RU2165027C1 - Internal combustion engine cooling-heating system - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: system has cooling liquid internal circulation circuit including engine cooling spaces, three-way cock with stopper rotation drive, liquid-to-liquid heat exchanger and circulating pump. System is provided also with external circulation circuit of cooling agent connected to internal circuit through liquid-to-liquid heat exchanger. Cooling liquid temperature transmitter is installed in cooling liquid internal circulation circuit between engine cooling spaces and three-way cock. Temperature transmitter is connected through electronic temperature control unit to three-way cock stopper rotation drive. Heat recovery boiler is installed on engine exhaust pipe. Internal circuit has additional heat exchanger located between three-way cock and connected with heat recovery boiler through circulating pump. EFFECT: stabilization of cooling liquid temperature at all operating duties of engine at changes of ambient air temperatures. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам охлаждения-подогрева двигателей внутреннего сгорания, и может быть использован на транспортных установках, преимущественно судах, тепловозах, оборудованных дизелями, эксплуатирующихся в холодное время года и в северных районах, для стабилизации температуры охлаждающей жидкости во всем диапазоне режимов работы двигателя. The invention relates to engine building, in particular to cooling-heating systems for internal combustion engines, and can be used in transport installations, mainly ships, diesel locomotives equipped with diesel engines operating in the cold season and in the northern regions, to stabilize the temperature of the coolant in the entire range engine operating modes.

Известны системы охлаждения, обеспечивающие стабилизацию температуры охлаждающей жидкости во всем диапазоне режимов работы двигателя в условиях низких температур. Такие системы, как правило, содержат внутренний контур и внешний "теплый" контур [1]. Known cooling systems for stabilizing the temperature of the coolant in the entire range of engine operating conditions at low temperatures. Such systems, as a rule, contain an internal circuit and an external “warm” circuit [1].

"Теплый контур" содержит тепловой аккумулятор и снабжен теплонагревательными элементами. Недостатками этой системы является ее большая инерционность и неэффективность работы теплового аккумулятора - нагревательные элементы потребляют значительную электроэнергию. The "warm circuit" contains a heat accumulator and is equipped with heat-heating elements. The disadvantages of this system are its large inertia and the inefficiency of the heat accumulator - the heating elements consume significant electricity.

Известно также устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок [2]. Однако в этом устройстве подогрев охлаждающей жидкости не предусмотрен. It is also known a device for controlling the temperature of the coolant of an internal combustion engine with a turbocharger having a gas exhaust pipe [2]. However, this device does not provide heating coolant.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является "Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания" [3]. Система охлаждения содержит внутренний и внешний контуры, соединенные между собой жидкостно-жидкостным теплообменником. В теплообменнике установлен термоэлектрический охладитель-нагреватель. Кроме того во внутреннем контуре установлены электрический датчик температуры, электронный блок регулирования температуры и трехходовой кран с электрическим приводом. Недостатком данного прототипа является дороговизна термоэлектрического охладителя-нагревателя и потребление значительной электроэнергии. The closest technical solution (prototype) is the "Cooling system of an internal combustion engine" [3]. The cooling system contains internal and external circuits interconnected by a liquid-liquid heat exchanger. A thermoelectric cooler-heater is installed in the heat exchanger. In addition, an internal temperature sensor, an electronic temperature control unit and a three-way valve with an electric drive are installed in the internal circuit. The disadvantage of this prototype is the high cost of the thermoelectric cooler-heater and the consumption of significant electricity.

Заявляемое изобретение решает задачу создания системы охлаждения-подогрева двигателя при изменении температуры окружающей среды на всех режимах его работы. Техническим результатом, достигаемым при этом, является стабилизация температуры охлаждающей жидкости на холостом ходу, при понижении или повышении температуры окружающей среды. The claimed invention solves the problem of creating a cooling-heating engine when the ambient temperature changes in all modes of operation. The technical result achieved in this case is the stabilization of the temperature of the coolant at idle, with a decrease or increase in ambient temperature.

Этот технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе охлаждения-подогрева двигателя, содержащей внутренний, внешний контуры, внутренний контур соединен через трехходовой кран, связанный с электродвигателем с дополнительным теплообменником, подключенным к утилизационному котлу двигателя. This technical result is achieved by the fact that in the proposed engine cooling-heating system containing internal, external circuits, the internal circuit is connected via a three-way valve connected to the electric motor with an additional heat exchanger connected to the recovery boiler of the engine.

На чертеже представлена схема системы охлаждения-подогрева двигателя. Система содержит внутренний контур А охлаждения двигателя, состоящий из полостей охлаждения двигателя 1, циркуляционного насоса 2, жидкостно-жидкостного теплообменника 3, терморегулятора 4, электрического датчика температуры 5, трехходового крана 6, соединенного при помощи механической связи 7 с электродвигателем 8 вращения пробки. Трехходовой кран 6 соединен с датчиком температуры 5 при помощи канала 9, а с терморегулятором 4 - канала 10. Система может содержать также терморегулятор 4, подключенный к каналу 11, соединенному с полостями охлаждения двигателя 1 и к каналу 12, подсоединенному к теплообменнику 3. Терморегулятор 4 прямого действия выполнен так, что в зависимости от температуры охлаждающей жидкости пропускает ее по каналу 11 (при заданной температуре жидкости) или через теплообменник 3 (в случае необходимости понижения температуры) в разном количестве. Например, он может быть выполнен в виде трехходового крана, работающего с использованием легкокипящей жидкости. The drawing shows a diagram of a cooling-heating engine. The system contains an internal engine cooling circuit A, consisting of cooling cavities of engine 1, circulation pump 2, liquid-liquid heat exchanger 3, temperature regulator 4, electric temperature sensor 5, three-way valve 6, connected by mechanical connection 7 to electric motor 8 of rotation of the tube. The three-way valve 6 is connected to the temperature sensor 5 via channel 9, and to the temperature controller 4 - channel 10. The system may also include a temperature controller 4 connected to channel 11 connected to the cooling cavities of engine 1 and to channel 12 connected to heat exchanger 3. Temperature controller 4 direct action is made so that, depending on the temperature of the coolant, it passes it through the channel 11 (at a given temperature of the liquid) or through the heat exchanger 3 (if necessary, lower the temperature) in different quantities. For example, it can be made in the form of a three-way valve, using low-boiling liquid.

Внутренний контур А содержит дополнительный теплообменник 13, подсоединенный при помощи каналов 14, 15 к невозвратному клапану 16. Теплообменник 13 связан с утилизационным котлом 17, установленным на выхлопной трубе (не показана) двигателя 1 при помощи каналов 18, 19 через насос 20. Датчик температуры 5 внутреннего контура А подключен к электронному блоку регулирования температуры 21, задающему оптимальную температуру, например 75^oC, который соединен с электродвигателем 8. Необходимость поддержания оптимальной температуры T_охл.ж.=75^oC на всех режимах работы дизеля связана с увеличением экономичности работы двигателя, так для дизеля ПД1М на холостом ходу увеличение температуры охлаждающей жидкости от 50^oC до 80^oC ведет к уменьшению расхода топлива в среднем на 15% [4, стр. 8].The inner circuit A contains an additional heat exchanger 13 connected via channels 14, 15 to the non-return valve 16. The heat exchanger 13 is connected to a recovery boiler 17 mounted on the exhaust pipe (not shown) of the engine 1 via channels 18, 19 through the pump 20. Temperature sensor 5 of the inner circuit A is connected to an electronic temperature control unit 21 that sets the optimum temperature, for example 75 ^o C, which is connected to the electric motor 8. The need to maintain the optimum temperature T _cool. = 75 ^o C in all modes of operation of the diesel engine is associated with an increase in the efficiency of the engine, so for the PD1M diesel at idle, an increase in coolant temperature from 50 ^o C to 80 ^o C leads to a decrease in fuel consumption by an average of 15% [4, p. 8].

К теплообменнику 3 подключен внешний контур Б, состоящий из кингстона 22, циркуляционного насоса 23 и системы трубопроводов. An external circuit B is connected to the heat exchanger 3, consisting of Kingston 22, a circulation pump 23 and a piping system.

Трехходовой кран 6 с помощью электродвигателя 8 может осуществлять три режима:
Режим N 1. Весь поток охлаждающей жидкости проходит из канала 9 в канал 14.Three-way valve 6 using an electric motor 8 can carry out three modes:
Mode N 1. The entire flow of coolant passes from channel 9 to channel 14.

Режим N 2. Часть потока охлаждающей жидкости из полости 9 проходит в канал 10, остальная часть - в канал 14. При этом количество охлаждающей жидкости, проходящей по каналам 10, 14, регулируется в релейно-импульсном режиме в зависимости от температуры охлаждающей жидкости внутреннего контура А [2]. Mode N 2. Part of the flow of coolant from cavity 9 passes into channel 10, the rest into channel 14. At the same time, the amount of coolant passing through channels 10, 14 is regulated in a relay-pulse mode depending on the temperature of the coolant in the internal circuit A [2].

Режим N 3. Весь поток охлаждающей жидкости проходит из канала 9 в канал 10. Mode N 3. The entire flow of coolant passes from channel 9 to channel 10.

Система охлаждения-подогрева двигателя работает следующим образом. После запуска двигателя во внутреннем контуре А под действием циркуляционного насоса 2 охлаждающая жидкость поступает в полости охлаждения двигателя 1, где происходит теплообмен, при этом поддерживается оптимальная температура двигателя, включается циркуляционный насос 23 внешнего контура Б, забортная вода из кингстона 22 поступает в теплообменник 3, где происходит теплообмен между охлаждающей жидкостью внутреннего контура А и охлаждающей жидкостью внешнего контура Б. Одновременно начинает работать утилизационный котел 17, установленный на выхлопной трубе, тепло которого в виде горячей воды (или насыщенного пара) поступает по каналу 18 в теплообменник 13, подогревает охлаждающую жидкость внутреннего контура А до номинального значения (75^oC) и в виде конденсата по каналу 19 через насос 20 возвращается обратно в утилизационный котел 17. Датчик температуры 5 электрически связан с электронным блоком управления 21, который подключен к электродвигателю 8.The cooling-heating engine operates as follows. After starting the engine in the inner circuit A, under the action of the circulation pump 2, the coolant enters the cooling cavity of the engine 1, where the heat exchange takes place, while the optimum temperature of the engine is maintained, the circulation pump 23 of the external circuit B is turned on, the seawater from kingston 22 enters the heat exchanger 3, where there is heat exchange between the coolant of the internal circuit A and the coolant of the external circuit B. At the same time, the recovery boiler 17 starts to work, installed th on the exhaust pipe, the heat of which in the form of hot water (or saturated steam) enters through the channel 18 to the heat exchanger 13, heats the coolant of the internal circuit A to the nominal value (75 ^o C) and returns back in the form of condensate through the channel 19 through the pump 20 to the recovery boiler 17. The temperature sensor 5 is electrically connected to the electronic control unit 21, which is connected to the electric motor 8.

В зависимости от нагрузки двигателя происходит автоматическое регулирование температуры охлаждающей жидкости внутреннего контура А следующим образом. Depending on the engine load, the temperature of the coolant of the internal circuit A is automatically controlled as follows.

Датчик температуры 5 подает сигнал в электронный блок регулирования температуры 21, который управляет работой электродвигателя 8:
1. Если, например, T_охл.ж. ≤75^oC, то электродвигатель 8 поворачивает трехходовой кран 6 до положения "Режим N 1", тогда охлаждающая жидкость внутреннего контура А из двигателя 1 через канал 9, трехходовой кран 6, канал 14 поступает в теплообменник 13, подогревается до оптимального значения и через канал 15, невозвратный клапан 16 насосом 2 направляется в полости двигателя 1.The temperature sensor 5 supplies a signal to the electronic temperature control unit 21, which controls the operation of the electric motor 8:
1. If, for example, T _cool. ≤75 ^o C, then the electric motor 8 turns the three-way valve 6 to the "Mode N 1" position, then the coolant of the internal circuit A from the engine 1 through channel 9, the three-way valve 6, channel 14 enters the heat exchanger 13, is heated to the optimum value and through channel 15, the non-return valve 16 by the pump 2 is sent to the cavity of the engine 1.

