Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО АВТОНОМНОГО ПОДОГРЕВА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания тепловозов, в частности к способу подогрева охлаждающей жидкости двигателя при горячем отстое тепловоза для его запуска.

Известен способ обогрева водяной системы тепловоза периодическим запуском дизеля, заключающийся в том, что отключение дизеля осуществляется всегда при одной и той же заданной температуре элемента водяной системы с наибольшей теплоемкостью. Включение дизеля в работу производится при заданной температуре охлаждения этого элемента или по минимально допустимой температуре элемента водяной системы с наименьшей теплоемкостью, причем контроль запуска дизеля ведется по наличию крутящего момента на валу дизеля. Все элементы водяной системы с промежуточными значениями теплоемкости гарантированы от недопустимого снижения температуры (RU, патент №2169274, МПК F01P 11/20, опубл. 20.06.2001 г.).

Недостатками данного способа являются частые запуски дизеля вследствие отсутствия циркуляции охлаждающей жидкости в системе охлаждения и быстрого снижения температуры элемента охлаждения с наименьшей теплоемкостью, что приводит к увеличению расхода топлива и снижению ресурса аккумуляторной батареи.

Известен способ подогрева охлаждающей жидкости двигателя при горячем отстое тепловоза для его запуска (RU, патент №2540189, МПК F01 11/20, опубл. 10.02.2015 г.), принятый за прототип, заключающийся в том, что периодически запускают прогретый дизель, осуществляя нагрев дизеля и его системы охлаждения, при этом отключение дизеля происходит автоматически при заданной, не зависящей от температуры окружающей среды, рабочей температуре элемента системы охлаждения дизеля, обладающего наибольшей теплоемкостью, автоматическое включение дизеля в работу происходит при снижении температуры элемента системы охлаждения с наибольшей теплоемкостью до заданного значения или при снижении значения температуры ниже допустимого предела в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью, после отключения дизеля осуществляют прокачку охлаждающей жидкости во всей системе охлаждения дизеля тепловоза.

Недостатками данного способа является то, что аккумуляторная батарея тепловоза интенсивно разряжается из-за продолжительной работы насоса для прокачки охлаждающей жидкости в системе охлаждения при заглушенном дизеле, что приводит к снижению ресурса аккумуляторной батареи, а отсутствие контроля остаточной емкости аккумуляторной батареи в процессе ее разряда не позволяет определить, достаточно ли ее емкости для очередного запуска дизеля.

Техническим результатом изобретения является снижение времени работы насоса для прокачки охлаждающей жидкости в системе охлаждения и автоматическое определение остаточной емкости аккумуляторной батареи при работающем и заглушенном дизеле тепловоза, что позволит снизить разрядную нагрузку на аккумуляторную батарею тепловоза, увеличить срок ее службы и определять необходимость запуска дизеля при снижении емкости аккумуляторной батареи.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза, заключающегося в том, что периодически запускают прогретый дизель, осуществляя нагрев дизеля и его системы охлаждения, при этом отключение дизеля происходит автоматически при заданной, не зависящей от температуры окружающей среды, рабочей температуре элемента системы охлаждения дизеля, обладающего наибольшей теплоемкостью, автоматическое включение дизеля в работу происходит при снижении температуры элемента системы охлаждения с наибольшей теплоемкостью до заданного значения или при снижении значения температуры ниже допустимого предела в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью, после отключения дизеля осуществляют прокачку охлаждающей жидкости во всей системе охлаждения дизеля тепловоза, причем прокачку включают при снижении температуры в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью до порогового значения, превышающего допустимый предел для включения дизеля и выключают прокачку при достижении температурой в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью установленного предела. В процессе запуска дизеля по вольтамперным характеристикам аккумуляторной батареи с учетом температуры в аккумуляторном отсеке оценивают остаточную емкость аккумуляторной батареи, в процессе работы дизеля и после его отключения с учетом токов заряда и разряда аккумуляторной батареи корректируют значение ее остаточной емкости, при снижении которой ниже установленного уровня осуществляют запуск дизеля.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема системы, реализующей способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза; на фиг. 2 - графики вольт-амперных характеристик аккумуляторной батареи в зоне стартерных токов для различной величины остаточной емкости (C₁₀₀ - для 100% емкости; С₅₀ - для 50% емкости; С_ТЕК - для текущей емкости, полученной в процессе испытаний); на фиг. 3 - диаграммы работы системы автоматического прогрева, поясняющие принцип работы способа и его отличия от прототипа (t_max - изменение температуры элемента с наибольшей теплоемкостью в системе, реализующей способ; t_min - изменение температуры в элементе с наименьшей теплоемкостью в системе, реализующей способ; t_прот - изменение температуры в элементе с наименьшей теплоемкостью, реализующей прототип).

