Двигатель внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением и способ работы такого двигателя
Изобретение относится к двигателю (1) внутреннего сгорания, имеющему, по меньшей мере, одну головку (1a) блока цилиндров и один блок (1b) цилиндров, причем по меньшей мере, одна головка (1a) блока цилиндров оборудована, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет первое впускное отверстие (2a) для подачи хладагента, а на выходной стороне - первое выпускное отверстие (3a) для слива хладагента, блок (1b) цилиндров оборудован, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет второе впускное отверстие (2b) для подачи хладагента, а на выходной стороне - второе выпускное отверстие (3b) для слива хладагента, и для формирования контура охлаждения выпускные отверстия (3a, 3b) выполнены с возможностью соединения с впускными отверстиями (2a, 2b) через рециркуляционную магистраль (5), в которой установлен теплообменник (6), при этом на выходной стороне установлено управляющее устройство (7) с двумя входами (8a, 8b), первый из которых (8a) соединяется с первым выпускным отверстием (3a), а второй (8b) соединяется со вторым выпускным отверстием (3b), также имеющее первый выход (9a), выполненный с возможностью соединения, по меньшей мере, с рециркуляционной магистралью (5), а также содержащее одиночный затвор (7A), в первом рабочем положении открывающий первый вход (8a) и перекрывающий второй вход (8b), тем самым запуская циркуляцию хладагента через головку (1a) блока цилиндров и прекращая циркуляцию через блок (1b) цилиндров, а во втором рабочем положении открывающий оба впускных отверстия (8a) и (8b), запуская тем самым циркуляцию хладагента и через головку (1a) блока цилиндров и через блок (1b) цилиндров. Изобретение обеспечивает терморегулирование на этапе прогрева и, при необходимости, влиять на терморегулирование прогретого двигателя. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, имеющему, по меньшей мере, один блок цилиндров и одну головку блока цилиндров, причем по меньшей мере, одна головка блока цилиндров оборудована, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет первое впускное отверстие для подачи хладагента, а на выходной стороне - первое выпускное отверстие для слива хладагента, блок цилиндров оборудован, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет второе впускное отверстие для подачи хладагента, а на выходной стороне - второе выпускное отверстие для слива хладагента, и для формирования контура охлаждения выпускные отверстия выполнены с возможностью соединения с впускными отверстиями через рециркуляционную магистраль, в которой установлен теплообменник.
Изобретение также относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания такого типа.
Двигатель внутреннего сгорания вышеуказанного типа используется, например, для приведения в движение автомобильного транспортного средства. В контексте настоящего изобретения термином «двигатель внутреннего сгорания» называются дизельные, карбюраторные, а также гибридные двигатели внутреннего сгорания.
Уровень техники
Принципиально система охлаждения двигателя внутреннего сгорания может быть воздушного или жидкостного типа. Преимущество использования жидкостного охлаждения по сравнению с воздушным охлаждением состоит в том, что благодаря более высокой теплоемкости жидкостей можно рассеять гораздо большее количество тепла. Поэтому двигатели внутреннего сгорания предшествующего уровня техники все чаще оборудуются системами жидкостного охлаждения в ответ на постоянное увеличение тепловой нагрузки двигателей. Еще одна причина для этого - все более частое применение наддува в двигателях внутреннего сгорания, а также то, что с целью достижения максимально плотной компоновки все большее количество деталей и узлов интегрируются в блок цилиндров или головку блока цилиндров, в результате чего тепловая нагрузка двигателей, а именно, двигателей внутреннего сгорания, повышается. Выпускной коллектор отработавших газов все в большей мере интегрируется в головку блока цилиндров для того, чтобы встроить его в систему охлаждения, находящуюся в головке, и для того, чтобы его можно было не изготавливать из дорогих термостойких материалов.
Создание системы жидкостного охлаждения требует оборудования головки блока цилиндров, по меньшей мере, одной рубашкой охлаждения, другими словами, требует наличия охладительных каналов, по которым хладагент проходит через головку блока цилиндров. По меньшей мере, в одну рубашку охлаждения на входной стороне через впускное отверстие подают хладагент, который, пройдя сквозь головку блока цилиндров, покидает рубашку охлаждения с выходной стороны через выпускное отверстие. В отличие от систем воздушного охлаждения, для рассеяния тепла его не надо сначала подводить к поверхности головки блока цилиндров, так как оно отводится в хладагент уже непосредственно внутри головки блока цилиндров. Туда хладагент доставляется насосом, установленным в контуре охлаждения и обеспечивающим его циркуляцию. Тепло, переданное хладагенту, выводится вместе с ним из головки блока цилиндров через выпускное отверстие, а затем извлекается из хладагента снаружи головки блока цилиндров, например, с помощью теплообменника и/или каким-либо иным способом.
Как и головка блока цилиндров, сам блок цилиндров может быть оборудован одной или несколькими рубашками охлаждения. Однако головка блока цилиндров представляет собой компонент с гораздо большей тепловой нагрузкой потому, что, в отличие от блока цилиндров, головка имеет каналы выпуска отработавших газов, а стенки камеры сгорания, интегрированные в головку, подвергаются воздействию горячих отработавших газов дольше, чем корпусы цилиндров, находящиеся в блоке цилиндров. Кроме того, головка блока цилиндров имеет меньшую совокупную массу, чем блок цилиндров.
