УСТРОЙСТВО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F01P3/22 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для охлаждения и термостатирования элементов и механизмов с интенсивными тепловыделениями, в частности для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известны системы охлаждения и термостатирования ДВС, основанные на воздушном, жидкостном и испарительном способе охлаждения. Наибольшее распространение получили системы жидкостного охлаждения, применяющиеся в двигателях внутреннего сгорания практически всех типов.

Устройство охлаждения двигателя, например, для автомобиля ВАЗ 2108, имеет следующие элементы: расширительный бачок, соединительные шланги, радиатор, вентилятор, жидкостный насос, зубчатый шкив насоса, термостат и работает следующим образом: при запуске двигателя, при малых частотах вращения и нагрузках и в холодное время года (при температуре -40^oC) жидкость прокачивается между полостями возле цилиндров и не циркулирует через радиатор. По мере нагрева двигателя или при высокой температуре окружающей среды (+40^oC) термостат открывает канал для циркуляции жидкости через радиатор, который охлаждается потоком встречного воздуха или вентилятором. Таким образом, устройство поддерживает стабильные температурные режимы в двигателе от +85 до + 97^oC при его длительной работе на различных режимах и при различных температурах внешней среды от -40 до +40^oC.

Однако такое устройство является сложным, требует дополнительных затрат энергии и не обладает высокой эксплуатационной надежностью. Кроме того, в холодный период после запуска двигателя требуются затраты энергии для выхода на рабочие температурные режимы двигателя.

Известны технические решения (1)-(5), основанные на принципе жидкостного охлаждения с введенными элементами, повышающими надежность и эффективность работы устройств.

Однако наиболее эффективными являются системы охлаждения двигателей, основанные на испарительном принципе (Система для испарительного охлаждения ДВС и для приведения в действие подогревающего теплообменника хладагентом (6)), выбранная в качестве аналога. Система содержит несколько трубопроводов, проходящих внутри двигателя и обеспечивающих циркуляцию хладагента в ДВС, содержит охлаждающий контур с конденсатором, клапанным устройством и основным резервуаром, а также нагревающий контур и насос. Данная система обладает способностью интенсивного охлаждения, но не обладает управлением термостабилизацией без применения подвижных узлов, специальных или исполнительных механизмов и внешних источников энергии.

Известны устройства термостатирования (7) - (8), отличающиеся простотой конструкции и высокой эффективностью терморегулирования по сравнению с существующими аналогами. Устройства состоят из элементов теплоизоляции, термосифонов с переменным температурным сопротивлением и радиаторов для стока теплоты в окружающее пространство. Термосифон содержит парлифтный пускатель, перекачивающий жидкую фазу теплоносителя. Теплоноситель состоит из компонентов, один из которых при температуре стабилизации кипит, а другой при температуре ниже температуры стабилизации переходит в твердое состояние, обладая в этом состоянии низкой теплопроводностью.

Данные устройства работают только на паразитной энергии тепловыделяющих элементов, используя физические свойства материалов, не имеют сочлененных и подвижных узлов с циркулирующей жидкостью, в связи с чем не требуют профилактического осмотра и ремонта.

Из всей партии изделий при непрерывной эксплуатации в течение пяти лет не зафиксировано ни одного отказа или отклонения температуры стабилизации от +55 до +57^oC, в условиях изменения тепловой мощности от 40 до 100 Вт, и температур окружающей среды от -40 до +40^oC при воздействии ветра, солнечной радиации, дождя и снега.

Однако данные устройства относятся к другой области техники и для охлаждения двигателей необходимы новые технические решения, позволяющие термостабилизировать механизмы с тепловыми выделениями от нескольких киловатт и выше.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции по технической сущности и достигаемому результату является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания (9), выбранная в качестве прототипа. Система содержит рубашку охлаждения двигателя, распределитель жидкости, радиатор, насос, испаритель, нагнетатель, запорные органы, емкость с воздушным клапаном. При холодном двигателе жидкость перепускается мимо испарителя и радиатора. После прогрева двигателя охлаждающая жидкость направляется в радиатор, а при перегреве - в испаритель, где за счет интенсивного испарения, благодаря создаваемому нагнетателем разряжения, охлаждается, а пары поступают в радиатор, увеличивая в нем перепад температур.

Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения ДВС. Однако недостатком данной конструкции является наличие соединительных шлангов между рубашкой охлаждения двигателя, испарителем, насосом, радиатором, распределителем, емкостью: все заполнены циркулирующей жидкостью. Подобные устройства на практике часто нуждаются в профилактическом осмотре для восстановления герметичности и необходимого количества жидкости. Кроме того, не сохраняются температуры стабилизации двигателя при его остановках, особенно в холодное время года. Данные недостатки снижают эксплуатационную надежность и эффективность системы охлаждения и термостатирования ДВС.

