СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СТАЦИОНАРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
COOLING SYSTEM OF STATIONARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к системам жидкостного охлаждения стационарных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), преимущественно входящих в состав моторных стендов, и может быть использовано для проведения испытаний двигателей в заводских условиях, в ремонтных организациях, в исследовательских учреждениях и в учебных заведениях.
Изобретение позволяет обеспечить расширение диапазона возможных значений температур в системе охлаждения двигателя, моделирование в стендовых условиях различных режимов эксплуатации автомобильной техники.
Для охлаждения двигателей, входящих в состав моторных стендов применяются как незамкнутые (проточные), так и замкнутые системы охлаждения. В незамкнутых (проточных) системах происходит полное или частичное замещение воды, циркулирующей в системе, на подаваемую от внешнего источника воду. В замкнутых системах охлаждения циркулирует постоянное количество охлаждающей жидкости (антифриза или воды), охлаждение которой происходит в специальных охладителях. Замкнутые системы могут быть как одноконтурные, так и двухконтурные. Из замкнутых систем охлаждения для моторных стендов и стационарных двигателей наибольшее распространение получили двухконтурные системы охлаждения. В этих системах охлаждение жидкости, циркулирующей в первом (внутреннем) контуре, осуществляется в теплообменнике за счет воды, циркулирующей через теплообменник во втором (наружном) контуре и поступающей в контур из внешнего источника.
Известна проточная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания моторного стенда, включающая в себя двигатель, в рубашку охлаждения которого из напорного бака подается вода для охлаждения двигателя. Пройдя рубашку охлаждения, вода поступает в градирню, где происходит ее охлаждение воздухом, нагнетаемым электрическим вентилятором, после чего охлажденная вода независимым от двигателя насосом подается в напорный бак, где она смешивается с водой, поступаемой из водопровода. Регулирование теплового режима работы двигателя осуществляется по замерам температуры на выходе из двигателя регулировкой проходного сечения кранов подвода воды к напорному баку из водопровода и из градирни. Излишки воды из бака по трубопроводу сливаются в канализацию (1 - В.И. Сороко-Новицкий Испытание автотракторных двигателей. - М.: Машгиз, 1955, с. 197).
Известна проточная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания моторного стенда, включающая напорный бак, подключенный к водопроводной сети, в котором уровень воды поддерживается за счет поплавкового запорного клапана и переливной трубки, связанной с канализацией. Из напорного бака вода под действием гравитационных сил поступает через управляющий кран в смесительный бак, где смешивается с циркулирующей через рубашку охлаждения двигателя нагретой водой. Излишки воды по трубопроводу сливаются в канализацию. Регулирование теплового режима работы двигателя осуществляется изменением расхода водопроводной воды, поступающей в смесительный бак по результатам замера температуры воды на входе и выходе из двигателя, и температуры водопроводной воды на входе в смесительный бак(1 - с. 200).
Указанные системы охлаждения получили достаточно широкое распространение для испытания двигателей внутреннего сгорания на моторных стендах и применяются в настоящее время. (2 - Моторно-стендовые испытания дизельных топлив. - http://n-wcert.ru/motorno-stendovye-ispytaniya-dizelnyx-topliv.html) (дата обращения к сайту 17.01.2019 г.).
Несмотря на свою простоту и достаточную эффективность охлаждения, проточные системы имеют следующие недостатки:
использование водопроводной воды приводит к отложениям солей жесткости и механических примесей на стенках рубашки охлаждения двигателя, что требует периодической очистки двигателя от указанных загрязнений;
температура охлаждающей жидкости не может превышать 100°С - температуры кипения воды при нормальном атмосферном давлении;
нельзя использовать в качестве охлаждающих жидкостей антифризы, температура кипения которых 120-170°С.