Хладагент обычно приготавливается в виде смеси этиленгликоля с водой и добавками. По сравнению с другими хладагентами вода предпочтительна тем, что нетоксична, легкодоступна и недорога, а кроме того, имеет очень высокую теплоемкость, вследствие чего пригодна для отвода и рассеяния очень больших количеств теплоты, что обычно считается преимуществом.
Для формирования контура охлаждения выпускные отверстия на выходной стороне, через которые хладагент выходит из рубашки охлаждения, соединены рециркуляционной магистралью с впускными отверстиями входной стороны, которые служат для подачи хладагента. В настоящем изобретении рециркуляционная магистраль не обязательно должна быть магистралью в физическом смысле этого слов, но, напротив, может быть также частями интегрирована в головку блока цилиндров, в блок цилиндров или какой-либо другой компонент. В рециркуляционной магистрали устанавливают теплообменник, который отбирает тепло из хладагента.
Ни целью, ни задачей системы жидкостного охлаждения не является извлечение максимально возможного количества тепла из двигателя внутреннего сгорания при любых условиях работы. На самом деле, требуется определяемое фактическими условиями управление системой жидкостного охлаждения, которое, кроме режима полной нагрузки учитывает также и другие рабочие режимы двигателя внутреннего сгорания, в которых более предпочтительно отводить меньше тепла, или как можно меньше тепла от двигателя внутреннего сгорания.
Для снижения потерь на трение и, следовательно, расхода топлива двигателя внутреннего сгорания, может быть целесообразен быстрый нагрев моторного масла, особенно после запуска из холодного состояния. Быстрый нагрев моторного масла на этапе прогрева двигателя внутреннего сгорания обеспечивает соразмерно быстрое снижение вязкости масла и, следовательно, уменьшение трения и потерь на трение, особенно в подшипниках, снабжаемых маслом, например, в подшипниках коленчатого вала.
Из прошлого уровня техники известны концепции уменьшения потерь на трение за счет быстрого нагрева моторного масла. К примеру, масло может активно нагреваться внутренним нагревательным устройством. Однако нагревательное устройство является дополнительным потребителем, требующим своей доли топлива, что противоречит задаче экономии топлива. В других концепциях предлагается хранить моторное масло, нагретое в процессе работы, в изолированной емкости, и использовать его при повторных запусках, хотя нагретое в процессе работы масло и нельзя сохранить горячим неограниченно долго. В другой концепции на этапе прогрева двигателя используют масляный охладитель, в котором масло не охлаждается как обычно, а, наоборот, нагревается хладагентом, быстрого нагрева которого при этом, однако, не избежать.
Быстрому нагреву моторного масла с целью снижения потерь на трение может, в принципе, способствовать быстрый нагрев самого двигателя внутреннего сгорания, которому содействует и который форсирует отвод как можно меньшего количества тепла от двигателя внутреннего сгорания на этапе прогрева.
В данном отношении этап прогрева двигателя внутреннего сгорания после запуска из холодного состояния является примером рабочего режима, в котором предпочтительно отводить с двигателя внутреннего сгорания как можно меньше тепла, а в оптимальном варианте - вообще не отводить никакого тепла.
Управление системой жидкостного охлаждения, в которой отвод тепла после запуска из холодного состояния уменьшается с целью быстрого нагрева двигателя, может быть осуществлено путем использования клапана, самоустанавливающегося в зависимости от температуры, и в предшествующем уровне техники часто называемого термостатом. Термостат данного типа имеет термочувствительный затвор, поджимаемый хладагентом, и магистраль, ведущая через термостат, перекрывается или открывается затвором - в большей или меньшей степени, зависящей от температуры хладагента.
В двигателе внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, где охлаждается и головка блока цилиндров, и блок цилиндров, как в двигателе, описываемом настоящим изобретением, целесообразно иметь независимое управление подачей хладагента через головку блока и через блок цилиндров, в частности, потому, что эти два компонента имеют тепловую нагрузку разного уровня и по-разному ведут себя в процессе прогрева. В этом отношении было бы оптимальным иметь раздельное управление подачей хладагента через головку блока цилиндров и через блок цилиндров с использованием в каждом случае индивидуального термостата.
В опубликованном патентном документе Германии DE 10061546 A1 предлагается система охлаждения для двигателя внутреннего сгорания, охлаждаемого жидкостью, и устанавливаемого на автомобильное транспортное средство. Для дозирования количества хладагента, который сначала протекает через охладительные каналы головки блока цилиндров, а затем через охладительные каналы блока цилиндров, ниже по потоку от головки блока цилиндров и ниже по потоку от блока цилиндров устанавливают индивидуальные термостаты. При этом термостат головки блока цилиндров имеет меньшую температуру открытия, чем термостат блока цилиндров. Недостатком управления согласно DE 10061546 A1 является необходимость установки двух отсечных элементов, то есть термостатов. Это повышает расходы на управление, требует дополнительного места и увеличивает массу.
