СПОСОБ И СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ И ПОДОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F01P3/00 

Изобретение относится к системам жидкостного охлаждения и подогрева двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано как в стационарных, так и в мобильных транспортных силовых установках с тепловыми двигателями жидкостного охлаждения.

Известен способ жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания, при котором средства регулирования обеспечивают температуру T_ж жидкости в интервале T_с<T_ж=T_max, где T_с - температура окружающей среды, для подогрева используют тепловой аккумулятор с газовым и жидкостным каналами, газовый канал сообщают с выхлопным коллектором двигателя, жидкостный канал встраивают в жидкостный контур и обеспечивают возможность циркуляции жидкости при работающем и неработающем двигателе [1,2]. Недостатком известного способа охлаждения и подогрева двигателя является необходимость в течение каждого эксплуатационного цикла двигателя (ЭПД) запуск - работа - останов - стоянка - запуск заполнения и последующего освобождения жидкостного канала теплового аккумулятора, т. е. прерывание циркуляции жидкости в контуре подогрева, и обусловленные этим; усложнение конструкции системы охлаждения и подогрева, заключающееся в необходимости дополнительного насоса с электроприводом, дополнительных клапанов, магистралей и емкостей; необходимость дополнительных затрат времени на заполнение и последующее освобождение жидкостного канала теплового аккумулятора; случайной значение температуры жидкости в диапазоне T_c<T<T_max в момент остановки двигателя.

Что касается систем жидкостного охлаждения и подогрева ДВС, реализующих известный способ, то известна система жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания, содержащая рубашку двигателя, радиатор, средства регулирования температуры и управления потоком жидкости, насос, канал подвода газа от выхлопного коллектора двигателя к тепловому аккумулятору, тепловой аккумулятор с теплоаккумулирующим блоком, теплоизоляцией, газовыми и жидкостными каналами, средствами перекрытия газовых каналов [2]. Недостатками известной системы охлаждения и подогрева ДВС являются, помимо названных выше недостатком, присущих способу, потери тепла выхлопных газов, большое время зарядки и быстрая разрядка теплового аккумулятора системы.

Известна также система жидкостного охлаждения ДВС с поддержанием температуры в жидкостном контуре на уровне не превышающем заданной максимальной температуры T_max и принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости в замкнутом контуре, содержащем канал рубашки охлаждения, канал радиатора и каналы средств регулирования температуры жидкости и управления потоком жидкости, в которой средства регулирования температуры и управления потоком выполнены в виде терморегулятора с термочувствительным элементом, клапанами, входными и выходными патрубками [3,4] . Недостатком системы является быстрая потеря тепла при стоянке двигателя в холодное время года и вызванные этим затрудненный запуск двигателя и дискомфорт в салоне транспортного средства, отапливаемом от системы охлаждения.

Целями изобретения являются уменьшение затрат вспомогательного времени на один эксплуатационный цикл ДВС, снижение потерь тепла выхлопных газов, уменьшение веса, габаритов и упрощение конструкции системы, уменьшение времени зарядки и увеличение времени разрядки теплового аккумулятора, обеспечение максимального значения температуры жидкости в момент остановки двигателя.

Поставленные цели достигаются тем, что в отличие от известного способа жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания [2,3], при работающем двигателе осуществляют одновременно зарядку теплового аккумулятора и подогрев жидкости, подогрев регулируют по температуре T_c окружающей среды, регулирование осуществляют изменением расхода выхлопных газов через тепловой аккумулятор, поддерживают при работающем двигателе температуру T_ж жидкости на уровне T_ж=T_max и обеспечивают возможность беспрерывной циркуляции жидкости с момента прекращения до момента возобновления работы двигателя.

В предлагаемом способе при работающем двигателе обеспечивают принудительную циркуляцию жидкости, а при неработающем двигателе возможно обеспечение термосифонной циркуляции.

Указанные цели в системе жидкостного охлаждения и подогрева ДВС достигаются тем, что в отличие от известной системы жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания [2], средства регулирования температуры жидкости и управления потоком жидкости выполнены в виде терморегулятора с термочувствительным элементом, клапанами, входными и выходным патрубками, один из входных патрубков соединен с выходом из рубашки двигателя и входом в радиатор, второй входной патрубок соединен с выходом из радиатора, выходной патрубок соединен с входом в жидкостный канал теплового аккумулятора, выход которого соединен с входом в рубашку двигателя, система оснащена средством регулирования расхода выхлопных газов по температуре окружающей среды, средства перекрытия газовых каналов связаны между собой и с средством регулирования расхода выхлопных газов способом, обеспечивающим плавное открытие одного из газовых каналов при плавном закрытии другого газового канала и наоборот.

