СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F01P3/20 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания с наддувом и охлаждением наддувочного воздуха и может быть использовано на тепловозах, путевых машинах железнодорожного транспорта, автомобилях и др.

Известен способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания путем подачи нагретой в его полостях охлаждающей жидкости в радиатор первого контура циркуляции и отвода охлажденной жидкости в полости охлаждения двигателя, организации второго контура циркуляции жидкости через водомасляный теплообменник, теплообменник наддувочного воздуха и радиатор второго контура (Куликов Ю.А "Система охлаждения силовых установок тепловозов". М. 1988, стр. 7-13) [1]
Регулирование температуры теплоносителей двигателя (охлаждающей жидкости, масла и наддувочного воздуха) производится следующим образом. Измеряют температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, сравнивают ее с заданной и регулируют ее изменением потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора первого контура. Измеряют температуру масла на выходе из двигателя, сравнивают ее с заданной и регулируют ее изменением потока воздуха на обдув радиатора второго контура. В холодное время года, чтобы исключить переохлаждение, температуру охлаждающей жидкости второго контура повышают перепуском части охлаждающей жидкости из первого контура во второй.

Недостатком этого способа является то, что температуру наддувочного воздуха раздельно от температуры масла не регулируют и получают выше оптимальной, в результате чего экономичность двигателя снижена.

Известен способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в охлаждении двигателя путем подачи нагретой в его полостях охлаждающей жидкости в радиатор первого контура циркуляции и отвода из него охлаждающей жидкости в полости охлаждения двигателя, организации второго контура циркуляции жидкости через водомасляный теплообменник, теплообменник наддувочного воздуха и радиатор второго контура, регулировании теплового состояния двигателя, заключающегося в том, что измеряют температуру охлаждающей жидкости первого контура, сравнивают ее с заданной и регулируют ее изменением потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора первого контура, измеряют температуру наддувочного воздуха, сравнивают ее с заданной и регулируют ее изменением потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура и перепуском части охлаждающей жидкости из первого контура во второй, измеряют температуру масла, сравнивают ее с заданной и регулируют ее перепуском масла мимо водомасляного теплообменника [2]
Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, реализующая два контура охлаждения, в первый из которых включены охлаждения двигателя, радиатор и насос первого контура, а во второй водомасляный теплообменник, теплообменник наддувочного воздуха, радиатор и насос второго контура, прямой и обратный межконтурные трубопроводы с клапанами перепуска охлаждающей жидкости, перепускной трубопровод водомасляного теплообменника с клапаном перепуска масла, первый регулятор с датчиком температуры жидкости, подключенный к вентилятору обдува радиатора первого контура, второй регулятор с датчиком температуры масла, подключенный к клапану перепуска масла и третий регулятор с датчиком температуры, подключенный к клапанам межконтурного перепуска охлаждающей жидкости и вентилятору обдува радиатора второго контура. [2]
Недостатки известного способа и системы заключаются в том, что они не обеспечивают:
высокого качества регулирования температуры теплоносителей двигателя ввиду отсутствия связи регулирования с нагрузкой двигателя и температурой окружающей среды;
высокой надежности работы системы охлаждения из-за отсутствия защиты от замерзания охлаждающей жидкости во втором контуре, необходимой вследствие регулирования по сигналу датчика температуры наддувочного воздуха, а на охлаждающей жидкости;
достаточного расхода жидкости в межконтурных трубопроводах в связи с малым перепадом давлений в точках их подсоединения к контурам.

Задачей изобретения является обеспечение повышения экономичности двигателя внутреннего сгорания и надежности работы его системы охлаждения путем повышения качества регулирования температуры его теплоносителей.

Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения двигателя внутреннего сгорания путем подачи нагретой в его полостях охлаждающей жидкости в радиатор первого контура циркуляции и отвода из него охлажденной жидкости в полости охлаждения двигателя, организации второго контура циркуляции жидкости через водомасляный теплообменник, теплообменник наддувочного воздуха и радиатор второго контура, регулирования температуры теплоносителей изменением потока воздуха на обдув радиаторов, потока масла, перепускаемого мимо водомасляного теплообменника и потока охлаждающей жидкости, перепускаемой из первого контура во второй, измеряют температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, сравнивают ее с заданной в зависимости от нагрузки двигателя и регулируют ее путем изменения потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора первого контура, измеряют температуру масла, сравнивают ее с заданной в зависимости от нагрузки двигателя, и регулируют ее последовательным изменением потоков масла, перепускаемого мимо водомасляного теплообменника, и воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура, измеряют температуру охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха, сравнивают ее с заданной в зависимости от нагрузки двигателя и температуры окружающей среды и регулируют ее последовательным изменением потоков охлаждающей жидкости, перепускаемой из первого контура во второй и воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура.

Поставленная цель достигается также тем, что в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей два контура циркуляции охлаждающей жидкости, в первый из которых включены полости охлаждения двигателя, радиатор и насос, а во второй водомасляный теплообменник с перепускным трубопроводом и клапаном перепуска масла, теплообменник наддувочного воздуха, насос и радиатор, прямой и обратный межконтурные трубопроводы с клапаном перепуска охлаждающей жидкости, первый регулятор с датчиком температуры охлаждающей жидкости, подключенный к вентилятору обдува радиатора первого контура, второй регулятор с датчиком температуры масла, подключенный к клапану перепуска масла и к вентилятору обдува радиатора второго контура, и третий регулятор с датчиком температуры, подключенный к клапану межконтурного перепуска охлаждающей жидкости и к вентилятору обдува радиатора второго контура, насос второго контура расположен перед радиатором по ходу охлаждающей жидкости, прямой межконтурной трубопровод подключен к первому контуру между двигателем и радиатором, а ко второму контуру между теплообменником наддувочного воздуха и насосом, обратный межконтурный трубопровод подключен ко второму контуру между радиатором и водомасляным теплообменником, а к первому контуру между радиатором и насосом, датчик температуры третьего регулятора установлен во втором контуре охлаждающей жидкости между теплообменником наддувочного воздуха и местом подключения прямого межконтурного трубопровода, второй и третий регуляторы подключены к вентилятору обдува радиатора второго контура через селектирующее устройство.

Первый регулятор подключен через реле давления к жалюзи радиатора первого контура, а второй и третий регуляторы подключены через селектирующее устройство и реле давления к жалюзи радиатора второго контура.

Регуляторы содержат задающие устройства, связанные с двигателем.

Задающее устройство третьего регулятора содержит первый задатчик, подключенный вместе с датчиком температуры окружающей среды к сумматору, и второй задатчик, связанный с двигателем и подключенный вместе с сумматором к регулятору через селектирующий узел. Именно заявляемая система охлаждения с расположением насоса второго контура перед радиатором по ходу охлаждающей жидкости в совокупности с подводом на вход этого насоса охлаждающей жидкости из первого контура, месторасположением межконтурных трубопроводов, размещением датчика температуры третьего регулятора во втором контуре на выходе охлаждающей жидкости из теплообменника наддувочного воздуха и регулированием температуры охлаждающей жидкости второго контура в зависимости от температуры окружающей среды, в которой реализуется заявляемый способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания, обеспечивает достижение цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания по сравнению с прототипом позволяют повысить температуру охлаждающей жидкости на входе в радиатор при одинаковой температуре жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха, причем с понижением температуры окружающей среды температура жидкости на входе в радиатор второго контура будет автоматически повышаться за счет увеличения перетока жидкости между контурами. Тем самым осуществляется автоматическая защита радиатора от размораживания.

