Система жидкостного охлаждения и прогрева двигателя внутреннего сгорания - RU2186229C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам охлаждения и подогрева двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее близким техническим решением настоящего изобретения является деаэрационная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания (US 3.255.740 кл. 123-10,09, 1966 г. ). Известная деаэрационная система охлаждения двигателя содержит рубашку охлаждения двигателя, радиатор с наливным бачком с двумя отверстиями и сливным бачком с одним отверстием, насос, средства соединения двигателя, радиатора и насоса для циркуляции охладителя внутри них, перепускной канал системы охлаждения радиатора с варьируемой порцией охладителя, средство для регулировки потока жидкости, выполненное в виде термостата. Известная деаэрационная система охлаждения двигателя постоянно обеспечивает зону в одном из бачков радиатора для удаления воздуха или газов из охладителя независимо от того, выступает ли термостат перепускным каналам системы охлаждения (байпасам) радиатора.

Недостатками известной деаэрационной системы охлаждения двигателя является наличие большого числа соединений рабочих узлов системы охлаждения ДВС, вызванное установкой средства управления потоками жидкости в разрыв трубопроводов, что снижает надежность системы охлаждения. Так же выполнение средства управления потоками жидкости в виде термостата дополнительно снижает надежность системы охлаждения и не позволяет проводить унификацию узлов системы охлаждения для разных типов и размеров двигателей.

Техническим результатом изобретения является разработка максимально компактной и надежной системы охлаждения путем уменьшения количества соединений, эффективный предпусковой прогрев системы охлаждения до ее рабочей температуры и систем смазки и выпуска двигателя внутреннего сгорания, возможность дифференцированной установки рабочей температуры двигателя в зависимости от нагрузки на него в данный момент и обеспечение унификации компонентов системы охлаждения.

Технический результат достигается тем, что в системе жидкостного охлаждения и прогрева ДВС, содержащей рубашку охлаждения двигателя, радиатор с наливным бачком с двумя отверстиями и сливным бачком с одним отверстием, насос, подводящий и отводящий каналы системы охлаждения, связывающие двигатель, радиатор, обводной канал, горячий и холодный контуры для циркуляции охлаждающей жидкости, средство управления потоками жидкости, согласно изобретению, система дополнительно снабжена электронным блоком управления температурой, устройством электроввода для связи электронного блока управления температурой с внешним источником питания, панелью управления электронным блоком, расположенной в салоне автомобиля, подогревателем масла, расположенным в поддоне двигателя, выполненным в виде поверхностно-распределительного термозависимого электронагревателя и связанным с электронным блоком управления температурой, подогревателем катализатора, расположенным на катализаторе и выполненным в виде поверхностно-распределительного термозависимого электронагревателя, связанным с электронным блоком управления температурой, устройством подогрева охлаждающей жидкости, выполненным в виде электронагревательного элемента, расположенного в корпусе обводного канала, при этом обводной канал выполнен в виде корпусной детали, закрепленной на сливном и наливном бачках радиатора, и имеет обратный клапан, смонтированный со стороны наливного бачка, и выходной патрубок, расположенный снаружи в точке пересечения обводного и охлаждающего каналов, качающейся заслонкой с электроприводом, управляющей потоками жидкости, установленной в районе выходного патрубка внутри корпуса обводного канала с возможностью ее поворота и выполненной в виде сегмента круга, имеющего некоторую толщину, со сквозным отверстием в точке, откуда очерчивается радиус дуги сегмента, при этом качающаяся заслонка закреплена на валу одним своим концом, установленным внутри корпуса обводного канала, а другим - выходящим наружу, где на нем закреплен зубчатый сектор, между зубчатым сектором и держателем, установленным на корпусе обводного канала, смонтирована возвратная пружина, электропривод выполнен в виде электродвигателя с потенциометром, смонтированным на его валу с одной стороны и с приводной шестерней, расположенной на другом его конце, причем приводная шестерня находится в постоянном зацеплении с зубчатым сектором.

