RU131816U1

RU131816U1 - LIQUID COOLING SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND HEATING OF THE VEHICLE

Info

Publication number: RU131816U1
Application number: RU2013107474/06U
Authority: RU
Inventors: Марк Абрамович Цимбалюк; Илья Михайлович Минкин; Олег Николаевич Кузовников; Елена Марковна Мельникова; Олег Валентинович Демидов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ЦЕНТР АВТОМОБИЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ "КАРТЕХ"
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-08-27

Abstract

Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства, содержащая рубашки охлаждения блока цилиндров и головки блока двигателя, агрегат, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости в системе, устройство для распределения охлаждающей жидкости по основному и байпасному контурам, радиаторно-вентиляторный блок с электровентиляторами, компенсационно-расширительный бачок, байпасную магистраль, отопитель салона, жидкостно-масляный теплообменник охлаждения масла в двигателе, независимый подогреватель автоматического действия, в жидкостной контур которого включен обратный клапан, соединительные трубопроводы, отличающаяся тем, что в ней в качестве агрегата, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости в системе, применен автономный, безсальниковый и безколлекторный жидкостной электронасос с электронной системой управления производительностью.A liquid cooling system for an internal combustion engine and heating the vehicle interior, comprising cooling jackets for the cylinder block and the head of the engine block, a unit for circulating coolant in the system, a device for distributing coolant along the main and bypass circuits, a radiator-fan unit with electric fans, compensation - expansion tank, bypass line, passenger compartment heater, liquid-oil heat exchanger for cooling the engine oil, independent an automatic heater with a non-return valve included in the liquid circuit, connecting pipelines, characterized in that an autonomous, glandless and collector-free liquid electric pump with an electronic performance control system is used as a unit for circulating coolant in the system.

Description

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может быть использована в жидкостных системах охлаждения двигателя внутреннего сгорания (далее - ДВС) и отопления салона на транспортных средствах всех категорий и исполнений.The utility model relates to the field of transport engineering and can be used in liquid cooling systems of an internal combustion engine (hereinafter - ICE) and interior heating on vehicles of all categories and designs.

Общеизвестно, что температурный режим двигателя совместно с конструкцией основных его деталей и узлов, применяемых топлив и масел влияет на его мощностные, экономические и экологические показатели, надежность и долговечность, а так же на эффективность работы системы отопления. Требования к обеспечению надлежащего температурного режима двигателей возрастают в связи с современными тенденциями к их форсированию. Вместе с тем, основные принципы конструирования систем охлаждения ДВС в мировом автомобилестроении довольно консервативны и не претерпели существенных изменений в последнее время, несмотря на значительное увеличение их литровой мощности.It is well known that the temperature regime of the engine, together with the design of its main parts and assemblies, used fuels and oils, affects its power, economic and environmental performance, reliability and durability, as well as the efficiency of the heating system. Requirements for ensuring the proper temperature regime of engines are increasing due to modern trends in their acceleration. At the same time, the basic principles of designing ICE cooling systems in the global automotive industry are quite conservative and have not undergone significant changes recently, despite a significant increase in their liter capacity.

Известна система охлаждения ДВС и связанное с ней гидравлическим трактом отопление салона автомобиля (Анохин В.А. Отечественные автомобили. М.: Машиностроение. 1968 г., с.129-156, 737-774). Система состоит из рубашки охлаждения двигателя, клапана-термостата, радиатора двигателя, вентилятора с механическим приводом, жидкостного насоса с приводом от коленчатого вала, радиатора - отопителя салона с электровентилятором.A known ICE cooling system and the heating of the vehicle interior associated with it by a hydraulic path (Anokhin V.A. Domestic cars. M.: Mechanical Engineering. 1968, p.129-156, 737-774). The system consists of an engine cooling jacket, a thermostat valve, an engine radiator, a mechanically driven fan, a liquid pump driven by a crankshaft, a radiator - a passenger compartment heater with an electric fan.

Такая система не может аккумулировать тепло двигателя, обеспечивать теплом салон автомобиля при неработающем двигателе и поддерживать заданный оптимальный температурный режим работающего ДВС.Such a system cannot accumulate engine heat, provide heat to the vehicle interior with the engine idle, and maintain a predetermined optimal temperature regime of the internal combustion engine.

Известна комбинированная система автоматического управления и регулирования теплового режима двигателя внутреннего сгорания, включающая блок и головку цилиндров с рубашкой охлаждения, вентилятор с регулирующей муфтой, жидкостной насос с механическим приводом, двухклапанный термостат, соединяющий полости охлаждения двигателя или с радиатором (основной контур система охлаждения) или с обводным каналом (байпасный контур). Система дополнительно оснащена газожидкостным утилизатором тепла отработавших газов, двухсекционным жидкостным теплообменником, охлаждающей секцией теплообменника и жидкостной секцией утилизации тепла отработавших газов с образованием дополнительного круга циркуляции охлаждающей жидкости, в которой установлен жидкостной насос с электрическим приводом (RU 2109148, С 1, 20.04.1998).Known is a combined system of automatic control and regulation of the thermal regime of an internal combustion engine, including a cylinder block and cylinder head with a cooling jacket, a fan with an adjusting clutch, a liquid pump with a mechanical drive, a two-valve thermostat connecting the cooling cavities of the engine or with a radiator (main circuit cooling system) or with bypass channel (bypass circuit). The system is additionally equipped with a gas-liquid heat exchanger of exhaust gases, a two-section liquid heat exchanger, a cooling section of the heat exchanger and a liquid section for heat recovery of the exhaust gases with the formation of an additional coolant circulation circle in which a liquid pump with an electric drive is installed (RU 2109148, С 1, 04/20/1998) .

Применяемый в этой системе электронасос выполняет только вспомогательную функцию, так как он включен в малый (байпасный) круг циркуляции и не может обеспечить надлежащий тепловой режим двигателя в экстремальных дорожных условиях.The electric pump used in this system performs only an auxiliary function, since it is included in the small (bypass) circulation circle and cannot provide the proper thermal regime of the engine in extreme road conditions.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является одноконтурный вариант системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства (RU 108489 U1, 20.09.2011), содержащей рубашки охлаждения блока цилиндров и головки блока двигателя, агрегат, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости в системе охлаждения независимо от режимов работы двигателя, электромеханический регулятор потока жидкости через радиатор, радиаторно-вентиляторный блок с электровентиляторами, компенсационно-расширительный бачок, байпасную магистраль, радиатор отопителя, распределительный вентиль отопителя, жидкостно-масляный теплообменник, независимый подогреватель-отопитель, в жидкостной контур которого включен обратный клапан, датчики температуры охлаждающей жидкости, соединительные трубопроводы. В качестве агрегата, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости в системе, применен автономный, безсальниковый и безколлекторный жидкостной электронасос. Система дополнительно снабжена аварийным электромеханическим регулятором, перекрывающим поступление потока жидкости из двигателя в радиатор.The closest in technical essence and the achieved result to the proposed technical solution is a single-circuit version of the liquid cooling system of an internal combustion engine and heating the vehicle interior (RU 108489 U1, 09/20/2011), containing cooling jackets for the cylinder block and the head of the engine block, a circulating unit coolant in the cooling system, regardless of engine operating conditions, electromechanical regulator of fluid flow through a radiator, radiator-fan block with electric fans, expansion tank, bypass line, heater radiator, heater distribution valve, liquid-oil heat exchanger, independent heater-heater, the liquid circuit of which includes a non-return valve, coolant temperature sensors, connecting pipelines. As a unit for circulating coolant in the system, an autonomous, glandless and collector-free liquid electric pump is used. The system is additionally equipped with an emergency electromechanical controller that blocks the flow of fluid from the engine to the radiator.

