Система охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания
Полезная модель относится к области двигателестроения, в частности к системам охлаждения транспортных ДВС. Заявляемое устройство решает задачу создания системы охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания, состоящей из открытого внутреннего контура и закрытого внутреннего контура, которые в зависимости от нагрузки и условий эксплуатации используются в системе охлаждения транспортного ДВС.
Для решения этой задачи во внутреннем контуре системы охлаждения применяется паровоздушный клапан, для подключения которого к внутреннему контуру системы используется трехходовой кран с электрическим исполнительным механизмом. Регулируя положение трехходового крана, система охлаждения может быть открытой при подключении к внутреннему контуру расширительного бачка или закрытой при подключении к внутреннему контуру паровоздушного клапана. В системе охлаждения предусмотрен электрический терморегулятор. Для регулирования работой электрического исполнительного механизма трехходового крана и электрического терморегулятора используется электронный блок управления и обеспечивается комбинированное регулирование.
В ходовой рубке пользователя находится пульт управления, который в зависимости от нагрузки и условий эксплуатации позволяет выбрать варианты работы системы охлаждения.
Вариант №1. «Маневренный режим. Остановка». При этом режиме на режимах холостого хода и частичных нагрузок работает закрытая система охлаждения и в системе поддерживается температура охлаждающей воды 95-100°С. При повышении нагрузки, т.е. на номинальных нагрузках система охлаждения становится открытой, в системе поддерживается температура воды 80-85°С.
Вариант №2. «Ходовой режим». При этом режиме на всех режимах система охлаждения двигателя становится открытой, температура охлаждающе воды регулируется электрическим терморегулятором. В этом случае при работе двигателя на частичных нагрузках в системе поддерживается 65-70°С, а на номинальных — 80-85°С.
При остановке двигателя независимо от варианта работы двигателя пользователь использует «Вариант №2». В этом случае двигатель, начинает работать на частоте холостого хода, понижается температура охлаждающей воды до 60-65°С и двигатель останавливается.
Забортная вода внешнего контура после теплообмена с внутренним контуром охлаждающей воды нагревается и может быть использована для судовых нужд или удалена за борт.
Таким образом, поддерживая оптимальный режим охлаждающей воды в системе на переменных нагрузках, повышаются технико-экономические и экологические показатели работы двигателя.
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) относится к двигателестроению и может быть использована в двигателях внутреннего сгорания транспортных средств, в том числе в судовых дизелях портовых буксиров, толкачей, промысловых судов и т.п.
Работа большей части вышеназванных судов в условиях эксплуатации характеризуется частыми и резкими сменами режимов. Например, работа портового буксира практически полностью связана с неустановившимся режимом, частыми остановками и пусками. Спектр по нагрузке весьма велик. Так, хронометраж работы главного двигателя внутреннего сгорания морского портового буксира [1], осуществляющего буксировку судов большой парусности в стесненных условиях при сильном ветре показал, что при общей 14 часовой работе двигателя за каждый час были произведены 29 пусков и 102 хода. Из них «Самый малый» — 60; «Малый» — 27; «Средний» — 3; «Задний» — 12.
Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что современные системы охлаждения, спроектированные для условий номинального режима двигателей, при работе на малых нагрузках, несмотря на наличие термостатирующих устройств, не обеспечивают поддержание заданного уровня температуры систем охлаждения и приводят к переохлаждению двигателя, особенно в холодное время года.
Таким образом, изменение нагрузок двигателя приводит к нарушению оптимальных параметров теплового состояния двигателя, что оказывает, как правило, отрицательное влияние на характер протекания рабочего процесса в цилиндрах. В результате ухудшаются технико-экономические и экологические показатели работы транспортных ДВС.
Известна система охлаждения для ДВС автомобиля с радиатором и клапаном термостата [2], при помощи которого температура охлаждающего вещества может регулироваться в режиме прогрева, смешанном режиме и в режиме охладителя. Клапан термостата содержит элемент из расширяющего материала, для понижения температуры охлаждающего вещества может электрически нагреваться.
Данная система охлаждения в основном работает в 3-х режимах. В первом режиме поток охлаждающего вещества полностью направляется обратно на двигатель. Во втором режиме система охлаждения работает в смешанном режиме, т.е. с двигателя охлаждающая жидкость частично идет через радиатор и частично обратно на двигатель. В третьем режиме работы система охлаждения работает в режиме охладителя, т.е. охлаждающая жидкость в основном полностью направляется через радиатор обратно на двигатель. При такой конструкции термостата на режимах холостого хода и частичных нагрузках удается поддерживать температуру в системе охлаждения 105°С.
Предлагаемое устройство является системой охлаждения закрытого типа, поэтому данная система не может быть использована в системах охлаждения судовых ДВС, т.к. в судовых двигателях используются открытые системы охлаждения. Температура в открытых системах охлаждения, хотя может быть доведена до 100°С, но как показывают исследования, что при температуре охлаждающей воды выше 97°С приводит к пристенному кипению и возникает опасность появления пленочного кипения в зарубашечном пространстве, что недопустимо в ДВС. Кроме того, при температуре охлаждающей воды выше 90°С в открытой системе охлаждения отмечаются значительные потери охлаждающей воды испарением.
Наиболее близким техническим решением является «Система охлаждения ДВС» [3]. Система охлаждения двигателя содержит внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий полости охлаждения двигателя, терморегулятор, выполненный в виде трехходового крана с электрическим исполнительньм механизмом, циркуляционный насос, жидкостно-жидкостной теплообменник, датчик температуры охлаждающей жидкости, блок регулирования (управления) температуры, электротермоохладитель; внешний контур, состоящий из насоса, кингстона.
Данная система охлаждения двигателя имеет следующие недостатки. Электротермоохладитель имеет низкую эффективность, потребляет много электроэнергии, на режимах холостого хода и частичных нагрузок не предусмотрено повышение температуры охлаждающей жидкости до 95°С.
Заявляемое устройство решает задачу создания системы охлаждения транспортного двигателя с открытым внутренним контуром и закрытым внутренним
контуром, которые в зависимости от нагрузки и эксплуатации могут переходить из открытого состояния в закрытое или наоборот.
Техническим результатом при этом является создание системы охлаждения с «отрицательной» статической характеристикой, т.е. обеспечение на режимах холостого хода и частичных нагрузок более высокую температуру охлаждающей воды (в судовых дизелях в системах охлаждения используется вода), нежели на номинальных, в пределах зоны неравномерности, что позволяет достижения оптимального теплового состояния на всех режимах работы двигателя. При этом повышается эффективная мощность, уменьшается удельный расход топлива, увеличивается ресурс двигателя.
Технический результат достигается тем, что в известной системе охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания, содержащей открытый внутренний контур системы охлаждения, включающий в себя электрический терморегулятор, циркуляционный насос, датчик температуры охлаждающей воды, теплообменник, расширительный бачок, электронный блок управления; внешний контур, состоящий из кингстона и циркуляционного насоса она дополнительно содержит закрытый внутренний контур системы охлаждения, выполненный в виде паровоздушного клапана, связанного через трехходовой кран с электрическим исполнительным механизмом, соединенным с внутренним открытым контуром системы охлаждения, а электрический исполнительный механизм трехходового крана подключен к блоку управления; причем система охлаждения дополнительно содержит датчик нагрузки, подключенный к задатчику, блок сравнения, вход которого подключен к датчику температуры и задатчику, а выход — к блоку управления, при этом блок управления выполнен программируемым с возможностью подключения системы охлаждения в зависимости от условий эксплуатации транспортного двигателя внутреннего сгорания к открытому или закрытому внутреннему контуру через пульт управления.
На приведенном чертеже представлена система охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания. Система охлаждения содержит (см. чертеж) двигатель 1, терморегулятор 2, связанный с помощью механической связи 3 с электрическим исполнительным механизмом 4, теплообменник 5, циркуляционный насос 6, датчик температуры 7, датчик нагрузки 8, трехходовой кран 9, электрический исполнительный механизм 10, расширительный бачок 11, паровоздушный клапан 12, задатчик 13, блок сравнения 14, электронный программируемый блок управления 15, эксплуатационный пульт управления 16 с
переключателями 17, 18; циркуляционный насос внешнего контура 19, кингстон 20, каналы охлаждающей жидкости: 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 и каналы электрических сигналов: 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39.
Из прилагаемого чертежа видно, что трехходовой кран 9 связан с электрическим исполнительным механизмом 10. В качестве исполнительного механизма может быть использован электродвигатель постоянной скорости, статическая характеристика которого является нелинейной, поэтому для линеаризации исполнительного механизма может быть использовано релейно-импульсное изменение входного сигнала. С помощью электрического исполнительного механизма 10 внутренний контур может быть подключен к расширительному бачку 11 и система охлаждения внутреннего контура становится открытой. В этом случае расширительный бачок 11 непосредственно связан с атмосферой, температура охлаждающей воды не должна превышать 85-90°С. Этот предел температуры охлаждающей воды в замкнутых открытых системах охлаждения ограничивается опасностью появления паровых пробок, нарушающие нормальные условия охлаждения и ведущие к местным перегревам двигателя.