Технический результат достигается также тем, что поверхностно-распределительные термозависимые электронагреватели могут быть выполнены в виде трубчатых электронагревательных элементов.

Технический результат достигается также тем, что электронагревательный элемент охлаждающей жидкости выполнен в виде теплообменника.

Технический результат достигается также тем, что электропривод выполнен с термочувствительным элементом.

Технический результат достигается также тем, что в качестве электродвигателя может быть использован шаговый двигатель.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрогидравлическая схема системы жидкостного охлаждения и прогрева двигателя внутреннего сгорания.

На фиг.2 изображена качающаяся заслонка, установленная в корпусе обводного канала, продольный разрез.

На фиг.3 изображен корпус обводного канала со смонтированным на нем приводом качающейся заслонки, вид сбоку.

На фиг.4 изображен корпус обводного канала с установленным на нем приводом качающейся заслонки, вид сзади.

Система жидкостного охлаждения и прогрева ДВС содержит рубашку охлаждения двигателя 1, отводящий канал 2, связывающий двигатель и радиатор 3, наливной бачок 4, сливной бачок 5, обратный клапан 6, установленный на выходе из наливного бачка 4, корпус 7 обводного канала, смонтированный между обратным клапаном 6 и сливным бачком 5, электропривод 8 средства управления потоками жидкости, установленный на корпусе 7 обводного канала, устройство подогрева охлаждающей жидкости 9, смонтированное внутри корпуса 7 обводного канала и выполненное в виде электронагревательного элемента, выходной патрубок 10, расположенный на корпусе 7 обводного канала и являющийся общим выходом для канала охлаждения и обводного канала. При этом следует отметить, что корпус 7 обводного канала с установленными внутри него устройством подогрева охлаждающей жидкости 9 и обратным клапаном 6 на входе позволяет получить полновесную конструкцию предпускового электронагревателя с направленной термосифонной циркуляцией, охлаждающей жидкости по системе охлаждения (фиг. 1). И в этом случае корпус 7 обводного канала выполняет еще одну функцию: он является корпусом предпускового электроподогревателя охлаждающей жидкости, что в конечном итоге позволяет повысить компактность системы охлаждения.

Подводящий канал 11 системы охлаждения связывает выходной патрубок 10 с всасывающей стороной насоса 12, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости (ОЖ) по системе охлаждения. Датчик температуры ОЖ 13, датчик положения дроссельной заслонки 14, подогреватель масла 15, расположенный в поддоне двигателя и выполненный в виде термозависимого электронагревателя, подогреватель катализатора 16, расположенный на катализаторе и выполненный в виде термозависимого электронагревателя, электронный блок управления температурой 17 (ЭБУТ), панель управления климатической установкой 18, расположенную внутри салона и связанную с ЭБУТ 17, устройство электроввода 20, служащие для подключения ЭБУТ 17 к внешнему источнику питания, выполненное в виде розетки (фиг.1).

Кроме того, ЭБУТ 17 также связан с электроприводом 8, с которого электронный блок как получает данные, так и выдает на него управляющие команды. С датчиков 13 и 14 ЭБУТ 17 получает данные соответственно о температуре и нагрузке на двигатель, элементами 9, 15, 16 и приводом вентилятора принудительного обдува радиатора (не показан) управляет.

Причем с панели управления климатической установкой 18 можно вносить изменения в работу и/или соответствующим образом программировать ЭБУТ 17.

К тому же ЭБУТ 17 в данной системе следит не только за поддержанием заложенных в него параметров, в частности, температуры ОЖ, но он сам и определяет рабочую температуру двигателя, исходя из нагрузки на него в данный момент. Для чего в системе предусмотрен датчик 14.

