Способ работы жидкостной системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания Российский патент 2021 года по МПК F01P3/02 F01P7/16 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к жидкостным системам охлаждения, которые предназначены для предпусковой подготовки двигателей внутреннего сгорания (ДВС) к пуску, последующего их эффективного послепускового прогрева и поддержания оптимального теплового режима при работе в разных климатических условиях.

Эксплуатация машин с дизельными двигателями в зимний период на территории Российской Федерации представляет большую проблему, которая заключается в том, что холодный пуск двигателя затруднен, а в ряде случаев невозможен. Даже при удачном пуске последующая работа двигателя сопровождается большой неполнотой сгорания топлива, снижением качества моторного масла, интенсивным износом деталей цилиндропоршневой группы, увеличением вредных выбросов в атмосферу и, как следствие, большим расходом топлива.

Существующую проблему решают следующими способами: организацией круглосуточной работы (например, открытые разработки полезных ископаемых), хранением в межсменный период многотонных и крупногабаритных машин в отапливаемых помещениях (гаражах), хранением на открытых площадках с использованием энергии от других источников (электрических, тепловых), применением автономных подогревателей и накопителей энергии, а также использованием пусковых жидкостей. Следует сразу отметить, что последний способ можно применять только в экстремальных случаях, когда других вариантов нет.

Очевидно, что предпочтение нужно отдавать тем способам и устройствам, которые требуют минимальных затрат энергии и времени на эффективную предпусковую подготовку и последующий послепусковой прогрев, а также обеспечивают автономность машин и способствуют качественному процессу сгорания топлива в периоды пуска и послепускового прогрева. С учетом выше сказанного, а также на основании патентного поиска, анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований в этом направлении, был разработан способ работы жидкостной системы охлаждения ДВС и устройство для его реализации.

Известен способ работы жидкостной системы охлаждения, в которой полости блока цилиндров и головки блока, где циркулирует охлаждающая жидкость, объединены и представляют одно целое. Штатный жидкостный насос обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости одновременно как в блоке цилиндров, так и в головке. Оптимальный тепловой режим работающего ДВС поддерживается с помощью термостата, радиатора охлаждения и вентилятора принудительной подачи воздуха для обдува радиатора. Кроме того, термостат обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по малому кругу (насос - блок цилиндров - головка - насос), минуя радиатор, с целью сокращения времени прогрева двигателя после пуска и большому - через радиатор, после достижения оптимального теплового режима ДВС (Уханов А.П. Конструкция автомобилей и тракторов: учебник / А.П. Уханов, Д.А. Уханов, В.А. Голубев. - 3-е изд. - Санкт-Петербург: Лань, 2019. - С. 34-37).

Недостатком такого способа являются большие энергетические затраты. Например, если машина в межсменный период находится в теплом гараже или разогревается предпусковым подогревателем, то затрачивается большое количество энергии и времени на разогрев «железа», не участвующего в теплообменных процессах в период смесеобразования. К такому балласту можно отнести, например, блок цилиндров в сборе, коробку передач и другие металлоемкие агрегаты, входящие в конструкцию моторно-трансмиссионной установки большинства самоходных машин.

Известна система охлаждения ДВС, реализующая данный способ, которая содержит термостат с клапаном, в нем выполнено отверстие, обеспечивающее постоянную циркуляцию охлаждающей жидкости независимо от ее температуры через радиатор (в том объеме, в какой позволяет диаметр отверстия в клапане). При большой температуре жидкости клапан термостата полностью открывается, что обеспечивает ее циркуляцию по большему кругу в полном объеме (Патент №2280178 F01P 7/16 от 21.03.2005).

К недостаткам данной системы можно отнести неспособность системы обеспечить предпусковую тепловую подготовку двигателя и его последующий эффективный послепусковой прогрев.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является раздельная жидкостная система охлаждения ДВС. Система охлаждения разделена на две части специальной прокладкой, установленной между головкой и блоком. Раздельная система включает в себя: плости для охлаждающей жидкости в блоке цилиндров и головке блока, двухкамерный жидкостный насос, патрубки, трубопроводы, два двухклапанных термостата и общий радиатор охлаждения (Патент RU 2 492 334 F01Р 01/02).

Недостатком известного технического решения является то, что система не способна работать в режиме предпусковой тепловой подготовки двигателя и, самое главное, при делении полости системы охлаждения на две части путем перекрытия отверстий в блоке цилиндров и головке специальной прокладкой происходит изменение траекторий циркуляции охлаждающей жидкости, что, в свою очередь, может инициировать нарушения тещюобменных процессов в системе охлаждения вплоть до локальных перегревов.