С целью уменьшения потерь тепла и упрощения конструкции жидкостный канал теплового аккумулятора может быть выполнен в виде рубашки с кольцевой жидкостной полостью, коаксиальной с теплоаккумулирующим блоком, а жидкостный канал теплового аккумулятора и канал подвода газа от выхлопного коллектора размещены в теплоизоляции теплового аккумулятора.

При этом теплоаккумулирующий блок с целью уменьшения времени зарядки теплом может быть выполнен в форме герметичного сосуда, каналы подвода и отвода выхлопных газов подсоединены к сосуду, в сосуде упакованы твердые теплоаккумулирующие элементы, форма элементов такова, что между ними остаются каналы для прохода выхлопных газов.

Сами теплоаккумулирующие элементы могут быть выполнены в форме стержней.

При этом стержни могут быть выполнены полыми и герметичными, а полость стержней заполнена материалом или веществом, температура плавления которого ниже температуры выхлопных газов двигателя.

Предлагаемый способ и система охлаждения и подогрева на его основе по сравнению с прототипами обладает тем преимуществом, что система имеет более простую конструкцию, меньшие габариты и вес, меньшие потери тепла выхлопных газов, большее время сохранения тепла, требует меньших затрат вспомогательного времени в каждом эксплуатационном цикле ДВС запуск - работа - останов - стоянка - запуск, что обеспечивает, в частности, возможность внедрения способа и системы подогрева и охлаждения в мобильные транспортные средства, например, в пассажирский и грузовой транспорт, с целью увеличения продолжительности поддержания теплового комфорта в салоне транспортного средства при его стоянке в холодное время года и суток и для обеспечения нормального запуска после более продолжительной стоянки. При этом открывается также возможность массовой замены ядовитого антифриза на экологически безопасную природную воду.

Сущность предлагаемых способа и системы на его основе поясняется на фиг. 1 - 3. На фиг. 1 представлена принципиальная электропневмогидравлическая схема системы жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания, в которой реализуется предлагаемый способ; на фиг. 2 дана схема конструкции подогревателя с тепловым аккумулятором; на фиг. 3 показано поперечное сечение подогревателя.

Система жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит рубашку двигателя 1, радиатор 2, подогреватель 3 с тепловым аккумулятором 4, терморегулятор 5, насосы 6 и 7, канал 8 подвода газа от выхлопного коллектора двигателя 1 к тепловому аккумулятору 4, средства 9 и 10 перекрытия газовых каналов 11 и 12, имеющих общий выход в глушитель 13, средство регулирования 14 расхода выхлопных газов, электродвигатель 15, источник тока 16, например, электрический аккумулятор, температурное реле 17, включатель 18.

Система охлаждения и подогрева - закрытая, замкнутая и имеет три контура циркуляции жидкости:
1) контур А - циркуляция через рубашку двигателя 1, насос 7, канал 19, терморегулятор 5, подогреватель 3, насос 6;
2) контур Б - циркуляция через контур А и радиатор 2;
3) контур В) - циркуляция через контур Б, минуя канал 19.

Подогреватель (фиг. 2 и фиг. 3) содержит тепловой аккумулятор, состоящий из теплоаккумулирующего блока 20, теплоизоляции 21, газовых каналов 11 и 12, средств 9 и 10 перекрытия газовых каналов 11 и 12, канал 8 подвода выхлопных газов от выхлопного коллектора 22 двигателя к тепловому аккумулятору 4 (см. фиг. 1), жидкостный канал 23 с входным 24 и выходным 25 патрубками. Жидкостный канал 23 выполнен в виде рубашки с кольцевой жидкостной полостью, коаксиальной с теплоаккумулирующим блоком 20. При этом жидкостный канал 23 и канал 8 подвода газа от выхлопного коллектора размещены в теплоизоляции 21 теплового аккумулятора.

Теплоаккумулирующий блок 20 (фиг. 2 и фиг. 3) представляет собой герметичный сосуд 26, к которому подсоединен канал 8 подвода газов от выхлопного коллектора 22 двигателя. В сосуде упакованы твердые теплоаккумулирующие элементы в виде стержней 27, 28, 29 разного профиля поперечного сечения; при этом стержень 29 - полый, в его полости размещен материал 30, температура плавления которого меньше температуры выхлопных газов. Стержни с торцов опираются на входную и выходную решетки 31 и 32.