Еще один недостаток описанного управления заключается в том, что циркуляцию хладагента в контуре охлаждения, то есть движение хладагента, нельзя целенаправленно прекратить даже после запуска двигателя из холодного состояния. То есть, после запуска из холодного состояния хладагент движется и через головку блока цилиндров и через блок цилиндров, хотя движение хладагента через блок цилиндров ограничено до небольшой течи. Ослабление рассеяния тепла через конвективную теплоотдачу осуществляется, главным образом, путем перепуска хладагента в обход охладителя, имеющегося в контуре охлаждения, при том, что хладагент, проходящий через головку блока цилиндров, не пропускается через охладитель ни при каком положении переключения термостатов, а хладагент блока цилиндров пропускается через охладитель только при достижении температуры открытия соответствующего термостата.
И наоборот, если, по меньшей мере, в начале этапа прогрева хладагент не движется, а стоит неподвижно в магистралях и в рубашке охлаждения головки блока цилиндров и/или блока цилиндров, то прогрев хладагента и нагрев двигателя внутреннего сгорания еще более ускоряется. Такое управление дополнительно будет способствовать прогреву моторного масла и еще более снижать потери на трение.
Более того, от управления системой жидкостного охлаждения принципиально требуется не только то, чтобы после запуска из холодного состояния можно было уменьшить количество циркулирующего хладагента или расход хладагента, но также и то, чтобы можно было влиять на терморегулирование двигателя внутреннего сгорания, нагретого до рабочей температуры.
Самоустанавливающийся термостат с неизменной изначально заданной температурой срабатывания должен быть пригоден для любых нагрузок и должен иметь температуру открытия, установленную для высоких нагрузок и достаточно низкую для того, чтобы обеспечивать относительно низкие температуры хладагента даже при работе с частичной нагрузкой.
Однако для различных условий по нагрузке оптимально иметь различные температуры хладагента, так как теплопередача в головке блока цилиндров определяется не только количеством подаваемого хладагента, но в значительной мере и разницей температуры компонента и хладагента. Соответственно, относительно высокая температура хладагента при работе с частичной нагрузкой эквивалентна малой разнице температуры между хладагентом и головкой блока цилиндров или блоком цилиндров. В результате получается пониженная теплопередача при низких и средних нагрузках. Это повышает кпд при работе с частичной нагрузкой.
Раскрытие изобретения
В противоположность решениям уровня техники, описанным выше, задача изобретения состоит в предложении двигателя внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 1 формулы, оптимизированного по управлению охлаждением таким образом, что принципиально можно осуществлять терморегулирование на этапе прогрева и, при необходимости, влиять на терморегулирование уже прогретого двигателя.
Еще одна задача изобретения состоит в предложении способа работы двигателя внутреннего сгорания упомянутого типа.
Первая задача достигается предложением двигателя внутреннего сгорания, имеющего, по меньшей мере, одну головку блока цилиндров и один блок цилиндров, причем по меньшей мере, одна головка блока цилиндров оборудована, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет первое впускное отверстие для подачи хладагента, а на выходной стороне - первое выпускное отверстие для слива хладагента, блок цилиндров оборудован, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет второе впускное отверстие для подачи хладагента, а на выходной стороне - второе выпускное отверстие для слива хладагента, причем для формирования контура охлаждения выпускные отверстия выполнены с возможностью соединения с впускными отверстиями через рециркуляционную магистраль, в которой установлен теплообменник.
На выходной стороне двигателя внутреннего сгорания установлено управляющее устройство, имеющее два входа, первый из которых соединен с первым выпускным отверстием, а второй соединен со вторым выпускным отверстием, также имеющее первый выход, выполненный с возможностью соединения, по меньшей мере, с рециркуляционной магистралью, и содержащее одиночный затвор, в первом рабочем положении открывающий первый вход и перекрывающий второй вход, тем самым запуская циркуляцию хладагента через головку блока цилиндров и прекращая циркуляцию через блок цилиндров, а во втором рабочем положении открывающий оба входа, запуская тем самым циркуляцию хладагента и через головку блока цилиндров и через блок цилиндров.
Двигатель внутреннего сгорания по изобретению имеет систему управления жидкостным охлаждением, в которой подача хладагента и в головку блока цилиндров, и в блок цилиндров управляется на выходной стороне одиночным затвором.
В отличие от концепций, известных из предшествующего уровня техники, в которых на выходной стороне устанавливаются два отсечных элемента в виде термостатов, в конструкции по изобретению для управления системой жидкостного охлаждения или для охлаждения двигателя внутреннего сгорания в зависимости от фактических условий достаточно только одного управляющего устройства.
В результате использования только одного управляющего устройства вместо двух термостатов снижается стоимость, вес и монтажные размеры системы управления. Уменьшается количество компонентов, в результате чего значительно снижаются цена комплектации и стоимость сборки.
В то время как в предшествующем уровне техники используются самоустанавливающиеся термостаты, отличающиеся фиксированной, то есть неизменяемой температурой открывания, в случае предлагаемого изобретения используется активно управляемый затвор - причем данное активное управление осуществляется, например, контроллером двигателя, что принципиально позволяет приводить в действие затвор по трехмерной характеристике, тем самым адаптируя температуру хладагента к текущей нагрузке двигателя, например, обеспечивая более высокую температуру хладагента при низких нагрузках по сравнению с температурой при высоких нагрузках. Используя затвор, управляемый контроллером двигателя, можно регулировать, то есть изменять расходы хладагента через головку блока цилиндров и блок цилиндров, тем самым управляя количеством тепла, отводимого от хладагента в зависимости от фактических условий.
Согласно изобретению затвор, находясь в первом рабочем положении, открывает первый вход и перекрывает второй вход, в результате чего хладагент течет через головку блока цилиндров, но не через блок цилиндров. Первое рабочее положение предназначено для этапа прогрева двигателя внутреннего сгорания, на котором желателен как можно более быстрый нагрев. В первом рабочем положении хладагент протекает через головку блока цилиндров, постоянно охлаждая ее, так как она испытывает особо высокую термическую нагрузку и относительно быстро нагревается. Предпочтительно, чтобы первый вход мог открываться в большей или меньшей степени за счет регулировки затвора в пределах первого рабочего положения, в результате чего появляется возможность изменять расход хладагента и, следовательно, отвод тепла от головки блока цилиндров.
В результате перемещения затвора во второе рабочее положение дополнительно открывается второй вход управляющего устройства, то есть затвор, находясь во втором рабочем положении, открывает и первый, и второй вход управляющего устройства, и хладагент протекает и через головку блока цилиндров и через блок цилиндров. Предпочтительно, чтобы второй вход открывался больше или меньше путем регулировки затвора в пределах второго рабочего положения, что позволяет регулировать расход хладагента и количество тепла, отводимого от блока цилиндров.
Регулировку затвора предпочтительно осуществляют в зависимости от найденной температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров и/или температуры Тcyl.-bloc блока цилиндров. Так осуществляется возможность терморегулирования или охлаждения головки блока цилиндров и блока цилиндров в зависимости от фактических условий.
В двигателе внутреннего сгорания по изобретению задача, поставленная изобретением, достигается изложенным выше образом, другими словами, предлагается двигатель внутреннего сгорания, оптимизированный по управлению охлаждением таким образом, что принципиально можно влиять на терморегулирование двигателя внутреннего сгорания на этапе прогрева и, при необходимости, на терморегулирование уже прогретого двигателя.
Далее по тексту описываются возможные предпочтительные варианты осуществления согласно пунктам формулы изобретения. Особое внимание уделяется разъяснению того, как предпочтительнее приводить в действие затвор, и какие рабочие параметры двигателя внутреннего сгорания по изобретению лучше для этого использовать.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания затвор, находясь в исходном положении, перекрывает два входа управляющего устройства, тем самым прекращая циркуляцию хладагента, как через головку блока цилиндров, так и через блок цилиндров.
Существование в дополнение к двум рабочим положениям еще одного положения, называемого исходным, в котором перекрываются оба входа управляющего устройства, позволяет прекращать охлаждение головки блока цилиндров, то есть полностью прекращать движение хладагента через головку блока цилиндров.
Сконструированный таким образом двигатель внутреннего сгорания доказал свое преимущество, в частности, на этапе прогрева непосредственно после запуска из холодного состояния. После того как автомобильное транспортное средство находилось в покое, то есть при перезапуске двигателя внутреннего сгорания, охлаждение головки блока цилиндров и блока цилиндров прекращается в результате перекрывания обоих входов. Хладагент не течет, а остается неподвижным в рубашках охлаждения головки блока цилиндров и блока цилиндров. При этом ускоряется нагрев хладагента и прогрев двигателя внутреннего сгорания. Такое управление также ускоряет нагрев моторного масла, в результате чего снижаются потери на трение в двигателе и заметно снижается расход топлива.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения затвор регулируется бесступенчато, то есть так, что в первом рабочем положении возможна регулировка расхода через головку блока цилиндров, а во втором рабочем положении - регулировка расхода через блок цилиндров.
Принципиально возможно управление системой жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания по изобретению таким образом, чтобы затвор был выполнен переключаемым между различными положениями, то есть, чтобы он перемещался, то есть переключался из одного положения в другое положение поочередно, например, из исходного положения в первое рабочее положение, и из первого рабочего положения во второе рабочее положение.
Тем не менее, как было указано выше, особо предпочтительна возможность регулировки затвора в пределах рабочего положения так, чтобы вход управляющего устройства мог открываться в большей или меньшей степени. Этим обеспечивается возможность изменять количество хладагента, протекающего через головку блока цилиндров и/или блок цилиндров, то есть количество тепла, рассеиваемого с помощью хладагента.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания управление затвором осуществляют посредством контроллера двигателя. Современные двигатели внутреннего сгорания, как правило, имеют контроллер двигателя, поэтому предпочтительно использовать данный контроллер для приведения в движения затвора или управления им.
В частности, контроллер двигателя позволяет хранить трехмерные регулировочные характеристики, которые могут использоваться для управления охлаждением. Это позволяет не только снизить подачу хладагента после запуска из холодного состояния - для ускорения нагрева, но также и повлиять на терморегулирование двигателя внутреннего сгорания способом, присущим регулированию по трехмерным характеристикам. В частности, для различных условий по нагрузке могут задаваться различные значения температуры хладагента.
Существует возможность того, что рабочие параметры, которые могут использоваться для управления охлаждением, могут оказаться уже найденными ранее с другой целью и уже храниться в контроллере двигателя.
В предпочтительных вариантах выполнения двигателя внутреннего сгорания затвор выполнен с возможностью регулирования по найденной температуре Tcyl.-head головки блока цилиндров.
Упомянутый выше вариант осуществления отличается тем, что температура, которую нужно ограничить или снизить в контексте охлаждения двигателя внутреннего сгорания, то есть температура Tcyl.-head головки блока цилиндров, используется в качестве входной переменной или регулирующей переменной для управления или регулирования системы охлаждения.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания затвор подвергается регулировке при превышении найденной температурой Tcyl.-head головки блока цилиндров значения уставки Tcyl.-hegd,up верхней пороговой температуры, то есть когда Tcyl.-head≥Thead,up. Данная пороговая температура может быть температурой трехмерной регулировочной характеристики, то есть может быть разной для разных условий нагрузки.
Предпочтительно, чтобы управление было организовано таким образом, что затвор подвергается регулировке только в том случае, если температура Tcyl.-head головки блока цилиндров превышает уставку Tcyl.-head,up верхней пороговой температуры и остается выше нее в течение некоторого времени, задаваемого уставкой Δtup.
Постановка дополнительного условия обусловлена необходимостью предотвратить слишком частое или поспешное приведение в действие затвора, когда температура Tcyl.-head головки блока цилиндров только ненадолго превышает уставку Tcyl.-head,up верхней пороговой температуры, а затем снова снижается или колеблется вблизи значения верхней пороговой температуры, что не является достаточным основанием для приведения затвора в действие.
В принципе, затвор может приводиться в действие в зависимости от значения другого рабочего параметра, например, температуры отработавших газов, которая в предшествующем уровне техники часто используется в качестве индикатора обогащения, что, в свою очередь, служит для предотвращения перегрева двигателя внутреннего сгорания, то есть для ограничения температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров.
В тех двигателях внутреннего сгорания, где затвор выполнен с возможностью регулировки по найденной температуре Tcyl.-head головки блока цилиндров, предпочтительны те варианты осуществления, в которых температура Tcyl.-head головки блока цилиндров находится путем вычисления.
Математическое нахождение температуры головки блока цилиндров выполняется, например, посредством моделирования, в котором используются модели, известные из предшествующего уровня техники, например, динамические тепловые модели и кинетические модели, служащие для нахождения реактивного тепла, выделяющегося в процессе сгорания. Предпочтительно в качестве входных сигналов моделирования использовать рабочие параметры двигателя внутреннего сгорания, которые уже имеются в наличии, то есть которые уже были найдены для другой цели.
Расчет с помощью моделирования отличается тем, что для нахождения температуры не требуется каких-либо дополнительных компонентов, в частности - датчиков, что выгодно с точки зрения затрат. Однако недостатком является то, что температура головки блока цилиндров, найденная таким методом, представляет собой только лишь оценочное значение, что может отрицательно сказаться на качестве управления или охлаждения.
Поэтому также предпочтительными являются варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых для нахождения температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров предусмотрен датчик.
Нахождение температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров измерением легко осуществимо, так как головка блока цилиндров отличается относительно невысокой температурой, даже на прогретом двигателе внутреннего сгорания, что снижает уровень требований к датчику. Кроме того, имеется большое число возможностей, то есть большое число мест, пригодных для установки датчика.
Температуру Tcyl.-head головки блока цилиндров можно также определить по температуре другого компонента, например, измеренной датчиком или найденной математически путем расчета по модели. В таком варианте температура головки блока цилиндров определяется косвенным образом - по другой температуре.
В двигателе внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, подобным предмету настоящего изобретения, также имеется возможность нахождения, а точнее, оценки температуры Тcyl.-head головки блока цилиндров по температуре хладагента. Для этого в контуре охлаждения или в рубашке охлаждения головки блока цилиндров может быть предусмотрен датчик.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания затвор выполнен с возможностью регулировки в зависимости от найденной температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров.
Сказанное в отношении температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров также справедливо и для температуры Тcyl.-block блока цилиндров, на которую даны ссылки в соответствующих разъяснениях.
В этой связи также предпочтительны те варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых для нахождения температуры Tcyl.-block блока цилиндров предусмотрен датчик.
Температура Tcyl.-block блока цилиндров может использоваться для нахождения температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров. И наоборот, температура Tcyl.-head головки блока цилиндров может использоваться для нахождения температуры Тcyl.-block блока цилиндров.
В предпочтительных вариантах осуществления затвор подвергается регулировке, когда найденная температура Тcyl.-block блока цилиндров превышает уставку Тblock,up верхней пороговой температуры, то есть когда Тcyl.-block≥Тblock,up. Предпочтительно, чтобы пороговая температура Тblock,up для блока цилиндров была выше пороговой температуры Thead,up для головки блока цилиндров, то есть, чтобы выполнялось неравенство Tblock,up>Thead,up.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания управляющее устройство имеет камеру, установленную ниже по потоку от затвора, и служащую для распределения хладагента, по меньшей мере, по двум выходам.
В упомянутом варианте осуществления управляющее устройство также служит корпусом распределителя хладагента. Совмещение нескольких функций в одном компоненте снижает количество компонентов, в результате чего также уменьшаются стоимость, вес и монтажные размеры системы управления.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания предусмотрен контур нагрева, содержащий подводящую магистраль, ответвляющуюся от второго выхода управляющего устройства и открывающуюся в рециркуляционную магистраль на входной стороне ниже по потоку за теплообменником, и содержащую нагреватель, в котором рабочей жидкостью служит хладагент.
Тепло может отводиться из хладагента, прошедшего через головку блока цилиндров или блок цилиндров, не только в теплообменнике, служащем охладителем, но также и каким-либо другим способом.
В настоящем примере осуществления предложен нагреватель, работающий на хладагенте и использующий нагретый хладагент для нагрева воздуха, подаваемого в салон автомобильного транспортного средства, в результате чего температура хладагента понижается. В подводящей магистрали может предусматриваться отсечный элемент, служащий для подключения и отключения нагревателя.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания, в рециркуляционной магистрали, примыкающей к первому выходу управляющего устройства, выше по потоку от теплообменника предусматривается самоустанавливающийся клапан, имеющий термочувствительный элемент, который, будучи поджимаемый хладагентом, перекрывает рециркуляционную магистраль, и который соединяет первый выход с перепускной магистралью, идущей в обход теплообменника в случае, если температура Tcoolant,valve хладагента становится меньшей уставки температуры Tthreshold хладагента.
Термостат обеспечивает подачу хладагента в теплообменник и его охлаждение только тогда, когда это необходимо, то есть тогда, когда температура Tcoolant,valve хладагента превышает уставку температуры Tthreshold хладагента. Стоит здесь особо подчеркнуть то, что с точки зрения кпд двигателя внутреннего сгорания, принципиально предпочтительно отводить от двигателя или от хладагента как можно меньше тепла.
В этой связи предпочтительны те варианты осуществления двигателя внутреннего сгорания, в которых управляющее устройство и самоустанавливающийся клапан помещаются в общий корпус. Помещение в общий корпус улучшает эффективность компоновки моторного отсека, упрощает сборку или сокращает время сборки.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания теплообменник, установленный в рециркуляционной магистрали, оснащают вентилятором.
Для обеспечения достаточной массовой подачи воздуха в теплообменник и максимального способствования теплопередаче во всех рабочих состояниях, особенно когда автомобильное транспортное средство неподвижно и когда оно движется только с малой скоростью, предпочтительно оборудовать теплообменник вентиляторным двигателем, приводящим в движение крыльчатку вентилятора, то есть заставляющим ее вращаться. Как правило, вентиляторный двигатель имеет электрический привод и предпочтительно может бесступенчато регулироваться по различным нагрузкам или скоростям вращения.
В предпочтительных вариантах осуществления двигателя внутреннего сгорания на входной стороне предусмотрен насос подачи хладагента. В случае выполнения насоса с возможностью плавного регулирования появляется дополнительная возможность влияния на расход хладагента через давление подачи.
Другая задача настоящего изобретения, а именно, предложение способа работы двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением описанного выше типа, достигается посредством способа, в котором затвор перемещают из исходного положения, в котором перекрыты два входа управляющего устройства, в первое рабочее положение в случае, если температура Tcyl.-head головки блока цилиндров превышает уставку Thead,up, и перемещают во второе положение, если температура Тcyl.-block блока цилиндров превышает уставку Тblock,up.
Все, что было сказано выше в применении к двигателю внутреннего сгорания согласно изобретению, также справедливо и для способа согласно изобретению. Ссылки приводятся конкретно на описание примеров осуществления двигателя внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
Изобретение более подробно описывается ниже на примере осуществления, показанном на Фиг.1.
Фиг.1 схематично показывает первый пример осуществления двигателя внутреннего сгорания.
Осуществление изобретения
Фиг.1 схематично показывает первый пример осуществления двигателя 1 внутреннего сгорания, имеющего головку 1a блока цилиндров и блок 1b цилиндров. Двигатель 1 внутреннего сгорания оборудован системой жидкостного охлаждения, в которой головка 1a блока цилиндров имеет первую интегрированную рубашку охлаждения с первым впускным отверстием 2a на входной стороне, служащим для подачи хладагента, и первым выпускным отверстием 3a на выходной стороне, служащим для слива хладагента. Аналогичным образом блок 1b цилиндров имеет интегрированную рубашку охлаждения. Данная вторая рубашка охлаждения имеет второе впускное отверстие 2b на входной стороне для подачи хладагента, и второе выпускное отверстие 3b на выходной стороне для слива хладагента.
Для формирования контура охлаждения выпускные отверстия 3a и 3b выходной стороны могут быть соединены с впускными отверстиями 2а и 2b входной стороны посредством рециркуляционной магистрали 5 с установленным в ней теплообменником 5. На входной стороне установлен насос 17 подачи хладагента.
Для управления расходами хладагента через головку 1a блока цилиндров и блок 1b цилиндров, на выходной стороне установлено управляющее устройство 7, имеющее одиночный затвор 7A. Управляющее устройство 7 имеет два входа 8a, 8b, причем первый вход 8a малой магистралью 4a соединяется с первым выпускным отверстием 3a первой рубашки охлаждения, а второй вход 8b соединяется малой магистралью 4b со вторым выпускным отверстием 3b второй рубашки охлаждения.
Роль затвора 7A выполняет барабан, выполненный с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, и который, будучи приведенным в движение посредством электромотора 7B и контроллера 18 двигателя, может управляться таким образом, что можно регулировать поток, протекающий через головку 1a блока цилиндров и поток, протекающий через блок 1b цилиндров. Для этой цели барабан имеет мерные отверстия, через которые входы 8a, 8b могут быть соединены с распределительной камерой 7C, расположенной ниже по потоку.
В данном случае затвор 7A регулируется, то есть управляется, в зависимости от температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров и/или температуры Тcyl.-block блока цилиндров. Для нахождения значений данных температур на головке 1a блока цилиндров установлен датчик 19a, а на блоке цилиндров 1b установлен датчик 19b.
В исходном положении затвор 7A перекрывает два входа 8a и 8b управляющего устройства 7 так, что прекращается поступление хладагента и в головку 1a блока цилиндров, и в блок 1b цилиндров. При перемещении затвора 7A в первое рабочее положение первый вход 8a, соединенный с рубашкой охлаждения головки 1a блока цилиндров, открывается, в то время как второй вход 8b остается перекрытым. Таким образом, открывается контур циркуляции хладагента через головку 1a блока цилиндров, в то время как подача хладагента через блок 1b цилиндров остается перекрытой. При дальнейшем вращении барабана, служащего затвором 7A, во второе рабочее положение также открывается второй вход 8b, так что дополнительно открывается контур циркуляции хладагента через блок 1b цилиндров.
Распределительная камера 7C, расположенная ниже по потоку от затвора 7A, служит для распределения хладагента в выходы 9a, 9b, 9c. Первый выход 9a соединен или может быть соединен с рециркуляционной магистралью 5. В рециркуляционной магистрали 5 ниже по потоку от теплообменника 6 расположен самоустанавливающийся клапан 10, имеющий термочувствительный элемент, поджимаемый хладагентом. Данный термостат 10 перекрывает рециркуляционную магистраль 5 и соединяет первый выход 9a с перепускной магистралью 11, которая обходит теплообменник 6 в случае, если температура Тcoolant,valve хладагента ниже уставки температуры Tthreshold хладагента, и отсутствует необходимость дополнительного извлечения тепла из хладагента в теплообменнике 6. И наоборот, если уставка температуры Tthreshold хладагента превышается, то термостат 10 открывает рециркуляционную магистраль 5. Перепускная магистраль 11, в которой установлен разгрузочный клапан 12, снова выходит в рециркуляционную магистраль 5 на входной стороне.
В примере осуществления, иллюстрируемом Фиг.1, управляющее устройство 7 и термостат 10 установлены в общем корпусе 7D, в результате чего достигается плотная компоновка в моторном отсеке и упрощается монтаж.
Для формирования контура нагрева, от второго выхода 9b управляющего устройства 7 на выходной стороне ответвляется подводящая магистраль 13. В подводящей магистрали 13, открывающейся в рециркуляционную магистраль 5 на входной стороне ниже по потоку от теплообменника 6 и выше по потоку от насоса 17, установлен нагреватель 14, рабочей жидкостью которого является хладагент, и с помощью которого может нагреваться воздух, подаваемый в салон автомобильного транспортного средства.
Вентиляционная магистраль 15 соединяет третий выход 9 с управляющего устройства 7 с расширительным бачком 16. Далее вентиляционная магистраль 15 ведет от теплообменника 6 в расширительный бачок 16, который возвратной магистралью 20 на входной стороне соединяется с рециркуляционной магистралью 5.
