Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к охлаждающим устройствам двигателей внутреннего сгорания тепловозов и других транспортных машин. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя путем регулирования температур всех его теплоносителей и поддержания их на заданном уровне. Технический результат достигается тем, что система охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубками и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, вентиляторы не менее одного, систему управления и регулирования температур теплоносителей двигателя, горячий контур, включающий в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур, включающий охладители масла и наддувочного воздуха, второй циркуляционный насос и второй радиатор, горячий и холодный контуры циркуляции соединены между собой двумя межконтурными магистралями, первая из которых одним концом подключена к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим концом к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса, а вторая магистраль подключена одним концом к выходному патрубку второго радиатора и другим - к всасывающему патрубку первого циркуляционного насоса; контур охлаждения масла, включающий в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, каналы охлаждения масла охладителя и его входную магистраль с расположенным на нем терморегулятором и выходной патрубок, перепускную магистраль, подключенную одним концом к терморегулятору и другим - к выходному патрубку охладителя масла, снабжена регулятором, включенным в первую межконтурную магистраль для регулирования расхода жидкости из горячего контура в холодный и поддержания благодаря этому температуры жидкости холодного контура на заданном уровне, перегородкой, установленной в расширительный бак, разделяющей его на две полости соответственно для горячего и холодного контуров с подсоединенными к ним подпиточными трубками и выпорами, третьей межконтурной магистралью с термостатом, подключенной одним концом к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса, для регулирования по ней расхода жидкости из горячего контура в холодный и исключения благодаря этому превышения максимально допустимого уровня температуры жидкости горячего контура на выходе из двигателя. Регулятор выполнен с изменяющимся проходным сечением для всесезонного использования или с постоянным проходным сечением для сезонного использования. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы двигателя путем регулирования температур всех его теплоносителей и поддержания их на заданном уровне. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к охлаждающим устройствам двигателей внутреннего сгорания тепловозов и других транспортных машин.

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания тепловоза, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубками и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, вентилятор, систему управления и регулирования температур теплоносителей двигателя; горячий контур включает в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур - охладители наддувочного воздуха и масла, второй циркуляционный насос и второй радиатор; контур охлаждения масла включает в себя масляный насос, масляные каналы двигателя и каналы охлаждения масла охладителя (Тепловозы. Москва, изд. "Машиностроение," 1976 г, стр.80-85, рис.59б, 61 и 69).

Недостатком известной системы охлаждения является невозможность осуществления раздельного регулирования и поддержания на необходимом температурном уровне охлаждающей жидкости, смазочного масла и наддувочного воздуха двигателя.

Этот недостаток обусловлен следующим.

1. Требования по поддержанию температуры масла на заданном стабильном уровне независимо от режима работы двигателя, а также по максимально возможному охлаждению наддувочного воздуха при больших нагрузках и его подогреву при малых нагрузках двигателя и низких температурах окружающей среды не могут быть обеспечены жидкостью холодного контура одного температурного уровня.

2. Использование для регулирования температуры охлаждающей жидкости и масла двигателя одного вентилятора не позволяет поддерживать их температурный уровень в необходимом достаточно узком диапазоне при всех эксплуатационных режимах работы двигателя и атмосферных условиях. Это объясняется тем, что, во-первых, для двигателей характерны различные интенсивности (темпы) изменения температур охлаждающей жидкости и масла в зависимости от нагрузки, а также резкое уменьшение тепловыделения двигателя в холодный контур при уменьшении мощности вследствие снижения теплоотвода от наддувочного воздуха и, во-вторых, при снижении температуры внешней окружающей среды из-за большего относительного роста располагаемого температурного напора теплорасеивающая способность холодного контура возрастает значительно интенсивнее, чем горячего.

3. При экстремальных летних условиях эксплуатации (номинальной нагрузке двигателя и максимальной расчетной температуре окружающего атмосферного воздуха) возможно повышение температуры охлаждающей жидкости горячего контура двигателя выше допустимого уровня, приводящее к ограничению продолжительности его работы на таких режимах. Этот дефект может быть вызван следующими причинами:

- перераспределением тепловыделений двигателя в горячий и холодный контуры по сравнению с проектными значениями, вследствие изменения настройки параметров системы воздухоснабжения или отклонений характеристик ее отдельных элементов;

- снижением теплорассеивающей способности горячего контура из-за более интенсивного загрязнения его секций водовоздушного радиатора;

- конструктивными решениями, принятыми для упрощения конструкции блоков радиатора или увеличения теплоотвода от наддувочного воздуха на расчетном нормируемом режиме работы двигателя (при номинальной мощности и нормальных атмосферных условиях - температуре окружающей среды 20°С) с целью обеспечения необходимой экономичности.

