Система жидкостного охлаждения
LIQUID COOLING SYSTEM

Изобретение относится к технике двигателестроения, а именно к системам жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в указанных двигателях. Системы жидкостного охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания должны отвечать жестким, зачастую противоречивым требованиям. При работе двигателя его детали нагреваются вследствие трения и соприкосновения с горячими газами. Допустимая температура их нагревания ограничена жаростойкостью материалов, свойствами смазочных масел, надежностью работы отдельных узлов или условиями протекания рабочего процесса в цилиндрах. Для обеспечения допустимой температуры деталей двигателя их охлаждают. Однако с охлаждающей жидкостью уносится часть теплоты, выделившейся при сгорании, т.е. увеличатся ее потери, в связи с чем охлаждать двигатель следует лишь в той степени, насколько это необходимо для его надежной работы. Важно выбрать оптимальный режим охлаждения, при котором могут быть достигнуты следующие основные преимущества:
- создание более благоприятных условий для организации рабочего процесса ДВС и улучшения его индикаторных показателей на частичных нагрузках за счет повышения температурного уровня ограждающих стенок камеры сгорания и уменьшения больших коэффициентов избытка воздуха;
- повышение механического КПД ДВС во всем диапазоне нагрузок за счет уменьшения вязкости более нагретого масла на стенках цилиндра;
- перераспределение составляющих теплового баланса ДВС в направлении роста величины потерь тепла с выпускными газами и уменьшения величины потерь тепла с охлаждающей водой, что расширяет возможности применения газотурбинного наддува;
- стабилизация и выравнивание на всех режимах работы температурных полей деталей цилиндропоршневой группы, что, несмотря на повышение их температуры в целом, ведет к снижению термических напряжений в этих деталях (А.В. Разуваев, Е.А. Соколова, Е.А. Разуваева. Повышение эффективности энергетических установок. Вестник Саратовского государственного технического университета, №1, том 3, 2010).
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение оптимального режима охлаждения, при котором могут быть достигнуты указанные выше основные преимущества регулирования условий отвода теплоты от деталей двигателя внутреннего сгорания в зависимости от температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок.
Известна система жидкостного охлаждения закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости (Автомобили КамАЗ типа 6x4: Руководство по эксплуатации 5320-3902004РЭ и сервис. АО "КамАЗ". - М.: Машиностроение, 1994). Она состоит из соединенных в замкнутый контур и заполненных охлаждающей жидкостью рубашки охлаждения двигателя, жидкостного насоса, радиатора охлаждения, а также связанного с ними расширительного бачка, вентилятора, обдувающего радиатор охлаждения, с регулятором потока воздуха. Содержит датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения двигателя, клапаны регулирования расхода охлаждающей жидкости в зависимости от ее температуры, размещенные в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с радиатором охлаждающей жидкости, и в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с насосом охлаждающей жидкости (термостат). Расширительный бачек снабжен клапаном предельного избыточного давления, соединяющим свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка с атмосферой, и обратным клапаном. Система жидкостного охлаждения, принятая за прототип, работает следующим образом.
В процессе работы двигателя находящаяся в системе охлаждения жидкость циркулирует в замкнутом контуре между рубашкой охлаждения двигателя и радиатором охлаждения, отбирая избыточное тепло от стенок рубашки 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 предельного избыточного давления 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 понижении давления в расширительном бачке ниже атмосферного открывается обратный клапан. При повторном запуске двигателя процесс выхода на рабочий режим повторяется.
c
ж
пр
ж
пр
Теплообмен между охлаждающей жидкостью и стенками рубашки охлаждения кроме скорости циркуляции охлаждающей жидкости и температур стенок t и жидкости t определяется еще, так называемой температурой недогрева Δt=t-t, где t - температура насыщенных паров охлаждающей жидкости при определенном давлении в рубашке охлаждения. Это давление практически равно давлению в расширительном бачке. Зависимость коэффициента теплопередачи α от стенки к охлаждающей жидкости от температуры недогрева Δt имеет максимум - зону пузырькового кипения, которой предшествует зона конвективного теплообмена. При понижении температуры недогрева происходит развитие пленочного кипения и снижение коэффициента теплоотдачи α от стенки к жидкости. Поэтому наиболее рационально поддерживать температуру недогрева в пределах примерно 10≤Δt≤20°C (Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей. - М.: Машиностроение. 1985).
Указанная система обеспечивает поддержание температуры охлаждающей жидкости в пределах обеспечивающих безотказную работу двигателя во всем диапазоне предусмотренных температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок. Однако не может обеспечить поддержание температуры недогрева в оптимальных пределах во всем диапазоне предусмотренных температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок, т.е. решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата.
Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, оснащенного рычагом управления подачей топлива, закрытая, содержащая соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостной насос, радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок, вентилятор обдува радиатора с регулятором потока воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения двигателя, клапаны регулирования расхода охлаждающей жидкости, размещенные в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с радиатором охлаждающей жидкости, и в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с насосом охлаждающей жидкости, обратный клапан, соединяющий свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка с атмосферой, дополнена регулируемым запорным клапаном, соединяющим свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка с атмосферой, датчиком давления в расширительном бачке, датчиком положения рычага подачи топлива, электронным блоком управления, связанным с датчиками, регулируемыми запорными клапанами, регулятором потока воздуха.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
В качестве доказательства промышленной осуществимости заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата ниже приводится описание конкретной, но не единственно возможной, системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Система жидкостного охлаждения содержит соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения 1 двигателя, снабженного рычагом подачи топлива 2, жидкостной насос 3, радиатор охлаждения 4, связанный с ними расширительный бачок 5, вентилятор обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха, датчик температуры 7 охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения 1 двигателя, клапаны регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости, размещенные в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения 1 двигателя с радиатором 4 охлаждающей жидкости, и в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения 1 двигателя с жидкостным насосом 3, обратный клапан 10, соединяющий свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка 5 с атмосферой, электронный блок управления 11, соединенный с регулируемым запорным клапаном 12, соединяющим свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка 5 с атмосферой, датчиком давления 13 в расширительном бачке 5, датчиком температуры 7 охлаждающей жидкости, клапанами регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости и вентилятором обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха, а рычаг подачи топлива 2 снабжен датчиком положения 13, соединенным в свою очередь с электронным блоком управления 11. Клапаны регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости оборудованы дистанционным приводом, например шаговым электродвигателем. Под термином «вентилятор обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха» подразумевается как вентилятор с механизмом управляемого отключения, например гидродинамическая муфта или вязкостная муфта привода вентилятора, так и управляемый привод устройства перекрывающего поток воздуха через радиатор - жалюзи, шторка или сочетание этих устройств. Электронный блок управления 11 представляет собой, например, программируемый контроллер. Регулируемый запорный клапан 12 снабжен дистанционным приводом, например электромагнитом.
Предложенная система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.
Электронный блок управления 11 на основании с заложенной в него программы устанавливает давление открытия регулируемого запорного клапана 12 в соответствии с показанием датчика положения 13 рычага подачи топлива 2. Программа содержит также информацию о зависимости температуры открытия и закрытия клапанов регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости и включения и выключения вентилятор обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха от показаний датчика положения 13 рычага подачи топлива 2. Например, как представлено в таблице.
Указанные в таблице диапазоны нагрузки двигателя, соответствующие диапазонам положения рычага подачи топлива 2, их количество и значения давления открытия запорного клапана 12 и открытия (закрытия) клапана 8, закрытия (открытия) клапана 9 и включения (отключения) вентилятора обдува 6 для каждого диапазона нагрузки двигателя и для каждой модели двигателя могут быть индивидуальны. Наиболее рациональным является определение конкретных значений вышеуказанных величин на основании опытно-конструкторских работ с конкретной моделью двигателя.
В процессе работы охлаждающая жидкость под действием насоса 3 циркулирует по рубашке охлаждения двигателя 1, отбирает тепло от горячих стенок рубашки охлаждения двигателя 1, обеспечивая постепенное повышение температуры стенок рубашки охлаждения 1 двигателя и охлаждающей жидкости. По мере прогрева охлаждающей жидкости в закрытой системе охлаждения происходит рост давления до уровня, ограничиваемого клапаном 12, которому на каждом режиме работы двигателя соответствует определенная температура насыщения паров охлаждающей жидкости (см. таблицу). Проектная мощность теплорассеивания радиатора 4 при полном потоке охлаждающей жидкости через радиатор 4 (клапан 8 полностью открыт, а клапан 9 полностью закрыт) и полном потоке воздуха через радиатор 4 (включен вентилятор обдува 6) должна быть не меньше мощности тепловыделения в рубашку охлаждения двигателя 1 на режиме 100% мощности при предельной температуре наружного воздуха и предельной температуре парообразования, соответствующей этому режиму.
На каждом режиме работы вследствие открытия (закрытия) клапанов 8, 9 и включения (отключения) вентилятора обдува 6 температура охлаждающей жидкости стремится к стабилизации на уровне между температурами открытия (закрытия) клапанов 8, 9 и включения (отключения) вентилятора обдува 6, представленными в таблице. Этот уровень температур на режимах меньше 75% мощности и во всем допустимом диапазоне температур наружного воздуха выше, чем на режимах больше 75% мощности. Следовательно, учитывая также снижение средней температуры рабочего тела двигателя, на режимах меньше 75% мощности происходит снижение теплоотвода в систему охлаждения и обеспечивается оптимальный режим охлаждения, при котором достигаются указанные выше основные преимущества регулирования условий отвода теплоты от деталей двигателя внутреннего сгорания в зависимости от температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок.