RU2027871C1

RU2027871C1 - Liquid cooling system for turbocharged internal combustion engine of transport facility

Info

Publication number: RU2027871C1
Authority: RU
Inventors: В.Е. Липатов; С.Г. Деревенцев; В.А. Мещеряков; Б.И. Рабинков; А.С. Дурманов; Б.С. Собченко; И.В. Лесовицкий; А.И. Русаков
Original assignee: Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт тракторных и комбайновых двигателей
Priority date: 1991-03-07
Filing date: 1991-03-07
Publication date: 1995-01-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: system is provided with circulating pump with suction and discharge mains, main circulating loop which includes engine cooling jacket and first section of water radiator and additional loop which includes second section of water radiator, supercharging air liquid cooler connected with high-pressure main and heat exchangers for cooling (heating) lubricants and other special liquids of transport facility. Supercharging air liquid cooler is arranged higher as compared with other units of the cooling system and is connected with drain tank provided with movable partition dividing it into first chamber connected with supercharging air liquid cooler and second chamber connected to high-pressure main. Volume of drain tank is no less than volume of center portion of supercharging air liquid cooler by the cooling liquid. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к тракторо- и автомобилестроению, в частности к системам жидкостного охлаждения транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания с турбонаддувом. The invention relates to tractor and automotive industry, in particular to liquid cooling systems for vehicles with turbo-charged internal combustion engines.

На транспортном средстве для оптимальных условий работы его силовой установки и трансмиссии должен обеспечи- ваться различный уровень температур масла двигателя и трансмиссии, наддувочного воздуха и других теплоносителей, что обуславливает существование в его системе охлаждения нескольких контуров с разными температурами охлаждающей жидкости. On the vehicle, for optimal operating conditions of its power plant and transmission, a different temperature level of engine oil and transmission, charge air and other coolants should be provided, which determines the existence of several circuits in its cooling system with different coolant temperatures.

Известна система жидкостного охлаждения транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания с турбонаддувом [1], имеющая два контура циркуляции охлаждающей жидкости с разными температурами охлаждающей жидкости, прокачка которой через них осуществляется одним циркуляционным насосом. Контур с более высокой температурой охлаждающей жидкости включает в себя рубашку охлаждения двигателя и основную секцию радиатора. Контур с пониженной температурой охлаждающей жидкости содержит дополнительную секцию радиатора, жидкостный охладитель наддувочного воздуха и охладитель масла. Оба контура связаны друг с другом через терморегулирующие устройства, перераспределяющие между ними потоки охлаждающей жидкости. A known liquid cooling system of a vehicle with a turbocharged internal combustion engine [1], having two coolant circulation circuits with different coolant temperatures, the pumping of which through them is carried out by a single circulation pump. The circuit with a higher coolant temperature includes an engine cooling jacket and a main radiator section. The low temperature coolant circuit contains an additional radiator section, a charge air cooler and an oil cooler. Both circuits are connected to each other through thermostatic devices, redistributing the coolant flows between them.

Одним из недостатков известной системы охлаждения является отсутствие в ней элементов, обеспечивающих слив охлаждающей жидкости с охладителя наддувочного воздуха после останова двигателя. Отсутствие таких элементов приводит даже при небольших нарушениях герметичности к попаданию охлаждающей жидкости при стоянках в рабочий объем двигателя, и как следствие этого, возникает большая вероятность выхода из строя двигателя. Другой попутный недостаток такой системы - увеличенное время регулирования из-за того, что расход охлаждающей жидкости слабо (из-за ее хороших теплофизических свойств по сравнению с воздухом и маслом) влияет на теплопередающую способность всего теплообменника и поэтому практически не изменяет температуру наддувочного воздуха и масел. One of the disadvantages of the known cooling system is the lack of elements in it, providing a drain of the coolant from the charge air cooler after the engine is stopped. The absence of such elements, even with small leakages, leads to the ingress of coolant when parked in the engine displacement, and as a result of this, there is a high probability of engine failure. Another concurrent drawback of such a system is the increased regulation time due to the fact that the coolant flow weakly (due to its good thermophysical properties compared to air and oil) affects the heat transfer capacity of the entire heat exchanger and therefore practically does not change the temperature of charge air and oils .