4. Через выпоры, расширительный бак и подпиточные трубки контуров циркуляции охлаждающей жидкости двигателя происходит частичное смешение жидкости горячего и холодного контуров и, соответственно, перераспределение тепла в них. Причем количество смешиваемой жидкости и перераспределяемого тепла практически не поддается точному учету, так как зависит от большого числа факторов, на которые трудно оказать влияние, а именно количества проходных сечений и мест подключения выпоров к системе, проходных сечений подпиточных трубок, температур жидкости в выпорах и др. Изложенное приводит к нарушению расчетных теплорассеивающих способностей радиаторов и вследствие этого их фактические характеристики не будут соответствовать заданным.

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, принятая за прототип, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубками и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, вентиляторы, систему управления и регулирования температур теплоносителей двигателя; горячий контур включает в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур - охладители масла и наддувочного воздуха, второй циркуляционный насос и второй радиатор; горячий и холодный контуры циркуляции соединены между собой двумя межконтурными магистралями, первая из которых с регулятором одним концом подключена к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса, а вторая - одним концом к выходному патрубку второго радиатора и другим - к всасывающему патрубку первого циркуляционного насоса; контур охлаждения масла включает в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, каналы охлаждения масла охладителя и его входной с расположенным на ней терморегулятором и выходной патрубки, перепускную магистраль, подключенную одним концом к терморегулятору и другим - к выходному патрубку охладителя масла (Тепловоз 2ТЭ116, Москва, "Транспорт", 1985, стр.83, рис.50).

Известная система охлаждения, несмотря на ее усложнение вследствие применения терморегулятора в масляном контуре и магистралей межконтурного перепуска в системе циркуляции охлаждающей жидкости, имеет недостатки.

1. Регулирование температуры масла двигателя осуществляется как терморегулятором масляной системы, так и работой вентиляторов. Это, во-первых, неоправданно усложняет систему регулирования и, во-вторых, при определенных условиях, как установлено в эксплуатации, может привести к недопустимому переохлаждению жидкости холодного контура.

2. Магистрали межконтурного перепуска используются лишь для частичного подогрева жидкости холодного контура и поэтому не служат для необходимого регулирования глубины охлаждения наддувочного воздуха.

3. При экстремальных летних условиях эксплуатации (номинальной нагрузке двигателя и максимальной расчетной температуре окружающего атмосферного воздуха) возможно повышение температуры охлаждающей жидкости горячего контура двигателя выше допустимого уровня, приводящее к ограничению продолжительности его работы на таких режимах. Этот дефект может быть вызван следующими причинами:

- перераспределением тепловыделений двигателя в горячий и холодный контуры по сравнению с проектными значениями, вследствие изменения настройки параметров системы воздухоснабжения или отклонений характеристик ее отдельных элементов;

- снижением теплорассеивающей способности горячего контура из-за более интенсивного загрязнения его секций водовоздушного радиатора;

- конструктивными решениями, принятыми для упрощения конструкции блоков радиатора или увеличения теплоотвода от наддувочного воздуха на расчетном нормируемом режиме работы двигателя (при номинальной мощности и нормальных атмосферных условиях - температуре окружающей среды 20°С) с целью обеспечения необходимой экономичности.

4. Через выпоры, расширительный бак и подпиточные трубки контуров циркуляции охлаждающей жидкости двигателя происходит частичное смещение жидкости горячего и холодного контуров и, соответственно, перераспределение тепла в них. Причем количество смешиваемой жидкости и перераспределяемого тепла практически не поддается точному учету, так как зависит от большого числа факторов, на которые трудно оказать влияние, а именно количества проходных сечений и мест подключения выпоров к системе, проходных сечений подпиточных трубок, температур жидкости в выпорах и др. Изложенное приводит к нарушению расчетных теплорассеивающих способностей радиаторов и вследствие этого их фактические характеристики не будут соответствовать заданным.

Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя путем регулирования температур всех его теплоносителей и поддержании их на заданном уровне.

Технический результат достигается тем, что система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубками и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, вентиляторы не менее одного, систему управления и регулирования температур теплоносителей двигателя; горячий контур, включающий в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур, включающий охладители масла и наддувочного воздуха, второй циркуляционный насос и второй радиатор; горячий и холодный контуры циркуляции соединены между собой двумя межконтурными магистралями, первая из которых одним концом подключена к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим концом к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса, а вторая магистраль подключена одним концом к выходному патрубку второго радиатора и другим - к всасывающему патрубку первого циркуляционного насоса; контур охлаждения масла, включающий в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, каналы охлаждения масла охладителя и его входную магистраль с расположенным на нем терморегулятором и выходной патрубок, перепускную магистраль, подключенную одним концом к терморегулятору и другим - к выходному патрубку охладителя масла, снабжена регулятором, включенным в первую межконтурную магистраль для регулирования расхода жидкости из горячего контура в холодный и поддержания благодаря этому температуры жидкости холодного контура на заданном уровне, перегородкой, установленной в расширительный бак, разделяющей его на две полости соответственно для горячего и холодного контуров с подсоединенными к ним подпиточными трубками и выпорами, третьей межконтурной магистралью с термостатом, подключенной одним концом к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса, для регулирования по ней расхода жидкости из горячего контура в холодный и исключения благодаря этому превышения максимально допустимого уровня температуры жидкости горячего контура на выходе из двигателя.

Кроме того, регулятор, в зависимости от заданного диапазона его настройки по температуре жидкости холодного контура перед охладителем наддувочного воздуха, включенный в первую межконтурную магистраль, регулятор выполнен с изменяющимся (переменным) проходным сечением для всесезонного использования или с постоянным проходным сечением для сезонного использования, например, при температурах окружающей среды менее 0°С.

Поддержание температур на заданном уровне осуществляется:

жидкости горячего контура на выходе из двигателя - регулированием работы всех вентиляторов в соответствии с установленной настройкой системы автоматического регулирования температуры (САРТ) по этой температуре и расхода жидкости из горячего контура в холодный по третьей межконтурной магистрали в соответствии с настройкой термостата по максимальной температуре жидкости горячего контура,

жидкости холодного контура перед охладителем наддувочного воздуха - регулированием расхода жидкости из горячего контура в холодный по первой межконтурной магистрали регулятором в соответствии с его настройкой по этой температуре,

масла на выходе из двигателя - регулированием расхода масла через охладитель масла и перепускную магистраль терморегулятором в соответствии с его настройкой по этой температуре.

На чертеже представлена принципиальная схема системы охлаждения.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит горячий 1 и холодный 2 контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла 3, расширительный бак 4 с подпиточными трубками 5 и 6 и выпорами 7 и 8 соответственно горячего 1 и холодного 2 контуров, вентиляторы (не менее одного), систему управления и регулирования температур теплоносителей (САРТ) двигателя (на чертеже не показана); горячий контур 1 включает в себя полости охлаждения двигателя 9, первый циркуляционный насос 10, первый радиатор 11, холодный контур 2 включает охладители масла 12 и наддувочного воздуха 13, второй циркуляционный насос 14, второй радиатор 15; горячий 1 и холодный 2 контуры циркуляции соединены между собой тремя межконтурными магистралями соответственно первой 16, второй 17 и третьей 18, первая 16 из которых с включенным в нее регулятором 19 для регулирования расхода жидкости из горячего контура 1 в холодный контур 2 и поддержания благодаря этому температуры жидкости холодного контура на заданном уровне подключена одним концом к горячему контуру 1 между двигателем 9 и первым радиатором 11 и другим концом к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса 14, вторая магистраль 17, служащая для возврата жидкости из холодного контура 2 в горячий 1, подключена одним концом к выходному патрубку второго радиатора 15 и другим - к всасывающему патрубку первого циркуляционного насоса 10, третья магистраль 18 с включенным в нее термостатом 20 для регулирования по ней расхода охлаждающей жидкости из горячего контура 1 в холодный 2 и исключения благодаря этому превышения максимально допустимого уровня температуры жидкости горячего контура 1 на выходе из двигателя 9 подключена, как и первая магистраль 16, одним концом к горячему контуру 1 между двигателем 9 и первым радиатором 11 и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса 14; контур охлаждения масла 3 включает в себя масляный насос 21, масляные каналы двигателя 9, каналы охлаждения масла охладителя 12 и его входную магистраль 22 с расположенным на нем терморегулятором 23 и выходной патрубок 24, перепускную магистраль 25, подключенную одним концом к терморегулятору 23 и другим - к выходному патрубку 24 охладителя масла 12; расширительный бак 4, разделенный перегородкой 26 на две полости соответственно для горячего 1 и холодного 2 контуров с подсоединенными к ним соответствующими подпиточными трубками 5 и 6 и выпорами 7 и 8.