Целью данного изобретения является повышение эксплуатационной надежности и эффективности системы термостатирования ДВС.

Указанная цель достигается тем, что рубашку охлаждения двигателя выполняют в виде герметичных термосифонов, вводят стенку теплоизоляции с верхними и нижними наклонными каналами и вместе с испарителем и емкостью располагают в каждом термосифоне рубашки охлаждения двигателя и компонуют в виде парлифтного пускателя для циркуляции хладагента, состоящего из компонентов, один из которых кипит при температуре стабилизации, а другой при температуре ниже температуры стабилизации переходит в твердое состояние, обладая в этом состоянии низкой теплопроводностью, радиатор выполняют для свободной воздушной конвекции и плоскостью прижимают к термосифонам рубашки охлаждения двигателя.

Новыми существенными признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, являются:
а) наличие новых конструктивных элементов - герметичный термосифон, парлифтный пускатель, стенка теплоизоляции с наклонными каналами.

б) Наличие связи между элементами - элементы связаны теплофизической компоновкой для свободной циркуляции жидкости.

в) Взаимное расположение элементов - все элементы расположены в герметичных термосифонах, а радиатор плоскостью примыкает к термосифонам рубашки охлаждения двигателя.

г) Форма выполнения элементов:
- рубашка охлаждения двигателя в виде герметичных термосифонов,
- стенка теплоизоляции с наклонными каналами, испаритель и емкость в виде парлифтного пускателя,
- хладагент в виде смеси компонентов, один из которых при температуре стабилизации кипит, а другой при температуре ниже стабилизационной переходит в твердое состояние с низкой теплопроводностью.

В результате анализа технических решений в области машиностроения установлено, что признаки а) - г) неизвестны, как в отдельности, так и в совокупности, а заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Докажем возможность достижения положительного эффекта при осуществлении данного изобретения. На чертеже приведена схема устройства термостатирования тепловыделяющих механизмов, в частности ДВС. Показано сечение водяной рубашки охлаждения двигателя в виде герметичного термосифона 1, испарителя 2, емкости 3 и стенки теплоизоляции с верхними и нижними наклонными каналами 6: все скомпоновано в виде парлифтного пускателя. В самом деле в испарителе 2, примыкающем к стенке цилиндра 4, нагреваемой от сгорания топлива, при температуре стабилизации (+95^oC) происходит закипание жидкости хладагента с образованием пузырьков. Размеры и количество пузырьков растут при увеличении температуры и под влиянием подъемной силы и конвективных токов они поднимаются ко входному отверстию верхнего наклонного канала в стенке теплоизоляции 6. Свободная поверхность жидкости расположена у выхода из данного канала и пузырьки с паром выталкивают столбик жидкости вниз канала в емкость 3, где она охлаждается радиатором 5. Охлажденная жидкость опускается ко дну емкости, все более охлаждаясь от радиатора, и поступает ко входному отверстию нижнего наклонного канала. Через выходное отверстие данного канала жидкость поступает в испаритель, где нагревается и поднимается вверх, постепенно закипая. Таким образом, осуществляются работа парлифтного пускателя и циркуляция хладагента от нагретых цилиндров двигателя к охлаждающему радиатору.

Чем выше температуры двигателя и окружающей среды (+40^oC), тем интенсивнее процесс образования пузырьков и процесс циркуляции жидкости. Происходит интенсивный отвод тепла от двигателя через радиатор в окружающее пространство до температуры стабилизации. В данном устройстве поверхности испарения и охлаждения хладагента велики по сравнению с протяженностью каналов от испарителя к охладителю, поэтому и высока эффективность теплопередачи. Так как для теплопередачи используется испарительно-конденсаторный метод с саморегулирующейся интенсивностью циркуляции жидкости, то и высока эффективность системы охлаждения и термостатирования ДВС. Излишняя площадь радиатора, рассчитанная для свободной конвекции, не допустит перегрева ДВС при высоких температурах окружающей среды и увеличенных частотах вращения и нагрузках ДВС.

После остановки ДВС снижается интенсивность циркуляции хладагента до полного прекращения, а на примыкающих к радиатору стенках термосифона оседает второй компонент хладагента в виде сплошного твердого слоя с низкой теплопроводностью. Данное состояние системы с наличием в рубашке охлаждения двигателя стенки теплоизоляции позволяет длительное время сохранять тепло ДВС стенки заполняются хладагентом. Всего в рубашке охлаждения ДВС располагается 8 литров хладагента, состоящего из 50% водного раствора этилового спирта и смеси предельных углеводородов C18-C35 этилового спирта и смеси предельных углеводородов С18-С35 эйкозана и триаконтана, представляющих собой парафин с температурой плавления от 36,8 до 65,8^oC. Расплавленный парафин смешивается с водным раствором в пропорциях 1:2, что позволяет получить осаждаемый на стенках термосифона слой парафина толщиной 10 мм. Водный раствор спирта имеет температуру кипения 95^oC и для того чтобы сохранялась данная температура стабилизации в замкнутом объеме, в термосифоне снижают давление относительно атмосферного, и его герметизируют, запаивая клапан емкости термосифона. Радиатор из алюминия в виде восьми секций плоскостями 0,4 м x 0,2 м, прижатых к термосифонам, имеет площадь поверхности ребер 5 кв.м, покрытых кремнийорганической белой краской.

