СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЖИДКОСТНОЙ СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
HEAT CARRIER CIRCULATION CONTROL SYSTEM IN LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.
Широко распространены системы управления циркуляцией теплоносителя в жидкостной системе охлаждения двигателей с ременным или шестеренным приводом жидкостного насоса от коленчатого вала, терморегулятором, регулирующим расход теплоносителя из теплообменных каналов рубашки охлаждения через радиатор, и управляемым в зависимости от температуры теплоносителя приводом вентилятора [1].
Основным недостатком данного технического решения является прямая зависимость между производительностью жидкостного насоса и частотой вращения коленчатого вала, т.е. закон управления циркуляцией теплоносителя зависит только от скоростного режима работы двигателя и не учитывает нагрузочный режим и тепловое его состояние, что обуславливает медленный прогрев двигателя на режиме холостого хода и перегрев при движении с высокой нагрузкой и низкой частотой вращения коленчатого вала, особенно при высоких температурах окружающего воздуха и малых скоростях движения транспортного средства. Кроме того, при неисправности привода жидкостного насоса система охлаждения оказывается неработоспособной, что делает невозможной эксплуатацию двигателя и транспортного средства в целом.
Известны системы управления циркуляцией теплоносителя в жидкостной системе охлаждения двигателей с электрическим жидкостным насосом, вентилятором, и электроприводом терморегулятора расхода теплоносителя через радиатор, причем производительность насоса, пропускная способность терморегулятора и режим работы вентилятора регулируются при помощи электронного блока управления в зависимости от данных датчика температуры теплоносителя, установленного в теплообменных каналах перед терморегулятором [2].
Основным недостатком данного технического решения является большая инертность в регулировании производительности жидкостного насоса относительно текущих значений температуры деталей теплонагруженных зон, обусловленная тем, что управляющий сигнал на изменение интенсивности циркуляции теплоносителя дается датчиком, установленным в теплообменных каналах перед терморегулятором.
Вторым существенным недостатком является отсутствие дублирования привода циркуляции теплоносителя, что делает систему охлаждения неработоспособной при выходе из строя электронного блока управления, электрического жидкостного насоса или неисправности в системе энергоснабжения автомобиля.
Известна система циркуляции жидкого теплоносителя в двигателе внутреннего сгорания транспортного средства, принятая за прототип (патент RU 156186 U1, F01P 3/02, F01P 7/14 F02N 19/10 В60Н 1/08 от 16.01.2015) [3], имеющая жидкостной насос для подачи теплоносителя в теплообменные каналы двигателя, основной радиатор с вентилятором для охлаждения теплоносителя при его поступлении от двигателя, насос подачи теплоносителя в теплообменные каналы двигателя имеет автономный привод от электродвигателя или от гидромотора, в гидролинии, сообщающей основной радиатор с насосом подачи теплоносителя в теплообменные каналы двигателя, установлен регулируемый дроссель с приводом от шагового электродвигателя, в гидролинии, сообщающей упомянутые каналы в двигателе с основным радиатором, установлен двухпозиционный клапан, теплообменные каналы в двигателе сообщены с радиатором отопителя кабины транспортного средства через обратный клапан и клапан включения подачи теплоносителя в радиатор отопителя, имеется подогреватель теплоносителя, содержащий насос с электрическим приводом для прокачки теплоносителя через теплообменные каналы в двигателе при его пуске при низкой температуре окружающей среды и через радиатор отопителя кабины транспортного средства при включенном клапане подачи теплоносителя в радиатор отопителя, под аккумуляторной батареей подачи электрической энергии в электродвигатели установлен поддон, подогреваемый отработавшими газами подогревателя теплоносителя, в гидролинии прохода теплоносителя от подогревателя расположены средства теплообмена с компрессором подачи сжатого воздуха в тормозную систему транспортного средства.
Недостатком прототипа является регулирование циркуляции теплоносителя изменением угла поворота дросселя при постоянной частоте вращения вала жидкостного насоса, что не рационально с точки зрения использования энергоресурсов системы энергоснабжения автомобиля и ресурса привода насоса. Кроме этого, регулирование угла поворота дросселя осуществляется в соответствии с температурой теплоносителя, что имеет инертность по отношению к тепловому состоянию деталей в теплонагруженных зонах и влечет к погрешности при выборе режима циркуляции теплоносителя. Помимо этого, в системе отсутствует резервный привод жидкостного насоса на случай выхода из строя его привода или системы энергоснабжения, что снижает надежность системы охлаждения в целом.