Поэтому в данной системе охлаждения двигателя предусматривается паровоздушный клапан 12, который также подключается к внутреннему контуру системы охлаждения поворотом пробки (позиция на чертеже не обозначена) трехходового крана 9, при этом канал 27 закрывается, а канал 28 открывается и система внутреннего контура становится закрытой. В отличие от открытой системы охлаждения, где жидкостный тракт постоянно сообщается с атмосферой, связь с окружающим пространством в закрытой системе охлаждения осуществляется через паровоздушный клапан, который содержит впускной — воздушный и выпускной — паровой клапаны (на чертеже они показаны одной позицией 12). Паровой клапан регулируется на избыточное давление паров охлаждающей воды. Таким образом, при давлениях в системе ниже давления срабатывания парового клапана система изолирована (закрыта) от атмосферы. В этой системе охлаждения исключается кипение воды, т.к. появляется возможность повышения температуры воды до 120°С при повышении в системе охлаждения давления. При избыточном давлении в системе охлаждения паровоздушный клапан выпускает пар и воздух, а при понижении давления ниже атмосферного в систему через паровоздушный клапан поступает воздух.
Датчик нагрузки 8 через канал 34 подключен к задатчику 13, который в зависимости от нагрузки двигателя определяет величину температурного режима, и это значение по каналу 36 подается в блок сравнения 14. Одновременно в блок сравнения 14 по каналу 33 поступает сигнал от датчика температуры 7. В блоке сравнения 14 формируется сигнал сравнения и подает его в программируемый блок управления 15.
Программируемый блок управления 15 в зависимости от вариантов эксплуатации транспортного двигателя внутреннего сгорания выполняет следующие функции.
— производит с помощью электрического исполнительного механизма 10 подключение системы охлаждения к открытому или закрытому контуру системы охлаждения двигателя через пульт управления 10;
— выполняет распределение потока охлаждающей воды с помощью терморегулятора 2 на перепуск или на теплообменник 5.
— выполняет двухимпульсное регулирование.
Таким образом, сигнал управления, формирующийся на выходе блока управления, зависит от отклонений, как регулируемой температуры охлаждающей воды, так и текущего значения нагрузки (мощности). Это дает возможность использовать в системе охлаждения комбинированное регулирование, что приводит к улучшению качества регулирования на переменных нагрузках работы двигателя. Пульт управления 16 устанавливается в ходовой рубке судна и служит для включения режима работы системы охлаждения двигателя, т.е. в зависимости от условий эксплуатации двигателя пользователь определяет вариант работы системы охлаждения двигателя нажатием на переключатели 17 «Вариант №1. Маневренный режим. Система закрытая» или 18 «Вариант №2. Ходовой режим и остановка. Система открытая»
Охлаждающая вода внешнего контура системы охлаждения является забортной, в теплообменнике 5 происходит теплообмен между забортной водой и охлаждающей водой внутреннего контура, при этом забортная вода нагревается и может быть использована потребителями для судовых нужд или удалена за борт.
Терморегулятор 2 является электрическим. В качестве электрического исполнительного механизма может быть использованы электродвигатель, электромагнит, а также в случае использования терморегулятора с твердым
наполнителем электрический подогрев наполнителя дополнительно может осуществляться термоэлектрическими элементами или электронагревателем.
Система охлаждения транспортного двигателя работает следующим образом.
При неработающем двигателе терморегулятор 2 не работает, питание на электрический исполнительный механизм 10, блок управления 15 и пульт управления 16 не поступает.
После запуска двигателя 1 система охлаждения транспортного двигателя начинает работать. При этом пользователь должен определиться, на каком варианте должна работать система охлаждения двигателя. Пусть выбран вариант №1 «Маневренный режим». Тогда пользователь нажимает на переключатель 17 и по каналу 39 сигнал поступает в блок управления 15. В блоке управления формируется сигнал управления и подает его по каналу 35 в исполнительный механизм 10, который поворачивает пробку трехходового крана 9, при этом канал 28 открывается, т.е. свяжется через трехходовой кран 9 с каналом 26 внутреннего контура, а канал 27 закрывается и система охлаждения становится закрытой. Одновременно блок управления 15 формирует сигнал управления в результате обработки сигналов в блоке сравнения 14, полученных от датчиков температуры 7 и нагрузки 8 по каналам 33, 34. В результате воздействия этого сигнала на исполнительный механизм 4 терморегулятор 2 открывает канал 22, закрывает канал 23 и происходит повышение температуры охлаждающей воды, например до 95-100°С. При этом давление в системе становится выше атмосферного и регулируется паровоздушным клапаном 12. В этой закрытой системе охлаждения область пристенного кипения лежит за пределами 120°С.
При повышении температуры охлаждающей воды, наряду с ростом температуры деталей, наблюдается более равномерное распределение температур по толщине стенок, перепада температур воды на выходе из двигателя и входе в него и температурного перепада между охлаждающей водой и омываемыми стенками. В итоге снижаются тепловые напряжения и улучшаются условия работы деталей. С повышением температуры охлаждающей воды будет уменьшаться период задержки самовоспламенения т;. Особенно ощутимо изменение ti, на малых нагрузках работы двигателя.
При повышении нагрузки выше Рe0,4 Рен (Pен — номинальная эффективная мощность двигателя) датчик нагрузки 8 подает сигнал изменения нагрузки в задатчик 13, который в зависимости от нагрузки определяет требуемый
температурный уровень в системе охлаждения и посылает его по каналу 36 в блок сравнения 14 и обработанный сигнал подается по каналу 37 в блок управления 15. В блоке управления 15 формируется сигнал управления. Этот сигнал по каналу 32 поступает в электрический исполнительный механизм 4 и в результате его воздействия на терморегулятор 2 происходит распределение потока охлаждающей воды на перепуск по каналу 22 и на теплообменник 5 по каналу 23. В теплообменнике 5 происходит теплообмен между потоком охлаждающей воды и забортной водой и температура охлаждающей воды во внутреннем контуре доводится до оптимального значения для данной нагрузки, например до 80-85°С.
При выборе варианта №2 «Ходовой режим и остановка» пользователь нажимает на переключатель 18 и по каналу 38 сигнал поступает в блок управления 15. В блоке управления 15 формируется сигнал управления и подает его в исполнительный механизм 10, который поворачивает пробку трехходового крана 9. При этом канал 28 закрывается, а канал 27 открывается и через трехходовой кран 9 свяжется с каналом 26 внутреннего контура и система охлаждения двигателя становится открытой. Одновременно блок управления 15 формирует сигнал управления и подает его на электрический исполнительный механизм 4, который приводит в действие терморегулятор 2 и регулированием потока охлаждающей воды на перепуск по каналу 22 и на теплообменник 5 по каналу 23, температура охлаждающей воды в канале 25 поддерживается в зависимости от нагрузки, например
При Р e0,4Рен, То. в =80-85°С;
При Ре0,4Рен, То.в =65-70°С.
В целях уменьшения напряжений, возникающих при остановке горячего двигателя, требуется заранее снижать мощность, переводя двигатель на режимы среднего, малого, а затем холостого хода. Поэтому при остановке двигателя независимо от номера варианта его работы, пользователь нажимает на переключатель 18 «Вариант №2. Ходовой режим. Остановка». Двигатель начинает работать на холостом ходу, при этом система охлаждения начинает работать по выше описанному варианту №2 и температура охлаждающей воды понижается. При достижении температуры охлаждающей воды 60°С двигатель останавливают.
Таким образом, благодаря данной конструкции удается создать систему охлаждения с «отрицательной» статической характеристикой, т.е. обеспечивать на малых нагрузках более высокую температуру охлаждающей воды, нежели на
больших, в пределах зоны неравномерности [4]. Использование электрического (электронного) терморегулятора в системах охлаждения двигателя внутреннего сгорания позволит наряду с регулированием по отклонению температуры охлаждающей воды осуществить дополнительное регулирование по возмущению, т. е. использовать комбинированное регулирование. Это приводит к повышению качества регулирования и к улучшению технико-экономических и экологических показателей двигателя транспортного средства, например портового буксира, промыслового судна и других транспортных средств.
Источники информации
1. Костин А.К. и др. Работа дизелей в условиях эксплуатации:справочник / А.К.Костин, Б.П.Пугачев, Ю.Ю.Кочинев; Под общ. Ред А.К.Костина. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. — 284 с: ил.С.9.
2. Патент Германии, DE 4324178 A1, F 01 P 7/16, 3. Р 4324178.6 от 19.07.1993, опубл.26.01.199. Заявитель «Bayerische Motoren Werke AG» «Система охлаждения для автомобильного ДВС с клапаном термостата, содержащим элемент из расширяющего материала с электрическим нагревом».
3. Патент 2085753. Россия, МКИ F 01 Р 3/20. Система охлаждения ДВС / В.Н.Тимофеев, В.Л.Лаврентьев; Опубл. в БИ №21 от 27.07.97.
4. Тимофеев В.Н., Тузов Л.В. Использование электронного терморегулятора в системе охлаждения ДВС // Двигателестроение. 1999. №4. С.32-34.
Система охлаждения транспортного двигателя внутреннего сгорания, содержащая открытый внутренний контур системы охлаждения, включающий в себя электрический терморегулятор, циркуляционный насос, датчик температуры охлаждающей воды, теплообменник, расширительный бачок, электронный блок управления, внешний контур, состоящий из кингстона и циркуляционного насоса, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит закрытый внутренний контур системы охлаждения, выполненный в виде паровоздушного клапана, связанного через трехходовой кран с электрическим исполнительным механизмом, соединенным с внутренним контуром системы охлаждения, а электрический исполнительный механизм трехходового крана подключен к блоку управления, причем система дополнительно содержит датчик нагрузки, подключенный к задатчику, блок сравнения, вход которого подключен к датчику температуры и задатчику, а выход — к блоку управления, при этом блок управления выполнен программируемым с возможностью подключения системы охлаждения в зависимости от условий эксплуатации транспортного двигателя внутреннего сгорания к открытому или закрытому внутреннему контуру через пульт управления.
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с наддувом
Изобретение относится к системе охлаждения с низкотемпературным контуром (2) для охлаждения наддувочного воздуха турбокомпрессора двигателя (3) внутреннего сгорания и с контуром (4) охлаждения двигателя. В систему охлаждения охладитель (9) наддувочного воздуха, расположенный в низкотемпературном контуре (2), выполнен с возможностью соединения по текучей среде с низкотемпературным контуром (2) или с контуром охлаждения двигателя (4) через первое клапанное устройство (10) со стороны впуска теплоносителя и через второе клапанное устройство (11) со стороны выпуска теплоносителя. Изобретение обеспечивает сокращение времени прогрева двигателя и периодическое увеличение уровня температуры наддувочного воздуха в короткий период времени. 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, имеющей низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха и контур охлаждения двигателя.
Уровень техники
Системы охлаждения подобного типа используют, например, в двигателях внутреннего сгорания с турбонаддувом, в частности в автомобильных двигателях, для охлаждения двигателей внутреннего сгорания с помощью контура охлаждения двигателя и охлаждения наддувочного воздуха, который подается в двигатель внутреннего сгорания через турбокомпрессор, с помощью низкотемпературного контура охлаждения.
Современные двигатели внутреннего сгорания с наддувом, в частности дизельные двигатели с наддувом, обычно оснащены системой охлаждения наддувочного воздуха, с помощью которой охлаждается необходимый для наддува двигателя внутреннего сгорания воздух. В этом случае система охлаждения наддувочного воздуха является необходимой, с одной стороны, из-за нагрева турбокомпрессора выхлопными газами, исходящими от двигателя. Вышеупомянутый нагрев происходит по причине размещения турбины и компрессора на одном валу за счет обусловленного этим теплового контакта обоих компонентов. В результате этого теплового контакта происходит передача тепла от турбокомпрессора на выхлопных газах компрессору наддувочного воздуха.
С другой стороны, следует учитывать, что всасываемый воздушным компрессором воздух при сжатии обычно разогревается до температуры около 180°С или, при двухступенчатом сжатии, до более высокой температуры. С ростом температуры всасываемый воздух расширяется, из-за чего происходит уменьшение доли кислорода на единицу объема. Это уменьшение доли кислорода обуславливает малый прирост мощности двигателя. Для противодействия такому эффекту прежде всего в автомобильных двигателях используют указанные выше охладители наддувочного воздуха. Использование охладителя наддувочного воздуха обеспечивает охлаждение нагретого сжатого воздуха и вместе с этим создание большей плотности заряда смеси для обеспечения горения в цилиндре, благодаря чему становится возможным увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания.
Принимая во внимание будущие законодательные ограничения, касающиеся выхлопных газов и выбросов, в частности, в дизельных двигателях, может быть предпочтительным разогревать наддувочный воздух, по меньшей мере, время от времени, например, для поддержания регенерации пылевого фильтра, расположенного в выхлопном тракте дизельных двигателей, или, в общем случае, при низких температурах окружающей среды. Разогрев наддувочного воздуха можно осуществлять с помощью предусмотренного в области впуска двигателя внутреннего сгорания электрического нагревателя. Однако электрическое отопление требует относительно высокой электрической мощности, например около 1,5 кВт, которая может быть получена от генератора автомобиля. Связанный с этим более высокий расход топлива, однако, ухудшает экономичность автомобиля.
Циркуляционный контур, включающий в себя низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха в автомобиле с турбокомпрессором, и контур для охлаждения двигателя известен, например, из публикации WO 2004/090303 А1. Низкотемпературный контур может быть соединен с контуром охлаждения двигателя через термостатический смеситель так, что теплоноситель из одного контура может попадать в другой, при этом охлаждающие средства обоих контуров могут смешиваться друг с другом. Разогрев наддувочного воздуха осуществляется за счет подачи горячего теплоносителя из контура охлаждения двигателя в низкотемпературный контур.
В публикации WO 2005/061869 А1 также раскрыто выполнение циркуляционного контура, включающего в себя низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха в автомобиле с турбокомпрессором и основной контур для охлаждения двигателя. Низкотемпературный и основной контуры соединены между собой таким образом, что образуется смесь из теплоносителей из обоих контуров. В частности, теплоноситель основного контура ответвляется на стороне впуска теплоносителя в двигатель и подается в низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха. Представленный циркуляционный контур не предполагает нагрева наддувочного воздуха.
Также из документа DE 102005004778 А1 известна система охлаждения рециркулированных выхлопных газов и наддувочного воздуха в автомобиле с турбокомпрессором. В низкотемпературном контуре расположены как теплообменник для потока выхлопных газов в системе рециркуляции выхлопных газов, так и параллельно подключенный теплообменник для потока наддувочного воздуха. Низкотемпературный охлаждающий контур оснащен также дополнительным насосом для теплоносителя, с помощью которого обеспечивается циркуляция теплоносителя. На выходе теплоносителя в охладителе наддувочного воздуха предусмотрен дроссельный элемент для обеспечения возможности управления распределением расхода теплоносителя между охладителем наддувочного воздуха и охладителем выхлопных газов в зависимости от температуры. Основной контур для охлаждения двигателя отделен от низкотемпературного контура так, что смешение теплоносителей из обоих охлаждающих контуров невозможно.
Наконец, следует также упомянуть систему охлаждения для двигателя внутреннего сгорания с наддувом с подачей наддувочного воздуха, описанную в документе ЕР 1905978 А2. В систему охлаждения входят первый и второй контуры охлаждения, из которых первый контур охлаждения работает на более высоком температурном уровне, чем второй контур, и в котором подача наддувочного воздуха осуществляется с помощью по меньшей мере одного блока охлаждения наддувочного воздуха, который термически соединен со вторым охлаждающим контуром с контролируемой подачей теплоносителя. Это означает, что теплоноситель из первого контура может попадать во второй контур и наоборот, таким образом становится возможным смешивание теплоносителей из обоих контуров. В рассматриваемой системе охлаждения во втором охлаждающем контуре предусмотрен запорный элемент, с помощью которого может быть перекрыта подача теплоносителя во второй охлаждающий контур.
Вышеописанные решения, с одной стороны (в случае с двумя раздельными охлаждающими контурами: для охлаждения наддувочного воздуха и для охлаждения двигателя внутреннего сгорания), не допускают кратковременного повышения уровня температуры наддувочного воздуха и, с другой стороны (в случае с двумя соединенными охлаждающими контурами), приводят к смешиванию теплоносителя из обоих контуров, то есть из низкотемпературного контура и высокотемпературного или контура для охлаждения двигателя. В результате этого за счет увеличенной тепловой массы для данного контура процесс разогрева теплоносителя из контура охлаждения двигателя замедляется, что приводит к увеличению периода прогрева двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, смешивание горячего теплоносителя из контура охлаждения двигателя с теплоносителем из низкотемпературного контура отрицательно сказывается на возможном минимальном уровне температуры в низкотемпературном контуре.
В связи с этим задачей настоящего изобретения является создание энергоэффективной системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания с наддувом, которая, в частности, позволит уменьшить время прогрева двигателя внутреннего сгорания и позволит осуществлять периодическое увеличение уровня температуры наддувочного воздуха в течение короткого времени, в особенности с целью выполнения определенной стратегии регенерации компонентов нейтрализации отработавших газов, например дизельных пылевых фильтров. Конструкция создаваемой системы охлаждения, кроме того, должна быть простой в отношении управления, а также быстро реагировать на изменения эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, подключенной системы нейтрализации отработавших газов и/или изменения термодинамических параметров в охлаждающих контурах.
Раскрытие изобретения
Вышеназванная задача решается с помощью системы охлаждения, описанной в п.1 формулы изобретения.
Следует обратить внимание на то, что признаки, далее описанные отдельно, могут быть скомбинированы друг с другом любым технически целесообразным способом, обеспечивая дальнейшее развитие изобретения. Описание сущности изобретения также выполнено со ссылками на чертеж.
В соответствии с изобретением система охлаждения включает в себя низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, особенно дизельного двигателя, и контур охлаждения двигателя для охлаждения двигателя внутреннего сгорания, причем поток охладителя наддувочного воздуха, расположенного в низкотемпературном контуре, может быть соединен с низкотемпературным контуром или с контуром охлаждения двигателя со стороны впуска теплоносителя через первое клапанное устройство, а со стороны выпуска теплоносителя через второе клапанное устройство.
Соответственно, при необходимости, то есть, например, когда нужен нагрев наддувочного воздуха, а температура теплоносителя в контуре охлаждения двигателя превышает температуру наддувочного воздуха после его сжатия в турбокомпрессоре, охладитель наддувочного воздуха может быть интегрирован непосредственно в контур охлаждения двигателя через первое и второе клапанные устройства. Таким образом, с одной стороны, возможно эффективное использование энергии, имеющейся в контуре охлаждения двигателя, для нагрева наддувочного воздуха. С другой стороны, контур охлаждения двигателя с встроенным охладителем наддувочного воздуха нагружается исключительно тепловой массой охладителя наддувочного воздуха, первого и второго клапанных устройств, а также трубок, например, соединительных шлангов, которые соединяют потоки из охладителя надувочного воздуха и клапанных устройств и которые предпочтительно должны быть выполнены максимально короткими. Если разогрев наддувочного воздуха, напротив, не требуется или необходимо охлаждение надувочного воздуха, охладитель наддувочного воздуха может быть изолирован от контура охлаждения двигателя с использованием первого и второго клапанных устройств и оставаться соединенным только с низкотемпературным контуром.
В связи с этим система охлаждения по изобретению позволяет свести к минимуму период прогрева двигателя внутреннего сгорания за счет малых тепловых масс, которые периодически дополнительно поступают в контур охлаждения двигателя. Она также позволяет увеличить температурный уровень надувочного воздуха, когда это необходимо, простым способом и за короткое время. Система охлаждения по изобретению также делает возможной быструю реакцию на изменения эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, подключенной системы нейтрализации отработавших газов и/или изменения термодинамических параметров в охлаждающих контурах. К эксплуатационным параметрам относятся, например, соответствующие рабочие температуры двигателя внутреннего сгорания, системы нейтрализации отработавших газов и/или охлаждающих контуров или мощность, вырабатываемая двигателем внутреннего сгорания, и т. п.
В предпочтительном варианте выполнения первое и второе клапанные устройство при необходимости могут работать в каждом случае в первом положении клапана, в котором поток охладителя наддувочного воздуха соединен только с низкотемпературным контуром, и во втором положении клапана, в котором поток охладителя наддувочного воздуха соединен только с контуром охлаждения двигателя. Тем самым обеспечивается отсутствие возможности смешивания теплоносителя из контура охлаждения двигателя с теплоносителем из низкотемпературного контура. Это позволяет сократить период прогрева двигателя внутреннего сгорания, поскольку только теплоноситель из контура охлаждения двигателя должен нагреваться независимо от рабочего положения и расположения клапанов первого и второго клапанных устройств. Кроме того, обеспечивается, что горячий теплоноситель не может попасть из контура охлаждения двигателя в низкотемпературный контур, и тем самым в низкотемпературном контуре могут быть реализованы максимально низкие температуры.
В качестве первого и второго клапанных устройств согласно изобретению предпочтительно использовать уже известный трехходовой клапан, при этом первый трехходовой клапан может быть выполнен в виде так называемого смесительного клапана, а второй трехходовой клапан может быть выполнен в виде так называемого распределительного клапана. В рамках настоящего изобретения понятие «смесительный клапан» не следует понимать в том смысле, что трехходовой клапан служит для смешивания теплоносителей из контура охлаждения двигателя и низкотемпературного контура. Напротив, данный тип трехходовых клапанов выполняет общую функцию трехходового клапана, при которой поток текучей среды подается к клапану через два впускных канала и выводится через общий выход, причем соотношение долей входящих потоков в выходном потоке зависит от положения клапана. Выполненный в виде распределительного клапана второй трехходовой клапан выполняет функцию передачи потока текучей среды, подаваемого на вход клапана, на два выходных канала, причем доля входного потока в каждом выходящем потоке зависит от положения клапана. В соответствии с изобретением оба трехходовых клапана могут использоваться при необходимости в уже упомянутых первом и втором положениях клапана, в которых каждый входящий поток текучей среды направляется только к выходу клапана. Таким образом, с помощью трехходовых клапанов предотвращается смешивание потоков текучей среды.
Предпочтительный вариант конструктивного исполнения предполагает также подведение теплоносителя из контура охлаждения двигателя к первому клапанному устройству от выхода для теплоносителя из двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, становится возможным обеспечение простого управления или регулировки клапанного устройства в зависимости от температуры, поскольку температура теплоносителя на выходе из двигателя внутреннего сгорания напрямую связана с нагрузкой двигателя внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и особенности изобретения далее будут более подробно рассмотрены с помощью представленного на одном чертеже примера выполнения.
На чертеже приведено схематическое изображение системы охлаждения по изобретению.
Осуществление изобретения
На чертеже схематически представлен пример выполнения охлаждающей системы 1 по изобретению. В охлаждающую систему 1 входят низкотемпературный контур 2 для охлаждения наддувочного воздуха турбокомпрессора (не изображенного на чертеже) двигателя внутреннего сгорания 3, в частности дизельного двигателя, а также контур 4 охлаждения двигателя для охлаждения двигателя внутреннего сгорания 3.
Представленный на чертеже контур 4 охлаждения двигателя включает в себя двигатель внутреннего сгорания 3, далее обозначенный также как двигатель 3, термостат 5 двигателя, охладитель 6 теплоносителя двигателя, а также водяной насос 7 системы охлаждения двигателя, который может приводиться в действие, например, двигателем 3 посредством известного ременного привода. Дополнительно к изображенному на чертеже контуру 4 охлаждения двигателя присоединяется теплообменник или нагревательное устройство 8 для обогрева салона автомобиля.
Как видно из чертежа, низкотемпературный контур 2 включает в себя расположенный со стороны впуска двигателя 3 охладитель 9 наддувочного воздуха, в частности охладитель наддувочного воздуха, размещенный на стороне впуска двигателя 3, и ко входу теплоносителя которого присоединено первое клапанное устройство 10. Поток второго клапанного устройства 11 соединен с выходом охладителя 9 наддувочного воздуха. Ниже по потоку второго клапанного устройства 11 расположен насос 12 теплоносителя для циркуляции теплоносителя в низкотемпературном контуре 2, а далее расположен низкотемпературный охладитель 13 с воздушным охлаждением.
Первое и второе клапанные устройства 10, 11 в представленном варианте выполнены в виде трехходовых клапанов. Первый трехходовой клапан 10 представляет собой смесительный клапан и имеет два входа и один выход для теплоносителя, а второй трехходовой клапан 11 представляет собой распределительный клапан с одним входом и двумя выходами для теплоносителя. Первый вход первого трехходового клапана 10 изображенной на чертеже системы охлаждения 1 соединен с выходом низкотемпературного охладителя 13, а второй вход соединен через питающий трубопровод 14 с контуром 4 охлаждения двигателя. В частности, питающий трубопровод 14 присоединен к контуру 4 охлаждения двигателя на выходе теплоносителя двигателя 3, который располагается между двигателем 3 и термостатом 5 двигателя. Это делает управление или регулировку клапанных устройств 10, 11 предельно простыми, поскольку температура теплоносителя на выходе из двигателя 3 напрямую связана с нагрузкой двигателя внутреннего сгорания.
Вход второго трехходового клапана 11 соединен с выходом охладителя 9 наддувочного воздуха. Первый выход второго трехходового клапана 11 соединен с входом насоса 12 для теплоносителя, а второй выход трехходового клапана 11 соединен через обратный трубопровод 15 к контуру 4 охлаждения двигателя, в частности к стороне впуска насоса 7 теплоносителя двигателя.
С помощью первого и второго трехходовых клапанов 10, 11 охладитель наддувочного воздуха 9 может быть соединен в зависимости от соответствующего положения трехходового клапана 10, 11 с низкотемпературным контуром 2 или с контуром 4 охлаждения двигателя. В результате периодического присоединения охладителя 9 наддувочного воздуха к контуру 4 охлаждения двигателя контур 4 охлаждения двигателя дополнительно нагружается только тепловой массой охладителя 9 наддувочного воздуха, первого и второго трехходовых клапанов 10, 11, а также расположенных между охладителем 9 наддувочного воздуха и трехходовыми клапанами 10, 11 соединительных трубок 16, например соединительных шлангов. Соединительные трубки 16 предпочтительно должны быть максимально короткими.
Первый и второй трехходовые клапаны 10, 11 в охлаждающей системе 1 по изобретению предпочтительно выполнены таким образом, чтобы они могли работать в первом положении, при котором охладитель 9 наддувочного воздуха соединен только с низкотемпературным контуром 2, и во втором положении, при котором охладитель 9 наддувочного воздуха соединен только с контуром 4 охлаждения двигателя. Это полностью предотвращает смешивание теплоносителя из контура 4 охлаждения двигателя и теплоносителя из низкотемпературного контура 2. В результате этого охлаждающая система 1 по изобретению позволяет максимально сократить период прогрева двигателя 3, поскольку независимо от расположения первого и второго трехходовых клапанов 10, 11 нагреваться будет только теплоноситель из контура 4 охлаждения двигателя. Кроме того, обеспечивается невозможность прохождения горячего теплоносителя из контура 4 охлаждения двигателя в низкотемпературный контур 2 при первом положении первого и второго трехходовых клапанов 10, 11, тем самым становится возможным поддержание максимально низких температур в низкотемпературном контуре 2 для охлаждения наддувочного воздуха.
Далее описывается функционирование охлаждающей системы 1. В обычном режиме эксплуатации первый и второй трехходовые клапаны 10, 11 находятся в первом положении, при котором охладитель 9 наддувочного воздуха соединен только с низкотемпературным контуром 2. Потоки теплоносителя в контуре 4 охлаждения двигателя и низкотемпературном контуре 2 таким образом изолированы друг от друга. В данном режиме эксплуатации расположенный в низкотемпературном контуре 2 насос 12 теплоносителя обеспечивает циркуляцию теплоносителя. Нагретый охладителем 9 наддувочного воздуха теплоноситель отдает свое тепло во внешнюю среду через низкотемпературный охладитель 13 с воздушным охлаждением и затем снова поступает в охладитель 9 наддувочного воздуха, где он используется для дальнейшего охлаждения наддувочного воздуха.
Когда нагревание наддувочного воздуха требуется, например, для регенерации пылевого фильтра, расположенного в потоке выхлопных газов двигателя, в частности дизельного двигателя, или, в общем случае, при низкой температуре окружающей среды, а температура теплоносителя в контуре 4 охлаждения двигателя превышает температуру наддувочного воздуха после его сжатия турбокомпрессором, первый и второй трехходовые клапаны 10, 11 переводят во второе положение, при котором охладитель 9 наддувочного воздуха соединен только с контуром 4 охлаждения двигателя. Далее охладитель 9 наддувочного воздуха присоединяется непосредственно к контуру 4 охлаждения двигателя и изолируется от низкотемпературного контура 2. В данном режиме работы охлаждающей системы 1 насос 12 теплоносителя целесообразно отключать для дальнейшего снижения расхода энергии охлаждающей системой 1 и вместе с этим повышения ее общей экономической эффективности. Таким образом, низкотемпературный контур 2 в данном режиме работы полностью отключен. В качестве насоса 12 теплоносителя предпочтительно использовать регулируемый или переключаемый насос, в частности насос с электроприводом.
Горячий теплоноситель, который подается в охладитель 9 наддувочного воздуха от места выхода теплоносителя из двигателя 3 через питающий трубопровод 14 и через первый трехходовой клапан 10 нагревает наддувочный воздух в охладителе 9 наддувочного воздуха и, наконец, возвращается через второй трехходовой клапан 11 и обратный трубопровод 15 в контур 4 охлаждения двигателя. Как только нагрева наддувочного воздуха больше не требуется, первый и второй трехходовые клапаны 10, 11 переключаются обратно в первое положение.
В соответствии с изобретением, благодаря периодическому соединению охладителя 9 наддувочного воздуха с контуром 4 охлаждения двигателя, с одной стороны, становится возможным эффективно использовать имеющуюся в контуре 4 охлаждения двигателя энергию для нагревания наддувочного воздуха. С другой стороны, контур 4 охлаждения двигателя, соединенный с охладителем 9 наддувочного воздуха, нагружается только незначительной тепловой массой охладителя 9 наддувочного воздуха, трехходовых клапанов 10 и 11, а также коротких соединительных трубок 16. Таким образом, за счет охлаждающей системы 1 по изобретению можно свести период прогрева двигателя 3 к минимуму, что позволит также осуществить повышение уровня температуры наддувочного воздуха в течение короткого промежутка времени. Охлаждающая система 1 по изобретению также обеспечивает быструю реакцию на изменения эксплуатационных параметров двигателя 3, подключенной системы нейтрализации отработавших газов и/или изменения термодинамических параметров в соответствующих охлаждающих контурах 2 и 4. К эксплуатационным параметрам могут относиться, например, рабочие температуры двигателя 3, системы нейтрализации отработавших газов и/или охлаждающих контуров 2 и 4 или вырабатываемая двигателем 3 мощность и т.п.
Вышеописанная система охлаждения по изобретению не ограничивается приведенными вариантами конструктивного выполнения, она также охватывает другие равно эффективные варианты.
В предпочтительном варианте выполнения система охлаждения по изобретению используется в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания с наддувом, в частности в дизельных двигателях с наддувом. Она включает в себя низкотемпературный контур для охлаждения наддувочного воздуха турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания и контур охлаждения двигателя для охлаждения двигателя внутреннего сгорания, при этом расположенный в низкотемпературном контуре охладитель наддувочного воздуха может быть соединен с низкотемпературным контуром или с контуром охлаждения двигателя со стороны впуска теплоносителя через первое клапанное устройство и со стороны выпуска теплоносителя через второе клапанное устройство.
Положения клапанов первого и второго клапанных устройств, которые предпочтительно выполнены в каждом случае в виде трехходовых клапанов, контролируют с использованием электрического приводного устройства в зависимости от заданных эксплуатационных параметров двигателя внутреннего сгорания, подключенной системы нейтрализации отработавших газов и/или изменений термодинамических параметров в охлаждающих контурах, причем первое и второе клапанные устройства при необходимости могут работать в каждом случае в первом положении, в котором охладитель наддувочного воздуха соединен только с низкотемпературным контуром, и во втором положении, в котором охладитель наддувочного воздуха соединен исключительно с контуром охлаждения двигателя.
Список обозначений
1 Система охлаждения
2 Низкотемпературный контур
3 Двигатель внутреннего сгорания
4 Контур охлаждения двигателя
5 Термостат двигателя
6 Охладитель двигателя
7 Насос теплоносителя двигателя
8 Нагревательное устройство
9 Охладитель наддувочного воздуха
10 Первое клапанное устройство
11 Второе клапанное устройство
12 Насос теплоносителя
13 Низкотемпературный охладитель
14 Питающий трубопровод
15 Обратный трубопровод
16 Соединительная трубка
Система охлаждения с низкотемпературным контуром (2) для охлаждения наддувочного воздуха турбокомпрессора двигателя (3) внутреннего сгорания и с контуром (4) охлаждения двигателя для охлаждения двигателя (3) внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что охладитель (9) наддувочного воздуха, расположенный в низкотемпературном контуре (2), выполнен с возможностью соединения по текучей среде с низкотемпературным контуром (2) или с контуром охлаждения двигателя (4) через первое клапанное устройство (10) со стороны впуска теплоносителя и через второе клапанное устройство (11) со стороны выпуска теплоносителя.
Дело не в температуре; Это о Powertrain
Центробежный водяной насос с ременным приводом буквально был с нами со времен лошадей и повозок, его дни сочтены. Чтение инженерных статей, как правило, скучное занятие, но они дают такому техническому специалисту, как я, новый взгляд на то, как на самом деле можно улучшить обычную автомобильную систему охлаждения. Конечно, наша непосредственная мысль заключается в том, как система охлаждения может охлаждать двигатель. Согласно одной газете, это не так.
