ЖИДКОСТНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F01P3/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с жидкостными системами охлаждения.

Известны смешанные жидкостные системы охлаждения, имеющие зоны с принудительной и термосифонной циркуляцией охлаждающей жидкости /Цветков В.Т. Двигатели внутреннего сгорания Харьков: изд. Харьковского госуниверситета 1960, с. 276-279, рис. 282, 280, 281/.

Наиболее близкой по технической сущности является система охлаждения, снабженная термостатом [2] . Эта система содержит рубашки охлаждения блока цилиндров и его головки, термостат, воздушно-жидкостный радиатор и насос (основной). Насос обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости. Термостат, выполняя функции датчика, командного и исполнительного механизмов, в зависимости от температуры охлаждающей жидкости направляет ее по различным гидравлическим контурам.

В рубашках охлаждения блока цилиндров и головки по характеру движения жидкости различают зоны принудительной и термосифонной циркуляции.

При температуре 80^oC и выше (двигатель прогрет до нормального теплового состояния) жидкость принудительно циркулирует по гидравлическому контуру: насос - верхняя область рубашки охлаждения блока цилиндров - рубашка охлаждения головки блока термостат-радиатор-насос.

При температуре 70^oC и ниже (двигатель переохлажден) жидкость термостатом направляется по контуру: насос - верхняя область рубашки охлаждения блока цилиндров - рубашка охлаждения головки блока - термостат - насос.

В интервале температур 70 - 80^oC (промежуточное тепловое состояние двигателя) жидкость циркулирует по обоим контурам одновременно. Количество циркулирующей жидкости по каждому контуру обусловлено степенью срабатывания термостата в зависимости от ее температуры.

Постоянная принудительная циркуляция жидкости гарантирует надежный отвод тепла от нагретых поверхностей верхней части цилиндров и головки. Но при этом не всегда обеспечивается оптимальное соотношение между количеством отводимого тепла и тепловым состоянием головки и верха цилиндров.

В рубашке охлаждения блока цилиндров ниже зоны принудительной циркуляции осуществляется термосифонное (конвективное) движение жидкости при всех тепловых состояниях двигателя (зона термосифонной циркуляции). При этом всегда сохраняется постоянное соотношение между количеством отводимого тепла в жидкость от стенок цилиндров и их тепловым состоянием (эффект саморегулирования).

Жидкость в зоне принудительной циркуляции нагревается быстрее и сильнее, чем в зоне термосифонного движения. Интенсивность ее циркуляции также выше из-за постоянного воздействия насоса.

В зоне термосифонной циркуляции интенсивность движения жидкости, обусловленная различием ее плотности в разных уровнях жидкости рубашки охлаждения блока цилиндров, невысокая, особенно у переохлажденного двигателя. Тепломассообмен в жидкости между термосифонной и принудительной зонами циркуляции в направлении последней незначителен.

Температура жидкости на выходе из головки блока, в основном, зависит от ее (головки) теплового состояния при любых режимах работы двигателя. Срабатывание же термостата однозначно обусловлено величиной температуры этой жидкости. Следовательно, термостат регулирует тепловое состояние только верхней части двигателя. Практически верхняя часть цилиндров с головкой и нижняя часть цилиндров прогреваются независимо друг от друга и с различными "скоростями". Возможны случаи переохлаждения нижней части цилиндров при 80^oC и выше жидкости на выходе из головки блока, то есть при включенном радиаторе. Это снижает надежность прогрева цилиндров, увеличивает время установления оптимального теплового состояния двигателя в целом.

Переохлаждение цилиндров, имеющих распределение температурного поля по высоте даже при нормальном тепловом состоянии двигателя (Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Четвертое издание. М.: Машиностроение, 1984, с. 399, рис. 314б, с. 344 и 345, рис. 317а, 317б) обусловливает значительные термические деформации их стенок и существенное ухудшение протекания термодинамических процессов внутри цилиндров. Это является причиной повышенного износа цилиндрово-поршневой группы, снижения топливной экономичности и уменьшения мощности двигателя (Козлова В.Е. и др. Особенности эксплуатации автотракторных двигателей зимой, Л. : Колос, Ленинградское отд. 1977, с. 5, строки 21- 27 сверху; Анохин В.И., Болтинский В.Н. и др. Тракторы и автомобили, Гос, изд. сельскохоз. литературы, М.: 1957, с. 205, рис. 89 г. Чернов А.С и др. Эксплуатация тракторов и автомобилей в зимних условиях. Изд. МСХ РСФСР, М,: 1963, см. 6, рис. 1, с. 7, рис. 7, с. 8, табл. 1, с.13).

При полном или частичном прекращении циркуляции через радиатор охлаждающей жидкости с высокой температурой замерзания, /например воды/, существует большая вероятность его размораживания в холодные периоды года.

Целью изобретения является обеспечение надежности и точности одновременного прогрева цилиндров и головки болта у переохлажденного двигателя, а также исключение опасности замерзания в радиаторе, охлаждающей жидкости с высокой температурой замерзания /например воды/, при низких температурах окружающей среды.

Это достигается тем, что в известную систему охлаждения введен малый гидравлический контур, по которому во время прогрева двигателя под контролем термостата жидкостью переносится тепло орт наиболее быстронагревающей головки к стенкам цилиндров. Нижние пояса их омываемых поверхностей воспринимают это тепло в первую очередь.

Для исключения опасности размораживания радиатора через него при переохлаждении двигателя осуществляется постоянная циркуляция охлаждающей жидкости.

На фиг. 1 изображена схема предложенной системы охлаждения, на фиг. 2, а, б, в - три вынесенных элемента со схемами обратных клапанов.

Система охлаждения содержит насос (основной) 1, рубашку 2 охлаждения блока цилиндров, рубашку 3 охлаждения головки блока, термостат 4, воздушно-жидкостный радиатор 5, дополнительный насос 6 с большим динамическим напором чем у насоса 1, устройство 7, подводящее жидкость от насоса 6 к самым низкорасположенным точкам рубашки 2, обратный клапан 8 между насосом 6 и рубашкой 2, трубопровод 9, подводящий жидкость от насоса 1 к гидравлическому участку термостат 4 - верхний бачок радиатора 5, обратный клапан 10, установленный между гидравлическим участком термостат 4 - верхний бачок радиатора 5 и нагнетательной стороной (выходом) насоса 1, обратный клапан 11 между нагнетательной стороной насоса 1 и рубашкой 2. Трубопроводом 9, обратными клапанами 10 и 11 система снабжается при опасности замерзания охлаждающей жидкости, например воды, при низких температурах окружающей среды.

Система без трубопровода 9, клапанов 10 и 11 работает следующим образом.

При температуре 80^oC и выше охлаждающая жидкость, направляемая термостатом 4, циркулирует по большому гидравлическому контуру: термостат 4 - радиатор 5 - насос 1 - верхняя зона рубашки 2 - рубашка 3 - термостат 4.

В рубашке 2 охлаждения блока ниже упомянутой зоны осуществляется термосифонное движение жидкости. Насос 6 работает вхолостую, обратный клапан 8 закрыт, что уменьшает затраты мощности на привод насоса 6 и обеспечивает поддержание установившегося режима термосифонного движения в рубашке 2 при переменном скоростном режиме работы насоса 6.

При температуре 70^oC и ниже термостат 4 перекрывает движение жидкости через радиатор 5 и сообщает рубашку 3 головки с насосом 6. Насос 6 обеспечивает циркуляцию жидкости под избыточным давлением по малому гидравлическому контуру: термостат 4 - насос 6 - устройство 7 - весь объем рубашки 2 с самыми ее низкорасположенными точками - рубашка 3 - термостат. Клапан 8 открыт, насос 1 работает вхолостую. Жидкость переносит тепло от наиболее быстро нагревающейся и более нагретой головки в самую низкорасположенную зону рубашки 2 охлаждения блока цилиндров. Этим теплом начинают нагреваться снизу вверх наружные стенки цилиндров. Внутренние поверхности цилиндров забирают тепло от продуктов сгорания. Двухсторонний подвод тепла обеспечивает ускоренный прогрев цилиндров одновременно с головкой блока.

Точность и надежность одновременного прогрева стенок цилиндров и головки блока у переохлажденного двигателя обеспечивается термостатом 4, чувствительный элемент которого омывается жидкостью, последовательно проходящей снизу вверх через рубашку 2 охлаждения блока цилиндров и рубашку 3 охлаждения головки блока. Температура жидкости, обусловленная тепловым состоянием стенок цилиндров и головки, непосредственно влияет на степень срабатывания термостата 4. Практически термостат регулирует тепловое состояние всего двигателя.

В интервале температур 70-80^oC осуществляется циркуляция жидкости по большому и малому контурам при одновременной работе насосов 1 и 6. Величина подачи жидкости насосами 1 и 6 зависит от степени срабатывания термостата 4 и соотношения величин динамических напоров, создаваемых насосами 1 и 6.

