теплообменника-утилизатора 22 смонтирован теплообменник-испаритель 23 и глушитель шума 24. Контур теплового насоса состоит из последовательно соединенных гидролиниями 32, 29, 26, 25, компрессора 31, конденсатора-теплообменника 30, дросселя 28 и испарителя-теплообменника 23. Расширительный бак 17 с помощью компенсационного трубопровода 15 соединен с всасывающим патрубком жидкостного насоса 3, а с помощью дренажного трубопровода 12 - с жидкостным радиатором 8.

Система работает следующим образом.

Во время работы двигателя внутреннего сгорания охлаждающая жидкость, выходящая из ДВС 1, поступает в трубопровод 16 под действием жидкостного насоса 3 и делится на три части. При этом часть потока поступает в штатный клапан-термостат 13, другая часть через тройник 18 и одноходовой, кран 11 - в контур отопления салона и третья часть через тройник 18 - в контур подогрева ДВС 1. Температура начала открытия штатного клапана-термостата составляет (80±2)°С, полное его открытие достигается при (93±2)°С. Поэтому при прогреве ДВС 1 до оптимальной температуры охлаждающая жидкость поступает в трубопровод 14, минуя радиатор 8. В контуре отопления салона охлаждающая жидкость через одноходовой кран 11 по трубопроводу 10 проходит через радиатор-отопитель салона 9, отдавая часть тепловой энергии для отопления салона. Затем по трубопроводу 6 охлаждающая жидкость возвращается в систему охлаждения. В контуре подогрева ДВС 1 охлаждающая жидкость движется через тройник 18 по трубопроводу 19, затем по жидкостному тракту теплообменника-утилизатора отработавших газов 22 и конденсатора-теплообменника 30, в которых она нагревается. Далее поток охлаждающей жидкости поступает в ТАФП 33, где отдает часть своей тепловой энергии. При этом теплоаккумулирующий материал (ТАМ), находящийся в ТАФП, нагревается в твердой фазе до температуры плавления Тпл, плавится при этой температуре и далее нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой достигается тепловое равновесие между потоком охлаждающей жидкости и ТАМом. Из ТАФП 33 охлаждающая жидкость возвращается в систему охлаждения по трубопроводу 34. После того как ТАФП 33 полностью накопил тепловую энергию, циркуляция охлаждающей жидкости через теплообменник-утилизатор отработавших газов 22, конденсатор-теплообменник 30 и ТАФП 33 не прекращается в этом случае обеспечивается оптимальный тепловой режим ДВС 1 и салона при низких отрицательных температурах окружающей среды.

В случае повышения температуры охлаждающей жидкости выше оптимальной, открывается штатный клапан-термостат 13, и теплота отводится радиатором 8 в окружающую среду.

Датчик температуры 2, имеющий электрическую связь с муфтой включения компрессора 31 теплового насоса, управляет его работой таким образом, что при температуре охлаждающей жидкости в двигателе ниже оптимальной компрессор включается, а при достижении нижнего уровня оптимального диапазона температуры выключается.

Нагревание охлаждающей жидкости в конденсаторе-теплообменнике 30 осуществляется за счет утилизации тепловой энергии отработавших газов в испарителе-теплообменнике 23, при этом используется теплота отработавших газов (в интервале от температуры охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника-утилизатора до температуры окружающей среды), которую невозможно передать рекуперативным теплообмейником более нагретой охлаждающей жидкости.

В процессе хранения тепловой энергии во время стоянки транспортного средства трехходовой кран 4 и одноходовой кран 11 закрываются. При этом ТАМ сохраняется в расплавленном состоянии благодаря наличию в ТАФП 33 высокоэффективной теплоизоляции.

Для подогрева ДВС 1 после стоянки, трехходовой кран 4 устанавливается в такое положение, при котором контур подогрева ДВС 1 открыт для движения охлаждающей жидкости из ТАФП 33, а контур отопления салона - закрыт. При включении автономного электронасоса 20 охлаждающая жидкость поступает в трубопроводы 19 и 27. Далее поток охлаждающей жидкости проходит через ТАФП 33 и нагревается в нем за счет выделения ТАМом скрытой теплоты кристаллизации. При этом ТАМ претерпевает обратимый фазовый переход, превращаясь из жидкого состояния в твердое. Затем нагретая охлаждающая жидкость по трубопроводу 34 поступает в полость водяного насоса 3 и в зарубашечное пространство ДВС, разогревая последний.

Расширительный бак 17 с компенсационным трубопроводом 15 и дренажным трубопроводом 12 предназначены для компенсации увеличения объема жидкого теплоносителя вследствие его теплового расширения, удаления воздуха и паров охлаждающей жидкости, а также для заполнения системы.

Предложенные технические решения обеспечивают поддержание температуры охлаждающей жидкости в оптимальном диапазоне за счет более полного использования тепловой энергии отработавших газов ДВС, что позволяет сократить продолжительность прогрева и повысить температуру теплоносителя до оптимального диапазона при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Система служит для сокращения продолжительности прогрева и поддержания оптимальной температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания и может быть легко реализована в тракторостроении и транспортном машиностроении.