АВТОМОБИЛЬ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ КОНТУРОМ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
COOLING CIRCUIT FOR LIQUID-COOLED INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Настоящее изобретение касается автомобиля с циркуляционным контуром охлаждения двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В DE 10332907 A1 описан циркуляционный контур охлаждения, содержащий основной циркуляционный контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания и дополнительный циркуляционный контур охлаждения замедлителя в качестве тормозного устройства автомобиля. Управление основным циркуляционным контуром охлаждения, снабженным интегрированным перепускным каналом для отсоединения радиатора при еще холодном двигателе внутреннего сгорания, осуществляется посредством термостатического клапана. Тепло, возникающее в замедлителе в активированном состоянии или, соответственно, в режиме торможения, отводится через основной циркуляционный контур охлаждения. При этом в дополнительный циркуляционный контур охлаждения интегрирован переключающий клапан, посредством которого при неактивированном замедлителе дополнительный циркуляционный контур охлаждения может отсоединяться с целью разгрузки подающего насоса, снабжающего оба этих циркуляционных контура охлаждения.
US 2009/0223657 описывает контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания, включающий в себя радиатор и передаточный блок, причем частичное количество проходящей через радиатор и/или по радиатору охлаждающей среды направляется к передаточному блоку.
US 6371060 B1 и US 6539899 B1 описывают соответствующий охлаждающий контур двигателя внутреннего сгорания, охлаждающая среда которого может параллельно и тем самым частями по выбору подаваться к радиатору, теплообменнику и перепускному трубопроводу, обводящему радиатор и теплообменник. При этом последовательное включение этих трех альтернативных путей здесь не предусмотрено.
Задачей изобретения является создание автомобиля, циркуляционный контур охлаждения которого при незначительных конструктивных затратах позволит усовершенствовать термический расчет и управление потоками жидкости двух циркуляционных контуров.
Эта задача в соответствии с изобретением решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Преимущества и особенно целесообразные усовершенствования изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В соответствии с изобретением предлагается, чтобы управление двумя циркуляционными контурами охлаждения осуществлялось посредством одного единственного клапана с поворотным золотником, к корпусу которого, имеющему проточные отверстия, были подключены оба циркуляционных контура охлаждения таким образом, чтобы их пропускная способность к радиатору и/или к замедлителю могли изменяться заданным или, соответственно, определенным образом, предпочтительно от 0% до 100%. Клапан с поворотным золотником конструктивно и с точки зрения техники управления простым образом обеспечивает возможность не только периодического отсоединения радиатора и/или дополнительного циркуляционного контура охлаждения замедлителя, но и любых промежуточных положений с целью улучшения управления теплом и адаптации к разным рабочим состояниям двигателя внутреннего сгорания и замедлителя.
В одном из особенно предпочтительных в конструктивном отношении вариантов осуществления корпус клапана с поворотным золотником может иметь четыре проточных отверстия и быть включен в подающий трубопровод от двигателя внутреннего сгорания к радиатору, при этом через третье проточное отверстие подключен перепускной трубопровод между подающим трубопроводом и отводящим трубопроводом основного циркуляционного контура охлаждения, и, наконец, отводящий трубопровод замедлителя подключен к четвертому проточному отверстию, и при этом также подающий трубопровод замедлителя выше по потоку от клапана с поворотным золотником соединен с подающим трубопроводом основного циркуляционного контура охлаждения.
При этом в одном из особенно простых в конструктивном отношении вариантов осуществления клапана с поворотным золотником три из указанных проточных отверстий могут быть расположены радиально - в одной общей области и/или с распределением в окружном направлении - на корпусе клапана с поворотным золотником, и управление ими может осуществляться, например, посредством серповидного в поперечном сечении поворотного золотника, при этом четвертое проточное отверстие для отводящего трубопровода замедлителя выходит к поворотному золотнику в осевом направлении и постоянно открыто. Это, в частности, предпочтительно потому, что управление только тремя проточными отверстиями должно осуществляться посредством поворотного золотника, в то время как при постоянно открытом проточном отверстии гидравлическое сопротивление дополнительного циркуляционного контура охлаждения вовлечено в управление.
Для этого может быть также предпочтительно, если в подающем трубопроводе от двигателя внутреннего сгорания к радиатору выше по потоку от клапана с поворотным золотником, однако ниже по потоку от ответвления подающего трубопровода дополнительного циркуляционного контура охлаждения предусмотрен дроссельный элемент, который обеспечивает минимальную пропускную способность охлаждающей жидкости через замедлитель. Например, дроссельный элемент в области входа поворотного золотника может быть образован диафрагмой или сужением поперечного сечения.
