Терморегулятор двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: регулируемые потоки теплоносителя размещаются коаксиально и в одном направлении, а регулирование их интенсивности осуществляется формотрансформируемым рабочим телом, выполненным из материала с эффектом "памяти формы" и изменяющим свою форму радиально, в зоне внешнего потока, от "полого цилиндра" до "раструба" и обратно. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к способам терморегулирования жидкостной или газовой среды и может быть использовано в двигателестроении в системах жидкостного охлаждения или подогрева воздуха двигателей внутреннего сгорания, а также в других отраслях народного хозяйства для регулирования температуры теплоносителя двухконтурных систем.

Известны способы регулирования температуры теплоносителя в системе жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, включающие подачу разнонаправленных потоков контуров двухконтурной системы соосно или ортогонально и регулирование соотношения их интенсивностей, в зависимости от температуры, при помощи термочувствительного элемента, кинематического механизма и запорного органа, т. е. при достижении температуры теплоносителя, соответствующей оптимальному тепловому режиму двигателя, малый контур поток теплоносителя перекрывают и последний циркулирует по большому [1, 2] Известен способ регулирования температуры теплоносителя в двухконтурных системах жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, выбранный в качестве прототипа, включающий подачу потоков теплоносителя навстречу друг другу соосно и регулирование соотношения их интенсивностей, в зависимости от температуры двигателя, при помощи термочувствительного элемента, кинематического механизма и запорного органа, с учетом поддержания оптимального теплового режима его работы. При этом потоки теплоносителя циркулируют с различной интенсивностью по одному или обоим контурам одновременно [1] Известно устройство для регулирования температуры теплоносителя в двухконтурных системах, например, жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, выбранное в качестве прототипа, состоящее из радиатора, насоса и рубашки охлаждения двигателя, объединенных трубопроводами, которое включено в эту систему и имеет корпус с двумя противолежащими патрубками и третьим, расположенным ортогонально к ним, термочувствительный подпружиненный патрон, несущий два соосно расположенных клапана, один из которых установлен на стержне с отбортовкой, причем один из противолежащих патрубков подключен ко входному трубопроводу, другой противолежащий и третий патрубки соединены соответственно с выходным трубопроводом и входом насоса, а стержень имеет по меньшей мере один продольный канал и установлен подвижно в подпружиненном клапане [1] Недостатками известного способа и устройства являются невозможность обеспечения надежности и экономичности регулирования, упрощения конструкции, неподверженности вибрациям и перегрузкам, а также прямого контроля регулирования, что является следствием участия в регулировании механически взаимодействующих элементов, которые имеют сравнительно большие инерционные массы, относительно их собственных жесткостей и жесткостей их фиксации, а также малые развиваемые усилия при регулировании. Все это приводит к заклиниванию при случайных перекосах элементов и прикипанию клапанов.

