Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с электроприводным регулируемым вентилятором
COOLING SYSTEM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH ELECTRICALLY DRIVEN ADJUSTABLE FAN

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, в частности к выполнению системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, и может быть использовано на мобильных транспортных средствах, имеющих двигатели внутреннего сгорания.
Широко известна система охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости, в которой центробежный насос нагнетает охлаждающую жидкость в рубашку охлаждения блок-картера и головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, откуда нагретая жидкость вытесняется в радиатор, охлаждается и по патрубку возвращается к насосу [1]. Интенсивность циркуляции воздушного теплоносителя зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Недостатком данной системы охлаждения является жесткая связь центробежного насоса с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания и, как следствие, зависимость производительности насоса от частоты вращения коленчатого вала, обусловленной режимом работы двигателя внутреннего сгорания. Отсутствие возможности автоматического регулирования производительности насоса приводит к недостаточной циркуляции охлаждающей жидкости при необходимости максимальной теплоотдачи от деталей двигателя, а также к необоснованным затратам мощности при отсутствии потребности отвода теплоты от двигателя. Постоянный привод центробежного насоса увеличивает продолжительность прогрева двигателя внутреннего сгорания до оптимальной температуры, достижение которой позволяет двигателю работать с наилучшими мощностно-экономическими показателями, а также приводит к ускоренному износу его рабочих элементов. При этом отсутствие управления работой вентилятора при различных нагрузочных режимах двигателя внутреннего сгорания не позволяет при необходимости обеспечить требуемый тепловой режим его работы, что, в свою очередь, приводит к таким явлениям, как перегрев либо переохлаждение двигателя.
Известен электронный блок управления вентилятором [2], где последний приводится в движение ременной передачей от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, а его частота вращения задается управляющим блоком на основании сигналов ряда датчиков. Существенным недостатком указанного механизма привода вентилятора является использование мощности двигателя на привод вентилятора, что снижает эффективный КПД двигателя.
L
L
R
B
1
Известно, что на развиваемое вентилятором давление, его производительность, а также затрачиваемую мощность на привод влияют расстояние между передними кромками лопастей вентилятора и радиатором Δ, передней поверхностью блока и задними кромками лопастей Δ, зазор между лопастями и направляющим диффузором Δ и выступание лопастей вентилятора из диффузора Δ. Приведенные установочные параметры вентилятора определяют положение вентилятора в воздушном тракте [3]. Установлено, что изменение положения вентилятора относительно радиатора позволяет увеличить или уменьшить расход воздуха через радиатор и тем самым оказать влияние на теплоотдачу системы охлаждения. Увеличение теплоотдачи от радиатора без увеличения его массы и габаритов является задачей оптимизации. Сохранение частоты вращения вентилятора при этом не вызывает увеличения потребляемой мощности [3]. Следовательно, существует некоторое оптимальное положение вентилятора относительно радиатора, оно может быть определено экспериментальными исследованиями конкретного исполнения системы охлаждения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению (прототип) является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, оснащенная электроприводным насосом [4], содержащая радиатор, заслонку радиатора, вентилятор, электропривод вентилятора, термостат, жидкостный насос с электроприводом, масляный радиатор, электронный блок управления.
Недостатком известной системы охлаждения является отсутствие возможности изменения положения вентилятора относительно поверхности жидкостного радиатора в случае потребности увеличения либо уменьшения теплоотдачи от поверхности охлаждения, что не может быть достигнуто только лишь изменением частоты вращения вентилятора. В результате происходит дестабилизация теплового режима по охлаждающей жидкости и маслу, наблюдается повышенный износ деталей цилиндро-поршневой группы. Отсутствие возможности изменения положения лопастей вентилятора (угла поворота лопастей) с целью достижения оптимального режима работы двигателя также является существенным недостатком рассматриваемой системы охлаждения.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение стабильного теплового режима двигателя внутреннего сгорания и оптимизация режима его работы при переменном характере нагрузки, реализация принципа высокотемпературного охлаждения, обеспечение рационального и энергоэффективного распределения мощности, затрачиваемой на привод вентилятора и жидкостного насоса.