Напротив, главное слово не «температура», а «трансмиссия». Учитывая передовое состояние технологии двигателей внутреннего сгорания, некоторые недавние инновации в системе охлаждения фактически увеличат крутящий момент двигателя и экономию топлива при одновременном снижении выбросов выхлопных газов. Позвольте мне упростить эту идею: новая технология системы охлаждения заставит двигатели работать лучше и чище. Итак, давайте перейдем к той же странице, рассмотрев некоторые основы.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
Распределение охлаждающей жидкости по головке блока цилиндров регулируется каналами, залитыми в блок, и каналами, выштампованными в прокладке головки блока цилиндров. Независимо от системы, распределение равномерного потока охлаждающей жидкости через блок цилиндров, головку блока цилиндров и вокруг горячих выпускных отверстий остается основной задачей любой современной системы охлаждения.
ТЕРМОСТАТЫ
В идеале двигатель должен работать при температуре, близкой к температуре кипения воды, чтобы вода, побочный продукт сгорания, испарялась из моторного масла во время нормальной работы. Без установки высокой температуры охлаждающей жидкости моторное масло быстро превращается в черную высоковязкую грязь, которая забивает жизненно важные масляные каналы и вызывает коррозию внутренних деталей. Сегодня термостаты, управляемые восковыми шариками, являются стандартным методом механического управления потоком и температурой охлаждающей жидкости.
БАЙПАСЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
Термостат блокирует подачу охлаждающей жидкости во время прогрева двигателя, что вызывает заметную разницу в скорости теплового расширения между чугунными блоками цилиндров и алюминиевыми головками цилиндров. Это неравенство теплопередачи может в конечном итоге вызвать усталость металла в головке блока цилиндров и выход из строя прокладки головки блока цилиндров. Перепускной контур охлаждающей жидкости позволяет водяному насосу равномерно прогревать двигатель в сборе за счет циркуляции охлаждающей жидкости через блок цилиндров и головку цилиндров при закрытом термостате. В большинстве байпасных контуров охлаждающая жидкость циркулирует непосредственно от напорного патрубка водяного насоса к основанию термостата, что обеспечивает точную температуру открытия термостата.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Электровентиляторы стали широко использоваться, когда в 1980-х годах появились переднеприводные автомобили с поперечным расположением двигателей. В отличие от вентиляторов с механическим приводом, электрические вентиляторы могут полностью контролироваться системой управления двигателем. Электрические вентиляторы охлаждения с импульсной модуляцией и переменной скоростью — это еще один элемент в наборе инструментов инженера для управления потоком охлаждающей жидкости и температурой под капотом.
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ДВИГАТЕЛЯ
Теперь мы можем перейти к изменениям в конструкции современной системы охлаждения. Помимо уменьшения трения при вращении, уменьшение рабочей площади цилиндров и открытой площади камеры сгорания уменьшает тонкий слой несгоревших углеводородов, прилипающих к металлическим поверхностям цилиндров, что создает пограничный слой выхлопных газов.
С помощью компьютеризированных систем управления двигателем турбонаддув с приводом от выхлопных газов позволяет производить двигатели малого объема с очень высоким выходным крутящим моментом. Благодаря прямому впрыску бензина, регулируемым фазам газораспределения и степени сжатия до 14:1 эти малолитражные двигатели не только обеспечивают более высокую выходную мощность при более низком уровне выбросов выхлопных газов, но и, в более критическом экономическом плане, им также требуется меньше подкапотного пространства. пространство, чем их высокопроизводительные собратья. Поскольку мощность охлаждения зависит от мощности двигателя, а не от объема двигателя, система охлаждения должна обмениваться таким же количеством тепла, как и двигатель большого объема.
ПРОГРАММИРУЕМЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Увеличение степени механического сжатия двигателя увеличивает выходную мощность и экономию топлива. Но с увеличением степени сжатия также увеличиваются выбросы оксидов азота (NOx). Более высокие степени сжатия также требуют более дорогого высокооктанового бензина для предотвращения разрушительной детонации, которая представляет собой самовоспламенение топлива по окружности поршня под сильным давлением в цилиндре.
В то время как охлаждение головки блока цилиндров необходимо для предотвращения детонации при высоком крутящем моменте двигателя, сохранение горячего состояния головки блока цилиндров необходимо для повышения экономии топлива при низком крутящем моменте двигателя. Некоторые производители пробовали систему охлаждения с обратным потоком, при которой относительно холодная охлаждающая жидкость подается от нижнего радиатора непосредственно к головке блока цилиндров. У меня нет данных, подтверждающих результаты обратного охлаждения при обычном использовании, но теория верна. Тем не менее, контроль температуры головки блока цилиндров остается основной целью эффективного управления охлаждающей жидкостью.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТЕРМОСТАТЫ
Контроль температуры головки цилиндров не является устойчивым состоянием. Теоретически, если температура головки блока цилиндров может быть снижена с помощью электроники, степень сжатия может быть увеличена. С другой стороны, если температура охлаждающей жидкости чрезмерно снижается, страдает экономия топлива и выбросы, поскольку бензин не испаряется достаточно быстро, чтобы обеспечить эффективное сгорание. Поскольку двигатель развивает наилучшую экономию топлива при высоких температурах системы охлаждения и в условиях низкого крутящего момента, из этого следует, что фактическое изменение температуры охлаждающей жидкости двигателя в соответствии с рабочими условиями улучшает крутящий момент двигателя и увеличивает экономию топлива, поэтому мы видим управляемые компьютером электрические термостаты в некоторые приложения.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВОДЯНЫЕ НАСОСЫ
Электрические водяные насосы не новы. В настоящее время они используются в гибридных приложениях и в некоторых автомобилях класса люкс. Но само собой разумеется, что управляемый компьютером электрический водяной насос с импульсной модуляцией может работать по запросу и с переменной скоростью, в отличие от водяного насоса с ременным приводом, который постоянно работает с максимальной производительностью. Еще одним преимуществом электрического водяного насоса является то, что он может быть расположен удаленно, что является плюсом в сегодняшних переполненных моторных отсеках.
В настоящее время электрические водяные насосы используются в качестве вспомогательных водяных насосов. Это позволяет инженерам уменьшить паразитное сопротивление насоса с ременным приводом за счет снижения его производительности. В этой конфигурации электрический насос увеличивает поток воды в ситуациях повышенного спроса. Электронасос также может быть настроен на увеличение или уменьшение скорости циркуляции охлаждающей жидкости в зависимости от условий эксплуатации. В любом случае, мы, вероятно, увидим больше водяных насосов и термостатов с электронным управлением в силовых агрегатах будущих автомобилей.
Вот почему и как меняются системы охлаждения двигателей
23 ноября 2020 г.
В то время как многие достижения в конструкции, конструкции и материалах, используемых в двигателе внутреннего сгорания, сделали современные двигатели более эффективными, чем когда-либо КПД всех современных бензиновых двигателей по-прежнему составляет всего около 30%. На практике это означает, что около 70 % энергии, которая потенциально могла бы быть использована для обеспечения движущей силы транспортного средства, теряется на трение, насосные потери и паразитные потери мощности, но, что наиболее важно, в результате отработанного тепла. В этой статье мы более подробно рассмотрим нагрев или недостаток тепла как причину неэффективности двигателя, а также новые разработки в области систем охлаждения двигателя, направленные на улучшение управления отходящим теплом для улучшения расхода топлива и снижения выбросов. при одновременном улучшении характеристик двигателя. Начнем с-
Проблема с текущими системами охлаждения
ПРИМЕЧАНИЕ: Хотя нижеследующее может показаться отступлением от основной темы этой статьи, это отступление необходимо для понимания того, почему производители автомобилей должны переосмыслить конструкцию и работу двигателя. системы охлаждения.
С момента своего изобретения системы охлаждения двигателя на водной основе не делали ничего, кроме поддержания температуры двигателя в приемлемом диапазоне, но, как мы знаем, не все конструкции систем охлаждения соответствовали задачам в жарком климате.
Более того, до сравнительно недавнего времени все системы охлаждения работали одинаково, и все системы были подвержены одним и тем же отказам. Нам не нужно перефразировать здесь основы охлаждения двигателя, кроме того, что все мы ремонтировали двигатели, которые перегревались в результате отказа термостатов, отказа вентилятора и датчиков температуры охлаждающей жидкости и переключателей; неисправные двигатели вентиляторов и изношенные вязкостные муфты вентиляторов, а также личные фавориты автора*, лопнувшие шланги радиатора, протекающие радиаторы и неисправные водяные насосы.
* Вспоминая долгую карьеру техника и владельца мастерской, этот автор часто задавался вопросом, почему поток охлаждающей жидкости в (относительно) современных двигателях все еще контролировался примитивным термостатом, когда такие технологии, как регулировка фаз газораспределения и фаз газораспределения , многократный впрыск топлива и многократное искрообразование при некоторых условиях стали обычным явлением. Возможно, можно возразить, что, поскольку термостаты с восковыми гранулами дешевы в производстве и работают достаточно хорошо, никогда не было необходимости заново изобретать пресловутое колесо, но это дискуссия в другой раз.