Система, реализующая способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза (фиг. 1) содержит: систему управления 1, дизель 2, контактор 3 пуска дизеля 2, стартер-генератор 4, аккумуляторную батарею 5, датчик 6 частоты вращения коленчатого вала (на схеме не показано) дизеля 2, датчик 7 тока аккумуляторной батареи 5, датчик 8 напряжения на аккумуляторной батарее 5, датчик 9 температуры воздуха в аккумуляторном отсеке (на схеме не показано), систему охлаждения 10, датчик 11 температуры элемента с наименьшей теплоемкостью (на схеме не показано) системы охлаждения 10, датчик 12 температуры элемента с наибольшей теплоемкостью (на схеме не показано) системы охлаждения 10, насос 13 для прокачки охлаждающей жидкости в системе охлаждения 10, реле 14 для управления прокачивающим насосом 13, стоповый выключатель 15 дизеля 2.

Способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения 10 дизеля 2 тепловоза реализуется следующим образом (см. фиг 1). При помощи системы управления 1 и контактора 3 пуска дизеля 2 подключают стартер-генератор 4 к аккумуляторной батарее 5 и тем самым осуществляют запуск дизеля 2 для его нагрева. Процесс запуска дизеля 2 контролируют системой управления 1 при помощи датчика 6 частоты вращения коленчатого вала дизеля 2. В процессе запуска дизеля 2 при помощи датчика 7 тока и системы управления 1 фиксируют ток I_АБ аккумуляторной батареи 5, потребляемый стартер-генератором 4 на прокрутку дизеля 2. Одновременно, при помощи датчика 8 напряжения, датчика 9 температуры и системы управления 1 фиксируют напряжение U_АБ на аккумуляторной батарее 5 и температуру t_возд воздуха в аккумуляторном отсеке. Используя вольт-амперные характеристики (ВАХ) аккумуляторной батареи 5 и учитывая температуру t_возд в аккумуляторном отсеке определяют остаточную емкость C_АБt аккумуляторной батареи 5. В зоне стартерных токов ВАХ аккумуляторной батареи 5 линейная (фиг. 2), а ее наклон зависит от остаточной емкости аккумуляторной батареи 5, которую в данном случае вычисляют по формуле

где C_АБt - остаточная емкость аккумуляторной батареи 5 с учетом температуры в аккумуляторном отсеке;

t_возд - температура воздуха в аккумуляторном отсеке, °C;

С_АБ - емкость аккумуляторной батареи, полученная по формуле

k_max - коэффициент наклона ВАХ аккумуляторной батареи для 100% емкости (график C₁₀₀ фиг. 2);

k₅₀ - коэффициент наклона ВАХ аккумуляторной батареи для 50% емкости (график С₅₀ фиг. 2);

k - коэффициент наклона ВАХ аккумуляторной батареи для текущей емкости (график С_ТЕК фиг. 2).

Для батареи типа ТН-450ТМ, применяемой на тепловозах ТЭП70БС и 2ТЭ116У эмпирическим методом получены коэффициенты:

k₅₀=0,0312

k_max=0,0232

Коэффициент k рассчитывают по формуле наименьших квадратов (график С_ТЕК фиг. 2):

где n - число измерений тока и напряжения аккумуляторной батареи при запуске дизеля;

I_АБ - ток аккумуляторной батареи, потребляемый стартер-генератором на прокрутку дизеля, А;

U_АБ - напряжение на аккумуляторной батарее при запуске дизеля, В.