Система охлаждения и подогрева позволяет в любое время года и суток в зависимости от температуры окружающей среды осуществлять подогрев жидкости как при работающем, так и неработающем двигателе. Основными режимами работы являются два режима: режим зарядки теплового аккумулятора и жидкости отходящим теплом выхлопных газов при работающем двигателе и режим подогрева жидкости при неработающем двигателе.

В режиме зарядки теплом средство 14 (см. фиг. 1) регулирования расхода выхлопных газов через канал 11 теплового аккумулятора, имеющее жесткую механическую связь с средствами 9 и 10 перекрытия газовых каналов 11 и 12 обеспечивает в зависимости от температуры окружающей среды необходимое положение средств 9 и 10, и расход выхлопных газов через теплоаккумулирующий блок 20 такой, что обеспечивается максимальное значение T_max температуры жидкости. При превышении значения T_max вступает в действие терморегулятор 5, который направляет поток жидкости через радиатор 2, где снимается избыток тепла.

В момент остановки двигателя тепловой аккумулятор заряжен полностью, температура на поверхности теплоаккумулирующего блока 20 при этом имеет порядок 700 - 800^oC, а на внутренней поверхности рубашки 23 - 200 ^oC. Кроме того, температура жидкости в контуре при этом находится на уровне температуры T_max.

После остановки двигателя температура жидкости в контуре понижается от уровня T_max до значения T₀ в интервале T_c<T_о<T_max, где T_o- температура, при которой срабатывает температурное реле 17, включающее электродвигатель 15, приводящий в действие насос 7, осуществляющий принудительную циркуляцию жидкости в контуре через тепловой аккумулятор 4. Поскольку при этом T₀<T_max, то терморегулятор 5 отсекает проток через радиатор 2 и потери тепла через радиатор при неработающем двигателе исключаются. В случае применения в качестве охлаждающей жидкости воды отключение радиатора недопустимо. В этом случае терморегулятор 5 после остановки двигателя принудительно фиксируется в третьем положении, обеспечивающем проток жидкости через радиатор 2 и канал 19.

При неработающем двигателе в предлагаемой системе охлаждения и подогрева возможна организация термосифонной циркуляции жидкости, минуя радиатор 2. Для этого верхний уровень жидкости в рубашке 23 должен быть расположен ниже нижнего уровня жидкости в рубашке охлаждения двигателя, а входной 24 и выходной 25 патрубки жидкостного канала 23 должны быть разнесены по высоте. В этом случае опадает необходимость в насосе 7.

Предлагаемый способ и система жидкостного охлаждения могут быть использованы в силовых установках всех видов транспорта, оснащенного двигателями внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, например, в силовых установках средств пассажирского транспорта. Полезность предложения в последнем случае заключается в том, что накопленное в теплоаккумулирующем блоке и жидкости тепло обеспечивает при неработающем двигателе более продолжительную стоянку средства транспорта в холодное время года и/или суток без ухудшения теплового комфорта в салоне, отапливаемом от системы охлаждения и подогрева двигателя, и без ухудшения пусковых характеристик двигателя.

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению с известными являются уменьшение затрат вспомогательного времени на один эксплуатационный цикл ДВС, снижение потерь тепла выхлопных газов, уменьшение времени зарядки и увеличение времени разрядки теплового аккумулятора, обеспечение максимального значения температуры жидкости в момент остановки двигателя, уменьшение веса, габаритов и упрощение конструкции системы.

Указанные преимущества открывают возможность внедрения предлагаемых способа и системы охлаждения и подогрева жидкости в силовые установки мобильных транспортных средств, например, в средства пассажирского транспорта с характерными для них большим, в течение суток, числом эксплуатационных циклов двигателя запуск - работа - останов - стоянка - запуск и ограниченными возможностями по размещению в объеме кузова автомобиля необходимых элементов конструкции системы. Также открываются возможности массовой замены ядовитого антифриза на природную воду и исключения стоянки транспортного средства с работающим двигателем, что экономит топливо и исключает загрязнение окружающей среды антифризом и выхлопными газами.

Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР N 739250, кл. F 01 N 5/02, F 02 N 17/02, публ. 05.06.80.

2. Описание изобретения к патенту Российской Федерации N 2043532, кл. F 02 N 17/04, F 01 N 5/02, F 02 G 5/02, F 1 D 5/02, F 01 M 5/02, 10.09.95.