Технический результат направлен на сокращение времени прогрева и повышение эффективных показателей двигателя внутреннего сгорания за счет точного и оперативного реагирования системы управления циркуляцией теплоносителя на изменение температуры в наиболее теплонагруженных зонах, а также на повышение надежности резервированием привода жидкостного насоса.
Технический результат достигается тем, что система управления циркуляцией теплоносителя в жидкостной системе охлаждения содержит установленный в теплообменных каналах двигателя жидкостный насос с приводом от электродвигателя и радиатор с вентилятором, сообщающийся с жидкостными каналами через терморегулятор, отличающийся тем, что жидкостной насос соединен с электродвигателем ременной передачей, система дополнительно содержит электронный блок управления частотой вращения ротора электродвигателя, посредством электрических связей соединенный с одной стороны с электродвигателем, а с другой стороны с датчиком температуры, размещенным на стыке блока и головки на самом дальнем от жидкостного насоса в направлении циркуляции теплоносителя цилиндре, дополнительно на валу жидкостного насоса на подшипнике установлен шкив, соединенный ременной передачей со шкивом коленчатого вала, при этом шкивы, размещенные на валу жидкостного насоса снабжены соосными резьбовыми отверстиями для их соединения при помощи болтов.
Отличительными признаками от прототипа является то, что жидкостной насос соединен с электродвигателем ременной передачей, система дополнительно содержит электронный блок управления частотой вращения ротора электродвигателя, посредством электрических связей соединенный с одной стороны с электродвигателем, а с другой стороны с датчиком температуры, размещенным на стыке блока и головки на самом дальнем от жидкостного насоса в направлении циркуляции теплоносителя цилиндре, дополнительно на валу жидкостного насоса на подшипнике установлен шкив, соединенный ременной передачей со шкивом коленчатого вала, при этом шкивы, размещенные на валу жидкостного насоса снабжены соосными резьбовыми отверстиями для их соединения при помощи болтов.
На фиг. 1 приведена схема системы управления циркуляцией теплоносителя в жидкостной системе охлаждения, на фиг. 2 - устройство привода жидкостного насоса.
Система управления циркуляцией теплоносителя в жидкостной системе охлаждения (Фиг. 1) включает в себя датчик температуры 1, размещенный в наиболее теплонагруженной зоне двигателя 2 (в районе стыка блока и головки на самом дальнем от жидкостного насоса 3 в направлении циркуляции теплоносителя цилиндре) и передающий эту информацию по электрическим проводам на электронный блок управления частотой вращения ротора электродвигателя 4, который, в свою очередь, электрическими проводами соединен с электродвигателем 5 привода жидкостного насоса 3. Электродвигатель 5, подключенный к системе электроснабжения автомобиля, посредством ременной передачи 6 связан со шкивом 7 привода жидкостного насоса 3, жестко установленным на валу 8 имеющем крыльчатку 9 (Фиг. 2). На валу 8, кроме того, через подшипник 10 установлен шкив 11 для резервного привода жидкостного насоса 3 через ременную передачу 12 от шкива 13 коленчатого вала двигателя 2. Шкив 7 и шкив 11 имеют соосные отверстия 14 с резьбой для возможности их соединения при помощи болтов 15. Теплообменные каналы 16 двигателя 2 посредством трубопроводов через терморегулятор 17 сообщаются с радиатором 18, который размещается перед вентилятором 19.
Система управления циркуляцией теплоносителя в жидкостной системе охлаждения работает следующим образом.
На этапе прогрева двигателя после пуска температура деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов вблизи камеры сгорания начинает стремительно расти. При этом датчик 1, установленный непосредственно на поверхности наиболее теплонагруженной зоны двигателя 2 (в районе стыка блока и головки на самом дальнем от жидкостного насоса 3 в направлении циркуляции теплоносителя цилиндре) информирует посредством электрических проводов электронный блок управления частотой вращения ротора электродвигателя 4 о текущем значении температуры. При достижении в районе размещения датчика 1 температуры кипения теплоносителя электронный блок управления 4 устанавливает минимальную частоту вращения ротора электродвигателя 5. Крутящий момент от электродвигателя 5 передается через ременную передачу 6 на шкив 7, последовательно жестко соединенный с валом 8 и крыльчаткой 9 жидкостного насоса 3, вследствие чего в теплообменных каналах 16 двигателя 2 создается минимальная циркуляция теплоносителя, необходимая для предотвращения появления паровых пробок в зонах с температурами, превышающими температуру его кипения (верхний пояс гильзы цилиндра и головки блока цилиндров). При этом, до достижения теплоносителем нижнего порога рабочих температур терморегулятор 17 находится в закрытом положении и не пускает теплоноситель в радиатор 18, вследствие чего тепловая энергия теплоносителя рассеивается в атмосферу только при теплопередаче через поверхность двигателя 2.
