Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания и устройство для его реализации

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для охлаждения двигателей внутреннего сгорания с преобразованием части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения от двигателя, в другие виды энергии для дальнейшего ее использования. Способ включает циркуляцию рабочего тела, при этом уровень жидкого рабочего тела в полостях охлаждения ниже верхнего выхода из полостей, а уровень в охладителях поддерживается не выше средней линии охладителей, энергию парового потока преобразуют в механическую энергию при помощи турбины, в охладителях поддерживают разрежение с помощью компрессора или вакуумного насоса. Устройство замкнутого жидкостного циркуляционного охлаждения переводят в режим работы замкнутого испарительного устройства охлаждения, в охладителях которого поддерживают разрежение, на паровом трубопроводе между полостями охлаждения двигателя и охладителями устанавливают турбину, а в качестве рабочего тела используют воду и/или высококипящие низкозамерзающие органические жидкости. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для охлаждения двигателей внутреннего сгорания с преобразованием части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения от двигателя, в другие виды энергии для дальнейшего ее использования.

Известен способ жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Основными элементами замкнутой принудительной жидкостной системы охлаждения являются рубашка охлаждения двигателя (полости вокруг каждого из цилиндров [или группы цилиндров] и в головках цилиндров [или в головках блока цилиндров], образованные наружными стенками), насос, охладители, соединительные трубы, уплотнительные прокладки, устройства, соединяющие систему охлаждения с атмосферой (открытая система) или, наоборот, разъединяющие полости системы и атмосферу (закрытая система). Жидкость, находящаяся в полостях вокруг цилиндров и головок цилиндров (т.н. рабочее тело), нагревается, отбирая теплоту от цилиндров. Нагретую жидкость направляют в охладитель, где она охлаждается, отдавая теплоту нагреваемому устройству или окружающей среде через стенки охладителя, после чего жидкость возвращают насосом обратно в полости, замыкая цикл. Для повышения эффективности работы охладителя с целью уменьшения его геометрических параметров осуществляют обдув охладителя вентилятором, приводимым в движение от вала двигателя внутреннего сгорания.

Недостатками указанного способа жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания являются трудности распределения потоков рабочего тела по охлаждаемым полостям двигателя для обеспечения пропорционального охлаждения поверхностей цилиндров с различной тепловой нагруженностью, необходимость обеспечения значительной объемной скорости жидкостного потока, связанной с невысокой теплоемкостью рабочего тела. В случае применения одного охладителя возрастают требования к его компактности в силу ограниченности подкапотного пространства большинства транспортных средств, в результате чего возрастают энергетические потери, связанные с обеспечением усиленного обдува компактного охладителя наружным воздухом. При применении двух и более охладителей, расположенных в разных местах транспортного средства, энергетические затраты на их охлаждение снижаются. Однако значительно возрастает объем и масса рабочего тела, требующегося для заполнения системы разнесенных охладителей. При последовательном подключении охладителей увеличивается общее гидродинамическое сопротивление системы, в результате чего возрастают энергетические затраты на циркуляцию рабочего тела. При параллельном подключении охладителей возникает сложность пропорционального распределения потоков охлаждаемой жидкости между ними для обеспечения ее эффективного охлаждения при различных режимах эксплуатации двигателя.

("Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей". Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. М.: "Машиностроение", 1980, с.173-180).

Целью изобретения является снижение энергетических затрат на перемещение охлаждающего рабочего тела в устройстве циркуляционного охлаждения двигателя и на отвод тепла от охладителей, а также обеспечение преобразования части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения от двигателя, в другие виды энергии для дальнейшего ее использования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе охлаждения двигателя внутреннего сгорания при помощи замкнутого устройства, содержащего полости вокруг каждого из цилиндров (или группы цилиндров) и в головках цилиндров (или в головках блока цилиндров), образованные наружными стенками двигателя, один или несколько охладителей и водяной насос, которые соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую систему, по которой циркулирует рабочее тело, переносящее теплоту от охлаждаемых поверхностей двигателя к охладителям, уровень жидкого рабочего тела в полостях охлаждения двигателя поддерживают ниже верхнего выхода из полостей; уровень жидкого рабочего тела в охладителях поддерживают не выше средней линии охладителей; энергию парового потока, поступающего из полостей охлаждения двигателя в охладители, преобразуют в механическую энергию при помощи турбины, установленной на паровом трубопроводе; в охладителях поддерживают разрежение при помощи компрессора или вакуумного насоса, удаляющего посторонние газы из охладителей; в качестве рабочего тела устройства применяют жидкость, имеющую при атмосферном давлении температуру кипения выше температуры окружающего воздуха.

