Комбинированная система охлаждения двигателя. Описание изобретения к патенту

Комбинированная система охлаждения двигателя. Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к комбинированным системам охлаждения мотоциклетного двигателя внутреннего сгорания.Известны комбинированные системы охлаждения. Однако расположение отверстий отвода-подвода в подобных системах охлаждения не позволяет получить высокую скорость циркуляции жидкости и повысить эффективность двигателя.Цель изобретения - повышение эффективности ДВС.Это достигается за счет нового конструктивного расположения отверстий для подвода и отвода охлаждающей жидкости в головке цилиндра.На фиг.1 изображена схема мотоциклетного четырехтактного карбюраторного двигателя с комбинированной системой охлаждения; на фиг.2 и 3 - полость охлаждения головки, разрез; на фиг.4 - головка цилиндров с отверстиями для подвода и отвода жидкости.Комбинированная система охлаждения мотоциклетного ДВС содержит по меньшей мере один цилиндр с воздушной рубашкой охлаждения, головку цилиндра с жидкостной рубашкой охлаждения 4 (не имеющих оребрения), полостями охлаждения 11 и с впускными 12 и выпускными 13 клапанами. Рубашки охлаждения 4 головок цилиндров 2 имеют отверстия 5 и 14 для подвода и отвода жидкости соответственно.Комбинированная система охлаждения мотоциклетного ДВС работает следующим образом.При работе двигателя головки цилиндров 3 нагреваются, причем вследствие прохождения горячих выхлопных газов передняя часть головки в месте расположения выпускных клапанов имеет более высокую температуру по сравнению с задней частью головки цилиндров, где расположены впускные клапаны 12, через которые в камеры сгорания (на чертеже не показаны) головок цилиндров 3 поступает топливная смесь. В связи с этим для улучшения интенсификации отверстия 5 для подвода охлаждающей жидкости размещены в нижней задней части головки цилиндров вблизи расположения впускных клапанов, а отверстия 14 отвода - вблизи расположения выпускных клапанов, в верхней передней части головки цилиндров. За счет разницы температур головок цилиндров 3 в полостях охлаждения рубашек 4 жидкость также приобретет разную температуру, поэтому за счет разницы удельного веса горячей и холодной жидкости осуществляется циркуляция жидкости. В момент прогрева двигателя жидкость циркулирует в полости 11 рубашки охлаждения 4 от впускного клапана 12 к выпускному 13. При последующей работе двигателя и температуре жидкости 80-90

Устройство системы охлаждения. Воздушная система охлаждения, ее конструкция, недостатки

Устройство воздушной системы охлаждения двигателя

В силу ряда недостатков на автомобильном транспорте воздушная система широкого распространения не получила, хотя конструктивно она значительно проще, чем жидкостная. Основным ее элементом являются ребра охлаждения на цилиндрах.

Тепло, выделяемое от цилиндров, распространялось на эти ребра, а проходящий через них поток воздуха осуществлял его отвод. Для создания потока дополнительно конструкция системы могла включать турбину – специальную крыльчатку, с приводом от коленчатого вала и рукав, которым создаваемый поток воздуха направлялся на цилиндры. Это  вся конструкция воздушной системы.

На автотранспорте воздушная система практически не используется потому, что:

• невозможна регулировка температурного режима (зимой мотор не выходил на необходимую температуру, а летом – очень быстро перегревался);
• чтобы обеспечить равномерное распределение потока воздуха, каждый цилиндр стоял отдельно;
• во время стоянки с заведенным мотором даже при наличии турбины поток воздуха очень слабый, что приводит к быстрому перегреву;
• невозможно организовать обогрев салона.

Из-за этих недостатков воздушная система на автомобилях не применяется, хотя единичные случаи все же были – ЗАЗ-968 «Запорожец» как раз и имел такую систему охлаждения. Зато она широко используется на мототранспорте и технике, оснащенной 2-тактными моторами (бензопилы, мотокосы, мотоблоки и т. д.).

Воздушная система охлаждения

В воздушной системе охлаждения отвод теплоты от стенок камер сгорания и цилиндров двигателя осуществляется принудительно потоком воздуха, создаваемым мощным вентилятором. Для более интенсивного отвода теплоты от цилиндров и головок цилиндров они выполнены с оребрением. Вентилятор у V-образного двигателя установлен в развале между цилиндрами и приводится клиноременной передачей от шкива коленчатого вала. Двигатель сверху, с передней и задней сторон закрыт кожухами, направляющими потоки воздуха к наиболее нагреваемым частям двигателя. Вентилятор отсасывает воздух из внутреннего пространства, ограниченного развалом цилиндров. Поток воздуха, входящий снаружи в пространство между развалом цилиндров, проходит между ребрами цилиндров и головок и охлаждает их. На режиме максимальной мощности вентилятор потребляет 8 % мощности, развиваемой двигателем.