Использование ЭБУТ 17 в сочетании с управляемым электроприводом 8 средства управления потоками жидкости делает данную конструкцию обводного канала, выполненную согласно изобретению, универсальной и гибкой, а потому подходящей разным типам и типоразмерам двигателей, так как установка рабочих параметров осуществляется на уровне ЭБУТ. Поэтому достаточно выпускать несколько типоразмеров корпусов данного обводного канала и при этом покрыть все необходимые конфигурации систем охлаждения. То есть налицо широкая унификация изделия, которая ведет к снижению его себестоимости и снижению стоимости всей системы охлаждения в целом.

Система жидкостного охлаждения и прогрева двигателя внутреннего сгорания содержит также канал охлаждения 21, который проходит из наливного бачка 4, через сердцевину радиатора 3 в сливной бачок 5 и далее по внутренней полости корпуса 7, обводной канал 22, проходящий по внутренней полости корпуса 7, средство управления потоками жидкости, выполненное в виде качающейся заслонки 23, установленной внутри корпуса 7 в районе пересечения обводного 22 и охлаждающего 21 каналов. Качающаяся заслонка 23 представляет собой сегмент круга, имеющего некоторую толщину, в поперечном разрезе, достаточную для свободного движения жидкости. Угол поворота заслонки зависит от угла, под которым пересекаются каналы 21 и 22, точка пересечения этих каналов является местом установки выходного патрубка 10, который к тому же может устанавливаться под любым углом относительно этой точки, что расширяет возможности компоновки при разработке промышленных образцов. Заслонка 23 имеет сквозное отверстие, расположенное в точке, откуда расчерчивается радиус дуги сегмента, для установки на валу 24, который одним своим концом установлен внутри корпуса 7, а другим выходит наружу, где на нем закреплен зубчатый сектор 25 (фиг.2,4). Качающаяся заслонка 23 и зубчатый сектор 25 жестко фиксируются на валу 24 в определенном положении друг относительно друга. Приводная шестерня 26 устанавливается на оси электропривода 8 и находится в постоянном зацеплении с зубчатым сектором 25, возвратная пружина 27 монтируется между зубчатым сектором 25 и держателем 28 так, чтобы при неработающем электроприводе 8 качающаяся заслонка 23 находилась в положении, при котором она полностью закрывает обводной канал 22 и полностью открывает канал охлаждения 21. Это сделано с целью недопущения перегрева двигателя при выходе из строя либо электропривода 8, либо ЭБУТ 17, так как в этом случае благодаря наличию возвратной пружины 27 всегда остается открытым только горячий контур системы охлаждения, а значит, ОЖ всегда будет циркулировать через радиатор. Защитный кожух 29 закреплен на корпусе 7 со стороны приводной шестерни 26 и зубчатого сектора 25. Электропривод 8 выполнен в виде электродвигателя 30 с потенциомером 31. Причем электродвигатель может быть шаговым и устанавливающимся на корпусе 7 с возможностью его съема. Электродвигатель 30 и потенциомер 31 связаны с ЭБУТ 17, при этом электродвигатель 30 получает команды с ЭБУТ 17 и с помощью приводной шестерни 26 и зубчатого сектора 25 поворачивает заслонку 23 на угол, затребованный ЭБУТ, или до упора заслонки 23 о стенку корпуса 7, после чего она фиксируется в данном положении за счет электродвигателя 30. Потенциомер 31 выдает данные на ЭБУТ 17 о повороте качающейся заслонки 23 в пространстве, так как потенциомер 31 установлен на электродвигателе 30 и связан с его валом.

Система жидкостного охлаждения и прогрева ДВС работает следующим образом.

Данная система, согласно изобретению, при работе в определенных режимах предусматривает наличие внешнего источника питания и лишь в этом случае обеспечивает полный и эффективный прогрев всех заявленных систем двигателя. Поэтому описание работы данной системы охлаждения для этих режимов сделано с учетом наличия внешнего источника тока. При этом следует отметить, что отсутствие внешнего источника питания никак не сказывается на таких характеристиках данной системы, как компактность и надежность.

Для более лучшего понимания работы всей системы охлаждения в целом сначала рассмотрим более детально работу качающейся заслонки 23, которая управляет потоками жидкости, циркулирующими в холодном и горячем контурах системы охлаждения (фиг.2,3,4). Конструктивно привод качающейся заслонки 23 выполнен таким образом, что при отсутствии управляющего сигнала на электродвигателе 30 она находится в крайнем положении для верхней границы температуры охлаждающей жидкости, при котором весь объем ОЖ проходит через радиатор 3, то есть система охлаждения в данном случае - открыт горячий контур - работает с максимальной своей эффективностью. При переводе заслонки 23 в другое крайнее положении она оказывается в позиции низкого уровня температуры, при этом весь объем ОЖ, попадая в наливной бачок 4, проходит через корпус 7 обводного канала и далее к всасывающей стороне насоса (фиг.2). В данном случае ОЖ двигается по холодному контуру системы охлаждения. Между этими двумя положениями предусмотрена область перехода, когда качающаяся заслонка 23, изменяя проходное сечение обводного и охлаждающего каналов, регулирует количество ОЖ, проходящей по этим каналам. Качающаяся заслонка посредством электропривода 8 управляется ЭБУТ 17. Поэтому при подаче управляющего сигнала на электродвигатель 30 он вращает заслонку 23, которая меняет проходное сечение каналов 21 и 22, добиваясь такого соотношения между ними, которое соответствует рабочей температуре двигателя. По достижении такой позиции ЭБУТ 17 выдает команду на электродвигатель 30, с помощью которого качающаяся заслонка 23 фиксируется в данном положении, поддерживая постоянство температуры ОЖ. Перед пуском холодного двигателя, согласно изобретению, данная система предусматривает прогрев некоторых систем двигателя с целью облегчения его запуска и снижения вредных выбросов в атмосферу на прогревочных режимах. Для этого в устройство электроввода 20 устанавливают штекер от внешнего источника питания, тем самым подав напряжение на ЭБУТ 17. При этом следует отметить, что данная система допускает несколько вариантов работы предпусковых электроподогревателей, например, режим подогрева "экстренный" и режим подогрева "таймер".

Режим "таймер" предусматривает предварительную установку в устройстве электроввода 20 штекера внешнего источника питания, то есть по идее изобретения всегда между длительными стоянками автомобиль должен подключаться к внешнему источнику питания. После чего с панели 18 включают режим "таймер" и вводят некоторые данные в память ЭБУТ 17, например такие, как дату и время следующего использования автомобиля. Это удобно для тех, кто постоянно пользуется автомобилем в одно и то же время, так как к моменту их прихода двигатель автомобиля будет полностью прогрет.

На непредвиденные случаи можно предусмотреть возможность автоматического отключения всей системы, если автомобилем не пользовались в определенный промежуток времени, для исключения перерасхода электроэнергии. К тому же в этом режиме система функционирует с максимальной эффективностью, то есть более плавный и полный прогрев с максимальным К.П.Д. с целью снижения потребляемой электроэнергии.

Режим "экстренный" предусматривает установку в устройстве электроввода 20 штекера внешнего источника питания непосредственно перед использованием автомобиля. После чего с панели управления 18 включают режим "экстренный", при котором осуществляется максимально быстрый прогрев систем двигателя до их рабочих параметров. Здесь следует отметить тот факт, что в данной работе не рассматриваются конструкции внешних источников питания и схемы оплаты за использованную электроэнергию, так как это не влияет на работу заявленной системы.