Включенный в первую межконтурную магистраль 16 регулятор 19 в зависимости от заданного диапазона его настройки по температуре жидкости холодного контура 2 перед охладителем наддувочного воздуха 13 выполнен с изменяющимся (переменным) проходным сечением для всесезонного использования или с постоянным проходным сечением для сезонного использования, например, при температуруах окружающей среды менее 0°С.

Система охлаждения работает следующим образом.

В режиме прогрева холодного двигателя при температуре жидкости горячего контура 1 t''_ГК на выходе из двигателя 9 ниже настройки системы регулирования, управляющей вентиляторами, последние не работают и, следовательно, не прокачивают охлаждающий воздух через радиаторы 11 и 15 обоих контуров, вследствие чего их теплоотводы минимальны. При этом регулятор 19 с изменяющейся в зависимости от заданной настройки его по температуре жидкости холодного контура 2 на входе в охладитель 13 наддувочного воздуха t'_ХК проходным сечением будет находиться в открытом положении; благодаря этому жидкость горячего контура 1 по первой межконтурной магистрали 16 поступает в холодный контур 2, а по второй межконтурной магистрали 17 - из холодного контура 2 в горячий 1, подогревая жидкостью горячего контура 1 жидкость холодного контура 2 и соответственно наддувочный воздух в охладителе 13.

При установке регулятора 19 с постоянным проходным сечением его проходное сечение будет открыто или закрыто в зависимости от сезона эксплуатации и соответственно этим будет определяться влияние температуры жидкости горячего контура 1 на холодный контур 2.

Температура масла t''_M на выходе двигателя 9 также ниже настройки терморегулятора 23 масляной системы 3, перепускная магистраль 25 полностью открыта, и масло циркулирует мимо охладителя 12, благодаря чему будет происходить ускоренный прогрев масла.

Термостат 20 на третьей межконтурной магистрали 18 перекрыт, исключая тем самым перетекание жидкости из горячего контура 1 по этой магистрали.

В режиме эксплуатации двигателя при его нормальном тепловом состоянии температура жидкости горячего контура 1 t''_ГК поддерживается в рабочем интервале настройки системы регулирования, управляющей вентиляторами, т.е. t^min _ГК,<t''_ГК<t^max _ГК, (где t^min _ГК, t^max _ГК, - установленные минимальное и максимальное значения температур настройки работы САРТ); вентиляторы работают на режиме, обеспечивающем прокачку через радиаторы 11 и 15 такого расхода охлаждающего воздуха, при котором теплорассеивающая способность горячего контура (Q_ГК) радиатора 11 горячего контура 1 полностью соответствует тепловыделению в жидкость (О_ЖД) двигателя 9 в горячий контур 1, т.е. О_ЖД=Q_ГК. Теплорассеивающая способность холодного контура (Q_ХК) радиатора 15 холодного контура 2 будет равна или больше тепловыделения двигателя 9 в жидкость холодного контура 2, т.е. Q_ХК≥Q_М+Q_НВ (меньше она не может быть, так как, во-первых, при мощности двигателя 9 меньшей номинальной тепловыделение его в масло (Q_М) и теплоотвод от наддувочного воздуха (Q_НВ) по сравнению со значениями при полной мощности уменьшатся в большей степени, чем тепловыделение Q_ГК двигателя 9 в воду горячего контура 1, по которой осуществляется работа вентиляторов, и, во-вторых, при любом снижении температуры окружающей среды относительное увеличение теплорассеивающей способности радиатора 15 холодного контура 2 больше горячего 1. Поэтому в холодном контуре 2 системы охлаждения возникает резерв теплорассеивающей способности, позволяющий увеличить глубину охлаждения наддувочного воздуха. Последнее будет способствовать повышению эффективности работы двигателя 9.

Температура масла t''_M на рассматриваемых режимах работы двигателя 9 будут поддерживаться на заданном уровне в соответствии с принятой настройкой терморегулятора 23 масляной системы 3 двигателя 9, обеспечивая необходимый расход масла через охладитель 12.

Термостат 20 третьей межконтурной магистрали 18 будет находиться в закрытом положении, исключая переток по ней жидкости из горячего контура 1 в холодный 2, обеспечивая тем самым наибольшую глубину охлаждения жидкости холодного контура 2.

В режиме эксплуатации при летних экстремальных условиях (полная мощность двигателя и максимальная температура окружающей среды) температура жидкости горячего контура 1 находится на максимально допустимом уровне: t''_ГК≅t^max _ЖД. Чтобы не допустить ее дальнейшего увеличения, термостат 20 третьей межконтурной магистрали 18 откроет ее проходное сечение. Благодаря этому по ней установится определенный расход жидкости из горячего контура 1 в холодный 2 и по второй межконтурной магистрали 17 такой же обратный переток - из холодного контура 2 в горячий 1. Взаимное смешение жидкости контуров с различными температурными уровнями приведет к сбросу части тепла из горячего контура 1 в холодный 2, что и исключит повышение температуры жидкости в горячем контуре 1 выше допустимого уровня.

Регулятор 19 первой межконтурной магистрали 16 при таких режимах работы будет полностью закрыт.

В режиме эксплуатации при отрицательных температурах окружающей среды температура жидкости горячего контура 1 t''_ГК поддерживается в рабочем интервале настройки системы регулирования t^min _ГК<t''_ГК<t^max _ГК работой вентиляторов на соответствующих режимах.

Температура жидкости холодного контура 2 перед охладителем наддувочного воздуха 13 t'_ХК поддерживается на заданном уровне в соответствии с настройкой регулятора 19 и расходом через него жидкости из горячего контура 1 в холодный 2.

Температура масла f''_M будет поддерживаться на заданном уровне в соответствии с принятой настройкой терморегулятора 23.

Таким образом, поддержание температур на заданном уровне осуществляется:

жидкости горячего контура на выходе из двигателя 9 - регулированием работы всех вентиляторов в соответствии с установленной настройкой САРТ по этой температуре и расхода жидкости из горячего контура 1 в холодный 2 по третьей межконтурной магистрали 18 в соответствии с настройкой термостата 20 по максимальной температуре жидкости горячего контура 1;

жидкости холодного контура 2 перед охладителем наддувочного воздуха 13 - регулированием расхода жидкости из горячего контура 1 в холодный 2 по первой межконтурной магистрали 16 регулятором 19 в соответствии с его настройкой по этой температуре;

масла на выходе из двигателя 9 - регулированием расхода масла через охладитель масла 12 и перепускную магистраль 25 с терморегулятором 23 в соответствии с его настройкой по этой температуре.

1. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубками и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, вентиляторы не менее одного, систему управления и регулирования температур теплоносителей двигателя, горячий контур, включающий в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур, включающий охладители масла и наддувочного воздуха, второй циркуляционный насос и второй радиатор, горячий и холодный контуры циркуляции соединены между собой двумя межконтурными магистралями, первая из которых одним концом подключена к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим концом к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса, а вторая магистраль подключена одним концом к выходному патрубку второго радиатора и другим - к всасывающему патрубку первого циркуляционного насоса, контур охлаждения масла, включающий в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, каналы охлаждения масла охладителя и его входную магистраль с расположенным на нем терморегулятором и выходной патрубок, перепускную магистраль, подключенную одним концом к терморегулятору и другим - к выходному патрубку охладителя масла, отличающаяся тем, что она снабжена регулятором, включенным в первую межконтурную магистраль для регулирования расхода жидкости из горячего контура в холодный и поддержания благодаря этому температуры жидкости холодного контура на заданном уровне; перегородкой, установленной в расширительный бак и разделяющей его на две полости соответственно для горячего и холодного контуров с подсоединенными к ним подпиточными трубками и выпорами; третьей межконтурной магистралью с термостатом, подключенной одним концом к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса для регулирования по ней расхода охлаждающей жидкости из горячего контура в холодный и исключения благодаря этому превышения максимально допустимого уровня температуры жидкости горячего контура на выходе из двигателя.

2. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающаяся тем, что регулятор в зависимости от заданного диапазона его настройки по температуре жидкости холодного контура перед охладителем наддувочного воздуха выполнен с изменяющимся проходным сечением для всесезонного использования или с постоянным проходным сечением для сезонного использования.