В качестве рабочего тела применяют жидкость, температура кипения которой при атмосферном давлении соответствует диапазону ±20°С от верхней допустимой рабочей температуры охлаждаемых поверхностей двигателя.

В качестве рабочего тела применяют воду и/или низкозамерзающую органическую жидкость с высокой температурой вспышки паров.

В качестве низкозамерзающей органической жидкости применяют смесь спиртов (этиловый-октиловый).

Посторонние газы, откачиваемые из системы компрессором или вакуумным насосом и содержащие пары горючего рабочего тела, направляют на сжигание совместно с топливной смесью в камеру сгорания двигателя.

Механическую энергию, вырабатываемую турбиной, используют для привода обдувающего охладители вентилятора либо для других целей.

Устройство охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащее один или несколько охладителей, насос, полости вокруг каждого из цилиндров (или группы цилиндров) и в головках цилиндров (или в головках блока цилиндров), образованные наружными стенками двигателя, которые соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую систему, по которой циркулирует рабочее тело, представляющее собой жидкость с температурой кипения при атмосферном давлении выше температуры окружающей среды и ее пары, при этом выход из полостей охлаждения двигателя в трубопровод, соединяющий полости с охладителями, расположен выше уровня жидкого рабочего тела в полостях двигателя; на трубопроводе, соединяющем полости двигателя с охладителями, размещена турбина, приводимая в движение потоком пара рабочего тела; устройство содержит компрессор или вакуумный насос, поддерживающий разрежение в охладителях; насос размещен между охладителями и полостями охлаждения двигателя и выполнен с возможностью поддержания минимального уровня жидкого рабочего тела в охладителях.

Рабочим телом устройства является вода и/или низкозамерзающая органическая жидкость с высокой температурой вспышки паров.

В качестве низкозамерзающей органической жидкости применена смесь спиртов.

Между полостями охлаждения двигателя и турбиной расположен сепаратор-каплеотделитель.

Турбина выполнена многосекционной.

Охладители соединены друг с другом параллельно.

Устройство снабжено вентилятором, обдувающим охладители наружным воздухом.

В качестве трубопроводов применены гибкие вакуумные шланги.

Всасывающий патрубок компрессора подсоединен к одному из охладителей, а нагнетательный патрубок подсоединен к всасывающему воздушному патрубку двигателя внутреннего сгорания.

Снижают номинальную производительность жидкостного насоса.

Для преобразования части отводимой от двигателя тепловой энергии в другие виды энергии (механическую, электрическую, гидродинамическую и т.п.) на паровом трубопроводе, соединяющем рубашку охлаждения двигателя с охладителями, устанавливают турбину с соответствующим преобразователем энергии (редуктор, электрогенератор, насос, турбокомпрессор и. т.п.).

В охладителях поддерживают высокую степень разрежения путем их охлаждения в совокупности с постоянным или периодическим удалением посторонних газов, попадающих в систему в процессе ее работы. Удаление газов осуществляют компрессором или вакуумным насосом. Так как вместе с посторонними газами откачивается также часть паров рабочего тела, то в случае применения горючего или экологически небезопасного рабочего тела удаление посторонних газов осуществляют не в атмосферу, а во всасывающий воздушный патрубок двигателя для сжигания паров рабочего тела совместно с топливом в камере внутреннего сгорания двигателя.

Предпочтительно охладители обдувают окружающим воздухом при помощи вентилятора.

В полостях охлаждения двигателя поддерживают рабочее давление, предпочтительно соответствующее небольшому разрежению или небольшому избыточному давлению, путем регулирования нагрузки на турбину и подбором состава применяемого рабочего тела в соответствии с конструктивными характеристиками двигателя.