Целью изобретения является повышение эффективности регулирования за счет обеспечения надежности и экономичности регулирования, неподверженности вибрациям и перегрузкам, долговечности, вследствие квазистатики и прямого контроля регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в способе регулирования температуры теплоносителя в двухконтурных системах, например, жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания, включающем разнонаправленные потоки контуров теплоносителя и регулирование их интенсивности, в зависимости от температуры, при помощи термочувствительных элементов и запирающих кинематических устройств, согласно изобретению, регулируемые потоки контуров размещают коаксиально и в одном направлении, а регулирование их интенсивности осуществляется формотрансформируемым рабочим телом, изменяющим свою форму, в зоне сечения внешнего потока, от "полого цилиндра" до "раструба" и обратно. Поставленная цель достигается также тем, что устройство для регулирования температуры теплоносителя в двухконтурных системах, например, жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания, состоящих из радиатора, насоса и рубашки охлаждения, объединенных трубопроводами, которое включено в эту систему, содержащее корпус-тройник с двумя входными и выходным патрубками, причем входные патрубки соединены с радиатором и рубашкой охлаждения, а выходной с насосом, термочувствительный регулирующий элемент и кинематический механизм с клапанами, согласно изобретению устройство для формирования потоков и их регулирования выполнено в виде цилиндрического корпуса с врезанным в него ортогонально входным от рубашки охлаждения патрубком и заглушенного с торцов крышками с врезанными в них центрально, входным от радиатора и выходным от насоса, патрубками. Внутри корпуса, коаксиально, расположен полый цилиндр, объединенный с одной стороны с торцовой крышкой и входным патрубком от радиатора, а с другой с закрепленным на нем формотрансформируемым рабочим телом из материала с эффектом "памяти формы", выполненного в виде "полого цилиндра". Кроме этого внутри корпуса установлена, также коаксиально, равнодиаметральная с рабочим телом и обхватываемая им, заглушка, отстоящая от торцовой крышки и внутреннего полого цилиндра на расстояниях, создающих проходные сечения, равные проходному сечению патрубка, причем внутренние диаметры корпуса и входного патрубка, а также наружный диаметр формотрансформируемого рабочего тела связаны зависимостью D₁ d_n 100 a, D₂ d_n a ( + 100), здесь a [(+200) где d_n внутренний диаметр входного патрубка; D₁ наружный диаметр рабочего тела; D₂ внутренний диаметр корпуса; - степень формотрансформации рабочего тела, Эта зависимость обуславливается равенствами проходных сечений входных и выходных патрубков и регулируемых потоков, а также степенью формотрансформации рабочего тела. Именно предлагаемое соотношение радиальных размеров вышеуказанных элементов устройства, направление и расположение регулируемых потоков теплоносителя и применение формотрансформируемого рабочего тела из материала с эффектом "памяти формы" с вышеуказанными конфигурациями, объединяющего функции термочувствительного элемента, кинематического механизма, запорного органа и контактного устройства индикации прямого контроля регулирования, обеспечивают в совокупности достижение цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемые изобретения связаны единым изобретательским замыслом. Сравнение предлагаемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных в данной области техники признаков, отличающих предлагаемые изобретения от прототипа, они не были выявлены и поэтому это обеспечивает предлагаемым техническим решениям соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображено поведение потоков контуров при температуре теплоносителя ниже оптимальной; на фиг.2 то же, при оптимальной температуре теплоносителя; на фиг.3 то же, при максимальной температуре теплоносителя; на фиг. 4 общий вид устройства в разрезе, при температуре теплоносителя ниже оптимальной (сплошная штриховка рабочего тела) и при максимальной температуре теплоносителя (штриховка пунктиром); на фиг.5 возможная схема включения устройства в электрическую цепь для контроля его работы.

Предлагаемый способ регулирования температуры теплоносителя жидкостной и газовой среды в двухконтурных системах, например, в системе жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, осуществляется следующим образом.

П р и м е р 1. Охлаждающую жидкость формируют в два потока коаксиально и подают прямолинейно в одном направлении, а регулирование их интенсивности осуществляют рабочим телом, в зоне сечения внешнего потока, изменением его формы радиально. Причем внутренний поток ограничивают в направлении движения заглушкой, а радиально рабочим телом. При запуске и прогреве двигателя, когда температура жидкости менее 83^оС, рабочему телу придают форму "полого цилиндра" и плотно охватывают заглушку. При этом для внутреннего потока создается тупик, а интенсивность внешнего потока максимальна и вся жидкость циркулирует по малому контуру, минуя радиатор, быстро прогревая двигатель.

П р и м е р 2. После прогрева двигателя и достижения температуры жидкости более 83^оС, рабочему телу придают форму "по- лураструба" и повышают от нуля интенсивность внутреннего потока с одновременным пропорциональным уменьшением внешнего путем освобождения от обхвата заглушки рабочим телом и создания при этом возможности поступления радиально внутреннего потока в зону внешнего. При этом жидкость движется двумя потоками и, циркулируя по двум контурам, создает оптимальный тепловой режим работы двигателя.