Заявляемые способ и система поясняются схемами. На фиг.1 представлена схема системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания. На фиг.2 представлена схема задающего устройства третьего регулятора. На фиг.3 представлена задаваемая температура охлаждающей жидкости второго контура tож₂ в зависимости от температуры окружающего воздуха tо. На фиг.4 представлены задаваемые температуры охлаждающей жидкости первого и второго контура (tож₁ и tож₂) и масла tм в зависимости от нагрузки двигателя Ne.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания для реализации предлагаемого способа (фиг. 1) содержит два контура охлаждения. В первом контуре система содержит полости охлаждения двигателя 1, радиатор 2 и насос 3, последовательно соединенные трубопроводами, а во-втором контуре водомасляный теплообменник 4, теплообменник наддувочного воздуха 5, насос 6 и радиатор 7, также последовательно соединенные трубопроводами. Прямой межконтурный трубопровод 8 подключен к первому контуру между двигателем 1 и радиатором 2, а ко второму между теплообменником наддувочного воздуха 5 и насосом 6. В трубопроводе 8 установлен клапан межконтурного перетока охлаждающей жидкости 9. Обратный межконтурный трубопровод 10 подключен ко второму контуру между радиатором 7 и водомасляным теплообменником 4, а к первому контуру между радиатором 2 и насосом 3. Водомасляный теплообменник 4 содержит перепускной трубопровод 11 с установленным в нем управляемым клапаном 12 перепуска масла. Первый регулятор 13 (Р₁) связан с датчиком 14 температуры охлаждающей жидкости на выходе из двигателя и подключен к вентилятору 15 первого контура и через реле давления 16 к жалюзи 17 первого контура. Регулятор 13 (Р₁) содержит задающее устройство 18, связанное с двигателем 1.

Второй регулятор 19 (Р₂) связан с датчиком 20 температуры масла и подключен к клапану 12 перепуска масла мимо водомасляного теплообменника и через селектирующее устройство 21 к вентилятору 22 второго контура и к реле давления 23. Реле 23 связано с жалюзи 24 радиатора второго контура. Второй регулятор 19 (Р₂) содержит задающее устройство 25, связанное с двигателем 1.

Третий регулятор 26 (Р₃) связан с датчиком 27 температуры охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха и подключен к клапану 9 межконтурного перепуска охлаждающей жидкости и через селектирующее устройство 21 к вентилятору 22 второго контура и реле давления 23. Регулятор 26 содержит задающее устройство 28. Схема задающего устройства 28 третьего регулятора 26 показана на фиг.2. Задающее устройство 28 содержит первый задатчик 29, подключенный вместе с датчиком 30 температуры окружающего воздуха tо к сумматору 31. В свою очередь сумматор 31 вместе со вторым задатчиком 32 подключены к селектирующему устройству 21.

Выход селектирующего устройства подключен к третьему регулятору 26 (Р₃). В качестве задатчиков, сумматора, регуляторов и селектирующих устройство могут быть использованы приборы универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) (В. С.Прусенко. Пневматические системы автоматического регулирования технологических процессов. М. 1987, стр.5). В качестве задающего устройства, связанного с двигателем, может быть использовано устройство по а.с. СССР N 1463941, кл. F 01 P 7/02, БИ N 27 за 1990г.

Предлагаемый способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания осуществляют следующим образом. Насос 3 первого контура циркуляции подает охлаждающую жидкость в охлаждаемые полости двигателя 1, откуда подогретая вода поступает в радиатор 2 первого контура для охлаждения. Регулирование температуры охлаждающей жидкости первого контура осуществляется с помощью регулятора 13 (Р₁), который сравнивает измеряемую датчиком 14 температуру охлаждающей жидкости с задаваемой задающим устройством 18 величиной в зависимости от нагрузки от нагрузки двигателя и, если измеряемая температура отличается от заданной, изменяет пневматический сигнал, подаваемый на жалюзи 17 и вентилятор первого контура 15. При повышении температуры охлаждающей жидкости вначале открываются жалюзи 17, затем включаются и увеличивает производительность вентилятор 15. При снижении температуры охлаждающей жидкости производительность вентилятора 15 уменьшается и жалюзи 17 закрываются.

