РАДИАТОР СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
COOLING SYSTEM RADIATOR OF VEHICLE POWER EQUIPMENT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при конструировании и изготовлении радиаторов систем охлаждения силовых установок транспортных средств.
Известен радиатор [1] (прототип) системы охлаждения силовой установки транспортного средства, который содержит заливную горловину с пробкой, левый и правый бачки, каркас, трубчатую сердцевину, входной и выходной патрубки, при этом левый бачок снабжен стержнем, на котором располагается поршень с вмонтированным в него термостатом.
Недостатком данной конструкции радиатора является ее низкая надежность работы при закрытом термостате, так как, во-первых, в исходном режиме в случае необходимости доливки охлаждающей жидкости в радиатор через заливную горловину возможно образование воздушной пробки из-за отсутствия обратной связи между надпоршневой и подпоршневой областями левого бачка радиатора; во-вторых, при эксплуатации силовой установки на переменных частотах вращения вала и, соответственно, при переменной производительности циркуляционного насоса будет происходить резкое изменение гидравлических характеристик: давления и расхода охлаждающей жидкости, что при закрытом термостате будет приводить к повышенному гидравлическому сопротивлению в трубчатой сердцевине радиатора из-за противодавления надпоршневой области по отношению к подпоршневой области, так как перетекание охлаждающей жидкости осуществляется по последовательному пути [3, с. 123] через правый бачок, и, как следствие, будет происходить медленное перемещение поршня и медленное перетекания жидкости из подпоршневой области в надпоршневую область и обратно.
Изобретение направлено на повышение надежности работы радиатора.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый радиатор содержит заливную горловину, левый и правый бачки, трубчатую сердцевину, входной и выходной патрубки, установленные на каркасе, стержень, закрепленный в левом бачке, и расположенный на нем поршень со встроенным в него термостатом, при этом он дополнительно снабжен компенсационной трубкой, обратным и дроссельным клапанами, причем обратный клапан расположен в компенсационной трубке, вход которой соединен с заливной горловиной, а выход с входным патрубком, а дроссельный клапан установлен в поршне, вход и выход которого связаны с надпоршневой и подпоршневой областями левого бачка радиатора.
Отличительным признаком от прототипа является то, что радиатор снабжен дополнительно компенсационной трубкой, обратным клапаном, расположенным в компенсационной трубке, и дроссельным клапаном, расположенным в поршне.
На чертеже показан радиатор системы охлаждения силовой установки транспортного средства, общий вид.
Радиатор состоит из горловины 1, которая закрыта пробкой с паровоздушным клапаном (не показан), компенсационной трубки 11, соединенной гидравлически с заливной горловиной 1 и входным 7 патрубком, обратного клапана 12, встроенного в компенсационную трубку 11, левого 3 и правого 4 бачков, установленных на соответствующих боковинах трубчатой сердцевины 9, которые закреплены на каркасе 6. Левый бачок 3 содержит стержень 2, на котором размещается поршень 5 с встроенным в него термостатом 10 и дроссельным клапаном 13, которые гидравлически связаны с надпоршневой и подпоршневой областями левого бачка 3. Стержень 2 установлен жестко в корпусе левого 3 бачка, гидравлически связанного с входным патрубком 7, а через трубчатую сердцевину 9 с правым бачком 4, выходным патрубком 8 и заливной горловиной 1.
Работа радиатора может осуществляться в четырех режимах: исходном, холостого хода, эксплуатационном и максимальном, на которых он работает следующим образом.
В исходном режиме, при неработающем циркуляционном насосе силовой установки (не показаны), охлаждающая жидкость не поступает к входному патрубку 7. Поршень 5, под действием своей массы, находится в нижней части стержня 5 левого бачка 3. Термостат 10 закрыт. Дроссельный клапан 13 тоже закрыт, так как давление охлаждающей жидкости в надпоршневой и подпоршневой областях одинаковое. Охлаждающая жидкость заполняет весь гидравлический тракт радиатора, но не циркулирует в нем. В случае утечки и, как следствие, необходимости доливки охлаждающей жидкости открывается пробка заливной горловины 1 и через заливную горловину 1 охлаждающая жидкость поступает в трубчатую сердцевину 9 и компенсационную трубку 11. Под действием гравитационного давления охлаждающей жидкости в компенсационной трубке 11 открывается обратный клапан 12 и охлаждающая жидкость поступает далее по компенсационной трубке 11 к входному патрубку 7, вытесняя воздух из под поршневой области через трубчатую сердцевину 9 в заливную горловину 1.
Движение охлаждающей жидкости при работе радиатора на холостом, эксплуатационном и максимальном режимах в общем случае происходит по следующему пути (основной контур): входной патрубок 7, левый бачок 3, область под поршнем 5, подпоршневая часть трубчатой сердцевины 9, правый бачок 4, верхняя часть трубчатой сердцевины 9, выходной патрубок 8.
При работе циркуляционного насоса системы охлаждения силовой установки в режиме холостого хода (минимальная частота вращения вала) охлаждающая жидкость подводится к входному патрубку 7 и поршню 5, при этом давление охлаждающей жидкости на поршень 5 минимально. Дроссельный клапан 13 открывается на минимальную величину, пропорциональную разности давлений в надпоршневой и подпоршневой областях. Поршень 5 поднимается на минимальную высоту по стержню 2, обеспечивая протекание жидкости от входного патрубка 7 через нижний ряд трубчатой сердцевины 9. При этом обратный клапан 12 в компенсационной трубке 11 под действием давления охлаждающей жидкости закрывается и охлаждающая жидкость через компенсационную трубку 11 не поступает. Производительность насоса и теплопередача от силовой установки в охлаждающую жидкость в этом режиме минимальны, а тепловая эффективность нижнего ряда трубок радиатора будет максимальна. При длительной работе в том режиме и нагреве охлаждающей жидкости свыше эксплуатационной температуры открывается термостат 10 и жидкость поступает в надпоршневую область левого бачка 3, проходит через верхние ряды трубчатой сердцевины 9, охлаждаясь в них, далее проходит через правый бачок 4 и выходной патрубок 8 и возвращается в систему охлаждения силовой установки. После чего термостат 10 закрывается и цикл работы радиатора в этом режиме повторяется.
При работе циркуляционного насоса системы охлаждения силовой установки на эксплуатационном режиме поршень 5 может занимать промежуточное положение на стержне 2 между верхним и нижним концами левого бачка 3, при этом его положение на стержне 2 будет также зависеть от давления охлаждающей жидкости, которое пропорционально частоте вращения вала силовой установки [5, с. 133]. Жидкость, поступающая во входной патрубок 7, протекает только через ряды трубчатой секции 9, расположенные под его поршневой областью.
Жидкость, расположенная над поршнем 5, выдавливается поршнем 5 через неработающие ряды трубчатой секции 9.
При фиксированной частоте вращения вала силовой установки и, следовательно, постоянной производительности циркуляционного насоса обратный 12 и дроссельный клапаны 13 закрыты.
При переменной частоте вращения вала насоса силовой установки на эксплуатационном режиме и, следовательно, переменной производительности циркуляционного насоса работа радиатора при закрытом термостате осуществляется на двух режимах: соответственно режимы ускорения и замедления производительности циркуляционного насоса.
На первом подрежиме при возрастании частоты вращения вала силовой установки и, следовательно, увеличении производительности циркуляционного насоса будет расти давление охлаждающей жидкости в подпоршневой области, при этом обратный клапан 12 будет закрыт, а дроссельный клапан 13 открывается пропорционально разности давлений между надпоршневой и подпоршневой областями и обеспечивает пропорциональное [2, с. 140] протекание количества охлаждающей жидкости в надпоршневую область левого бачка 3 радиатора.
На втором подрежиме работы при снижении частоты вращения вала силовой установки и, следовательно, уменьшении производительности циркуляционного насоса давление жидкости в подпоршневой области будет меньше, чем в надпоршневой области. На этом подрежиме работы радиатора открывается обратный 12 клапан и охлаждающая жидкость перетекает по компенсационной трубке 11 в подпоршневую область, тем самым выравнивая давление охлаждающей жидкости в надпоршневой и в подпоршневой областях левого 3 бачка радиатора, при этом дроссельный 13 клапан закрывается.