П р и м е р 3. При возможном достижении температуры охлаждающей жидкости 103^оС, создающей предельный тепловой режим двигателя, рабочему телу придают окончательную форму "раструба", уменьшают до нуля интенсивность наружного потока и одновременно пропорционально увеличивают до максимума интенсивность внутреннего потока. При этом для внешнего потока создается тупик и вся жидкость движется одним потоком, циркулируя по большому контуру, только через радиатор.

Таким образом цель предлагаемого способа достигается.

П р и м е р 4. Устройство, для осуществления предлагаемого способа, например, в системе жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, для формирования потоков и их регулирования, содержит цилиндрический корпус 1 с врезанным в него ортогонально входным, от рубашки охлаждения, патрубком 2 и заглушенный с торцов крышками 3 и 4 с врезанными в них центрально, входным 5 от радиатора и выходным 6 от насоса, патрубками. Внутри корпуса, коаксиально, расположен полый цилиндр 7, объединенный с одной стороны с торцовой крышкой 3 и входным патрубком 5 от радиатора, а с другой с закрепленным на нем формотрансформируемым рабочим телом 8 из материала с эффектом "памяти формы", с точками начала мартенситного превращения 83^оС и окончания 103^оС и выполненным в виде "полого цилиндра". Кроме того внутри корпуса 1 установлена, также коаксиально, равнодиаметральная с рабочим телом 8 и обхватываемая им, заглушка 9, отстоящая от торцовой крышки 4 и внутреннего полого цилиндра 7 на расстояниях, создающих проходные сечения, равные проходному сечению входного патрубка 2 или 4, причем внутренние диаметры корпуса 1 и входного патрубка 2 или 4, а также наружный диаметр формотрансформируемого рабочего тела 8 связаны зависимостью D₁ d_n 100a, D₂ d_n a ( + 100), здесь a [(+200) где d_n внутренний диаметр входного патрубка 2 или 4;
D₁ наружный диаметр рабочего тела 8;
D₂ внутренний диаметр корпуса 1;
- степень формотрансформации рабочего тела 8,
Для прямого контроля посредством индикации работы данного устройства и герметизации его при сборке, сопряжения торцовых крышек 3 и 4 и корпуса 1 выполнены с уплотнением, посредством резиновых прокладок 10 и 11, а также для включения устройства в электрическую цепь (см. например, фиг.5), от корпуса 1 и торцовых крышек 3 и 4 имеются электрические выводы: 12 общий (МБК); 13 работа малого контура (МК); 14 работа большого контура (БК).

Устройство работает следующим образом. При прогреве двигателя температура охлаждающей жидкости, поступающей из рубашки охлаждения, менее 83^оС и формотрансформируемое рабочее тело 8, закрепленное на полом цилиндре 7, имеет заданную форму "полого кольцевого цилиндра" и плотно обхватывает заглушку 9. В результате охлаждающая жидкость из рубашки охлаждения поступает в патрубок 2 и, проходя по кольцевому зазору между полым цилиндром 7, рабочим телом 8, заглушкой 9 и корпусом 1, а также зазору между заглушкой 9 и торцовой крышкой 4, выходит через патрубок 6 к насосу и далее обратно возвращается в рубашку охлаждения, циркулируя при этом по малому контуру. При достижении температуры охлаждающей жидкости, из рубашки охлаждения, 83^оС и более, рабочее тело 8 начинает изменять свою форму, вследствие мартенситных превращений, переходя от заданной формы "полого кольцевого цилиндра" к форме "полураструба", отпуская заглушку 9 и создавая между ними зазор, в зависимости от температуры, дает возможность жидкости циркулировать также и по большому контуру, то есть из рубашки охлаждения и радиатора, через входной патрубок 5, полый цилиндр 7, зазор между рабочим телом 8 и заглушкой 9, и далее через зазор между заглушкой 9 и торцовой крышкой 4, поступает в патрубок 6, насос и обратно в рубашку охлаждения.