Для осуществления прогрева ЭБУТ 17 выдает управляющую команду на электропривод 8 и подает напряжение на электронагревательный элемент 9 и на термозависимые электронагреватели масла 15 и катализатора 16. Так же, если включен режим прогрева "таймер", осуществляет разрядку аккумуляторной батареи 19 на те же потребители - электронагревательный элемент 9 и на электронагреватели 15 и 16. После определенной разрядки аккумуляторной батареи 19 ЭБУТ 17 подает напряжение для ее зарядки, тем самым достигается тренировочный цикл разрядка-зарядка с целью прогрева аккумуляторной батареи, а так как прогретая аккумуляторная батарея способна работать с большими К.П. Д. , то такая схема позволяет использовать аккумуляторные батареи малой мощности, что соответственно снижает затраты как на их производство, так и на их утилизацию.

Электропривод 8 по требованию ЭБУТ 17 переводит качающуюся заслонку 23 из одного крайнего положения в другое, при котором полностью открыт канал 22 холодного контура системы охлаждения, то есть ОЖ идет внутри корпуса 7. При подаче напряжения на электронагревательный элемент 9 происходит нагрев охлаждающей жидкости во внутренней полости корпуса 7. В начальный период прогрева за счет повышения температуры жидкости происходит повышение давления во внутренней полости корпуса 7. Обратный клапан 6 перекрывает поступление охлаждающей жидкости в наливной бачок 4, и жидкость, находящаяся внутри корпуса 7, по мере ее прогрева и расширения, направляется в выходной патрубок 10 и далее в подводящий канал 11. В полости корпуса 7 образуется пониженное давление, и жидкость начинает поступать во внутреннюю полость корпуса 7 через открытый обратный канал 6 из наливного бачка 4. В результате устанавливается направленная термосифонная циркуляция охлаждающей жидкости через рубашку охлаждения двигателя по холодному контуру системы охлаждения. В данном случае корпус 7 обводного канала является еще и корпусом предпускового электронагревателя. При достижении заданной температуры охлаждающей жидкости, например рабочей, ЭБУТ 17 по сигналу с датчика 13 обесточивает электронагревательный элемент 9. Также при достижении заданной температуры ЭБУТ 17 обесточиваются термозависимые электронагреватели масла 15 и катализатора 16. В случае падения температуры в подконтрольных системах ниже определенного уровня ЭБУТ 17 вновь подает напряжение на элементы 9, 15 и 16, тем самым поддерживая необходимую температуру в определенном временном интервале.

Перед тем как запустить двигатель из устройства электроввода 20, удаляют штекер внешнего источника питания. При запуске двигателя охлаждающая жидкость начинает циркулировать с помощью насоса 12 по холодному контуру системы охлаждения. Это обусловлено тем, что после прогрева системы охлаждения ЭБУТ 17 посредством электропривода 8 продолжает удерживать качающуюся заслонку 23 в положении низкого уровня температуры (см. режим сохранения тепла). Однако с запуском двигателя, ЭБУТ 17 начинает работать в режиме охлаждения и поддержания рабочей температуры. Поэтому, замерив температуру охлаждающей жидкости с помощью датчика 13, ЭБУТ 17 выдает команду на электродвигатель 30 для соответствующего поворота заслонки 23, то есть для поддержания рабочей температуры двигателя. В свою очередь рабочая температура двигателя зависит от показаний датчика 14, который выдает данные на ЭБУТ 17 о нагруженности двигателя в данный момент. И уже ЭБУТ 17, обрабатывая полученные данные, сам устанавливает рабочую температуру двигателя, оптимальную для его работы.

То есть данная система лишена недостатка, присущего механическим термостатам с термочувствительным наполнителем, как настройка на одну фиксированную величину, не учитывающую нагруженности двигателя. Электронный блок данной системы может понизить температуру двигателя, когда он работает с максимальной нагрузкой, и напротив он может поднять до разрешенного максимума температуру двигателя при работе с частичной нагрузкой. То есть в данном случае налицо дифференцированная установка рабочей температуры в зависимости от нагрузки на двигатель.