Количество тепла, отдаваемого силовой установкой в охлаждающую жидкость, также пропорционально частоте вращения вала силовой установки [2, с. 140], что позволяет как на фиксированном, так и на переменном режимах работы силовой установки обеспечивать рациональную нагрузку радиатора. Жидкость при этом будет находиться в диапазоне эксплуатационных температур, то есть не будет переохлаждаться и перегреваться, то есть будет обеспечиваться эффективный теплообмен. При длительной работе силовой установки на фиксированной или переменной частотах вращения вала поршень 5 будет занимать определенное положение на стержне 2 и в случае перегрева жидкости откроется термостат 10 и жидкость поступит в надпоршневую область левого бачка 3, при этом обратный 12 и дроссельный клапаны 13 закроются. После снижения температуры охлаждающей жидкости до эксплуатационного диапазона термостат 10 закрывается и цикл работы радиатора в этом режиме повторяется.
При работе циркуляционного насоса системы охлаждения силовой установки в максимальном режиме поршень 5 будет занимать верхнее положение в верхнем конце левого 3 бачка. Производительность насоса и теплопередача от силовой установки в охлаждающую жидкость в этом режиме будут максимальными и тепловая эффективность радиатора также будет максимальной, так как в работе радиатора будут задействованы все ряды трубчатой секции 9.
Таким образом, надежная работа радиатора при закрытом термостате при переменной производительности циркуляционного насоса повысилась благодаря наличию обратной связи между надпоршневой и подпоршневой областями радиатора за счет протекания охлаждающей жидкости через компенсационную трубку 11 и обратный клапан 12 на исходном режиме и режиме замедления работы радиатора и за счет протекания охлаждающей жидкости через дроссельный клапан 13 на режиме ускорения работы радиатора.
Компенсационная трубка 11, обратный клапан 12 и дроссельный клапан 13 при закрытом термостате 10 при определенных режимах работы радиатора образовали параллельный (дополнительный) контур [3, с. 124] движения охлаждающей жидкости, позволяющий снизить суммарное гидравлическое сопротивление трубчатой сердцевины 8 радиатора, повышает скорости перетекания жидкости и перемещения поршня 5.
Движение охлаждающей жидкости через обратный 12 и дроссельный клапаны 13 и осуществляется благодаря их функциональному назначению [4, с. 768]. Обратный клапан 12 обеспечивает пропуск жидкости только в одном направлении и блокировку ее пропуска в противоположном за счет противодействия давлений жидкости в надпоршневой и в подпоршневой областях, а дроссельный 13 клапан [4, с. 766] обеспечивает пропуск количества (расхода) охлаждающей жидкости пропорционально разности давлений охлаждающей жидкости между надпоршневой и подпоршневой областями.
Введение в конструкцию радиатора трех элементов: компенсационной трубки 11, обратного клапана 12 и дроссельного клапана 13 повысило общую стоимость конструкции одного радиатора примерно на 10%. В то же время применение новых элементов снизило гидравлическое сопротивление сети и в итоге уменьшило напор жидкости, создаваемый циркуляционным насосом, который пропорционален затрачиваемой мощности [2, с. 482].
Экономическое преимущество новой конструкции радиатора включает в себя снижение мощности силовой установки, затрачиваемой на привод циркуляционного насоса, примерно на 0,5%, что в итоге повысит пропорционально коэффициент полезного действия и снизит расход топлива до 5% силовой установки.
Эксплуатация силовой установки с новым радиатором с введенными дополнительными элементами, благодаря снижению расхода топлива, компенсирует единовременные затраты в течение месяца.
Источники информации
1. Патент №2374091. «Радиатор системы охлаждения силовой установки транспортного средства», 2009.
2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Высшая школа, 2002. - 496 с.
3. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для студ. втузов / [Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др.]. - 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 2002. - 422 с.
4. Автомобильный справочник. Перевод с англ. Первое русское издание. - М.: Издательство - «За рулем», 1999. - 896 с.
5. Вознюк В.С. Гидравлика и гидравлические машины. - М.: Воениздат, 1979. - 168 с.