ПРЕДПУСКОВОЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02N17/04 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к средствам для облегчения запуска с помощью тепловых средства.

Известен предпусковой подогреватель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий горелочное устройство, теплоприемник с наружной поверхностью, выполненный в виде многогранной призмы, термоэлектрические батареи, расположенные на гранях теплоприемника, теплообменник для охлаждения батарей, охватывающий их, систему прижима батарей к теплоприемнику и вспомогательный теплообменник.

Конструкция системы прижима батарей к теплоприемнику в известном техническом решении детально не разработана.

Наиболее близким к изобретению является предпусковой подогреватель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий горелочное устройство, теплоприемник с наружной поверхностью, выполненной в виде многогранной призмы, термоэлектрические батареи, расположенные на гранях теплоприемника, теплообменник для охлаждения батарей, охватывающий их, систему прижима батарей к теплоприемнику, имеющую пружины и упорные винты и вспомогательный теплообменник. В известном устройстве упорные винты, воздействующие на тарельчатые пружины, вворачиваются в резьбовые втулки, которые вварены в жидкостные кольцевые коллекторы.

Одним из недостатков известного устройства является то, что в нем не обеспечено равномерное и фиксированное усилие прижатия батарей к теплоприемнику, следствием чего является снижение коэффициента полезного действия подогревателя, а также возможность разрушения термоэлектрических батарей вследствие повышенных температурных деформаций. Кроме того, сварные или паяные швы в местах крепления втулок внутри коллекторов при затяжке винтов и деформации коллекторов, связанной с затяжкой, могут растрескиваться, и через трещины может быть протечка теплоносителя системы охлаждения двигателя. Коллекторы охватывают снаружи кожух термоэлектрического подогревателя и являются легко уязвимыми при внешних механических воздействиях при эксплуатации транспортных средств. Имеются технологические трудности, связанные с изготовлением коллекторов, требуется точная разметка и выполнение отверстий в кольцах под резьбовые втулки с соблюдением направления отверстий к центру кольца и т. п.

Целью изобретения является повышение эффективности действия подогревателя при одновременном повышении надежности его работы.

Эта цель достигается тем, что предпусковой подогреватель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий горелочное устройство, теплоприемник с наружной поверхностью, выполненной в виде многогранной призмы, термоэлектрические батареи, расположенные на гранях теплоприемника, теплообменник для охлаждения батарей, охватывающий их, систему прижима батарей к теплоприемнику, имеющую прижимные пластины, размещенные на наружной поверхности теплообменника для охлаждения батарей, пружины и упорные винты, и дополнительный теплообменник, снабжен кольцами, охватывающими теплообменник для охлаждения батарей, колодками и втулками, установленными между колодками и теплообменником и имеющими центральные отверстия, при этом каждая колодка выполнена в виде параллелепипеда с основаниями, параллельными оси теплоприемника, отверстием под упорный винт с продольной осью, проведенной чере центры оснований перпендикулярно оси теплоприемника и совпадающей с осью центрального отверстия во втулке, и с двумя пазами, выполненными со стороны наружного относительно оси теплоприемника основания симметрично относительно продольной оси отверстия под упорный винт и ограниченными поверхностями, контактирующими с внутренними боковыми и торцевыми поверхностями пары колец, а пружины размещены между втулками и прижимными пластинами.

Прижимные пластины выполнены с выступом, симметричным относительно оси отверстия под упорный винт, при этом контактирующие с каждой втулкой и пластиной с выступом по меньшей мере две тарельчатые пружины имеют разную жесткость, причем пружина, контактирующая с пластиной имеет меньшую жесткость по сравнению с жесткостью пружины, контактирующей с втулкой.

При таком выполнении подогревателя обеспечивается равномерный прижим термоэлектрических батарей с необходимым усилием к теплоприемнику и теплообменнику для охлаждений батарей и предохранение этих элементов от тепловых и механических повреждений. Следствием этого является повышение коэффициента полезного действия подогревателя и надежности его работы. Предложенное техническое решение может быть использовано как с жидкостным, так и с воздушным охлаждением термоэлектрических батарей.

Авторам и заявителю не известны технические решения, имеющие признаки, общие с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа.

На фиг. 1 показана схема предложенного подогревателя с жидкостным охлаждением термоэлектрических батарей; на фиг. 2 - продольный разрез системы прижима термоэлектрических батарей к теплоприемнику; на фиг. 3 - поперечный разрез этой системы; на фиг. 4 - вид на колодку механизма прижима со стороны ее наружного основания; на фиг. 5 - элементы крепления дополнительного теплообменника; фиг. 2-5 выполнены в увеличенном масштабе по сравнению с фиг. 1.

Предпусковой подогреватель содержит горелочное устройство 1, термоэлектрогенератор 2, подключенный к аккумуляторной батарее (не показана) с теплоприемником 3, термоэлектрическими батареями 4 и теплообменником 5 для их охлаждения и дополнительный теплообменник 6. В горелочное устройство входят свеча зажигания 7, камера сгорания 8, форсунка 9, корпус 10, жаровая труба с отверстиями 11, патрубок подвода воздуха 12, выходной канал 13. Патрубок 12 соединен с воздуховодом 14 с помощью фланца 15, а воздух поступает в воздуховод 14 от электровентилятора 16. Форсунка 9 закреплена на электромагнитном клапане 17 и соединена с ними гидравлически. Клапан 17 гидравлически соединен с топливным насосом 18, который в свою очередь через топливопровод 19 соединен с топливным баком (не показан). Свеча 7 зажигания соединена электрически с катушкой зажигания (не показана), которая подключена к аккумуляторной батарее.

Термоэлектрический генератор 2 включает теплоприемник 3 в виде многогранной призмы с гранями 20 на наружной поверхности, а внутри теплоприемника 3 выполнена цилиндрическая полость 21, продольная ось которой соосна с наружной призматической поверхностью. Для интенсификации теплообмена внутренняя полость 21 может быть снабжена ребрами 22. теплоприемник 3 имеет две торцевые фланцевые поверхности 23 и 24, перпендикулярные оси наружной призматической поверхности 20. В канавках 25 установлены ребра 26, предназначенные для предотвращения деформации чехла 27 при температурном расширении теплоприемника.

К граням 20 наружной поверхности теплоприемника 3 примыкают термоэлектрические батареи 4, состоящие из полупроводниковых термоэлементов, находящихся в чехле 27, выполненном из тонколистовой нержавеющей стали. Внутри чехла 27 между батареями 4 и стенками чехла 27 уложена электроизоляция. На стенке чехла 27 имеются герметичные токоотводы, соединенные электрически шинами с батареями 4 и предназначенные для коммутации батарей в электрическую цепь и отвода электроэнергии от термоэлектрического генератора.

Снаружи к термоэлектрическим батареям примыкает теплообменник 5, предназначенный для охлаждения "холодных" спаев термоэлементов, составляющих батарею. Теплообменник 5 имеет тепловоспринимающие поверхности 28, находящиеся в тепловом контакте с стенкой чехла 27 термоэлектрических батарей. Теплообменник 5 выполнен в виде кожуха, имеющего внутреннюю стенку 29, наружную стенку 30, расположенную коаксиально с зазором относительно внутренней стенки 29. Стенки 29 и 30 на торцах соединены герметично между собой фланцами 31. В зазоре между стенками, напротив термоэлектрических батарей, расположены пластины 32 с каналами 33 для протекания жидкого теплоносителя. Каждая пластина 32 перекрывает своей площадью все термоэлементы в термоэлектрической батарее, напротив которой она установлена. Для того, чтобы теплоноситель протекал только по каналам 33, в пластинах 32 внутри кожуха между боковыми поверхностями пластин и стенками 29 и 30 заложены вкладыши 34 из эластичного материала (резины, набора листов фторопласта и т. п. ), закрепленные уголками 35. Внутренняя стенка выполнена с углублениями, в которые уложены пластины 32, на дне углублений находятся тепловоспринимающие поверхности 28. Таким образом, пластины 32 через стенку 29 находятся в тепловом контакте с поверхностью 28.

Наружная стенка 30 также выполнена с углублениями, находящимися напротив каждой пластины 32, на дне которых находятся плоские прижимные участки 36, контактирующие через стенку 30 с поверхностью пластины 32, на которой расположены каналы 33. Эти каналы проходят вдоль пластины 32 и соединяют ее торцевые части. Через каналы 33 гидравлически соединяется полость, образованная стенками 29 и 30, одним из фланцев 32, поверхностью вкладышей 34 и торцевыми частями пластин 32, выходящими на одну сторону, с аналогичной полостью, примыкающей к торцевым частям пластин 32, обращенных в другую сторону. К наружной стенке 30 присоединен патрубок 37, через который теплоноситель поступает внутрь теплообменника 5. Патрубок 37 соединен гидравлически с насосом 38 трубопроводом 39, а насос 38 соединен гидравлически трубопроводом 40 с системой охлаждения двигателя (не показана). К наружной стенке 30 пристыкован также угольник 41 для отвода нагретого жидкого теплоносителя из теплообменника 5. Снаружи на стенке 30 имеются скобы 42 для крепления деталей системы прижима 43.