В случае резкого роста температуры в системе охлаждения ЭБУТ 17 переводит заслонку 23 в положение, когда открыт горячий контур системы охлаждения. Вся охлаждающая жидкость проходит сквозь радиатор 3, и, если этого оказывается недостаточно, ЭБУТ 17 включает привод вентилятора принудительного обдува радиатора (не показан), который работает до тех пор, пока температура не снизится до определенного уровня.

После остановки двигателя, а так же на режиме прогрева ЭБУТ 17 переключается в режим сохранения тепла. Необходимость этого режима обусловлена конструктивными особенностями средства управления потоков жидкости, а именно после обесточивания электропривода 8 заслонка 23 открывает горячий контур, в связи с чем охлаждающая жидкость быстро остывает в радиаторе 3, попадает в сливной бачок 5 и оттуда по каналу 21 в выходной патрубок 10. Далее по подводящему каналу 11 в рубашку охлаждения двигателя 1, тогда как охлаждающая жидкость из двигателя 1 по отводящему каналу 2 попадает в наливной бачок 3. То есть в данном случае имеет место термосифонная циркуляция, которая приводит к быстрой потере тепла двигателя. Такая ситуация не приемлема как с точки зрения эксплуатации двигателя, так и с точки зрения комфорта эксплуатации автомобиля в целом. В связи с этим ЭБУТ 17 непосредственно после остановки двигателя обесточивает электродвигатель 30 и заслонка 23 открывает горячий контур. ЭБУТ 17 с помощью датчика 13 контролирует тепловое состояние двигателя и в случае роста температуры включает привод принудительного обдува радиатора 3 (условно не показан). Такой рост температуры обусловлен прекращением циркуляции ОЖ по системе охлаждения. Но после того, как температура в системе охлаждения снизится на 3-5^oС ниже рабочей температуры двигателя, ЭБУТ 17 выдает команду на электродвигатель 30, который переводит заслонку 23 в другое крайнее положение, при котором открыт холодный контур. ОЖ не имеет возможности резко охлаждаться, а значит, не может возникнуть разность температур в двух точках системы охлаждения, достаточная для термосифонной циркуляции. Однако в связи с тем, что для удержания качающейся заслонки 23 электродвигателю 30 необходима электроэнергия, то с целью недопущения разряда аккумуляторной батареи 19 такое состояние качающейся заслонки 23 сохраняется лишь до тех пор, пока температура в системе охлаждения не упадет до 40-30^oС, после чего ЭБУТ 17 обесточивает электродвигатель 30 и заслонка 23 под действием возвратной пружины 27 оказывается в положении для верхней границы температуры охлаждающей жидкости.

Система жидкостного охлаждения и прогрева ДВС, согласно настоящему изобретению, позволяет получить достаточно компактную и надежную систему охлаждения ввиду малого количества внешних каналов и их соединений соответственно, а так же позволяет прогревать важнейшие системы двигателя, что в сою очередь ведет к повышению долговечности двигателя и снижению вредных выбросов на прогревочных режимах.

Реферат

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в системах охлаждения и прогрева двигателей. Техническим результатом является повышение эффективности прогрева двигателя при упрощении конструкции системы. Сущность изобретения заключается в том, что система содержит радиатор с наливным и сливным бачками, обводной канал, горячий и холодный контуры для циркуляции охлаждающей жидкости, электронный блок управления температурой, подогреватель масла, расположенный в поддоне, подогреватель катализатора и устройство подогрева охлаждающей жидкости, расположенное в корпусе обводного канала. Обводной канал выполнен в виде корпусной детали, закрепленной на сливном и наливном бачках радиатора, и имеет обратный клапан, смонтированный со стороны наливного бачка. Качающаяся заслонка с электроприводом, управляющая потоками жидкости, установлена в районе выходного патрубка внутри корпуса обводного канала с возможностью ее поворота. Электропривод выполнен в виде электродвигателя с потенциометром, смонтированным на его валу с одной стороны, и с приводной шестерней, расположенной на другом его конце, причем приводная шестерня находится в постоянном зацеплении с зубчатым сектором качающейся заслонки. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула