Комбинированная система автоматического управления и регулирования теплового режима двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к системам автоматического управления и регулирования тепловым режимом двигателя внутреннего сгорания, предназначено для использования на автомобилях, тракторах в строительно-дорожной, коммунальной и специальной самоходной технике, а также на стационарных и передвижных энергетических агрегатах. Изобретение позволяет повысить КПД, надежность и моторесурс двигателя, упростить конструкцию и улучшить пусковые качества. Система оснащена двухсекционным жидкостным теплообменником-двухсекционным картером с электрическими нагревателями в жидкостной секции, соединенной с рубашкой охлаждения двигателя, насосом с электрическим приводом и управляемыми клапанами и термостатом. Последние соединены с охлаждающей жидкостной секцией утилизатора тепла отработавших газов. Отличием системы является возможность подогрева охлаждающей жидкости жидкостной секции двухсекционного картера через теплообменник от горячего источника водоснабжения. В целях оптимизации конструкции систем и двигателя и улучшения его показателей вентилятор с регулируемой муфтой и жидкостный насос системы охлаждения выполнены без подшипников в одном агрегате и установлены на переднем носке коленчатого вала, а в масляной секции двухсекционного картера дополнительно установлены датчики температуры и уровня масла системы автоматического регулирования температуры. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к системам управления и регулирования тепловым режимом двигателя внутреннего сгорания.

Известна комбинированная система автоматического управления и регулирования теплового режима двигателя внутреннего сгорания, включающая блок и головку цилиндров с рубашкой охлаждения, вентилятор с регулирующей муфтой, жидкостный насос системы охлаждения, соединенный передачей с коленчатым валом, термостат с клапаном, соединяющий рубашку охлаждения с радиатором, и перепускной клапан, перекрывающий байпасное отверстие жидкостного насоса [1].

Недостатком известного технического решения является недостаточная величина КПД.

Задача изобретения заключается в повышении КПД, надежности, моторесурса, упрощении конструкции и улучшении пусковых качеств, а также в снижении расхода масла.

Поставленная задача решается тем, что комбинированная система автоматического управления и регулирования теплового режима двигателя внутреннего сгорания включает блок и головку цилиндров с рубашкой охлаждения, вентилятор с регулирующей муфтой, жидкостный насос охлаждения, соединенный передачей с коленчатым валом, термостат с клапаном, соединяющий рубашку охлаждения с радиатором, и перепускной клапан, перекрывающий байпасное отверстие жидкостного насоса, причем система дополнительно оснащена газожидкостным утилизатором тепла отработавших газов, соединенным с выпускным коллектором, двухсекционным жидкостным теплообменником - двухсекционным картером с масляной и охлаждающей жидкостной секциями и управляемым клапаном, при этом последний и термостат соединены трубопроводами с рубашкой охлаждения двигателя, охлаждающей секцией теплообменника и жидкостной секцией утилизатора тепла отработавших газов с образованием дополнительного круга циркуляции охлаждающей жидкости с жидкостным насосом системы охлаждения, а в охлаждающую жидкостную секцию погружены электрические нагреватели. Кроме того, в охлаждающую жидкостную секцию двухсекционного картера погружен жидкостно-водяной теплообменник, позволяющий подключаться к источнику горячего водоснабжения, вентилятор с регулируемой муфтой и жидкостный насос системы охлаждения выполнены без подшипников в одном агрегате и установлены на переднем носке коленчатого вала, в масляной секции двухсекционного картера дополнительно установлены датчики регистрации температуры и уровня масла, а в малом (дополнительном) круге системы охлаждения дополнительно установлен жидкостный насос с электрическим проводом.

На фиг.1 показана гидравлическая схема; на фиг.2 - структурная схема; на фиг.3 - узел соединения коленчатого вала и вентилятора; на фиг.4 - общий вид двигателя.

На фиг. 1 изображена гидравлическая схема предлагаемого устройства. Для охлаждения жидкости, циркулирующей в системе охлаждения, применяется трубчато-ленточный радиатор 1. Радиатор 1 состоит из остова, верхнего 3 и нижнего 30 бачков. Остов радиатора изготовлен из плоскоовальных трубок, расположенных вертикально. Торцы трубок запаяны в верхнюю и нижнюю крышки бачков.

В верхнем бачке 3 имеются два патрубка. Через основной патрубок 2 большого диаметра из блока двигателя в радиатор поступает нагретая жидкость. Другой патрубок 20, соединенный с расширительным бачком 4, предназначен для удаления воздуха из радиатора при заправке жидкостью системы охлаждения.

Через патрубок 5 нижнего бачка 30 радиатора охлаждающая жидкость поступает к жидкостному насосу 6.

Расширительный бачок 4 предназначен для компенсации объема охлаждающей жидкости в системе при ее расширении (нагретое состояние), для контроля степени заполнения системы жидкостью, а также для удаления из нее воздуха и паров.

Заправка системы охлаждающей жидкостью осуществляется через расширительный бачок. В заливной горловине расширительного бачка установлена герметичная пробка с двумя клапанами: впускным 8 и выпускным 7. Головка 10 двигателя соединена трубопроводом 9 с расширительным бачком 4.

Жалюзи 11 радиатора устанавливаются перед радиатором и служат для регулировки потока воздуха при прогреве дизеля и в холодное время года.

На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого устройства, включающего блок 34 собственно двигателя внутреннего сгорания с коленчатым валом 13 и масляной секцией 38 масляно-жидкостного картера с датчиками температуры 39 и уровня 40. К масляной секции снизу подсоединена жидкостная секция - поддон 22, заполненный охлаждающей жидкостью с погруженными в нее электрическими нагревательными элементами 29. К коленчатому валу 13 подсоединен редуктор 35 привода распределительного кулачкового вала. Соосно и жестко с коленчатым валом 13 соединен жидкостный насос 6, вентилятор 33 сидит соосно на носке 13 коленчатого вала, который связан с ним с помощью управляемой муфты 36.

Головка 10 двигателя накрывает блок 1 двигателя и соединена выпускным коллектором 37 с утилизатором 27 тепла отходящих газов.

Датчики 39, 40 соответственно температуры и уровня масла обеспечивают контроль и диагностику теплового состояния двигателя.

Жидкостный насос 6 (фиг. 1) центробежного типа, как показано на фиг. 2, соединен с коленчатым валом 13 двигателя. На передний торец коленчатого вала крепится шкив 41 вентилятора 33. Более подробно конструкция соединения коленчатого вала 13 со шкивом 41 вентилятора 33 показана на фиг. 3. Со шкивом 41 связана муфта 12 отключения вентилятора 33 (фиг. 3).

Ведущий диск муфты связан со ступицей, ведомый - с лопастями вентилятора, между ними размещен дилатометрический элемент муфты.

На фиг. 3 показан конструктивный узел соединения коленчатого вала 13 с крыльчаткой жидкостного насоса 6.

На фиг. 1 показан коленчатый вал 13, который соединяется с жидкостным насосом 6 и шкивом 41 схематично.

Термостат 14 размещен на двигателе и имеет два клапана 15 и 16, которые служат для открытия и закрытия, через них охлаждающая жидкость (ОХ) поступает в радиатор и в насос 6 через патрубок. Патрубок 18 соединяет жидкостный насос 6 с головками дизеля 10.

Патрубки 19 и 20 соединяют термостат 14 с головками дизеля 10. Патрубок 21 соединяет расширительный бачок 4 с нижним бачком 30 радиатора 11. Жидкостная секция 22 жидкостно-масляного картера соединена патрубками 23 и 24 с головкой 10 и с насосом 6.

Возможным вариантом выполнения жидкостно-масляного картера является размещение в нем двухсекционного жидкостного теплообменника, осуществляющего теплообмен между маслом и охлаждающей жидкостью, которая при запуске может подогреваться или электрическими нагревателями, или змеевиком 32, питающимся от независимого от двигателя и источника водо-теплоснабжения.

Дополнительный жидкостный насос 17 с электроприводом принудительно усиливает теплопередачу от ТЭНов к масляной системе и системе охлаждения двигателя.

Головка 10 соединяется патрубком 25 с управляемым клапаном 26, который установлен на утилизаторе тепла отходящих газов 27, соединенном патрубком 28 с нижним бачком радиатора 30 со сливной пробкой 31. Внутри жидкостной секции 22 установлены нагревательные элементы 29.

На фиг.4 показана техническая реализация разработанной конструкции системы на основе двухсекционного жидкостно-масляного картера 42 на примере дизельного двигателя ЗиЛ-6454П с масляной секцией 43, жидкостной секцией 22 картера и местами 44 установок ТЭНов и змеевика, маслоприемника 45.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Для поддержания нормального теплового состояния двигателя регулирование температуры охлаждающей жидкости осуществляется автоматически с помощью термостата 14 и муфты 36 вентилятора 33. Также возможно механичское регулирование температуры с помощью жалюзи, установленных перед радиатором системы охлаждения.

Циркуляция охлаждающей жидкости может осуществляться по малому контуру (при прогреве неработающего двигателя), когда температура охлаждающей жидкости ниже 80^oC.

Термостат 14 изменяет проходные сечения трубопроводов. После прогрева до 80^oC твердый наполнитель, в качестве которого используется церезин - нефтяной воск, заключенный в баллоне, расплавляется и увеличивается в объеме. Опираясь на шток, баллон перемещается, открывая клапан.

Термостат 14 открывает клапан 15 и закрывает перепускной клапан 16. Охлаждающая жидкость через клапан поступает в радиатор. При охлаждении дизеля объем церезина уменьшается, клапан 15 закрывается, а перепускной клапан открывается, обеспечивая внутреннюю циркуляцию жидкости через рубашку охлаждения двигателя, во время которой устраняется местный перегрев.

При температуре свыше 80^oC клапан 15 термостата 14 открыт и охлаждающая жидкость из нижнего бачка радиатора нагнетается центробежным насосом в рубашку блок-картера, охлаждая гильзы цилиндров. Затем через отверстия в верхней плите блока жидкость поступает в головки цилиндров.

Нагнетенная жидкость перетекает из передних частей головок цилиндров по соединительному патрубку 19 или 20 в корпус отводящего патрубка термостата 14, затем в патрубок 2 и оттуда - в верхний бачок 3 радиатора. Пройдя через радиатор, охлажденная жидкость собирается в нижнем бачке 30 радиатора 1.

При прогреве холодного двигателя циркуляция осуществляется по малому контуру. В этом случае патрубок термостата, соединяющий полости дизеля с радиатором, перекрыт клапаном 15 термостата, а перепускной клапан 16, перекрывающий байпасное отверстие в верхней части крышки, открыт. При этом охлаждающая жидкость поступает через каналы корпуса жидкостного насоса во всасывающую полость насоса 6.

Управляемый клапан 26 (фиг. 1) служит для изменения циркуляции жидкости через утилизатор тепла ОГ и ускоренного прогрева дизеля в процессе запуска.

Муфта вентилятора предназначена для обеспечения работы вентилятора в автоматическом режиме.

Включение и выключение муфты осуществляется биметаллическим терморегулятором в зависимости от температуры воздуха, обдувающего корпус муфты. При низкой температуре воздуха биметаллический регулятор устанавливает клапан в такое положение, при котором закрывается проход рабочей жидкости в полость между ведущей и ведомой частями муфты. В этом случае рабочая жидкость находится в резервной камере. За счет зазоров между ведущей и ведомой частями муфты они могут вращаться относительно друг друга. При повышении температуры воздуха биметаллический терморегулятор поворачивает клапан, открывая тем самым отверстия, соединяющие резервную и рабочую полости. Под действием центробежных сил рабочая жидкость заполняет зазоры между ведущей и ведомой частями муфты. При этом вследствие высокой вязкости жидкости происходит включение муфты и вращение вентилятора.

