ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫМ КЛАПАНОМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к двигателю внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.
Уровень техники
В двигателях внутреннего сгорания транспортных средств для управления жидкостным охлаждением используют пропорциональный клапан. В рамках данного описания понятие «двигатель внутреннего сгорания» включает в себя бензиновые двигатели, дизельные двигатели, гибридные двигатели внутреннего сгорания, в которых применяется гибридный способ сжигания, а также гибридные приводы, которые помимо двигателя внутреннего сгорания включают в себя электродвигатель, соединенный с двигателем внутреннего сгорания посредством привода и отбирающий мощность двигателя сгорания или же создающий дополнительную мощность в качестве дополнительного привода.
На практике можно использовать воздушное или жидкостное охлаждение двигателя внутреннего сгорания. Благодаря большей теплоемкости жидкостей при жидкостном охлаждении отводится существенно большее количество тепла, чем при воздушном охлаждении. Тепловая нагрузка на двигатель постоянно растет, поэтому двигатели внутреннего сгорания, известные из уровня техники, все чаще оснащают системами жидкостного охлаждения. Это также связано с тем, что в двигателях внутреннего сгорания все чаще используют системы наддува, а в блок цилиндров или головку блока цилиндров для обеспечения максимальной компактности встраивают все больше элементов, что приводит к увеличению тепловой нагрузки на двигатель, т.е. двигатель внутреннего сгорания. Все чаще выпускной коллектор стали встраивать в головку блока цилиндров, что позволяет обеспечить его охлаждение за счет системы охлаждения головки блока цилиндров, а также исключает необходимость его изготовления из дорогостоящих термостойких материалов.
Для обеспечения жидкостного охлаждения необходимо предусмотреть в головке блока цилиндров по крайней мере одну водяную рубашку, т.е. обеспечить рециркуляцию охлаждающей жидкости в каналах, проходящих через головку блока цилиндров. Охлаждающая жидкость поступает в водяную рубашку через впускное отверстие со стороны впуска и после прохождения по головке блока цилиндров выходит через выпускное отверстие со стороны выпуска. Для отвода тепло не направляют на поверхность головки блока цилиндров, как при воздушном охлаждении, а сразу отводят внутрь головки блока цилиндров к охлаждающей жидкости. При этом насос, расположенный в контуре водяной рубашки, перемещает охлаждающую жидкость, обеспечивая ее циркуляцию. Таким образом, тепло, отдаваемое охлаждающей жидкости, отводят из головки блока цилиндров через выпускное отверстие, после чего охлаждающая жидкость отдает это тепло за пределами головки блока цилиндров, например, посредством теплообмена или каким-либо другим образом.
Как и головку блока цилиндров, блок цилиндров также может иметь одну или несколько водяных рубашек. Однако головка блока цилиндров испытывает большую тепловую нагрузку, так как, в отличие от блока цилиндров, головка блока цилиндров включает в себя линии, по которым проходят выхлопные газы, а стенки камеры сгорания в головке блока цилиндра подвергаются воздействию горячих выхлопных газов дольше, чем трубы в блоке цилиндров. Кроме того, по сравнению с блоком цилиндров головка блока цилиндров имеет меньший вес деталей.
В качестве охлаждающей жидкости, как правило, используют водно-гликолевую смесь с присадками. Преимущество воды перед другими охлаждающими веществами заключается в том, что она не токсична, легко доступна, имеет малую стоимость и, кроме того, обладает большой теплоемкостью. В связи с этим вода подходит для отвода большого количества тепла, что является принципиально предпочтительным качеством.
Для создания контура водяной рубашки выпускные отверстия на стороне выпуска, через которые охлаждающая жидкость выходит из водяной рубашки, соединены или могут быть соединены с впускными отверстиями на стороне впуска, при этом можно использовать одну или несколько линий. Эти линии не обязательно должны быть патрубками в физическом смысле, они могут быть также представлять собой часть головки блока цилиндров, блока цилиндров или другого элемента конструкции. Примером такой линии является рециркуляционная линия, в которой расположен теплообменник для отвода тепла охлаждающей жидкости.