Известна двухконтурная система охлаждения одноцилиндровой установки ИТД-90, применяемой для определения цетановых чисел дизельных топлив в соответствии с ГОСТ Р 52709-2007. В данной установке, в первом (внутреннем) замкнутом контуре системы охлаждения, применена система термосифонно-испарительное типа. Циркуляция охлаждающей жидкости в термосифонно-испарительной системе осуществляется в результате нагрева жидкости от стенок гильзы цилиндра до парообразного состояния, после чего пары охлаждающей жидкости за счет меньшей плотности поднимаются в верхнюю часть специального теплообменника, установленного на головке цилиндра (в наивысшей точке двигателя). В теплообменнике пары охлаждающей жидкости, соприкасаясь с охладителем в виде змеевика, по которому протекает холодная водопроводная вода, конденсируется. Образовавшаяся из пара жидкость стекает в нижнюю часть теплообменника, откуда через соединительный патрубок поступает обратно в полость рубашки цилиндра. Наружный разомкнутый контур системы охлаждения, включающий в себя змеевик, соединительные трубопроводы, регулирующие вентили, обеспечивает теплопередачу от охлаждающей жидкости внутреннего контура водопроводной воде, циркулирующей через змеевик в наружном контуре. (3 - ГОСТ Р 52709-2007 Топлива дизельные. Определение цетанового числа. - Введ. 2007-07-01. - Калуга: Стандартинформ, 2007, - 23 с.). Аналогичная система охлаждения была на установке ИТД-9-3М, которая применялась ранее для определения цетановых чисел дизельных топлив. (4 - Е.И. Забрянский, А.П. Зарубин Детонационная стойкость и воспламеняемость моторных топлив. - М.: Изд. Химия, 1965, с. 117).
Недостаток данной системы заключаются в том, что термосифонно-испарительная система охлаждения из-за малой интенсивности циркуляции охлаждающей жидкости имеет низкую эффективность охлаждения двигателя по сравнению с системой охлаждения с принудительной циркуляцией. Кроме того, в наружном контуре управление расходом водопроводной воды через змеевик осуществляется ручной регулировкой вентилей, что требует постоянного контроля за работой системы охлаждения.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является двухконтурная жидкостная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания 64 12/14, в которой охлаждающим теплоносителем является вода. Двухконтурная система охлаждения содержит внутренний замкнутый контур (первый контур) циркуляции охлаждающей жидкости (воды), включающий циркуляционный насос с приводом от двигателя, рубашку охлаждения двигателя, рубашку охлаждения выпускного коллектора, расширительный бачок, соединенный трубопроводом с рубашкой охлаждения выпускного коллектора, байпасный канал, термостат, теплообменник. Также содержит наружный контур (второй контур) циркуляции воды, поступающей от внешнего источника, и включающий фильтр-очиститель воды, дополнительный насос, прокачивающий воду через последовательно включенные в наружный контур охлаждения масляный теплообменник и жидкостной теплообменник, в которых осуществляется охлаждение моторного масла и охлаждающей жидкости первого контура. (5 - P.M. Петриченко Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. - Ленинград, Машиностроение, 1975, с. 16 - прототип).
В прототипе теплопередача от охлаждающей жидкости к воде, циркулирующей в наружном контуре, осуществляется в теплообменнике кожухотрубного типа, имеющем корпус (кожух), в котором на двух перегородках (трубных досках) герметично закреплен пучок труб, подключенный к наружному контуру системы охлаждения. Пространство между трубными досками, имеющими уплотнение по внутренней поверхности корпуса, используется для циркуляции охлаждающей жидкости внутреннего контура системы охлаждения.
Эффективность этих охладителей напрямую связана с площадью поверхности теплопередачи. Увеличение площади теплопередачи теплообменника достигается за счет изменения длины труб или их количества, или оребрением с наружной стороны труб внутреннего контура, что увеличивает габариты охладителя или усложняет его конструкцию. Кроме этого, для интенсификации теплообмена в межтрубном пространстве данного теплообменника устанавливаются поперечные сегментные перегородки, турбулизирующие охлаждающую жидкость при многократном ее перетекании в поперечном направлении относительно пучка труб. При этом, для обеспечения сборки кожухотрубного теплообменника, указанные перегородки устанавливаются с зазорами 0,3-0,6 мм по наружному диаметру труб трубного пучка и с зазорами 1,5-3 мм по внутреннему диаметру корпуса, в результате, происходит перетекание части охлаждающей жидкости через указанные зазоры, что приводит к снижению эффекта (теплоотдачи) от применения перегородок на 30-45% (6 - С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. Двигатели внутреннего сгорания, Системы поршневых и комбинированных двигателей, учебник. - М.: Машиностроение, 1985, с. 315).
Недостатками известной двухконтурной системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания является относительно невысокая эффективность охлаждения, обусловленная наличием теплообменника кожухотрубного типа, а также использование больших объемов воды, проходящей через масляный и жидкостной теплообменники в наружном контуре охлаждения вне зависимости от режима работы двигателя.
Технический результат изобретения - повышение эффективности охлаждения двигателя за счет создания условий, обеспечивающих повышение теплоотдачи в теплообменнике и сокращения расхода воды в наружном циркуляционном контуре.