С целью повышения КПД турбины и для исключения подсоса в систему охлаждения посторонних газов через неплотности рубашки охлаждения двигателя в полостях поддерживают избыточное рабочее давление. Однако при этом возникает опасность истечения рабочего тела через неплотности рубашки охлаждения в подкапотное пространство транспортного средства. При данном режиме работы в качестве рабочего тела применяют негорючую нетоксичную жидкость либо горючую нетоксичную жидкость с высокой температурой вспышки паров и с температурой кипения при атмосферном давлении ниже рабочей температуры охлаждаемых поверхностей двигателя. Одновременно осуществляют усиленный обдув подкапотного пространства при помощи вентилятора охладителя.

С целью недопущения истечения рабочего тела в окружающее пространство через неплотности рубашки охлаждения в полостях охлаждения двигателя поддерживают небольшое разрежение.

Так как относительный перепад давлений пара рабочей жидкости между полостями охлаждения двигателя и охладителями может составлять десятки крат, для максимально полного использования энергии пара предпочтительно используют многосекционную турбину.

Предпочтительно в качестве рабочего тела системы охлаждения применяют жидкость с температурой кипения при атмосферном давлении, соответствующей диапазону ±20°С от верхней допустимой рабочей температуры охлаждаемых поверхностей двигателя.

Предпочтительно в качестве рабочего тела применяют воду и/или низкозамерзающую органическую жидкость с температурой кипения при атмосферном давлении от 150°С и с высокой температурой вспышки паров.

Предпочтительно в качестве органической жидкости применяют смесь спиртов (этиловый-октиловый).

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

Способ позволит преобразовать значительную часть тепловой энергии, отводимой от работающего двигателя, в механическую энергию вращения вала турбины и тем самым повысить КПД двигателя. Механическая энергия вращения вала турбины может быть непосредственно применена для привода дополнительных устройств транспортного средства либо преобразована в другие виды энергии, например в электрическую. Способ позволит упростить конструкцию полостей вокруг цилиндров или головок цилиндров двигателя и увеличить эффективность теплоотвода от греющихся частей двигателя по сравнению со способом циркуляционного жидкостного охлаждения. Увеличение эффективности теплоотвода обусловлено тем, что коэффициент теплопередачи от нагретых поверхностей рабочему телу у испарительных систем охлаждения в несколько раз выше, чем у систем жидкостного охлаждения, и не зависит от скорости потока жидкости.

Повышение эффективности теплоотвода от нагретых поверхностей к рабочему телу позволит обеспечить требуемую степень охлаждения двигателя при более высокой температуре рабочего тела, контактирующего с охлаждаемыми поверхностями в полостях охлаждения двигателя (вплоть до 180°С, как у систем воздушного охлаждения, или выше в зависимости от конструкции двигателя). Повышенная температура испарения рабочего тела в полостях охлаждения двигателя позволит поддерживать достаточно высокую температуру конденсации рабочего тела в охладителях при сохранении значительного перепада давлений пара рабочего тела между полостями рубашки двигателя и охладителями, требуемого для обеспечения высокого КПД турбины. Высокая температура рабочего тела в охладителях позволит уменьшить их габариты либо снизить затраты энергии на их обдув.

Применение в качестве рабочего тела жидкостей с температурой кипения при атмосферном давлении, соответствующей повышенной рабочей температуре охлаждаемых поверхностей двигателя, позволит поддерживать рабочее давление в полостях охлаждения двигателя, не намного отличающееся от атмосферного (немного выше или немного ниже в зависимости от выбранного режима охлаждения), что обеспечит, с одной стороны, высокий КПД турбины, с другой стороны - безопасность эксплуатации транспортного средства, в том числе и исключение возможности возгорания двигателя при дорожно-транспортных происшествиях.

Меньшее количество используемого рабочего тела по сравнению с жидкостными циркуляционными системами охлаждения позволит быстрее прогреть двигатель для его вывода на рабочий режим и уменьшить паспортную массу транспортного средства. Так как в паровых трубопроводах и в охладителях рабочее тело находится преимущественно в виде разреженного пара, требуемое количество рабочего тела практически не зависит от числа и объема применяемых охладителей, а также от степени их удаленности друг от друга, что позволит использовать охладители упрощенной конструкции и разместить их в любых местах транспортного средства, расположенных выше уровня насоса системы охлаждения. Применение гибких вакуумных шлангов в качестве паровых и жидкостных трубопроводов позволит разместить дополнительные охладители даже на прицепных устройствах. Гибкие легко разъединяемые трубопроводы позволят обеспечить доступность как узлов системы охлаждения, так и других узлов транспортного средства для проведения их ремонта и технического обслуживания. Параллельное подключение охладителей позволит уменьшить гидродинамическое сопротивление системы охлаждения и повысить эффективность работы турбины. Большая суммарная поверхность охладителей позволит снизить или исключить затраты механической энергии на их обдув при сохранении эффективности работы системы охлаждения.