Целью и задачей жидкостного охлаждения не является отвод максимального количества тепла от двигателя внутреннего сгорания при любых условиях эксплуатации. Более того, желательно обеспечить управление степенью требуемого жидкостного охлаждения, при котором учитывается не только полная нагрузка, но и режимы работы двигателя, в которых целесообразнее отводить от двигателя внутреннего сгорания больше или меньше тепла.
Для одновременного снижения мощности трения и расхода топлива в двигателе внутреннего сгорания может быть целесообразен быстрый нагрев моторного масла, в частности, после холодного пуска. Быстрый нагрев моторного масла при прогреве двигателя внутреннего сгорания обеспечивает соответственно быстрое снижение вязкости масла и, следовательно, снижение трения или мощности трения, в частности, в смазываемых подшипниках, например, в подшипниках коленчатого вала.
В принципе, быстрому нагреву моторного масла для снижения мощности трения может способствовать быстрый нагрев самого двигателя, возникающий из-за того, что при прогреве двигателя внутреннего сгорания от него отводится минимальное количество тепла.
В этом отношении режим прогрева двигателя внутреннего сгорания является примером режима работы, во время которого целесообразно отводить минимальное количество тепла или исключить его вообще.
Управление жидкостным охлаждением, при котором в целях быстрого нагрева двигателя внутреннего сгорания понижают отвод тепла после холодного пуска, можно реализовать при использовании автоматического клапана, включающегося в зависимости от температуры, который известен из уровня техники как термостатический клапан. Такой термостатический клапан включает в себя реагирующий на изменение температуры элемент, на который воздействует охлаждающая жидкость, при этом соединительная линия, проходящая через этот клапан, перекрывается или открывается (на определенную величину) в зависимости от температуры охлаждающей жидкости рядом с данным элементом.
В двигателе внутреннего сгорания с водяным охлаждением как головки блока цилиндров, так и блока цилиндров может быть целесообразно регулировать величину потока охлаждающей жидкости в головке блока цилиндров и в блоке цилиндров независимо друг от друга. При этом предпочтительно обеспечить плавную регулировку, в частности, из-за того, что эти элементы конструкции испытывают разные тепловые нагрузки и по-разному ведут себя в период прогревания. С учетом вышесказанного целесообразно направлять поток охлаждающей жидкости через головку блока цилиндров и блок цилиндров при различных температурах открытия термостата. В начале прогревания охлаждающая жидкость не циркулирует, а остается в линиях и водяной рубашке головки блока цилиндров и/или блока цилиндров, что ускоряет нагрев охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания, разогрев моторного масла и способствует снижению мощности трения.
Однако использование двух или более термостатических клапанов повышает стоимость управления, объем занимаемого пространства и вес. Кроме того, предпочтительным является обеспечение управления жидкостным охлаждением, при котором происходит не только снижение количества циркулирующей охлаждающей жидкости или потока охлаждающей жидкости после холодного пуска вплоть до полной остановки циркуляции, но может осуществляться и воздействие на весь тепловой режим двигателя внутреннего сгорания.
Для обеспечения удобства целесообразным или желательным может быть обеспечение отопления салона транспортного средства, в частности, после холодного пуска, при помощи охлаждающей жидкости, предварительно подогретой в головке блока цилиндров и/или в блоке цилиндров и поступающей по трубе отопительного контура. При этом возникает следующая проблема: с одной стороны, необходимо предварительно разогреть охлаждающую жидкость в головке блока цилиндров или в блоке цилиндров, чтобы затем использовать подогретую охлаждающую жидкость для отопления, с другой стороны, необходимо остановить или снизить циркуляцию охлаждающей жидкости в головке блока цилиндров или в блоке цилиндров, чтобы в период прогревания отводить от двигателя внутреннего сгорания минимальное количество тепла.
Из уровня техники известны концепции жидкостного охлаждения, в которых со стороны впуска или выпуска предусмотрен пропорциональный клапан. Такой пропорциональный клапан может регулировать поток охлаждающей жидкости как через головку блока цилиндров, так и через блок цилиндров при помощи одного корпуса клапана. Он предназначен для управления требуемым жидкостным охлаждением или охлаждением двигателя внутреннего сгорания. Снижаются стоимость, вес и объем требуемого пространства. Количество элементов конструкции также уменьшается, что позволяет значительно снизить расходы на изготовление и монтаж.
Например, корпус клапана может быть выполнен в виде вращающегося ролика с проходами для охлаждающей жидкости, выходящими к рабочей поверхности. Для углового расположения и создания опоры для ролика предусмотрена клапанная коробка с соответствующим числом каналов для охлаждающей жидкости, которые путем регулировки ролика могут соединяться с указанными проходами для охлаждающей жидкости. Пропорциональный клапан включает в себя по крайней мере один вход для подачи охлаждающей жидкости и один выход для отвода охлаждающей жидкости.
Пропорциональный клапан, активное управление которым осуществляется, например, контроллером двигателя, в основном позволяет активировать его в зависимости от различных характеристик и, следовательно, создавать определенную температуру охлаждающей жидкости, соответствующую текущей нагрузке на двигатель внутреннего сгорания. Например, при низкой нагрузке температура охлаждающей жидкости выше, чем при высоких нагрузках, а при частичной нагрузке отвод тепла меньше, чем при высокой нагрузке. Пропорциональный клапан, управляемый контроллером двигателя, может регулировать поток охлаждающей жидкости, проходящий через головку блока цилиндров или блок цилиндров, и, соответственно, количество отводимого тепла.
Пропорциональный клапан или его корпус может находиться в различных положениях, например, в положении для прогревания двигателя внутреннего сгорания, в котором охлаждающаяся жидкость течет через головку блока цилиндров, а не через блок цилиндров. При этом охлаждающая жидкость проходит через головку блока цилиндров, испытывающую особенно высокие тепловые нагрузки, и охлаждает ее. За счет установки ролика в данное положение можно регулировать количество проходящей жидкости и, тем самым, количество тепла, отводимого от головки блока цилиндров.
При переводе пропорционального клапана в другое положение можно дополнительно освободить проход в блок цилиндров, после чего охлаждающая жидкость начинает проходить через головку блока цилиндров и блок цилиндров. Установка ролика в данное положение позволяет регулировать количество проходящей жидкости и, следовательно, количество тепла, отводимого от блока цилиндров.
Описанные выше положения можно дополнить или заменить множеством других положений, например, положением, в котором происходит прекращение охлаждения головки блока цилиндров, т.е. в котором поток охлаждающей жидкости через головку блока цилиндров полностью прекращается. Помимо контуров охлаждения для головки блока цилиндров и/или блока цилиндров, пропорциональный клапан может управлять и другими контурами охлаждающей жидкости, линии которых проходят через пропорциональный клапан. Например, это относится к контуру охлаждения наддувочного воздуха, контуру охлаждения системы нейтрализации выхлопных газов, контуру отопления салона с помощью охлаждающей жидкости, контуру охлаждения масла с помощью охлаждающей жидкости, контуру жидкостного охлаждения газотурбонаддува и/или контуру охлаждающей жидкости с рециркуляционной или перепускной линией и т.д.
Пропорциональный клапан оптимизирует управление охлаждением и позволяет регулировать тепловой режим двигателя внутреннего сгорания во время прогревания, а также тепловой режим разогретого двигателя внутреннего сгорания.
В качестве ближайшего аналога полезной модели может быть выбрана конструкция, описанная в публикации патентной заявки US 2012080629 (A1) от 05.04.2012.
Практика показала, что неполадки в работе пропорционального клапана или его отказ, например, вследствие разрыва кабельного соединения с контроллером двигателя, представляют собой проблему, так как они могут привести к отказу системы жидкостного охлаждения, при котором поток охлаждающей жидкости через головку блока цилиндров или блок цилиндров будет снижен или полностью перекрыт, что может привести к необратимым повреждениям двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, достаточно трудно полностью удовлетворить все требования всех контуров охлаждающей жидкости с помощью лишь одного пропорционального клапана.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является оптимизация управления охлаждением и возможность управлять множеством контуров охлаждающей жидкости, обеспечивая одновременное удовлетворение всех требований различных контуров охлаждающей жидкости.
Система используется для двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, имеющего по крайней мере одну головку блока цилиндров, по крайней мере один блок цилиндров и один пропорциональный клапан для управления жидкостным охлаждением в зависимости от потребностей системы. Клапан имеет вращающийся ролик, используемый в качестве корпуса клапана, и по крайней мере один проход для охлаждающей жидкости, выходящий к рабочей поверхности ролика. Для установки с возможностью вращения и расположения ролика клапан также содержит клапанную коробку с по крайней мере одним каналом для охлаждающей жидкости, который может быть соединен с по крайней мере одним проходом для охлаждающей жидкости путем регулировки ролика. Пропорциональный клапан также имеет впускное и выпускное отверстия для охлаждающей жидкости.
Указанный выше эффект достигается за счет того, что ролик выполнен с возможностью линейного перемещения при помощи регулировочного устройства.
Предложенный пропорциональный клапан имеет дополнительные возможности регулировки, поскольку ролик, который в традиционных пропорциональных клапанах только вращается, также может перемещаться линейно вдоль оси вращения. При этом благодаря дополнительному перемещению ролика каждое угловое положение, т.е. регулируемое и соответствующее определенному углу вращения, позволяет обеспечить множество возможных положений ролика таким образом, чтобы значительно увеличить количество возможных положений ролика.
При этом диаметр по крайней мере одного прохода для охлаждающей жидкости и/или по крайней мере одного канала для охлаждающей жидкости может быть больше его длины, т.е. расстояния в направлении потока перпендикулярно диаметру. Проход или канал для охлаждающей жидкости не обязательно должны представлять собой линии, патрубки или трубы. Например, в случае с проходом для охлаждающей жидкости речь может идти о сквозном отверстии, в частности, если ролик выполнен в форме полой гильзы.
Ниже подробно описаны другие предпочтительные варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания в соответствии с зависимыми пунктами формулы полезной модели. Также показаны преимущества, которые обеспечивает подобная конструкция ролика, и как она повышает регулируемость указанного пропорционального клапана.
В качестве регулировочного устройства для линейного перемещения ролика может быть предусмотрен исполнительный элемент, который реагирует на изменение температуры охлаждающей жидкости, при этом ролик может перемещаться в зависимости от температуры охлаждающей жидкости на этом элементе. Например, при повышении температуры элемент, реагирующий на изменение температуры, расширяется и снова сжимается при снижении температуры, обеспечивая соответствующее линейное перемещение ролика.
В данном случае перемещением ролика можно управлять в автоматическом режиме в соответствии с температурой охлаждающей жидкости на элементе, реагирующем на изменение температуры. В таком случае вращением ролика управляет отдельный привод. Движение ролика складывается из двух типов движения. То же самое относится и к последующим вариантам осуществления.
В частности, в качестве регулировочного устройства для линейного перемещения ролика может быть предусмотрен вакуумный исполнительный элемент, а ролик перемещается в зависимости от отрицательного давления вакуума. При этом можно целенаправленно регулировать пониженное давление, т.е. силу перемещения, создаваемую вакуумом.
Для линейного перемещения ролика также может быть предусмотрено электрическое регулировочное устройство. При этом передвижение ролика осуществляется не автоматически, а целенаправленно, например, по команде контроллера двигателя. Таким образом, для управления регулировочным устройством может быть использован контроллер двигателя.
Также может быть предусмотрен исполнительный элемент, с помощью которого в случае неисправности ролик можно перевести (переместить) в аварийное положение.
Особую проблему представляют собой неполадки в работе пропорционального клапана или его отказ, например, вследствие разрыва кабельного соединения с контроллером двигателя или отказа исполнительного элемента, и/или привода, вращающего ролик. Если при возникновении неисправности ролик находится в соответствующем положении, поток охлаждающей жидкости через отдельные контуры, в частности, элементы, которые нуждаются в охлаждении, например, через головку блока цилиндров или блок цилиндров, может быть снижен или полностью перекрыт, что может привести к необратимым повреждениям двигателя внутреннего сгорания. Аварийное положение обеспечивает минимальное охлаждение двигателя внутреннего сгорания, что обеспечивает определенные преимущества.
Исполнительный элемент, который при возникновении неисправности переводит ролик в аварийное положение, может представлять собой отдельный исполнительный элемент, предпочтительно, механический исполнительный элемент, для которого не нужно электропитание.
Однако эти задачи может выполнять регулировочное устройство или уже имеющийся возвратный элемент.
Ролик может быть выполнен, по крайней мере частично, полым и открытым по крайней мере с одного конца.
Если ролик является полым и открыт по крайней мере с одного конца, можно подавать охлаждающую жидкость в пропорциональный клапан, которая будет проходить вдоль оси данного клапана, т.е. в направлении перемещения ролика. Таким образом, открытый конец ролика по крайней мере совместно с другими элементами, образует по крайней мере одно впускное отверстие пропорционального клапана или по крайней мере одно выпускное отверстие пропорционального клапана.
По крайней мере один канал для охлаждающей жидкости в клапанной коробке, по крайней мере частично, может иметь круглое сечение.
По крайней мере один проход для охлаждающей жидкости и/или по крайней мере один канал для охлаждающей жидкости в клапанной коробке, по крайней мере на некоторых участках, имеют размер в направлении вдоль перемещения ролика больше, чем в направлении, перпендикулярном перемещению ролика.
В этом случае, например, при зафиксированном угле поворота за счет перемещения ролика происходит регулировка, т.е. увеличение или уменьшение, количества проходящей жидкости за счет изменения сечения в направлении перемещения. При этом амплитуда изменения положения при регулировке количества проходящей жидкости является большей по сравнению с амплитудой при круглом сечении.
Это позволяет, например, регулировать количество жидкости, проходящей через головку блока цилиндров и/или блок цилиндров, и, следовательно, количество отводимого при охлаждении тепла.
По крайней мере один проход для охлаждающей жидкости и/или по крайней мере один канал для охлаждающей жидкости в клапанной коробке, могут иметь, по крайней мере на некоторых участках, овальное сечение.
Ролик, используемый в качестве корпуса клапана, может иметь по крайней мере два прохода для охлаждающей жидкости, а клапанная коробка может иметь по крайней мере два канала для охлаждающей жидкости.
В другом варианте, ролик, используемый в качестве корпуса клапана, также может иметь по крайней мере три прохода для охлаждающей жидкости, а клапанная коробка может иметь по крайней мере три канала для охлаждающей жидкости.
Ролик, используемый в качестве корпуса клапана, может также иметь по крайней мере четыре прохода для охлаждающей жидкости, а клапанная коробка может иметь по крайней мере четыре канала для охлаждающей жидкости.
Краткое описание чертежей
Полезная модель подробно описана ниже на примере двух вариантов осуществления со ссылкой на Фиг. 1 и 2. На фигурах показано следующее:
Фиг. 1 схематический частичный разрез пропорционального клапана для первого варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением,
Фиг. 2 схематический частичный разрез пропорционального клапана второго варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 показан схематический частичный разрез пропорционального клапана 1 первого варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, предназначенного для управления жидкостным охлаждением двигателя внутреннего сгорания в зависимости от потребности.