Интенсивность воздушного охлаждения двигателей существенно зависит от организации направления потока воздуха и расположения вентилятора.

В рядных двигателях вентиляторы располагают спереди, сбоку или объединяют с маховиком, а в V- образных - обычно в развале между цилиндрами. В зависимости от расположения вентилятора цилиндры охлаждаются воздухом, который нагнетается или просасывается через систему охлаждения.

Оптимальным температурным режимом двигателя с воздушным охлаждением считается такой, при котором температура масла в смазочной системе двигателя составляет 70… 110°С на всех режимах работы двигателя. Это возможно при условии, что с охлаждающим воздухом рассеивается в окружающую среду до 35 % теплоты, которая выделяется при сгорании топлива в цилиндрах двигателя.

Воздушная система охлаждения уменьшает время прогрева двигателя, обеспечивает стабильный отвод теплоты от стенок камер сгорания и цилиндров двигателя, более надежна и удобна в эксплуатации, проста в обслуживании, более технологична при заднем расположении двигателя, переохлаждение двигателя маловероятно. Однако воздушная система охлаждения увеличивает габаритные размеры двигателя, создает повышенный шум при работе двигателя, сложнее в производстве и требует применения более качественных горюче-смазочных материалов.

Воздушная система охлаждения имеет ограниченное применение в двигателях.

Система охлаждения карбюраторного двигателя. ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Система охлаждения ВАЗ 2107 имеет ряд параметров, влияющих на работу и производительность силового агрегата, основные из которых:

• количество ОЖ — вне зависимости от способа подачи топлива (карбюраторный или инжекторный) и объёма двигателя на всех ВАЗ 2107 используется одна и та же система охлаждения. Согласно требованиям производителя, для её работы (включая обогрев салона) требуется 9,85 л хладагента. Поэтому при замене антифриза следует сразу приобретать десятилитровую ёмкость;
• рабочая температура двигателя — Рабочая температура двигателя зависит от его типа и объёма, вида используемого топлива, количества оборотов коленвала и т. п. Для ВАЗ 2107 она обычно составляет 80–95⁰C. Нагрев двигателя до рабочего состояния в зависимости от температуры окружающего воздуха происходит в течение 4–7 минут. При отклонении от этих значений рекомендуется незамедлительно провести диагностику системы охлаждения;
• рабочее давление ОЖ — Так как система охлаждения ВАЗ 2107 герметична, а антифриз при нагревании расширяется, внутри системы создаётся давление, превышающее атмосферное. Это необходимо для повышения температуры кипения ОЖ. Так, если в нормальных условиях вода кипит при 100⁰C, то при увеличении давления до 2 атм температура кипения повышается до 120⁰C. В двигателе ВАЗ 2107 рабочее давление составляет 1,2–1,5 атм. Таким образом, если температура кипения современных ОЖ при атмосферном давлении составляет 120–130⁰С, то в рабочих условиях она увеличится до 140–145⁰C.

Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Назначение системы охлаждения двигателя

Сгорание топлива в камере сгорания двигателя происходит с температурой 2000-2500°C, поэтому спустя непродолжительное время вся конструкция силового агрегата сильно нагревается. Этот нагрев опасен для двигателя, так как из-за расширения деталей зазоры между ними уменьшаются, детали испытывают усиленный износ, а при слишком высоком нагреве и вовсе происходит заклинивание. Также из-за нагрева камеры сгорания происходит детонация топливно-воздушной смеси, и двигатель работает нестабильно. Поэтому излишнее тепло от двигателя необходимо постоянно отводить.

С другой стороны, нельзя допускать и чрезмерного охлаждения двигателя, так как в этом случае он будет работать нестабильно, с потерей мощности и большим расходом топлива. Дело в том, что при контакте топливно-воздушной смеси с холодными стенками камеры сгорания происходит конденсация топлива, из-за чего оно плохо сгорает и частично стекает в картер двигателя.

Таким образом, температуру двигателя необходимо поддерживать на некотором среднем уровне. Практика показывает, что температура мотора, при котором он выходит на оптимальный режим работы, составляет 85-90°C (и не должна превышать 105°C). И именно задачу поддержания оптимальной температуры двигателя и решает система охлаждения двигателя.

1. ведущий шкив привода вентилятора и генератора;
2. приводной ремень;
3. генератор;
4. ведомый шкив привода вентилятора;
5. защитная сетка;
6. вал вентилятора;
7. направляющий аппарат вентилятора;
8. ротор вентилятора;
9. кожух;
10. головка цилиндра;
11. задний дефлектор (направляющий щиток);
12. цилиндр;
13. средний дефлектор;
14. передний дефлектор;

Система охлаждения современного двигателя может выполнять и еще несколько функций:

- Нагрев холодного двигателя при пуске;
- Охлаждение масла в системе смазки;
- Нагрев воздуха в системе отопления;
- Охлаждение трансмиссионного масла в АКПП;
- При наличии системы рециркуляции отработанных газов — охлаждение выхлопных газов;
- При наличии турбонаддува — охлаждение воздуха перед подачей в турбокомпрессор.

Как нетрудно заметить, система охлаждения решает массу задач, и без нее работа двигателя и комфортная езда на автомобиле были бы просто невозможны.

Виды системы охлаждения. Устройство системы охлаждения двигателя

В настоящее время в подавляющем большинстве легковых и грузовых транспортных средств установлена жидкостная (или водяная) система охлаждения закрытого типа. Это обусловлено тем, что она позволяет добиться равномерного и достаточно быстрого охлаждения цилиндроблока, при этом не производит сильного шума. Рассмотрим устройство узла на ее примере.

Она состоит из следующих элементов:

• радиатор для хладагента;
• радиатор для масла (присутствует не на всех моделях);
• теплообменник;
• вентилятор;
• насос;
• расширительный бачок;
• термостат;
• система шлангов и патрубков.

Рубашка цилиндров также является составной частью узла.

Основная задача радиатора – понижение температуры жидкости, которая циркулирует по контуру узла. Для этого он имеет трубчатое устройство, которое существенно облегчает отдачу тепла.

Масляный радиатор используется для понижения температуры масла в автомобильной системе смазки. Дело в том, что во время работы оно тоже достаточно сильно нагревается. Это обусловлено интенсивным трением смазываемых деталей, а также поступлением тепла от цилиндров.

Теплообменник используется для нагрева воздуха, который через него проходит. Это необходимо для запуска двигателя в холодное время года.

Вентилятор при необходимости нагнетает воздушный поток на радиатор, тем самым делая его прохождение (а значит, и охлаждение) более интенсивным. Устройство приводится в движение коленвалом или сцеплением.

Насос обеспечивает стабильную циркуляцию жидкости в системе, поддерживая ее давление на одном и том же уровне. Он вращается за счет подключения к коленчатому валу.

Расширительный бачок нужен на случай, если объем жидкости существенно возрастет в результате ее нагрева. Это устройство предотвращает повышение давления в патрубках, тем самым не допуская нарушения их целостности и утечку.

Термостат определяет количество охладителя в зависимости от степени его нагрева. Его основное назначение – регулировка температуры в целях ее поддержания на одном и том же уровне. На современных моделях транспортных средств вместо термостата стоит температурный датчик, который передает информацию на ЭБУ. Он, в свою очередь, вычисляет необходимые давление и температуру и подает соответствующие команды на клапаны.

Патрубки и шланги служат для соединения между собой всех остальных составных элементов системы. Именно по ним циркулирует охладитель по пути от одной детали к другой.

Следует отметить, что описанное выше устройство используется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях.

Также на некоторых ДВС присутствует дополнительная система. Она помогает избежать перегрева, когда мотор длительное время работает вхолостую. Чаще всего ее устанавливают на пожарные машины, бетономешалки и другой транспорт специального назначения.

Общее устройство системы охлаждения. Общая картина системы охлаждения

Независимо от того какой тип двигателя установлен в автомобиле и какая марка машины, система охлаждения имеет в целом схожее устройство. Обеспечение нормальной рабочей температуры силового агрегата достигается путём циркуляции охлаждающей жидкости по каналам системы. Таким образом, каждый узел ДВС охлаждается в равной степени независимо от температурной нагрузки.

Гидравлическая система охлаждения также может быть нескольких разновидностей:

• Термосифонная  — циркуляция осуществляется благодаря разнице в плотности горячей и холодной жидкости. Таким образом, охлаждённый антифриз вытесняет из силового агрегата горячую жидкость, отправляя её в каналы радиатора.
• Принудительная  — циркуляция охлаждающей жидкости происходит благодаря насосу.
• Комбинированная  — отвод тепла от большей части двигателя происходит принудительным путём, а отдельные участки охлаждаются термосифонным способом.

Принудительная система, пожалуй, наиболее эффективна и используется в большинстве современных легковых автомобилей.

Схема принудительного охлаждения двигателя внутреннего сгорания

Основные элементы

Система охлаждения двигателя содержит следующие элементы:

• Рубашка охлаждения или «водяная рубашка». Представляет собой систему каналов проходящих в блоке цилиндров.
• Радиатор охлаждения — устройство для охлаждения самой жидкости. Состоит из каналов изогнутых труб и металлических рёбер для лучшей теплоотдачи. Охлаждение происходит как благодаря встречному потоку воздуха, так и внутренним вентилятором.
• Вентилятор. Элемент системы охлаждения, предназначенный для усиления потока воздуха. На современных автомобилях он включается только при срабатывании температурного датчика, когда радиатор неспособен полноценно охладить жидкость встречным потоком воздуха. В старых моделях автомобилей вентилятор работает постоянно. Вращение на него передаётся от коленчатого вала через ременной привод.
• Насос или помпа. Обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости по каналам системы. Приводится в действие с помощью ременного или шестерёнчатого привода от коленчатого вала. Как правило, мощные двигателя с прямым впрыском топлива комплектуются дополнительным насосом.
• Термостат. Важнейшая деталь системы охлаждения, контролирующая циркуляцию по большому кругу охлаждения. Основной задачей является обеспечение нормального температурного режима при эксплуатации транспортного средства. Обычно установлен на стыке входного патрубка и рубашки охлаждения.
• Расширительный бачок — ёмкость необходимая для сбора избытка охлаждающей жидкости возникающего в процессе её нагревания.
• Радиатор отопления или печка. По своему устройству похож на радиатор охлаждения в меньшем размере. Однако, используется исключительно для обогрева салона автомобиля в зимний период и непосредственной роли в охлаждении ДВС не играет.

Жидкостная система охлаждения двигателя. Система охлаждения жидкостная закрытого типа.

Системой охлаждения называется совокупность устройств, осуществляющих принудительный регулируемый отвод и передачу теплоты от деталей двигателя в окружающую среду. Система охлаждения предназначена для поддержания оптимального температурного режима, обеспечивающего получение максимальной мощности, высокой экономичности и длительного срока службы двигателя.

Для принудительного и регулируемого отвода теплоты в двигателях автомобилей применяют два типа системы охлаждения. Тип системы охлаждения определяется теплоносителем (рабочим веществом), используемым для охлаждения двигателя. В жидкостной системе охлаждения используются специальные охлаждающие жидкости — антифризы различных марок, имеющие температуру загустевания - 40 °С и ниже. Антифризы содержат антикоррозионные и антивспенивающие присадки, исключающие образование накипи. Они очень ядовиты и требуют осторожного обращения. По сравнению с водой антифризы имеют меньшую теплоемкость и поэтому отводят теплоту от стенок цилиндров двигателя менее интенсивно.

По сравнению с воздушной жидкостная система охлаждения более эффективная, менее шумная, обеспечивает меньшую среднюю температуру деталей двигателя, улучшение наполнения цилиндров горючей смесью и более легкий пуск двигателя при низких температурах, а также использование жидкости для подогрева горючей смеси и отопления салона кузова автомобиля. Однако в системе возможно подтекание охлаждающей жидкости и имеется вероятность переохлаждения двигателя в зимнее время.

Конструкция и работа жидкостной системы охлаждения

В двигателях автомобилей применяется закрытая (герметичная) жидкостная система охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости. Внутренняя полость закрытой системы охлаждения не имеет постоянной связи с окружающей средой, а связь осуществляется через специальные клапаны (при определенном давлении или вакууме), находящиеся в пробках радиатора или расширительного бачка системы. Охлаждающая жидкость в такой системе закипает при 110… 120 °С. Принудительная циркуляция охлаждающей жидкости в системе обеспечивается жидкостным насосом. Система охлаждения двигателя состоит из рубашки охлаждения головки и блока цилиндров, радиатора, насоса, термостата, вентилятора, расширительного бачка, соединительных трубопроводов и сливных краников. Кроме того, в систему охлаждения входит отопитель салона кузова автомобиля. При непрогретом двигателе основной клапан термостата 19 (рис. 11) закрыт, и охлаждающая жидкость не проходит через радиатор 10. В этом случае жидкость нагнетается насосом 17 в рубашку охлаждения 8 блока и головки цилиндров двигателя. Из головки блока цилиндров через шланг 3 жидкость поступает к дополнительному клапану термостата и попадает вновь в насос. Вследствие циркуляции этой части жидкости двигатель быстро прогревается. Одновременно меньшая часть жидкости поступает из головки блока цилиндров в обогреватель (рубашку) впускного трубопровода двигателя, а при открытом кране — в отопитель салона кузова автомобиля.