Высокое теплосодержание паров рабочего тела позволит обеспечить требуемую степень охлаждения двигателя при небольших по массе потоках рабочего тела, что уменьшит затраты механической энергии на работу насоса, обеспечивающего подачу жидкого рабочего тела из охладителей в рубашку охлаждения двигателя, и позволит уменьшить диаметр и общий объем жидкостных трубопроводов.

Разрежение, поддерживаемое в системе охлаждения, позволит исключить неконтролируемое истечение рабочего тела через неплотности соединений и узлов системы в окружающую среду, что имеет принципиальное значение при использовании воспламеняющегося рабочего тела.

Удаление паров горючего рабочего тела во всасывающий воздушный патрубок двигателя для сжигания паров рабочего тела совместно с топливом позволит использовать энергию горения рабочего тела для выработки механической энергии двигателя, а также позволит исключить попадание паров рабочего тела в окружающую среду.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана реализация способа на примере конструкции варианта устройства охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

Конструкция устройства охлаждения содержит блок цилиндров 1, рубашку охлаждения блока цилиндров 2, стенки которой образуют полости 3, заполненные жидким рабочим телом 4 и парообразным рабочим телом 5, сепаратор-каплеотделитель циклонного типа 6, турбину 7, охладители 8 и 9, жидкостный насос 10, компрессор или вакуумный насос 11, предохранительный клапан 12, байпасный клапан 13 и вентилятор 14.

Работа устройства охлаждения двигателя внутреннего сгорания осуществлена следующим образом.

При запуске двигателя компрессор или вакуумный насос 11 создает разрежение в полостях системы охлаждения путем откачки воздуха, заполняющего систему совместно с парами рабочего тела, во всасывающий патрубок двигателя внутреннего сгорания. Работа компрессора 11 осуществляется до достижения определенного разрежения, при котором содержание посторонних газов (воздуха) в системе охлаждения не превышает определенного значения, после чего компрессор 11 выключается. Разрежение создается как в охладителях 8 и 9, так и в полостях 3 рубашки охлаждения блока цилиндров 2.

При нагреве жидкости 4, омывающей цилиндры и головки цилиндров, до температуры кипения при данном разрежении начинается ее кипение с отводом теплоты от нагретых частей двигателя, соприкасающихся с жидкостью. Парожидкостная смесь поступает в сепаратор-каплеотделитель циклонного типа 6, в котором разделяется на паровую и жидкостную составляющие. Жидкость возвращается в полости 3 рубашки охлаждения двигателя, а пар направляется в турбину 7. Проходя через турбину, паровой поток передает ей часть своей энергии, после чего разреженные и частично охлажденные пары рабочего тела поступают в охладители 8 и 9. В охладителях пары рабочего тела конденсируются в жидкость, передавая теплоту конденсации наружному воздуху, омывающему стенки охладителей. Для повышения степени теплоотдачи охладитель 8 обдувается вентилятором 14, который в рассматриваемом варианте устройства приводится в движение турбиной 7. Жидкое рабочее тело из охладителей 8 и 9 стекает в нижнюю часть охладителя 8, откуда насосом 10 перекачивается в полости рубашки охлаждения двигателя.