Известное техническое решение имеет следующие недостатки:Known technical solution has the following disadvantages:

- необходимость применения, в целях регулирования расхода охлаждающей жидкости через радиатор системы охлаждения, дополнительного элемента управления - электромеханического регулятора потока жидкости через радиатор.- the need to use, in order to regulate the flow of coolant through the radiator of the cooling system, an additional control element - an electromechanical regulator of fluid flow through the radiator.

Вышеперечисленный недостаток приводит к усложнению системы и, как следствие, снижению технологичности и отказоустойчивости.The above disadvantage leads to a complication of the system and, as a consequence, a decrease in manufacturability and fault tolerance.

Задачей заявляемой полезной модели является создание многофункциональной всепогодной адаптивной системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства.The objective of the claimed utility model is the creation of a multifunctional all-weather adaptive system for liquid cooling an internal combustion engine and heating a passenger compartment.

Техническим результатом является обеспечение эксплуатационной надежности и долговечности работы двигателя, эффективности отопления на всех режимах работы двигателя, снижения суммарного выброса вредных веществ при предпусковом подогреве двигателя и поддержании его теплового состояния на стоянке.The technical result is to ensure operational reliability and longevity of the engine, heating efficiency in all engine operation modes, reducing the total emission of harmful substances during preheating of the engine and maintaining its thermal state in the parking lot.

Технический результат достигается путем применения следующей системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства.The technical result is achieved by applying the following liquid cooling system of the internal combustion engine and heating the vehicle interior.

Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства содержит рубашки охлаждения блока цилиндров и головки блока двигателя, агрегат, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости в системе охлаждения независимо от режимов работы двигателя, устройство для распределения охлаждающей жидкости по основному и байпасному контурам, радиаторно-вентиляторный блок с электровентиляторами, компенсационно-расширительный бачок, байпасную магистраль, отопитель салона, жидкостно-масляный теплообменник, независимый подогреватель автоматического действия, в жидкостной контур которого включен обратный клапан, соединительные трубопроводы. В качестве агрегата, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости в системе, применен автономный, безсальниковый и безколлекторный жидкостной электронасос, питаемый электронной системой управления, обеспечивающей изменение частоты вращения крыльчатки (производительности).The liquid cooling system of the internal combustion engine and heating the vehicle interior includes cooling jackets for the cylinder block and the head of the engine block, a unit for circulating coolant in the cooling system, regardless of engine operating conditions, a device for distributing coolant along the main and bypass circuits, a radiator-fan block with electric fans, expansion tank, bypass line, interior heater, oil / water heat exchanger, independent heater automatic operation, in which the fluid circuit is included a check valve, connecting lines. An autonomous, glandless and collector-free liquid electric pump powered by an electronic control system that provides a change in the impeller rotation speed (performance) is used as a unit providing circulation of the coolant in the system.

Сущность полезной модели заключается в следующем.The essence of the utility model is as follows.

Использование в качестве агрегата, обеспечивающего циркуляцию охлаждающей жидкости в системе, автономного жидкостного электронасоса с регулировкой производительности позволяет осуществлять изменение расхода охлаждающей жидкости через радиатор системы охлаждения в зависимости от температурного режима без применения дополнительных элементов в гидравлической магистрали.The use of an autonomous liquid electric pump with capacity control as a unit for circulating coolant in the system allows changing the flow rate of the coolant through the radiator of the cooling system depending on the temperature regime without the use of additional elements in the hydraulic line.

На фиг.1 представлена гидравлическая схема предлагаемой системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства, на фиг.2 приведена принципиальная диаграмма обеспечения поддержания температурного состояния системы в автоматическом режиме в зависимости от заданных требований по предельно допустимым температурам окружающего воздуха и охлаждающей жидкостиFigure 1 presents the hydraulic circuit of the proposed liquid cooling system of an internal combustion engine and heating the passenger compartment of a vehicle, figure 2 shows a schematic diagram of ensuring the maintenance of the temperature state of the system in automatic mode, depending on the set requirements for the maximum allowable temperatures of ambient air and coolant

Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания и отопления салона транспортного средства (фиг.1) содержит компенсационный бачок 1, жидкостно-воздушный теплообменник (радиатор) 2, электровентилятор обдува радиатора 3, компенсационно-расширительный бачок с двухклапанной пробкой 4, автономный, безсальниковый и безколлекторный жидкостной электронасос 5, распределительное устройство 6, жидкостно-масляный теплообменник для охлаждения масла гидромеханической коробки передач и гидроусилителя руля, полости впускного коллектора для подогрева топливо-воздушной смеси или воздуха (в случае применения этих компонентов системы охлаждения) 7, двигатель внутреннего сгорания 8, полости охлаждения воздушного компрессора (для грузовых автомобилей) 9, жидкостно-масляный теплообменник для охлаждения масла двигателя 10, обратный клапан 11, электронасос независимого подогревателя 12, распределительный вентиль отопителя 13, независимый подогреватель автоматического действия 14, отопитель салона 15, т фальшподдон аккумуляторной батареи 16, соединительные провода и шланги.The liquid cooling system of the internal combustion engine and the heating of the passenger compartment of the vehicle (Fig. 1) contains a compensation tank 1, a liquid-air heat exchanger (radiator) 2, an electric fan for blowing a radiator 3, a compensation expansion tank with a two-valve plug 4, autonomous, glandless and collectorless liquid electric pump 5, switchgear 6, liquid-oil heat exchanger for cooling the oil of a hydromechanical gearbox and power steering, intake manifold cavity for heating the fuel-air mixture or air (if these components of the cooling system are used) 7, internal combustion engine 8, cooling cavities of the air compressor (for trucks) 9, liquid-oil heat exchanger for cooling engine oil 10, non-return valve 11, electric pump independent heater 12, heater control valve 13, independent automatic heater 14, interior heater 15, t false battery tray 16, connecting wires and hoses.

Удаление паро-воздушной смеси осуществляется посредством шлангов из передней и задней частей головки блока, из компенсационно-расширительного бачка радиатора и из контура независимого подогревателя автоматического действия. Если из радиатора и передней части блока воздух и пар отводятся непосредственно в компенсационно-расширительный бачок, то из других частей системы паро-воздушная смесь поступает сначала в полость обратного клапана контура подогревателя, а затем в компенсационно-расширительный бачок.The vapor-air mixture is removed by means of hoses from the front and rear parts of the head of the block, from the expansion tank of the radiator and from the circuit of an independent automatic heater. If air and steam are taken directly from the radiator and the front of the unit directly to the expansion tank, then from other parts of the system the steam-air mixture first flows into the cavity of the check valve of the heater circuit, and then into the expansion tank.

Малый круг циркуляции (байпасный контур) составляют рубашки охлаждения блока и головки двигателя, обратный клапан контура подогревателя 11, отопитель салона 15 и обводной патрубок (вместе или раздельно в зависимости от положения распределительного вентиля), жидкостно-масляные теплообменники охлаждения масла гидромеханической коробки передач и гидроусилителя руля, полости впускного коллектора для подогрева топливо-воздушной смеси или воздуха 7 (при наличии), автономный, безсальниковый и безколлекторный жидкостной электронасос 5, компенсационно-расширительный бачок 4, жидкостно-масляный теплообменник для охлаждения масла в двигателе 10. Такая схема байпасного контура обеспечивает быстрый прогрев двигателя и обогрев кабины. С другой стороны данная схема байпасного контура повышает равномерность охлаждения деталей двигателя независимо от положения распределительного вентиля отопителя, в том числе и в схемах, не предусматривающих наличие жидкостно-масляных теплообменников для охлаждения масла гидромеханической коробки передач и гидроусилителя руля, теплообменника подогрева смеси или воздуха и рубашкой охлаждения воздушного компрессора, жидкостно-масляного теплообменника охлаждения масла в двигателе, за счет обеспечения постоянства гидравлического сопротивления контура, осуществляющего отвод охлаждающей жидкости из задней, «тупиковой» полости рубашки охлаждения головки блока цилиндров.A small circulation circle (bypass circuit) consists of cooling jackets for the block and head of the engine, the check valve of the heater circuit 11, the passenger compartment heater 15 and the bypass pipe (together or separately, depending on the position of the distribution valve), liquid-oil heat exchangers for oil cooling of the hydromechanical gearbox and hydraulic booster steering wheel, intake manifold cavities for heating the fuel-air mixture or air 7 (if available), autonomous, glandless and collectorless liquid electric pump 5, compensation optional expansion tank 4, liquid-oil heat exchanger for cooling the oil in the engine 10. This bypass circuit provides quick engine warming and cab heating. On the other hand, this bypass circuit scheme increases the uniformity of cooling of engine parts regardless of the position of the heater control valve, including in schemes that do not include liquid-oil heat exchangers for cooling the oil of a hydromechanical gearbox and power steering, a heat exchanger for heating the mixture or air and a jacket cooling the air compressor, liquid-oil heat exchanger cooling the oil in the engine, by ensuring the constancy of the hydraulic resistance of the circuit, performing the removal of coolant from the rear, "dead end" cavity of the cooling jacket of the cylinder head.

Для обеспечения работоспособности аккумуляторной батареи в условиях крайне низких температур, когда необходим предпусковой подогрев двигателя, отработанные газы независимого подогревателя автоматического действия 14 направляются в фальшподдон аккумуляторной батареи 16 и подогревают ее, сохраняя таким образом ее вольтамперную характеристику, необходимую для успешного пуска двигателя.To ensure the operability of the battery at extremely low temperatures, when engine preheating is required, the exhaust gases of the independent automatic heater 14 are sent to the raised base of the battery 16 and are heated, thereby preserving its current-voltage characteristic necessary for successful engine starting.

Управление работой системы осуществляется посредством датчиков температур, установленных в головке или в самом блоке двигателя и в радиаторе системы охлаждения. В случае аварийной ситуации обеспечивается функционирование системы при заполнении ее водой.The system is controlled by temperature sensors installed in the head or in the engine block itself and in the radiator of the cooling system. In case of emergency, the system is functioning when it is filled with water.

Заявляемая система в зависимости от ее температурного состояния функционирует следующим образом:The inventive system, depending on its temperature state, operates as follows:

1. При применении независимого подогревателя 14 без участия водителя обеспечивается тепловая подготовка двигателя и кабины к моменту выезда до температуры охлаждающей жидкости 50-70°С. При этом распределительное устройство 6 перекрывает доступ охлаждающей жидкости в радиатор системы охлаждения. Начало движения транспортного средства возможно после пуска двигателя.1. When using an independent heater 14 without the participation of the driver, thermal preparation of the engine and the cabin by the time of departure to the coolant temperature of 50-70 ° C is provided. In this case, the distribution device 6 blocks the access of the coolant to the radiator of the cooling system. The vehicle can start moving after starting the engine.

2. Перед пуском «холодного» двигателя включается электронасос 5 на частичный режим, распределительное устройство 6 перекрывает доступ охлаждающей жидкости в радиатор системы охлаждения, а электровентиляторы обдува радиатора 3 выключены. Распределительный вентиль отопителя 13, в целях ускорения прогрева двигателя, рекомендуется перевести в положение «минуя отопитель». Начало движения автомобиля определяется согласно техническим условиям или инструкцией по эксплуатации.2. Before starting the “cold” engine, the electric pump 5 is switched on in partial mode, the switchgear 6 blocks the access of the coolant to the radiator of the cooling system, and the electric fans for blowing the radiator 3 are turned off. Heater distribution valve 13, in order to accelerate engine warm-up, it is recommended to switch to the "bypass heater" position. The beginning of the vehicle is determined in accordance with the technical specifications or operating instructions.