Масло из двигателя 1 поступает в водомасляный теплообменник 4, где охлаждается жидкостью и возвращается в двигатель. Регулятор 19 (Р₂) сравнивает измеряемую датчиком 20 температуру масла с задаваемой в зависимости от нагрузки двигателя задающим устройством 25 величиной и, если измеряемая температура отличается от заданной, изменяет пневматический сигнал, подаваемый на клапан 12 перепуска масла мимо водомасляного теплообменника и через селектирующее устройство 21 на жалюзи 24 и вентилятор 22 второго контура. При повышении температуры масла вначале снижается количество масла, перепускаемого мимо водомасляного теплообменника (закрывается клапан 12), затем открываются жалюзи, включаются и увеличиваются производительность вентилятора второго контура. При снижении температуры масла система работает в обратном порядке.

Регулирование температуры охлаждающей жидкости во втором контуре осуществляется с помощью регулятора 26 (Р₃), который сравнивает измеряемую датчиком 27 температуру охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха 5 с задаваемой задающим устройством 28 величиной в зависимости от нагрузки двигателя и температуры окружающего воздуха, и, если измеряемая величина отличается от заданной, изменяет пневматический сигнал, подаваемый на клапан межконтурного перепуска охлаждающей жидкости 9 и через селектирующее устройство 21 на жалюзи 24 и вентилятор 22 второго контура. При повышении температуры охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха 5 по отношению к заданной, клапан 9 закрывается, уменьшая количество жидкости, перепускаемой из первого контура во второй, затем открываются жалюзи 24 радиатора второго контура, включается и увеличивает производительность вентилятор 22. При снижении температуры охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха система работает в обратном порядке.

Через селектирующее устройство 21 проходит доминирующий (например, меньший) из сигналов регуляторов 19 и 26. При работе двигателя на высоких нагрузках это может быть сигнал регулятора 19 температуры масла. Таким образом, связь второго и третьего регуляторов с жалюзи и вентилятором второго контура через селектирующшее устройство позволяет обеспечить заданную температуру масла.

Работу задающего устройства 28 третьего регулятора 26 (Р₃) характеризуют графики на фиг. 3 и 4. На фиг.3 представлена задаваемая температура охлаждающей жидкости второго контура tож₂ в зависимости от температуры окружающего воздуха tо. При температурах tо ниже точки замерзания охлаждающей жидкости на регулятор 26 (Р₃) через селектирующее устройство 21 проходит сигнал второго задатчика 32 (как больший), выбранный из условия предохранения радиатора 7 от размораживания (линия 1- постоянная величина tз₂). При более высоких температурах окружающего воздуха через селектирующее устройство на регулятор 26 проходит сумма сигналов (линия 3) датчика 30 (tо) (линия 2) и первого задатчика 29 (постоянная величина tз₁). Величина tз₁ выбирается из условий обеспечения максимальной эффективности работы двигателя совместно с системой охлаждения, а именно из того, что повышение мощности (или КПД) двигателя, получаемое за счет дополнительного снижения температуры наддувочного воздуха должно быть больше требуемых дополнительных затрат мощности на привод вентилятора.

Уровень задаваемых температур охлаждающей жидкости первого контура и масла (фиг.4) на малых нагрузках (например 0^oC9 позиции контроллера машиниста тепловоза) выше, чем на высоких нагрузках (10^oC15 позиции контроллера машиниста тепловоза), что позволяет повысить экономичность работы двигателя, в основном, за счет повышения механического КПД. Уровень задаваемой температуры охлаждающей жидкости второго контура tож₂ остается постоянным (например, 15^oC) на всех нагрузках двигателя, кроме холостого хода, где повышается (например, до 40^oC).

Таким образом, задающие устройства регуляторов связанные с двигателем, позволяют осуществить оптимальный закон регулирования температуры, охлаждающей жидкости первого и второго контура и масла в зависимости от нагрузки двигателя.

Таким образом, предлагаемые способ и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания позволяют повысить экономичность двигателя при обеспечении надежной работы радиаторов второго контура при низких температурах окружающей среды за счет осуществления заданного оптимального закона регулирования температуры теплоносителей двигателя в зависимости от нагрузки и температуры окружающего воздуха.