Механизм прижима 43 содержит колодки 44 (число которых определяется количеством граней теплоприемника, кольца 45, охватывающие теплообменник 5, втулки 46, тарельчатые пружины 47 и 48, прижимные пластины 49 и упорные винты 50. Каждая колодка выполнена в виде параллелепипеда с основаниями 51 и 52, параллельными граням 20 теплоприемника 3, с резьбовыми отверстиями 53, соосными с глухим центральным отверстием 54 во втулке 46. Продольная ось 55 этих отверстий проведена через центры оснований 51 и 52 перпендикулярно оси теплоприемника 5. В каждой колодке со стороны основания симметрично относительно оси 55 выполнены пазы, ограниченные опорными поверхностями 56, контактирующими с внутренними боковыми поверхностями 57 пары колец 45, и опорными поверхностями 58 и 59, контактирующими с торцевыми поверхностями этих колец. Кольца 45 выполнены с постоянным поперечным сечением и являются дополнительным пружинным элементом. Выбор параметров колец производится с учетом исключения возможности остаточных деформаций при изменении усилия прижатия контактирующих элементов. Прижимные пластины 49 располагаются на прижимных участках 36 и в углублениях на наружной стенке 30 теплообменника 5. С прижимными пластинами 49 с помощью скрепок 60 соединены гильзы 61, внутри которых находятся тарельчатые пружины 47 и 48, а также втулки 46 с глухими отверстиями 54. Пружина 48, контактирующая непосредственно с прижимной пластиной 49, имеет меньшую жесткость, чем жесткость пружины 47. На прижимной пластине 49 в центре выполнен выступ 62, симметричный относительно оси 55, в который упирается центральная часть пружины 48 при затяжке. Гильзы 61 с пружинами и втулками фиксируются в отверстиях 63 крышек 64, которые с помощью скоб 42 закреплены на теплообменнике 5. В отверстия 53 ввернуты упорные винты 50, один конец которых упирается в дно глухих отверстий 54 на втулке 46. Кожух 65 закрывает снаружи указанные элементы системы прижима.

Устройство механизма прижима для подогревателя с воздушным охлаждением термобатарей не отличается от устройства описываемой системы для подогревателя с жидкостным охлаждением термоэлектробатарей.

В проставке 66 теплообменная стенка 67 соединена с наружной стенкой 68 на торцевых участках 69 и 70 с помощью стыковочных узлов 71 и 72. На наружной стенке 68 имеются отверстия, к которым присоединяются угольники 73 и 74. Шпильки 75 с резьбовыми участками 76 служат для соединения дополнительного теплообменника 6, термоэлектрического генератора 2 и проставки 66. На дополнительном теплообменнике 6 и проставке 66 имеются кронштейны 77 с опорными площадками 78, отверстиями 79 и ребрами жесткости 80. На опорных площадках 78 расположены стаканы 81 с отверстиями 82, в стаканах размещены тарельчатые пружины 83 и втулки 84 с отверстиями 85, причем отверстия 82 в дне каждого стакана соосны с отверстиями на опорной площадке 79, отверстиями на втулках 84 и отверстиями в тарельчатых пружинах. Шпильки 75 проходят через эти отверстия, на резьбовые участки наворачиваются гайки 86 и таким образом стягиваются вспомогательный теплообменник 6, термоэлектрический генератор 2 и проставка 66. Тарельчатые пружины 83 компенсируют тепловые расширения теплоприемника 3 в термоэлектрогенераторе 2.

Проставка 66 соединена с горелкой 1 с помощью хомутов 87, которые сжимают стыковочный узел 72 и фланец 88. Трубопровод 89 соединяет гидравлически угольник 41 на теплообменнике 5 с угольником 74 на проставке 66. Трубопровод 90 соединяет гидравлически патрубок 91 на дополнительном теплообменнике 6 с угольником 73 на проставке 66.