В итоге получаем, что с площади нагрева цилиндров 0,2 кв.м и клапанного механизма ДВС на плоскость радиатора охлаждения площадью 0,6 кв.м отводится данным устройством тепловая мощность до 8 кВт, что подтверждается экспериментальными результатами.

Источники информации.

1. Патент Франции N 2702244 A1. Устройство охлаждения для двигателей внутреннего сгорания, 5 F 01 P 11/00.

2. Патент Японии N 2-43006. Устройство для охлаждения горизонтального ДВС с водяным охлаждением, 5 F 01 P 3/04 от 26.09.90.

3. Патент Германии N 3922737. Устройство для передачи теплоты реакции в контур теплоносителя двигателя внутреннего сгорания, 5 F 01 P 11/20 от 24.01.91.

4. Патент США N 5211136 A. Устройство охлаждения двигателя, 5 F 01 P 11/00.

5. Попов и др. Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания. А.С. N 1539351 (СССР) 5 F 01 P 11/00 от 30.01.90.

6. Патент США N 4932365. Система для испарительного охлаждения ДВС и для приведения в действие подогревающего теплообменника хладагентом, 5 F 01 P 7/02 от 12.06.90 - аналог.

7. Патент России N 2061308, Волков А.Г. и др. Устройство термостатирования тепловыделяющих блоков, H 05 K 7/20 от 22.05.92 - аналог.

8. Патент России N 2054835, Волков А.Г. и др. Высокочастотный модуль, H 05 K 5/00, 7/20 от 10.10.92.

9. Будим В.А. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания. А.С. N 4481809 (СССР) 5 F 01 P 3/22 от 23.02.91 - прототип.

Изобретение относится к области машиностроения для создания систем охлаждения и термостатирования элементов и механизмов с интенсивными тепловыделениями, в частности для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Система содержит рубашку охлаждения двигателя, выполненную в виде герметичных термосифонов, стенку теплоизоляции с верхними и нижними наклонными каналами, которую вместе с испарителем и емкостью располагают в каждом термосифоне и компонуют в виде парлифтного пускателя для циркуляции хладагента, состоящего из компонентов, один из которых при температуре стабилизации кипит, другой при температуре ниже температуры стабилизации переходит в твердое состояние, обладая в этом состоянии низкой теплопроводностью, а радиатор выполняют для свободной воздушной конвекции и плоскостью прижимают к термосифонам рубашки охлаждения двигателя. В испарителе, примыкающем к стенке цилиндра, хладагент закипает. Образующиеся пузырьки под влиянием подъемной силы и конвективных токов поднимаются к верхнему наклонному каналу в стенке и выталкивают столбик жидкости из канала в емкость, где она охлаждается радиатором. Хладагент опускается ко дну емкости, все более охлаждаясь от радиатора, поступает через нижний канал в испаритель, где нагревается и поднимается вверх, вновь закипая. После остановки ДВС снижается интенсивность циркуляции хладагента до полного прекращения, при этом на примыкающих к радиатору стенках термосифона оседает второй компонент хладагента в виде слоя с низкой теплопроводностью. Данное состояние системы с наличием в рубашке охлаждения двигателя стенки теплоизоляции позволяет длительное время сохранять тепло ДВС, несмотря на развитую площадь поверхности радиатора. В данном устройстве используются только паразитная тепловая энергия ДВС и физические свойства материалов без применения подвижных узлов и соединительных шлангов, в связи с чем увеличиваются эксплуатационная надежность и эффективность системы термостатирования ДВС. 1 ил.

Устройство термостатирования двигателей внутреннего сгорания, состоящее из рубашки охлаждения двигателя, радиатора, испарителя и емкости, заполненных хладагентом, отличающееся тем, что, с целью повышения эксплуатационной надежности и эффективности системы, рубашку охлаждения двигателя выполняют в виде герметичных термосифонов, вводят стенку теплоизоляции с верхними и нижними наклонными каналами и вместе с испарителем и емкостью располагают в каждом термосифоне рубашки охлаждения двигателя и компонуют в виде парлифтного пускателя для циркуляции хладагента, состоящего из компонентов, один из которых при температуре стабилизации кипит, а другой при температуре ниже температуры стабилизации переходит в твердое состояние, обладая в этом состоянии низкой теплопроводностью, а радиатор выполняют для свободной воздушной конвекции и плоскостью прижимают к термосифонам рубашки охлаждения двигателя.