ОХЛАЖДЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F01P3/18 F28D1/53 F28D1/02 

Область техники

Изобретение относится к охлаждению двигателей внутреннего сгорания и, в частности, но неисключительно, к радиатору для охлаждения двигателя внутреннего сгорания в винтовом летательном аппарате.

Предшествующий уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания широко используются в аппаратах с двигательной установкой практически всех типов, включая сюда автомобили, мотоциклы, лодки и летательные аппараты. Основная проблема двигателей внутреннего сгорания заключается в образовании тепла выхлопных газов, которое должно эффективно передаваться от двигателя в окружающую среду во избежание повреждения двигателя из-за нагрева, например, образования трещин, деформации или разложения смазочного масла двигателя.

Существуют два наиболее широко распространенных способа охлаждения двигателя: воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение. Несмотря на то, что воздушное охлаждение было популярно на начальной стадии создания двигателей внутреннего сгорания, в настоящее время оно не имеет широкого применения; в настоящее время жидкостное охлаждение является преимущественным способом охлаждения для большинства двигателей внутреннего сгорания.

Воздушное охлаждение заключается в направлении воздуха, обычно с высокой скоростью, вокруг цилиндра или блока цилиндров двигателя. На наружной поверхности цилиндра или блока цилиндров обычно выполнены ребра или другие элементы для увеличения площади поверхности и, таким образом, улучшения теплопередачи.

При жидкостном охлаждении передача тепла от двигателя в окружающую среду осуществляется через промежуточный контур жидкостного охлаждения. Охлаждающая жидкость проходит через каналы для жидкой среды, образованные внутри или вокруг цилиндра или блока цилиндров двигателя, в результате чего тепло, образующееся во время процесса внутреннего сгорания, передается охлаждающей жидкости. Затем охлаждающая жидкость поступает в теплообменник, известный как радиатор, который имеет большую площадь поверхности, подвергающуюся воздействию внешней среды. Когда охлаждающая жидкость циркулирует по радиатору, тепло передается от охлаждающей жидкости в окружающую среду. Затем холодная охлаждающая жидкость выходит из радиатора и поступает обратно в цилиндр или блок цилиндров двигателя для повторного выполнения процесса. Как вариант, в незамкнутом контуре охлаждающая жидкость, которая выходит из радиатора, может быть удалена с последующей подачей свежей охлаждающей жидкости к цилиндру или блоку цилиндров двигателя.

В общем, охлаждающая жидкость, используемая в устройствах жидкостного охлаждения, имеет водную основу, но может содержать другие вещества, например, антифриз и/или ингибиторы коррозии.

Способ охлаждения, аналогичный вышеописанному жидкостному охлаждению, также может быть использован применительно к смазочному маслу двигателя. Охлаждение смазочного масла двигателя известно как «масляное охлаждение» и включает в себя прохождение моторного масла от двигателя к его собственному специальному радиатору и последующий возврат масла в двигатель. Масляное охлаждение, в общем, используется совместно с одним из вышеописанных способов воздушного и жидкостного охлаждения, т.е. моторное масло обычно не является основным охладителем.

Для того чтобы жидкостное охлаждение и масляное охлаждение были эффективными способами охлаждения двигателя, необходима достаточная передача тепла от радиатора в окружающую среду. На практике это достигается наличием на радиаторе ряда ребер или других элементов для увеличения площади поверхности радиатора и обеспечением высокоскоростного воздушного потока вокруг радиатора и/или через радиатор.

Известный способ создания воздушного потока вокруг радиатора или через радиатор основан на давлении скоростного потока, которое создается при движении транспортного средства в переднем направлении. В таких конструкциях воздухозаборники обеспечивают с передней стороны транспортного средства, и воздух, поступающий через эти заборники, направляется к радиатору. Однако проблема, касающаяся этой конструкции, состоит в том, что охлаждающий воздушный поток создается только в случае, когда транспортное средство движется. Это может привести к перегреву двигателя, когда двигатель работает, а транспортное средство не движется, например, когда летательный аппарат находится на земле и подготовлен к взлету.

Также известно, что воздух к радиатору может направляться одним или несколькими вентиляторами. Однако энергия, необходимая для приведения вентиляторов в действие, должна обеспечиваться двигателем, что увеличивает общую нагрузку на двигатель и ведет к нагреву двигателя. Принимая во внимание то, что вентиляторы предназначены только для охлаждения двигателя, побочный эффект нагрева двигателя представляет собой значительный недостаток конструкции охлаждения двигателя с помощью вентиляторов.

Определения

Понятие «радиатор» включает в себя теплообменник любой формы и не ограничивается до конкретной формы или режима теплообмена. Например, на теплообменники, используемые в известных системах охлаждения двигателя, распространяется понятие «радиатор», несмотря на то, что передача тепла осуществляется преимущественно посредством конвекции и теплопереноса в отличие от излучения.

Понятие «проход» включает в себя отверстие, щелевидное отверстие, просвет, прорезь, углубление или отверстие любой другой формы.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению обеспечен узел двигателя, как определено в формуле изобретения.

Первым объектом изобретения является узел двигателя для летательного аппарата, содержащий:

двигатель внутреннего сгорания;

приводной вал, приводимый в движение двигателем;

радиатор, содержащий проход, через который проходит приводной вал, при этом проход расположен так, что радиатор, по существу, окружает приводной вал в окружном направлении, причем проход представляет собой прорезь, которая проходит от наружной периферийной кромки радиатора к внутренней части радиатора.

Преимущество изобретения состоит в том, что расстояние между радиатором и двигателем уменьшено по сравнению с известными узлами двигателей. Соответственно, линии текучей среды между двигателем и радиатором являются короткими и прямыми, если такие линии вообще требуются. Это обеспечивает снижение расходов, уменьшение массы, более простую установку и пониженный риск утечек.

Предпочтительно, радиатор окружает в окружном направлении, по меньшей мере, 70% приводного вала. Другими словами, радиальная линия, проведенная от продольной оси приводного вала, пересекает радиатор на протяжении, по меньшей мере, 70% из возможного азимутального углового диапазона 360 градусов.

Более предпочтительно, радиатор окружает в окружном направлении, по меньшей мере, 90% приводного вала. Еще более предпочтительно радиатор окружает в окружном направлении 100% приводного вала.

Радиатор может быть предназначен для охлаждения охлаждающей текучей среды, которая нагревается двигателем перед прохождением через радиатор. В этом варианте выполнения узел двигателя может содержать один или более каналов текучей среды в двигателе или рядом с двигателем, при этом каналы текучей среды имеют сообщение по текучей среде с радиатором такое, что охлаждающая текучая среда проходит от каналов текучей среды к радиатору.

Как вариант, радиатор может быть предназначен для охлаждения смазочного масла двигателя, которое проходит к радиатору от двигателя.

Предпочтительно, указанный проход может представлять собой несквозную прорезь, которая проходит от наружной периферийной кромки радиатора к внутренней стороне радиатора. Предпочтительно, радиатор, по существу, имеет круглое поперечное сечение, и прорезь предпочтительно проходит радиально от наружной периферийной кромки радиатора к центральной точке радиатора.

Как вариант, указанный проход может представлять собой просвет, который проходит от наружной периферийной кромки радиатора к противоположной наружной периферийной кромке радиатора так, что указанный проход разделяет радиатор на две несоединенных части. Предпочтительно, каждая часть радиатора является полукруглой в поперечном сечении.

Приводной вал может быть соединен с коленчатым валом двигателя. Как вариант, вал винта может быть размещен в роторе роторного двигателя, например, двигателя Ванкеля.