Комбинированная система управления и регулирования тепловым режимом ДВС сопрягается с общей системой автоматизированного управления двигателем, имеющего специальный блок автоматики, обеспечивает выполнение требований 3-й степени автоматизации и включает следующие операции: 1. Автоматический и дистанционный пуск двигателя по внешнему сигналу.

2. Автоматическая подготовка к приему нагрузки и приема нагрузки.

3. Автоматическое поддержание температуры охлаждающей жидкости и масла в заданных пределах.

4. Автоматическая аварийная сигнализация и защита (отключаемая), автоматический контроль за работой двигателя и автоматическое пополнение топлива и масла двигателя для обеспечения непрерывной работы в течение 600 ч.

5. Автоматическая остановка двигателя по внешнему импульсу и автоматический возврат регулятора оборотов в пусковое положение.

6. Автоматизация устройств, облегчающих поддержание неработающего дизеля в прогретом состоянии для обеспечения быстрого приема нагрузки (состояние "горячего" резерва), а также контроль других информационных параметров.

Для выполнения вышеуказанных требований ДВС оснащен необходимыми датчиками, приборами и устройствами (узлами) автоматизации.

Для автоматического и дистанционного пуска двигателя по внешнему сигналу установлен электростартер, включаемый через реле стартера и обеспечивающий надежность запуска двигателя. Команда на запуск двигателя подается с щита управления или вырабатывается устройством автоматики.

Для обеспечения подготовки к приему нагрузки при определенных условиях на дизеле предусмотрен датчик температуры комплексной системы контроля дизеля (КСКД-13), разрешающий прием нагрузки по достижении значения температуры масла в системе работающего дизеля 308 K (35^oC). Датчик установлен в водомасляном картере двигателя.

Для обеспечения автоматического поддержания температуры охлаждающей жидкости в заданных пределах (при работе двигателя) в системе охлаждения предусмотрены два термостата, открытие клапанов которых (отрегулировано на заводе-изготовителе) начинается при температуре ±80^oC. Полное открытие клапанов термостата происходит при температуре 99^oC.

Для предотвращения перегрева охлаждающей жидкости и масла служит водяной радиатор, а для контроля от перегрева по температуре охлаждающей жидкости имеется датчик температуры КСКД-13, отрегулированный на значение 373 K (100^oC).

При неработающем двигателе автоматическое поддержание температуры охлаждающей жидкости и масла в заданных пределах осуществляется с помощью специальных электронагревателей (ТЭНов), установленных в водомасляном картере дизеля.

Автоматическая аварийная сигнализация и защита (отключаемая), автоматический контроль за работой двигателя осуществляются с помощью датчиков КСКД, т. е. датчиков температуры, охлаждающей жидкости и масла, датчика давления масла и датчика уровня охлаждающей жидкости, топлива и масла.

Датчики температуры охлаждающей жидкости устанавливаются в сборочной коробке перед термостатом, где имеются гнезда под датчики. Четыре датчика КСКД контролируют температурное состояние двигателя, сигнализируя о перегреве 373 K (+100^oC), необходимости включения при температуре 380 K (+45^oC) и включения при температуре 338 K (+65^oC) подогрева с помощью электронагревателей о разрешении остановки дизеля при снижении температуры охлаждающей жидкости ниже 358 K (+85^oC) после снятия нагрузки.

Пятый датчик связан с электрическим указателем, расположенным на щите агрегата.

Датчик контроля температуры масла при 308 K (35^oC), разрешающий прием нагрузки, устанавливается в камере двигателя.

Датчик контроля аварийного снижения давления масла 0,1 МПа (1,0 кгс/см²) устанавливается в главной масляной магистрали.

Давление масла фиксируется также датчиком, связанным с указателем давления, расположенным на щите агрегата.

Для контроля уровня охлаждающей жидкости применен специальный датчик уровня жидкости КСКД-13, установленный в расширительном бачке. Датчик срабатывает при понижении уровня жидкости ниже допустимого, т.е. при оголении чувствительного элемента датчика.

Для контроля уровня масла в картере установлены три датчика уровня масла, которые связаны с блоками уровня КСКД-13 и далее с блоками реле КСКД и с щитом автоматики. Датчики срабатывают при понижении уровня масла ниже допустимого его значения.

