Технология охлаждения двигателя внутреннего сгорания
TECHNOLOGY FOR COOLING AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, применяемому, например, в качестве привода транспортного средства. В частности, описывается технология охлаждения вязкостной муфты двигателя внутреннего сгорания.
В транспортных средствах, в частности, в транспортных средствах хозяйственного назначения, вязкостные муфты применяются для регулируемого приведения в действие насоса охлаждающей жидкости в контуре охлаждающей жидкости. Потребляемая мощность неподвижно соединенного с двигателем внутреннего сгорания насоса охлаждающей жидкости в грузовом автомобиле в среднем составляла бы, к примеру, 7 кВт. Для достаточного теплоотвода охлаждающей жидкостью двигателя внутреннего сгорания полная мощность насоса охлаждающей жидкости (например, при движении по горизонтальному участку дороги на высокой скорости) зачастую не требуется. Управление работой насоса охлаждающей жидкости в зависимости от фактической потребности позволит экономить, например, от 0,5 до 1,5 процента топлива. Пример такого обычного управления работой насоса охлаждающей жидкости описан в статье «Просто отключить» в газете «Франкфуртер альгемайне цайтунг» («Einfach mal abschalten», Frankfurter Allgemeine Zeitung) от 29 апреля 2013 г.
Вязкостная муфта регулируемого насоса охлаждающей жидкости использует управляемую передачу крутящего момента вязкостной муфты. Передача крутящего момента основана на свойствах дилатантной жидкости, применяемой в вязкостной муфте. Примером используемой дилатантной жидкости является силиконовое масло. Разная частота вращения приводного и ведомого валов вязкостной муфты приводит к возникновению срезывающих усилий, которые воздействуют на дилатантную жидкость и передают с ее помощью крутящий момент от приводного вала к ведомому. Ввиду того, что воздействие срезывающих усилий обусловлено вязкостью, т. е. внутренним трением дилатантной жидкости, передача крутящего момента в вязкостной муфте сопровождается рассеянием энергии, которая в виде тепла передается как внутрь (т. е. в дилатантную жидкость), так и вовне (т. е. через корпус вязкостной муфты в окружающую среду).
Но приток тепла ухудшает гидравлические характеристики дилатантной жидкости, так как вязкость и эффективность передачи крутящего момента, как правило, уменьшаются с ростом температуры дилатантной жидкости. Тем самым, диапазон регулирования традиционной вязкостной муфты ограничивается, в частности, при высоких оборотах двигателя для предотвращения сокращения срока службы вязкостной муфты. Это может привести к парадоксальным ситуациям регулирования, когда управлять регулируемой вязкостной муфтой при высоких оборотах двигателя для снижения частоты вращения вала насоса охлаждающей жидкости нельзя во избежание перегрева вязкостной муфты. Это означает, что насос охлаждающей жидкости вынужден работать с той мощностью, которая не нужна для охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Альтернативные способы охлаждения вязкостной муфты, например, улучшение оребрения ее корпуса, нецелесообразны. С одной стороны, лучшее оребрение приводит к увеличению массы вязкостной муфты и необходимого монтажного пространства. С другой стороны, как раз этого воздушного охлаждения недостаточно, так как насос охлаждающей жидкости включается при высокой нагрузке на двигатель, в результате чего находящаяся за радиатором вязкостная муфта также обдувается воздухом более высокой температуры.
Тем самым, задачей является создание двигателя внутреннего сгорания с энергоэффективным охлаждением. Альтернативной или дополнительной задачей является улучшение управляемости вязкостной муфты без сокращения срока ее службы. Альтернативной или дополнительной задачей является обеспечение, по возможности, постоянной температуры дилатантной жидкости вне зависимости от механической нагрузки на вязкостную муфту и температуры окружающей среды.
Эта задача или эти задачи решаются созданием двигателя внутреннего сгорания и соответствующего транспортного средства с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и виды применения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и более подробно рассмотрены в представленном далее описании с частичной ссылкой на изображения.
