УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ, ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR HEATING OF HEAT CARRIER CIRCULATING IN COOLING SYSTEM

Область и уровень техники
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для нагрева теплоносителя, циркулирующего в системе охлаждения в соответствии с ограничительной частью пунктов 1 и 11 формулы изобретения.
При приведении в движение в режиме холодного запуска, в частности, тяжелых транспортных средств, теплоносителю, который охлаждает двигатель внутреннего сгорания, требуется относительно много времени, чтобы достичь нужной рабочей температуры. Это представляет собой проблему, особенно в ситуациях, когда преобладает холодная температура окружающей среды. В течение того времени, когда теплоноситель имеет слишком низкую температуру, двигатель внутреннего сгорания не будет работать оптимально, также как и в кабинном пространстве, которое должно прогреваться теплоносителем, не будет реального нагрева.
x
В двигателях внутреннего сгорания с наддувом воздух сжимают до его подачи в двигатель внутреннего сгорания. Воздух, таким образом, приобретает более высокое давление и высокую температуру. Сжатый воздух охлаждают в, по меньшей мере, одном охладителе наддувочного воздуха перед его подачей в двигатель внутреннего сгорания. Технология, называемая EGR (рециркуляцией выхлопных газов), является известным способом подачи части выхлопных газов, получаемых в процессе сгорания в двигателе внутреннего сгорания, обратно в магистраль для подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания. Добавление выхлопных газов в воздух уменьшает температуру сгорания, что приводит, в частности, к появлению выхлопных газов с пониженным содержанием оксидов азота NO. Рециркулирующие выхлопные газы охлаждают в одном или нескольких EGR охладителях, прежде чем их смешают с воздухом и подадут в двигатель внутреннего сгорания.
Известна практика охлаждения сжатого воздуха в охладителях наддувочного воздуха и рециркулирующих выхлопных газов в EGR охладителях, которые находятся впереди радиатора теплоносителя в системе охлаждения, которая охлаждает двигатель внутреннего сгорания. Сжатый воздух и рециркулирующие выхлопные газы при этом будут охлаждаться воздухом, который имеет окружающую температуру, в то время как теплоноситель охлаждается воздухом, который имеет более высокую температуру, чем окружающая температура. Тем не менее, этот воздух, как правило, имеет определенно более низкую температуру, чем теплоноситель, когда он достигает своей рабочей температуры. Таким образом, теплоноситель подвергается хорошему охлаждению даже тогда, когда охладитель теплоносителя расположен ниже по потоку охладителя наддувочного воздуха и/или EGR охладителя.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа, которые обеспечивают быстрый нагрев теплоносителя в системе охлаждения относительно простым путем после запуска двигателя внутреннего сгорания.
Эта задача решена с помощью упомянутого во введении устройства, характеризующегося признаками, указанными в отличительной части пункта 1 формулы изобретения. В этом случае охладитель теплоносителя системы охлаждения расположен в том месте в транспортном средстве, где во время работы двигателя внутреннего сгорания через него проходит воздух, имеющий более высокую температуру, чем окружающая температура. Транспортное средство может иметь теплогенерирующий компонент, расположенный выше по потоку охладителя теплоносителя. При выключении на время двигателя внутреннего сгорания, теплоноситель в системе охлаждения будет иметь, по существу, температуру, равную температуре окружающей среды. Таким образом, можно использовать этот воздух, имеющий более высокую температуру, чем окружающая температура, для нагрева теплоносителя в охладителе теплоносителя после запуска холодного двигателя. В этой ситуации клапанное устройство находится во втором положении, так что холодный теплоноситель циркулирует через охладитель теплоносителя. Теплоноситель, циркулирующий в системе охлаждения, будет при этом нагреваться теплым воздухом, проходящим через охладитель теплоносителя. Таким образом, во время циркуляции в системе охлаждения теплоноситель будет нагреваться и в охладителе теплоносителя, и в двигателе внутреннего сгорания. Теплоноситель может нагреваться в охладителе теплоносителя, пока он, по существу, не будет иметь такую же температуру, что и воздух, проходящий через охладитель теплоносителя. Когда температура теплоносителя достигает этой температуры, клапанное устройство переводят в первое положение. Затем, теплоноситель поступает непосредственно в двигатель внутреннего сгорания. Таким образом, изобретение позволяет добиться быстрого начального нагрева теплоносителя с помощью охладителя теплоносителя. Соответственно, может быть значительно сокращен период, когда теплоноситель в транспортном средстве имеет очень низкую температуру при приведении в движение транспортного средства в режиме холодного запуска.