СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F01P3/20 

Изобретение относится к технике двигателестроения, а именно к системам жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано в указанных двигателях, преимущественно с принудительным воспламенением рабочей смеси.

Известны системы жидкостного охлаждения закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости (см., например, Вершигора В.А., Игнатов А.П. и др. Устройство и обслуживание автомобилей ВАЗ-2105, ВАЗ-2104, ВАЗ-2107. - М.: Патриот. 1990. 349 с., ил. с. 56-66), принятые авторами за аналоги. Они состоят из соединенных в замкнутый контур рубашки охлаждения двигателя, радиатора охлаждения, а также расширительного бачка, связанного с системой через клапан в пробке радиатора. Принудительная циркуляция жидкости обеспечивается жидкостным насосом, при этом указанная система охлаждения осуществляет теплоотвод от двигателя, необходимый для обеспечения его работоспособности.

В то же время радиатор с пробкой трудно совместим с требованиями к конструкции современных легковых автомобилей - снижению высоты передней части кузова, работа клапана радиатора, находящегося в постоянном контакте с охлаждающей жидкостью, недостаточно надежна; величина давления в системе охлаждения, определяющая эффективность теплоотвода, зависит от температуры охлаждающей жидкости.

Таким образом, задачей данного технического решения являлось обеспечение теплоотвода от нагретых продуктами сгорания топливовоздушной смеси элементов двигателя при установившемся режиме его работы, не лимитируемых габаритных характеристиках радиатора и своевременном контроле работы его клапана.

Общими признаками с предлагаемой авторами системой охлаждения двигателя являются наличие соединенных в замкнутый контур и заполненных охлаждающей жидкостью рубашки охлаждения двигателя, жидкостного насоса, радиатора охлаждения и расширительного бачка.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является система охлаждения двигателя автомобиля ВАЗ-2110 (Руководство по ремонту и каталог запчастей автомобилей ВАЗ-2110, ВАЗ-2111 и ВАЗ-2112. С.Н. Волгин, А.П. Игнатов, С.Н. Косарев, К.В. Новокшонов, К.Б. Пятков, В.А. Яметов. - М.: Издательский Дом Третий Рим, 1999, с. 56, рис.20.), принятая за прототип. Она содержит соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостный насос и радиатор охлаждения, а также связанный с контуром расширительный бачок с клапаном над воздушной полостью этого бачка.

Система охлаждения, принятая за прототип, работает следующим образом.

После запуска двигателя находящаяся в системе охлаждения жидкость циркулирует в замкнутом контуре между рубашкой охлаждения двигателя и радиатором охлаждения, отбирая избыточное тепло от стенок цилиндров и камер сгорания в рубашке охлаждения двигателя и перенося его к радиатору охлаждения, через который тепло отводится в окружающую среду. По мере прогрева и расширения жидкости в закрытой системе охлаждения происходит рост давления, повышающий температуру кипения охлаждающей жидкости и уменьшающий кавитационные эффекты.

Рост давления сверх уровня, определенного разработчиком для конкретной конструкции двигателя, ограничивается клапаном расширительного бачка путем выпуска воздуха из воздушной полости расширительного бачка в окружающую среду. По окончании работы двигателя температура охлаждающей жидкости и ее объем уменьшаются, давление в системе охлаждения падает. При повторном запуске двигателя процесс выхода на рабочий режим повторяется.

Указанная система охлаждения обеспечивает поддержание температуры охлаждающей жидкости в пределах установленной величины, однако по этой температуре не всегда можно правильно определить тепловое состояние двигателя, если нарушена теплопередача от охлаждаемой поверхности к охлаждающей жидкости вследствие, например, кипения жидкости на нагретых поверхностях при недостаточном уровне давления в системе охлаждения.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании системы, принятой за прототип, относится зависимость величины давления в системе охлаждения, определяющей эффективность теплоотвода, от температуры охлаждающей жидкости и величины молярного объема вещества, заключенного в закрытой системе охлаждения. Указанный недостаток проявляется:

- в отсутствии необходимого уровня давления в системе охлаждения, а соответственно, эффективного теплоотвода в начальный период работы двигателя, до прогрева охлаждающей жидкости;

- в замедленном росте уровня давления в системе охлаждения вследствие наличия воздуха в расширительном бачке, возможности упругих деформаций составных частей, преимущественно соединительных элементов и расширительного бачка при повышении давления в системе охлаждения;

- в заниженном уровне давления в системе охлаждения при возобновлении работы двигателя после кратковременной остановки полностью прогретого двигателя из-за быстрого падения давления в системе при остывании, вследствие выпуска воздуха из расширительного бачка при достижении максимального уровня рабочего давления в системе.