Известна система охлаждения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом [2], содержащая два связанных друг с другом через несколько термостатических клапанов контура циркуляции с разным уровнем температур охлаждающей жидкости, прокачка которой через них осуществляется одним циркуляционным насосом. Контур с более высокой температурой охлаждающей жидкости включает в себя рубашку охлаждения и большую часть водяного радиатора. Контур с меньшей температурой охлаждающей жидкости содержит меньшую часть водяного радиатора и жидкостный охладитель наддувочного воздуха. Данная система обладает следующими недостатками: отсутствием элементов, обеспечивающих слив охлаждающей жидкости с жидкостного охладителя наддувочного воздуха после останова двигателя, и большой инерционностью регулирования. A known cooling system of an internal combustion engine with a turbocharger [2], containing two connected to each other through several thermostatic valves of the circulation circuit with different levels of coolant temperature, the pumping of which through them is carried out by a single circulation pump. A circuit with a higher coolant temperature includes a cooling jacket and most of the water radiator. A circuit with a lower coolant temperature contains a smaller part of the water radiator and a charge air cooler. This system has the following disadvantages: the lack of elements that ensure the draining of the coolant from the charge air cooler after the engine is stopped, and the large inertia of regulation.

Целью изобретения является повышение надежности двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом транспортного средства и улучшение качества регулирования. The aim of the invention is to improve the reliability of a turbocharged internal combustion engine of a vehicle and to improve the quality of regulation.

Цель достигается тем, что система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом транспортного средства, содержащая циркуляционный насос с всасывающим и напорным патрубками, основной контур циркуляции, включающий рубашку охлаждения двигателя и первую секцию водяного радиатора и дополнительный контур циркуляции, включающий последовательно соединенные вторую секцию радиатора, охладитель масла трансмиссии, жидкостный охладитель наддувочного воздуха с входом и выходом, связанный с магистралью высокого давления, охладитель масла двигателя и терморегулятор, установленный между рубашкой охлаждения и первой секцией радиатора, снабжена трубопроводом и сливным бачком с подвижной перегородкой, разделяющей последний на первую полость, связанную с жидкостным охладителем наддувочного воздуха, и вторую, подключенную посредством трубопровода к магистрали высокого давления, причем объем сливного бачка не меньше объема жидкостного охладителя наддувочного воздуха, соединенного с последним и размещенным выше него. The goal is achieved by the fact that the liquid cooling system of an internal combustion engine with a turbocharged vehicle, comprising a circulation pump with suction and pressure pipes, a main circulation circuit including an engine cooling jacket and a first section of a water radiator and an additional circulation circuit including a second radiator section connected in series, transmission oil cooler, liquid charge air cooler with inlet and outlet, connected to the high-pressure line , an engine oil cooler and a temperature regulator installed between the cooling jacket and the first section of the radiator, is equipped with a pipeline and a drain tank with a movable partition dividing the latter into the first cavity connected to the charge air cooler and the second connected via a pipeline to the high pressure line, the volume of the drain tank is not less than the volume of a liquid cooler for charge air connected to the latter and placed above it.

Выполнение системы охлаждения описанным выше образом позволяет после останова двигателя обеспечить опорожнение жидкостного охладителя наддувочного воздуха, что позволяет исключить возможность попадания (даже в случаях небольших нарушений герметичности) охлаждающей жидкости в рабочее пространство двигателя и тем самым повысить его надежность. Опорожнение жидкостного охладителя наддувочного воздуха после останова двигателя происходит следующим образом: после останова двигателя давление в магистрали высокого давления падает до атмосферного (например, магистраль наддувочного воздуха), и охлаждающая жидкость из-за разности высотных отметок, перемещая подвижную перегородку, поступает в сливной бачок, опорожняя жидкостный охладитель наддувочного воздуха. Попутно улучшается и качество регулирования температуры наддувочного воздуха за счет того, что в данном случае количество переданного тепла от наддувочного воздуха к охлаждающей жидкости определяется не только их расходами, площадью поверхности, но и уровнем охлаждающей жидкости в охладителе наддувочного воздуха. Чем выше ее уровень, тем при прочих равных условиях больше передается тепла. Регулировка уровня жидкости позволяет интенсивно влиять на температуру наддувочного воздуха, что и позволяет попутно улучшить качество регулирования. The implementation of the cooling system in the manner described above allows after the engine to be stopped to ensure that the charge air cooler is emptied, which eliminates the possibility of the coolant entering (even in cases of minor leakages) in the working space of the engine and thereby increasing its reliability. The charge-air cooler is emptied after the engine is stopped as follows: after the engine is stopped, the pressure in the high-pressure line drops to atmospheric (for example, the charge-air line), and the coolant, due to the difference in elevation, moves the movable baffle to the drain tank, Empty the charge air cooler. The quality of control of the charge air temperature is simultaneously improved due to the fact that in this case the amount of heat transferred from the charge air to the coolant is determined not only by their costs, surface area, but also by the level of coolant in the charge air cooler. The higher its level, the ceteris paribus more heat is transferred. Adjusting the liquid level allows you to intensively influence the temperature of the charge air, which helps to improve the quality of regulation along the way.

На фиг. 1 показана система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом транспортного средства; на фиг. 2 - то же, вариант. In FIG. 1 shows a liquid cooling system of a turbocharged internal combustion engine of a vehicle; in FIG. 2 - the same option.

Система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом транспортного средства содержит циркуляционный насос 1 и два связанных друг с другом через терморегулирующее устройство 2 контура циркуляции охлаждающей жидкости, основной из которых включает рубашку 3 охлаждения двигателя и основную секцию 4 водяного радиатора. Дополнительный контур циркуляции включает последовательно соединенные вторую секцию 5 водяного радиатора, охладитель 6 масла трансмиссии (ЖМТ), жидкостный охладитель 7 наддувочного воздуха, который расположен выше других агрегатов системы охлаждения. В системе имеются также сливной бачок 8, емкость которого разделена подвижной перегородкой 9 на две полости, и охладитель 10 масла двигателя. Подача охлаждающей жидкости во второй (дополнительный) контур циркуляции осуществляется из напорной магистрали 11 и возвращается во всасывающую магистраль 12. The vehicle’s turbocharged internal combustion engine liquid cooling system comprises a circulation pump 1 and two circulating coolant circuits 2 connected to each other through a temperature control device 2, the main of which includes an engine cooling jacket 3 and a main section 4 for a water radiator. An additional circulation circuit includes a series-connected second section 5 of a water radiator, a cooler 6 of transmission oil (LMT), a liquid cooler 7 of charge air, which is located above other units of the cooling system. The system also has a drain tank 8, the capacity of which is divided by a movable partition 9 into two cavities, and an engine oil cooler 10. The coolant supply to the second (additional) circulation circuit is carried out from the pressure line 11 and returns to the suction line 12.

Одна полость сливного бачка 8 по охлаждающей жидкости соединена с жидкостным охладителем 7 наддувочного воздуха. One cavity of the drain tank 8 is connected via a cooling liquid to a liquid cooler 7 of charge air.

На фиг. 1 представлен вариант, в котором полость сливного бачка 8 по охлаждающей жидкости связана с жидкостным охладителем 7 наддувочного воздуха одним трубопроводом 13. In FIG. 1 shows an embodiment in which the cavity of the drain tank 8 is connected via coolant to the charge air cooler 7 by one pipe 13.

На фиг. 2 представлен другой вариант, в котором полость сливного бачка 8 по охлаждающей жидкости соединена с дополнительным контуром системы охлаждения посредством двух патрубков, один из которых подключен к дополнительному контуру до, а другой 14 - после жидкостного охладителя 7 наддувочного воздуха. In FIG. 2 shows another embodiment, in which the cavity of the drain tank 8 is connected to the additional circuit of the cooling system via two nozzles, one of which is connected to the additional circuit before and the other 14 after the charge air cooler 7.