3. После пуска двигателя, до достижения температуры охлаждающей жидкости 87°С или заданной температуры по ТУ, регулировка производительности электронасоса производится блоком управления согласно диаграмме приведенной на фиг.2. Распределительное устройство 6 перекрывает доступ охлаждающей жидкости в радиатор системы охлаждения, а электровентиляторы обдува радиатора 3 выключены.3. After starting the engine, until the coolant temperature reaches 87 ° C or the specified temperature according to the technical specifications, the electric pump performance is adjusted by the control unit according to the diagram shown in figure 2. The distribution device 6 blocks the access of the coolant to the radiator of the cooling system, and the electric fans blowing the radiator 3 are turned off.

4. При достижении температуры жидкости в двигателе 87°С, или заданной температуры по ТУ, регулировка производительности электронасоса производится блоком управления согласно диаграмме приведенной на фиг.2. Распределительное устройство 7 открывает доступ охлаждающей жидкости в радиатор. Электровентиляторы блока радиатора выключены. Этот режим работы системы обеспечивает температуру охлаждающей жидкости в системе охлаждения в пределах 82-87⁰С. При снижении температуры в двигателе ниже 82°С система регулирования переходит в режим работы по п.3.4. When the temperature of the liquid in the engine reaches 87 ° C, or the specified temperature according to the technical specifications, the electric pump performance is adjusted by the control unit according to the diagram shown in figure 2. Switchgear 7 allows coolant to enter the radiator. Electric fans of the radiator block are turned off. This mode of operation of the system provides the temperature of the coolant in the cooling system within 82-87 ⁰ C. When the temperature in the engine drops below 82 ° C, the control system switches to the operation mode according to claim 3.

5. При достижении температуры жидкости в подводящем бачке радиатора выше 87°С включаются электровентиляторы радиаторного блока на частичный режим. Этот режим обеспечивает температуру жидкости на входе в радиатор в пределах 87-82°С. При понижении температуры ниже 82°С электровентиляторы выключаются и система переходит в режим работы по п.4.5. When the temperature of the liquid in the radiator supply tank exceeds 87 ° C, the electric fans of the radiator block are switched on for partial operation. This mode provides the temperature of the liquid at the inlet to the radiator in the range of 87-82 ° C. When the temperature drops below 82 ° C, the electric fans turn off and the system enters the operation mode according to claim 4.

6. При достижении температуры жидкости в подводящем бачке радиатора выше 92°С включаются электровентиляторы радиаторного блока на полный режим. Этот режим обеспечивает температуру жидкости на входе в радиатор в пределах 92-87°С. При понижении температуры ниже 87°С система регулирования переходит в режим работы по п.5.6. When the temperature of the liquid in the radiator supply tank is above 92 ° C, the electric fans of the radiator block are switched on in full mode. This mode provides the temperature of the liquid at the inlet to the radiator in the range of 92-87 ° C. When the temperature drops below 87 ° C, the control system enters the operating mode according to claim 5.

Claims

A liquid cooling system for an internal combustion engine and heating the vehicle interior, comprising cooling jackets for the cylinder block and the head of the engine block, a unit for circulating coolant in the system, a device for distributing coolant along the main and bypass circuits, a radiator-fan unit with electric fans, compensation - expansion tank, bypass line, passenger compartment heater, liquid-oil heat exchanger for cooling the engine oil, independent an automatic heater with a non-return valve included in the liquid circuit, connecting pipelines, characterized in that an autonomous, glandless and collector-free liquid electric pump with an electronic performance control system is used as a unit for circulating coolant in the system.