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, клапанное устройство представляет собой трехходовой клапан, расположенный в коллекторе. Трехходовой клапан предпочтительно является клапаном с электрическим приводом, управляемым блоком управления. Когда блок управления приводит трехходовой клапан в первое положение, тот подает теплоноситель в первую магистраль, а когда он приводит трехходовой клапан во второе положение, тот подает теплоноситель во вторую магистраль. В качестве альтернативного варианта, система охлаждения может содержать термостат в коллекторе, а клапанное устройство может быть расположено в первой магистрали и приспособлено для подачи теплоносителя из первой магистрали во вторую магистраль через соединительную магистраль, когда оно находится во втором положении. В этом случае обычный термостат поддерживает температуру теплоносителя при нормальной работе. На этапе, когда термостат направляет теплоноситель в первую магистраль, блок управления оценивает, возможен ли нагрев теплоносителя в охладителе теплоносителя. Если это возможно, блок управления переводит клапанное устройство во второе положение, при этом теплоноситель поступает в охладитель теплоносителя.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, блок управления получает информацию от датчика температуры, который автоматически определяет температуру теплоносителя в системе охлаждения. Датчик температуры предпочтительно расположен таким образом в системе охлаждения, что он определяет температуру теплоносителя вблизи от упомянутого коллектора. Блок управления может быть приспособлен также для получения информации от датчика температуры, расположенного в том месте, где он определяет температуру воздуха, поступающего в охладитель теплоносителя. На основе этой информации блок управления легко может определить, будет ли воздух, проходящий через охладитель теплоносителя, иметь более высокую температуру, чем теплоноситель и целесообразно ли нагревать теплоноситель в охладителе теплоносителя.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, устройство содержит, по меньшей мере, один охладитель для охлаждения газовой среды, поступающей в двигатель внутреннего сгорания, при этом охладитель расположен в том месте выше по потоку охладителя теплоносителя, где через этот охладитель проходит воздух и охлаждает газовую среду до того, как воздух пройдет через охладитель теплоносителя. С таким охладителем, воздух, достигающий охладителя теплоносителя, будет иметь определенно более высокую температуру, чем температура окружения. Таким образом, можно использовать этот воздух для нагрева теплоносителя на начальной стадии после запуска холодного двигателя. Охладитель может представлять собой охладитель наддувочного воздуха для охлаждения сжатого воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания. Сжимаемый воздух приобретает повышенную температуру, которая связана со степенью сжатия воздуха. Для уменьшения его объема сжатый воздух охлаждают. В этом случае используют тепловую энергию сжатого воздуха для нагрева теплоносителя во время начальной стадии после запуска холодного двигателя. В качестве альтернативного варианта, упомянутый охладитель может представлять собой EGR охладитель для охлаждения рециркулирующих выхлопных газов, подаваемых в двигатель внутреннего сгорания. Рециркулирующие выхлопные газы будут иметь очень высокую температуру и поэтому нуждаются в охлаждении, прежде чем они будут смешаны с воздухом и поданы в двигатель внутреннего сгорания. В этом случае тепловая энергия рециркулирующих выхлопных газов может быть использована для нагрева теплоносителя на начальной стадии после запуска холодного двигателя. Упомянутый охладитель в соответствии с дополнительными альтернативными вариантами может представлять собой охладитель с воздушным охлаждением для трансмиссионного масла, моторного масла или гидравлического масла, либо конденсатор для установки переменного тока.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, блок управления может управлять скоростью вращения вентилятора, который создает поток воздуха через охладитель теплоносителя. Поток воздуха, подаваемый на охладитель теплоносителя, может быть изменен путем управления скоростью вращения вентилятора. Это позволяет изменять температуру воздуха, достигающего охладителя теплоносителя.