Так как в охладителях или во всей системе, включая рубашку охлаждения двигателя, поддерживается разрежение, в нее возможен подсос воздуха через неплотности соединений и уплотнители динамических устройств. По мере накопления воздуха эффективность работы охладителей снижается, поэтому производят периодическое удаление попавшего в систему воздуха путем его совместного откачивания вместе с частью паров рабочего тела компрессором 11 наружу или во всасывающий воздушный патрубок двигателя внутреннего сгорания. Для облегчения удаления воздуха на время откачивания повышают давление паров рабочего тела в охладителях, для чего открывают байпасный клапан 13, перепускающий пары рабочего тела из полостей охлаждения двигателя в охладители в обход турбины, и одновременно снижают степень обдува охладителей. Для предотвращения нарушения целостности устройства охлаждения при непредвиденном повышении давления внутри системы предусмотрен предохранительный клапан 12, сбрасывающий давление путем перепуска паров рабочего тела наружу или во всасывающий воздушный патрубок двигателя для сжигания удаляемых паров в камере внутреннего сгорания.

1. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания при помощи замкнутого устройства, содержащего полости вокруг каждого из цилиндров (или группы цилиндров) и в головках цилиндров (или в головках блока цилиндров), образованные наружными стенками двигателя, один или несколько охладителей и водяной насос, которые соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую систему, по которой циркулирует рабочее тело, переносящее теплоту от охлаждаемых поверхностей двигателя к охладителям, отличающийся тем, что уровень жидкого рабочего тела в полостях охлаждения двигателя поддерживают ниже верхнего выхода из полостей; уровень жидкого рабочего тела в охладителях поддерживают не выше средней линии охладителей; энергию парового потока, поступающего из полостей охлаждения двигателя в охладители, преобразуют в механическую энергию при помощи турбины, установленной на паровом трубопроводе; в охладителях поддерживают разрежение при помощи компрессора или вакуумного насоса, удаляющего посторонние газы из охладителей; в качестве рабочего тела устройства применяют жидкость, имеющую при атмосферном давлении температуру кипения выше температуры окружающего воздуха.

2. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применяют жидкость, температура кипения которой при атмосферном давлении соответствует диапазону ±20°С от верхней допустимой рабочей температуры охлаждаемых поверхностей двигателя.

3. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.2, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применяют воду и/или низкозамерзающую органическую жидкость с высокой температурой вспышки паров.

4. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.3, отличающийся тем, что в качестве низкозамерзающей органической жидкости применяют смесь спиртов (этиловый-октиловый).

5. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что посторонние газы, откачиваемые из системы компрессором или вакуумным насосом и содержащие пары горючего рабочего тела, направляют на сжигание совместно с топливной смесью в камеру сгорания двигателя.

6. Способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что механическую энергию, вырабатываемую турбиной, используют для привода обдувающего охладители вентилятора, либо для других целей.

7. Устройство охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащее один или несколько охладителей, насос, полости вокруг каждого из цилиндров (или группы цилиндров) и в головках цилиндров (или в головках блока цилиндров), образованные наружными стенками двигателя, которые соединены между собой трубопроводами и образуют замкнутую систему, по которой циркулирует рабочее тело, представляющее собой жидкость с температурой кипения при атмосферном давлении выше температуры окружающей среды и ее пары, отличающееся тем, что выход из полостей охлаждения двигателя в трубопровод, соединяющий полости с охладителями, расположен выше уровня жидкого рабочего тела в полостях двигателя; на трубопроводе, соединяющем полости двигателя с охладителями, размещена турбина, приводимая в движение потоком пара рабочего тела; устройство содержит компрессор или вакуумный насос, поддерживающий разрежение в охладителях; насос размещен между охладителями и полостями охлаждения двигателя и выполнен с возможностью поддержания минимального уровня жидкого рабочего тела в охладителях.

8. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что рабочим телом устройства является вода и/или низкозамерзающая органическая жидкость с высокой температурой вспышки паров.

9. Устройство охлаждения по п.8, отличающееся тем, что в качестве низкозамерзающей органической жидкости применена смесь спиртов.

10. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что между полостями охлаждения двигателя и турбиной расположен сепаратор-каплеотделитель.

11. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что турбина выполнена многосекционной.

12. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что охладители соединены друг с другом параллельно.

13. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что устройство снабжено вентилятором, обдувающим охладители наружным воздухом.

14. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что в качестве трубопроводов применены гибкие вакуумные шланги.

15. Устройство охлаждения по п.7, отличающееся тем, что всасывающий патрубок компрессора подсоединен к одному из охладителей, а нагнетательный патрубок подсоединен к всасывающему воздушному патрубку двигателя внутреннего сгорания.