Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания Советский патент 1988 года по МПК F01P9/04 

(F

ifete

ю

17

СО

СО

о со с® оо

11390398

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестро- ению, н частности к системам охлаждения двигателей.

Цель изобретения - снижение эксплуатационных расходов.

На чертеже приведена схема системы охлаждения двигателя.

Система содержит рубашку 1 охлаж- 10 дения цилиндров, радиатор 2 с верхним 3 и нижним 4 бачками, вентилятор 5 и циркуляционный насос 6, Верхний бачок 3 радиатора 1 герметично закрыт пробкой 7 с клапанами, сооб- 5 щающими радиатор 1 с расширительным бачком 8. Вентилятор 5 и циркуляционный насос 6 кинематически связаны с носком коленчатого вала двигателя через электромагнитные муфты. Каждая 20 муфта выполнена из ведущих 9 и 10 и ведомых 11 и 12 полумуфт и снабжена обмотками 13 и 14, включенными в цепь питания. Причем кинематическая связь циркуляционного насоса 6 с не- 25 домой полумуфтой 12 выполнена в виде клиноременной передачи 15. Ведущие полумуфты 9 и 10 жестко установлены на полке коленчатого вала. В верхнем бачке 3 установлен датчик - давле- 30 ния, который подключен к обмотке ведущей муфты 10 циркуляционного насоса 6. На рубащке 1 охлаждения цилиндров установлен в верхней мертвой точв слоях, непосредственно прилегающих к охлаждаемым поверхностям двигателяj и прежде всего в наиболее теплонапря- женных зонах рубашки охлаждения. В силу температурного объемного расширения давление жидкости, по мере ее нагрева в условиях замкнутого объема, также растет, так как впускной и выпускной клапаны пробки 7 закрыты. По мере уменьшения плотности жидкости в непосредственно прилегающих к поверхностям двигателя слоях нагревшаяся в них жидкость вытесняется и замещается более холодной. Интенсивность такого процесса целиком зависит от разницы между местной температурой, обраР1енной к жидкости поверхности двигателя, и температурой в ядре потока жидкости и выравнивание температур по объему жидкости в различных районах рубашки охлаждение происходит с различной скоростью, определяемой возникновением местных циркуляционных токов и вихрей. Процесс выравнивания температур по толще жидкости подчинен эффекту саморегулирования, поэтому на рассматриваемой стадии работы системы в последующий после пуска холодного двигателя период вентилятор 5 и насос 6 не функционируют, поскольку полумуфты 11 и 12 разобщены от вращающихся вместе с коленчатым валом двигателя ведущих полумуфт 9 и 10,

ке термодатчик 17, который подключен -jj ак как цепь питания обмоток 13 и 14

к обмотке ведущей муфты 9 вентилятора 5.

Система работает следующим образом.

С выключением двигателя снижение температуры жидкости, заполняющей контур охлаждения, обуславливает

уменьшение ее объема и снижение давления в контуре. При снижении давления ниже атмосферного на 0,010,1 кг/см впускной клапан пробки 7 открывается, перепуская часть жидкости из расширительного бачка 8 в

радиатор 2 и поднимая в нем давление до атмосферного. Поэтом, вне зависимости от температуры наружного воздуха давление в контуре при пуске холодного двигателя равно атмосферному. Температура жидкости в любой точке контура охлаждения равна температуре окружающего воздуха.

С пуском двигателя температура жидкости начинает расти прежде всего

40

45

50

55

разорвана контактами соответственно датчика 16 давления и термодатчика 18. Неподвижная крыльчатка насоса 6, представляя собой заметное гидравлическое сопротивление протоку жидкости, затрудняет циркуляцию жидкости через радиатор. Вялый обмен жидкостью между радиаторами рубашкой охлаждения двигателя, препятствуя появлению заметной границы между температурой жидкости в радиаторе и температурой наружного воздуха, обусловливает низкие значения средней температурной разности и коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенкам радиатора. С другой стороны, отсутствие принудительного обдува трубок радиатора наружным воздухом обуславливает низкие значения коэффициента теплоотдачи от стенок радиатора к воздуху. Обусловленная совместным действием указанных факторов низкая интенсивность теплопередачи от жидкости к воздуху позволяет вследствие

