Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к автотракторному машиностроению, в частности к системам жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с устройствами для поддержания двигателя в прогретом состоянии после его остановки в холодное время года. Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит верхний и нижний бачки радиатора, оборудованные теплоаккумулирующими элементами из алюминиевых сплавов, закрытые снаружи теплоизоляцией, причем спереди и сзади радиатора установлены защитные теплоизолирующие экраны в виде гибких шторок, имеющих теплоотражающее металлизированное покрытие на сторонах, обращенных к радиатору, и блокировку очередности открытия шторок. Изобретение обеспечивает улучшенные условия ускоренного послепускового прогрева двигателя с выходом на номинальный режим при отрицательных температурах окружающей среды, позволяющей поддерживать двигатель в режиме ожидания (дежурства) при увеличении промежутков времени между запусками двигателя для прогрева. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к автотракторному машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к системе жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с устройствами для поддержания двигателя в прогретом состоянии после его остановки. Изобретение может быть использовано в силовых агрегатах при работах в экстремальных условиях, а также на транспортных средствах оперативных и специальных служб, когда специальная техника находится в режиме ожидания (дежурства) в условиях отрицательных температур (до (-20)-(-40)^oC) в холодное время года.

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания [1]. Особенностью данной системы является то, что нижний, сливной коллектор (бачок) радиатора снабжен горизонтальной оребренной снизу перегородкой, разделяющей его на две полости, в одной из которых (нижней) размещен аккумулятор тепла охлаждающей жидкости с теплоаккумулирующим веществом (сплавом Вуда или сплавом Липовица), покрытый снаружи теплоизоляционным слоем.

Недостатком данной системы являются повышенные габариты нижнего коллектора за счет второй полости и большая масса дополнительного устройства, что может затруднять обслуживание и ремонт двигателя. Кроме того, аккумулирование тепла только в нижнем коллекторе радиатора не намного укорачивает послепусковой прогрев системы, г.к. основной теплообмен с окружающей средой происходит через трубки радиатора, которые в данной системе ничем не прикрыты и не защищены. Кроме того, эксплуатация двигателя с такой системой аккумуляции тепла и постоянной теплоизоляцией в летнее время может приводить к дополнительным затратам мощности на охлаждение.

Известна также система жидкостного охлаждения теплового двигателя транспортного средства [2]. Система включает радиатор с входным и выходным патрубками. Патрубки сообщены с рубашкой двигателя, приводящего во вращение вентилятор и насос. На входе охлаждающего воздуха в радиатор установлены управляемые основные жалюзи, а на выходе между радиатором и вентилятором - дополнительный экран в виде управляемых жалюзи. Основные и дополнительные жалюзи смонтированы таким образом, чтобы при их закрытом положении и работающем двигателе практически полностью перекрывался поток воздуха через радиатор. Такая система с дополнительными жалюзи обеспечивает ускорение послепускового прогрева двигателя, однако недостатком ее является то, что с ее помощью не решается более важная задача максимального сохранения тепла, т.е. не уменьшается темп остывания охлаждающей жидкости в радиаторе после останова, что и требуется для более быстрого выхода двигателя на номинальную мощность после его запуска (особенно в холодное время года).

Задачей изобретения является создание системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающей улучшение условий ускоренного послепускового прогрева двигателя с выходом на номинальный режим при отрицательных температурах окружающей среды, позволяющей поддерживать двигатель в режиме ожидания (дежурства) при увеличении промежутков времени между запусками двигателя для прогрева, без особого увеличения габаритов и массы дополнительного устройства и не препятствующей охлаждению радиатора в теплые периоды года.

Задача решается тем, что при эксплуатации транспортного средства в условиях отрицательных температур окружающего воздуха дополнительно к управляемым экранам-жалюзи, установленным спереди и сзади радиатора, его верхний и нижний бачки (коллекторы) оборудованы теплоаккумулирующими элементами из алюминиевых сплавов как имеющих значительную удельную теплоемкость (см. ред. Кикоин И. К. "Таблицы физических величин", Справочник. М.: Атомиздат, 1976, с. 56, 142, 163). Бачки, а также боковины радиатора снаружи закрывают теплоизолирующими быстросъемными кожухами-покрытиями, причем управляемые экраны выполнены из теплоизоляционного материала в виде шторок, прикрывающих, при необходимости, фронт радиатора в направлении от сливного патрубка к приемному, и к тому же имеющих блокировку, не позволяющую открыть шторку спереди радиатора при полностью закрытой шторке между радиатором и вентилятором (сзади радиатора), при этом стороны шторок, обращенные к радиатору, имеют теплоотражающее покрытие, например металлизированное, в виде напыленной алюминиевой пленки.

На фиг. 1 представлена схема системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, оборудованного для работы в условиях низких температур.

На фиг. 2 представлена одна из возможных схем продольного разреза радиатора со шторками, состоящими из теплоизолирующего и теплоотражательного слоев, теплоаккумулирующими элементами, а также теплоизолирующим покрытием бачков.

Система охлаждения содержит радиатор 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками; двигатель с рубашкой охлаждения 4 и вентилятором 5, переднюю 6 и заднюю шторку 7 радиатора, трубопровод 8 от выходного патрубка 3 к рубашке 4 и подающий трубопровод 9 к патрубку 2. Радиатор 1 состоит из системы трубок 15, двух трубных досок 16, которые вместе с крышками 17 и 18 образуют соответственно верхний приемный 10 и нижний сливной 11 бачки радиатора. Кроме того, радиатор имеет теплоаккумуляторы 12, закрытые теплоизолирующими чехлами 13, шторки 6 и 7 с теплоотражательным покрытием 14. (Блокировка открытия шторок 6 и 7 и механизм их подъема на схемах не показаны).

Гибкие шторки 6 и 7 с покрытием 14 представляют собой сочетание металлизированной полульняной ткани (эластоискожа-Т теплоотражательная) и теплоизолирующего материала, например, из войлока тонкошерстяного АТИМ-9 или холсто-прошивного ватина, используемых в комплектах теплозащитной одежды для пожарных (см. Простов Н.И., Аверин Ю.Ф., Логинов В.И. Техническое описание и инструкция по эксплуатации комплекта теплозащитной одежды для пожарных ТК-800. М.: ВНИИПО МВД СССР, 1987. с. 3; 6; 7), либо из термостойких волокон из ароматических полиамидов (см. Политехнический словарь. Ред. Ишлинский А.Ю. М. : Советская энциклопедия, 1989, с. 398) и т.п. Кроме того, такие гибкие двухслойные шторки для лучшей теплоизоляции выполнены в виде пакета, т.е. с воздушным промежутком между слоями.

Теплоизолирующие покрытия-чехлы бачков 13 выполнены съемными и изготовлены из войлока АТИМ - 9.

Система охлаждения в условиях низких температур окружающего воздуха работает следующим образом.

После запуска двигателя шторки 6 и 7 должны быть полностью закрыты, что позволяет ускорить прогрев охлаждающей жидкости и выход силового агрегата на режим номинальных температур. В процессе прогрева охлаждающей жидкости термоаккумулирующие элементы 12 верхнего 10 и нижнего 11 бачков радиатора 1 прогреваются до температуры жидкости, запасая тепло на период отключения двигателя. Отдача тепла от термоаккумулирующих элементов в окружающую среду не происходит, т.к. они снаружи закрыты теплоизолирующими кожухами 13.

Когда двигатель выключают, но он должен быть готов в кратчайшее время принять нагрузку, техника находится в дежурном режиме ожидания - шторки 6 и 7 закрыты полностью, насос не работает, охлаждающая жидкость из рубашки двигателя 4 через подающий трубопровод 9, патрубок 2, радиатор 1, выходной патрубок 3 и обратный трубопровод 8 не циркулирует, то температура жидкости в радиаторе 1 и его бачках 10 и 11 понижается. Теплоаккумулирующие элементы 12 тоже охлаждаются, но при этом за счет высокой теплоемкости элементов 12, изготовленных из алюминиевых сплавов (толщиной 10-25 мм) и закрытых теплоизоляцией 13, их темп охлаждения ниже, чем у жидкости в радиаторе 1, которая за счет этого прогревается теплом, накопленным теплоаккумулирующими элементами на верхнем 10 и нижнем 11 бачках радиатора 1, вследствие этого увеличивая промежуток времени между запусками двигателя для прогрева. Наличие двухслойных шторок 6 и 7, изготовленных в виде пакета, с теплоотражательными покрытиями 14 в сторону радиатора позволяет плотно прикрывать радиатор 2 с обеих сторон и создавать вокруг него воздушный слой - тепловую рубашку, что также замедляет охлаждение жидкости при выключенном двигателе и неработающем насосе. Открытие же шторок 6 и 7 в направлении от приемного патрубка к сливному позволяет в процессе работы нижнюю часть радиатора, как наиболее склонную к замерзанию, открывать в последнюю очередь, а закрывать в первую, что способствует надежной работе системы охлаждения. Установка блокировки на шторки 6 и 7, не позволяющей открывать переднюю шторку 6 при полностью закрытой шторке 7, направлена на то, чтобы теплый воздух от радиатора 2 в холодное время года не уходил от двигателя и использовался более эффективно.

При положительных температурах окружающего воздуха (в летнее время) теплоизоляция 13 снимается, шторки 6 и 7 полностью открываются и двигатель работает в штатном режиме (без ускоренного прогрева жидкости при запуске и теплоаккумуляции при остановках).

Для предварительной оценки эффективности предлагаемой системы была проведена экспериментальная проверка. В качестве объекта испытаний была выбрана пожарная автоцистерна АЦ-40(130) модель 63Б.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания была заправлена водой, исправность штатного термостата проверена до начала эксперимента. Система охлаждения (в частности радиатор) дополнена элементами, представляющими суть заявляемого изобретения (шторки, теплоизоляция, теплоаккумулирующие элементы).

В ходе дорожных испытаний в силовом агрегате измерялись температура охлаждающей жидкости вблизи термостата, в верхнем бачке радиатора, а также температура масла в поддоне картера.

Путь, пройденный автомобилем, измерялся штатным спидометром.

Температура окружающего воздуха при экспериментах находилась в пределах от 0 до минус 15^oC.

В ходе испытания моделировался типовой "ездовой" цикл движения пожарного автомобиля в городе со средней интенсивностью транспортного потока на горизонтальном участке дороги. После пробега маршрута автомобиль ставили в депо пожарной части, где двигатель глушили и периодически в течение 4-5 ч регистрировали температуру охлаждающей жидкости. При этом имеющиеся штатные приборы, ускоряющие прогрев силового агрегата, дополняли моделью предложенного устройства. Результаты испытаний показали, что при температуре окружающего воздуха минус 15^oC у дооборудованного автомобиля послепусковой прогрев двигателя ускорился в 2,3 раза; при штатных средствах ускорения прогрева температура охлаждающей жидкости достигла оптимального значения (+80^oC) через 4500 м пробега автомобиля, а в автомобиле с дооборудованной системой прогрев охлаждающей жидкости до той же температуры произошел после прохождения 1950 м пути.

При температуре окружающего воздуха 0^oC длина пробега автомобиля при нагреве охлаждающей жидкости до +80^oC сократилась в 1,4 раза.

Динамика остывания охлаждающей жидкости, находящейся в радиаторе в режиме ожидания (дежурства), показала, что в условиях пожарного депо автомобиль, оборудованный по предлагаемой системе, на 10-15% по времени дольше сохраняет тепло, накопленное в процессе прогрева, и, соответственно, на столько же удлиняются периоды времени между запусками двигателя, находящегося в "дежурном" режиме.

Применение предложенной системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания в условиях низких температур позволяет уменьшить эксплуатационный расход топлива за счет сокращения времени прогрева двигателя и удлинения межпусковых периодов отключения двигателя при поддержании его в режиме "ожидания" (дежурства). При использовании такой системы уменьшается износ и увеличивается долговечность двигателя, т.к. эти показатели во многом зависят от теплового состояния двигателя. Все это в целом повышает надежность системы охлаждения и, в конечном итоге, экономичность эксплуатации силовых агрегатов, в том числе аварийных дизель-генераторов, машин оперативных и специальных служб и автомобилей, работающих по "городскому" циклу, - маршрутных транспортных средств в условиях низких температур окружающего воздуха.

Формула изобретения

1. Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий радиатор, снабженный приемным и сливным коллекторами, рубашку охлаждения двигателя, подключенного к верхнему приемному коллектору радиатора, вентилятор, жидкостный насос, всасывающий патрубок которого подключен к нижнему сливному коллектору радиатора, и регулируемые экраны на входе и выходе охлаждающего воздуха в радиатор, отличающаяся тем, что верхний и нижний коллекторы радиатора оборудованы теплоаккумулирующими элементами и закрыты снаружи теплоизолирующими покрытиями, причем теплоизолирующими покрытиями закрыты и боковины радиатора, а теплоизолирующие покрытия выполнены съемными.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что теплоаккумулирующие элементы бачков радиатора выполнены из материала с высокими теплоемкими свойствами, в частности из алюминиевых сплавов, причем толщина элементов составляет от 10 до 25 мм, а материал элементов соединен с материалом коллектора неразъемно с плотным контактом по всей соприкасаемой поверхности, либо термоаккумулирующие элементы исполнены в виде трубной доски, либо применены в виде крышек коллекторов-бачков радиатора, либо помещены между трубными досками и крышками приемного и сливного коллекторов-бачков.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что регулируемые экраны на входе и выходе охлаждающего воздуха в радиатор выполнены в виде гибких шторок, закрывающих фронт радиатора в направлении от сливного патрубка к приемному, и изготовлены из теплоизолирующего материала, причем стороны шторок, обращенные к радиатору, покрыты теплоотражающим металлизированным слоем, при этом имеется блокировка, не позволяющая открыть шторку перед радиатором при полностью закрытой шторке между радиатором и вентилятором.

4. Система по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что гибкие шторки представляют собой сочетание металлизированной полульняной ткани (эластоискожа-Т теплоотражательная) и теплоизолирующего материала-войлока тонкошерстяного АТИМ-9 либо холсто-прошивного ватина или из термостойких волокон из ароматических полиамидов, а теплоизолирующие покрытия-чехлы на коллекторах радиатора и его боковинах - из войлока типа АТИМ-9.

5. Система по пп.1, 2 и 4, отличающаяся тем, что для эффективной теплоизоляции гибкие двуслойные шторки выполнены в виде пакета, т.е. с воздушным промежутком между слоями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2