RU2640661C1

RU2640661C1 - Liquid cooling system

Info

Publication number: RU2640661C1
Application number: RU2017104645A
Authority: RU
Inventors: Марк Евгеньевич Дискин
Original assignee: Марк Евгеньевич Дискин
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-01-11

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: liquid cooling system has an engine cooling jacket 1 connected to a closed circuit and filled with cooling liquid and provided with a fuel feed lever 2, a liquid pump 3, a cooling radiator 4, an expansion tank 5 connected to them, a blowing fan 6 of a radiator 4 with air flow controller, cooling liquid temperature sensor 7 installed in the engine cooling jacket 1, cooling liquid flow control valves 8, 9 located in the pipeline connecting the cooling jacket 1 of the engine with the radiator 4 of cooling liquid, and in the pipeline connecting the cooling jacket 1 of the engine with the liquid pump 3, a check valve 10 which connects the expansion tank 5 cavity free from cooling liquid to the atmosphere, an electronic control unit 11 connected to a controllable shut-off valve 12 connecting the expansion tank 5 cavity free from the cooling liquid to the atmosphere, a pressure sensor 13 in the expansion tank 5, a cooling liquid temperature sensor 7, flow control valves 8, 9 of cooling liquid and the blowing fan 6 of the radiator 4 with air flow controller, the fuel feed lever 2 is provided with a position sensor 13 connected in turn with the electronic control unit 11.

EFFECT: invention provides control of heat removal from the parts of internal combustion engine depending from outer air temperatures and operational loads.

1 dwg,1 tbl

Description

Изобретение относится к технике двигателестроения, а именно к системам жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в указанных двигателях. Системы жидкостного охлаждения современных двигателей внутреннего сгорания должны отвечать жестким, зачастую противоречивым требованиям. При работе двигателя его детали нагреваются вследствие трения и соприкосновения с горячими газами. Допустимая температура их нагревания ограничена жаростойкостью материалов, свойствами смазочных масел, надежностью работы отдельных узлов или условиями протекания рабочего процесса в цилиндрах. Для обеспечения допустимой температуры деталей двигателя их охлаждают. Однако с охлаждающей жидкостью уносится часть теплоты, выделившейся при сгорании, т.е. увеличатся ее потери, в связи с чем охлаждать двигатель следует лишь в той степени, насколько это необходимо для его надежной работы. Важно выбрать оптимальный режим охлаждения, при котором могут быть достигнуты следующие основные преимущества:The invention relates to techniques for engine building, and in particular to liquid cooling systems of internal combustion engines (ICE), and can be used in these engines. Liquid cooling systems of modern internal combustion engines must meet stringent, often conflicting requirements. When the engine is running, its parts are heated due to friction and contact with hot gases. The permissible temperature of their heating is limited by the heat resistance of materials, the properties of lubricating oils, the reliability of individual components, or the conditions of a working process in cylinders. To ensure acceptable temperature of engine parts, they are cooled. However, part of the heat released during combustion is carried away with the coolant, i.e. its losses will increase, and therefore the engine should be cooled only to the extent necessary for its reliable operation. It is important to choose the optimal cooling mode in which the following main advantages can be achieved:

- создание более благоприятных условий для организации рабочего процесса ДВС и улучшения его индикаторных показателей на частичных нагрузках за счет повышения температурного уровня ограждающих стенок камеры сгорания и уменьшения больших коэффициентов избытка воздуха;- creating more favorable conditions for organizing the ICE workflow and improving its indicator indicators at partial loads by increasing the temperature level of the walls of the combustion chamber and reducing large coefficients of excess air;

- повышение механического КПД ДВС во всем диапазоне нагрузок за счет уменьшения вязкости более нагретого масла на стенках цилиндра;- increase the mechanical efficiency of the internal combustion engine in the entire load range by reducing the viscosity of more heated oil on the cylinder walls;

- перераспределение составляющих теплового баланса ДВС в направлении роста величины потерь тепла с выпускными газами и уменьшения величины потерь тепла с охлаждающей водой, что расширяет возможности применения газотурбинного наддува;- redistribution of the components of the heat balance of the internal combustion engine in the direction of increasing the value of heat loss with exhaust gases and reducing the value of heat loss with cooling water, which expands the possibilities of using gas turbine pressurization;

- стабилизация и выравнивание на всех режимах работы температурных полей деталей цилиндропоршневой группы, что, несмотря на повышение их температуры в целом, ведет к снижению термических напряжений в этих деталях (А.В. Разуваев, Е.А. Соколова, Е.А. Разуваева. Повышение эффективности энергетических установок. Вестник Саратовского государственного технического университета, №1, том 3, 2010).- stabilization and alignment at all operating modes of temperature fields of parts of the cylinder-piston group, which, despite an increase in their temperature as a whole, leads to a decrease in thermal stresses in these parts (A.V. Razuvaev, E.A. Sokolova, E.A. Razuvaeva Improving the efficiency of power plants. Bulletin of the Saratov State Technical University, No. 1, volume 3, 2010).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение оптимального режима охлаждения, при котором могут быть достигнуты указанные выше основные преимущества регулирования условий отвода теплоты от деталей двигателя внутреннего сгорания в зависимости от температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок.The problem to which the present invention is directed is to provide an optimal cooling mode in which the above main advantages of regulating the conditions for removing heat from parts of an internal combustion engine depending on the outdoor temperature and operating loads can be achieved.

Известна система жидкостного охлаждения закрытого типа с принудительной циркуляцией жидкости (Автомобили КамАЗ типа 6x4: Руководство по эксплуатации 5320-3902004РЭ и сервис. АО "КамАЗ". - М.: Машиностроение, 1994). Она состоит из соединенных в замкнутый контур и заполненных охлаждающей жидкостью рубашки охлаждения двигателя, жидкостного насоса, радиатора охлаждения, а также связанного с ними расширительного бачка, вентилятора, обдувающего радиатор охлаждения, с регулятором потока воздуха. Содержит датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения двигателя, клапаны регулирования расхода охлаждающей жидкости в зависимости от ее температуры, размещенные в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с радиатором охлаждающей жидкости, и в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с насосом охлаждающей жидкости (термостат). Расширительный бачек снабжен клапаном предельного избыточного давления, соединяющим свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка с атмосферой, и обратным клапаном. Система жидкостного охлаждения, принятая за прототип, работает следующим образом.A well-known closed-type liquid cooling system with forced circulation of liquid (KamAZ type 6x4 cars: Operation manual 5320-3902004RE and service. KamAZ JSC. - M.: Mashinostroenie, 1994). It consists of an engine cooling jacket, a liquid pump, a cooling radiator, and a related expansion tank, a fan blowing a cooling radiator, and an air flow regulator connected to them in a closed circuit and filled with coolant. It contains a coolant temperature sensor installed in the engine cooling jacket, valves for regulating the coolant flow depending on its temperature, located in the pipeline connecting the engine cooling jacket to the coolant radiator, and in the pipeline connecting the engine cooling jacket to the coolant pump (thermostat ) The expansion tank is equipped with an overpressure valve connecting the cavity of the expansion tank free of coolant to the atmosphere and a non-return valve. The liquid cooling system adopted for the prototype works as follows.

В процессе работы двигателя находящаяся в системе охлаждения жидкость циркулирует в замкнутом контуре между рубашкой охлаждения двигателя и радиатором охлаждения, отбирая избыточное тепло от стенок рубашки охлаждения двигателя и перенося его к радиатору охлаждения, через который тепло отводится в окружающую среду. По мере прогрева и расширения жидкости в закрытой системе охлаждения происходит рост давления, повышающий температуру кипения охлаждающей жидкости и уменьшающий кавитационные эффекты.During engine operation, the liquid in the cooling system circulates in a closed circuit between the engine cooling jacket and the cooling radiator, taking away excess heat from the walls of the engine cooling jacket and transferring it to the cooling radiator, through which heat is removed to the environment. As the fluid warms up and expands in a closed cooling system, an increase in pressure occurs, which increases the boiling point of the coolant and reduces cavitation effects.

Рост давления сверх уровня, определенного разработчиком для конкретной конструкции двигателя, ограничивается клапаном предельного избыточного давления расширительного бачка путем выпуска воздуха из воздушной полости расширительного бачка в окружающую среду. По окончании работы двигателя температура охлаждающей жидкости и ее объем уменьшаются, давление в системе охлаждения падает. При понижении давления в расширительном бачке ниже атмосферного открывается обратный клапан. При повторном запуске двигателя процесс выхода на рабочий режим повторяется.The pressure increase above the level determined by the developer for a particular engine design is limited by the valve of the maximum overpressure of the expansion tank by releasing air from the air cavity of the expansion tank into the environment. At the end of engine operation, the temperature of the coolant and its volume decrease, the pressure in the cooling system drops. When the pressure in the expansion tank is lower than atmospheric, the check valve opens. When the engine is restarted, the process of entering the operating mode is repeated.

Теплообмен между охлаждающей жидкостью и стенками рубашки охлаждения кроме скорости циркуляции охлаждающей жидкости и температур стенок t_c и жидкости t_ж определяется еще, так называемой температурой недогрева Δt=t_пр-t_ж, где t_пр - температура насыщенных паров охлаждающей жидкости при определенном давлении в рубашке охлаждения. Это давление практически равно давлению в расширительном бачке. Зависимость коэффициента теплопередачи α от стенки к охлаждающей жидкости от температуры недогрева Δt имеет максимум - зону пузырькового кипения, которой предшествует зона конвективного теплообмена. При понижении температуры недогрева происходит развитие пленочного кипения и снижение коэффициента теплоотдачи α от стенки к жидкости. Поэтому наиболее рационально поддерживать температуру недогрева в пределах примерно 10≤Δt≤20°C (Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей. - М.: Машиностроение. 1985).Heat exchange between the cooling fluid and the walls of the cooling jacket except coolant circulation rate and temperature of the walls t _c and t _w is determined by liquid yet, so-called subcooling temperature Δt = t _f -t _etc. where t _pr - saturated vapor temperature of the coolant at a specific pressure in cooling shirt. This pressure is almost equal to the pressure in the expansion tank. The dependence of the heat transfer coefficient α from the wall to the coolant on the temperature of underheating Δt has a maximum — the bubble boiling zone, which is preceded by the convective heat transfer zone. With a decrease in the temperature of underheating, film boiling develops and the heat transfer coefficient α decreases from the wall to the liquid. Therefore, it is most rational to maintain the temperature of underheating in the range of about 10≤Δt≤20 ° C (Liquid cooling of automobile engines. - M .: Mechanical Engineering. 1985).

Указанная система обеспечивает поддержание температуры охлаждающей жидкости в пределах обеспечивающих безотказную работу двигателя во всем диапазоне предусмотренных температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок. Однако не может обеспечить поддержание температуры недогрева в оптимальных пределах во всем диапазоне предусмотренных температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок, т.е. решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата.The specified system ensures that the temperature of the coolant is maintained within the limits of ensuring trouble-free operation of the engine in the entire range of the stipulated outdoor temperatures and operating loads. However, it cannot ensure that the temperature of underheating is maintained in optimal limits over the entire range of the prescribed outdoor temperatures and operating loads, i.e. solving the problem with the achievement of the claimed technical result.

Для решения поставленной задачи с достижением заявляемого технического результата система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, оснащенного рычагом управления подачей топлива, закрытая, содержащая соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения двигателя, жидкостной насос, радиатор охлаждения, а также связанный с ними расширительный бачок, вентилятор обдува радиатора с регулятором потока воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения двигателя, клапаны регулирования расхода охлаждающей жидкости, размещенные в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с радиатором охлаждающей жидкости, и в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с насосом охлаждающей жидкости, обратный клапан, соединяющий свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка с атмосферой, дополнена регулируемым запорным клапаном, соединяющим свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка с атмосферой, датчиком давления в расширительном бачке, датчиком положения рычага подачи топлива, электронным блоком управления, связанным с датчиками, регулируемыми запорными клапанами, регулятором потока воздуха.To solve the problem with the achievement of the claimed technical result, the liquid cooling system of an internal combustion engine equipped with a fuel control lever is closed, containing an engine cooling jacket connected to a closed circuit and filled with cooling liquid, a liquid pump, a cooling radiator, and also an associated expansion tank , radiator blower fan with air flow regulator, coolant temperature sensor installed in the engine cooling jacket pressure gauge, coolant flow control valves, located in the pipeline connecting the engine cooling jacket to the coolant radiator, and in the pipeline connecting the engine cooling jacket to the coolant pump, the check valve connecting the coolant-free cavity of the expansion tank with the atmosphere is complemented by an adjustable shut-off valve connecting the coolant-free cavity of the expansion tank with the atmosphere, a pressure sensor in the expansion tank , fuel lever position sensor, electronic control unit associated with sensors, adjustable shut-off valves, air flow regulator.

На фиг. 1 показана схема предлагаемой системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed liquid cooling system of an internal combustion engine.

В качестве доказательства промышленной осуществимости заявленного изобретения с достижением вышеуказанного технического результата ниже приводится описание конкретной, но не единственно возможной, системы жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания.As evidence of the industrial feasibility of the claimed invention with the achievement of the above technical result, a specific, but not the only possible, liquid cooling system of an internal combustion engine is described below.

Система жидкостного охлаждения содержит соединенные в замкнутый контур и заполненные охлаждающей жидкостью рубашку охлаждения 1 двигателя, снабженного рычагом подачи топлива 2, жидкостной насос 3, радиатор охлаждения 4, связанный с ними расширительный бачок 5, вентилятор обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха, датчик температуры 7 охлаждающей жидкости, установленный в рубашке охлаждения 1 двигателя, клапаны регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости, размещенные в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения 1 двигателя с радиатором 4 охлаждающей жидкости, и в трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения 1 двигателя с жидкостным насосом 3, обратный клапан 10, соединяющий свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка 5 с атмосферой, электронный блок управления 11, соединенный с регулируемым запорным клапаном 12, соединяющим свободную от охлаждающей жидкости полость расширительного бачка 5 с атмосферой, датчиком давления 13 в расширительном бачке 5, датчиком температуры 7 охлаждающей жидкости, клапанами регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости и вентилятором обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха, а рычаг подачи топлива 2 снабжен датчиком положения 13, соединенным в свою очередь с электронным блоком управления 11. Клапаны регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости оборудованы дистанционным приводом, например шаговым электродвигателем. Под термином «вентилятор обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха» подразумевается как вентилятор с механизмом управляемого отключения, например гидродинамическая муфта или вязкостная муфта привода вентилятора, так и управляемый привод устройства перекрывающего поток воздуха через радиатор - жалюзи, шторка или сочетание этих устройств. Электронный блок управления 11 представляет собой, например, программируемый контроллер. Регулируемый запорный клапан 12 снабжен дистанционным приводом, например электромагнитом.The liquid cooling system includes a cooling jacket 1 connected to a closed circuit and filled with coolant, an engine equipped with a fuel supply lever 2, a liquid pump 3, a cooling radiator 4, an associated expansion tank 5, a blower fan 6 of the radiator 4 with an air flow regulator, a temperature sensor 7 coolant installed in the engine cooling jacket 1, flow control valves 8, 9 coolant located in the pipeline connecting the engine cooling jacket 1 to the radiator 4 of the coolant, and in the pipeline connecting the cooling jacket 1 of the engine to the liquid pump 3, a check valve 10 connecting the coolant-free cavity of the expansion tank 5 to the atmosphere, an electronic control unit 11 connected to an adjustable shut-off valve 12 connecting the free coolant cavity of the expansion tank 5 with atmosphere, pressure sensor 13 in the expansion tank 5, temperature sensor 7 of the coolant, flow control valves 8, 9 of the coolant STI and blowing fan 6, the radiator 4 with the air flow regulator and the fuel supply lever 2 is provided with a position sensor 13 connected in turn to the electronic control unit 11. The flow control valves 8, 9 are equipped with coolant remote drive, for example a stepper motor. The term "blower fan 6 of the radiator 4 with air flow regulator" means both a fan with a controlled shutdown mechanism, for example, a hydrodynamic coupling or a viscous coupling of a fan drive, and a controlled drive of a device that blocks the air flow through a radiator - blinds, a curtain, or a combination of these devices. The electronic control unit 11 is, for example, a programmable controller. Adjustable shut-off valve 12 is equipped with a remote actuator, such as an electromagnet.

Предложенная система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.The proposed liquid cooling system of an internal combustion engine operates as follows.

Электронный блок управления 11 на основании с заложенной в него программы устанавливает давление открытия регулируемого запорного клапана 12 в соответствии с показанием датчика положения 13 рычага подачи топлива 2. Программа содержит также информацию о зависимости температуры открытия и закрытия клапанов регулирования расхода 8, 9 охлаждающей жидкости и включения и выключения вентилятор обдува 6 радиатора 4 с регулятором потока воздуха от показаний датчика положения 13 рычага подачи топлива 2. Например, как представлено в таблице.The electronic control unit 11, based on the program incorporated in it, sets the opening pressure of the adjustable shut-off valve 12 in accordance with the indication of the position sensor 13 of the fuel supply lever 2. The program also contains information on the dependence of the opening and closing temperatures of the coolant flow control valves 8, 9 and on and off fan blower 6 radiator 4 with air flow regulator from the readings of the position sensor 13 of the fuel supply lever 2. For example, as shown in the table.

Указанные в таблице диапазоны нагрузки двигателя, соответствующие диапазонам положения рычага подачи топлива 2, их количество и значения давления открытия запорного клапана 12 и открытия (закрытия) клапана 8, закрытия (открытия) клапана 9 и включения (отключения) вентилятора обдува 6 для каждого диапазона нагрузки двигателя и для каждой модели двигателя могут быть индивидуальны. Наиболее рациональным является определение конкретных значений вышеуказанных величин на основании опытно-конструкторских работ с конкретной моделью двигателя.The engine load ranges indicated in the table corresponding to the ranges of the position of the fuel supply lever 2, their number and pressure values for opening the shut-off valve 12 and opening (closing) the valve 8, closing (opening) the valve 9 and turning on (off) the blower fan 6 for each load range engine and for each engine model can be individual. The most rational is the determination of specific values of the above values on the basis of development work with a specific engine model.