Использование: в области двигателестроения и позволяет повысить топливную экономичность двигателя внутреннего сгорания за счет повышения качества регулирования температуры его теплоносителей при обеспечении надежной работы системы охлаждения. Сущность изобретения: в двухконтурной системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей в первом контуре полости охлаждения двигателя, а во втором - водомасляный теплообменник и теплообменник наддувочного воздуха, регулируют температуру охлаждающей жидкости первого контура изменением потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора первого контура, регулируют температуру масла последовательным изменением потока масла, перепускаемого мимо водомасляного теплообменника, и потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура, измеряют температуру охлаждающей жидкости второго контура на выходе из теплообменника наддувочного воздуха и регулируют ее последовательным изменением потоков охлаждающей жидкости, перепускаемой из первого контура во второй, и воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура. 2 с.и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания путем подачи нагретой в его полостях охлаждающей жидкости в радиатор первого контура циркуляции и отвода из него охлажденной жидкости в полости охлаждения двигателя, организации второго контура циркуляции жидкости через водомасляный теплообменник, теплообменник наддувочного воздуха и радиатор второго контура регулирования температуры теплоносителей изменением потока воздуха на обдув радиаторов, изменением потока масла, перепускаемого мимо водомасляного теплообменника, и изменением потока охлаждающей жидкости, перепускаемой из первого контура циркуляции во второй, отличающийся тем, что измеряют температуру охлаждающей жидкости на выходе из двигателя, сравнивают ее с заданной в зависимости от нагрузки двигателя и регулируют ее изменением потока воздуха через радиатор первогo контура, измеряют температуру масла, сравнивают ее с заданной в зависимости от нагрузки двигателя и регулируют ее последовательным изменением потоков масла, перепускаемого мимо водомасляного теплообменника, и воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура, измеряют температуру охлаждающей жидкости на выходе из теплообменника наддувочного воздуха, сравнивают ее с заданной в зависимости от нагрузки двигателя и температуры окружающей среды и регулируют ее последовательным изменением потоков охлаждающей жидкости, перепускаемой из первого контура во второй, и воздуха, подаваемого на обдув радиатора второго контура. 2. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая два контура циркуляции охлаждающей жидкости, в первый из которых включены полости охлаждения двигателя, радиатор и насос, а во второй водомасляный теплообменник с перепускным трубопроводом и клапаном перепуска масла, теплообменник наддувочного воздуха, насос и радиатор, прямой и обратный межконтурные трубопроводы с клапаном перепуска охлаждающей жидкости, первый регулятор с датчиком температуры охлаждающей жидкости первого контура, подключенный к вентилятору обдува радиатора первого контура, второй регулятор с датчиком температуры масла, подключенный к клапану перепуска масла, и третий регулятор с датчиком температуры, подключенный к клапану межконтурного перетока охлаждающей жидкости и к вентилятору обдува радиатора второго контура, отличающаяся тем, что насос второго контура расположен перед радиатором по ходу охлаждающей жидкости, прямой межконтурный трубопровод подключен к первому контуру между двигателем и радиатором, а к второму контуру между теплообменником наддувочного воздуха и насосом, обратный межконтурный трубопровод подключен к второму контуру между радиатором и водомасляным теплообменником, а к первому контуру между радиатором и насосом, датчик температуры третьего регулятора установлен во втором контуре охлаждающей жидкости между теплообменником наддувочного воздуха и местом подключения прямого межконтурного трубопровода, второй и третий регуляторы подключены к вентилятору обдува радиатора второго контура через селектирующее устройство, причем третий регулятор содержит задающее устройство, связанное с датчиком температуры окружающей среды. 3. Система по п. 2, отличающаяся тем, что первый регулятор подключен через реле давления к жалюзи радиатора первого контура, а второй и третий регуляторы подключены через селектирующее устройство и реле давления к жалюзи радиатора второго контура. 4. Система по п.2, отличающаяся тем, что регуляторы содержат задающие устройства, связанные с двигателем. 5. Система по п.2, отличающаяся тем, что задающее устройство третьего регулятора содержит первый задатчик, подключенный вместе с датчиком температуры окружающей среды к сумматору, и второй задатчик, связанный с двигателем и подключенный вместе с сумматором к регулятору через селектирующее устройство.