RU2049922C1

RU2049922C1 - System for liquid cooling of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2049922C1
Authority: RU
Inventors: А.Р. Рагузин; Е.С. Горбунов; М.Р. Петриченко
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт двигателей
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-12-10

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: under idling and low load, a portion of the coolant only is fed to the cooling spaces. As the temperature of the coolant at the outlet of the discharging manifold increases, it is directed to the radiator through a pipe line system. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и направлено на усовершенствование систем жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания с наддувом и работающих в условиях низких температур окружающей среды. The invention relates to mechanical engineering, in particular engine manufacturing, and is aimed at improving liquid cooling systems of supercharged internal combustion engines and operating at low ambient temperatures.

Системы жидкостного охлаждения ДВС известны. ICE liquid cooling systems are known.

Известна, например, система тепловозного дизеля [1] включающая три контура охлаждения контур охлаждения двигателя, включающий полости охлаждения блока и крышек цилиндров с окнами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, подводящий коллектор, регулирующие органы, циркуляционный насос, отводящий коллектор, охладитель воды и систему трубопроводов; контур охлаждения смазочного масла, включающий охладитель масла, водяная полость охлаждения которого связана с охладителем воды контура охлаждения двигателя, регулирующий орган и соответствующие трубопроводы; контур охлаждения наддувочного воздуха, включающий охладитель наддувочного воздуха, регулирующие органы, циркуляционный насос, трубопроводы. Known, for example, is a diesel diesel system [1] comprising three cooling circuits, an engine cooling circuit, including cooling cavities of a block and cylinder covers with windows for supplying and discharging coolant, a supply manifold, regulating bodies, a circulation pump, a discharge manifold, a water cooler, and a system pipelines; a lubricating oil cooling circuit, including an oil cooler, the water cooling cavity of which is connected to a water cooler of the engine cooling circuit, a regulator and related pipelines; charge air cooling circuit, including charge air cooler, regulatory bodies, circulation pump, pipelines.

Такая система конструктивно сложна, а наличие двух циркуляционных насосов приводит к дополнительным затратам мощности и увеличению механических потерь. К недостаткам системы следует отнести и то, что вся охлаждающая жидкость от циркуляционного насоса последовательно прокачивается через полости охлаждения блока и крышек цилиндров с повышенным теплоотводом от поверхностей охлаждения, что приводит прежде всего к увеличению продолжительности прогрева и увеличению расхода топлива, а следовательно, к снижению экономичности двигателя. Such a system is structurally complex, and the presence of two circulation pumps leads to additional power costs and an increase in mechanical losses. The disadvantages of the system include the fact that all the coolant from the circulation pump is sequentially pumped through the cooling cavities of the block and cylinder covers with increased heat removal from the cooling surfaces, which primarily leads to an increase in the duration of heating and an increase in fuel consumption, and, consequently, to reduced economy engine.

Известна также система жидкостного охлаждения [2] содержащая полости охлаждения блока и головки блока цилиндров с окнами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, основной и дополнительный коллекторы подвода охлаждающей жидкости, расположенные на разных уровнях. При этом вся охлаждающая жидкость направлена через полости охлаждения блока и головки блока цилиндров, что приводит к увеличению производительности прогрева холодного двигателя, особенно в условиях низких температур окружающей среды. Система не предусматривает охлаждение наддувочного воздуха от одного циркуляционного водяного насоса, что в конечном итоге приводит к повышенному расходу топлива и естественно к снижению экономичности двигателя. Also known is a liquid cooling system [2] containing cooling cavities of a block and a cylinder head with windows for supplying and discharging coolant, a primary and secondary collectors for supplying coolant located at different levels. In this case, all the coolant is directed through the cooling cavities of the block and the cylinder head, which leads to an increase in the heating performance of a cold engine, especially at low ambient temperatures. The system does not provide for cooling the charge air from a single circulation water pump, which ultimately leads to increased fuel consumption and, naturally, to a decrease in engine efficiency.

Кроме того, известна система жидкостного охлаждения, содержащая полости охлаждения блока и крышек цилиндров с входными, перепускными и выпускными отверстиями, циркуляционный водяной насос, подводящий и отводящий коллекторы, терморегулятор, радиатор, масляный охладитель. При этом подводящий коллектор выполнен из двух частей, между которыми последовательно установлен масляный охладитель. Кроме того, второй участок подводящего коллектора через трубопровод с регулирующим клапаном связан с всасывающим патрубком циркуляционного насоса. Однако такая система охлаждения предназначена для безнаддувных дизелей и не может быть использована в дизелях с наддувом без соответствующего усовершенствования. In addition, there is a known liquid cooling system comprising cooling cavities for a block and cylinder covers with inlet, bypass and outlet openings, a circulation water pump, supply and outlet manifolds, a temperature regulator, a radiator, an oil cooler. In this case, the supply manifold is made of two parts, between which an oil cooler is installed in series. In addition, the second section of the inlet manifold is connected through a pipeline with a control valve to the suction pipe of the circulation pump. However, such a cooling system is designed for naturally aspirated diesel engines and cannot be used in supercharged diesel engines without a corresponding improvement.

Известна также система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с наддувом [2] принятая за прототип. Also known is a liquid cooling system of a supercharged internal combustion engine [2] adopted as a prototype.

Указанная система включает полости охлаждения блока и головки цилиндров с окнами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, циркуляционный водяной насос, радиатор, охладитель наддувочного воздуха, пропускающий 10-15% от общего потока охлаждающей жидкости, водомасляный теплообменник, терморегулятор, регулятор расхода охлаждающей жидкости. При этом охладитель наддувочного воздуха установлен после радиатора параллельно регулятору расхода жидкости, который при определенных условиях, например, при малых нагрузках или низких температурах окружающей среды направляет поток или часть потока нагретой жидкости в обход радиатора в охладитель наддувочного воздуха. The specified system includes cooling cavities of the block and cylinder head with windows for supplying and discharging coolant, a circulation water pump, a radiator, a charge air cooler passing 10-15% of the total coolant flow, an oil-water heat exchanger, a temperature regulator, and a coolant flow regulator. In this case, the charge air cooler is installed after the radiator in parallel with the fluid flow regulator, which under certain conditions, for example, at low loads or low ambient temperatures, directs the flow or part of the heated fluid flow bypassing the radiator to the charge air cooler.

Указанная система также, как и описанные выше системы (аналоги), обладает большой инерционностью, обусловленной циркуляцией большой массы охлаждающей жидкости через полости охлаждения блока и головки цилиндров, что приводит к увеличению времени прогрева двигателя. К недостаткам системы можно отнести и то, что она не обеспечивает возможности перераспределения тепла, например, на подогрев смазочного масла при частичных (малых) нагрузках и пониженных температурах окружающей среды. Все это способствует повышению расхода топлива и снижению экономичности двигателя. The specified system, like the systems (analogues) described above, has a high inertia due to the circulation of a large mass of coolant through the cooling cavities of the block and cylinder head, which leads to an increase in the engine warm-up time. The disadvantages of the system include the fact that it does not provide the possibility of redistribution of heat, for example, for heating lubricating oil at partial (small) loads and low ambient temperatures. All this helps to increase fuel consumption and reduce engine efficiency.

Изобретение направлено на повышение экономичности двигателей внутреннего сгорания, работающих в условиях низких температур окружающей среды, путем сокращения времени прогрева на холостом ходу и частичных нагрузках. Это достигается тем, что в известной системе жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, содержащей полости охлаждения блока и крышек цилиндров с окнами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, расположенными на разных уровнях по высоте, подводящий и отводящий коллекторы, охладитель наддувочного воздуха, водомасляный теплообменник, установленный последовательно с подводящим коллектором, выход из которого связан с полостью охлаждения блока цилиндров на втором уровне по отношению к входным окнам блока, связанными с подводящим коллектором, и дополнительно через разобщительный канал со смесительной камерой циркуляционного насоса, двухсекционный радиатор, терморегулятор и систему трубопроводов, полость охлаждения охладителя наддувочного воздуха имеет два входных патрубка и один выходной. При этом один из входных патрубков связан с первой секцией радиатора и, кроме того, через терморегулятор с выходом отводящего коллектора. Второй входной патрубок связан с второй секцией радиатора, а выходной патрубок расположен между входными патрубками и связан со смесительной камерой циркуляционного водяного насоса. The invention is aimed at improving the efficiency of internal combustion engines operating at low ambient temperatures by reducing the warm-up time at idle and partial loads. This is achieved by the fact that in the known liquid cooling system of an internal combustion engine with pressurization, containing cooling cavities of the block and cylinder covers with windows for supplying and discharging coolant located at different levels in height, inlet and outlet manifolds, charge air cooler, oil-water heat exchanger installed in series with the supply manifold, the output of which is connected to the cooling cavity of the cylinder block at the second level with respect to the input windows of the block, are connected with a supply manifold, and additionally through a disconnection channel with a mixing chamber of the circulation pump, a two-section radiator, a temperature regulator and a piping system, the cooling cavity of the charge air cooler has two inlet pipes and one outlet. In this case, one of the inlet pipes is connected to the first section of the radiator and, in addition, through a thermostat with the outlet of the outlet collector. The second inlet pipe is connected to the second radiator section, and the outlet pipe is located between the inlet pipes and is connected to the mixing chamber of the circulating water pump.

При пуске двигателя, особенно в условиях низких температур окружающей среды, а также при работе на холостом ходу и малых нагрузках, системы обеспечивает отключение радиатора, при этом охладитель наддувочного воздуха и водомасляный теплообменник работают как нагреватели наддувочного воздуха и смазочного масла, обеспечивая надежный запуск двигателя, сокращение времени разогрева и соответственно снижая расход топлива. When starting the engine, especially at low ambient temperatures, as well as when idling and light loads, the system shuts off the radiator, while the charge air cooler and the oil-water heat exchanger work as charge air and lubricating oil heaters, ensuring reliable engine start, reduction of warm-up time and accordingly reducing fuel consumption.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема двигателя с предлагаемой системой жидкостного охлаждения; на фиг. 2 то же, поперечный разрез. In FIG. 1 shows a structural diagram of an engine with the proposed liquid cooling system; in FIG. 2 same cross section.

Предлагаемая система включает двигатель 1 с полостями охлаждения 2 и 3 соответственно блока и головки цилиндров (фиг. 2) и окнами 4 и 5 для подвода охлаждающей жидкости, расположенными на двух уровнях по высоте блока, подводящий 6 и отводящий 7 коллекторы, охладитель 8 наддувочного воздуха (фиг. 1), водомасляный теплообменник 9, циркуляционный водяной насос 10 со смесительной камерой 11, двухсекционный радиатор, состоящий из первой секции 12 и второй секции 13, объединенных патрубком 14 и предназначенных для охлаждения жидкости, выходящей из двигателя 1 по отводящему коллектору 7, терморегулятор 15. При этом полость охлаждения охладителя 8 наддувочного воздуха имеет два входных патрубка 16 и 17 и один выходной патрубок 18. Причем входной патрубок 16 охладителя 8 расположен на входе наддувочного воздуха в охладитель и с помощью трубопровода 19 связан с первой секцией 12 радиатора и дополнительно через терморегулятор 15 с выходом отводящего коллектора 7, второй входной патрубок 17 расположен со стороны выхода наддувочного воздуха и связан со второй секцией 13 радиатора, а выходной патрубок 18, расположенный между входными патрубками 16 и 17, связан со смесительной камерой 11 циркуляционного водяного насоса 10. Кроме того, терморегулятор 15 с помощью трубопровода 20 связан с первой секцией 12 радиатора, а последовательно с подводящим коллектором 6 соединен водомасляный теплообменник 9, выход которого связан с полостью охлаждения 2 блока цилиндров через окно 5, расположенное на втором уровне по отношению к окнам 4. В качестве одного из возможных вариантов исполнения схемы выход полости охлаждения водомасляного теплообменника 9 через разобщительный клапан 21 дополнительно связан со смесительной камерой 11 циркуляционного насоса 10. The proposed system includes an engine 1 with cooling cavities 2 and 3, respectively, of the block and cylinder head (Fig. 2) and windows 4 and 5 for supplying coolant located at two levels along the height of the block, supplying 6 and removing 7 collectors, charge air cooler 8 (Fig. 1), a water-oil heat exchanger 9, a circulation water pump 10 with a mixing chamber 11, a two-section radiator, consisting of a first section 12 and a second section 13, united by a pipe 14 and designed to cool the fluid leaving the engine 1 along the exhaust manifold 7, thermostat 15. Moreover, the cooling cavity of the charge air cooler 8 has two inlet pipes 16 and 17 and one outlet pipe 18. Moreover, the inlet pipe 16 of the cooler 8 is located at the inlet of the charge air into the cooler and is connected to the first section 12 of the radiator and optionally through the temperature regulator 15 with the outlet of the exhaust manifold 7, the second inlet pipe 17 is located on the outlet side of the charge air and is connected to the second section 13 of the radiator, and the outlet pipe 18, married between the inlet pipes 16 and 17, is connected to the mixing chamber 11 of the circulating water pump 10. In addition, the thermostat 15 is connected via the pipe 20 to the first section 12 of the radiator, and a water-oil heat exchanger 9 is connected in series with the supply manifold 6, the output of which is connected to the cavity cooling 2 cylinder blocks through a window 5, located on the second level with respect to windows 4. As one of the possible variants of the circuit design, the output of the cooling cavity of the oil-water heat exchanger 9 through disconnect ny valve 21 is further connected to the mixing chamber 11, circulation pump 10.

Система работает следующим образом. The system operates as follows.

При прогреве двигателя 1 или работе его на холостом ходу или малых нагрузках при полностью отключенном терморегуляторе 15, поток охлаждающей жидкости, подаваемый циркуляционным насосом 10 в подводящий коллектор 6, частично циркулирует через водомасляный теплообменник 9, открытый разобщительный клапан 21, смесительную камеру 11 и далее на вход циркуляционного насоса 10. Одновременно оставшаяся часть потока охлаждающей жидкости из подводящего коллектора 6 через перепускные окна 4 и 5 поступает в полости 2 и 3 охлаждения блока и головки цилиндров, затем нагретая жидкость через отводящий коллектор 7 и терморегулятор 15 поступает к входному патрубку 16 охладителя наддувочного воздуха 8 и, подогревая воздух, через полость охлаждения охладителя 8 и выходной патрубок 18 поступает в смесительную камеру 11 и на вход циркуляционного насоса 10. В этот период охладитель 8 работает как подогреватель наддувочного воздуха. When the engine 1 is warming up or when it is idling or under low loads with the thermostat 15 turned off completely, the coolant flow supplied by the circulation pump 10 to the inlet manifold 6 partially circulates through the oil-water heat exchanger 9, the open isolation valve 21, the mixing chamber 11 and then to the inlet of the circulation pump 10. At the same time, the remaining part of the coolant flow from the inlet manifold 6 through the bypass ports 4 and 5 enters the cooling cavities 2 and 3 of the block and cylinder head, then the heated liquid through the outlet manifold 7 and the temperature controller 15 enters the inlet pipe 16 of the charge air cooler 8 and, heating the air, through the cooling cavity of the cooler 8 and the outlet pipe 18 enters the mixing chamber 11 and the inlet of the circulation pump 10. During this period, the cooler 8 works as a charge air heater.

В процессе дальнейшей работы двигателя и нагрева охлаждающей жидкости терморегулятор 15 срабатывает и пропускает часть жидкости из выпускного коллектора 7 через трубопровод 20 в секцию 12 радиатора, где она охлаждается и через патрубок 14, секцию 13, патрубок 17, трубопровод 19 и патрубок 16 поступает в охладитель 8 наддувочного воздуха. Эта часть охлаждающей жидкости в охладителе перемешивается с той частью горячей жидкости, которая поступила в охладитель из отводящего коллектора 7 через терморегулятор 15 и впускной патрубок 16, минуя секцию 12 радиатора. По мере повышения температуры охлаждающей жидкости на выходе из коллектора 7 терморегулятор 15 увеличивает долю потока жидкости, пропускаемую через секции 12 и 13 радиатора, и уменьшает долю потока, которая, минуя радиатор, поступает в охладитель наддувочного воздуха, в результате подогрев воздуха прекращается и охладитель 8 начинает работать по своему прямому назначению, т.е. как охладитель наддувочного воздуха. In the process of further engine operation and heating of the cooling liquid, the temperature controller 15 is activated and passes part of the liquid from the exhaust manifold 7 through the pipe 20 to the radiator section 12, where it is cooled and through the pipe 14, section 13, pipe 17, pipe 19 and pipe 16 enters the cooler 8 charge air. This part of the coolant in the cooler is mixed with that part of the hot fluid that entered the cooler from the exhaust manifold 7 through the thermostat 15 and the inlet pipe 16, bypassing the radiator section 12. As the temperature of the coolant at the outlet of the collector 7 increases, the thermostat 15 increases the fraction of the fluid flow passed through the sections 12 and 13 of the radiator and decreases the fraction of the flow, which bypasses the radiator, enters the charge air cooler, as a result of which the air heater stops and the cooler 8 begins to work for its intended purpose, i.e. as a charge air cooler.

Одновременно с укоренным подогревом наддувочного воздуха в охладителе 8, на указанных выше режимах работы двигателя, происходит ускоренный подогрев смазочного масла в теплообменнике 9 за счет циркуляции части потока охлаждающей жидкости, поступающей из подводящего коллектора 6 в теплообменник и возврата ее через окно 5 в полость 2 охлаждения блока цилиндров при открытом разобщительном клапане 21, а по мере нагрева жидкости клапан 21 закрывается и циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется через окна 4 и 5 и отводящий коллектор 7. Кроме того, ускорению прогрева охлаждающей жидкости способствует и то, что горячая жидкость из охладителя 8 наддувочного воздуха через выходной патрубок 18 поступает в смесительную камеру 11 и способствует повышению температуры циркулирующего потока. Однако основной причиной ускоренного прогрева двигателя, наддувочного воздуха и смазочного масла является то, что на охлаждение двигателя из подводящего коллектора 6 поступает только часть потока охлаждающей жидкости. Поэтому на режимах холостого хода и малых нагрузках охлаждающая жидкость нагревается до более высокой температуры и охладитель 8 наддувочного воздуха и масляный теплообменник 9 работают как подогреватели воздуха и смазочного масла. Simultaneously with the accelerated heating of the charge air in the cooler 8, at the above engine operating modes, there is an accelerated heating of the lubricating oil in the heat exchanger 9 due to the circulation of a part of the coolant flow coming from the supply manifold 6 to the heat exchanger and returning it through the window 5 to the cooling cavity 2 the cylinder block with the uncoupling valve 21 open, and as the fluid heats up, the valve 21 closes and the coolant circulates through windows 4 and 5 and the outlet manifold 7. In addition to Moreover, the fact that the hot liquid from the charge air cooler 8, through the outlet pipe 18 enters the mixing chamber 11 and helps to increase the temperature of the circulating stream, accelerates the heating of the coolant. However, the main reason for the accelerated heating of the engine, charge air and lubricating oil is that only part of the flow of coolant enters the engine from the intake manifold 6 for cooling. Therefore, at idle and low loads, the coolant is heated to a higher temperature and the charge air cooler 8 and the oil heat exchanger 9 operate as air and lubricating oil heaters.

При работе двигателя на номинальном режиме, когда двигатель полностью прогрет, поток охлаждающей жидкости из отводящего коллектора 7 через терморегулятор 15 полностью поступает в секцию 12 радиатора, а через патрубок 14 часть охлаждающей жидкости по трубопроводу 19 поступает в охладитель 8 для охлаждения наддувочного воздуха, а вторая часть потока поступает во вторую секцию, т.е. секцию 13 радиатора для более глубокого охлаждения и затем через входной патрубок 17 в охладитель 8 (на выходе воздуха из охладителя) для дальнейшего охлаждения наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры двигателя. Из охладителя 8 охлаждающая жидкость через выходной патрубок 18 поступает в смесительную камеру 11 циркуляционного насоса 10 и далее в подводящий коллектор 6 на очередной круг циркуляции. Таким образом, на номинальном режиме работы двигателя 1 охладитель 8 и теплообменник 9 работают по своим прямым функциональным назначениям, т.е. как охладители воздуха и смазочного масла. When the engine is operating in the nominal mode, when the engine is fully warmed up, the flow of coolant from the exhaust manifold 7 through the thermostat 15 completely enters the radiator section 12, and through the nozzle 14 part of the coolant through the pipe 19 enters the cooler 8 for cooling the charge air, and the second part of the flow enters the second section, i.e. section 13 of the radiator for deeper cooling and then through the inlet pipe 17 to the cooler 8 (at the outlet of the air from the cooler) for further cooling of the charge air before it enters the engine cylinders. From the cooler 8, the coolant through the outlet pipe 18 enters the mixing chamber 11 of the circulation pump 10 and then to the inlet manifold 6 to the next circulation circle. Thus, in the nominal operating mode of the engine 1, the cooler 8 and the heat exchanger 9 work according to their direct functional purposes, i.e. as air and lubricant oil coolers.

Таким образом предлагаемая система обеспечивает ускоренный прогрев двигателя при пуске и работе его на холостом ходу и малых нагрузках, а также нормальное охлаждение на режимах полных нагрузок. Thus, the proposed system provides accelerated warm-up of the engine during start-up and idling and light loads, as well as normal cooling at full load.

Claims

LIQUID COOLING SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SUPPLY, containing cooling cavities of the block and cylinder covers with windows for supplying and discharging coolant, located at different levels in height, supply and exhaust manifolds, charge air cooler, water-to-oil heat exchanger a circulation water pump with a mixing chamber, a two-section radiator, a temperature regulator and a piping system, and the outlet of the oil-water cooling cavity of the heat exchanger is connected with the cooling cavity of the cylinder block and through the isolation valve with the mixing chamber of the circulating water pump, characterized in that the cooling cavity of the charge air cooler has two inlet pipes, one of which is connected to the first section of the radiator and, additionally, through a temperature regulator with the outlet of the exhaust manifold, and a second inlet pipe with a second radiator section, and one outlet pipe located between the inlet pipes and connected to the mixing chamber ion water pump.