При достижении в районе размещения датчика 1 критической температуры электронный блок управления 4 дифференцированно повышает частоту вращения ротора электродвигателя 5, при этом пропорционально возрастает скорость циркуляции теплоносителя в теплообменных каналах 16 системы охлаждения двигателя 2, способствуя более интенсивному теплоотводу от нагретых поверхностей, ускоряя прогрев теплоносителя в объеме малого круга системы охлаждения и препятствуя, тем самым, превышению критических значений температуры в наиболее теплонапряженных зонах.
При достижении нижнего предела рабочей температуры теплоносителя терморегулятор 17 начинает сообщать теплообменные каналы 16 системы охлаждения с радиатором 18, изменяя пропускную способность до максимальной при прогреве теплоносителя до верхнего предела рабочих температур.
При превышении теплоносителем верхнего предела рабочих температур срабатывает вентилятор 19, создавая воздушный поток, вследствие чего интенсифицируется теплорассеивание через радиатор 18 в окружающую среду и температура теплоносителя снижается.
При работе жидкостного насоса 3 от электропривода шкив 11 свободно проворачивается на валу 8. В случае выхода из строя датчика 1, электронного блока управления частотой вращения ротора электродвигателя 4, электродвигателя 5, ременной передачи 6 или системы энергоснабжения, предусмотрена возможность резервирования путем жесткого соединения шкива 7 со шкивом 11 посредством вкручивания болтов 15 в соосные отверстия 14 с резьбой. При этом, жидкостной насос 3 приводится в действие через ременную передачу 12 от шкива 13 коленчатого вала двигателя.
После останова двигателя 2 электромотор 5 продолжает работу с минимальной частотой вращения ротора до снижения температуры в зоне размещения датчика 1 ниже значения температуры кипения теплоносителя, поддерживая циркуляцию в теплообменных каналах 16 системы охлаждения и, тем самым, предотвращая локальный перегрев деталей и закипание теплоносителя в наиболее теплонагруженных зонах.
К преимуществам предлагаемой системы можно отнести:
1. Возможность модернизации системы охлаждения наиболее распространенных двигателей внутреннего сгорания с ременным приводом жидкостного насоса, путем установки электронного блока управления частотой вращения ротора электродвигателя, датчика температуры, электромотора с ременной передачей и жидкостного насоса, выполненных в соответствии со схемами, изображенными на фиг. 1 и фиг. 2.
2. Точность и оперативность регулирования производительности жидкостного насоса, способствующие ускоренному выходу двигателя на рабочий температурный режим и режим принятия нагрузки вследствие эффективного теплоотвода в систему охлаждения при прогреве на режиме холостого хода. При этом максимально быстро происходит прогрев деталей цилиндропоршневой группы и поддержание их температуры в оптимальной зоне, в результате чего повышаются эффективные показатели двигателя во всем диапазоне режимов его работы.
3. Применение электронного блока управления, делающее возможным многопараметрическое регулирование не только производительности жидкостного насоса, но и согласование его работы с работой других систем двигателя.
4. Применение привода насоса от автономного электродвигателя, работающего от системы электроснабжения автомобиля, дает возможность его использования для создания циркуляции теплоносителя на режиме предпускового прогрева.
5. Дублирование привода жидкостного насоса повышает надежность системы охлаждения и двигателя в целом.
6. Работа электромотора после останова двигателя до снижения температуры в зоне размещения датчика ниже значения температуры кипения теплоносителя предотвращает локальный перегрев деталей и закипание теплоносителя в наиболее теплонагруженных зонах.
Источники информации:
1. Руководство по эксплуатации автомобилей семейства «Мустанг» [Текст] / МО РФ Главное автобронетанковое управление. - Рязань: Каталит, 2006. - 488 с.
2. .BMW TIS online. Техническая и справочная информация по автомобилям BMW и Mini. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://tis.bmwcats.com/doc1102210/. (Дата обращения: 21.06.2018).
3. Пат. 156186 РФ, F01P 3/02, F01P 7/14, F02N 19/10, В60Н 1/08. Система циркуляции жидкого теплоносителя в двигателе внутреннего сгорания транспортного средства / М.А Цимбалюк, B.C. Стручков, Л.А. Смирнова (Россия). №2015101151/06; Заявлено 16.01.2015; Опубл. 10.11.2015, Бюл. №31.