По одному из аспектов изобретения предлагается двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания включает контур охлаждающей жидкости, соединенный или выполненный с возможностью соединения с головкой цилиндров и/или блоком цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Контур охлаждающей жидкости включает насос охлаждающей жидкости, который имеет приводной вал и предназначен для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости в контуре. Двигатель внутреннего сгорания дополнительно включает вязкостную муфту, установленную для приведения в действие приводом от двигателя внутреннего сгорания или выполненную с возможностью такой установки, включающую дилатантную жидкость для передачи крутящего момента и соединенную со стороны отбора мощности с приводным валом насоса охлаждающей жидкости, Приводной вал насоса охлаждающей жидкости включает по меньшей мере одну тепловую трубку, находящуюся в теплообмене с дилатантной жидкостью в качестве источника тепла и с охлаждающей жидкостью в качестве охладителя либо выполненную с возможностью теплообмена.
Поскольку в приводном валу регулируемого насоса охлаждающей жидкости имеется по меньшей мере одна тепловая трубка, тепло от дилатантной жидкости как источника тепла может эффективно передаваться охлаждающей жидкости, выступающей в роли охладителя.
По меньшей мере одна тепловая трубка как герметичный элемент может быть вставлена в продольное отверстие приводного вала. В качестве альтернативы или дополнительно по меньшей мере одна тепловая трубка может быть выполнена заодно с приводным валом в продольном отверстии приводного вала.
Дилатантной жидкостью может быть масло, например, силиконовое масло. Как гидродинамическая рабочая среда дилатантная жидкость может обладать определенными гидравлическими характеристиками для передачи крутящего момента, например, определенной вязкостью в зависимости от температуры.
В состав охлаждающей жидкости может входить вода, незамерзающее средство и/или средство защиты от коррозии.
Вязкостная муфта может включать пластины, омываемые дилатантной жидкостью. Пластины могут быть соединены с приводным валом без возможности вращения. Через пластины тепловая трубка может находиться в теплообмене с дилатантной жидкостью как с источником тепла. Например, пластины располагаются по окружности конца приводного вала со стороны муфты. Находящийся со стороны источника тепла конец тепловой трубки может соответствовать концу приводного вала со стороны муфты.
Насос охлаждающей жидкости может включать омываемое охлаждающей жидкостью рабочее колесо (например, крыльчатку). Рабочее колесо может быть соединено с приводным валом без возможности вращения. Через рабочее колесо тепловая трубка может находится в теплообмене с охлаждающей жидкостью как с охладителем. Например, рабочее колесо располагается на конце приводного вала со стороны насоса. Находящийся со стороны охладителя конец тепловой трубки может соответствовать концу приводного вала со стороны насоса.
Контур охлаждающей жидкости может дополнительно включать радиатор и термостат. Со стороны входа насос охлаждающей жидкости может соединяться с радиатором и/или термостатом. Со стороны выхода насос охлаждающей жидкости может соединяться с головкой и/или блоком цилиндров. Радиатор и/или термостат могут быть расположены в контуре охлаждающей жидкости вниз по потоку относительно блока цилиндров.
Тепловая трубка может включать один или несколько капилляров, продолжающихся вдоль приводного вала, например, от конца приводного вала со стороны муфты до конца приводного вала со стороны насоса. Предпочтительно, чтобы капилляры или по меньшей мере один из капилляров мог быть расположен соосно приводному валу. В качестве альтернативы или дополнительно тепловая трубка может включать множество капилляров (например, за счет пористой структуры) и располагаться соосно приводному валу. Соосное расположение позволяет минимизировать или исключить воздействие центробежных сил на тепловую трубку.
Тепловая трубка (например, по меньшей мере один капилляр) может включать охлаждающую среду (сокращенно: среда). Охлаждающая среда может испаряться за счет теплового контакта с источником тепла (например, на конце приводного вала со стороны муфты) и конденсироваться за счет теплового контакта с охладителем (например, на конце приводного вала со стороны насоса). Тепловая трубка может представлять собой закрытую систему с охлаждающей средой. Охлаждающей средой может быть, к примеру, вода или аммиак. Под действием капиллярных сил охлаждающая среда в жидком агрегатном состоянии может протекать от охладителя (например, от конца приводного вала со стороны насоса) к источнику тепла (например, к концу приводного вала со стороны муфты), например, по капиллярам или внутри пористой структуры.
Поток охлаждающей среды в газообразном состоянии от источника тепла к охладителю может быть пространственно отделен от обратного потока охлаждающей среды в жидком агрегатном состоянии. Например, тепловая трубка может включать канал для конденсата (расположенный соосно приводному валу), не подверженный воздействию центробежной силы, и канал для пара, охватывающий канал для конденсата.