в слоях, непосредственно прилегающих к охлаждаемым поверхностям двигателяj и прежде всего в наиболее теплонапря- женных зонах рубашки охлаждения. В силу температурного объемного расширения давление жидкости, по мере ее нагрева в условиях замкнутого объема, также растет, так как впускной и выпускной клапаны пробки 7 закрыты. По мере уменьшения плотности жидкости в непосредственно прилегающих к поверхностям двигателя слоях нагревшаяся в них жидкость вытесняется и замещается более холодной. Интенсивность такого процесса целиком зависит от разницы между местной температурой, обраР1енной к жидкости поверхности двигателя, и температурой в ядре потока жидкости и выравнивание температур по объему жидкости в различных районах рубашки охлаждение происходит с различной скоростью, определяемой возникновением местных циркуляционных токов и вихрей. Процесс выравнивания температур по толще жидкости подчинен эффекту саморегулирования, поэтому на рассматриваемой стадии работы системы в последующий после пуска холодного двигателя период вентилятор 5 и насос 6 не функционируют, поскольку полумуфты 11 и 12 разобщены от вращающихся вместе с коленчатым валом двигателя ведущих полумуфт 9 и 10,

ак как цепь питания обмоток 13 и 14

разорвана контактами соответственно датчика 16 давления и термодатчика 18. Неподвижная крыльчатка насоса 6, представляя собой заметное гидравлическое сопротивление протоку жидкости, затрудняет циркуляцию жидкости через радиатор. Вялый обмен жидкостью между радиаторами рубашкой охлаждения двигателя, препятствуя появлению заметной границы между температурой жидкости в радиаторе и температурой наружного воздуха, обусловливает низкие значения средней температурной разности и коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенкам радиатора. С другой стороны, отсутствие принудительного обдува трубок радиатора наружным воздухом обуславливает низкие значения коэффициента теплоотдачи от стенок радиатора к воздуху. Обусловленная совместным действием указанных факторов низкая интенсивность теплопередачи от жидкости к воздуху позволяет вследствие

I низких тепловых потерь в радиаторе сократить время разогрева двигателя до минимального. С возрастанием разницы между средней температурой жидкости, заключенной в двигателе, и средней температурой жидкости в радиаторе возрастает и напор, заставляющий жидкость циркулировать не только в пределах объема рубашки ох- лалдения, но и по всему контуру двигатель-радиатор, Постепенно увеличиваясь, величина этого напора становится достаточной для преодоления гидравлического сопротивления различных элементов тракта циркуляции. При этом возможно вращение крыльчатки насоса в режиме гидротурбины, уменьшаюп1ее сопротивление для протока жидкости, поскольку при это не требуется преодолевать инерционный момент относительно тяжелого ротора электродвигателя ввиду его отсутствия.

Вращение крыльчатки насоса способствует подготовке к его включению в работу вследствие уменьшения стра- гиваюр;его момента в момент сообщения ведомой полумуфты 12 с ведуп;ей 10 пр подаче тока в обмотку 14. Верхней - границей подъема температуры жидкости в двигателе является температура кипения tm,n ее при данном давлении в объеме контура охлаждения. Кипение жидкости начинается после того, как температура поверхности ее нагрева tj,,. становится выше температуры кипения. При достаточно высоких значениях теплового потока через эту

поверхность ее темцература t, может превысить t и тогда, когда ядро потока жидкости еще не догрето до этой температуры. В этом случае возникают кипящий граничный слой, прилегающий к поверхности нагрева с температурой t , и относительно холодное ядро. При этом пар, выходящий из кипящего граничного слоя, частично или полностью конденсируется при попадании в это ядро. По мере прогрева жидкости давление в контуре постепенно возрастает. При этом оно особенрю растет с момента начала парообразования, поскольку при атмосферном давлении удельный объем пара намного (на 2-3 порядка) вьте удельного объема жидкости (для воды в 1720 раз). Соответственно росту давления в объеме контура охлаждения

98

увеличивается и температура t

кип

По0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

этому в конце процесса разогрева двигателя, когда, с одной стороны, температура ядра потока жидкости, омывающей наиболее теплонапряженные зоны двигателя в месте установки термодатчика, приближается к температуре t, на которую настроен термодатчик из расчета обеспечения оптимальных условий смазки наиболее ответственных трущихся пар двигателя, а с другой стороны, жидкость в граничных слоях близка к кипению и пе реходу в пар,обуславливающее резкий рост давления в контуре, в зависимости от того, какое из этих явлений наступает раньше, происходит включение или вентилятора вследствие замыкания контактов цепи питания обмотки 13 сработавшим термодатчиком 17, или насоса вследствие замыкания контактов цепи питания обмотки 14 сработавшим датчиком 16 деления, или их обоих.