Таким способом, который способствует быстрому нагреву теплоносителя, блок управления также может быть управлять насосом теплоносителя, обеспечивающим циркуляцию теплоносителя в системе охлаждения. Поток теплоносителя через охладитель теплоносителя при этом может быть изменен таким способом, который способствует быстрому нагреву теплоносителя.
Указанная задача решена также с помощью упомянутого во введении способа, характеризующегося признаками, указанными в отличительной части п.11 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны ниже в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - устройство нагрева теплоносителя в системе охлаждения в соответствии с первым вариантом осуществления;
Фиг. 2 - блок-схема, иллюстрирующая способ согласно изобретению; и
Фиг. 3 - устройство нагрева теплоносителя в системе охлаждения в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 изображено транспортное средство 1, приводимое в действие двигателем 2 внутреннего сгорания с наддувом. Транспортное средство 1 может представлять собой тяжелое транспортное средство, приводимое в действие дизельным двигателем с наддувом. Выхлопные газы из цилиндров двигателя 2 внутреннего сгорания поступают в выпускную магистраль 4 через выпускной коллектор 3. Выхлопные газы в выпускной магистрали 4, находящиеся под вышеупомянутым атмосферным давлением, поступают в турбину 5 турбоблока. Таким образом, турбина 5 обеспечивается движущей силой, которая через соединение передается на компрессор 6. Компрессор 6 сжимает воздух, поступающий в воздушную магистраль 8 через воздушный фильтр 7. В воздушной магистрали 8 имеется охладитель 9 наддувочного воздуха. Охладитель 9 наддувочного воздуха расположен в передней части транспортного средства 1. Охладитель 9 наддувочного воздуха предназначен для охлаждения сжатого воздуха до его подачи в двигатель 2 внутреннего сгорания. Сжатый воздух охлаждается в охладителе 9 наддувочного воздуха воздухом, имеющим температуру окружающей среды, протекание которого через охладитель 9 наддувочного воздуха обеспечивается охлаждающим вентилятором 10. Охлаждающий вентилятор 10 приводится в действие двигателем 2 внутреннего сгорания 2 через соответствующее соединение.
x
Двигатель 2 внутреннего сгорания 2 снабжен системой EGR (рециркуляции выхлопных газов) для рециркуляции выхлопных газов. Смешивание выхлопных газов со сжатым воздухом, поступающим в цилиндры двигателя, снижает температуру сгорания и, соответственно, содержание оксидов азота NO, которые образуются при процессах сгорания. От выпускной магистрали 4 до воздушной магистрали 8 пролегает возвратная магистраль 11 для рециркуляции выхлопных газов. Возвратная магистраль 11 содержит EGR клапан 12, с помощью которого может быть перекрыт поток выхлопных газов в возвратной магистрали 11. EGR клапан 12 также может быть использован для бесступенчатого управления объемом выхлопных газов, поступающих из выпускной магистрали 4 в воздушную магистраль 8 через возвратную магистраль 11. Возвратная магистраль 11 содержит EGR охладитель 13 для охлаждения циркулирующих выхлопных газов. В некоторых рабочих режимах дизельных двигателей 2 с наддувом, давление выхлопных газов в выпускной магистрали 4 будет ниже, чем давление сжатого воздуха во впускной магистрали 8. В таких ситуациях невозможно смешивать выхлопные газы в возвратной магистрали 11 непосредственно со сжатым воздухом во впускной магистрали 8 без специальных вспомогательных средств. С этой целью, например, можно использовать Вентури или турбоблок с изменяемой геометрией. Если вместо двигателя 2 внутреннего сгорания использовать двигатель Отто с наддувом, выхлопные газы в возвратной магистрали 11 могут быть поданы непосредственно во впускную магистраль 8, так как выхлопные газы в выпускной магистрали 4 двигателя Отто, по существу, во всех рабочих ситуациях будут находиться под более высоким давлением, чем сжатый воздух во впускной магистрали 8. После смешивания выхлопных газов со сжатым воздухом на участке 8а, они поступают в соответствующие цилиндры дизельного двигателя 2 через коллектор 14.
Двигатель 2 внутреннего сгорания охлаждается обычным способом с помощью системы охлаждения, которая содержит циркулирующий теплоноситель. Насос 15 теплоносителя обеспечивает циркуляцию теплоносителя в системе охлаждения. Насос 15 теплоносителя обеспечивает циркуляцию теплоносителя сначала через двигатель 2 внутреннего сгорания. После того как теплоноситель охладит двигатель 2 внутреннего сгорания, он поступает через магистраль 16 на трехходовой клапан 17 в системе охлаждения. Трехходовой клапан 17 находится в коллекторе, где магистраль 16 подразделена на первую магистраль 16а, подающую теплоноситель в двигатель 2 внутреннего сгорания, и вторую 16b магистраль, подающую теплоноситель в охладитель 18 теплоносителя. Охладитель 18 теплоносителя находится в передней области транспортного средства 1 на участке, расположенном ниже по потоку охладителя 9 наддувочного воздуха и EGR охладителя 13 относительно предполагаемого направления потока воздуха в этой области. Такое расположение EGR охладителя 13 и охладителя 9 наддувочного воздуха обеспечивает охлаждение рециркулирующих выхлопных газов и сжатого воздуха с помощью воздуха, имеющего температуру окружающей среды, тогда как воздух, достигающий расположенного за ними охладителя 18 теплоносителя, имеет более высокую температуру. Так как теплоноситель при нормальной работе имеет температуру около 80-100°C, то воздух, даже если он имеет повышенную температуру относительно температуры окружающей среды, обеспечивает приемлемое охлаждение теплоносителя в охладителе 18 теплоносителя при нормальной эксплуатации транспортного средства 1.
A1
А2
Трехходовым клапаном 17 управляют с помощью блока 22 управления. Трехходовой клапан 17 может представлять собой электрически управляемый клапан. Блок 22 управления может переводить трехходовой клапан 17 в первое положение, при этом теплоноситель поступает в первую магистраль 16а, по которой он подается в двигатель 2 внутреннего сгорания, а также во второе положение, при этом теплоноситель поступает во вторую магистраль 16b, по которой он подается в охладитель 18 теплоносителя. Блок 22 управления получает информацию от первого датчика 23 температуры, который определяет температуру теплоносителя на участке, расположенном, по существу, непосредственно перед трехходовым клапаном 17. Блок 22 управления также получает информацию от второго датчика 24 температуры, который определяет температуру T воздуха на участке между охладителем 9 наддувочного воздуха и охладителем 18 теплоносителя, и от третьего датчика 25 температуры, определяющего температуру Т воздуха на участке между EGR охладителем 13 и охладителем 18 теплоносителя. Блок 22 управления управляет работой вентилятора 10 охлаждения для обеспечения нужного потока воздуха через охладители 9, 13 и 18. Блок 22 управления также управляет работой насоса 15 теплоносителя с целью обеспечения нужного потока теплоносителя в системе охлаждения.
Далее со ссылкой на блок-схему с фиг. 2 следует описание того, как нагревают теплоноситель после холодного запуска двигателя 2 внутреннего сгорания. Двигатель 2 внутреннего сгорания запускают на этапе 26. При запуске двигателя 2 внутреннего сгорания приводится в действие насос 15 теплоносителя, и он начинает прокачку теплоносителя в системе охлаждения. Выхлопные газы двигателя внутреннего запускают работу турбины 5, которая приводит в действие компрессор 6. Компрессор всасывает и сжимает воздух во впускной магистрали 8. Сжатый воздух поступает в охладитель 9 наддувочного воздуха, в котором он охлаждается перед его подачей в двигатель 2 внутреннего сгорания. Часть выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания рециркулирует через возвратную магистраль 11. Рециркулирующие выхлопные газы охлаждаются в EGR охладителе 13, прежде чем они смешаются со сжатым воздухом во впускной магистрали 8 и поступят в двигатель 2 внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания приводит в действие вентилятор 10 охлаждения для пропускания потока охлаждающего воздуха через охладитель 9 наддувочного воздуха и EGR охладитель 13. Таким образом, воздух, достигающий охладителя 18 теплоносителя, приобретает повышенную температуру по сравнению с температурой окружающей среды.
