RU2459093C1 - Internal combustion engine cooling system - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: internal combustion engine cooling system includes closed cooling liquid circulation circuit including circulating pump, engine cooling jacket, blowing air cooler, oil-to-water cooler, water-to-water cooler, compressor, heat carrier temperature control thermostat, expansion tank to which suction line from compressor is connected; expansion tank is sealed, and air line includes pressure reducing valve controlling the pressure of air supplied from compressor and connected to outlet of additional control unit to the inlets of which there connected is supercharge pressure transmitter, temperature transmitter of cooling liquid at the engine outlet, pressure transmitter in cooling system and optic sensor of vapour phase present in cooling liquid, and as compressor drive it includes the turbine using waste gas energy extracted from piston part of engine; at that, as compressor drive it includes self-contained electric motor the activation and deactivation of which is performed as per the signal supplied from the control unit.

EFFECT: thermal state of engine is controlled under conditions of maximum overloads and its operating reliability is improved.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.The invention relates to the field of vehicles, in particular to cooling systems for liquid-cooled internal combustion engines.

Известна система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с турбонаддувом для транспортного средства, содержащая циркуляционный насос со всасывающим и напорным патрубками, основной контур циркуляции, включающий рубашку охлаждения двигателя и первую секцию водяного радиатора, и дополнительный контур, включающий вторую секцию водяного радиатора, жидкостный охладитель надувочного воздуха, связанный с магистралью высокого давления и расположенный выше других агрегатов системы охлаждения, при этом он связан со сливным бачком, имеющим подвижную перегородку, разделяющую на первую полость, соединенную с жидкостным охладителем надувочного воздуха, и вторую, подключенную к магистрали высокого давления (см. МПК F01P 5/10 описание изобретения к патенту №2027871 Российской Федерации, опубл. 27.01.1995 г.).Known liquid cooling system of an internal combustion engine (ICE) with a turbocharger for a vehicle, comprising a circulation pump with suction and pressure pipes, a main circulation circuit including an engine cooling jacket and a first section of a water radiator, and an additional circuit including a second section of a water radiator, liquid charge air cooler connected to the high-pressure line and located above the other units of the cooling system, while it is connected to the drain m tank having a movable partition dividing into the first cavity connected to the liquid charge air cooler, and the second connected to the high pressure line (see IPC F01P 5/10 description of the invention to patent No. 2027871 of the Russian Federation, publ. 01.27.1995 g .).

Как известно, в существующих системах охлаждения ДВС в основе процесса лежит автоматическое поддержание заданной температуры теплоносителя на выходе из двигателя без учета температуры охлаждения поверхностей и характера теплообмена.As you know, in the existing ICE cooling systems, the process is based on the automatic maintenance of a given temperature of the coolant at the engine outlet without taking into account the surface cooling temperature and the nature of heat transfer.

В известном устройстве теплопередающая способность жидкостного охладителя надувочного воздуха находится в прямой зависимости от уровня жидкости сливного бачка и работы его перегородки, что достаточно ненадежно, требует возможно частого останова двигателя для опорожнения жидкостного охладителя надувочного воздуха.In the known device, the heat transfer capacity of the liquid charge air cooler is directly dependent on the liquid level of the drain tank and the operation of its partition, which is rather unreliable, it requires possibly frequent engine shutdown to empty the liquid charge air cooler.

Следовательно, к недостаткам известного устройства можно отнести невысокую надежность как системы охлаждения, так и двигателя в целом.Therefore, the disadvantages of the known device include the low reliability of both the cooling system and the engine as a whole.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубами и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, снабженный перегородкой, разделяющей его на две полости соответственно для горячего и холодного контуров с подсоединенными к ним подпиточными трубками и выпорами, не менее одного вентилятора, систему управления и регулирования температур теплоносителя двигателя, горячий контур, включающий в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур, включающий охладители масла и надувочного воздуха, второй циркуляционный насос и второй радиатор, при этом горячий и холодный контуры циркуляции соединены между собой двумя межконтурными магистралями, в первую из которых включен регулятор для регулирования расхода жидкости из горячего контура в холодный, и система охлаждения содержит третью межконтурную магистраль с термостатом, подключенную одним концом к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного насоса (см. МПК F01P 5/10, описание изобретения к патенту №2282043 Российской Федерации, опубл. 20.08.2006 г.) - ближайший аналог.Closest to the claimed technical solution is a cooling system of an internal combustion engine containing hot and cold coolant circuits, an oil cooling circuit, an expansion tank with make-up pipes and pressures of hot and cold circuits, respectively, equipped with a partition dividing it into two cavities, respectively, for hot and cold circuits with connected make-up tubes and supports, at least one fan, control and regulation system engine coolant temperature, a hot circuit that includes engine cooling cavities, a first circulation pump and a first radiator, a cold circuit that includes oil and charge air coolers, a second circulation pump and a second radiator, while the hot and cold circulation circuits are interconnected by two highways, the first of which includes a regulator for regulating the flow of fluid from the hot circuit to the cold one, and the cooling system contains a third circuit with thermo Tat connected at one end to the hot loop between the engine and the first radiator and the other - to the suction side of the second circulation pump (see. IPC F01P 5/10, description of the invention to patent No. 2282043 of the Russian Federation, publ. 08/20/2006) - the closest analogue.

Недостатком известной системы охлаждения является сложность ее конструктивного исполнения и невысокая надежность регулирования температур его теплоносителей, обусловленная высокой зависимостью от надежности работы как вентиляторов в горячем контуре, так и регулятора в межконтурной магистрали.A disadvantage of the known cooling system is the complexity of its design and the low reliability of temperature control of its coolants, due to the high dependence on the reliability of both fans in the hot circuit and the regulator in the inter-circuit.

В современных форсированных двигателях теплоотдача осуществляется в воду и, как правило, в режиме пузырькового кипения недогретой жидкости. С энергетической точки зрения теплообмен в условиях пузырькового кипения является наиболее выгодным, так как благодаря высокому коэффициенту теплоотдачи обеспечивается интенсивный теплообмен с охлаждаемых поверхностей при малых расходах теплоносителей.In modern forced engines, heat transfer is carried out into water and, as a rule, in the mode of bubble boiling of an unheated liquid. From an energy point of view, heat transfer in the conditions of bubble boiling is the most advantageous, since due to the high heat transfer coefficient, intense heat transfer from the cooled surfaces at low flow rates is ensured.

Однако при эксплуатации ДВС с перегрузкой, а также в условиях повышенной температуры наружного воздуха переход от пузырькового к пленочному кипению происходит с резким уменьшением коэффициента теплоотдачи.However, during the operation of ICE with overload, as well as in conditions of elevated outdoor temperature, the transition from bubble to film boiling occurs with a sharp decrease in the heat transfer coefficient.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение регулирования теплового состояния двигателя в условиях максимальных перегрузок и повышение надежности его работы.The technical result of the proposed technical solution is to increase the regulation of the thermal state of the engine under conditions of maximum overload and increase the reliability of its operation.

Сущность технического решения заключается в том, что в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий в себя циркуляционный насос, рубашку охлаждения двигателя, охладитель надувочного воздуха, водомасляный охладитель, водо-водяной охладитель, компрессор, термостат регулирования температуры теплоносителя, расширительный бак, к которому подключена всасывающая магистраль от компрессора, расширительный бак выполнен герметичным, а воздушная магистраль содержит редукционный клапан, регулирующий давление воздуха, поступающего от компрессора, и подключенный к выходу дополнительного блока управления, к входам которого подключены датчик давления наддува, датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе двигателя, датчик давления в системе охлаждения и оптический датчик присутствия в охлаждающей жидкости паровой фазы, а в качестве привода компрессора она содержит турбину, использующую энергию отработавших газов, отводимую от поршневой части двигателя, при этом в качестве привода компрессора она содержит автономный электродвигатель, включение и выключение которого осуществляется по сигналу от блока управления.The essence of the technical solution lies in the fact that in the cooling system of an internal combustion engine containing a closed coolant circuit, which includes a circulation pump, an engine cooling jacket, an air-cooler, an oil-water cooler, a water-water cooler, a compressor, a thermostat for regulating the temperature of the coolant , the expansion tank to which the suction line from the compressor is connected, the expansion tank is sealed, and the air line contains a pressure reducing valve regulating the pressure of the air coming from the compressor and connected to the output of the additional control unit, to the inputs of which a boost pressure sensor, a coolant temperature sensor at the engine outlet, a pressure sensor in the cooling system and an optical sensor for the presence of vapor phase in the coolant are connected, and as a compressor drive it contains a turbine that uses the energy of the exhaust gases discharged from the piston of the engine, while as a compressor drive It contains an autonomous electric motor, the switching on and off of which is carried out by a signal from the control unit.

В традиционных системах охлаждения расширительный бак служит для хранения запаса охлаждающей жидкости и обеспечивает возможность теплового расширения жидкости при повышении ее температуры.In traditional cooling systems, an expansion tank is used to store the supply of coolant and provides the possibility of thermal expansion of the liquid with increasing its temperature.

Благодаря выполнению расширительного бака герметичным появляется возможность создания повышенного давления в баке с помощью редукционного клапана, через который в бак подается воздух, сжатый в компрессоре.Due to the expansion tank being sealed, it becomes possible to create increased pressure in the tank using a pressure reducing valve through which air compressed in the compressor is supplied to the tank.

Введение блока управления с системой датчиков обеспечивает регулирование величины повышения давления как в расширительном баке, так и в системе охлаждения в целом. При этом компрессор может обеспечить повышение давления в системе охлаждения до 0,2…0,3 МПА, в результате чего происходит увеличение температуры воды до 120…130°С, устраивающее возможность появления пленочного кипения в полостях охлаждения двигателя.The introduction of a control unit with a sensor system provides control of the magnitude of the pressure increase both in the expansion tank and in the cooling system as a whole. In this case, the compressor can provide an increase in pressure in the cooling system to 0.2 ... 0.3 MPA, resulting in an increase in water temperature to 120 ... 130 ° C, which suits the possibility of film boiling in the engine cooling cavities.

Заявляемая система охлаждения двигателя внутреннего сгорания поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена схема системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - система охлаждения с автономным электродвигателем.The inventive cooling system of an internal combustion engine is illustrated in the drawing, where figure 1 shows a diagram of a cooling system of an internal combustion engine; figure 2 - cooling system with an autonomous electric motor.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит замкнутый контур 1 циркуляции охлаждающей жидкости, включающий в себя циркуляционный насос 2, рубашку 3 охлаждения поршневой части двигателя, охладитель 4 надувочного воздуха, водомасляный охладитель 5, водо-водяной охладитель 6, термостат 7 регулирования температуры теплоносителя, расширительный бак 8, к которому подключена воздушная магистраль 9 от компрессора 10. Расширительный бак 8 выполнен герметичным, а воздушная магистраль 9 содержит редукционный клапан 11, регулирующий давление воздуха, поступающего от компрессора 10, и подключенный к выходу дополнительного блока 12 управления, к входам которого подключены датчик 13 давления наддува, датчик 14 температуры охлаждающей жидкости на выходе двигателя, датчик 15 давления в системе охлаждения и оптический датчик 16 присутствия в охлаждающей жидкости паровой фазы, а в качестве привода компрессора она содержит турбину 17, использующую энергию отработавших газов, отводимую от поршневой части двигателя.The cooling system of an internal combustion engine contains a closed circuit 1 for circulating coolant, including a circulation pump 2, a piston cooling jacket 3, an air cooler 4, an oil-water cooler 5, a water-water cooler 6, a thermostat 7 for regulating the temperature of the coolant, an expansion tank 8, to which the air line 9 is connected from the compressor 10. The expansion tank 8 is sealed, and the air line 9 contains a pressure reducing valve 11, which regulates the pressure the air coming from the compressor 10, and connected to the output of the additional control unit 12, to the inputs of which a boost pressure sensor 13, a coolant temperature sensor 14 at the engine outlet, a pressure sensor 15 in the cooling system and an optical sensor 16 for the presence of steam in the coolant are connected phase, and as a compressor drive, it contains a turbine 17 that uses the energy of the exhaust gases discharged from the piston of the engine.

В качестве привода компрессора 10 система содержит автономный электродвигатель 18 (см. фиг.2), включение и выключение которого осуществляется по сигналу от блока 12 управления.As the drive of the compressor 10, the system comprises an autonomous electric motor 18 (see Fig. 2), the switching on and off of which is carried out by a signal from the control unit 12.