Приводной вал предпочтительно предназначен для вращения винта. Предпочтительно, ближний конец приводного вала соединен с двигателем, а дальний конец приводного вала соединен с винтом. Преимущественно, расположение радиатора между двигателем и винтом позволяет получить компактную и облегченную конструкцию. Кроме того, вращательное действие винта способствует созданию воздушного потока вокруг радиатора и/или через радиатор. Авторы установили, что воздушный поток, создаваемый вращением винта, больше потока, который может быть получен на основе давления скоростного напора, которое создается при движении воздушного транспортного средства в переднем направлении. Кроме того, винт создает воздушный поток, даже когда двигатель работает, а летательный аппарат находится в неподвижном состоянии на земле.

Радиатор может содержать первую, по существу, плоскую поверхность, проходящую в плоскости, по существу, перпендикулярной продольной оси приводного вала так, что нормаль к указанной поверхности, по существу, параллельна продольной оси приводного вала. Радиатор также может содержать вторую, по существу, плоскую поверхность, проходящую в плоскости, по существу, перпендикулярной продольной оси приводного вала.

Первая поверхность расположена предпочтительно рядом с винтом, а вторая поверхность расположена предпочтительно рядом с двигателем, когда приводной вал размещен в проходе радиатора.

Предпочтительно, первая и вторая поверхности являются, по существу, круглыми.

Радиатор может содержать дополнительные проходы для прохождения воздуха через радиатор. Преимущество такой конструкции состоит в том, что за счет таких проходов площадь поверхности радиатора увеличивается, тем самым, повышая эффективность охлаждения радиатора.

Радиатор может содержать, по существу, плоский задний элемент, который предпочтительно примыкает ко второй поверхности радиатора. Плоский задний элемент будет особенно уместен в вариантах выполнения, в которых проход представляет собой несквозную прорезь или просвет. В этих вариантах выполнения задний элемент предпочтительно расположен, по меньшей мере, в тех местах в окружном направлении, которые не окружены радиатором. В некоторых вариантах выполнения задний элемент может быть продолговатым и предназначен для закрывания наружной части несквозной прорези или обеих наружных частей просвета, оставляя только центральное отверстие, через которое может проходить приводной вал. В альтернативном варианте выполнения задний элемент может иметь наружные размеры, по существу, идентичные второй поверхности радиатора такие, что задний элемент проходит до периферии радиатора, при этом задний элемент предпочтительно содержит отверстие, расположенное внутри заднего элемента, через которое проходит приводной вал.

В продольном направлении через радиатор между первой и второй поверхностями могут проходить дополнительные проходы, при этом каждый проход образует продолговатый канал. Продолговатый канал может содержать ограниченный участок, по существу, в продольном центральном положении. Преимущество наличия ограниченного участка состоит в том, что на указанном участке увеличивается скорость воздуха, тем самым, повышая эффективность охлаждения радиатора. Считается, что этот эффект будет особо устойчивым, когда радиатор расположен за лопастями винта и принимает воздух, который ускоряется за счет вращательного действия лопастей винта.

В одном из вариантов радиатор выполнен из множества, по существу, параллельных продолговатых трубчатых элементов, предназначенных для транспортирования охлаждающей текучей среды, при этом между соседними элементами образованы воздушные каналы.

Задний элемент может содержать проходы в местах, соответствующих местам расположения дополнительных проходов, выполненных в радиаторе, тем самым, позволяя воздуху проходить через радиатор и задний элемент и, таким образом, обеспечивая эффективное охлаждение радиатора.

Предпочтительно, радиатор содержит кожух, при этом кожух предпочтительно содержит трубчатую боковую стенку, имеющую продольную ось, по существу, параллельную продольной оси приводного вала. Более предпочтительно, продольная ось трубчатой боковой стенки кожуха совпадает с продольной осью приводного вала. Кожух предпочтительно окружает в окружном направлении приводной вал и, по меньшей мере, внутреннюю часть радиатора.

Трубчатая боковая стенка кожуха предпочтительно выступает вперед от первой поверхности радиатора. Более предпочтительно, трубчатая боковая стенка кожуха выступает вперед от наружной периферийной кромки первой поверхности радиатора.