В процессе работы охлаждающая жидкость под действием насоса 3 циркулирует по рубашке охлаждения двигателя 1, отбирает тепло от горячих стенок рубашки охлаждения двигателя 1, обеспечивая постепенное повышение температуры стенок рубашки охлаждения 1 двигателя и охлаждающей жидкости. По мере прогрева охлаждающей жидкости в закрытой системе охлаждения происходит рост давления до уровня, ограничиваемого клапаном 12, которому на каждом режиме работы двигателя соответствует определенная температура насыщения паров охлаждающей жидкости (см. таблицу). Проектная мощность теплорассеивания радиатора 4 при полном потоке охлаждающей жидкости через радиатор 4 (клапан 8 полностью открыт, а клапан 9 полностью закрыт) и полном потоке воздуха через радиатор 4 (включен вентилятор обдува 6) должна быть не меньше мощности тепловыделения в рубашку охлаждения двигателя 1 на режиме 100% мощности при предельной температуре наружного воздуха и предельной температуре парообразования, соответствующей этому режиму.During operation, the coolant under the action of the pump 3 circulates through the cooling jacket of the engine 1, removes heat from the hot walls of the cooling jacket of the engine 1, providing a gradual increase in the temperature of the walls of the cooling jacket 1 of the engine and coolant. As the coolant warms up in a closed cooling system, pressure increases to a level limited by valve 12, which at each engine operation mode corresponds to a certain saturation temperature of the coolant vapor (see table). The design heat dissipation capacity of radiator 4 with a full flow of coolant through radiator 4 (valve 8 is fully open and valve 9 is completely closed) and full air flow through radiator 4 (blower fan 6 is on) should be not less than the heat dissipation into engine cooling jacket 1 by 100% power mode at the maximum temperature of the outside air and the maximum temperature of vaporization corresponding to this mode.

На каждом режиме работы вследствие открытия (закрытия) клапанов 8, 9 и включения (отключения) вентилятора обдува 6 температура охлаждающей жидкости стремится к стабилизации на уровне между температурами открытия (закрытия) клапанов 8, 9 и включения (отключения) вентилятора обдува 6, представленными в таблице. Этот уровень температур на режимах меньше 75% мощности и во всем допустимом диапазоне температур наружного воздуха выше, чем на режимах больше 75% мощности. Следовательно, учитывая также снижение средней температуры рабочего тела двигателя, на режимах меньше 75% мощности происходит снижение теплоотвода в систему охлаждения и обеспечивается оптимальный режим охлаждения, при котором достигаются указанные выше основные преимущества регулирования условий отвода теплоты от деталей двигателя внутреннего сгорания в зависимости от температур наружного воздуха и эксплуатационных нагрузок.At each operating mode, due to the opening (closing) of valves 8, 9 and turning on (off) the blower fan 6, the temperature of the coolant tends to stabilize between the temperatures of opening (closing) of valves 8, 9 and turning on (off) the blower 6, presented in table. This temperature level in the modes is less than 75% of power and in the entire permissible range of outdoor temperatures is higher than in modes of more than 75% of power. Therefore, taking into account the decrease in the average temperature of the working fluid of the engine, at less than 75% of the power, the heat sink to the cooling system decreases and the optimum cooling mode is achieved, which achieves the above main advantages of regulating the conditions of heat removal from parts of the internal combustion engine depending on the outside temperature air and operational loads.

Claims

The liquid cooling system of an internal combustion engine equipped with a fuel control lever is closed, containing an engine cooling jacket connected to a closed circuit and filled with cooling liquid, a liquid pump, a cooling radiator, as well as an associated expansion tank, a radiator blower fan with an air flow regulator, coolant temperature sensor installed in the engine cooling jacket, valves for regulating the flow of coolant depending on its temperature The temperature in the pipeline connecting the engine cooling jacket to the coolant radiator and in the pipeline connecting the engine cooling jacket to the coolant pump, a non-return valve connecting the coolant-free cavity of the expansion tank with the atmosphere, characterized in that an additional adjustable shut-off valve is installed valve connecting the coolant-free cavity of the expansion tank with the atmosphere, pressure sensor in the expansion tank, position sensor fuel supply lever, electronic control unit associated with sensors controlled by shut-off valves, air flow regulator.