Техническим результатом изобретения является: «своевременный и полный отвод чрезмерного тепла из головки блока в атмосферу через радиатор независимо от отвода чрезмерного тепла блока цилиндров, что стабилизирует работу клапанного механизма на всех режимах работы двигателя» (Патент PU №2492 334 C1).

Таким образом, патентный поиск показал, что перечисленные способы и устройства систем охлаждения имеют ряд существенных недостатков:

- неспособность обеспечить предпусковую тепловую подготовку двигателя с минимальными затратами времени и средств;

- низкая эффективность работы в режиме послепускового прогрева;

- неспособность обеспечить оптимальный тепловой режим в головке цилиндров независимо от температуры окружающей среды и степени загрузки двигателя;

- перекрытие циркуляционных каналов прокладкой, установленной между головкой и блоком цилиндров, может привести, при работе в тяжелых условиях (лето, максимальная загрузка), к перегреву головки.

Минимизировать затраты энергии и сократить время на подготовку двигателя к пуску и время послепускового прогрева можно с помощью разработанного способа и устройства.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в период предпусковой тепловой подготовки двигателя прекращают циркуляцию охлаждающей жидкости в блоке цилиндров путем отключения привода основного жидкостного насоса, например с помощью электромагнитной муфты; циркуляцию охлаждающей жидкости осуществляют только в полости головки блока цилиндров с помощью автономного жидкостного насоса, например, с электрическим приводом; при достижении максимально допустимой температуры в головке блока отключают предпусковой подогреватель и осуществляют пуск двигателя; если в процессе работы двигателя температура жидкости в головке блока достигает предварительно заданного максимального значения, то одновременно отключают привод автономного жидкостного насоса и включают привод основного жидкостного насоса, обеспечивающего циркуляцию жидкости одновременно через полости головки блока и блока цилиндров; при дальнейшем увеличении температуры жидкости осуществляют циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор охлаждения и при необходимости включают вентилятор охлаждения; при снижении температуры жидкости в головке блока ниже заданного минимального значения сначала отключают вентилятор охлаждения, если температура жидкости продолжает снижаться, то отключают радиатор охлаждения, а при дальнейшем снижении температуры жидкости одновременно отключают привод основного жидкостного насоса и включают привод автономного жидкостного насоса.

Таким образом, систему охлаждения условно делим на две части: часть, которая представляет систему охлаждения головки (два контура - малый и большой круг) и отдельно - часть, представляющую систему охлаждения блока цилиндров, которая аналогично первой разделена на два контура. Полости головки блока и блока цилиндров заполнены охлаждающей жидкостью и соединены между собой отверстиями, расположенными в вертикальной плоскости, через которые жидкость может циркулировать из одной полости в другую и наоборот (штатная прокладка). Такая циркуляция охлаждающей жидкости возможна только тогда, когда работает двигатель и включен основной жидкостный насос системы охлаждения, который установлен на блоке цилиндров (насос включается и выключается во время работы двигателя с помощью фрикционной муфты). Выход трубопровода от предпускового подогревателя подключен к началу распределительного канала, расположенного в головке блока, а вход - к концу. В период предпусковой тепловой подготовки открывают электромагнитный клапан, включают автономный циркуляционный насос и предпусковой подогреватель. Разогревается только головка блока. Основной циркуляционный насос выключен (двигатель не работает). Начальная температура охлаждающей жидкости соответствует температуре окружающей среды. Контролируется температура охлаждающей жидкости в головке, состояние двигателя, режим работы муфты и вентилятора радиатора. Таким образом, наличие принудительной циркуляции только в головке и отсутствие в блоке цилиндров, исключает какой-либо теплообмен между охлаждающей жидкостью головки и блока, а также ее переток из одной полости в другую.

Предлагаемый способ во время предпусковой подготовки предусматривает разогрев головки блока до максимально возможной температуры. Верхний предел температуры ограничен физическими свойствами охлаждающей жидкости. Известно, что именно температура топлива в форсунке, температура воздуха в камере сгорания и воздушных каналах, температура поверхностей, ограничивающих в данный момент камеру сгорания, и температура окружающей среды определяют надежность пуска и эффективность послепускового прогрева (неполнота сгорания, количество вредных выбросов, время прогрева). Во время разогрева головки за счет теплопередачи будет частично нагреваться воздух, находящийся в камерах сгорания, и соответственно поверхности поршней и стенок цилиндров.