При включении вентилятора принудительный обдув трубок радиатора потоком воздуха с большим расходом, скачкообразно интенсифицируя теплопередачу от жидкос ти к воздуху, резко снижает температуру жидкости на выходе из радиатора по сравнению с температурой на входе. По мере увеличения разности между ними интенсивность однонаправленной циркуляции жидкости через рубашку охлаждения возрастает, еще более приближает картину распределения температур и скоростей жидкости по тракту ее движения к той, которая имеет место при работавшем насосе, и подготавливает двигатель к включению насоса. Процесс образования пара в граничных слоях с последующей конденсацией этого пара в ядре потока жидкости способствует усилению циркуляции жидкости в местных вихревых токах за счет подъемной силы пузырьков пара, обусловленных разницей в удельных объемах пара и жидкости.

Поскольку момент срабатьшания термодатчика назначен при его наладке из расчета обеспечения условия для эффективной смазки наиболее теплона- пряженных трущихся деталей двигателя, то момент включения вентилятора в работу при достижении охлаждающей жидкости температуры . можно считать сигналом, разрешаюрщм движение автомобиля, т.е. работу двигателя под нагрузкой после окончания ег о прорр)ева По мере увеличения скорости автомобиля возрастающий динамический напор потока воздуха, набегающего на движущийся вместе с автомобилем радиатор, в зависимости от его температуры и прочих условий, определяющих интенсивность охлаждения жидкости в радиаторе (встречный ветер, наличие в нем влаги и т.п.), термодатчик может выключить или снова включить вентилятор, поддерживая на необходимом уровне температуру жидкости в ядре ее потока, омывающего наиболее теп- ;лонапряженные зоны рубашки двигателя : В условиях такого поддержания температуры жидкости давление в контуре будет зависеть от того, какой процес протекает интенсивнее: процесс обра- ;зования пара в граничных слоях,обус- ;ловленный переменной по величине раз ; ностью (tjT ,), или процесс кон-- денсации этого пара в недогретом до кипения ядре потока жидкости и ра- диаторе, куда частично выносятся с потоком жидкости взвешенные в ней пуяырьки пара. В случае превалирования первого процесса над вторым относительная доля жидкости внутри коН тура, пребывающая в состоянии пара, будет расти, увеличивая паросодержа- ние жидкости и давление в контуре. При рооте давления сверх значения ;Рн.й. задаваемого при наладке датчи- ка 16 давления, .он замыкает контакты цепи питания обмотки 14. Принудительная циркуляция жидкости по контуру охлаждения с номинальной по расчету кратностью исключает дальнейший рост давления в контуре за счет удержания паросодержания жидкости в заданных пределах. При этом сугцественно то, что отбор энергии от двигателя на вращение насоса начинается только

после исчерпания всех ресурсов естественной конвекции, поскольку включение насоса происходит при подъеме температуры жидкости до верхнего граничного значения, ограниченного близостью жидкости к переходу в состояние пара. Поскольку разность температур охлаждающей жидкости на входе и выходе рубашки охлаждения двигателя при этом достигает максимального, возможного по условиям обеспечения эффективной смазки значения, то появляется возможность ограничения производительности и мощности насоси минимальным значением.

Формула изобретения

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая рубап ку охлаждения цилиндров, радиатор с верхним и нижним бачками, вентилятор и циркуляционньй насос, кинематически связанные с приводом через электромагнитные фрикционные муфты, каждая из которых выполнена из ведущей и ведомой полумуфт и снабжена обмоткой, включенной в цепь питания, термодатчик., установленный на рубашке охлаждения цилиндров в районе верхней мертвой точки и подключенный к обмоткам муфты вентилятора, и датчик давления, установленный в верхнем бачке радиатора и подключенный к обмоткам муфты циркуляционного насоса, отличающаяся тем, что, с целью снижения эксплуатационных расходов, привод выполнен в виде носка коленчатого вала двигателя, ведущие полумуфты жестко закреплены на нем, а кинематическая связь циркуляционного насоса с ведомой лолумуфтой выполнена в виде клиноременной передачи.

Изобретение позволяет снизить эксплуатационные расходы системы охлаждения. Привод системы выполнен в виде носка коленчатого вала двигателя, а ведущие полумуфты 9 и 10 жестко закреплены на нем. Кинематическая связь циркуляционного насоса 6 с ведомой полумуфтой 12 выполнения в виде клиноременной передачи 15. Такая система охлаждения обеспечивает оптимальные условия смазки наиболее ответственных трущихся пар двигателя. Принудительная циркуляция жидкости по контуру охлаждения с номинальной по расчету кратностью исключает рост давления в контуре сверх значения давления, задаваемого при наладке датчика давления 16 за счет удержания паросодержания жидкости в заданных пределах. Отбор энергии от двигателя на вращение насоса начинается только после исчерпания всех ресурсов естественной конвекции. Включение насоса происходит при подъеме т-ры жидкости до верхнего граничного значения. Появляется возможность ограничения производительности и мощности насоса минимальным значением. 1 ил. i (Л