2. Если, например, T_охл.ж.≥ 75^oC, то электродвигатель 8 поворачивает трехходовой кран до положения "Режим N 2", тогда часть потока охлаждающей жидкости из канала 9 через трехходовой кран 6 проходит в канал 10, остальная часть - в канал 14. При этом количество проходящей охлаждающей жидкости по каналам 10,14 регулируется в релейно-импульсном режиме в зависимости от температуры охлаждающей жидкости внутреннего контура А. Начинает работать терморегулятор 4, который поток охлаждающей жидкости, проходящей через канал 10, направляет по каналу 11 в насос 2. Остальная часть охлаждающей жидкости подогревается в теплообменнике 13 и по каналу 15 поступает в насос 2, где перемешивается с потоком, выходящим из канала 11 и подогретый до оптимального значения поток охлаждающей жидкости внутреннего контура А подается в полости охлаждения двигателя 1.2. If, for example, T _cool. ≥ 75 ^o C, then the electric motor 8 turns the three-way valve to the "Mode N 2" position, then part of the coolant flow from channel 9 through the three-way valve 6 passes to channel 10, the rest to channel 14. The amount of coolant passing through channels 10,14 is regulated in a relay-pulse mode depending on the temperature of the coolant in the internal circuit A. The temperature regulator 4 starts to work, which directs the flow of coolant passing through channel 10 through channel 11 to pump 2. The rest of the cooling the liquid is heated in the heat exchanger 13 and enters the pump 2 through the channel 15, where it is mixed with the flow exiting the channel 11 and the coolant flow of the inner circuit A, heated to the optimum value, is supplied to the cooling cavity of the engine 1.

3. Если, например, T_охл.ж.≥ 80^oC, то срабатывает "Режим N 3", и весь поток охлаждающей жидкости внутреннего контура А проходит из канала 9 через трехходовой кран 4 в канал 10. Терморегулятор 4 часть потока жидкости направляет по каналу 11 на перепуск в насос 2, а часть потока жидкости направляется по каналу 12 в теплообменник 3, где охлаждающая жидкость внутреннего контура А охлаждается забортной водой внешнего контура Б и направляется в насос 2, где два потока перемешиваются и охлаждающая жидкость внутреннего контура А с оптимальной температурой подается в полости охлаждения двигателя 1.3. If, for example, T _cool. ≥ 80 ^o C, then "Mode N 3" is triggered, and the entire coolant stream of the internal circuit A passes from channel 9 through a three-way valve 4 to channel 10. The temperature regulator 4 sends part of the liquid flow through channel 11 to the bypass to pump 2, and part the fluid flow is directed through channel 12 to the heat exchanger 3, where the coolant of the inner circuit A is cooled by the outside water of the outer circuit B and sent to the pump 2, where the two flows are mixed and the coolant of the inner circuit A with the optimum temperature is supplied to the cooling cavity Engine 1 Ia.

При сбросе нагрузки или уменьшении температуры окружающей среды система охлаждения-подогрева двигателя работает в обратном порядке и в системе поддерживается оптимальная температура охлаждающей жидкости внутреннего контура А на всех режимах работы двигателя и при любой температуре окружающей среды, например, 75 - 80^oC.When the load is relieved or the ambient temperature decreases, the engine cooling-heating system works in reverse order and the system maintains the optimum coolant temperature of the internal circuit A at all engine operating modes and at any ambient temperature, for example, 75 - 80 ^o C.

Таким образом, предлагаемая система охлаждения-подогрева двигателя позволяет поддерживать оптимальную температуру охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя на всех режимах работы двигателя и при понижении температуры окружающей среды, что приводит к повышению технико-экономических показателей двигателя. Thus, the proposed engine cooling-heating system allows maintaining the optimum coolant temperature of the engine cooling system at all engine operating modes and at lower ambient temperatures, which leads to an increase in the technical and economic performance of the engine.