Большой динамический напор насоса 6 по сравнению с насосом 1 обеспечивает запаздывание начала частичной циркуляции жидкости с температурой в интервале 70 - 80^oC через радиатор 5, что способствует ускорению стенок цилиндров.

Система, снабженная трубопроводом 9, клапанами 10 и 11, работает следующим образом.

При температуре 80^oC и выше охлаждающая жидкость циркулирует по большому гидравлическому контуру (см. выше). Обратный клапан 11 открыт динамическим напором насоса 1, динамический напор жидкости на участке термостат 4 - верхний бачок радиатора 5 закрывает обратный клапан 10, насос 6 работает вхолостую, обратный клапан 8 закрыт давлением жидкости в рубашке 2.

При температуре 70^oC и ниже часть жидкости циркулирует по малому гидравлическому контуру (см. выше). Динамический напор насоса 6 открывает обратный клапан 8 и закрывает клапан 11. Насос 1 обеспечивает циркуляцию другой части жидкости через открытый обратный клапан 10 по дополнительному гидравлическому контуру: насос 1 - трубопровод 9 - радиатор 5 - насос 1.

В интервале температур 70-80^oC жидкость циркулирует одновременно по большому, малому и дополнительному гидравлическим контурам под воздействием насосов 1 и 6. Обратные клапаны 8, 10 и 11 частично открыты. Количество циркулирующей жидкости по каждому контуру обусловлено степенью срабатывания термостата 4 с и соотношением величин напоров, создаваемых насосами 1 и 6.

Циркуляция охлаждающей жидкости с высокой температурой замерзания, например воды, через радиатор 5 при всех режимах работы системы и любых тепловых состояниях двигателя исключает опасность размораживания радиатора 5 в холодное время года.

Дополнительный контур в летнее время можно выключить из работы, зафиксировав клапан 10 в закрытом и клапан 11 в открытом положениях.

Таким образом, предложенная система охлаждения обеспечивает надежность и точность одновременного прогрева цилиндров и головки под контролем и управлением термостата, что обусловливает уменьшение износов и улучшение топливной экономичности переохлажденного двигателя.

У прогретого двигателя обеспечивается надежное охлаждение головки блока и саморегулирование оптимального теплового состояния стенок цилиндров.

Дополнительный контур исключает опасность размораживания радиатора 5. Использование воды в системе охлаждения двигателя уменьшает затраты средств и труда при его эксплуатации, обусловленные свойствами антифризов (тосолов).

Использование предложенной системы позволяет сохранить гидравлические и прочие характеристики рубашек 2 и 3 охлаждения соответственно блока цилиндров и головки двигателя, насоса 1 (основного), термостата 4, существующих систем охлаждения. Изготовление подводящего устройства 7, трубопровода 9, клапанов 8, 10 и 11 не повлечет за собой особых затрат. Единственным относительно сложным в смысле изготовления является дополнительный насос 6, который по принципу работы и конструкции может быть аналогичен насосу 1.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с жидкостными системами охлаждения. В жидкостную систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащую рубашки охлаждения блока цилиндров и его головки, термостат, радиатор, основной насос, введен малый гидравлический контур: термостат, дополнительный насос, развивающий увеличенный динамический напор, с обратным клапаном на нагнетательной стороне, весь объем рубашки охлаждения блока цилиндров, включая ее самые низкорасположенные точки, рубашка охлаждения головки блока, термостат, по которому охлаждающая жидкость циркулируют только во время прогрева двигателя или при его работе с переохлаждением. Предусмотрено введение дополнительного гидравлического контура, по которому охлаждающая жидкость с высокой температурой замерзания циркулирует только при прогреве двигателя или при его работе с переохлаждением. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Жидкостная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая рубашки охлаждения блока цилиндров и его головки, термостат, радиатор, насос (основной), отличающаяся тем, что введен малый гидравлический контур: термостат-дополнительный насос, развивающий увеличенный динамический напор, с обратным клапаном на нагнетательной стороне (на выходе) - весь объем рубашки охлаждения блока цилиндров, включая ее самые низкорасположенные точки, - рубашка охлаждения головки блока-термостат, по которому охлаждающая жидкость циркулирует только во время прогрева двигателя или при его работе с переохлаждением. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что введен дополнительный гидравлический контур: насос (основной), снабженный двумя обратными клапанами на нагнетательной стороне (на выходе) - радиатор-насос (основной), по которому охлаждающая жидкость с высокой температурой замерзания (например, вода) циркулирует только при прогреве двигателя или при его работе с переохлаждением.