RU2108469C1

RU2108469C1 - Liquid cooling system of internal combustion engine

Info

Publication number: RU2108469C1
Application number: RU96106625A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Груздев
Original assignee: Юрий Иванович Груздев
Priority date: 1996-04-04
Filing date: 1996-04-04
Publication date: 1998-04-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; liquid cooling systems. SUBSTANCE: liquid cooling system of internal combustion engine has cylinder block and head cooling jackets, thermostat, radiator, and main pump. It has additional small hydraulic circuit with thermostat, additional pump building increased dynamic head with check valve at delivery side, entire volume of cylinder block cooling jacket, including lowest points, cylinder head cooling jacket, thermostat along which cooling liquid circulates only during warming up of engine or when engine operates at supercooling. Provision is made for introduction of additional hydraulic circuit along which cooling liquid with high freezing temperature circulates only at warming up of engine or during its operation at supercooling. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с жидкостными системами охлаждения. The invention relates to internal combustion engines with liquid cooling systems.

Известны смешанные жидкостные системы охлаждения, имеющие зоны с принудительной и термосифонной циркуляцией охлаждающей жидкости /Цветков В.Т. Двигатели внутреннего сгорания Харьков: изд. Харьковского госуниверситета 1960, с. 276-279, рис. 282, 280, 281/. Known mixed liquid cooling systems having zones with forced and thermosiphon circulation of the coolant / Tsvetkov V.T. Internal combustion engines Kharkov: ed. Kharkov State University 1960, p. 276-279, fig. 282, 280, 281 /.

Наиболее близкой по технической сущности является система охлаждения, снабженная термостатом [2] . Эта система содержит рубашки охлаждения блока цилиндров и его головки, термостат, воздушно-жидкостный радиатор и насос (основной). Насос обеспечивает принудительную циркуляцию жидкости. Термостат, выполняя функции датчика, командного и исполнительного механизмов, в зависимости от температуры охлаждающей жидкости направляет ее по различным гидравлическим контурам. The closest in technical essence is a cooling system equipped with a thermostat [2]. This system contains cooling jackets for the cylinder block and its heads, a thermostat, an air-liquid radiator, and a pump (main). The pump provides forced fluid circulation. The thermostat, acting as a sensor, command and actuator, depending on the temperature of the coolant directs it through various hydraulic circuits.

В рубашках охлаждения блока цилиндров и головки по характеру движения жидкости различают зоны принудительной и термосифонной циркуляции. In cooling jackets of the cylinder block and head, zones of forced and thermosiphon circulation are distinguished by the nature of the movement of the liquid.

При температуре 80^oC и выше (двигатель прогрет до нормального теплового состояния) жидкость принудительно циркулирует по гидравлическому контуру: насос - верхняя область рубашки охлаждения блока цилиндров - рубашка охлаждения головки блока термостат-радиатор-насос.At a temperature of 80 ^o C and above (the engine is warmed up to a normal thermal state), the fluid is forcibly circulated through the hydraulic circuit: pump - upper area of the cylinder block cooling jacket - thermostat-radiator-pump head cooling jacket.

При температуре 70^oC и ниже (двигатель переохлажден) жидкость термостатом направляется по контуру: насос - верхняя область рубашки охлаждения блока цилиндров - рубашка охлаждения головки блока - термостат - насос.At a temperature of 70 ^o C and below (the engine is supercooled), the liquid is directed by the thermostat along the circuit: pump - upper region of the cylinder block cooling jacket - block head cooling jacket - thermostat - pump.

В интервале температур 70 - 80^oC (промежуточное тепловое состояние двигателя) жидкость циркулирует по обоим контурам одновременно. Количество циркулирующей жидкости по каждому контуру обусловлено степенью срабатывания термостата в зависимости от ее температуры.In the temperature range 70 - 80 ^o C (intermediate thermal state of the engine), the fluid circulates along both circuits simultaneously. The amount of circulating fluid in each circuit is determined by the degree of response of the thermostat, depending on its temperature.

Постоянная принудительная циркуляция жидкости гарантирует надежный отвод тепла от нагретых поверхностей верхней части цилиндров и головки. Но при этом не всегда обеспечивается оптимальное соотношение между количеством отводимого тепла и тепловым состоянием головки и верха цилиндров. Constant forced fluid circulation ensures reliable heat removal from heated surfaces of the upper part of the cylinders and head. But at the same time, the optimal ratio between the amount of heat removed and the thermal state of the cylinder head and top is not always ensured.

В рубашке охлаждения блока цилиндров ниже зоны принудительной циркуляции осуществляется термосифонное (конвективное) движение жидкости при всех тепловых состояниях двигателя (зона термосифонной циркуляции). При этом всегда сохраняется постоянное соотношение между количеством отводимого тепла в жидкость от стенок цилиндров и их тепловым состоянием (эффект саморегулирования). In the cooling jacket of the cylinder block below the forced circulation zone, thermosiphon (convective) fluid movement is carried out at all thermal conditions of the engine (thermosiphon circulation zone). In this case, a constant ratio is always maintained between the amount of heat removed to the liquid from the cylinder walls and their thermal state (self-regulation effect).

Жидкость в зоне принудительной циркуляции нагревается быстрее и сильнее, чем в зоне термосифонного движения. Интенсивность ее циркуляции также выше из-за постоянного воздействия насоса. The fluid in the forced circulation zone heats up faster and stronger than in the zone of thermosiphon movement. The intensity of its circulation is also higher due to the constant exposure to the pump.

В зоне термосифонной циркуляции интенсивность движения жидкости, обусловленная различием ее плотности в разных уровнях жидкости рубашки охлаждения блока цилиндров, невысокая, особенно у переохлажденного двигателя. Тепломассообмен в жидкости между термосифонной и принудительной зонами циркуляции в направлении последней незначителен. In the zone of thermosiphon circulation, the intensity of fluid movement, due to the difference in its density at different liquid levels of the cylinder block cooling jacket, is low, especially for a supercooled engine. Heat and mass transfer in the liquid between the thermosiphon and forced circulation zones in the direction of the latter is negligible.

Температура жидкости на выходе из головки блока, в основном, зависит от ее (головки) теплового состояния при любых режимах работы двигателя. Срабатывание же термостата однозначно обусловлено величиной температуры этой жидкости. Следовательно, термостат регулирует тепловое состояние только верхней части двигателя. Практически верхняя часть цилиндров с головкой и нижняя часть цилиндров прогреваются независимо друг от друга и с различными "скоростями". Возможны случаи переохлаждения нижней части цилиндров при 80^oC и выше жидкости на выходе из головки блока, то есть при включенном радиаторе. Это снижает надежность прогрева цилиндров, увеличивает время установления оптимального теплового состояния двигателя в целом.The temperature of the liquid at the outlet of the head of the block mainly depends on its (head) thermal state under any engine operating conditions. The operation of the thermostat is uniquely determined by the temperature of this liquid. Therefore, the thermostat regulates the thermal state of only the upper part of the engine. In practice, the upper part of the cylinders with the head and the lower part of the cylinders are heated independently of each other and with different “speeds”. There are cases of overcooling of the lower part of the cylinders at 80 ^o C and above the liquid at the outlet of the block head, that is, with the radiator turned on. This reduces the reliability of cylinder heating, increases the time to establish the optimal thermal state of the engine as a whole.

Переохлаждение цилиндров, имеющих распределение температурного поля по высоте даже при нормальном тепловом состоянии двигателя (Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Четвертое издание. М.: Машиностроение, 1984, с. 399, рис. 314б, с. 344 и 345, рис. 317а, 317б) обусловливает значительные термические деформации их стенок и существенное ухудшение протекания термодинамических процессов внутри цилиндров. Это является причиной повышенного износа цилиндрово-поршневой группы, снижения топливной экономичности и уменьшения мощности двигателя (Козлова В.Е. и др. Особенности эксплуатации автотракторных двигателей зимой, Л. : Колос, Ленинградское отд. 1977, с. 5, строки 21- 27 сверху; Анохин В.И., Болтинский В.Н. и др. Тракторы и автомобили, Гос, изд. сельскохоз. литературы, М.: 1957, с. 205, рис. 89 г. Чернов А.С и др. Эксплуатация тракторов и автомобилей в зимних условиях. Изд. МСХ РСФСР, М,: 1963, см. 6, рис. 1, с. 7, рис. 7, с. 8, табл. 1, с.13). Subcooling of cylinders with a vertical temperature field distribution even under normal thermal state of the engine (Internal combustion engines. Design and strength analysis of piston and combined engines. Fourth edition. M: Mashinostroenie, 1984, p. 399, Fig. 314b, p. 344 and 345, Figs. 317a, 317b) causes significant thermal deformations of their walls and a significant deterioration in the course of thermodynamic processes inside the cylinders. This is the reason for the increased wear of the cylinder-piston group, reduced fuel economy and reduced engine power (Kozlova V.E. et al. Features of the operation of tractor engines in winter, L.: Kolos, Leningradskoe Separate 1977, p. 5, lines 21-27 above; Anokhin V.I., Boltinsky V.N. et al. Tractors and automobiles, State Publishing House, published by agricultural literature, Moscow: 1957, p. 205, Fig. 89. Chernov A.S. et al. Operation tractors and automobiles in winter conditions, Publishing House of the Ministry of Agriculture of the RSFSR, M: 1963, see 6, Fig. 1, p. 7, Fig. 7, p. 8, Table 1, p.13).

При полном или частичном прекращении циркуляции через радиатор охлаждающей жидкости с высокой температурой замерзания, /например воды/, существует большая вероятность его размораживания в холодные периоды года. With the complete or partial cessation of circulation through the radiator of a coolant with a high freezing temperature, / for example water /, there is a high probability of it defrosting in cold periods of the year.

Целью изобретения является обеспечение надежности и точности одновременного прогрева цилиндров и головки болта у переохлажденного двигателя, а также исключение опасности замерзания в радиаторе, охлаждающей жидкости с высокой температурой замерзания /например воды/, при низких температурах окружающей среды. The aim of the invention is to ensure reliability and accuracy of simultaneous heating of the cylinders and the bolt head of a supercooled engine, as well as eliminating the danger of freezing in a radiator, coolant with a high freezing temperature (for example water), at low ambient temperatures.

Это достигается тем, что в известную систему охлаждения введен малый гидравлический контур, по которому во время прогрева двигателя под контролем термостата жидкостью переносится тепло орт наиболее быстронагревающей головки к стенкам цилиндров. Нижние пояса их омываемых поверхностей воспринимают это тепло в первую очередь. This is achieved by the fact that a small hydraulic circuit is introduced into the known cooling system, during which, during the engine warming up under the control of the thermostat, the heat is transferred from the fastest heating head to the cylinder walls by liquid. The lower zones of their washed surfaces perceive this heat in the first place.

Для исключения опасности размораживания радиатора через него при переохлаждении двигателя осуществляется постоянная циркуляция охлаждающей жидкости. To eliminate the danger of defrosting the radiator through it during engine cooling, a constant circulation of coolant is carried out.

На фиг. 1 изображена схема предложенной системы охлаждения, на фиг. 2, а, б, в - три вынесенных элемента со схемами обратных клапанов. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed cooling system, FIG. 2, a, b, c - three remote elements with circuits of check valves.

Система охлаждения содержит насос (основной) 1, рубашку 2 охлаждения блока цилиндров, рубашку 3 охлаждения головки блока, термостат 4, воздушно-жидкостный радиатор 5, дополнительный насос 6 с большим динамическим напором чем у насоса 1, устройство 7, подводящее жидкость от насоса 6 к самым низкорасположенным точкам рубашки 2, обратный клапан 8 между насосом 6 и рубашкой 2, трубопровод 9, подводящий жидкость от насоса 1 к гидравлическому участку термостат 4 - верхний бачок радиатора 5, обратный клапан 10, установленный между гидравлическим участком термостат 4 - верхний бачок радиатора 5 и нагнетательной стороной (выходом) насоса 1, обратный клапан 11 между нагнетательной стороной насоса 1 и рубашкой 2. Трубопроводом 9, обратными клапанами 10 и 11 система снабжается при опасности замерзания охлаждающей жидкости, например воды, при низких температурах окружающей среды. The cooling system contains a pump (main) 1, a cylinder block cooling jacket 2, a cylinder head cooling jacket 3, a thermostat 4, an air-liquid radiator 5, an additional pump 6 with a larger dynamic head than pump 1, a device 7, and a supply fluid from pump 6 to the lowest points of the jacket 2, the check valve 8 between the pump 6 and the jacket 2, the pipeline 9, the fluid supplying from the pump 1 to the hydraulic section thermostat 4 - the upper tank of the radiator 5, the check valve 10 installed between the hydraulic section bridge 4 - the upper tank of the radiator 5 and the discharge side (outlet) of the pump 1, the check valve 11 between the discharge side of the pump 1 and the jacket 2. The system is supplied with pipe 9, check valves 10 and 11 in case of danger of freezing of the coolant, for example water, at low temperatures the environment.

Система без трубопровода 9, клапанов 10 и 11 работает следующим образом. The system without pipeline 9, valves 10 and 11 operates as follows.

При температуре 80^oC и выше охлаждающая жидкость, направляемая термостатом 4, циркулирует по большому гидравлическому контуру: термостат 4 - радиатор 5 - насос 1 - верхняя зона рубашки 2 - рубашка 3 - термостат 4.At a temperature of 80 ^o C and above, the coolant directed by thermostat 4 circulates through a large hydraulic circuit: thermostat 4 - radiator 5 - pump 1 - upper zone of the shirt 2 - shirt 3 - thermostat 4.

В рубашке 2 охлаждения блока ниже упомянутой зоны осуществляется термосифонное движение жидкости. Насос 6 работает вхолостую, обратный клапан 8 закрыт, что уменьшает затраты мощности на привод насоса 6 и обеспечивает поддержание установившегося режима термосифонного движения в рубашке 2 при переменном скоростном режиме работы насоса 6. In the cooling jacket 2 of the block below the zone, a thermosiphon fluid movement is carried out. The pump 6 is idle, the check valve 8 is closed, which reduces the power consumption for the drive of the pump 6 and ensures the maintenance of the steady state thermosiphon movement in the jacket 2 at a variable speed mode of operation of the pump 6.

При температуре 70^oC и ниже термостат 4 перекрывает движение жидкости через радиатор 5 и сообщает рубашку 3 головки с насосом 6. Насос 6 обеспечивает циркуляцию жидкости под избыточным давлением по малому гидравлическому контуру: термостат 4 - насос 6 - устройство 7 - весь объем рубашки 2 с самыми ее низкорасположенными точками - рубашка 3 - термостат. Клапан 8 открыт, насос 1 работает вхолостую. Жидкость переносит тепло от наиболее быстро нагревающейся и более нагретой головки в самую низкорасположенную зону рубашки 2 охлаждения блока цилиндров. Этим теплом начинают нагреваться снизу вверх наружные стенки цилиндров. Внутренние поверхности цилиндров забирают тепло от продуктов сгорания. Двухсторонний подвод тепла обеспечивает ускоренный прогрев цилиндров одновременно с головкой блока.At a temperature of 70 ^o C and below, thermostat 4 blocks the movement of fluid through the radiator 5 and communicates the head jacket 3 with pump 6. Pump 6 provides fluid circulation under overpressure along the small hydraulic circuit: thermostat 4 - pump 6 - device 7 - entire volume of the jacket 2 with its lowest points - shirt 3 - thermostat. Valve 8 is open, pump 1 is idle. The liquid transfers heat from the most rapidly heating and warmer head to the lowest position of the cylinder block cooling jacket 2. With this heat, the outer walls of the cylinders begin to heat from bottom to top. The inner surfaces of the cylinders take away heat from the combustion products. Two-sided heat supply provides accelerated heating of the cylinders simultaneously with the block head.