Обозначения
| 1 | Двигатель внутреннего сгорания |
| 1a | Головка блока цилиндров |
| 1b | Блок цилиндров |
| 2a | Первое впускное отверстие |
| 2b | Второе впускное отверстие |
| 3a | Первое выпускное отверстие |
| 3b | Второе выпускное отверстие |
| 4a | Малая магистраль |
| 4b | Малая магистраль |
| 5 | Рециркуляционная магистраль |
| 6 | Теплообменник |
| 7 | Управляющее устройство |
| 7A | Затвор |
| 7B | Привод |
| 7C | Распределительная камера |
| 7D | Корпус |
| 8a | Первый вход |
| 8b | Второй вход |
| 9a | Первый выход |
| 9b | Второй выход |
| 9c | Третий выход |
| 10 | Термостат, самоустанавливающийся клапан |
| 11 | Перепускная магистраль |
| 12 | Разгрузочный клапан |
| 13 | Подводящая магистраль |
| 14 | Нагреватель с хладагентом в качестве рабочей жидкости |
| 15 | Вентиляционная магистраль |
| 16 | Расширительный бачок |
| 17 | Насос |
| 18 | Контроллер двигателя |
| 19a | Датчик |
| 19b | Датчик |
| 20 | Возвратная магистраль |
| Tcoolant,valve | Температура хладагента |
| Тcyl.-block | Температура блока цилиндров |
| Tcyl.-head | Температура головки блока цилиндров |
| Тblock,up | Уставка температуры блока цилиндров |
| Thead,up | Уставка температуры головки блока цилиндров |
| Tthreshold | Уставка температуры хладагента. |
1. Двигатель (1) внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, по меньшей мере, с одной головкой (1a) блока цилиндров и одним блоком цилиндров (1b), причем по меньшей мере, одна головка (1a) блока цилиндров снабжена, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет первое впускное отверстие (2a) для подачи хладагента, а на выходной стороне - первое выпускное отверстие (3a) для слива хладагента, блок (1b) цилиндров снабжен, по меньшей мере, одной интегрированной рубашкой охлаждения, которая на входной стороне имеет второе впускное отверстие (2b) для подачи хладагента, а на выходной стороне - второе выпускное отверстие (3b) для слива хладагента, причем для формирования контура охлаждения выпускные отверстия (3a, 3b) выполнены с возможностью соединения с впускными отверстиями (2a, 2b) через рециркуляционную магистраль (5), в которой установлен теплообменник (6), отличающийся тем, что на выходной стороне предусмотрено управляющее устройство (7), имеющее два входа (8a, 8b), причем первый вход (8a) соединен с первым выпускным отверстием (3a), а второй вход (8b) соединен со вторым выпускным отверстием (3b), при этом первый выход (9a) выполнен с возможностью соединения, по меньшей мере, с рециркуляционной магистралью (5), а управляющее устройство (7) содержит одиночный затвор (7A), который в первом рабочем положении открывает первый вход (8a) и перекрывает второй вход (8b), запуская тем самым циркуляцию хладагента через головку (1a) блока цилиндров и прекращая циркуляцию хладагента через блок (1b) цилиндров, а во втором рабочем положении открывает и первый вход (8a), и второй вход (8b), запуская тем самым циркуляцию хладагента и через головку (1a) блока цилиндров, и через блок (1b) цилиндров.
2. Двигатель по п.1, в котором затвор (7A) в исходном положении перекрывает два входа (8a, 8b) управляющего устройства (7), прекращая тем самым циркуляцию хладагента и через головку (1a) блока цилиндров, и через блок (1b) цилиндров.
3. Двигатель по п.1, в котором затвор (7A) выполнен с возможностью бесступенчатой регулировки таким образом, что в первом рабочем положении обеспечена возможность регулировки расхода через головку (1a) блока цилиндров, и/или во втором рабочем положении обеспечена возможность регулировки расхода через блок (1b) цилиндров.
4. Двигатель по п.1, в котором затвор (7A) является затвором (7A), управляемым посредством контроллера (18) двигателя.
5. Двигатель по п.1, в котором затвор (7A) выполнен с возможностью регулировки в зависимости от найденной температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров.
6. Двигатель по п.5, в котором для измерения температуры Tcyl.-head головки блока цилиндров предусмотрен датчик (19a).
7. Двигатель по п.1, в котором затвор (7A) выполнен с возможностью регулировки в зависимости от найденной температуры Тcyl.-block блока цилиндров.
8. Двигатель по п.7, в котором для измерения температуры Tcyl.-block блока цилиндров предусмотрен датчик (19b).
9. Двигатель по п.1, в котором управляющее устройство (7) ниже по потоку от затвора (7A) имеет камеру (7C) для распределения хладагента, по меньшей мере, в два выхода (9a, 9b, 9c).
10. Двигатель по п.1, в котором предусмотрен контур нагрева, содержащий подводящую магистраль (13), ответвляющуюся от второго выхода (9b) управляющего устройства (7) и открывающуюся в рециркуляционную магистраль (5) на входной стороне ниже по потоку от теплообменника (6), и в которой установлен нагреватель (14), рабочей жидкостью которого является хладагент.
11. Двигатель по п.1, в котором в рециркуляционной магистрали (5), примыкающей к первому выходу (9a) управляющего устройства (7), предусмотрен расположенный выше по потоку от теплообменника (6) самоустанавливающийся клапан (10), в котором установлен термочувствительный элемент, поджимаемый хладагентом, и который перекрывает рециркуляционную магистраль (5), соединяя первый выход (9a) с перепускной магистралью (11), по которой проходит хладагент в обход теплообменника (6) в случае, если температура Тcoolant,valve хладагента опускается ниже уставки Tthreshold температуры хладагента.
12. Двигатель по п.11, в котором управляющее устройство (7) и самоустанавливающийся клапан (10) размещены в общем корпусе (7D).
13. Двигатель по п.1, в котором теплообменник (6), установленный в рециркуляционной магистрали (5), снабжен вентилятором.
14. Двигатель по п.1, в котором на входной стороне установлен насос (17) подачи хладагента.
15. Способ работы двигателя (1) внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, охарактеризованного в любом из предшествующих пунктов, в котором затвор (7A) из исходного положения, в котором перекрыты оба входа (8a, 8b)управляющего устройства (7), перемещают в первое рабочее положение, когда температура Tcyl.-head головки блока цилиндров превышает уставку Thead,up температуры, и во второе рабочее положение, когда температура Tcyl.-block блока цилиндров превышает уставку Тblock,up температуры.