Этот технический результат достигается тем, что система охлаждения стационарного двигателя внутреннего сгорания, содержащая, рубашку охлаждения двигателя, к которой подключен циркуляционный контур охлаждающей жидкости, в котором последовательно по потоку установлены соединенный с выпускным патрубком жидкостного теплообменника водяной насос подачи охлаждающей жидкости в рубашку охлаждения, перед всасывающим патрубком водяного насоса подсоединен байпасный канал, связанный с выходным патрубком рубашки охлаждения двигателя, трубопроводом соединенным с одним из входов жидкостного теплообменника, другой вход которого связан с выходным патрубком расширительного бачка, и трубопровод подачи воды к жидкостному теплообменнику в циркуляционном контуре охлаждающей жидкости, согласно изобретению жидкостной теплообменник в циркуляционном контуре выполнен в виде открытой сверху емкости для воды, внутри которой установлен дополнительно введенный радиатор, имеющий горизонтальные сквозные каналы и разделяющий емкость теплообменника на две изолированные друг от друга полости, в одной из которой по всей высоте установлен распределитель подачи воды в горизонтальные каналы радиатора, а в другой полости установлен узел поддержания заданного уровня воды в емкости теплообменника, система дополнительно содержит блок управления, к входам которого подключены датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный на выпускном патрубке водяной рубашки и датчик температуры, установленный на выходе из радиатора, выходы блока управления соединены с исполнительными механизмами управляемых клапанов, один из которых установлен в байпасном канале, другой на трубопроводе, связывающий выпускной патрубок с радиатором, а также с исполнительным механизмом управляемого вентиля, установленного на трубопроводе подачи воды в теплообменник.
На фиг. 1 представлена блок-схема системы охлаждения стационарного двигателя внутреннего сгорания.
Система охлаждения содержит внутренний замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, в который входят двигатель 1 с рубашкой охлаждения 2, впускной патрубок 3 водяной рубашки, выпускной патрубок 4 водяной рубашки, байпасный канал 5, управляемые клапана 6 и 7, соединительный трубопровод 8, радиатор 9 теплообменника 10, расширительный бачок 11, трубопровод 12, соединяющий расширительный бачок с радиатором, трубопровод 13, подключения радиатора к всасывающему патрубку водяного насоса 14. Кроме этого, в систему охлаждения входит наружный разомкнутый контур подвода воды, который включает в себя жидкостной теплообменник 10, трубопровод 15 подвода воды к жидкостному теплообменнику, управляемый вентиль 16.
Жидкостной теплообменник 10 состоит из открытой сверху емкости 17, разделенной на две изолированные полости радиатором 9, с уплотнением 18 по внутренней поверхности емкости теплообменника. В одной из изолированных полостей емкости теплообменника 17 размещен распределитель 19 подачи воды к радиатору 9, представляющий собой вертикальную, распределительную трубу с горизонтально расположенными на ней и заглушенными с одного конца отрезками труб с сопловыми отверстиями, равномерно распределенными относительно фронтальной поверхности радиатора. В другой полости находится узел 20 поддержания заданного уровня воды в емкости теплообменника, как вариант переливная трубка. Может быть установлен любой датчик уровня, по сигналу которого контролируют полное погружение в воду охлаждающей поверхности радиатора 9.
Управление работой системы охлаждения обеспечивается блоком управления 21, по результатам замера температур охлаждающей жидкости датчиками 22, 23, и последующего сравнения полученных данных с значениями температур, введенных в блок управления 21 при программировании. В случае разницы между заданным значением и полученным при измерении значением температуры, в блоке управления 21 вырабатывается сигнал на управление открытия или закрытия управляемых клапанов 6, 7 и изменения проходного сечения управляемого вентиля 16.
В качестве датчиков 22, 23 температур охлаждающей жидкости применяются термопреобразователи сопротивления, например, преобразователи сопротивления ДТС065Л-РТ100-0.5.100.И. В качестве управляемых клапанов 6, 7 применяются электромагнитные клапана, например, клапана двухпозиционные двухходовые электромагнитные CK-21DN-15 (управляемый клапан 6) и CK-11DN-15 (управляемый клапан 7). В качестве управляемого вентиля применяется кран  с управляющим механизмом КМР №3 24V AC/DC 0 - 10V DC. В качестве блока управления 21 применено программируемое реле с дисплеем ОВЕН ПР 200.
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания функционирует следующим образом.