При достижении частотой вращения коленчатого вала дизеля 2 порогового значения при помощи системы управления 1 отключают контактор 3 пуска дизеля 2, тем самым переводя стартер-генератор 4 из режима стартера в режим генератора. В процессе работы дизеля 2 при помощи системы управления 1 и датчика 12 температуры элемента с наибольшей теплоемкостью контролируют нагрев охлаждающей жидкости в системе охлаждения 10 дизеля 2. Процесс нагрева охлаждающей жидкости в элементе системы охлаждения 10 с наибольшей теплоемкостью, во время работы дизеля 2 изображен на графике t_max (фиг. 3). Также при помощи системы управления 1 и датчика 7 тока контролирует зарядный ток I_АБз аккумуляторной батареи 5, интегрируя который по времени, корректируют остаточную емкость С аккумуляторной батареи 5 на данный момент времени по формуле

где С_НОМ - номинальная емкость аккумуляторной батареи, Ач;

I_АБз - ток заряда аккумуляторной батареи, А;

ΔT - дискрет времени между измерениями, час;

m - число измерений тока заряда аккумуляторной батареи за время работы дизеля;

ϕ - коэффициент использования зарядного тока.

Коэффициент ϕ определяют исходя из паспортных данных аккумуляторной батареи 5 как величину, обратную рекомендуемому объему ампер-часов для полного заряда аккумуляторной батареи 5. Для батареи типа ТН-450ТМ, применяемой на тепловозах ТЭП70БС и 2ТЭ116У рекомендуемый объем ампер-часов для заряда составляет 115-118% от емкости. Коэффициент ϕ=0,84.

При достижении датчиком 12 температуры элемента с наибольшей теплоемкостью порогового значения t₀ (график t_max, фиг. 3) при помощи системы управления 1 формируют сигнал на остановку дизеля 2 и передают его на стоповый выключатель 15 дизеля 2, который перекрывает подачу топлива в дизель 2. Дизель 2 останавливается. Процесс остановки дизеля 2 контролируют системой управления 1 по датчику 6 частоты вращения. При остановленном дизеле 2 при помощи системы управления 1 и датчика 11 температуры элемента с наименьшей теплоемкостью осуществляют контроль температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения 10. При снижении температуры в элементе с наименьшей теплоемкостью системы охлаждения 10 до порогового значения t₁ (график t_min, фиг. 3), превышающего допустимый предел t₂ для включения дизеля при помощи системы управления 1 и реле 14 включают прокачивающий насос 13. При достижении температурой в элементе системы охлаждения 10 с наименьшей теплоемкостью установленного предела t₃ при помощи системы управления 1 и реле 14 выключают прокачку охлаждающей жидкости прокачивающим насосом 13. Процессы включения и выключения прокачки чередуют до тех пор, пока температура в элементе системы охлаждения 10 с наименьшей теплоемкостью не перестанет расти. При помощи системы управления 1 и датчика 7 тока аккумуляторной батареи контролируют разрядный ток I_АБр аккумуляторной батареи 5, интегрируя который по времени корректируют остаточную емкость С_ОСТ аккумуляторной батареи 5 на данный момент времени по формуле

где С_НОМ - номинальная емкость аккумуляторной батареи, Ач;

I_АБр - ток, потребляемый от аккумуляторной батареи на прокачку охлаждающей жидкости, А;

ΔT - дискрет времени между измерениями, час;

j - число измерений тока аккумуляторной батареи за время прокачки охлаждающей жидкости.

Если остаточная емкость аккумуляторной батареи 5 снизится ниже установленного уровня, например 75%, или температура в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью опустится ниже допустимого предела t₂, при помощи системы управления 1 и контактора 3 пуска дизеля 2 подключают стартер-генератор 4 к аккумуляторной батарее 5 и тем самым осуществляют запуск дизеля 2 для его очередного нагрева. График t_прот на фиг. 3 иллюстрирует процесс снижения температуры охлаждающей жидкости в элементе системы охлаждения с наименьшей теплоемкостью без отключения прокачки, реализуемый в прототипе.

Таким образом, способ автоматического автономного подогрева системы охлаждения дизеля тепловоза позволяет снизить разрядную нагрузку на аккумуляторную батарею тепловоза в процессе прокачки охлаждающей жидкости и осуществить постоянный автоматический контроль остаточной емкости аккумуляторной батареи, позволяющий гарантированно осуществлять запуск дизеля.