Кожух может быть, по существу, цилиндрическим. Как вариант, трубчатая боковая стенка кожуха может расходиться раструбом наружу, например, кожух может иметь форму усеченного конуса.

Воздухозаборник для двигателя может быть обеспечен рядом с периферийной кромкой радиатора.

Вторым объектом изобретения является радиатор для летательного аппарата содержащий:

проход для размещения приводного вала, расположенный так, что радиатор, по существу, окружает приводной вал в окружном направлении, когда приводной вал размещен в проходе, причем проход представляет собой прорезь, которая проходит от наружной периферийной кромки радиатора к внутренней части радиатора; и

проходящий в продольном направлении кожух, содержащий трубчатую боковую стенку, окружающую приводной вал в окружном направлении, когда приводной вал размещен в проходе.

Указанный проход и/или указанный кожух могут быть выполнены как раскрыто выше.

Другим объектом изобретения является способ охлаждения двигателя, предназначенного для приведения в движение винта, включающий в себя этапы, на которых:

устанавливают вышеописанный радиатор так, что радиатор, по существу, окружает приводной вал двигателя в окружном направлении;

подключают радиатор по текучей среде так, что радиатор принимает текучую среду, нагретую двигателем.

Изобретение будет описано на примере варианта его осуществления со ссылками на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1(a) показан узел двигателя согласно варианту осуществления изобретения, вид сбоку;

на фиг. 1(b) – узел двигателя на фиг. 1(a), вид в перспективе;

на фиг. 2 – радиатор узла двигателя, показанного на фиг. 1(a) и 1(b), вид в перспективе в разобранном состоянии;

на фиг. 3 – радиатор согласно альтернативному варианту осуществления, приспособленный для использования в узле двигателя, показанном на фиг. 1(a) и 1(b), вид в перспективе; и

на фиг. 4 – блок-схема способа охлаждения двигателя, предназначенного для приведения в действие винта, согласно варианту осуществления изобретения.

Варианты осуществления изобретения

На фиг. 1(a), 1(b) и 2 показан узел 10 двигателя. Узел 10 двигателя образует часть винтового летательного аппарата (не показан). Узел 10 двигателя должен быть помещен в капот (не показан) и расположен около передней стороны летательного аппарата.

Узел 10 двигателя включает в себя двигатель 11 внутреннего сгорания. Воздух и топливо для сгорания подаются в двигатель 11 посредством канала 12 воздухозаборника и форсунки, соответственно. Канал 12 воздухозаборника предназначен для приема воздуха с передней стороны летательного аппарата через проход для забора воздуха, образованный в капоте двигателя.

Двигатель 11 предназначен для приведения во вращение приводного вала 13. Двигатель 11 представляет собой двигатель Ванкеля, и в этом случае ближний конец приводного вала 13 будет расположен внутри ротора двигателя 11. Дальний конец приводного вала 13 соединен с винтом (не показан), расположенным в носовой части летательного аппарата.

Узел 10 двигателя также включает в себя контур охлаждения двигателя для циркуляции охлаждающей текучей среды в двигателе 11. Охлаждающий контур содержит насос (не показан) и группу каналов (не показаны), расположенных внутри и вокруг двигателя 11. Охлаждающий контур также содержит радиатор 20, установленный непосредственно на корпусе двигателя 11. Расположение радиатора 20 рядом с двигателем 11 сводит к минимуму общее расстояние, которое должен охватывать контур охлаждения, и, таким образом, обеспечивает снижение расходов, уменьшение массы, более простую установку и пониженный риск утечек. Радиатор 20 имеет впуск 21 для приема охлаждающей текучей среды из каналов, расположенных внутри или вокруг блока цилиндров двигателя. Радиатор также имеет выпуск 22 для прохождения охлаждающей текучей среды, которая охлаждается радиатором, в расположенный ниже по потоку компонент контура охлаждения двигателя. В определенных вариантах осуществления охлаждающая текучая среда, которая выходит из выпуска 22 радиатора, сразу же возвращается в каналы, расположенные внутри или вокруг двигателя для поглощения тепла, вырабатываемого двигателем 11.

Радиатор 20 выполнен из множества расположенных на расстоянии друг от друга продолговатых трубчатых элементов 23, предназначенных для транспортирования охлаждающей текучей среды. Множество трубчатых элементов 23 совместно обеспечивают радиатор 20, по существу, цилиндрической формы, при этом радиус радиатора 20, по существу, превышает продольный размер радиатора 20. На соответствующих концах продолговатые трубчатые элементы 23 снабжены первым и вторым коллекторами (не показаны). Во время эксплуатации охлаждающая текучая среда, которая поступает в радиатор 20, во впуск 21 текучей среды, разделяется в первом коллекторе между каждым из трубчатых элементов 23. Затем охлаждающая текучая среда проходит через трубчатые элементы 23 и снова соединяется во втором коллекторе для последующего выхода из радиатора 20. Вышеописанная структура расположенных на расстоянии друг от друга трубчатых элементов 23 обеспечивает большую площадь поверхности радиатора 20 и, тем самым, облегчает эффективное охлаждение. Кроме того, продолговатые пространства между трубчатыми элементами 23 образуют воздушные проходы в радиаторе 20, тем самым, позволяя воздуху протекать по радиатору 20, увеличивая эффективность охлаждения.

В радиаторе 20 выполнен проход 24, через который проходит приводной вал 13 узла двигателя. Расположение прохода 24 в центре радиатора 20 позволяет радиатору 20 окружать приводной вал 13 в окружном направлении. Размеры прохода 24 позволяют устанавливать приводной вал 13 внутри прохода 24 без физического контакта с проходом, оставляя минимальное свободное пространство между ними. В показанном варианте выполнения проход 24 имеет форму квадрата, имеющего длину стороны немного больше диаметра приводного вала 13. В альтернативном варианте выполнения (не показан) этот проход может быть круглым и иметь диаметр немного больше диаметра приводного вала 13.

В некоторых вариантах выполнения радиатор может быть снабжен проходящим в продольном направлении кожухом 25, показанным на фиг. 3. Кожух 25 состоит из трубчатой боковой стенки, которая отходит от периферийной кромки радиатора 20. Трубчатая боковая стенка кожуха 25 образует удлинение боковой стенки радиатора 20. Продольная ось трубчатой боковой стенки кожуха 25 совпадает с продольной осью приводного вала (на фиг. 3 не показано), и кожух 25 окружает приводной вал в окружном направлении. Когда винт (не показан) соединен с приводным валом, конец трубчатой боковой стенки кожуха, удаленный от радиатора, расположен рядом с задней стороной лопастей винта и на небольшом расстоянии от них. Авторы установили, что такой кожух увеличивает воздушный поток через радиатор 20 и, таким образом, повышает эффективность охлаждения двигателя.

Следует принять во внимание, что имеется возможность модификации радиатора 20, как описано выше в отношении существующего узла двигателя. Со ссылкой на фиг. 4 модификация радиатора 20 включает в себя этап 101, на котором устанавливают радиатор 20 вокруг приводного вала 13. Радиатор 20 будет установлен в положение, показанное на фиг. 1(a) и 1(b). Затем на этапе 102 полностью присоединяют контур охлаждения двигателя. В частности, каналы для текучей среды, образованные внутри двигателя 11, соединяют с радиатором 20.

Сразу же после установки радиатора 20 и приведения его в рабочее состояние насос контура охлаждения двигателя перекачивает текучую среду в каналы, расположенные в двигателе 11 и вокруг двигателя 11, в результате чего охлаждающая текучая среда поглощает тепло от двигателя 11 и, таким образом, охлаждает двигатель 11. Затем охлаждающая текучая среда из каналов проходит к впуску 21 радиатора 20 и направляется по продолговатым трубчатым элементам 23 радиатора 2. Соотношение большой площади поверхности и объема каждого из трубчатых элементов 23 обеспечивает эффективное охлаждение охлаждающей текучей среды, которая затем выходит из радиатора 20 через выпуск 22 для текучей среды.

Эффективность охлаждения, обеспечиваемая радиатором 20, может быть значительно увеличена посредством приведения в действие винта. В частности, расположение радиатора 20 после винта позволяет использовать высокоскоростной воздушный поток, создаваемый винтом.

Изобретение относится к охлаждению двигателей внутреннего сгорания. Узел двигателя (10) для винтового летательного аппарата включает в себя двигатель (11), приводной вал (13), приводимый в движение двигателем (11), и радиатор (20), содержащий проход (24) для размещения приводного вала (13), при этом проход (24) расположен таким образом, что радиатор (20), по существу, окружает приводной вал (13) в окружном направлении. Проход (24) может иметь различные формы, например, отверстие внутри радиатора (20) или несквозную прорезь, образованную внутри радиатора (20). Изобретение обеспечивает повышение эффективности охлаждения двигателя. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Узел (10) двигателя для летательного аппарата, содержащий:

двигатель (11);

приводной вал (13), приводимый в движение двигателем (11);

радиатор (20), содержащий проход (24), через который проходит приводной вал (13), при этом проход (24) расположен так, что радиатор (20), по существу, окружает приводной вал (13) в окружном направлении,

причем проход (24) представляет собой прорезь, которая проходит от наружной периферийной кромки радиатора (20) к внутренней части радиатора (20).

2. Узел (10) двигателя по п. 1, в котором проход (24) представляет собой просвет, который проходит от наружной периферийной кромки радиатора (20) к противоположной наружной кромке радиатора (20), так что проход (24) разделяет радиатор на две несоединенные части.

3. Узел (10) двигателя по п. 1 или 2, в котором радиатор (20) окружает в окружном направлении, по меньшей мере, 90% приводного вала (13).

4. Узел (10) двигателя по любому из пп. 1-3, в котором приводной вал (13) предназначен для приведения во вращение винта.

5. Узел (10) двигателя по любому из пп. 1-4, в котором радиатор (20) содержит дополнительные проходы (24) для прохождения через них воздуха.

6. Узел (10) двигателя по любому из пп. 1-5, дополнительно содержащий плоский задний элемент, примыкающий к поверхности радиатора (20) рядом с двигателем, при этом задний элемент содержит внутри отверстие, через которое проходит приводной вал (13).

7. Узел (10) двигателя по любому из пп. 1-6, в котором радиатор (20) также содержит проходящий в продольном направлении кожух (25), имеющий трубчатую боковую стенку, которая окружает приводной вал (13) в окружном направлении.

8. Узел (10) двигателя по п. 7, в котором трубчатая боковая стенка кожуха (25) расположена на периферийном крае радиатора (20).

9. Узел (10) двигателя по п. 7 или 8, в котором кожух (25) расположен на стороне радиатора (20), удаленной от двигателя (11).

10. Радиатор (20) для летательного аппарата, содержащий:

проход (24) для размещения приводного вала (13), расположенный так, что радиатор (20), по существу, окружает приводной вал (13) в окружном направлении, когда приводной вал (13) размещен в проходе (24), причем проход (24) представляет собой прорезь, которая проходит от наружной периферийной кромки радиатора (20) к внутренней части радиатора (20); и

кожух (25), содержащий трубчатую боковую стенку, имеющую продольную ось, по существу, параллельную продольной оси приводного вала (13), и окружающую приводной вал (13) в окружном направлении, когда приводной вал (13) размещен в проходе (24).

11. Способ охлаждения двигателя (11), предназначенного для приведения в движение винта, включающий в себя этапы, на которых:

устанавливают радиатор (20), содержащий проход (24) для размещения приводного вала (13), представляющий собой прорезь, которая проходит от наружной периферийной кромки радиатора (20) к внутренней части радиатора (20) так, что радиатор (20), по существу, окружает приводной вал (13) в окружном направлении;

подключают радиатор (20) по текучей среде так, что радиатор (20) принимает текучую среду, нагретую двигателем (11).