Пропорциональный клапан 1 имеет корпус 1a клапана, расположенный в клапанной коробке 1b с возможностью вращения. В качестве корпуса 1а клапана выступает ролик 2, который является частично полым, и имеет один открытый конец 2′ и два прохода 4a, 4b для охлаждающей жидкости, направленных в сторону рабочих поверхностей 2a. Клапанная коробка 1b, в которой с возможностью вращения расположен корпус 1а клапана, имеет два канала 5a, 5b для охлаждающей жидкости, которые при регулировке ролика 2 соединяются или могут быть соединены с проходами 4a, 4b для охлаждающей жидкости.
Оба канала 5a, 5b для охлаждающей жидкости в клапанной коробке 1b и первый проход 4a для охлаждающей жидкости в ролике 2 имеют круглое сечение, а второй проход 4b для охлаждающей жидкости в ролике 2 имеет сечение, которое в направлении перемещения (обозначено двойной стрелкой) имеет больший размер, чем в направлении, перпендикулярном направлению перемещения (обозначено двойной стрелкой). В данном случае второй проход 4b для охлаждающей жидкости в ролике 2 имеет овальное сечение.
Пропорциональный клапан 1 предпочтительно имеет впускное отверстие 7a для охлаждающей жидкости, которое образовано открытым концом 2′ ролика 2 или входит в открытый конец 2′ ролика 2. Проходы 4a, 4b для охлаждающей жидкости или каналы 5a, 5b для охлаждающей жидкости подходят к выпускным отверстиям 8a, 8b пропорционального клапана 1 или образуют выпускные отверстия 8a, 8b.
В соответствии с полезной моделью привод для вращения ролика 2 обеспечивает двигатель 9, а регулировочное устройство 6 позволяет перемещать ролик 2 в линейном направлении. В качестве регулировочного устройства 6 для линейного перемещения ролика 2 выступает исполнительный элемент 6a с Фиг. 1, расположенный на закрытом конце 2″ ролика 2 и содержит элемент, реагирующий на изменение температуры охлаждающей жидкости. Ролик 2 перемещается в зависимости от температуры охлаждающей среды на указанном элементе.
На Фиг. 2 показан схематический частичный разрез пропорционального клапана 1 для второго варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, предназначенного для управления жидкостным охлаждением двигателя внутреннего сгорания в зависимости от потребности в таком охлаждении. Ниже рассмотрены только отличия от варианта осуществления с Фиг. 1, в остальном описание конструкции совпадает с описанием Фиг. 1. Одни и те же элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
В отличие от варианта осуществления с Фиг. 1 в пропорциональном клапане 1 с Фиг. 2 в качестве регулировочного устройства 6 для линейного перемещения ролика 2 предусмотрен вакуумный исполнительный элемент 6b, перемещающий ролик в зависимости от отрицательного давления вакуума. В качестве возвратного элемента 10 предусмотрена пружина 10a.
Перечень ссылочных позиций
1 пропорциональный клапан
1a корпус клапана
1b клапанная коробка
2 ролик
2a рабочая поверхность
2′ открытый конец
2″ закрытый конец
3 цилиндрическая гильза
4a первый проход для охлаждающей жидкости
4b второй проход для охлаждающей жидкости
5a первый канал для охлаждающей жидкости
5b второй канал для охлаждающей жидкости
6 регулировочное устройство для линейного перемещения ролика
6a исполнительный элемент с элементом, реагирующим на изменение температуры
6b вакуумный исполнительный элемент
7a впускное отверстие для охлаждающей жидкости в пропорциональном клапане
8a первое выпускное отверстие для охлаждающей жидкости в пропорциональном клапане
8b второе выпускное отверстие для охлаждающей жидкости в пропорциональном клапане
9 двигатель (привод) для вращения ролика
10 возвратный элемент
10a пружина