Другая полость сливного бачка 8 подключена трубопроводом 15 к магистрали высокого давления Р_к, например, наддувочного воздуха. Объем сливного бачка 8 по крайней мере не меньше объема сердцевины жидкостного охладителя наддувочного воздуха со стороны охлаждающей жидкости. Первая полость связана с жидкостным охладителем 7 наддувочного воздуха, вторая его полость подключена посредством трубопровода 15 к магистрали высокого давления (например, наддувочного воздуха). Объем сливного бачка 8 не меньше объема сердцевины охладителя 7 наддувочного воздуха. Подача охлаждающей жидкости в дополнительный контур циркуляции осуществляется из напорной магистрали 11 и возвращается во всасывающую магистраль 12.Another cavity of the drain tank 8 is connected by a pipe 15 to the high-pressure line P _to , for example, charge air. The volume of the drain tank 8 is at least not less than the volume of the core of the charge air cooler on the coolant side. The first cavity is connected with a liquid cooler 7 of charge air, its second cavity is connected via a pipe 15 to a high-pressure line (for example, charge air). The volume of the drain tank 8 is not less than the volume of the core of the charge air cooler 7. The supply of coolant to the additional circulation circuit is carried out from the pressure line 11 and returns to the suction line 12.

Предлагаемая система охлаждения работает следующим образом. The proposed cooling system operates as follows.

Охлаждающая жидкость, нагнетаемая циркуляционным насосом 1, разделяется на два потока. Основной поток направляется из напорной магистрали 11 в рубашку 3 охлаждения двигателя, где нагревается и далее через термостат (устройство 2) подается в основную секцию 4 водяного радиатора, где охлаждается, после чего поступает во всасывающую магистраль 12 насоса 1. Другой поток охлаждающей жидкости из напорной магистрали 11 поступает в дополнительную секцию 5 радиатора, где охлаждающая жидкость доохлаждается (ее температура после секции 5 на 5-15^оС меньше, чем температура охлаждающей жидкости во всасывающей магистрали 12) и подается для охлаждения наддувочного воздуха и масел двигателя и трансмиссии. Последовательность включения теплообмен- ников определяется требуемым уровнем температур масел и наддувочного воздуха. На фиг. 1 и 2 первоначально охлаждающая жидкость прокачивается через охладитель 6 для охлаждения масел трансмиссии, далее через жидкостный охладитель 7 наддувочного воздуха, охладитель 10 для охлаждения масла двигателя и подается во всасывающую магистраль 12 насоса 1. В основной и дополнительный контуры могут быть установлены и другие теплообменные аппараты. Оба контура циркуляции соединены друг с другом через терморегулирующее устройство 2 и во всасывающей магистрали 12.The coolant pumped by the circulation pump 1 is divided into two streams. The main stream is directed from the pressure line 11 to the engine cooling jacket 3, where it is heated and then fed through the thermostat (device 2) to the main section 4 of the water radiator, where it is cooled, and then it enters the suction line 12 of pump 1. Another coolant stream from the pressure head line 11 is supplied into the auxiliary section 5 of the radiator, where the cooling liquid doohlazhdaetsya (after its temperature section 5 5-15 ^C less than the temperature of coolant in the suction line 12) and fed to Okhla Denia charge air and engine and transmission oils. The sequence of switching on the heat exchangers is determined by the required temperature level of the oils and charge air. In FIG. 1 and 2, the initial coolant is pumped through a cooler 6 for cooling transmission oils, then through a charge air cooler 7, a cooler 10 for cooling engine oil and is supplied to the suction line 12 of pump 1. Other heat exchangers can be installed in the primary and secondary circuits . Both circuits are connected to each other through a temperature control device 2 and in the suction line 12.

На неработающем двигателе отсутствует избыточное давление наддувочного воздуха, поэтому давление в части сливного бачка 8, соединенного трубопроводом 15 с магистралью наддувочного воздуха, равно атмосферному. Из-за имеющейся разности уровней расположения жидкостного охладителя 7 наддувочного воздуха и сливного бачка 8 охлаждающая жидкость будет сливаться из первого во второй, при этом подвижная перегородка 9 будет переме- щаться в сторону полости, соединенной с магистралью наддувочного воздуха. Причем по варианту (фиг. 1) жидкость сливается по трубопроводу 13, а по варианту (фиг. 2) - по трубопроводам 13 и 14. После запуска двигателя появляется избыточное давление в системе наддува, которое превышает давление охлаждающей жидкости в жидкостном охладителе 7 наддувочного воздуха, и за счет этой разности давлений подвижная перегородка 9 перемещается в сторону охлаждающей жидкости, вытесняя ее из сливного бачка 8 в жидкостный охладитель 7 наддувочного воздуха. Чем выше давление наддувочного воздуха, тем больше смещена подвижная перегородка 9 в сторону охлаждающей жидкости и тем больше уровень охлаждающей жидкости в жидкостном охладителе 7 наддувочного воздуха. Чем больше уровень охлаждающей жидкости, тем больше его теплопередающая способность. Между этими параметрами существует прямо пропорциональная зависимость: на сколько увеличивается уровень жидкости, на столько же возрастает теплопередающая способность жидкостного охладителя 7 наддувочного воздуха. На режимах работы двигателя, близких к номинальной мощности и максимальному крутящему моменту, жидкостный охладитель 7 наддувочного воздуха полностью заполнен охлаждающей жидкостью, и его теплопередающая способность максимальна и зависит только от расхода охлаждающей жидкости. На фиг. 1 охлаждающая жидкость при неполностью заполненном охладителе 7 наддувочного воздуха прокачивается только через него. По варианту, изображенному на фиг. 2, при неполностью заполненном жидкостном охлади- теле 7 наддувочного воздуха охлаждающая жидкость прокачивается параллельно через жидкостный охладитель 7 наддувочного воздуха и сливной бачок 8 по трубопроводам 13 и 14. При полностью заполненном охладителе 7 наддувочного воздуха поток охлаждающей жидкости прокачивается через него, подвижная перегородка 9 перекрывает подачу охлаждающей жидкости в сливной бачок 8. On the idle engine there is no excess pressure of the charge air, therefore the pressure in the part of the drain tank 8, connected by the pipe 15 to the charge air line, is atmospheric. Due to the difference in location between the charge air cooler 7 and the drain tank 8, the coolant will drain from the first to the second, while the movable baffle 9 will move towards the cavity connected to the charge air line. Moreover, according to the variant (Fig. 1), the liquid is drained through line 13, and according to the variant (Fig. 2) - through pipelines 13 and 14. After starting the engine, an excess pressure in the boost system appears, which exceeds the pressure of the cooling liquid in the charge air cooler 7 , and due to this pressure difference, the movable partition 9 moves towards the coolant, forcing it out of the drain tank 8 into the charge air cooler 7. The higher the charge air pressure, the more the movable partition 9 is biased towards the coolant and the higher the level of the coolant in the charge air cooler 7. The higher the coolant level, the greater its heat transfer capacity. There is a directly proportional relationship between these parameters: how much the liquid level increases, the heat transfer capacity of the charge air cooler 7 increases by the same amount. At engine operating modes close to the rated power and maximum torque, the charge air cooler 7 is completely filled with coolant, and its heat transfer capacity is maximum and depends only on the flow rate of the coolant. In FIG. 1, when the charge air cooler 7 is not completely filled, the charge air is pumped only through it. In the embodiment of FIG. 2, if the charge air cooler 7 is not completely filled, the coolant is pumped in parallel through the charge air cooler 7 and the drain tank 8 through lines 13 and 14. With the charge air cooler 7 completely filled, the coolant flow is pumped through it, the movable baffle 9 closes coolant supply to the drain tank 8.

В процессе прогрева двигателя терморегулирующее устройство 2 перекрывает подачу охлаждающей жидкости в основную и дополнительную секции и перепускает подогретую в двигателе охлаждающую жидкость через теплообменики (охладители 6 и 10) и охладитель 7 наддувочного воздуха. В это время охлаждающая жидкость отдает тепло маслам и наддувочному воздуху, за счет чего сокращается время подготовки моторной установки к работе. По мере увеличения температуры охлаждающей жидкости терморегулирующее устройство 2 увеличивает ее подачу в секцию 4 радиатора, уменьшается прокачка охлаждающей жидкости через теплообменники (охладители 6 и 10) и охладитель 7 наддувочного воздуха. При достижении заданного уровня температур охлаждающей жидкости (70-100^оС) терморегулирующее устройство 2 перекрывает перепуск охлаждающей жидкости в дополнительный контур циркуляции, и оба контура разделяются друг от друга.In the process of warming up the engine, the temperature control device 2 shuts off the coolant supply to the main and additional sections and bypasses the coolant heated in the engine through heat exchangers (coolers 6 and 10) and charge air cooler 7. At this time, the coolant gives off heat to the oils and charge air, which reduces the time required to prepare the engine for operation. As the temperature of the coolant increases, the thermostatic device 2 increases its supply to the radiator section 4, the coolant pumping through heat exchangers (coolers 6 and 10) and charge air cooler 7 decreases. When the setpoint temperature level of the coolant (70-100 ^C) heating and cooling unit 2 closes the bypass coolant into an additional circulation circuit, and both circuits are separated from each other.

Установка жидкостного охладителя наддувочного воздуха выше других агрегатов системы охлаждения и его связь со сливным бачком, который снабжен подвижной перегородкой, одна полость которого по охлаждающей жидкости соединена с охладителем наддувочного воздуха, а другая его полость связана с магистралью высокого давления, например, наддувочного воздуха, позволит удалять охлаждающую жидкость во время остановок из охладителя наддувочного воздуха, что исключит ее попадание в поршневое пространство двигателя даже при небольших нарушениях герметичности теплообменника, а значит и предупредит выход из строя двигателя. За счет изменения уровня охлаждающей жидкости улучшается качество регулирования температур масел и наддувочного воздуха на частичных мощностных режимах, что приводит к сокращению срока прогрева и подготовки двигателя и в целом моторной установки к работе. The installation of a liquid charge air cooler above the other units of the cooling system and its connection with a drain tank, which is equipped with a movable partition, one cavity of which is connected to the charge air cooler through the cooling liquid, and the other cavity is connected to a high-pressure line, for example, charge air, remove coolant during stops from the charge air cooler, which will prevent it from getting into the piston space of the engine even with small violations ermetichnosti heat exchanger, and thus to prevent failure of the engine. By changing the level of the coolant, the quality of temperature control of oils and charge air at partial power modes is improved, which leads to a reduction in the warm-up time and preparation of the engine and the whole engine installation for operation.

Claims

1. LIQUID COOLING SYSTEM OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH A TURBOCHARGED VEHICLE, comprising a circulation pump with suction and pressure pipes, a main circulation circuit including a cooling jacket for the engine and a first water cooler section, and an additional oil cooler circuit transmissions, liquid charge air cooler with inlet and outlet, connected to the high-pressure line, and engine oil cooler a heater, and a thermostat installed between the cooling jacket and the first section of the radiator, characterized in that, in order to increase reliability, it is equipped with a pipeline and a drain tank with a movable partition dividing the latter into the first cavity associated with the charge air cooler, and the second, connected by means of a pipeline to the high-pressure line, the volume of the drain tank not less than the volume of the liquid charge air cooler connected to the latter and placed above it.

2. The system according to claim 1, characterized in that the first cavity is connected to the inlet and outlet of the cooling of the charge air.

3. The system according to claims 1 and 2, characterized in that the movable partition is made in the form of a membrane.