Задача решается за счёт того, что в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания с электроприводнымрегулируемымвентилятором, содержащей жидкостный радиатор трубчато-пластинчатого типа, заслонку радиатора, вентилятор, электропривод вентилятора, термостат, жидкостный электроприводный насос, масляный радиатор, электронный блок управления, датчики оборотов коленчатого вала, частоты вращения вентилятора, температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения, положения активных жалюзи, вентилятор установлен перед радиатором в диффузоре вытянутой формы с возможностью реверсивного вращения и перемещения вдоль оси вала электропривода в диффузоре, и синхронного поворота лопастей на величину до 45° для осуществления принудительной циркуляции воздушных масс через воздушный тракт с последующим обдувом поверхности блок-картера двигателя; термостат дополнительно содержит активный основной клапан, электропривод для бесступенчатого регулирования положения активного основного клапана с температурой охлаждающей жидкости не ниже 105°С; дополнительно установлены датчики положения вентилятора и активного основного клапана термостата, расхода охлаждающей жидкости системы охлаждения, температуры и давления масла, при этом электропривод вентилятора управляется блоком управления на основании сигналов датчиков оборотов коленчатого вала, частоты вращения и положения вентилятора, температуры и расхода охлаждающей жидкости системы охлаждения, температуры и давления масла, положения активного основного клапана термостата и активных жалюзи, а масляный радиатор выполнен в виде жидкостно-масляного теплообменника кожухотрубного типа с сердцевиной из пучка латунных трубок круглого сечения и встроен в блок-картер двигателя внутреннего сгорания с возможностью охлаждения масла до температуры не ниже 109°С посредством охлаждающей жидкости системы охлаждения.
На фиг. 1 представлена система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с электроприводнымрегулируемымвентилятором.
Предлагаемая система охлаждения включает в себя жидкостный радиатор 2 трубчато-пластинчатого типа, заслонку 1 радиатора в виде активных жалюзи, диффузор вытянутой формы 3, закрепленный на поверхности жидкостного радиатора 2, обращенной к двигателю, крыльчатку осевого вентилятора 4 с электроприводом 5, термостат 7 с активным основным клапаном 8 и электроприводом 9 для бесступенчатого регулирования положения активного основного клапана 8, рубашку охлаждения, выполненную в блок-картере 12 и головке блока цилиндров 10 двигателя внутреннего сгорания, электронный блок управления 11, масляный радиатор 13 кожухотрубного типа с сердцевиной из пучка латунных трубок круглого сечения, патрубок 6 подвода охлаждающей жидкости к радиатору 2 и патрубок 14 подвода охлаждающей жидкости к жидкостному насосу 15, электропривод 16 жидкостного насоса 15. Обороты коленчатого вала, частота вращения и положение вентилятора, температура и расход охлаждающей жидкости системы охлаждения, температура и давление масла, положение активного основного клапана термостата и активных жалюзи контролируются при помощи цифровых датчиков (на схеме не показаны). Указанная совокупность контрольно-измерительных элементов, функциональных электронных устройств осуществляет контроль соответствующих параметров и позволяет блоку управления 11 на основании полученных данных осуществлять управление работой электропривода 5 вентилятора 4, электропривода 16 жидкостного насоса 15, а также активного основного клапана 8 термостата 7.
Система охлаждения с электроприводнымрегулируемымвентилятором работает следующим образом.
При запуске двигателя внутреннего сгорания температура охлаждающей жидкости приближена к температуре окружающего воздуха и потребность в ее циркуляции по рубашке охлаждения, выполненной в блок-картере 12 и головке блока цилиндров 10, отсутствует. Это вызвано необходимостью скорейшего достижения оптимального температурного режима, при котором двигатель внутреннего сгорания развивает наилучшие мощностно-экономические показатели. Поэтому жидкостный насос 15 и осевой вентилятор 4 не вращаются, а активный основной клапан 8 термостата 7 находится в закрытом положении и охлаждающая жидкость быстрыми темпами прогревается до более высоких температур. Заслонка 1 жидкостного радиатора 2 при этом опущена в крайнее нижнее положение для снижения вероятности загрязнения сердцевины жидкостного радиатора 2 различными мелкими растительными остатками и пылью. Датчики оборотов коленчатого вала, частоты вращения и положения вентилятора, температуры и расхода охлаждающей жидкости системы охлаждения, температуры и давления масла, положения активного основного клапана термостата и активных жалюзи осуществляют непрерывное преобразование значений соответствующих параметров в величины электрического сигнала, а электронный блок управления 11 на основании полученных данных управляет работой электропривода 5 вентилятора 4, электропривода 16 жидкостного насоса 15, а также активного основного клапана 8 термостата 7. Так, при достижении температуры охлаждающей жидкости значения 85±1°С по команде электронного блока управления 11 начинает работать жидкостный насос 15 посредством электропривода 16, подача охлаждающей жидкости первоначально осуществляется в область головки блока цилиндров 10, детали которой подвержены наибольшему температурному воздействию. Одновременно под воздействием электропривода 9 приоткрывается активный основной клапан 8 термостата 7 и охлаждающая жидкость поступает по патрубку 6 в трубчато-пластинчатый жидкостный радиатор 2, где охлаждается и по патрубку 14 направляется к жидкостному насосу 15. При этом крыльчатка вентилятора 4 не вращается, а электропривод 5 бездействует.
Принудительная циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется также через масляный радиатор 13 кожухотрубного типа с сердцевиной из пучка латунных трубок круглого сечения, который встроен в блок-картер 12 двигателя внутреннего сгорания. При этом движение охлаждающей жидкости осуществляется внутри латунных трубок, а масла - снаружи.
Работа системы охлаждения без вентилятора 4 приводит к дальнейшему росту температуры охлаждающей жидкости и достижению значения свыше 95±1°С, что позволяет довести вязкость охлаждающей жидкости до оптимальных значений, снизить затраты мощности на привод жидкостного насоса 15. Особенно актуально такое техническое решение в условиях низких температур окружающего воздуха. При этом жидкостный насос 15, приводимый в действие электроприводом 16, обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по системе охлаждения с некоторой усредненной производительностью. При дальнейшем росте температуры охлаждающей жидкости производительность жидкостного насоса 15 посредством электропривода 16 пропорционально возрастает, активный основной клапан 8 термостата 7 полностью открывается, а электронный блок управления 11 включает электропривод 5 вентилятора 4.
Обязательным условием работы системы охлаждения является обеспечение температуры охлаждающей жидкости значений не ниже 105±1°С. Для этого посредством электропривода 16 жидкостный насос 15 выводится на номинальную производительность, элементы жалюзи заслонки 1 поворачиваются на угол 90º для более полного доступа потоков воздуха. Интенсивность циркуляции воздушных потоков обеспечивается электроприводом 5 вентилятора 4. В случае роста температуры охлаждающей жидкости свыше 105±1°С электропривод 5 осуществляет перемещение вентилятора 4 вдоль своей оси в вытянутом диффузоре и занимает оптимальное положение, приближенное либо удаленное от поверхности охлаждения радиатора 2, обеспечивающее достижение максимальной теплоотдачи.
ΔL
ΔL
1
2
На фиг. 1 первоначальное «положение 1» соответствует работе вентилятора в режиме достижения температуры охлаждающей жидкости значения не выше 105±1°С (в этом случае расстояние от крыльчатки вентилятора 4 до поверхности охлаждения радиатора 2 составляет ), а «положение 2» характерно для иных режимов и предполагает преодоление значения температуры охлаждающей жидкости 105±1°С (расстояние от крыльчатки вентилятора 4 до поверхности охлаждения радиатора 2 составляет ).