Тепловое сопротивление тепловой линии в металле приводного вала может многократно превышать тепловое сопротивление тепловой линии в тепловой трубке. Например, за счет сосуществования жидкой и газообразной фаз охлаждающей среды в тепловой трубке концы приводного вала со стороны муфты и со стороны насоса могут быть почти изотермическими.
Устройство может дополнительно включать блок управления, регулирующий коэффициент сцепления вязкостной муфты. Например, коэффициент сцепления может изменяться в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и/или от температурного градиента в блоке и/или головке цилиндров.
Теплоемкость охлаждающей жидкости может многократно превосходить теплоемкость дилатантной жидкости. Ввиду различия теплоемкости и малого теплового сопротивления тепловой трубки температура дилатантной жидкости может следовать температуре охлаждающей жидкости или практически соответствовать ей. Управление охлаждающей жидкостью может предполагать управление дилатантной жидкостью.
За счет термической связи дилатантной жидкости с регулируемой температурой охлаждающей жидкости через по меньшей мере одну тепловую трубку можно предотвратить обусловленное высокой температурой падение вязкости и, тем самым, ухудшение передачи крутящего момента в вязкостной муфте. Тем самым, диапазон регулирования управляемой вязкостной муфты может быть увеличен по сравнению с обычной вязкостной муфтой с воздушным охлаждением и может включать, например, весь диапазон частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания.
Согласно дополнительному аспекту предлагается транспортное средство, например, наземное транспортное средство или плавучее средство, включающее двигатель внутреннего сгорания по одному из вариантов осуществления упомянутого аспекта. Наземным транспортным средством может быть транспортное средство хозяйственного назначения, к примеру, автобус, грузовой автомобиль или тягач.
Другие признаки и преимущества данного изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. На них показаны:
Фиг. 1 Приблизительная блок-схема первого примера осуществления двигателя внутреннего сгорания;
Фиг. 2 Приблизительная блок-схема второго примера осуществления двигателя внутреннего сгорания; и
Фиг. 3 График частоты вращения для регулировки управляемой вязкостной муфты, выполненной с возможностью внедрения в каждый из примеров осуществления изобретения.
На фиг. 1 изображен первый пример осуществления изобретения осуществления двигателя внутреннего сгорания, обозначенного общим номером позиции 100. Двигатель 100 внутреннего сгорания включает головку 102 цилиндров и блок 104 цилиндров, соединенные с контуром охлаждающей жидкости, обозначенным общим номером позиции 106. Двигатель 100 внутреннего сгорания дополнительно включает насос 108 охлаждающей жидкости, соединенный на стороне входа с линией 106-1 подачи контура 106 охлаждающей жидкости. На стороне выхода насос 108 охлаждающей жидкости соединен по текучей среде с каналами системы охлаждения в головке 102 и блоке 104 цилиндров.
В корпусе насоса 108 охлаждающей жидкости находится рабочее колесо 110 (например, крыльчатка или пропеллер) на приводном валу 112. Рабочее колесо 110 и конец приводного вала 112 со стороны насоса погружены в охлаждающую жидкость 114 контура 106 охлаждающей жидкости, заполняющую корпус насоса. В состав охлаждающей жидкости 114 входит, например, вода с добавками для повышения температуры замерзания и снижения вязкости.
Регулируемая частота вращения вала насоса 108 охлаждающей жидкости определяет объем циркулирующей в контуре 106 охлаждающей жидкости 114 в единицу времени. С обратной линией 106-2, температура жидкости в которой выше температуры жидкости в линии 106-1 подачи, контура 106 охлаждающей жидкости вниз по потоку относительно блока 104 цилиндров соединен радиатор 116. В качестве необязательного элемента контур 106 охлаждающей жидкости дополнительно включает термостат 118. Термостат 118 определяет протекающую через радиатор 116 долю охлаждающей жидкости 114 из общего объема циркулирующей в двигателе внутреннего сгорания охлаждающей жидкости 114.
Приводной вал 112 соединен с выходным валом вязкостной муфты 120, которая приводится в действие за счет привода 122 от двигателя 100 внутреннего сгорания. Привод 122 вязкостной муфты 120 может включать зубчатую передачу с фиксированным передаточным отношением к коленчатому валу двигателя 100 внутреннего сгорания. Вязкостная муфта 120 включает дилатантную жидкость 124, за счет вязкости которой происходит передача крутящего момента привода с внешних пластин 128 на внутренние пластины 126. Внутренние пластины 126 расположены на конце приводного вала 112 со стороны муфты без возможности вращения на приводном валу 112.