В особенно предпочтительном усовершенствовании идеи настоящего изобретения в основной циркуляционный контур охлаждения включено подающее устройство, в частности, подающий насос, при этом предпочтительно предусмотрено, что подающее устройство выполнено в основном циркуляционном контуре охлаждения с возможностью регулирования производительности и/или во временной зависимости от положения включения клапана с поворотным золотником может эксплуатироваться с большей или меньшей производительностью подачи. Подающее устройство может при этом представлять собой, например, электрически регулируемый подающий насос или же также альтернативно механический подающий насос, присоединенный посредством сцепного устройства, такого как, например, ременная передача, к двигателю внутреннего сгорания и вместе с тем его «частоте вращения». В случае последнего производительность подачи может, в свою очередь, регулироваться посредством регулировочного устройства, при этом в качестве регулировочного устройства может служить, например, сцепное устройство, такое как, например, электромагнитная муфта или муфта VISCO, чтобы назвать только некоторые примеры. Но альтернативно или дополнительно регулировочное устройство может также представлять собой систему переставляемых направляющих лопаток. У конструкции такого рода может быть значительно сокращена приводная мощность подающего насоса (при неизменной производительности подачи) при отсоединенном посредством клапана с поворотным золотником замедлителе и/или при эксплуатируемом в перепускном режиме основном циркуляционном контуре охлаждения (без протекания через радиатор) и вместе с тем экономиться приводная энергия двигателя внутреннего сгорания.
Регулировка клапана с поворотным золотником или, соответственно, поворотного золотника может предпочтительно осуществляться электрически посредством шагового двигателя, при этом регистрируются рабочие температуры циркуляционных контуров охлаждения и/или состояния нагрузки двигателя внутреннего сгорания и/или рабочие состояния рабочего тормоза (замедлителя) автомобиля и в соответствии с этими данными управляется поворотный золотник и при необходимости регулируется производительность подачи подающего насоса. Шаговый двигатель может предпочтительно регулировать поворотный золотник в двух направлениях вращения и таким образом управлять различными последовательностями включения.
Кроме того, для обеспечения защищенного от сбоев переключения возможно снабжение клапана с поворотным золотником сенсором положения, например, сенсором угла вращения, и электронный контроль его работоспособности в управлении с обратной связью. Тогда при установлении неисправности возможно генерирование предупредительного сигнала и/или перевод поворотного золотника в безопасное положение (например, оба циркуляционных контура охлаждения открыты, повышенная производительность подающего насоса, и пр.)
Кроме того, при функции подогрева двигателя внутреннего сгорания (например, при экстремально низких наружных температурах, и/или для комфортного режима пуска в холодном состоянии, и/или для быстрого срабатывания подключенного к основному циркуляционному контуру охлаждения отопления внутреннего помещения) замедлитель может активироваться, а его дополнительный циркуляционный контур охлаждения может быть временно посредством клапана с поворотным золотником подключен к работающему в перепускном режиме основному циркуляционному контуру охлаждения. В результате этого получается двойной эффект вследствие подогрева замедлителя, с одной стороны, однако, с другой стороны, режим торможения которого способствует более высокой приводной мощности двигателя внутреннего сгорания, связанной с более высоким временным расходом топлива и более быстрым нагревом двигателя внутреннего сгорания.
Поворотный золотник клапана с поворотным золотником может быть предварительно пружинно натянут в заданном положении, в котором как основной циркуляционный контур охлаждения, так и дополнительный циркуляционный контур охлаждения гидравлически соединены с радиатором основного циркуляционного контура охлаждения. Тем самым предпочтительным образом гарантируется, что при выходе из строя электрического управления поворотного золотника будет обеспечено охлаждение двигателя внутреннего сгорания и замедлителя. Предварительный натяг может, например, осуществляться посредством действующих в окружном направлении витых изгибных пружин, воздействующих на поворотный золотник и на корпус.
Наконец, при одной из конструктивно компактных и обладающих оптимальным весом конструкций клапан с поворотным золотником и подающий насос основного циркуляционного контура охлаждения могут быть расположены в одном общем корпусе.
Кроме того, заявка касается осуществления способа для предлагаемого изобретением циркуляционного контура охлаждения такого рода, с помощью которого обеспечиваются вышеназванные преимущества.
Один из примеров осуществления изобретения пояснен подробнее ниже с помощью прилагаемого схематичного чертежа. Показано:
фиг. 1: в виде упрощенной блок-схемы циркуляционный контур охлаждения двигателя внутреннего сгорания в автомобилях, содержащий основной циркуляционный контур охлаждения и дополнительный циркуляционный контур охлаждения замедлителя в качестве тормозного устройства автомобиля, и электроприводной клапан с поворотным золотником для управления обоими циркуляционными контурами охлаждения, и
фиг. 2-9: поперечное сечение корпуса клапана с поворотным золотником с восемью возможными положениями поворотного золотника для управления основным и дополнительным циркуляционным контуром охлаждения.
На фиг. 1 грубо схематично изображен циркуляционный контур охлаждения двигателя 1 внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением для автомобилей, содержащий основной циркуляционный контур 2 охлаждения и дополнительный циркуляционный контур 3 охлаждения для лишь обозначенного замедлителя 4 также неизображенного тормозного устройства (тормоза-замедлителя) автомобиля.
Основной циркуляционный контур 2 охлаждения состоит по существу из подающего трубопровода 5 от двигателя 1 внутреннего сгорания к воздушно-водяному-теплообменнику или, соответственно, радиатору 6 и отводящего трубопровода 7 от радиатора 6 к двигателю 1 внутреннего сгорания. В отводящем трубопроводе 7 установлен подающий насос 8 с варьируемым управлением производительностью подачи.
Между подающим трубопроводом 5 и отводящим трубопроводом 7 ниже по потоку от подающего насоса 8 включен перепускной трубопровод 9, управление которым может осуществляться посредством клапана 10 с поворотным золотником, приводимого в действие электрическим шаговым двигателем (не изображен).
Основной циркуляционный контур 2 охлаждения изображен только настолько, насколько это требуется для понимания настоящего изобретения. Другие подключения циркуляционного контура охлаждения, как, например, обогрев внутреннего пространства автомобиля, и пр., на чертеже не изображены.
Дополнительный циркуляционный контур 3 охлаждения для охлаждения замедлителя 4 (например, через теплообменник или посредством непосредственной подачи) тоже имеет подводящий трубопровод 11 и отводящий трубопровод 12.
Подводящий трубопровод 11 выше по потоку от клапана 10 с поворотным золотником подключен к участку 5a подводящего трубопровода 5 основного циркуляционного контура 2 охлаждения, при этом между местом соединения двух подводящих трубопроводов 5a, 11 и клапаном 10 с поворотным золотником может быть предусмотрено дроссельное устройство 13 (например, определенное сужение) в подающем трубопроводе 5a.
Управление подающим насосом 8 и шаговым двигателем клапана 10 с поворотным золотником осуществляется посредством электронного устройства 14 управления (обозначенного штриховыми линиями), которое обеспечивает варьируемую производительность подающего насоса 8, например, путем изменения частоты вращения или, соответственно, объемного расхода и положения клапана 10 с поворотным золотником в положениях включения, которые еще будут описаны выше. Устройство 14 управления может при необходимости также управлять электрическим вентилятором 16 охлаждения на радиаторе 6.
Для этого в устройстве 14 управления данные сенсоров Т температуры (не изображены), например, в подающих трубопроводах 5, 12, состояний L нагрузки двигателя внутреннего сгорания (например, тянущее или буксируемое состояние), рабочего состояния R замедлителя 4, и пр., регистрируются и обрабатываются посредством автоматического регулирования.
На фиг. 2-9 показано поперечное сечение корпуса 10a клапана 10 с поворотным золотником, в котором оперт с возможностью вращения серповидный поворотный золотник 10b. Уплотненный в наружном направлении поворотный золотник 10b может переводиться посредством шагового двигателя в описанные ниже положения, например, от нуля градусов (фиг. 2) до 315 градусов (фиг. 9).
На корпусе 10a расположены три, как видно, смещенных по периметру, радиально ответвляющихся соединительных штуцера, примыкающих к проточным отверстиям, которые в большей или меньшей степени заперты поворотным золотником 10b или открыты. К соединительным штуцерам подключены участок 5a (соответственно обозначенный стрелками) подающего трубопровода 5, ведущий дальше участок 5b подающего трубопровода и перепускной трубопровод 9.
Другой соединительный штуцер 15 отводящего трубопровода 12 ориентирован коаксиально оси вращения поворотного золотника 10b, при этом его проточное отверстие постоянно открыто или, соответственно, в зависимости от положения поворотного золотника, соединено с одним или двумя из остальных трех проточных отверстий.
В исходном положении на 0 градусов поворотного золотника 10b (фиг. 2) проточные отверстия подающего участка 5a подающего трубопровода 5 и перепускного трубопровода 9 полностью открыты.
Проточное отверстие ведущего дальше участка 5b подающего трубопровода закрыто. Это положение соответствует холодному пуску двигателя 1 внутреннего сгорания.
В этом положении включения охлаждающая жидкость от двигателя 1 внутреннего сгорания через перепускной трубопровод 9, подающий насос 8 и остальной участок отводящего трубопровода 7 снова циркулирует к двигателю 1 внутреннего сгорания. Радиатор 6 отсоединен, то есть течение через него не проходит.
Дополнительный циркуляционный контур 3 охлаждения с замедлителем 4 вследствие его более высокого гидравлического сопротивления тоже отсоединен, при этом посредством дроссельного участка 13 при необходимости может быть установлена низкая минимальная пропускная способность.
Распределение пропускной способности охлаждающей жидкости, например, следующее:
радиатор 6-0%;
перепускной трубопровод 9-100%;
замедлитель 4-0%;
производительность подающего насоса 8 сокращена, или он даже кратковременно отключен.
На фиг. 3 показано положение включения поворотного золотника 10b при увеличивающемся разогреве двигателя 1 внутреннего сгорания, при котором проточное отверстие участка 5a подающего трубопровода полностью, а проточные отверстия участка 5b подающего трубопровода и перепускного трубопровода 9 частично открыты и при этом радиатор 6 включен в циркуляцию охлаждающей жидкости с долей, равной приблизительно 50%. Замедлитель 4 вследствие более высокого гидравлического сопротивления дополнительного циркуляционного контура 3 охлаждения, как и прежде, неизменно отсоединен.
Как только двигатель 1 внутреннего сгорания достиг своей рабочей температуры, поворотный золотник 10b посредством шагового двигателя переводится в изображенное на фиг. 4 положение включения, в котором перепускной трубопровод 9 закрыт, а участок 5b подающего трубопровода к радиатору 6, а также участок 5a подающего трубопровода 5 полностью открыты. Замедлитель 4 по вышеназванным причинам по-прежнему отсоединен. Производительность подающего насоса 8 может быть при необходимости уже повышена.
На фиг. 5 поворотный золотник 10b переведен в положение, в котором проточное отверстие к участку 5b подающего трубопровода по-прежнему полностью открыто, но проточное отверстие участка 5a подающего трубопровода частично закрыто. При необходимости производительность подающего насоса 8 по-прежнему повышена.
Это приводит к тому, что подающий насос 8 всасывает охлаждающую жидкость как через участок 5b подающего трубопровода основного циркуляционного контура 2 охлаждения, так и через подающий трубопровод 11 дополнительного циркуляционного контура 3 охлаждения, или, соответственно, оба циркуляционных контура 1 и 2 присоединены. Это может, например, происходить при замедлителе 4, находящемся в режиме торможения, и относительно горячем двигателе 1 внутреннего сгорания.
В положении включения поворотного золотника 10b в соответствии с фиг. 6 проточное отверстие перепускного трубопровода 9 по-прежнему закрыто, и патрубок участка 5a подающего трубопровода 5 также закрыт.Подающий насос 8 включен на полную производительность.
Вследствие этого оба циркуляционных контура 2 и 3 охлаждения полностью включены в оборот охлаждающей жидкости или, соответственно, включены на полную производительность охлаждения. Поток охлаждающей жидкости течет через участок 5a подающего трубопровода 5, подающий трубопровод 11, замедлитель 4, отводящий трубопровод 12, участок 5b подводящего трубопровода основного циркуляционного контура охлаждения, радиатор 6, и т.д.
Если, например, при продолжительной фазе буксирования автомобиля с отсутствием сгорания в двигателе 1 внутреннего сгорания его температура Т уменьшается, то поворотный золотник 10b может быть переведен в положение включения, показанное на фиг. 7, в котором участок 5a подающего трубопровода по-прежнему закрыт, но проточное отверстие перепускного трубопровода 9 частично открыто. В результате этого при еще полном прохождении потока через замедлитель 4 прохождении потока через двигатель 1 внутреннего сгорания сокращено.