Система охлаждения работает следующим образом. При запуске двигателя и в период его прогрева температурный уровень обеспечивается термостатом 8. После прогрева двигателя и его работы на режимах, близких к максимальной мощности, температура охлаждающей жидкости приближается к температуре кипения, о чем на блок 12 управления поступает сигнал от датчика 14. При появлении в полостях охлаждения пристеночного пузырькового кипения на блок 12 управления поступает сигнал от оптического датчика 16 присутствия паровой фазы. На основании полученной информации блок 12 управления вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый на редукционный клапан 11. В результате открытия клапана сжатый воздух от компрессора 10 поступает в герметичный расширительный бак 8, что обеспечивает повышение давления в системе охлаждения и исключает возможность перехода пузырькового кипения в пленочное. При выработке управляющего сигнала блок 12 управления учитывает также информацию о давлении, создаваемом компрессором 10, которая поступает от датчика 13, и о давлении, которое уже имеется в системе охлаждения от датчика 15.The cooling system operates as follows. When the engine is started and during its warm-up, the temperature level is provided by the thermostat 8. After warming up the engine and its operation in modes close to maximum power, the temperature of the coolant approaches the boiling point, which is sent to the control unit 12 from the sensor 14. When in the cooling cavities of the near-wall bubbling boiling, a signal from the optical sensor 16 for the presence of the vapor phase is supplied to the control unit 12. Based on the information received, the control unit 12 generates a control signal supplied to the pressure reducing valve 11. As a result of opening the valve, compressed air from the compressor 10 enters a sealed expansion tank 8, which provides an increase in pressure in the cooling system and eliminates the possibility of transition of bubble boiling to film. When generating the control signal, the control unit 12 also takes into account information about the pressure created by the compressor 10, which comes from the sensor 13, and about the pressure that is already available in the cooling system from the sensor 15.

В качестве блока управления можно использовать программируемый процессор, например, ATMega8 или PIC16F1823, что позволит регулировать давление в системе охлаждения в зависимости от режима работы двигателя по заложенной в блок управления программе.As a control unit, you can use a programmable processor, for example, ATMega8 or PIC16F1823, which will allow you to adjust the pressure in the cooling system depending on the operating mode of the engine according to the program laid down in the control unit.

По сравнению с известными системами охлаждения предлагаемая система позволяет улучшить регулирование теплового состояния двигателя, не исключить выход пузырькового кипения в режиме пленочного кипения, что обеспечивает высокую надежность работы двигателя при максимальных нагрузках и в условиях повышенных температур наружного воздуха и забортной воды за счет исключения перегрева деталей цилиндропоршневой группы и образования трещин на втулках и крышках цилиндров.Compared with the known cooling systems, the proposed system allows to improve regulation of the thermal state of the engine, not to exclude the output of bubble boiling in the mode of film boiling, which ensures high reliability of the engine at maximum loads and at elevated temperatures of outdoor air and sea water due to the elimination of overheating of cylinder piston parts groups and cracking on bushings and cylinder covers.

Claims (3)

1. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая замкнутый контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий в себя циркуляционный насос, рубашку охлаждения двигателя, охладитель надувочного воздуха, водомасляный охладитель, водо-водяной охладитель, компрессор, термостат регулирования температур теплоносителя, расширительный бак, к которому подключена всасывающая магистраль от компрессора, отличающаяся тем, что расширительный бак выполнен герметичным, а воздушная магистраль содержит редукционный клапан, регулирующий давление воздуха, поступающего от компрессора, и подключенный к выходу дополнительного блока управления, к входам которого подключены датчик давления наддува, датчик температуры охлаждающей жидкости на выходе двигателя, датчик давления в системе охлаждения и оптический датчик присутствия в охлаждающей жидкости паровой фазы.1. The cooling system of an internal combustion engine, comprising a closed circuit for circulating coolant, including a circulation pump, an engine cooling jacket, an air-cooler, a water-oil cooler, a water-water cooler, a compressor, a thermostat for controlling the temperature of the coolant, an expansion tank to which is connected suction line from the compressor, characterized in that the expansion tank is sealed, and the air line contains a pressure reducing valve, I regulate s air pressure supplied from the compressor and connected to the output of an additional control unit which are connected to the inputs of the turbocharging pressure sensor, a coolant temperature sensor downstream of the engine, the cooling system pressure sensor and an optical sensor in the presence of a vapor phase cooling fluid. 2. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в качестве привода компрессора она содержит турбину, использующую энергию отработавших газов, отводимую от поршневой части двигателя, автономный электродвигатель, включение и выключение которого осуществляется по сигналу от дополнительного блока управления.2. The cooling system of an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that it comprises a turbine using the energy of exhaust gases discharged from the piston part of the engine as a compressor drive, an autonomous electric motor, which is turned on and off by a signal from an additional control unit. 3. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в качестве привода компрессора она содержит автономный электродвигатель, включение и выключение которого осуществляется по сигналу от дополнительного блока управления. 3. The cooling system of an internal combustion engine according to claim 1, characterized in that as a compressor drive it contains an autonomous electric motor, the switching on and off of which is carried out by a signal from an additional control unit.

Images