В приводном валу 112 размещается по меньшей мере одна тепловая трубка 130 для отвода тепла от дилатантной жидкости 124 к охлаждающей жидкости 114. Например, через внутренние пластины 126 конец тепловой трубки 130 со стороны муфты находится в теплообмене с дилатантной жидкостью 124, выступающей в роли источника тепла. Через рабочее колесо 110 конец тепловой трубки 130 со стороны насоса находится в теплообмене с охлаждающей жидкостью 114, выступающей в роли охладителя.
На фиг. 2 показана приблизительная блок-схема второго примера осуществления двигателя 100 внутреннего сгорания. Отдельные признаки второго примера осуществления изобретения можно комбинировать с признаками первого примера осуществления изобретения и/или они могут заменять их. В частности, соответствующие или заменяемые признаки необходимо обозначить согласующимися номерами позиций.
Для повышения эффективности теплопередачи между дилатантной жидкостью 124 и охлаждающей жидкостью 114 в тепловой трубке 130 в качестве охлаждающего средства используется обеспечивающая термическую конвекцию охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды используются органические и/или неорганические охлаждающие средства (которые, например, могут также использоваться как хладагенты). Первый конец тепловой трубки со стороны муфты, находящийся в тепловом контакте с вязкостной муфтой 120 (точнее: с дилатантной жидкостью 124), выступающей в роли источника тепла, служит в качестве испарителя охлаждающей среды в тепловой трубке 130. Второй конец тепловой трубки 130 со стороны насоса, противоположный первому концу, находится в тепловом контакте с насосом 108 охлаждающей жидкости (точнее: с охлаждающей жидкостью 114), выступающим в роли охладителя, и служит в качестве конденсатора охлаждающей среды.
Предпочтительно, чтобы тепловая трубка 130 включала один капилляр 132 или несколько капилляров 132, внутри которых находится охлаждающая среда. Под действием капиллярных сил охлаждающая среда в жидком агрегатном состоянии протекает от второго конца приводного вала со стороны насоса к первому концу приводного вала со стороны муфты. Тем самым, достигается рециркуляция охлаждающей среды для эффективной теплопередачи вдоль приводного вала 112.
Встроенная в приводной вал 112 тепловая трубка 130 позволяет поддерживать температуру дилатантной жидкости 124 практически на постоянном уровне благодаря тесной термической связи с температурой охлаждающей жидкости 114. Так как температура дилатантной жидкости 124 влияет на эффективность работы вязкостной муфты 120, эффект проскальзывания из-за высокой температуры исключается или уменьшается в значительной мере.
В отличие от традиционного способа охлаждения вязкостной муфты, например, только воздухом за счет увеличения контактной поверхности вязкостной муфты, эффективная температурная связь с охлаждающей жидкостью 114 позволяет уменьшить количество ребер 134 охлаждения вязкостной муфты 120 или полностью отказаться от таких ребер 134. В результате возможно снижение затрат на изготовление вязкостной муфты 120 и веса вязкостной муфты 120.
За счет встраивания тепловой трубки 130 в приводной вал 112 от традиционного воздушного охлаждения вязкостной муфты 120 можно отказаться или в значительной мере сократить количество его элементов. Это приведет к снижению затрат и уменьшению монтажного пространства, необходимого для установки вязкостной муфты 120. Благодаря стабильности и неизменности температуры дилатантной жидкости 124 срок службы такой вязкостной муфты по сравнению с традиционными вязкостными муфтами может быть увеличен.
В каждом из примеров осуществления изобретения двигатель 100 внутреннего сгорания может включать блок 136 управления, регулирующий частоту вращения вала насоса 108 охлаждающей жидкости с помощью вязкостной муфты 120. Так как управление частотой вращения вала насоса зависит от входных величин блока 136 управления, например, измеренной температуры охлаждающей жидкости 114 и/или измеренного температурного градиента в головке 102 или блоке 104 цилиндров, регулировке подвергается эта температура или, соответственно, этот температурный градиент. Работой блока 136 управления можно назвать регулировку частоты вращения вала насоса 108 охлаждающей жидкости.
На фиг. 3 схематически показан график 300 частоты вращения для регулирования вязкостной муфты 120 и, тем самым, частоты 302 вращения вала насоса 108 охлаждающей жидкости. Схематически изображенное на графике 300 регулирование может быть применено к каждому примеру осуществления двигателя 100 внутреннего сгорания.
На горизонтальной оси отражена частота 304 вращения вала двигателя внутреннего сгорания (т. е. частота вращения коленчатого вала). Изначальная прямая 306 показывает механическое передаточное отношение (например, 1:1,8 к коленчатому валу), т. е. частоту вращения привода 122 вязкостной муфты 120. Из-за проскальзывания, необходимого для передачи крутящего момента даже при максимальном зацеплении вязкостной муфты 120, максимальная частота 308 вращения на стороне отбора мощности вязкостной муфты 120, т. е. максимальная частота 308 вращения приводного вала 112, меньше частоты 306 вращения. Это минимальное проскальзывание уменьшается при малой нагрузке или при низких оборотах 304 двигателя и увеличивается с ростом нагрузки или оборотов 304 двигателя.
Благодаря фиксированной температурной связи дилатантной жидкости 124 с охлаждающей жидкостью 114 через тепловую трубку 130 весь диапазон 310 регулирования может быть доступен в области ниже максимальных оборотов 308 в блоке 136 управления вязкостной муфтой 120. Ограничение диапазона 310 регулирования из-за обычной зоны проскальзывания под действием высокой температуры может не потребоваться благодаря температурной связи посредством тепловой трубки 130.
Обычная зона 312 проскальзывания под действием высокой температуры может возникать из-за большой тепловой мощности на высоких оборотах 304 двигателя и/или при больших величинах срезывающего усилия (т. е. при большом моменте нагрузки) в дилатантной жидкости обычной вязкостной муфты (например, только с воздушным охлаждением) и приводить к неконтролируемому повышению температуры дилатантной жидкости 124, в результате чего из-за падения вязкости под действием температуры и/или при перегреве дилатантной жидкости 124 обычная зона 312 проскальзывания под действием высокой температуры недоступна при регулировании традиционной вязкостной муфты.
Контролируемая с помощью по меньшей мере одной тепловой трубки 130 температура дилатантной жидкости 124 позволяет уменьшить зону проскальзывания под действием высокой температуры или сделать ее нерелевантной для диапазона 310 регулирования. Это позволяет, например, на высоких оборотах 304 двигателя и при малой потребности в мощности насоса 108 охлаждающей жидкости (например, при движении по шоссе на горизонтальном участке или при спуске) уменьшить 314 частоту 302 вращения вала насоса и, тем самым, снизить расход топлива. Эта возможность отсутствует у традиционной вязкостной муфты из-за наличия обычной зоны 312 проскальзывания под воздействием высокой температуры при регулировании.
Хотя данное изобретение описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, для специалиста понятно, что существует возможность внесения различных изменений и использования в качестве замены эквивалентных решений. Дополнительно может быть предпринято множество модификаций для адаптации существа изобретения к конкретным диапазонам мощности или к конкретным случаям применения двигателя внутреннего сгорания. Следовательно, данное изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, а охватывает все варианты, подпадающие под действие прилагаемых формул изобретения.
Список номеров позиций
100
Двигатель внутреннего сгорания
102
Головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания
104
Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания
106
Контур охлаждающей жидкости
108
Насос охлаждающей жидкости в контуре охлаждающей жидкости
110
Рабочее колесо насоса охлаждающей жидкости
112
Приводной вал насоса охлаждающей жидкости
114
Охлаждающая жидкость
116
Радиатор контура охлаждающей жидкости
118
Термостат контура охлаждающей жидкости
120
Вязкостная муфта
122
Привод вязкостной муфты
124
Дилатантная жидкость
126
Внутренние пластины вязкостной муфты
128
Внешние пластины вязкостной муфты
130
Тепловая трубка
132
Капилляры тепловой трубки
134
Ребра охлаждения вязкостной муфты
136
Блок управления
300
График частоты вращения
302
Частота вращения вала насоса
304
Частота вращения вала двигателя
306
Частота вращения вязкостной муфты на стороне привода
308
Частота вращения вязкостной муфты на стороне отбора мощности
310
Диапазон регулирования вязкостной муфты
312
Обычная зона проскальзывания под действием высокой температуры
314
Снижение частоты вращения вала насоса