С
С
D
D
На этапе 27 блок 22 управления получает информацию от первого датчика 23 температуры, касающуюся температуры Т теплоносителя, прежде чем тот достигнет трехходового клапана 17. Блок 22 управления определяет, является ли температура Т теплоносителя более низкой, чем требуемая рабочая температура теплоносителя. Если двигатель 2 внутреннего сгорания был на некоторое время выключен перед запуском, теплоноситель будет иметь температуру, соответствующую температуре окружающей среды. Соответственно, температуру теплоносителя нужно поднимать, чтобы достичь рабочей температуры T. В частности, при низких значениях окружающей температуры, температура Тс теплоносителя будет значительно ниже рабочей температуры T. На этапе 28, если блок 22 управления обнаруживает, что температура теплоносителя слишком низкая, он будет управлять скоростью вентилятора 10 охлаждения таким образом, чтобы воздух, проходящий через охладитель 9 наддувочного воздуха и EGR охладитель 13, нагревался до нужной температуры, прежде чем он достигнет охладителя 18 теплоносителя, расположенного ниже по потоку. Тем не менее, поток воздуха не должен регулироваться таким образом, чтобы сжатый воздух и рециркулирующие выхлопные газы соответственно подвергались неприемлемому охлаждению в охладителе 9 наддувочного воздуха и EGR охладителе 13. На этапе 28 блок 22 управления также обеспечивает создание насосом 15 теплоносителя потока теплоносителя в системе охлаждения, что способствует быстрому нагреву теплоносителя.
A1
A2
А1
A2
С
А1
A2
А1
A2
D
На этапе 29 блок 22 управления получает информацию от второго датчика 24 температуры, касающуюся температуры T воздуха после его прохождения через охладитель 9 наддувочного воздуха, а также информацию от третьего датчика 25 температуры о температуре T воздуха после его прохождения через EGR охладитель 13. На этапе 29 блок 22 управления определяет, имеет ли воздух, подаваемый в охладитель 18 теплоносителя, температуру Т, T, которая выше температуры Т теплоносителя. В этом случае соответственно определяют две температуры Т и T воздуха, подаваемого в охладитель теплоносителя. В этом случае может быть рассчитано среднее значение для определения возможности нагрева теплоносителя в охладителе 18 теплоносителя. Если блок 22 управления определяет, что это возможно, то на этапе 30 он переведет трехходовой клапан 17 во второе положение, при этом теплоноситель поступит во вторую магистраль 16b и охладитель 18 теплоносителя. Поскольку воздух, проходящий через охладитель теплоносителя, будет иметь более высокую температуру Т, T, чем температура Тс теплоносителя, при прохождении теплоносителя через охладитель 18 теплоносителя его подвергают нагреву. В этом случае теплоноситель, соответственно, подвергают дополнительному нагреву в охладителе 18 теплоносителя в дополнение к нагреву, которому его подвергают в двигателе 2 внутреннего сгорания. Этот дополнительный нагрев в охладителе 18 теплоносителя означает, что теплоноситель будет нагрет значительно быстрее до своей рабочей температуры T. Затем процесс начинается снова на этапе 26.