Точность и надежность одновременного прогрева стенок цилиндров и головки блока у переохлажденного двигателя обеспечивается термостатом 4, чувствительный элемент которого омывается жидкостью, последовательно проходящей снизу вверх через рубашку 2 охлаждения блока цилиндров и рубашку 3 охлаждения головки блока. Температура жидкости, обусловленная тепловым состоянием стенок цилиндров и головки, непосредственно влияет на степень срабатывания термостата 4. Практически термостат регулирует тепловое состояние всего двигателя. The accuracy and reliability of the simultaneous heating of the walls of the cylinders and the head of the block of a supercooled engine is ensured by a thermostat 4, the sensitive element of which is washed by a liquid passing sequentially from the bottom up through the cooling jacket 2 of the cylinder block and the cooling jacket 3 of the cylinder head. The temperature of the liquid, due to the thermal state of the walls of the cylinders and the head, directly affects the degree of response of the thermostat 4. In practice, the thermostat regulates the thermal state of the entire engine.

В интервале температур 70-80^oC осуществляется циркуляция жидкости по большому и малому контурам при одновременной работе насосов 1 и 6. Величина подачи жидкости насосами 1 и 6 зависит от степени срабатывания термостата 4 и соотношения величин динамических напоров, создаваемых насосами 1 и 6.In the temperature range of 70-80 ^o C the fluid is circulated along the large and small circuits with the simultaneous operation of pumps 1 and 6. The amount of fluid supply by pumps 1 and 6 depends on the degree of response of the thermostat 4 and the ratio of the dynamic pressure created by pumps 1 and 6.

Большой динамический напор насоса 6 по сравнению с насосом 1 обеспечивает запаздывание начала частичной циркуляции жидкости с температурой в интервале 70 - 80^oC через радиатор 5, что способствует ускорению стенок цилиндров.The large dynamic pressure of the pump 6 in comparison with the pump 1 provides a delay in the beginning of the partial circulation of the liquid with a temperature in the range of 70 - 80 ^o C through the radiator 5, which helps to accelerate the walls of the cylinders.

Система, снабженная трубопроводом 9, клапанами 10 и 11, работает следующим образом. A system equipped with a pipe 9, valves 10 and 11, operates as follows.

При температуре 80^oC и выше охлаждающая жидкость циркулирует по большому гидравлическому контуру (см. выше). Обратный клапан 11 открыт динамическим напором насоса 1, динамический напор жидкости на участке термостат 4 - верхний бачок радиатора 5 закрывает обратный клапан 10, насос 6 работает вхолостую, обратный клапан 8 закрыт давлением жидкости в рубашке 2.At a temperature of 80 ^o C and above, the coolant circulates through a large hydraulic circuit (see above). The non-return valve 11 is opened by the dynamic pressure of the pump 1, the dynamic pressure of the liquid in the thermostat 4 section - the upper tank of the radiator 5 closes the non-return valve 10, the pump 6 is idle, the non-return valve 8 is closed by the pressure of the liquid in the jacket 2.

При температуре 70^oC и ниже часть жидкости циркулирует по малому гидравлическому контуру (см. выше). Динамический напор насоса 6 открывает обратный клапан 8 и закрывает клапан 11. Насос 1 обеспечивает циркуляцию другой части жидкости через открытый обратный клапан 10 по дополнительному гидравлическому контуру: насос 1 - трубопровод 9 - радиатор 5 - насос 1.At a temperature of 70 ^o C and below, part of the fluid circulates along a small hydraulic circuit (see above). The dynamic pressure of the pump 6 opens the check valve 8 and closes the valve 11. The pump 1 circulates the other part of the liquid through the open check valve 10 through an additional hydraulic circuit: pump 1 - pipe 9 - radiator 5 - pump 1.

В интервале температур 70-80^oC жидкость циркулирует одновременно по большому, малому и дополнительному гидравлическим контурам под воздействием насосов 1 и 6. Обратные клапаны 8, 10 и 11 частично открыты. Количество циркулирующей жидкости по каждому контуру обусловлено степенью срабатывания термостата 4 с и соотношением величин напоров, создаваемых насосами 1 и 6.In the temperature range 70-80 ^o C, the fluid circulates simultaneously along the large, small and additional hydraulic circuits under the influence of pumps 1 and 6. The check valves 8, 10 and 11 are partially open. The amount of circulating fluid in each circuit is determined by the degree of operation of the thermostat 4 s and the ratio of the pressure values created by pumps 1 and 6.

Циркуляция охлаждающей жидкости с высокой температурой замерзания, например воды, через радиатор 5 при всех режимах работы системы и любых тепловых состояниях двигателя исключает опасность размораживания радиатора 5 в холодное время года. The circulation of coolant with a high freezing point, such as water, through the radiator 5 under all operating conditions of the system and any thermal conditions of the engine eliminates the risk of defrosting the radiator 5 in the cold season.

Дополнительный контур в летнее время можно выключить из работы, зафиксировав клапан 10 в закрытом и клапан 11 в открытом положениях. In summer, the additional circuit can be switched off from operation by fixing valve 10 in the closed position and valve 11 in the open position.

Таким образом, предложенная система охлаждения обеспечивает надежность и точность одновременного прогрева цилиндров и головки под контролем и управлением термостата, что обусловливает уменьшение износов и улучшение топливной экономичности переохлажденного двигателя. Thus, the proposed cooling system ensures the reliability and accuracy of the simultaneous heating of the cylinders and head under the control and control of the thermostat, which leads to reduced wear and improved fuel economy of the supercooled engine.

У прогретого двигателя обеспечивается надежное охлаждение головки блока и саморегулирование оптимального теплового состояния стенок цилиндров. A warm engine provides reliable cooling of the head of the block and self-regulation of the optimal thermal state of the cylinder walls.

Дополнительный контур исключает опасность размораживания радиатора 5. Использование воды в системе охлаждения двигателя уменьшает затраты средств и труда при его эксплуатации, обусловленные свойствами антифризов (тосолов). An additional circuit eliminates the risk of defrosting of the radiator 5. The use of water in the engine cooling system reduces the cost of money and labor during its operation, due to the properties of antifreeze (antifreeze).

Использование предложенной системы позволяет сохранить гидравлические и прочие характеристики рубашек 2 и 3 охлаждения соответственно блока цилиндров и головки двигателя, насоса 1 (основного), термостата 4, существующих систем охлаждения. Изготовление подводящего устройства 7, трубопровода 9, клапанов 8, 10 и 11 не повлечет за собой особых затрат. Единственным относительно сложным в смысле изготовления является дополнительный насос 6, который по принципу работы и конструкции может быть аналогичен насосу 1. Using the proposed system allows you to save the hydraulic and other characteristics of the cooling shirts 2 and 3, respectively, of the cylinder block and engine head, pump 1 (main), thermostat 4, existing cooling systems. The manufacture of the supply device 7, pipeline 9, valves 8, 10 and 11 will not entail special costs. The only relatively difficult in terms of manufacturing is an additional pump 6, which by the principle of operation and design can be similar to pump 1.

Claims

1. A liquid cooling system of an internal combustion engine containing cooling jackets for the cylinder block and its head, a thermostat, a radiator, a pump (main), characterized in that a small hydraulic circuit is introduced: a thermostat is an additional pump that develops an increased dynamic pressure, with a check valve on the discharge side (at the outlet) - the entire volume of the cooling jacket for the cylinder block, including its lowest points, - the cooling jacket for the head of the block-thermostat, along which the coolant circulates only during engine warm-up or during its operation with subcooling.

2. The system according to claim 1, characterized in that an additional hydraulic circuit is introduced: a pump (main), equipped with two check valves on the discharge side (at the outlet) - a radiator-pump (main), according to which coolant with a high freezing temperature ( for example, water) circulates only when the engine warms up or when it works with subcooling.