Источники информации
1. А. С. N 1048143 СССР, F 01 P 3/20. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания /B. C. Грищенко, Е. И. Ломакин, B.C. Бугуцкий и др. (СССР). - 3439384/25-06; заявлено 17.05.82; опубл. 15.10.83. Бюл. N 38. - 2 с.: ил.Sources of information
1. A. S. N 1048143 USSR, F 01 P 3/20. The cooling system of the internal combustion engine / BC Grishchenko, E.I. Lomakin, BC Bugutsky and others (USSR). - 3439384 / 25-06; claimed 05.17.82; publ. 10/15/83. Bull. N 38. - 2 pp., Ill.

2. Патент N 2031216 на изобретение "Устройство для регулирования температуры охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором, имеющим газовыхлопной патрубок". Патентообладатель В.Н. Тимофеев /В. Н. Тимофеев, Е.А. Киселев, Е.В. Кротов и др. - 4942614/06. 2. Patent N 2031216 for the invention "Device for regulating the temperature of the coolant of an internal combustion engine with a turbocompressor having a gas exhaust pipe". Patent holder V.N. Timofeev / V. N. Timofeev, E.A. Kiselev, E.V. Krotov et al. - 4942614/06.

3. Патент N 2085753 на изобретение "Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания". Патентообладатель Чув. гос. ун-т /В.Н. Тимофеев, В.Л. Лаврентьев. - 462073/06; заявлено 15.12.88; опубл. 27.07.97. Бюл. 21. - 4 с.: ил. 3. Patent N 2085753 for the invention "The cooling system of an internal combustion engine." Patentee Chuv. state un-t / V.N. Timofeev, V.L. Lavrentiev. - 462073/06; claimed 12/15/88; publ. 07/27/97. Bull. 21. - 4 p.: Ill.

4. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей: Учеб. пособие для студентов высших учебных заведений. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 с. 4. Lukov N.M. Automatic temperature control of engines: Textbook. manual for students of higher educational institutions. - M.: Mechanical Engineering, 1995 .-- 271 p.

Claims (2)

1. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий полости охлаждения двигателя, трехходовой кран с приводом вращения пробки, жидкостно-жидкостной теплообменник и циркуляционный насос, внешний контур циркуляции охлаждающего теплоносителя, подсоединенный к внутреннему контуру через жидкостно-жидкостной теплообменник, и датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный во внутреннем контуре циркуляции охлаждающей жидкости между полостями охлаждения двигателя и трехходовым краном, подключенный через электронный блок регулирования температуры к приводу вращения пробки трехходового крана, отличающийся тем, что внутренний контур содержит дополнительный теплообменник, установленный между трехходовым краном и через циркуляционный насос соединенный с утилизационным котлом, установленным на выхлопной трубе двигателя. 1. The cooling system of an internal combustion engine, comprising an internal coolant circuit, including an engine cooling cavity, a three-way valve with a tube rotation drive, a liquid-liquid heat exchanger and a circulation pump, an external coolant circulation circuit connected to the internal circuit via a liquid-liquid heat exchanger , and a coolant temperature sensor installed in the internal coolant circuit between the cooling cavities for of the actuator and a three-way valve connected through an electronic temperature control unit to the rotation drive of the three-way valve plug, characterized in that the inner circuit contains an additional heat exchanger installed between the three-way valve and connected through a circulation pump to a recovery boiler installed on the engine exhaust pipe. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит терморегулятор, установленный во внутреннем контуре охлаждающей жидкости между трехходовым краном и циркуляционным насосом, выполненный с возможностью перепуска в зависимости от температуры охлаждающей жидкости через жидкостно-жидкостной теплообменник. 2. The system according to claim 1, characterized in that it further comprises a thermostat installed in the internal circuit of the coolant between the three-way valve and the circulation pump, configured to bypass depending on the temperature of the coolant through a liquid-liquid heat exchanger.