Техническим результатом изобретения является: повышение эффективности работы жидкостной системы охлаждения ДВС в предпусковой и послепусковой периоды.

Сущность предлагаемого способа работы системы охлаждения ДВС можно наглядно рассмотреть на примере устройства, которое реализует этот способ (Фиг.), на котором схематично представлена система жидкостного охлаждения ДВС. Данный способ работы системы охлаждения гарантирует предпусковую тепловую подготовку головки блока, надежный пуск, интенсивный прогрев до оптимальной температуры и поддержание ее на заданном уровне.

Устройство, реализующее способ работы системы охлаждения ДВС, содержит предпусковой подогреватель с электрическим циркуляционным насосом 1, термостат одноклапанный 2, головку блока цилиндров 3, каналы распределительные в головке 4 и блоке 12, трубопроводы 5,7,11,13,15,18,20,21, термодатчик 6, радиатор охлаждения жидкости 8, основной циркуляционный насос 9, шкив привода насоса с электромагнитной муфтой 10, отопитель 14, блок цилиндров 16, термостат двухклапанный 17, электромагнитный клапан 19, расширительный бочок 22, блок управления 23, крышку радиатора с паровоздушным клапаном 24, датчик состояния двигателя (работает или не работает) 25, вентилятор радиатора с электроприводом 26.

Во время предпусковой тепловой подготовки ДВС открывают электромагнитный запорный клапан 19, включают циркуляционный насос с подогревателем 1; охлаждающая жидкость начинает циркулировать по малому кругу через трубопровод 5, распределительный канал 4 в головке 3, запорный клапан 19, трубопровод 8 к насосу подогревателя 1, одновременно по трубопроводу 21 к одноклапанному термостату 2, который находится в закрытом положении.

По мере прогрева плотность жидкости снижается, а объем возрастает. Увеличение объема жидкости компенсируется свободным объемом расширительного бачка 22. При достижении соответствующей температуры жидкости в головке блока (например, 70±2°С) начинает открываться клапан термостата. При более высокой температуре (например, 83±2°С) происходит полное открытие клапана термостата 2 и жидкость по трубопроводам 21 и 20 поступает на линию всасывания основного циркуляционного насоса 9, по распределительному каналу 12 в полости блока цилиндров 16 далее через отверстия в привалочной плоскости блока и прокладке в головку 3, в результате чего частично прогревается блок цилиндров. Одновременно растет температура жидкости в головке блока до максимально допустимого значения. Поскольку в головке расположены основные коммуникации двух наиболее важных систем подачи воздуха и топлива, то быстрый нагрев головки до максимально возможной температуры, и ее поддержание во время работы гарантирует надежность последующего пуска, быстрый послепусковой прогрев с полным сгоранием топлива и снижение вредных выбросов. Одновременно сокращается время прогрева и расход топлива.

Если пуск состоялся, то с датчика 25, который определяет состояние двигателя 16 (работает или не работает), в блок управления (БУ) 23 поступает соответствующий сигнал. Блок управления выдает управляющий сигнал, подогреватель 1 останавливается, закрывается запорный кран 19. При температуре жидкости в головке 3 меньше максимально допустимого значения привод основного циркуляционного насоса 9 выключен, принудительной циркуляции охлаждающей жидкости в блоке 16 нет. Двигатель начинает прогреваться, причем скорость прогрева головки блока цилиндров значительно выше по сравнению с блоком. При достижении максимально допустимого значения температуры жидкости в головке блока термодатчик 6 подает сигнал в блок управления 23, который с помощью муфты 10 запускает в работу основной циркуляционный насос 9. Жидкость насосом 9 подается в распределительный канал блока цилиндров 12, через вертикальные отверстия в блоке, прокладке и головке 3 в распределительный канал головки 4, трубопровод 15, 21, одноклапанный термостат 2, по трубопроводу 15 к отопителю 14, трубопровод 13 на линию всасывания насоса 9.

Если термостат 2 открыт, то появляется параллельный поток циркуляции охлаждающей жидкости: трубопровод 20, насос 9 (всасывающий патрубок). Избыточная теплота головки, которая сбрасывается по трубопроводу 20 на линию всасывания насоса 9, попадает в менее нагретый блок цилиндров 16 и разогревает его. При неполном открытии клапанов термостата 17 жидкость имеет возможность циркулировать как по малому кругу (насос 9, распределительный канал 12, термостат 17, трубопровод 15, линия всасывания насоса 9), так и по большому (насос 9, распределительный канал 12 в блоке 16, термостат 17, трубопровод 7, радиатор охлаждения, трубопровод 11, насос 9). Если термостат открывается полностью, то циркуляция осуществляется только по большому кругу через радиатор. В случае дальнейшего роста температуры жидкости в головке блока, которая контролируется датчиком 6, блоком управления 23 включается вентилятор обдува 26 радиатора 8. Термостаты 2, 17 должны быть установлены в одном наиболее нагретом месте на головке блока.

Предлагаемый способ работы системы охлаждения обеспечивает предпусковую тепловую подготовку двигателя, его пуск и последующее поддержание теплового режима жидкости в головке блока на оптимальном уровне независимо от температуры окружающей среды и степени загрузки двигателя.

Изобретение может быть использовано в жидкостных системах охлаждения, предназначенных для предпусковой подготовки двигателей внутреннего сгорания к пуску. Способ работы жидкостной системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что осуществляют циркуляцию охлаждающей жидкости через полости головки (3) блока цилиндров, блока цилиндров (16) и радиатора (8) охлаждения с помощью жидкостного насоса (9) и трубопроводов. Осуществляют управление потоками охлаждающей жидкости с помощью термостатов (2), (17). Осуществляют подогрев охлаждающей жидкости в период предпусковой подготовки с помощью предпускового подогревателя (1) и измерение температуры охлаждающей жидкости с помощью термодатчика (6), установленного в головке (3) блока цилиндров. В период предпусковой тепловой подготовки двигателя отключают привод основного жидкостного насоса (9) с помощью электромагнитной муфты (10). Циркуляцию охлаждающей жидкости осуществляют только в полости головки (3) блока цилиндров с помощью автономного жидкостного насоса с электрическим приводом. При достижении максимально допустимой температуры в головке (3) блока отключают предпусковой подогреватель (1) и осуществляют пуск двигателя. Если в процессе работы двигателя температура жидкости в головке (3) блока достигает предварительно заданного максимального значения, то одновременно отключают привод автономного жидкостного насоса и включают привод основного жидкостного насоса (9), обеспечивающего циркуляцию жидкости одновременно через полости головки (3) блока и блока (16) цилиндров. При дальнейшем увеличении температуры жидкости осуществляют циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор (8) охлаждения и при необходимости включают вентилятор (26) охлаждения. При снижении температуры жидкости в головке (3) блока ниже заданного минимального значения сначала отключают вентилятор (26) охлаждения. Если температура жидкости продолжает снижаться, то отключают радиатор (8) охлаждения. При дальнейшем снижении температуры жидкости одновременно отключают привод основного жидкостного насоса (9) и включают привод автономного жидкостного насоса. Технический результат заключается в снижении затрат энергии и времени на предпусковую тепловую подготовку и уменьшении вредных выбросов в атмосферу. 1 ил.

Способ работы жидкостной системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания, при котором осуществляют циркуляцию охлаждающей жидкости через полости головки блока цилиндров, блока цилиндров и радиатора охлаждения с помощью жидкостного насоса и трубопроводов, управление потоками охлаждающей жидкости с помощью термостатов, подогрев охлаждающей жидкости в период предпусковой подготовки с помощью предпускового подогревателя, измерение температуры охлаждающей жидкости с помощью термодатчика, установленного в головке блока цилиндров, отличающийся тем, что в период предпусковой тепловой подготовки двигателя отключают привод основного жидкостного насоса, например с помощью электромагнитной муфты, циркуляцию охлаждающей жидкости осуществляют только в полости головки блока цилиндров с помощью автономного жидкостного насоса, например, с электрическим приводом, при достижении максимально допустимой температуры в головке блока отключают предпусковой подогреватель и осуществляют пуск двигателя, если в процессе работы двигателя температура жидкости в головке блока достигает предварительно заданного максимального значения, то одновременно отключают привод автономного жидкостного насоса и включают привод основного жидкостного насоса, обеспечивающего циркуляцию жидкости одновременно через полости головки блока и блока цилиндров, при дальнейшем увеличении температуры жидкости осуществляют циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор охлаждения и при необходимости включают вентилятор охлаждения, при снижении температуры жидкости в головке блока ниже заданного минимального значения сначала отключают вентилятор охлаждения, если температура жидкости продолжает снижаться, то отключают радиатор охлаждения, а при дальнейшем снижении температуры жидкости одновременно отключают привод основного жидкостного насоса и включают привод автономного жидкостного насоса.