Это состояние в случае продолжительной фазы буксирования при продолжающемся при известных условиях охлаждении двигателя 1 внутреннего сгорания в соответствии с фиг. 8 может усиливаться так, что при закрытых проточных отверстиях участка 5a подающего трубопровода и участка 5b подводящего трубопровода, а также при открытом проточном отверстии перепускного трубопровода 9 продолжается полное прохождение потока через замедлитель 4, при этом пропускание охлаждающей жидкости происходит через подающий трубопровод 11 дополнительного циркуляционного контура 3 охлаждения, замедлитель 4, его отводящий трубопровод 12, перепускной трубопровод 9, подающий насос 8 и находящийся выше по потоку отводящий трубопровод 7. Таким образом, замедлитель 4 дополнительно осуществляет подогрев или стабилизацию температуры двигателя 1 внутреннего сгорания, в то время как радиатор 6 отсоединен.
Наконец, в положении включения поворотного золотника 10b на фиг. 9 проточное отверстие перепускного трубопровода 9 продолжает оставаться полностью открытым, а отверстие участка 5b подводящего трубопровода полностью закрыто, в то время как проточное отверстие участка 5a подающего трубопровода 5 полностью открыто. Благодаря этому производительность охлаждения замедлителя 4 сокращается, причем при необходимости может быть также снижена производительность подающего насоса 8.
Клапан 10 с поворотным золотником не ограничен изображенным примером осуществления. Так, вместо регулируемого в двух направлениях вращения шагового двигателя или дополнительно к нему может быть предусмотрено другое электрическое, механическое, пневматическое, гидравлическое и/или
электромагнитное управление.
Поворотный золотник 10b может быть предварительно натянут в положении включения, например, в соответствии с фиг. 6, посредством пружинящих средств (например, витых изгибных пружин), которые при выходе из строя электрического управления автоматически перемещают его в это положение и удерживают там. Тем самым гарантируется, что оба циркуляционных контура 2, 3 охлаждения будут находиться в рабочем состоянии или, соответственно, не смогут наступить недопустимые явления перегрева.
Кроме того, клапан 10 с поворотным золотником может быть снабжен по меньшей мере одним сенсором положения, например, сенсором угла вращения (не изображен), который подключен к устройству 14 управления, чтобы тем самым обеспечивать электронную защиту работоспособности поворотного золотника 10b в управлении с обратной связью.
Дополнительно к описанным функциям клапана 10 с поворотным золотником при функции подогрева для двигателя 1 внутреннего сгорания замедлитель 4 может активироваться, а его дополнительный циркуляционный контур 3 охлаждения временно посредством клапана 10 с поворотным золотником подключаться к работающему в перепускном режиме основному циркуляционному контуру 2 охлаждения (положение включения поворотного золотника 10b в соответствии с фиг. 8). Существенное различие при этом заключается в том, что в двигателе 1 внутреннего сгорания происходит сгорание, и для преодоления установленной тормозной мощности должен эксплуатироваться с повышенной потребной нагрузкой. Это является особенно эффективной фазой подогрева двигателя 1 внутреннего сгорания.
Подающий насос 8 и клапан 10 с поворотным золотником могут быть при необходимости расположены в одном общем корпусе с интегрированным перепускным трубопроводом 9, благодаря чему трудоемкость конструкции сокращается и получается особенно компактная и удобная в монтаже конструкция.
Наряду с описанными положениями включения поворотного золотника 10b в соответствии с фиг. 2-9 возможен также бесступенчатый перевод поворотного золотника 10b посредством шагового двигателя в другие промежуточные положения, причем это может происходить в двух направлениях вращения с последовательностями включения, отличающимися от вышеприведенного описания.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
2 Основной циркуляционный контур охлаждения
3 Дополнительный циркуляционный контур охлаждения
4 Замедлитель
5 Подающий трубопровод от ДВС (1) к радиатору (б)
5a Участок подающего трубопровода от ДВС (1) к клапану (10) с поворотным золотником
5b Участок подающего трубопровода от клапана (10) с поворотным золотником к радиатору (6)
6 Радиатор
7 Отводящий трубопровод от радиатора (6)
8 Подающий насос
9 Перепускной трубопровод от клапана (10) с поворотным золотником к подающему насосу (8)
10 Клапан с поворотным золотником
10a Корпус
10b Поворотный золотник
11 Подающий трубопровод от ДВС (1) к замедлителю (4)
12 Отводящий трубопровод от замедлителя (4) к клапану (10) с поворотным золотником
13 Дроссельный элемент
14 Устройство управления
15 Соединительный штуцер
16 Вентилятор охлаждения