Система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск

Авторы патента:

F02G5 - Способы и устройства для использования отходящего тепла двигателей с нагревом рабочего тела путем сгорания, не отнесенные к другим рубрикам

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована в дизельных установках судов водного транспорта.

Целью данной системы является охлаждение свежего заряда - наддувочного воздуха и отработавших газов, подаваемых на впуск.

Основными элементами системы являются утилизационный котел, установленный на выхлопном трубопроводе; всасывающий, рециркуляционный трубопроводы; теплообменники, установленный соответственно на рециркуляционном и всасывающим трубопроводах, абсорбционная холодильная машина (АБХМ); два электронных трехходовых крана, потребитель холода, электрические насосы; каналы подачи охлаждающей воды и хладоносителей и элементы автоматики.

Во время работы дизеля утилизационный котел нагретый теплоноситель подает в АБХМ, хладоноситель которой подается через электронные трехходовые краны в теплообменники и, в зависимости от нагрузки дизеля, происходит охлаждение свежего заряда наддувочного воздуха и отработавших газов до заданного значения.

Таким образом, система для охлаждения свежего заряда и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск в цилиндры дизеля, позволяет охлаждать отработанный газы и свежий заряд - наддувочный воздух с помощью АБХМ в результате утилизации теплоты отработавших газов дизеля.

Охлаждение отработавших газов позволит увеличить длительность задержки воспламенения, уменьшить скорость тепловыделения и значительно снизить выброс NO_x.

Эффективным охлаждением свежего заряда - наддувочного воздуха решается не только проблема увеличения количества воздуха, поступающего в цилиндры, но и проблема снижения температур рабочего цикла и тепловых нагрузок дизеля при форсировании его по наддуву.

Таким образом, предложенная полезная модель позволяет поддерживать оптимальные рабочие параметры систем во всех режимах работы дизеля и будет способствовать получению значительного экономического эффекта и формированию комплексных систем автоматизации судов водного транспорта.

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована дизельными установками судов водного транспорта.

Известно изобретение «Система регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя внутреннего сгорания» [1]. Изобретение содержит турбокомпрессор, систему охлаждения, газораспределитель отработавших газов, теплообменник, блок управления, элементы автоматики, емкость с жидким хладагентом.

Данное изобретение позволяет эффективно регулировать температуру наддувочного воздуха при переменных нагрузках работы дизеля. Однако изобретение имеет ряд недостатков.

При эксплуатации дизеля в теплое время года или в южных регионах система охлаждения не обеспечивает поддержания заданной температуры. В этом случае для поддержания заданной температуры в работу включается емкость с жидким хладагентом, что создает проблемы по эксплуатации данного изобретения, а именно: приходится менять емкость с новой порцией хладагента. Кроме того, в современных дизелях для улучшения их показателей предусматривается дополнительный впуск отработавших газов (ОГ) по системе рециркуляции. При этом известно, что применение «холодной» рециркуляции с точки зрения токсичности ОГ дизеля более эффективно, так как уменьшается подогрев воздушного заряда от ОГ и улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом. Кроме того, охлаждение перепускаемых ОГ приводит к снижению температур цикла и, следовательно, к уменьшению эмиссии NO_x. Однако в данном изобретении охлаждение ОГ не предусмотрено.

Наиболее близким техническим решением является «Устройство для рециркуляции отработавших газов судового дизеля» [2]. Устройство содержит всасывающий, выхлопной трубопроводы и рециркуляционный канал. На рециркуляционном канале установлен термоэлектрический охладитель, который охлаждает отработавшие газы при их переходе от выхлопного трубопровода до всасывающего трубопровода.

Основным недостатком данного патента является низкий КПД термоэлектрического охладителя, в связи с этим трудно достичь требуемого параметра при охлаждении ОГ. Кроме того, в устройстве не предусмотрено охлаждение температуры наддувочного воздуха.

Заявляемая полезная модель решает задачу создания системы для охлаждения свежего заряда - наддувочного воздуха и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск.

Техническим результатом, достигаемым при этом, является охлаждение свежего заряда - наддувочного воздуха до заданного значения, а также охлаждение ОГ при их подаче от выхлопного трубопровода во впускной трубопровод.

Технический результат достигается тем, что известная система, содержащая выхлопной, всасывающий, рециркуляционный трубопроводы; заслонку с электрическим приводом; утилизационный котел; абсорбционную холодильную машину; потребитель холода; блок управления; датчики температуры и нагрузки; датчик положения заслонки; элементы подачи и управления теплоносителей и хладоносителей дополнительно содержит теплообменники отработавших газов и свежего заряда - наддувочного воздуха, установленные на рециркуляционном, всасывающем трубопроводах с возможностью подключения к абсорбционной холодильной машине. Кроме того, система дополнительно содержит два электронных трехходовых крана, вход первого патрубка первого электронного трехходового крана подключен к абсорбционной холодильной машине, выход: второй патрубок связан с теплообменником свежего заряда - наддувочного воздуха; третий патрубок связан с первым патрубком второго электронного трехходового крана; а выход второго электронного трехходового крана: второй патрубок связан с теплообменником отработавших газов, третий патрубок - с потребителем холода.

Предлагаемая система для охлаждения свежего заряда - наддувочного воздуха и отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск, представлена на фигуре и содержит: дизель 1; утилизационный котел 2; выхлопной трубопровод 3; рециркуляционный трубопровод 4; всасывающий трубопровод 5; теплообменники 6, 7; электродвигатель 8; механическую связь 9; редуктор 10; заслонка 11; потребитель холода 12; теплообменник 13; электрические насосы 14, 15, 16, 17; электронные трехходовые краны 18, 19; трехходовой кран 20; датчик нагрузки 21; датчики температуры 22, 23; датчик положения 84 заслонки 11; блок управления 24; блок сравнения 25, 27, 29; задатчики 26, 28, 30; абсорбционную холодильную машину (АБХМ) 31, включающую в себя: абсорбер 32, генератор 33, испаритель 34, конденсатор 35, электрический насос 36, регулирующие вентили 37, 38; канал отработавших газов 39; канал подачи свежего заряда - наддувочного воздуха и отработавших газов 40; каналы теплоносителя 41, 42; каналы охлаждающей воды 43, 44, 45, 46; каналы хладоносителя 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55; каналы забортной воды 56, 57, 58; каналы хладагента 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65; каналы подачи электроэнергии 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73; каналы подачи электрических сигналов 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82.

На канале отработавших газов 39 установлен утилизационный котел 2, в котором происходит нагрев теплоносителя до 95-100°С и его циркуляция через насос 14, канал 41, генератор 33, канал 42.

Теплота, полученная в утилизационном котле 2, позволит использовать на судне абсорбционную бромистолитиевую холодильную машину 31. Эта машина может быть использована для охлаждения рабочих систем судового дизеля и других судовых потребителей и имеет ряд преимуществ:

- отсутствие движущихся частей;

- бесшумность работы;

- возможность работы за счет утилизации теплоты дизеля;

- экономия топливно-энергетических ресурсов, при этом энергия расходуется только на работу насосов.

Теплообменник 6 установлен на всасывающем трубопроводе 5, который может быть выполнен любой конструкции. В корпусе теплообменника 6 предусмотрены сверления, по которым проходит хладоноситель и, в результате теплообмена со свежим зарядом - наддувочным воздухом после компрессора, его температура доводится до заданного значения.

Теплообменник 7 установлен на рециркуляционном трубопроводе 4. Аналогично теплообменнику 6 в результате теплообмена теплообменника 7 с отработавшими газами, проходящими по рециркуляционному трубопроводу 4, их температура понижается до заданного значения.

В качестве потребителя холода 12 может быть любая рабочая система дизеля или другой объект судна, например, судовой кондиционер.

Заслонка 11 служит для регулирования количества подачи отработавших газов в зависимости от нагрузки дизеля по заданной программе. С помощью заслонки 11 устанавливается количество перепускаемых ОГ во всасывающий трубопровод 5.

Датчик положения 84 заслонки 11 позволяет повернуть ее в нужное положение в зависимости от нагрузки дизеля, в результате чего регулируется подача требуемого количества ОГ. Следует учитывать, что при организации рециркуляции ОГ наблюдается снижение концентрации кислорода в ОГ, что может привести к ухудшению топливной экономичности и заметному росту концентрации в ОГ продуктов неполного сгорания топлива, поэтому перепуск ОГ следует осуществлять на режимах с нагрузкой, не превышающей 75% от номинальной.

Теплообменник 13 служит для подачи холодной воды в абсорбер 32, конденсатор 35 и охлаждается забортной водой.

Система для охлаждения свежего заряда - наддувочного воздуха и отработавших газов работает следующим образом.

После запуска дизеля 1 система начинает работать (фиг.). От датчика нагрузки 21 подается сигнал по каналу 74 в задатчик 26, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом перемещения заслонки согласно нагрузке и по каналу 75 поступает на блок сравнения 25. Одновременно от датчика заслонки 84 сигнал по каналу 83 поступает в блок сравнения 25, определяющий фактическое положение заслонки 11. Сопоставляя эти сигналы, в блоке сравнения 25 происходит формирование сигнала. Полученный сигнал по каналу 76 поступает в блок управления 24, который подает электроэнергию по каналу 66 и с помощью двигателя 8 перемещает заслонку 11 в требуемое положение.

Таким образом, происходит требуемый перепуск ОГ по рециркуляционному трубопроводу 4 во всасывающий трубопровод 5.

Одновременно начинает работать утилизационный котел 2. Нагретый до 95-100°С теплоноситель насосом 14 по каналу 41 подается на АБХМ 31, которая начинает работать.

Хладагент испаряется при понижении давления в испарителе 34. Данный процесс сопровождается поглощением теплоты. В результате хладоноситель, поступивший по каналу 47 в испаритель 34 охлаждается и по каналу 48 насосом 17 подается по каналу 49 к электронным трехходовым кранам 18, 19. Пары хладагента от испарителя 34 по каналу 60 поступают в абсорбер 32, в котором поглощаются слабым раствором бромистого лития. Выделяющаяся при этом теплота охлаждается водой, поступающей по каналу 43, и отводится по каналам 44, 46 в теплообменник 13. Крепкий раствор с высокой концентрацией бромистого лития насосом 36 по каналу 62 поступает в генератор 33, где за счет подвода теплоты теплоносителем по каналу 41 крепкий раствор кипит.

Хладагент поступает под большим давлением по каналу 65 в конденсатор 35. Обедненный абсорбент по каналу 63 через регулирующий вентиль 37 и по каналу 64 возвращается в абсорбер 32.

В конденсаторе 35 хладагент переходит в жидкую фазу с выделением теплоты. Эта теплота охлаждается холодной водой, поступающей по каналу 45, и отводится по каналу 46 в теплообменник 13. Жидкий хладагент из конденсатора 35 через канал 59, регулирующий вентиль 38 поступает в испаритель 34, после чего начинается новый цикл.

Охлажденный теплоноситель в испарителе 34 по каналам 48, 49 поступает к электронному трехходовому крану 18. Электронный трехходовой кран 18 производит распределение потока хладоносителя согласно патенту 2270923 [3] следующим образом.

Сигнал от датчика нагрузки 21 подается на задатчик 28, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и по каналу 81 поступает в блок сравнения 27. Одновременно в блок сравнения 27 поступает сигнал от датчика температуры 23. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика температуры 23 и задатчика 28, в блоке сравнения происходит вычисление регулирующего сигнала, который по каналу 82 поступает в блок управления 24. Далее блок управления 24 подает электроэнергию по каналу 72 на электронный трехходовой кран 18. При этом открывается канал 52, на теплообменник 6 подается требуемое количество хладоносителя и происходит охлаждение свежего заряда - наддувочного воздуха во всасывающем трубопроводе 5 до заданного значения, а хладоноситель по каналам 53, 47 возвращается в абсорбционную холодильную машину (АБХМ) 31. При работе дизеля на частичных нагрузках канал 52 полностью закрывается и охлаждение свежего заряда - наддувочного воздуха прекращается.

Конструкция электронного трехходового крана 18 выполнена таким образом, что другая часть хладоносителя поступает по каналу 50 в электронный трехходовой кран 19.

Распределение хладоносителя и охлаждение газов в рециркуляционном трубопроводе 4 происходит следующим образом.

Сигнал от датчика нагрузки 21 по каналу 74 подается на задатчик 30 и обработанный сигнал подается по каналу 78 на блок сравнения 29, сюда же по каналу 77 поступает сигнал от датчика температуры 22. В блоке сравнения 29 происходит сравнение этих сигналов и сигнал рассогласования подается по каналу 79 на блок управления 24, который подачей электроэнергии на электронный трехходовой кран 19 управляет открытием (закрытием) канала 51 и подачей хладоносителя на теплообменник 7 и, в результате теплообмена теплообменника 7 с ОГ, в рециркуляционном канале 4 происходит охлаждение ОГ. Осуществив теплообмен в теплообменнике 7, хладоноситель по каналу 47 возвращается в АБХМ 31.

При повышении нагрузки выше 75% блок управления 24 подачей электроэнергии на электронный трехходовой кран 19 закрывает канал 51 и прекращается охлаждение ОГ в теплообменнике 7. Другая часть хладоносителя по каналу 54 поступает в потребитель холода 12 для выполнения своего задания. После него хладоноситель по каналам 55, 47 возвращается в АБХМ 31.

Система для охлаждения свежего заряда - наддувочного воздуха и ОГ судового дизеля, подаваемых на впуск в цилиндры дизеля, позволяет охлаждать ОГ и свежий заряд - наддувочный воздух с помощью АБХМ в результате утилизации теплоты ОГ дизеля. Охлаждение ОГ позволит увеличить длительность задержки воспламенения, уменьшить скорость тепловыделения и значительно снизить выброс эмиссии NO_x.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет поддерживать оптимальные рабочие параметры систем во всех режимах работы дизеля и будет способствовать получению значительного экономического эффекта и формированию комплексных систем автоматизации судов водного транспорта.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ 2251021, F02N 17/047. Система регулирования температуры наддувочного воздуха ДВС / В.Н.Тимофеев, А.М.Юферов, A.M.Поздеев; опубл. 27.04.2005.

2. Патент РФ 69925, F02G 5/00, F01K 15/04. Устройство для рециркуляции отработавших газов судового дизеля / В.Н.Тимофеев, Д.В.Тимофеев; опубл. 10.01.2008.

3. Патент РФ 2270923, F01P 7/16. Электрический термостат / В.Н.Тимофеев, Н.П.Кузин, А.Н.Краснов; опубл. 27.02.2006.

1. Система для охлаждения свежего заряда - наддувочного воздуха, отработавших газов судового дизеля, подаваемых на впуск, содержащая выхлопной, всасывающий, рециркуляционный трубопроводы; заслонку с электрическим приводом; утилизационный котел; абсорбционную холодильную машину; потребитель холода; блок управления; датчики температуры и нагрузки; датчик положения заслонки; элементы подачи и управления теплоносителей и хладоносителей, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит теплообменники отработавших газов и свежего заряда - наддувочного воздуха, установленные на рециркуляционном, всасывающем трубопроводах с возможностью подключения к абсорбционной холодильной машине.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит два электронных трехходовых крана, вход первого патрубка первого электронного трехходового крана подключен к абсорбционной холодильной машине, выход: второй патрубок связан с теплообменником свежего заряда - наддувочного воздуха; третий патрубок связан с первым патрубком второго электронного трехходового крана; а выход второго электронного трехходового крана: второй патрубок связан с теплообменником отработавших газов, третий патрубок - с потребителем холода.