Дополнительный теплообменник содержит газоход 92, соединенный на одном торце с фланцем 23, а на другом торце - со стенкой 93, расположенной коаксиально снаружи и также соединенной на торце с фланцем 23. С этим фланцем соединены торцами стенка 94 и наружная стенка 95, на противоположном торце к этим стенкам примыкают днище 96 и дно 97. Таким образом внутри теплообменника 6 образованы две полости 98 и 99, соединенные патрубками 100 и 101, по которым проходит жидкий теплоноситель, а также полость 102, соединенная с полостью газохода 92, по которым проходят продукты сгорания. К наружной стенке 95 пристыкованы угольник 103 для подвода жидкого теплоносителя и патрубок 104 для отвода нагретого теплоносителя из полости 98, патрубок 105 для отвода продуктов сгорания из полости 102.

Предложенный подогреватель с жидкостным охлаждением термоэлектробатарей работает следующим образом. При приведении подогревателя в действие подается напряжение питания на электромагнитный топливный клапан 17, катушку зажигания, подключенную к свече зажигания 7, электровентилятор 16, включаются топливный насос 18 и насос для прокачки теплоносителя 38. Топливо от насоса 18 подается к форсунке 9 и из нее в распыленном виде поступает в камеру 8, куда через отверстия в жаровой трубе 11 подается воздух. От свечи зажигания 7 топливовоздушная смесь воспламеняется и после установившегося режима сгорания свеча отключается. Продукты сгорания через канал 13 направляются внутрь проставки 66, а из нее поступают во внутреннюю полость теплоприемника 3 и в газоход вспомогательного теплообменника 6. Из газохода 92 продукты сгорания поступают в полость 102 и через патрубок 101 выходят из вспомогательного теплообменника. При движении продуктов сгорания нагреваются теплообменная стенка 67 проставки 66, теплоприемник, газоход 92, днище 96 и стенки 93 и 94 вспомогательного теплообменника. От теплоприемника 3 происходит нагрев "горячих" спаев термоэлектробатарей.

Жидкость из системы охлаждения двигателя поступает от насоса 38 по трубопроводу 39 через патрубок 37 внутрь теплообменника 5, проходит по каналам 33 пластин 32 и через угольник 41, трубопровод 89 и угольник 74 поступает внутрь проставки 66. Их проставки 66 через угольник 73, трубопровод 90 и патрубок 101 жидкость попадает во вспомогательный теплообменник 6 и, пройдя полость 99, патрубок 101 и полость 98, жидкость снова направляется в систему охлаждения двигателя.

При движении жидкости сначала происходит охлаждение "холодных" спаев термоэлектрических батарей через пластины 32, а потом жидкость последовательно нагревается от теплообменной стенки 67 проставки 66, стенок газохода 92, стенок 93 и 94 и днища 96 дополнительного теплообменника.

Термоэлектрические батареи при нагреве "горячих" спаев от теплоприемника 3 и охлаждении "холодных" спаев от пластины 32 начинают генерировать электроэнергию. Электроэнергия от термоэлектрических батарей при установившемся режиме работы подогревателя подается на питание электроагрегатов подогревателя и на подзарядку аккумуляторных батарей транспортного средства, на котором установлен подогреваемый двигатель.

Для надежной и эффективной работы термоэлектрических батарей 4 необходимо равномерное прижатие каждого термоэлемента в батарее между теплоприемником 3 и тепловоспринимающими поверхностями 28 теплообменника 5. Это достигается с помощью механизма прижима 43, который обеспечивает равномерное распределение нагрузки затяжки по всем термоэлементам с возможностью точного контроля усилия прижатия при затяжке. Пружинящими элементами в предлагаемой конструкции являются как тарельчатые пружины 47 и 48, так и кольца 45. Колодки 44 не связаны жестко с кольцами 45, а опираются на их внутреннюю поверхность. Это позволяет при установке колодок 44 легко центрировать упорные винты 50, ввернутые в отверстиях на колодках 44, относительно отверстий 54 во втулках 46, контактирующих с тарельчатыми пружинами. Использование пружинящих свойств колец 45 позволяет уменьшить число тарельчатых пружин и тем самым уменьшить габариты устройства прижима. Кроме того, габариты устройства прижима уменьшены в связи с тем, что прижимные участки 36 наружной поверхности теплообменника 5 заглублены в направлении теплоприемника 3 по отношению к внешней поверхности теплообменника. Применение тарельчатых пружин разной жесткости 47 и 48 дает возможность при затяжке упорных винтов уловить момент, когда пружина, имеющая наименьшую жесткость, сядет на выступ 62 прижимной пластины 49, после чего затяжка прекращается. Путем подбора необходимой жесткости пружин обеспечивается необходимое усилие прижатия без применения дополнительных средств контроля.

По сравнению с другими известными термоэлектрическими подогревателями предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности работы подогревателя при его включениях и выключениях за счет равномерного прижатия всех термоэлектрических батарей и надежного контакта их с нагреваемой и охлаждаемой поверхностями. Кроме того, предлагаемое техническое решение практически исключает деформацию термоэлектрических батарей при нагреве и остывании, так как обеспечивается равномерное распределение нагрузки по всем батареям.

Хороший механический, а следовательно, и тепловой контакт позволяет увеличить коэффициент полезного действия термоэлектрогенератора за счет уменьшения разности температуры на теплоконтактных переходах и благодаря этому увеличить перепад температуры между "горячими" и "холодными" спаями термоэлементов (при установившемся тепловом потоке от теплоприемника 3 к теплообменнику 5).

Повышение КПД термоэлектрического генератора при заданной величине электрической мощности позволяет уменьшить его размеры, массу и стоимость.

Кожух и кольца, охватывающие снаружи теплообменник термоэлектрогенератора, предохраняют его от механических повреждений, что увеличивает надежность его в работе.

Уменьшение габаритов подогревателя как за счет повышения КПД, так и за счет совершенствования конструкции системы прижима термоэлектробатарей позволит расширить применение подогрева термоэлектрогенератором на транспортных средствах из-за более широкой возможности его монтажа в ограниченных подкапотных пространствах транспортных средств. (56) Авторское свидетельство СССР N 1354853, кл. F 02 N 17/04, 1988.

Использование: устройства для облегчения пуска двигателей внутреннего сгорания с помощью тепловых средств. Сущность изобретения: предпусковой подогреватель содержит горелочный узел, теплоприемник с наружной поверхностью, выполненной в виде многогранной призмы, термоэлектрические батареи, расположенные на гранях теплоприемника, теплообменник охлаждения батарей, дополнительный теплообменник и механизм прижима батарей к теплоприемнику. Механизм прижима снабжен кольцами, охватывающими теплообменник, колодками и втулками, установленными между колодками и теплообменником. Каждая колодка выполнена в виде параллепипеда с основаниями, параллельными оси теплоприемника, с отверстием под упорный винт с продольной осью, проведенной через центры оснований перпендикулярно оси теплоприемника и совпадающей с осью центрального отверстия во втулке, и с двумя пазами, выполненными со стороны наружного относительно оси теплоприемника основаниями симметрично относительно продольной оси отверстия под упорный винт и ограниченными опорными поверхностями, контактирующими с внутренними и торцевыми поверхностями пары колец. При таком выполнении подогревателя обеспечивается равномерный прижим термоэлектрических батарей с необходимым усилием к теплоприемнику для охлаждения батарей и предохранение этих элементов от тепловых и механических повреждений. Следствием этого является повышение коэффициента полезного действия подогревателя с одновременным повышением надежности его в работе. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Предпусковой подогреватель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий горелочный узел, теплоприемник с наружной поверхностью в виде многогранной призмы, термоэлектрические батареи, размещенные на гранях призмы, теплообменник, охватывающий термоэлектрические батареи, дополнительный теплообменник и по меньшей мере один механизм прижима, имеющий прижимную пластину, расположенную на наружной поверхности теплообменника, с пружиной и упорным винтом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности, он снабжен по меньшей мере двумя кольцами, охватывающими теплообменник, двумя колодками и втулкой с выполненным в ней центральным отверстием, установленной между колодками и теплообменником, причем каждая колодка выполнена в виде параллелепипеда с основаниями, параллельными оси теплоприемника, с отверстием под упорный винт, продольная ось которого проходит через центры оснований параллелепипеда перпендикулярно оси теплоприемника и совпадает с осью центрального отверстия втулки, и с двумя пазами, выполненными со стороны верхнего относительно оси теплоприемника основания и симметрично относительно продольной оси отверстия под упорный винт и ограниченными опорными поверхностями, контактирующими с поверхностями колец, причем пружины установлены между втулкой и прижимной пластиной.