Это приводит к тому, что охлаждающая жидкость, находящаяся в соприкосновении с сильно нагретыми стенками рубашки охлаждения при недостаточном уровне давления в системе начинает кипеть на нагретых поверхностях внутрь образующихся при этом пузырьков пара.

Циркулирующий поток охлаждающей жидкости частично отводит парообразования в расширительный бачок, но они продолжают появляться вновь и снижают величину эквивалентного коэффициента теплопроводности, нарушая теплоотвод от клапанов газораспределительного механизма, которые находятся в верхней части головки блока цилиндров и стенок камеры сгорания. Парообразования могут слиться в единую область, вытеснив жидкость от самых верхних частей рубашки охлаждения в расширительный бачок, и стабилизироваться на этом режиме. Все это влечет еще большее нарушение теплоотвода от двигателя, повышенное удлинение стержней клапанов газораспределительного механизма и уменьшение зазоров в их приводе, вызывая отклонение фаз газораспределения от оптимальных значений, снижая наполнение цилиндров и полноту сгорания топливовоздушной смеси. Следствием чего является неустойчивая работа двигателя, снижение мощности, увеличение расхода топлива и повышение токсичности отработавших газов, а в сочетании с интенсивной эксплуатацией - сбои в рабочем цикле двигателя, нагарообразование на клапанах и в камерах сгорания, что, в свою очередь, может привести к перегреву и повреждению клапанов и двигателя в целом.

Таким образом, задачей данного технического решения - прототипа являлось обеспечение стабильного температурного режима двигателя на установившемся режиме его работы, при умеренных нагрузках, обеспечивая соответствие токсичности выхлопных газов требованиям действующей нормативной документации.

Общими признаками с предлагаемой авторами системой охлаждения являются соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашка охлаждения двигателя, жидкостный насос и радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок.

В отличие от прототипа предлагаемая авторами система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания снабжена источником давления, выполненным с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежного и эффективного охлаждения составных частей и механизмов двигателя внутреннего сгорания в течение всего времени его работы, включая период выхода его на установившийся рабочий режим после запуска.

Указанный ниже технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной системе жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей соединенные между собой и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостный насос и радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок, особенность заключается в том, что она снабжена источником давления, выполненным с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя.

Новая совокупность конструктивных элементов, выражающаяся в наличии узла, нового по сравнению с прототипом, и выполнении этого узла позволяет за счет:

- снабжения системы охлаждения источником давления обеспечить возможность повышения давления в системе охлаждения независимо от степени нагрева жидкости;

- выполнения источника давления с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя - обеспечить возможность создания и поддержания необходимого избыточного рабочего давления в системе охлаждения на всех режимах работы двигателя, в том числе уже перед началом его работы, обеспечив, тем самым, надежное и эффективное охлаждение его составных частей и механизмов в течение всего времени его работы, включая период выхода его на установившийся рабочий режим после запуска. В случае отсутствия избыточного рабочего давления в системе охлаждения в момент начала работы двигателя - параметры теплоотвода при этом не обеспечивают эффективного охлаждения составных частей и механизмов двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостный насос и радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок, в отличие от прототипа, снабжена источником давления, выполненным с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема предлагаемой системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - диаграмма фазового состояния охлаждающей жидкости в координатах давление - температура с графиками изменения давления для прототипа (линия KLMN(M*N*)OK) и предлагаемой системы охлаждения (линия K(Q)RSU(VWU)VQ); на фиг.3 - графики изменения температуры охлаждающей жидкости (Т_охл), температуры охлаждаемой поверхности (Т_пов) и количества теплоты, отводимой системой охлаждения от двигателя (Q), в зависимости от времени работы двигателя (t) для предлагаемой системы охлаждения (жирные линии) и прототипа (тонкие линии).

Предлагаемая система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения 1 двигателя и радиатор охлаждения 2, а также связанный с ними расширительный бачок 3 с клапаном 4. Принудительная циркуляция охлаждающей жидкости обеспечивается жидкостным насосом 5, а ускорение прогрева охлаждающей жидкости после запуска двигателя - термостатом 6. Система охлаждения снабжена источником давления 7, связанным с воздушной полостью расширительного бачка 3. Источник давления 7 выполнен с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя и состоит, например, из воздушного компрессора 8 с электрическим приводом 9 и датчика давления 10. Цепь питания электропривода 9 компрессора 8 соединена с цепью питания системы зажигания двигателя через контакты датчика давления 10.

Предложенная система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

При включении цепи питания системы зажигания двигателя начинает работать электрический привод 9 воздушного компрессора 8, который подает воздух в воздушную полость расширительного бачка 3, повышая давление в системе охлаждения и смещая (линия KR на фиг.2) фазовое состояние охлаждающей жидкости в глубь жидкой фазы. При достижении минимального уровня избыточного рабочего давления в системе охлаждения (линия P_min на фиг.2) контакты датчика давления 10 размыкаются и выключают компрессор 8, подача воздуха в воздушную полость расширительного бачка 3 прекращается.

После запуска двигателя находящаяся в системе охлаждающая жидкость циркулирует под действием жидкостного насоса 5. Смещение фазового состояния охлаждающей жидкости в глубь жидкой фазы за счет повышения давления в системе охлаждения перед началом работы двигателя (фиг.2) обеспечивает отсутствие процессов кипения и кавитации и повышает эффективность теплоотвода (фиг.3) от стенок цилиндров и камер сгорания к охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость интенсивно отбирает тепло от стенок цилиндров и камер сгорания в рубашке охлаждения двигателя 1, обеспечивая постепенное повышение температуры стенок камеры сгорания и цилиндров в рубашке охлаждения 1 двигателя до рабочей величины (фиг.3).

По мере прогрева охлаждающей жидкости в закрытой системе охлаждения происходит дальнейший рост давления (линия RS на фиг.2) до уровня, ограничиваемого клапаном 4 (линия SU, Р_mах на фиг.2).

В процессе работы двигателя в режиме принудительного холостого хода, особенно при отрицательных температурах, возможно падение температуры и, следовательно, давления в системе жидкостного охлаждения. При понижении давления ниже минимального уровня избыточного рабочего давления контакты датчика давления 9 замыкаются, работа компрессора возобновляется, обеспечивая стабильное давление в системе охлаждения (не ниже линии P_min на фиг.2). Поддержание температуры охлаждающей жидкости осуществляется термостатом в обычном порядке независимо от давления в системе охлаждения.

По окончании работы двигателя температура охлаждающей жидкости и ее объем уменьшаются, давление в системе охлаждения падает (линия VQ на фиг.2). При повторном запуске двигателя процесс повторяется.

Интенсивный отвод тепла от камер сгорания и клапанов газораспределительного механизма в сочетании с равномерным распределением тепла в двигателе при прогреве обеспечивает стабильность зазоров в приводе клапанов газораспределительного механизма, фаз газораспределения, наполнения цилиндров и более полное использование энергии топлива. Улучшение отвода тепла от камер сгорания и цилиндров двигателя улучшает наполнение цилиндров и детонационную стойкость двигателя, повышая крутящий момент и мощность двигателя, снижая токсичность выхлопных газов.

Выполнение системы жидкостного охлаждения двигателя в соответствии с изобретением позволило улучшить охлаждение в начале его работы, а также в условиях повышенных и переменных нагрузок, что проявилось в увеличении крутящего момента и мощности двигателя (повышении динамики разгона и максимальной скорости автомобиля), повышении устойчивости работы двигателя в процессе прогрева, повышении детонационной стойкости двигателя, уменьшении эксплуатационных расходов топлива и масла, снижении токсичности выхлопных газов на всех режимах, при различных условиях окружающей среды.

Указанный положительный эффект подтвержден опытом эксплуатации автомобилей с системой жидкостного охлаждения двигателя, выполненной в соответствии с изобретением.

В настоящее время в соответствии с изобретением ведется разработка рабочей конструкторской документации серийного производства.

Изобретение относится к технике двигателестроения, а именно к системам охлаждения двигателей, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, преимущественно с принудительным воспламенением рабочей смеси. Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостный насос и радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок, снабжена источником давления, состоящим из компрессора с электрическим приводом и датчиком давления и выполненным с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя. Изобретение обеспечивает лучшее охлаждение в начале его работы, в условиях повышенных и переменных нагрузок, снижении токсичности выхлопных газов на всех режимах, при различных условиях окружающей среды. 3 ил.

Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостной насос, радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок, отличающаяся тем, что она снабжена источником давления, состоящим, например, из компрессора с электрическим приводом и датчика давления, и выполненным с возможностью обеспечения избыточного рабочего давления в системе охлаждения с момента начала работы двигателя.