Тем не менее, несмотря на то, что усовершенствованное топливо и технологии, подобные перечисленным выше, в значительной степени способствовали сокращению вредных выбросов выхлопных газов, факт остается фактом: механическая система, двигатели внутреннего сгорания (почти) достигли конца своего потенциала развития. Так какое же это имеет отношение к примитивным термостатам и устаревшим конструкциям систем охлаждения?
Вы можете спросить, потому что, хотя такие технологии, как регулировка фаз газораспределения/распределения, многократная подача искры, многократный впрыск, улучшенное качество топлива и усовершенствованные системы доочистки выхлопных газов, могут соответствовать действующим нормам выбросов Евро 6 (хотя и едва ли), эти технологии будут не соответствуют требованиям следующей редакции правил по выбросам выхлопных газов.
По сути, производители автомобилей попали в своего рода ловушку-22. Несколько производителей разрабатывают передовые и чрезвычайно дорогие стратегии контроля сгорания, в то время как другие, такие как Nissan и Mazda, разработали (чуть менее дорогостоящие) технологии, улучшающие сгорание в широком диапазоне условий эксплуатации. Например, Nissan выпустил двигатель с переменной степенью сжатия, который используется и в настоящее время, а технология Mazda SKYACTIV использует чрезвычайно высокую степень сжатия для улучшения сгорания. Mazda также работает над разработкой двигателей HCCI (с воспламенением от сжатия с однородным зарядом), в которых используется еще более высокая степень сжатия для воспламенения бензино-воздушных смесей только за счет сжатия в некоторых условиях эксплуатации.
В то время как эти передовые технологии обеспечивают большую мощность (чем сопоставимые двигатели с точки зрения рабочего объема) при меньшем количестве выбросов, из этих фактов вытекает ситуация «уловка 22»:
Кроме того, фактами остается то, что сгорание в холодном двигателе плохое и нестабильное, и что нестабильное сгорание приводит к большим объемам выбросов. В настоящее время единственным способом борьбы с плохим сгоранием в холодном двигателе является обогащение воздушно-топливной смеси, что резко увеличивает выбросы до тех пор, пока каталитический нейтрализатор не станет достаточно горячим, чтобы двигатель перешел в режим работы с обратной связью.
Таким образом, производители автомобилей оказываются между необходимостью значительно сократить время прогрева двигателя, чтобы соответствовать действующим нормам по выбросам, и необходимостью запускать двигатели достаточно горячими, чтобы обеспечить стабильное сгорание в максимально широком диапазоне рабочих условий без ущерба для долговечности двигателя.
Если мы возьмем противоречивые требования, перечисленные выше, и добавим к ним тот факт, что-
- современные системы охлаждения спроектированы и предназначены для сброса большого количества отработанного тепла в атмосферу
- текущие конструкции систем охлаждения не могут поддерживать температуру двигателя в узком диапазоне температур
- некоторые современные конструкции систем охлаждения настолько эффективны, что процесс сгорания начинает ухудшаться из-за недопустимо низких температур в цилиндрах при некоторых условиях эксплуатации
мы начинаем видеть, что при некоторых условиях* некоторые современные системы охлаждения способствуют образованию вредных выбросов выхлопных газов, что приводит нас к0004
* Когда предлагаемые новые методы тестирования выбросов вскоре станут обязательными на большинстве рынков первого мира, производители автомобилей на этих рынках будут обязаны тестировать свою продукцию в реальных условиях вождения, а не проводить испытания выбросов в лабораториях в условиях, имитирующих вождение. . Нам не нужно вдаваться в подробности предлагаемых новых методов тестирования выбросов, за исключением того, что новые тесты включают требование управлять транспортным средством по дороге общего пользования при холодном двигателе, что обязательно окажет значительное влияние на общее количество выбросов. нагрузка, которую транспортное средство производит во время испытательного цикла.
Почему двигатели меньшего размера, которые работают при более высокой температуре, лучше
Нельзя отрицать тот факт, что многие современные двигатели объемом 1000 куб. меньше топлива, чтобы загрузить.
Однако это увеличение мощности является результатом повышения объемного КПД, что, в свою очередь, приводит к улучшению сгорания. Недостатком этого, однако, является то, что, поскольку повышенные температуры сгорания нагревают двигатели с компактными размерами довольно быстро, поскольку нагревается меньшая масса, большая часть энергии, содержащейся в процессе сгорания, должна выбрасываться в атмосферу, чтобы предотвратить компактный двигатель от перегрева быстро.
Скажем по-другому, с точки зрения контроля выбросов выхлопных газов. Давно известно, что в холодных двигателях сгорание плохое, независимо от размеров и рабочего объема двигателя, но, несмотря на это, конструкторы двигателей настойчиво проектировали системы охлаждения, которые достаточно эффективно отводили тепло в атмосферу, тем самым способствуя более длительному сохранению двигателей холодными. чем необходимо.
Таким образом, в то время как улучшение сгорания снижает выбросы выхлопных газов за счет более высоких температур сгорания, которые оставляют меньше топлива несгоревшим, большинство систем охлаждения вызывают большие колебания температуры охлаждающей жидкости двигателя, а это означает, что система охлаждения может способствовать циклическому увеличению выбросов выхлопных газов, поскольку Цикл обогрева/охлаждения иногда охлаждает двигатель ниже точки, при которой может происходить оптимальное сгорание*.
* На практике циклическое увеличение выбросов обычно «компенсируется» каталитическим нейтрализатором, когда двигатель работает в режиме замкнутого цикла. Однако, если двигатель по какой-либо причине возвращается к работе в разомкнутом цикле или для перехода в режим замкнутого цикла требуется больше времени, чем ожидалось, неоптимальное сгорание, вызванное эффективной (а иногда и неисправной) системой охлаждения, может привести к значительному увеличению нескольких типов. вредных выбросов.
Однако с некоторым опозданием конструкторы двигателей осознали, что, создавая двигатели меньшего размера, которые нагреваются быстрее (при сохранении основной функции системы охлаждения), можно утилизировать отходящее тепло и использовать это отработанное тепло в качестве очень эффективного источника энергии. механизм контроля выбросов.
Таким образом, вместо того, чтобы просто сбрасывать отработанное тепло в атмосферу, системы охлаждения теперь выполняют две функции. Во-первых, сохранить как можно больше отработанного тепла после холодного пуска, чтобы быстрее установить устойчивое сгорание, а во-вторых, отдать как можно меньше тепла, чтобы двигатель как можно дольше оставался горячим, в то же время время, не допуская перегрева двигателя.
Это может показаться сложной задачей, но на практике оказалось, что можно перепрофилировать системы охлаждения двигателей без необходимости значительной модификации двигателей или существующих компонентов систем охлаждения. В новых системах охлаждения по-прежнему будут использоваться радиаторы в качестве теплообменников, вентиляторы с электроприводом для увеличения потока воздуха через теплообменники, насосы для циркуляции охлаждающей жидкости и регулируемый термостат или клапан управления потоком охлаждающей жидкости для регулирования потока охлаждающей жидкости через систему.
Единственным важным отличием является то, как будут управляться новые системы охлаждения, поэтому давайте рассмотрим некоторые из основных компонентов, которые скоро появятся в большом количестве. Начнем с-
Электрические водяные насосы
Источник изображения: Toyota Media
На этом изображении показан электрический водяной насос на двигателе Toyota, и хотя электрические водяные насосы не совсем новое изобретение, ниже будет объяснено, почему электрические водяные насосы скоро станут нормой для новых двигателей.
Законы физики (слегка упрощенные) гласят, что скорость конвекции, т. е. скорость, с которой тепло «распространяется» через объект, определяется, среди прочего, массой, структурой и плотностью объекта. Однако в случае с современными двигателями внутреннего сгорания скорость нагрева любого данного двигателя определяется не только общей массой двигателя и основным материалом, из которого он сделан, но также объемом охлаждающей жидкости в двигателе. двигатель
ПРИМЕЧАНИЕ. В данном обсуждении предполагается, что двигатель холодный и что обычный термостат с восковыми шариками закрыт для предотвращения циркуляции охлаждающей жидкости.
С точки зрения контроля выбросов эта взаимосвязь имеет решающее значение, поскольку чем больше объем охлаждающей жидкости в цилиндре и блоке цилиндров и чем больше площадь контакта между двигателем и охлаждающей жидкостью, тем больше времени требуется двигателю для прогрева. . Это может показаться самоочевидной истиной, но факт заключается в том, что соотношение между площадью поверхности и объемом охлаждающей жидкости далеко не идеальное во многих двигателях.