Таким образом охлаждающая жидкость циркулирует по двум контурам с интенсивностями, пропорциональными зазорам между рабочим телом 8 и заглушкой 9, а также между рабочим телом 8 и корпусом 1, и создает оптимальный тепловой режим работы двигателя. При возможном достижении температуры охлаждающей жидкости 103^оС, создающей предельный тепловой режим работы двигателя, рабочее тело 8 принимает конечную заданную форму "раструба" и, прижимаясь плотно к корпусу 1, перекрывает поток малого контура. Таким образом охлаждающая жидкость циркулирует только по большому контуру, и в результате этого осуществляется эффективный отвод тепла от двигателя. При понижении температуры охлаждающей жидкости порядок работы устройства меняется на обратный.

П р и м е р 5. Другое устройство для осуществления предлагаемого способа, например, в системе подогрева поступающего в двигатель внутреннего сгорания воздуха, состоящее из воздухозаборников наружного воздуха и выпускного коллектора двигателя и воздухоочистителя, имеет конструкцию и процесс работы аналогичные, но отличные от устройства примера 4, схему включения и температурные режимы работы. Устройство включается в систему следующим образом: патрубок 2 к воздухозаборнику от выпускного коллектора двигателя; патрубок 5 к воздухозаборнику наружного воздуха; патрубок 6 к воздухоочистителю двигателя. Формотрансформируемое рабочее тело 8 выполнено из материала с эффектом "памяти формы" с точкой начала мартенситного превращения 25^оС и окончания (35^оС), что соответствует оптимальному интервалу температур воздуха, для создания горючей смеси при работе двигателя. Устройство для данной системы работает следующим образом.

При запуске двигателя, когда температура наружного воздуха ниже 25^оС, рабочее тело 8 имеет заданную форму "полого цилиндра", и воздух от коллектора двигателя поступает в патрубок 2 устройства и, проходя наружным коаксиальным потоком в нем, выходит через патрубок 6 и поступает в воздухоочиститель двигателя, циркулируя при этом по "тепловому контуру". При достижении температуры воздуха, поступающего в устройство, более 25^оС рабочее тело 8 принимает форму "полураструба" и, пропуская подогретый воздух из патрубка 2 и холодный из патрубка 5, проходит через него двумя коаксиальными потоками и поступает через патрубок 6 в воздухоочиститель двигателя, циркулируя при этом по двум контурам: "тепловому" и "холодному". При достижении температуры воздуха 35^оС, рабочее тело 8 принимает конечную заданную форму "раструба" и перекрывает поток "теплового контура". Таким образом, в воздухоочиститель поступает только наружный воздух. При понижении температуры воздуха порядок работы устройства меняется на обратный. Для прямого контроля работы устройство включается в электрическую схему аналогично примеру 4.

Предлагаемый способ регулирования температуры теплоносителя жидкостной или газовой среды в двухконтурных системах и устройства для его осуществления, в сравнении с прототипом, повышают эффективность регулирования за счет объединения рабочим телом функций термочувствительного элемента, кинематического механизма и запорного органа, что дает следующие преимущества:
простота, надежность, неподверженность вибрациям и перегрузкам, вследствие малой инерционной массы и значительных развиваемых усилий рабочим телом, квазистатика регулирования;
упрощение конструкции и повышение ее технологичности, долговечность и возможность прямого контроля работы предлагаемых устройств и косвенно других систем и оборудования.

Формула изобретения

1. ТЕРМОРЕГУЛЯТОР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий корпус-тройник, заглушенный с торцов крышками и врезанными в них центрально входным и выходным патрубками, и термочувствительный элемент из материала с эффектом памяти формы, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, он снабжен полым коаксиально расположенным с зазором к корпусу цилиндром, сопряженным одним концом с крышкой, а к другому его концу прикреплен термочувствительный элемент, выполненный в виде полого цилиндра, с возможностью изменения проходного сечения, и загрушкой, сопряженной с другой крышкой и контактируемой с термочувствительным элементом.

2. Терморегулятор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен тремя электрическими выводами и двумя уплотнениями между корпусом и крышками из эластичного диэлектрика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5