Для контроля уровня топлива в топливном баке установлены два датчика уровня топлива, которые связаны с блоками уровня КСКД-12 и далее с щитом автоматики.

Применение указанных датчиков уровня позволяет автоматически пополнять названные системы двигателя для обеспечения длительной непрерывной его работы.

Для обеспечения автоматической остановки дизеля по внешнему сигналу на нем установлен электропривод типа АСУ-5. При втягивании сердечника электропривода АСУ-5 перемещается механический рычаг перекрытия топлива в топливном насосе двигателя. При отпускании сердечника за счет возвратной пружины рычаг возвращается в положение полной подачи топлива.

В случае несрабатывания служебного останова предусмотрен аварийный останов, для чего на всасывающем коллекторе установлен привод воздушной захлопки, которая прекращает подачу воздуха в цилиндры двигателя. Захлопку закрывает устройство, срабатывающее при помощи стоп-устройства на базе АСУ-5.

При сравнении свойств заявляемого и известных решений было установлено, что у заявляемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений и гарантирующие достижение целей изобретения: повышение механического КПД, надежности и моторесурса двигателя внутреннего сгорания, упрощение конструкции, улучшение пусковых качеств, снижение расхода масла.

Из этого можно сделать вывод, что предлагаемое решение обладает существенными отличиями, заключающимися в том, что, с целью повышения механического КПД, надежности и моторесурса двигателя внутреннего сгорания, упрощения конструкции, улучшения пусковых качеств, снижения расхода масла, система оснащена дополнительно двухсекционным жидкостным теплообменником - двухсекционным картером, в охлаждающую жидкостную секцию которого погружены электрические нагреватели, дополнительным управляемым клапаном и термостатом, соединенным трубопроводами с водяной рубашкой двигателя, охлаждающей секцией теплообменника и жидкостной секцией, утилизатором тепла отработавших газов, образующими дополнительный круг циркуляции охлаждающей жидкости жидкостного насоса системы охлаждения, в охлаждающую жидкостную секцию двухсекционного картера погружен жидкостно-водяной теплообменник, позволяющий подключаться к источнику горячего водоснабжения, вентилятор с регулируемой муфтой и жидкостный насос системы охлаждения выполнены без подшипников в одном агрегате и установлены на переднем носке коленчатого вала, в масляной секции двухсекционного картера дополнительно установлены датчики регистрации температуры и уровня масла.

Формула изобретения

1. Комбинированная система автоматического управления и регулирования теплового режима двигателя внутреннего сгорания, включающая блок и головку цилиндров с рубашкой охлаждения, вентилятор с регулирующей муфтой, жидкостной насос системы охлаждения, соединенный передачей с коленчатым валом, термостат с клапаном, соединяющий рубашку охлаждения с радиатором, и перепускной клапан, перекрывающий байпасное отверстие жидкостного насоса, отличающаяся тем, что система дополнительно оснащена газожидкостным утилизатором тепла отработавших газов, соединенным с выпускным коллектором, двухсекционным жидкостным теплообменником - двухсекционным картером с масляной и охлаждающей жидкостной секциями и управляемым клапаном, причем последний и термостат соединены трубопроводами с рубашкой охлаждения двигателя, охлаждающей секцией теплообменника и жидкостной секцией утилизатора тепла отработавших газов с образованием дополнительного круга циркуляции охлаждающей жидкости с жидкостным насосом системы охлаждения, а в охлаждающую жидкостную секцию погружены электрические нагреватели.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в охлаждающую жидкостную секцию двухсекционного картера погружен жидкостно-водяной теплообменник, позволяющий подключаться к источнику горячего водоснабжения.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что вентилятор с регулируемой муфтой и жидкостной насос системы охлаждения выполнены без подшипников в одном агрегате и установлены на носке коленчатого вала.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в масляной секции двухсекционного картера дополнительно установлены датчики регистрации температуры и уровня масла.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что в малом круге системы охлаждения дополнительно установлен жидкостной насос с электрическим приводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4