C
D
А1
A2
с
D
С
А1
A2
C
C
D
Поскольку теплоноситель на этапе 27 имеет более низкую температуру T, чем рабочая температура T, блок 22 управления управляет вентилятором 10 охлаждения и насосом 15 теплоносителя с целью придания воздуху, проходящему через охладитель 18 теплоносителя, температуры Т, T, которая выше температуры Т теплоносителя. Когда блок 22 управления определяет, что это далее невозможно, на этапе 30 он переведет трехходовой клапан в первое положение, при этом теплоноситель будет поступать непосредственно в двигатель 2 внутреннего сгорания. Далее в ходе эксплуатации теплоноситель будет нагреваться только двигателем 2 внутреннего сгорания. Через некоторое время температура теплоносителя достигает величины своей рабочей температуры T. Когда управляющий блок 22 определяет на этапе 27, что температура Т теплоносителя превышена, то на этапе 30 он переведет трехходовой клапан 17 в первое положение. При этом теплоноситель вновь подается через охладитель 18 теплоносителя. Однако в этом случае воздух, проходящий через охладитель 18 теплоносителя, будет иметь температуру Т, T, которая ниже температуры T теплоносителя. Таким образом осуществляют охлаждение теплоносителя в охладителе 18 теплоносителя. При дальнейшей работе двигателя 2 внутреннего сгорания, блок 22 управления управляет трехходовым клапаном таким образом, чтобы теплоноситель сохранял, по существу, постоянную температуру T, соответствующую рабочей температуре T.
C
D
C
D
с
D
с
D
А1
A2
С
На фиг. 3 показана альтернативная конфигурация. В этом случае в коллекторе имеется термостат 19, который содержит первую магистраль 16а и вторую магистраль 16b. Термостат 19 приспособлен обычным образом для автоматической подачи теплоносителя на первую магистраль 16а и двигатель 2 внутреннего сгорания, когда теплоноситель имеет температуру T, которая ниже нужной температуры T теплоносителя, а также на вторую магистраль 16b для охлаждения в охладителе 18 теплоносителя, когда теплоноситель имеет температуру T, которая выше нужной температуры T охлаждающей среды. В этом случае первая магистраль 16а оснащена трехходовым клапаном 17, управляемым с помощью блока 22 управления. Когда температура Т теплоносителя ниже рабочей температуры T, термостат 19 автоматически направляет теплоноситель в первую магистраль 16а. Блок 22 управления реагирует также, когда температура Т теплоносителя ниже рабочей температуры T на этапе 27. Тогда блок 22 управления активирует вентилятор 10 охлаждения и насос 15 теплоносителя с целью поддержания разницы температур воздуха и теплоносителя в охладителе 18 теплоносителя. На этапе 29 блок управления определяет, имеет ли воздух температуру Т, T, которая выше температуры Т теплоносителя. Если это так, то блок 22 управления определяет, что можно нагревать теплоноситель в охладителе 18 теплоносителя и переводит трехходовой клапан 17 во второе положение, в котором тот направляет теплоноситель из первой магистрали 16а во вторую магистраль 16b через соединительную магистраль 20. Таким образом, теплоноситель поступает в охладитель 18 теплоносителя, в котором его нагревают воздухом, проходящим через охладитель 18 теплоносителя.
C
с
D
C
D
Когда T температура теплоносителя поднимается до уровня, аналогичного температуре воздуха, уже невозможно нагревать теплоноситель в охладителе 18 теплоносителя. Блок 22 управления переводит трехходовой клапан 17 в первое положение, при этом теплоноситель поступает в двигатель 2 внутреннего сгорания. При дальнейшей работе двигателя 2 внутреннего сгорания температура Т теплоносителя повышается, пока не превысит рабочей температуры T. Когда это происходит, термостат 19 автоматически переключается и направляет теплоноситель во вторую магистраль 16b для охлаждения охладителя 18 теплоносителя. Термостат 19 будет продолжать управлять потоком теплоносителя таким образом, чтобы теплоноситель поддерживал температуру T, соответствующую рабочей температуре T.
Изобретение не ограничено вариантами осуществления, к которым относятся чертежи, и может свободно варьироваться в пределах объема формулы изобретения. В приведенных выше примерах, охладитель наддувочного воздуха и EGR охладитель расположены в передней части охладителя теплоносителя. Достаточно иметь только один охладитель или другой теплогенерирующий элемент в передней части охладителя теплоносителя. Таким теплогенерирующим элементом может быть охладитель с воздушным охлаждением для трансмиссионного масла, моторного масла или гидравлического масла, либо конденсатор для установки переменного тока.