3. Райков И. Я. Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. Учебник для вузов по спец. "Двигатели внутреннего сгорания". - М.: Высшая школа, 1986, 352 с.

4. Автомобили ВАЗ / В.А. Вершигора, А.П Игнатова, В.И.Зельцер, К.Б.Пятков. 3-е изд-е, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1976.

Изобретение относится к системам жидкостного охлаждения и подогрева двигателей внутреннего сгорания. Способ и система жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания с циркуляцией охлаждающей жидкости в замкнутом контуре и тепловым аккумулятором. Система, реализующая способ, содержит подогреватель, тепловой аккумулятор, заряжаемый отходящим теплом выхлопных газов, терморегулятор для жидкости, средства регулирования расхода выхлопных газов через тепловой аккумулятор по температуре окружающей среды. Зарядка теплового аккумулятора осуществляется одновременно с подогревом жидкости в процессе работы двигателя. К моменту прекращения работы двигателя обеспечивается допустимая максимальная величина температуры жидкости и зарядка теплового аккумулятора. С момента прекращения работы двигателя и до момента возобновления его работы обеспечивается возможность непрерывной принудительной и/или термосифонной циркуляции жидкости в контуре. Изобретение позволяет уменьшить затраты вспомогательного времени на один эксплуатационный цикл, снизить потери тепла выхлопных газов. 2 с.з. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания, при котором средства регулирования обеспечивают температуру T_ж жидкости в интервале T_с < T_ж ≤ T_max, где T_с - температура окружающей среды, для подогрева используют тепловой аккумулятор с газовым и жидкостным каналами, газовый канал сообщают с выхлопным коллектором двигателя, жидкостный канал встраивают в жидкостный контур и обеспечивают возможность циркуляции жидкости при работающем и неработающем двигателе, отличающийся тем, что при работающем двигателе осуществляют одновременно зарядку теплового аккумулятора и подогрев жидкости, подогрев регулируют по температуре T_с окружающей среды, регулирование осуществляют изменением расхода выхлопных газов через тепловой аккумулятор, поддерживают при работающем двигателе температуру T_ж жидкости на уровне T_ж = T_max и обеспечивают возможность беспрерывной циркуляции жидкости с момента прекращения до момента возобновления работы двигателя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при работающем двигателе обеспечивают принудительную циркуляцию жидкости, а при неработающем двигателе - термосифонную циркуляцию. 3. Система жидкостного охлаждения и подогрева двигателя внутреннего сгорания. содержащая рубашку двигателя, радиатор, средства регулирования температуры и управления потоком жидкости, насос, канал подвода газа от выхлопного коллектора двигателя к тепловому аккумулятору, тепловой аккумулятор с теплоаккумулирующим блоком, теплоизоляцией, газовыми и жидкостным каналами, средствами перекрытия газовых каналов, отличающаяся тем, что средства регулирования температуры жидкости и управления потоком жидкости выполнены в виде терморегулятора с термочувствительным элементом, клапанами, входными и выходным патрубками, один из входных патрубков соединен с выходом из рубашки двигателя и входом в радиатор, второй входной патрубок соединен с выходом из радиатора, выходной патрубок соединен с входом в жидкостный канал теплового аккумулятора, выход которого соединен с входом в рубашку двигателя, система оснащена средством регулирования расхода выхлопных газов по температуре окружающей среды, средства перекрытия газовых каналов связаны между собой и со средством регулирования расхода выхлопных газов способом, обеспечивающим плавное открытие одного из газовых каналов при плавном закрытии другого газового канала и наоборот. 4. Система по п.3, отличающаяся тем, что жидкостный канал теплового аккумулятора выполнен в виде рубашки с кольцевой жидкостной полостью, коаксиальной с теплоаккумулирующим блоком, а жидкостный канал теплового аккумулятора и канал подвода газа от выхлопного коллектора размещены в теплоизоляции теплового аккумулятора. 5. Система по п.4, отличающаяся тем, что теплоаккумулирующий блок выполнен в форме герметичного сосуда, канал подвода выхлопных газов подсоединен к сосуду, в сосуде упакованы твердые теплоаккумулирующие элементы, форма элементов такова, что между ними остаются каналы для прохода выхлопных газов. 6. Система по п.5, отличающаяся тем, что теплоаккумулирующие элементы выполнены в форме стержней. 7. Система по п.6, отличающаяся тем, что стержни выполнены полыми и герметичными, полость стержней заполнена материалом или веществом, температура плавления которого ниже температуры выхлопных газов двигателя.