система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости

Введение.

 

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания — совокупность устройств, обеспечивающих подвод охлаждающей среды к нагретым деталям двигателя и отвод от них в атмосферу лишней теплоты, которая должна обеспечивать наивыгоднейшую степень охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния двигателя при различных режимах и условиях работы.

В период сгорания рабочей смеси температура в цилиндре достигает 2000 °C и более. Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального теплового состояния двигателя в пределах 80-90°C. Сильный нагрев может вызвать нарушения нормальных рабочих зазоров и, как следствие, усиленный износ, заклинивание и поломку деталей, а также снижение мощности двигателя, за счёт ухудшения наполнения цилиндров горючей смесью, самовоспламенения и детонации. Для обеспечения нормальной работы двигателя необходимо охлаждать детали, соприкасающиеся с горячими газами, отводя от них тепло в атмосферу непосредственно, либо при помощи промежуточного тела (воды, низкозамерзающей жидкости). При чрезмерно сильном охлаждении рабочая смесь, попадая на холодные стенки цилиндра конденсируется и стекает в картер двигателя, где разжижает моторное масло. Как следствие этого мощность двигателя уменьшается, а износ увеличивается. При понижении температуры масло густеет. Это является причиной того, что масло хуже подается в цилиндры и увеличивается расход топлива, уменьшается мощность. Поэтому система охлаждения должна ограничивать температурные пределы, обеспечивая наилучшие условия работы двигателя.

 

Обзор схем и конструкций системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания

система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости.

Изобретение относится к области транспортных средств, в частности к системам охлаждения двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости, включающий полости охлаждения двигателя, трехходовой кран с приводом вращения пробки, жидкостно-жидкостный теплообменник, выполненный в виде электротермоохладителя с теплообменниками горячих и холодных спаев и циркуляционный насос, внешний контур циркуляции охлаждающего теплоносителя, подсоединенный к внутреннему контуру через жидкостно-жидкостный теплообменник, блок регулирования температуры, к которому подсоединен электрический трехходовой кран, а датчик температуры подключен к электротермоохладителю через блок регулирования температуры.

Процесс эксплуатации жидкостных систем охлаждения сопровождается такими негативными процессами, как коррозионные и эрозионно-кавитационные разрушения элементов системы охлаждения, образование накипи на охлаждаемых поверхностях. Для предотвращения или ингибирования указанных процессов в состав охлаждающих жидкостей входят присадки - химические композиции, изменяющие физико-химические свойства жидкостей.

При эксплуатации двигателей охлаждающие жидкости подвергаются механическим и температурным воздействиям, которые приводят к деструкции присадок, старению охлаждающих жидкостей (аналогичные процессы протекают в моторном масле). Для восстановления требуемых эксплуатационных свойств охлаждающих жидкостей необходимо корректирующее воздействие, заключающееся во введении дополнительной порции присадки в охлаждающую жидкость. В существующих системах охлаждения двигателей отсутствуют устройства для контроля качества охлаждающей жидкости. Ухудшения качества жидкости приводит к интенсификации кавитационных и коррозионных разрушений, активному накипеобразованию, что нарушает тепловой режим двигателя, снижает его экономические и ресурсные показатели. Оценка качества охлаждающей жидкости производится на основании анализов периодически отбираемых проб в специализированных лабораториях. Это требует дополнительных операций по обслуживанию двигателей, а корректирующее воздействие на охлаждающую жидкость оказывается запаздывающим.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая горячий и холодный контуры циркуляции охлаждающих жидкостей, контур охлаждения масла, расширительный бак с подпиточными трубами и выпорами соответственно горячего и холодного контуров, снабженный перегородкой, разделяющей его на две полости соответственно для горячего и холодного контуров с подсоединенными к ним подпиточными трубками и выпорами, не менее одного вентилятора, систему управления и регулирования температур теплоносителя двигателя, горячий контур, включающий в себя полости охлаждения двигателя, первый циркуляционный насос и первый радиатор, холодный контур, включающий охладители масла и наддувочного воздуха, второй циркуляционный насос и второй радиатор, при этом горячий и холодный контуры циркуляции соединены между собой двумя межконтурными магистралями, в первую из которых включен регулятор для регулирования расхода жидкости из горячего контура в холодный, и система охлаждения содержит третью межконтурную магистраль с термостатом, подключенную одним концом к горячему контуру между двигателем и первым радиатором и другим - к всасывающему патрубку второго циркуляционного.

Недостатками известной системы охлаждения являются сложность ее конструктивного исполнения и невысокая надежность защиты элементов системы охлаждения от кавитационно-коррозионных разрушений, а также невозможность предотвращения накипеобразования на теплоотдающих поверхностях.

Предлагаемая система охлаждения с автоматическим контролем и коррекцией физико-химических свойств охлаждающих жидкостей позволяет устранить указанные недостатки.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение надежности работы двигателя внутреннего сгорания за счет обеспечения качества теплоносителя замкнутого контура системы охлаждения.

Сущность технического решения заключается в том, что система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая замкнутый горячий и разомкнутый холодный контуры циркуляции охлаждающей жидкости, при этом замкнутый горячий контур циркуляции охлаждающей жидкости включает в себя циркуляционный насос, рубашку охлаждения двигателя, охладитель наддувочного воздуха, водомасляный охладитель, водо-водяной охладитель, термостат и подключен расширительный бак, подсоединенный к всасывающей магистрали, дополнительно содержит анализатор химических свойств охлаждающей жидкости, а расширительный бак снабжен емкостью с концентратом присадки к охлаждающей жидкости и игольчатым клапаном, регулирующим поступление присадки в расширительный бак и подключенным к выходу блока управления, к входам которого подключены соответственно к первому и третьему датчики температуры, к второму и четвертому датчики давления, а к пятому анализатор химических свойств охлаждающей жидкости, который установлен на трубопроводе, отводящем охлаждающую жидкость от двигателя, при этом в расширительном баке установлена мешалка с электроприводом, включающаяся по сигналу от блока управления при подаче концентрата присадки в бак для лучшего перемешивания.

Снабжение расширительного бака емкостью с концентратом присадки к охлаждающей жидкости и игольчатым клапаном, регулирующим поступление присадки в расширительный бак, подключенным к выходу блока управления, обеспечивает автоматическое поддержание требуемых свойств охлаждающей жидкости.

Подключение к входам блока управления соответственно к первому и третьему датчиков температуры, ко второму и четвертому - датчиков давления, а к пятому - анализатора химических свойств охлаждающей жидкости, который установлен на трубопроводе, отводящем охлаждающую жидкость от двигателя, обеспечивает в процессе эксплуатации определение физико-химических свойств охлаждающей жидкости, что повышает надежность работы двигателя.

Установка в расширительном баке мешалки с электроприводом, включающимся по сигналу от блока управления при подаче концентрата присадки в бак, обеспечивает более интенсивное перемешивание охлаждающей жидкости и быстрое растворение присадки.

Заявляемая система охлаждения двигателя внутреннего сгорания поясняется чертежами, где на рис.1 изображена схема системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания; на рис.1 - с мешалкой с электроприводом.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания содержит замкнутый горячий 1 и контур 2 разомкнутый холодный с водо-водяным охладителем 3 циркуляции охлаждающей жидкости, при этом замкнутый горячий контур 1 циркуляции охлаждающей жидкости включает в себя циркуляционный насос 4, рубашку 5 охлаждения двигателя, охладитель 6 наддувочного воздуха, водомасляный охладитель 7, термостат 8 регулирования температуры теплоносителя, расширительный бак 9, подсоединенный к всасывающей магистрали 10 и дополнительно снабженный емкостью 11 с концентратом присадки к охлаждающей жидкости и игольчатым клапаном 12, регулирующим поступление присадки в расширительный бак, подключенным к выходу блока 13 управления, к первому входу которого подключен датчик температуры 14 на входе в рубашку 5, ко второму входу - датчик давления 15, к третьему входу - датчик температуры 16 на выходе из рубашки 5, к четвертому входу - датчик давления 17, а к пятому входу - анализатор 18 химических свойств охлаждающей жидкости, который установлен на трубопроводе 19, отводящем охлаждающую жидкость от двигателя.

В расширительном баке 9 установлена мешалка 20 с электроприводом 21, включающаяся по сигналу от блока управления при подаче концентрата присадки в бак для лучшего перемешивания.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом. Охлаждающая жидкость отводится от рубашки 5 охлаждения поршневой части двигателя по трубопроводу 19. Термостат 8, представляющий собой автоматический трехходовой клапан, направляет жидкость либо по трубопроводу на всасывание циркуляционного насоса 4 (при непрогретом двигателе), либо в водо-водяной охладитель 3 (при прогретом двигателе). Охлаждающая жидкость, подаваемая циркуляционным насосом 4, проходит через охладитель 6 наддувочного воздуха и водомасляный охладитель 7, затем по трубопроводу 1 возвращается в рубашку 5 охлаждения поршневой части. Всасывающая магистраль 10 насоса 4 соединена с расширительным баком 9, который предназначен для хранения запаса охлаждающей жидкости и создания гидростатического напора перед насосом 4. К расширительному баку 9 присоединена емкость 11, заполненная концентратом присадки к охлаждающей жидкости. Подача присадки в контур 1 охлаждения осуществляется через игольчатый клапан 12, который открывается и закрывается по сигналу, поступающему от блока 13 управления. Управляющее воздействие вырабатывается блоком управления на основании информации, получаемой от анализатора 18 химических свойств теплоносителя, и перепада давлений на входе в двигатель и выходе из него, определяемого датчиками 15 и 17, при этом учитывается температура охлаждающей жидкости, на входе в двигатель и выходе из него, определяемая датчиками 14 и 16. В анализаторе 18 химических свойств определяются такие свойства жидкости, характеризующие ее химическую агрессивность и склонность к накипеобразованию, как водородный показатель, жесткость, кислородо- и солесодержание. Перепад давления в рубашке охлаждения позволяет оценить степень деструкции макромолекул водорастворимых полимеров и мицеллярных образований поверхностно-активных веществ, входящих в состав присадок.

Управляющее воздействие на дозирующий игольчатый клапан 12 вырабатывается в результате сравнения информации, поступившей в блок 13 управления от датчиков, и заложенных в его память требуемых значений показателей качества охлаждающей жидкости.

Возможны два способа управления дозирующим клапаном:

- Дискретное (релейное) управление, при котором клапан находится в одном из двух положений - «открыто» или «закрыто». Открытие (закрытие) клапана происходит при выходе регулируемых параметров за допустимые пределы.

- Аналоговое управление, при котором степень открытия дозирующего клапана зависит от значений показателей качества охлаждающей жидкости.

Растворение присадки, поступающей в систему охлаждения, может осуществляться либо непосредственно в процессе циркуляции жидкости по контуру охлаждения, либо под действием мешалки 20 с электроприводом 21, установленной в расширительном бачке 9.

Таким образом, в предлагаемой системе охлаждения обеспечивается непрерывный и оперативный контроль качества охлаждающей жидкости и при необходимости автоматическое восстановление ее эксплуатационных свойств. По сравнению с существующими системами охлаждения предлагаемая система облегчает обслуживание двигателей внутреннего сгорания и повышает их надежность.

Восстановление свойств низкотемпературных охлаждающих жидкостей, содержащих этиленгликоль, позволяет продлить срок их службы, что значительно снижает экологические риски, связанные с утилизацией этиленгликолевых жидкостей.

В качестве анализатора химических свойств охлаждающей жидкости можно использовать приборы «Мультитест ИПЛ-513» или «Мультитест КСЛ-101», позволяющие определять водородный показатель (pH) жидкости, жесткость, общее солесодержание.

В качестве блока управления можно использовать программируемый микропроцессор, например ATMega8 или PIC16F1823, что позволит регулировать поступление присадки в систему охлаждения в зависимости от физико-химических свойств охлаждающей жидкости.

1. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая замкнутый горячий и разомкнутый холодный контуры циркуляции охлаждающей жидкости, при этом замкнутый горячий контур циркуляции охлаждающей жидкости включает в себя циркуляционный насос, рубашку охлаждения двигателя, охладитель наддувочного воздуха, водомасляный охладитель, водо-водяной охладитель, термостат регулирования температуры теплоносителя, и подключен расширительный бак, подсоединенный к всасывающей магистрали, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит анализатор химических свойств охлаждающей жидкости, а расширительный бак снабжен емкостью с концентратом присадки к охлаждающей жидкости и игольчатым клапаном, регулирующим поступление присадки в расширительный бак и подключенным к выходу блока управления, к входам которого подключены соответственно к первому и третьему датчики температуры, к второму и четвертому датчики давления, а к пятому анализатор химических свойств охлаждающей жидкости, который установлен на трубопроводе, отводящем охлаждающую жидкость от двигателя.

2. Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающаяся тем, что в расширительном баке установлена мешалка с электроприводом, включающаяся по сигналу от блока управления при подаче концентрата присадки в бак для лучшего перемешивания.

 

Рисунок 1- схемасистемы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая внутренний контур циркуляции охлаждающей жидкости.

Расчёт клапана

 

Исходные данные представлены в таблице 1

Таблица 1.

 

L1, мм	0,9
d1, мм
L2, мм	1,8
d2, мм
1, с–1
бл	4,4
р	7,2
к	0,33

 

 

В гидросистеме охлаждения V-образного двигателя внутреннего сгорания (рис. 2) центробежный насос 1, имеющий один вход и два выхода, нагнетает жидкость в охлаждающие рубашки блоков цилин-дров 2 и 3 по трубопроводам 4 и 5 длиной L1и диаметром d1. Из бло-ков цилиндров 2 и 3 жидкость движется по трубопроводам 6 и 7 дли-ной L2 и диаметром d2 в теплообменник (радиатор) 8, а затем из по-следнего – снова в насос 1 по трубопроводу 9 длиной L3 и диаметром d3. Частота вращения рабочего колеса насоса 1; d3 = l,5d1; L3 = L1.

 

Рис. 2. Гидросистема охлаждения V-образного двигателя внутреннего сгорания

Решая задачу графоаналитически и принимая режим течения жид-кости турбулентным (коэффициент Дарси т = 0,035), построить ха-рактеристику гидросистемы (включая характеристику насоса), если коэффициенты сопротивления каждого блока цилиндров 2 и 3 бл, а радиатора 8 р. Каждый трубопровод 4, 5, 6, 7, 9 имеет изгиб в виде колена с коэффициентом сопротивления к. Характеристики насоса при частоте вращения рабочего колеса 2 = 157 с–1 представлены в таблице 2.

 

Таблица 2

 

Q, л/с
Н, м	6,25	6,35	6,27	6,10	5,9	5,5	5,16	4,6	3,75
ŋ, %			35,0	39,5

 

Определить расход воды в гидросистеме, напор и КПД насоса и потребляемую мощность. Q, Н, – подача, напор и КПД насоса.

 

 

Сопротивление в блоке цилиндров рассматриваем как местное и рассчитываем по формуле 1.

 

=ξ_б , (1)

Первый множитель заменяем коэффициентом К и получим уравнение

где S₁- плoщадь сечения первого трубопровода

 

 

Далее вычисляем значение потерь в блоке для различных значений подачи Q

2.

 

Рассчитаем сопротивление по длине в первом контуре по формуле 2

 

Для упрощения формы записи заменяем принимаем :

 

 

1.

 

 

Рассмотрим сопротивление в колене и радиаторе как местное, последовательное

 

, (3)

 

где S₃=

 

Принимаем

 

6. 1,27

2,10

2,5

3,42

 

 

Рассчитаем сопротивление по длине в третьем контуре

 

 

,

Принимаем

 

 

 

8.

 

Характеристики насоса при частоте вращения рабочего колеса представлены в таблице 3

 

Таблица 3 – Данные полученные при расчете данного насоса

Q,м3/c		0,00159	0,00318	0,00478	0,00636	0,00795	0,00954	0,01113	0,01273
H,м	16,03	16,28	16,08	15,64	15,13	14,1	13,23	11,8	9,62
η,%				39,5
∆Hб		0,028	0,025	0,56	1,13	1,73	2,24	3,3	4,1
		0,035	0,12	0,33	0,62	1,03	1,48	2,11	2,4
		0,05	0,21	0,49	0,85	1,27	2,1	2,5	3,42
		0, 28	0,35	0,91	1,3	2,2	3,8	4,9	6,3

 

Для получения подачи Q и напора H для заданной угловой скорости используются соотношения. КПД насоса остается неизменным.

 

 

Суммируя потери в блоке и сопротивление по длине в первом контуре
получаем сопротивление в первом контуре H₁

Суммируя потери в радиатора и колена и сопротивление по длине в третьем контуре получаем сопротивление в третьем контуре H₃

Для нахождения сопротивления насоса суммируем сопротивление в первом контуре, которое равно сопротивлению во втором контуре и делим его пополам (т.к. эти контуры равны) и сопротивление в третьем контуре H_3.

Для нахождения напора насоса H_н , подачи насоса Q_н и КПД насоса η_н проводим прямую к осевым линиям от точек пересечения c линией функции f(Q) и f(η).

Определяем потребляемую мощность насоса

Строим график зависимости исходя из таблицы 2.

 

 

Заключение.

В данной работе произвели расчёт гидравлической системы охлаждения V-образного двигателя внутреннего сгорания при заданных подаче насоса, напоре насоса и КПД насоса, а также определили потребляемую мощность насоса.

Определили:

· Напор насоса H_н=10,8м

· Подачу насоса Q_н=11,5л/с

· КПД насоса η_н=22,5%

· Потребляемую мощность насоса N_н=7,06кВт

 

Литература.

Список используемой литературы:

1. Расчёт предохранительных клапанов: Учебно-методическое пособие по дисциплине «Средства гидропневмоавтоматики» для студентов специальности Т.05.11 – «Гидропневмосистемы транспортных и технологических машин» (дневная и заочная форма обучения)/ Бартош П.Р., Кишкевич П.Н. – Мн.: БГПА, 2001. – 60 с.

2. Ситников Б.Т. Расчёт и исследование предохранительных клапанов. – М.: Машиностроение, 1972. – 129 с.

3. Конспект лекций и практических занятий по дисциплине «Гидравлика и гидромашины»/ Бартош П.Р. – Мн.: БНТУ, 2015.