Таким образом, используя водяной насос, скорость вращения которого плавно регулируется и не зависит от частоты вращения двигателя, становится возможным регулировать скорость циркуляции охлаждающей жидкости в соответствии с текущими условиями эксплуатации. Например, если термостат открыт, скорость электрического водяного насоса может быть уменьшена, чтобы ограничить или замедлить скорость циркуляции охлаждающей жидкости, что невозможно сделать с водяными насосами с ременным приводом.
Сопоставленные термостаты
Источник изображения: https://s19539.pcdn.co/wp-content/uploads/2016/09/Fig-21.jpg
На этом изображении показан типичный пример термостата с картированием или, как его еще называют, термостата с электроприводом.
Как и электрические водяные насосы, эти термостаты используются уже несколько лет, но в большинстве случаев термостаты с регулировкой используются в сочетании с обычными водяными насосами с ременным приводом. Это свело на нет большую часть неотъемлемого преимущества термостата с компьютерным управлением, поскольку скорость потока охлаждающей жидкости через термостат зависит не от скорости водяного насоса, а от скорости двигателя, который приводит в действие водяной насос с максимальной скоростью. фиксированное передаточное отношение через приводной ремень.
Тем не менее, самое большое преимущество термостата с программным управлением заключается в том, что его работа не контролируется напрямую и не зависит от температуры охлаждающей жидкости. Как мы знаем, в обычном термостате повышение температуры охлаждающей жидкости вызывает расширение восковой гранулы, которая затем воздействует на толкатель, открывая встроенный клапан. Хотя это хорошо работает для предотвращения перегрева двигателя, проблема заключается в том, что обычные термостаты не могут точно контролировать температуру охлаждающей жидкости, потому что они остаются открытыми и закрытыми в течение относительно длительного периода времени, что вызывает большие колебания температуры охлаждающей жидкости.
Связанные термостаты, с другой стороны, управляются специальным модулем управления, который нагревает электрический элемент, встроенный в термостат, на основе входных данных от одного или нескольких специальных датчиков температуры охлаждающей жидкости. Таким образом, фактическим открытием клапана термостата можно точно управлять, чтобы исключить большие колебания температуры охлаждающей жидкости.
Таким образом, при использовании регулируемых термостатов в сочетании с другими компонентами, такими как электрический водяной насос, скорость которого можно регулировать для увеличения или уменьшения скорости потока охлаждающей жидкости через двигатель, становится легче поддерживать общую температуру двигателя на уровне, при котором горение является наиболее стабильным в самом широком диапазоне условий эксплуатации.
Клапаны регулирования потока
Источник изображения: https://www.efiautomotive.com/wp-content/uploads/2019/08/module-actionneur-DC-low2-1. jpg
Клапаны регулирования потока охлаждающей жидкости такие как показанный здесь пример, использовались на гибридных автомобилях в течение многих лет, они не использовались на многих обычных автомобилях.
Тем не менее, основная причина, по которой клапаны управления потоком используются в гибридных автомобилях, заключается в том, что системы охлаждения гибридных транспортных средств обычно состоят из нескольких подсистем, которые имеют разные требования к охлаждению. Иногда в разных системах охлаждения также используются разные типы охлаждающей жидкости, и в этих случаях одна или несколько подсистем имеют специальные насосы охлаждающей жидкости. Однако в случаях, когда в одной или нескольких системах используется хладагент одного и того же типа, все такие системы обычно обслуживаются одним электрическим насосом, но распределение хладагента по разным системам всегда управляется управляемым компьютером клапаном управления потоком хладагента.
В своей простейшей форме клапаны управления потоком охлаждающей жидкости содержат два или более электромагнитных клапана, которые могут открываться и закрываться независимо друг от друга. Таким образом, на обычном автомобиле мощность водяного насоса может подаваться на клапан управления потоком, но в зависимости от условий эксплуатации только часть потока может быть отведена на радиатор, а остальная часть может быть направлена обратно в схему циркуляции двигателя. для поддержания температуры двигателя.
То, как поток охлаждающей жидкости распределяется/перенаправляется/перекрывается или иным образом управляется, зависит от автомобиля и текущих условий эксплуатации. Тем не менее, во всех случаях специальный модуль управления охлаждением двигателя использует входные данные от нескольких датчиков температуры охлаждающей жидкости и других датчиков для управления потоком охлаждающей жидкости, чтобы общая температура двигателя поддерживалась в диапазоне двух или трех градусов для обеспечения стабильного сгорания при любых условиях. условия эксплуатации.
Вентиляторы радиатора с бесступенчатой регулировкой скорости вращения
Мы знаем, что электрические вентиляторы радиатора обычно активируются специальным датчиком, который измеряет температуру охлаждающей жидкости в радиаторе. Хотя этот подход работает достаточно хорошо, этот метод управления вентилятором вызывает большие колебания температуры охлаждающей жидкости в различных частях системы охлаждения.
Мы также знаем, что многоскоростные вентиляторы радиатора широко используются уже много лет. Однако в новых конструкциях систем охлаждения скорость вращения вентилятора (вентиляторов) радиатора будет не только плавно изменяться; работа вентиляторов также будет основываться на входных данных, полученных от датчиков температуры, расположенных в различных частях системы охлаждения, а не только в самом радиаторе. На практике сигнал на вентиляторы радиатора будет иметь широтно-импульсную модуляцию, чтобы обеспечить бесконечный диапазон скоростей вентилятора, во многом так же, как безвозвратные топливные системы используют скорость вращения топливного насоса для регулирования давления топлива.
На практике, однако, рабочие циклы вентиляторов радиатора будут значительно короче, и вентиляторы почти наверняка будут работать на более низких оборотах чаще, чем в старых системах охлаждения, поскольку бремя поддержания температуры двигателя больше не будет ложиться на радиатор один. Предполагая, что все компоненты, т. е. электрический водяной насос, регулируемый термостат и клапан управления потоком, работают в соответствии с проектом, объем хладагента, требующего охлаждения в любой момент времени, будет меньше, поскольку большая часть хладагента должна поддерживаться при высоких температурах для поддерживать температуру двигателя.
Таким образом, основная задача радиатора и охлаждающих вентиляторов теперь состоит в том, чтобы сбрасывать только лишнее тепло, а не сбрасывать как можно больше тепла в кратчайшие сроки. Однако термин «избыточное тепло» не имеет точного определения, поскольку оно будет различаться в зависимости от конструкции двигателя и типа двигателя. Другие факторы, такие как температура окружающей среды, местная влажность, условия эксплуатации, использование транспортного средства и стиль вождения, также учитываются в этом уравнении, но эти переменные учитываются в алгоритмах мониторинга/контроля модулей контроля температуры и справочных таблицах.
Регулируемые жалюзи решетки радиатора
Источник изображения: https://www.searchautoparts.com/sites/default/files/images/MA05%20-%20E8.jpg
Жалюзи решетки радиатора, как на Toyota Prius 2020 года также не являются новыми изобретениями и в течение многих лет используются на многих транспортных средствах в холодном климате для сокращения времени прогрева двигателя. Однако вскоре управляемые компьютером жалюзи решетки радиатора станут стандартным оборудованием для всех автомобилей, а не только для гибридов и обычных автомобилей, эксплуатируемых в холодном климате. На практике управляемые компьютером регулируемые жалюзи решетки, которые работают в сочетании с другими стратегиями, такими как активное управление скоростью потока охлаждающей жидкости, представляют собой один из самых простых, но наиболее эффективных способов предотвращения чрезмерных потерь тепла за счет ограничения потока воздуха через и через решетку. сердцевина радиатора, что оставляет нам это-
Заключение
Рискуя преувеличить, системы охлаждения нового поколения предназначены не только для ограничения потерь отходящего тепла, с одной стороны, но и для более точного регулирования температуры двигателей и в более узком диапазоне, чем это можно было сделать раньше, с другой.
С точки зрения контроля выбросов поддержание стабильного горения за счет улучшенного управления отходящим теплом непосредственно приводит к снижению выбросов при всех или большинстве рабочих условий, что должно удовлетворить большинство регулирующих органов.
Однако с нашей точки зрения технических специалистов требование поддерживать температуру двигателя в очень узких пределах может поставить перед нами довольно крутую кривую обучения с точки зрения а) правильного определения видов отказа и б) подтверждения или устранения неисправности компонента. как причина перегрева. По крайней мере, нам нужно изучить или разработать новые тесты, научиться правильно интерпретировать новые типы осциллограмм и научиться делать правильные и достоверные выводы из стоп-кадра и других тестовых данных.
Более того, несмотря на тщательный поиск в Интернете, автор не смог найти никакой значимой технической информации ни по одному из аспектов новых систем охлаждения, за исключением нескольких известных хороших/плохих осциллографов электрических водяных насосов на гоночных автомобилях, которым было не менее пяти или в возрасте шести лет.