Патент на изобретение №2347086

(54) СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к охлаждающим устройствам двигателей внутреннего сгорания тепловозов и других транспортных машин. В системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, охладитель наддувочного воздуха, вентиляторы не менее одного, аппаратуру управления и регулирования охлаждением двигателя, горячий контур, включающий в себя первый циркуляционный насос, полости охлаждения двигателя и первый охладитель циркулирующей жидкости, холодный контур, включающий в себя второй циркуляционный насос и второй охладитель циркулирующей жидкости в виде жидкостно-воздушного радиатора, контур охлаждения масла, включающий в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, охладитель масла, первый охладитель циркулирующей жидкости в горячем контуре выполнен в виде жидкостного теплообменника, включенного одной стороной в горячий контур циркуляции, а другой стороной включенного в холодный контур циркуляции охлаждающей жидкости, в качестве охлаждающей жидкости горячего контура использована вода, а в качестве охлаждающей жидкости холодного контура использована низкозамерзающая жидкость. Охладитель масла включен холодной стороной в горячий либо в холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, охладитель наддувочного воздуха включен холодной стороной в горячий либо в холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, а также в холодный контур циркуляции охлаждающей жидкости подключен отопитель кабины машиниста, а в горячий контур циркуляции охлаждающей жидкости включены подогреватель жидкости и вспомогательный циркуляционный насос. Изобретение обеспечивает снижение эксплуатационных затрат двигателя внутреннего сгорания в холодное время года, строительных затрат на изготовление и ремонт системы охлаждения такого двигателя, увеличение времени простоя неработающего двигателя в холодное время года до пуска двигателя в работу без предварительного прогрева, а также повышение эксплуатационной надежности как двигателя, так и его системы охлаждения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к охлаждающим устройствам двигателей внутреннего сгорания тепловозов и других транспортных машин.

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с водяной системой охлаждения теплоносителей, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции теплоносителей с жидкостным [1] или электрическим [2] подогревателями.

Недостатком известной системы является то, что жидкостный или электрический подогреватель должен обеспечивать компенсацию тепловых потерь не только двигателя и трубопровода, но и водовоздушных радиаторов, тепловые потери которых могут достигать более 50% всех потерь [3] и которые трудно устранить с помощью теплоизоляционных материалов. При этом, во-первых, неоправданно завышаются мощность источника тепла и расход энергоносителя и, во-вторых, в случае применения электрического подогревателя увеличиваются габариты системы охлаждения и габариты коммутационной аппаратуры, что, в свою очередь, помимо прочего приводит к компоновочным трудностям, а также к существенному неудобству обслуживания при подключении и отключении подогревателя.

Известна также система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с водяной системой охлаждения теплоносителей, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции теплоносителей, жидкостный или электрический подогреватели и систему опорожнения радиаторов [4].

Недостатком известной системы является то, что при опорожнении радиаторов в холодное время года, с последующим заполнением их теплой водой, наблюдаются такие негативные явления, как тепловые удары, повышенная коррозия черного металла радиаторов и участков трубопровода, а также увеличивается время выхода системы на рабочий режим в связи с необходимостью удаления воздуха из гидросистемы.

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции, в которых в качестве хладагента используются низкозамерзающие жидкости [3].

Недостатками известной системы охлаждения являются следующие:

– низкозамерзающие жидкости, изготовленные на основе этиленгликоля, которые в настоящее время нашли широкое применение в качестве охлаждающих жидкостей в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания, имеют повышенную проницаемость, что создает существенные трудности при обеспечении герметичности некоторых двигателей и, в частности, тепловозных дизелей большой мощности типа Д49;

– стоимость таких жидкостей относительно высока и заправка ими сложных, разветвленных систем охлаждения сопряжена с существенными экономическими затратами. Так, например, для заправки системы охлаждения дизеля Д49 тепловоза 2ТЭ116 требуется более 2000 литров [5] низкозамерзающей жидкости;

– при ремонтных работах, связанных с вероятными отказами двигателя, вынужденно опорожняется вся система охлаждения с последующей заправкой, что неизбежно приводит к потерям низкозамерзающей жидкости и увеличивает вероятность попадания посторонних включений в жидкость, что, в свою очередь, может привести к загрязнению системы и радиаторов, в частности;

– при замене охлаждающей двигатель жидкости с воды на тосол или антифриз температуры охлаждаемых элементов двигателя увеличиваются [6].

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с жидкостной системой охлаждения, принятая за прототип, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, охладитель наддувочного воздуха, вентиляторы не менее одного, аппаратуру управления и регулирования охлаждением двигателя, горячий контур, включающий в себя первый циркуляционный насос, полости охлаждения двигателя и первый охладитель циркулирующей жидкости в виде водовоздушного (жидкостно-воздушного) радиатора, холодный контур, включающий в себя второй циркуляционный насос и второй охладитель циркулирующей жидкости в виде водовоздушного радиатора, контур охлаждения масла, включающий в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, охладитель масла [7].

Известной системе характерен следующий недостаток: при использовании в качестве охлаждающей жидкости воды в холодное время года, в период, когда потребность в работе двигателя внутреннего сгорания по прямому назначению отсутствует, двигатель, тем не менее, вынужден совершать работу для предотвращения опасности замерзания воды в системе, чем ниже температура окружающей среды, тем большую мощность необходимо затрачивать для поддержания положительной температуры в системе охлаждения, наибольшая потеря тепла при этом происходит через воздушные охладители циркулирующих жидкостей, при этом непроизводительно расходуются топливо, масло и моторесурс дизеля.

Техническим результатом изобретения является снижение эксплуатационных затрат двигателя внутреннего сгорания в холодное время года, строительных затрат на изготовление и ремонт системы охлаждения такого двигателя, увеличение времени простоя неработающего двигателя в холодное время года до пуска двигателя в работу без предварительного прогрева, а также повышение эксплуатационной надежности как двигателя, так и его системы охлаждения.

Указанный технический результат достигается тем, что в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащей горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, охладитель наддувочного воздуха, вентиляторы не менее одного, аппаратуру управления и регулирования охлаждением двигателя, горячий контур, включающий в себя первый циркуляционный насос, полости охлаждения двигателя и первый охладитель циркулирующей жидкости, холодный контур, включающий в себя второй циркуляционный насос и второй охладитель циркулирующей жидкости в виде жидкостно-воздушного радиатора, контур охлаждения масла, включающий в себя, масляный насос, масляные каналы двигателя, охладитель масла, первый охладитель циркулирующей жидкости в горячем контуре выполнен в виде жидкостного теплообменника, включенного одной стороной в горячий контур циркуляции, а другой стороной в холодный контур циркуляции охлаждающей жидкости, в качестве охлаждающей жидкости горячего контура использована вода, а в качестве охлаждающей жидкости холодного контура использована низкозамерзающая жидкость.

Кроме того, в горячий либо в холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей могут быть включены холодными сторонами охладитель масла и охладитель наддувочного воздуха, а также в холодный контур циркуляции охлаждающей жидкости может быть включен отопитель кабины машиниста, а в горячий контур циркуляции охлаждающей жидкости – подогреватель жидкости и вспомогательный циркуляционный насос.

На чертеже приведена принципиальная схема системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания состоит из горячего 1 и холодного 2 контуров циркуляции охлаждающих жидкостей, контура охлаждения масла 3, вентилятора 4 не менее одного, аппаратуры 5 управления и регулирования охлаждением двигателя, при этом горячий контур 1 включает в себя первый циркуляционный насос 6, полости охлаждения двигателя 7 и первый охладитель циркулирующей жидкости 8, выполненный в виде жидкостного теплообменника и одной стороной включенного в горячий 1 контур циркуляции, а другой стороной включенного в холодный 2 контур циркуляции. В качестве охлаждающей жидкости горячего контура использована вода. Холодный контур 2 включает в себя второй циркуляционный насос 9 и второй охладитель 10 циркулирующей жидкости в виде жидкостно-воздушного радиатора, в холодном контуре в качестве циркулирующей жидкости использована низкозамерзающая жидкость. Контур охлаждения масла 3 включает в себя масляный насос 11, масляные каналы двигателя 12, охладитель (теплообменник) масла 13 холодной стороной может быть включен как в горячий 1, так и в холодный 2 контуры (на чертеже не показано), охладитель (теплообменник) 14 наддувечного воздуха холодной стороной может быть включен как в горячий 1, так и в холодный 2 контуры (на чертеже не показано). В системе дополнительно могут быть включены в горячий контур 1 подогреватель жидкости (воды) 15 и вспомогательный циркуляционный насос 16, а в холодный контур охлаждения 2 – отопитель 17 кабины машинистов.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

При работе двигателя под нагрузкой тепло, выделяемое им в горячий контур циркуляции воды 1 в полостях охлаждения двигателя 7, отводится в холодный контур 2 циркуляции незамерзающей жидкости в жидкостном теплообменнике 8, из которого, в свою очередь, тепло отводится в атмосферу в жидкостно-воздушном радиаторе 10 с использованием вентилятора 4. Тепло, выделяемое в контур охлаждения масла 3 в масляных каналах двигателя 12 и в наддувочный воздух, отводится от этих теплоносителей в охладителях (теплообменниках) 13 и 14 соответственно, которые можно включать холодными сторонами в горячий 1 либо в холодный 2 контуры циркуляции охлаждающих жидкостей.

В период, когда потребности в работе двигателя нет, с целью сокращения затрат топлива и масла, а также моторесурса, двигатель выключается независимо от температуры атмосферного воздуха либо работает на малых оборотах. Вследствие того, что в горячем контуре 1 отсутствует наиболее значительный источник тепловых потерь, водовоздушный радиатор, его суммарные тепловые потери существенно сокращаются, что позволяет

значительно увеличить время безопасных кратковременных простоев двигателя без включения дополнительных подогревателей воды только за счет собственной теплоемкости горячего контура 1 и его элементов и, следовательно, сократить затраты топлива или электроэнергии на содержание двигателя в нерабочем состоянии;

существенно сократить затраты топлива при длительных простоях с работающим двигателем на сильных морозах.

Кроме того, исключение полостей охлаждения двигателя 7 из холодного, низкозамерзающего контура 2 позволяет, во-первых, уменьшить объем и, как следствие, стоимость однократной заправки его системы охлаждения, во-вторых, полностью устранить вероятность утечки жидкости с повышенной текучестью через неплотности в водяных полостях двигателя, в т.ч. через уплотнительные кольца в масляный картер и, в-третьих, осуществлять ремонтные работы двигателя без слива дорогостоящей жидкости из системы.

И, наконец, уменьшение тепловых потерь системы охлаждения за счет отсутствия водовоздушного радиатора в горячем контуре осуществлено без операций слива воды из него и последующего заполнения горячей водой, которые сопровождаются такими негативными последствиями, как тепловые удары и повышенная коррозия черного металла в радиаторах и участках трубопровода.

Установка в горячем контуре подогревателя жидкости 15 и вспомогательного циркуляционного насоса 16 при небольших энергозатратах позволит значительно увеличить время простоя неработающего двигателя при минусовых температурах окружающего воздуха.

Установка в холодном контуре с циркулирующей незамерзающей жидкостью отопителя 17 кабины машинистов позволяет не обогревать кабину в период выключения двигателя.

Таким образом, в предложенной системе охлаждения реализованы положительные качества систем с использованием низкозамерзающей жидкости, систем с автономным подогревателем рабочей жидкости или систем с подводом тепловой энергии от постороннего источника, а также систем, позволяющим исключить из горячего контура циркуляции жидкости водовоздушные радиаторы из общих тепловых потерь системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

Источники информации

1. Жидкостный подогреватель 14.8106, Инструкция по эксплуатации, г.Ржев, АТЭ-3, стр.1…10,

2. Е.Б.Черток, О.Е.Смышляев и др. Электрическая система обогрева тепловоза 4ТЭ130 мощностью 1200 л.с., предназначенного для БАМа. Обзор «Транспортное машиностроение», Москва, ЦНИИТЭИтяжмаш, 5-80-10, 1980, стр.1…5.

3. Е.Б.Черток, В.Е.Мартынов, О.Ф.Чепурина. Энергетические характеристики содержания тепловоза, заправленного низкозамерзающей жидкостью, в длительном отстое при низких отрицательных температурах окружающей среды. Труды ВНИТИ, вып.59, Коломна, 1984, стр.26…38.

4. С.Г.Грищенко Обогревательные устройства тепловозов для эксплуатации в северных условиях. Обзор «Транспортное оборудование», Москва. ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 1981, стр.1…46.

5. Тепловоз 2ТЭ116, Москва, «Транспорт», 1985, стр.12.

6. Под ред. Б.А.Взорова Тракторные дизели, справочник М.: Машиностроение, 1981, стр.427…430.

7. Патент на изобретение Ru №2282043 С1, кл. F01P 5/10, B60K 11/02, 2006 г.

Формула изобретения

1. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, охладитель наддувочного воздуха, вентиляторы не менее одного, аппаратуру управления и регулирования охлаждением двигателя, горячий контур, включающий в себя первый циркуляционный насос, полости охлаждения двигателя и первый охладитель циркулирующей жидкости, холодный контур, включающий в себя второй циркуляционный насос и второй охладитель циркулирующей жидкости в виде жидкостно-воздушного радиатора, контур охлаждения масла, включающий в себя масляный насос, масляные каналы двигателя, охладитель масла, отличающаяся тем, что первый охладитель циркулирующей жидкости в горячем контуре выполнен в виде жидкостного теплообменника, включенного одной стороной в горячий контур циркуляции, а другой стороной – включенного в холодный контур циркуляции охлаждающей жидкости, в качестве охлаждающей жидкости горячего контура использована вода, а в качестве охлаждающей жидкости холодного контура использована низкозамерзающая жидкость.

2. Система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что в горячий либо в холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей включен холодной стороной охладитель масла.

3. Система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что в горячий либо в холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей включен холодной стороной охладитель наддувочного воздуха.

4. Система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что в холодный контур циркуляции охлаждающей жидкости включен отопитель кабины машиниста.

5. Система охлаждения по п.1, отличающаяся тем, что в горячий контур циркуляции охлаждающей жидкости включены подогреватель жидкости и вспомогательный циркуляционный насос.

РИСУНКИ