При проведении испытаний моторных масел по оценке образования низкотемпературных отложений в двигателе Д-245 (как вариант), входящего в состав моторного стенда, в блок управления 21 вводится значение температуры охлаждающей жидкости 35°С, которую необходимо поддерживать в процессе проведения испытаний. Производится запуск двигателя 1 и последующий его прогрев, при котором циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется следующим образом. При закрытом управляемом клапане 6 водяной насос 14 подает охлаждающую жидкость в рубашку охлаждения 2, выходной патрубок 4 и далее через байпасный канал 5, открытый управляемый клапан 7, - во всасывающую полость водяного насоса 14 и далее через впускной патрубок 3 в рубашку охлаждения 2, минуя радиатор 9.
При достижении заданной температуры 35°С, определяемой датчиком температуры 22, блок управления 21 переводит систему охлаждения на основной режим работы за счет подачи управляющего сигнала на открытие управляемого клапана 6, управляемого вентиля 16 и закрытие управляемого клапана 7. Охлаждающая жидкость начинает циркулировать от насоса 14 через впускной патрубок 3, рубашку охлаждения 2, выпускной патрубок 4, открытый управляемый клапан 6, трубопровод 8, радиатор 9 жидкостного теплообменника 10 и далее через трубопровод 13 подвода охлаждающей жидкости к водяному насосу 14.
Одновременно осуществляется подача воды через открытый регулируемый вентиль 16 по трубопроводу 15 в водораспределитель 19, который равномерно распределяет охлаждающую воду по фронтальной поверхности радиатора 9 жидкостного теплообменника 10. Пройдя через соты радиатора 9, вода нагревается, забирая тепло от жидкости, циркулирующей во внутреннем контуре охлаждения через трубки радиатора 9, и сливается через переливную трубку 20, поддерживающую заданный уровень воды в емкости 17 теплообменника 10. Поддержание заданной температуры теплоносителя внутреннего контура в процессе проведения испытания, обеспечивается регулированием расхода воды через теплообменник 10. Регулирование осуществляется за счет изменения проходного сечения управляемого вентиля 16, блоком управления 21 по данным, снимаемым с температурного датчика 23 и сравнением их с заданным значением температуры, введенной в блок управления 21.
После завершения прогрева двигателя 1 и стабилизации температуры охлаждающей жидкости блок управления 21 подает сигнал на начало работы в электронный блок стенда (на фиг. 1 не показан), осуществляющий управление работой двигателя по программе проведения испытаний.
Аналогично осуществляется регулирование температурного режима в системе охлаждения для других значений заданных температур применительно к любому из стационарным двигателям внутреннего сгорания.
Развитая поверхность охлаждения радиатора, рассчитанного на применение в качестве охладителя окружающего воздуха, при переходе на использование в качестве охладителя воды, позволяет в 4 раза повысить эффективность охлаждения.
За счет отказа от использования термостата, конструктивно входящего в систему охлаждения ДВС прототипа, удалось расширить диапазон возможных значений температур во внутреннем контуре циркуляции охлаждающей жидкости стационарного двигателя. Нижнее значение диапазона 35°С обеспечивается за счет регулирования расхода воды в наружном контуре охладителя. Верхнее значение диапазона может составлять 120-170°С за счет применения «высококипящих» охлаждающих жидкостей на базе этиленгликоля. Широкий диапазон возможных значений температур охлаждающей жидкости (от 35 до 170°С) позволяет моделировать в стендовых условиях самые различные режимы эксплуатации автомобильной техники - от режима длительной работы на холостом ходу до режима перегрева двигателя при длительной работе на максимальной мощности.
3
Предложенная система управления температурой во внутреннем контуре циркуляции охлаждающей жидкости, за счет управления расходом проточной воды в наружном контуре охлаждения в зависимости от режима работы двигателя, позволила сократить расход воды в среднем до 2-2,5 раз. Так для двигателя Д-245 в зависимости от режима работы (частоты вращения и эффективной мощности) расход воды в наружном контуре охлаждения изменяется от 1,6 до 65 дм/мин. Указанные выше результаты подтверждены экспериментально.
Таким образом, представленная в формуле изобретения совокупность существенных признаков (конструкция теплообменника, включающего дополнительно введенный радиатор, распределитель подачи воды, замена теплоносителя (воздуха), отводящего тепло от охлаждающей жидкости, циркулирующей через воздушный радиатор, на воду, управление работой системы охлаждения блоком управления через управляемые клапана и управляемый вентиль на режиме прогрева и основном режиме работы) достаточна для получения технического результата. Авторы не обнаружили источников информации, в которых бы эта совокупность признаков была описана с достижением указанного технического решения.
Применение изобретения позволит создать условия устойчивой работы стационарного двигателя внутреннего сгорания, входящего в состав моторного стенда, при испытании горюче-смазочных материалов, обеспечивая моделирование в стендовых условиях различных режимов эксплуатации автомобильной техники.