При работе системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания наряду с обеспечением заданного теплового режима по охлаждающей жидкости обеспечивается контроль и поддержание требуемого теплового режима по маслу. Работа жидкостно-масляного теплообменника 13 кожухотрубного типа с сердцевиной из пучка латунных трубок круглого сечения направлена на обеспечение температуры масла не ниже 109±1°С.
Обеспечение указанных температур по охлаждающей жидкости и маслу в совокупности позволяет функционировать двигателю внутреннего сгорания с сохранением части теплоты, уменьшая составляющую вынужденных потерь, т.е. повышается КПД двигателя в целом.
В случае нарушения работоспособности электропривода 5 или перебоев с электроэнергией вентилятор 4 занимает положение, максимально удаленное от поверхности охлаждения радиатора 2 («положение 1»).
Блок управления 11 проводит опрос датчиков оборотов коленчатого вала, частоты вращения и положения вентилятора, температуры и расхода охлаждающей жидкости системы охлаждения, температуры и давления масла, положения активного основного клапана термостата и активных жалюзи и на основании полученных данных управляет работой электропривода 5 вентилятора 4, при этом определяющим фактором является обеспечение температуры охлаждающей жидкости не ниже 105±1°С.
С целью достижения оптимизации работы вентилятора 4 при различных нагрузочных режимах и условиях окружающей среды создана возможность синхронного поворота лопастей на необходимую величину. В этой связи конструкция вентилятора 4 и его электропривода 5 позволяют выполнять синхронный поворот лопастей на величину до 45° для осуществления принудительной циркуляции воздушных масс через воздушный тракт. При установившемся режиме работы двигателя внутреннего сгорания и его системы охлаждения блок управления 11 на основании сигналов датчиков автоматически изменяет угол наклона лопастей вентилятора 4 с целью снижения энергозатрат на привод вентилятора 4 и жидкостного насоса 15.
Серьезным препятствием на пути обеспечения требуемой теплоотдачи от поверхности охлаждения жидкостного радиатора в реальных условиях эксплуатации является засоряемость сердцевины. Поэтому возможность реверсивного вращения вентилятора 4 позволяет своевременно проводить очистку сердцевины жидкостного радиатора от растительных остатков и пыли, т.е. выполняется продувка сердцевины радиатора потоками воздуха в направлении, противоположном двигателю внутреннего сгорания.
Предлагаемая система охлаждения с электроприводным регулируемым вентилятором позволяет обеспечить стабильный тепловой режим двигателя внутреннего сгорания и оптимизировать режимы его работы при переменном характере нагрузки, реализовать принцип высокотемпературного охлаждения, обеспечить рациональное и энергоэффективное распределение мощности, затрачиваемой на привод вентилятора и жидкостного насоса.
Источники информации
1. Конструкция тракторов и автомобилей: пособие / сост.: И.Н. Шило [и др.]. - Минск: БГАТУ, 2012. - 816 с.
2. Патент ЕР 1284344 А2, МПК: 7F01P7/04, опубл. 19.02.2003.
3. Якубович, А.И. Системы охлаждения двигателей тракторов и автомобилей. Исследования, параметры и показатели / А.И. Якубович, Г.М. Кухаренок, В.Е. Тарасенко. - Минск : БНТУ, 2014. - 300 с.
4. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с электроприводным насосом: пат. 20478 Респ. Беларусь, МПК (2006) F01P 5/10, F01P 7/16, F01P 3/18 / В.Е. Тарасенко, Ю.М. Жуковский, Н.С. Лесов; заявитель Бел. гос. агр. техн. ун-т. - № a 20130682; заявл. 28.05.2013; опубл. 30.12.2014 (прототип).