ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОЛЬЦЕВОЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК F02M31/12 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах топливоподачи дизелей, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур, как средство облегчения холодного запуска двигателя и ускорения его прогрева до нормальной рабочей температуры.

Известно устройство для подогрева топлива, устанавливаемое снаружи на цилиндрической части корпуса фильтра и закрепляемое на нем с помощью двух хомутов (заявка N 2114409, Великобритания). Устройство включает прямоугольную полоску из гибкого теплопроводного материала, на которой укреплены 2 проводника электрического тока, к которым подсоединены клеммы для подвода электропитания.

Известна также система подогрева топлива в дизеле, включающая электрические подогреватели топливных фильтров, представляющие собой проволочные нагревательные элементы, встроенные внутрь корпусов топливных фильтров (заявка N 2099321, Великобритания). Система подачи тока к подогревателям обеспечивает возможность их независимого включения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является подогреватель топлива по патенту N 2160921 Великобритании, включающий нагревательный элемент в виде ленточной спирали, помещенной в специальный корпус и включенной в цепь электропитания. Топливо из входного канала крышки корпуса фильтра направляется на дефлектор, стекает по нему к периферии и поступает в полость корпуса подогревателя, где омывает спираль.

Недостатками известных электрических подогревателей топлива является их невысокая эффективность подогрева топлива из-за большой тепловой инерционности устройства, когда тепло до поступления в топливо расходуется на нагрев корпуса фильтра (заявка N 2114409, Великобритания) из-за неравномерности подогрева топлива и местного перегрева, когда внутри корпуса фильтра устанавливается проволочная спираль, температура которой, как известно, достигает 700-800^oC и более. Контакт топлива с нагретой до такой температуры поверхностью приводит к ускоренному окислению топлива и резкому ухудшению его качества, а именно повышению кислотности топлива и смолообразования на деталях топливовпрыскивающей аппаратуры (плунжера, форсунки), приводящие к преждевременному износу деталей и поломкам.

Ресурс высокотеплонапряженной электрической спирали проволочного подогревателя также недостаточен, а в случае перегорания проволочной спирали она не подлежит ремонту и весь дорогостоящий нагревательный элемент требует замены.

Ленточный электрический нагреватель лишен части указанных недостатков благодаря большей поверхности контакта ленточной спирали с топливом и ее пониженной температуре нагрева по сравнению с проволочной спиралью. Однако в конструктивном исполнении подогревателя по патенту N 2160921 (Великобритания) имеются другие существенные недостатки, и прежде всего сложность конструкции как самого подогревателя, так и вызванные им усложнения топливного фильтра, в котором установлен подогреватель данного типа. Имеется в виду необходимость наличия специального дефлектора, как направляющего устройства, по которому топливо из крышки фильтра стекает к периферии и поступает в корпус подогревателя. В свою очередь в специальном корпусе подогревателя образована полость, имеющая вход и выход для топлива, в которой ленточная спираль нагревательного элемента установлена так, что один конец ее изолирован от массы и выведен наружу на изолированную клемму, а другой конец спирали соединен с корпусом. Получилась очень сложная и громоздкая конструкция, существенно увеличившая массу и габаритные размеры топливного фильтра.

При работе подогревателя часть тепла расходуется на подогрев собственного корпуса подогревателя, дефлектора, корпуса и крышки фильтра, что связано с большими тепловыми потерями рассеивания на этих металлических поверхностях.

Следует иметь в виду также, что на дефлекторе поступающие вместе с топливом капли воды укрупняются и, поступая в полость корпуса подогревателя, укрупненные капли воды и мехпримеси будут отрицательно воздействовать на спираль подогревателя, а частично и накапливаться в его полости. Это отрицательное воздействие будет усугубляться тем, что все неочищенное топливо на подходе к фильтроэлементу проходит через полость корпуса подогревателя и это происходит в течение всего времени работы фильтра, независимо от того, включен подогреватель или нет, накопление воды и грязи в корпусе подогревателя будет происходить постоянно.

Таким образом, становится очевидным, что приведенное в патенте N 2160921 (Великобритания) устройство подогревателя топлива обладает целым рядом существенных недостатков, таких, как сложность и громоздкость конструкции, недостаточные эффективность и надежность, низкая ремонтопригодность.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы подогревателя, упрощение его конструкции, повышение надежности работы и компактности.

Поставленная задача достигается тем, что электрический подогреватель топлива для топливных систем дизелей, содержащий защитную оболочку и ленточный электронагревательный элемент, выполнен так, что защитная оболочка подогревателя состоит из двух соединенных между собой гибких вертикальных расположенных пластин из теплостойкого электроизоляционного материала, свернутых в кольцо, а электрический нагревательный элемент выполнен в виде размещенной между этими пластинами тонкой токопроводящей ленты, образующей незамкнутое кольцо, причем электронагреватель размещен внутри корпуса фильтра так, что наружная пластина оболочки подогревателя обращена к внутренней поверхности корпуса фильтра, а внутренняя пластина оболочки подогревателя обращена к фильтроэлементу и снабжена сквозными окнами, через которые топливо свободно поступает к нагревательному элементу и омывает его.

Для улучшения подогрева топлива в нижней части фильтра и уменьшения неравномерности прогрева электрический подогреватель установлен в корпусе фильтра с некоторым смещением по высоте к нижней половине фильтроэлемента так, что его нижняя кромка находится на уровне нижнего торца фильтроэлемента или несколько ниже его.

В цепь электропитания нагревательный элемент подогревателя подключается по однопроводной системе.

Сравнение заявленного электрического подогревателя топлива с прототипом позволяет выявить отличительные от него признаки, что подтверждает соответствие данного технического решения критерию "новина".

Проведенное сравнение с известными в науке и технике решениями подогревателей топлива показало, что размещение нагревательного элемента в виде тонкой токопроводящей ленты с большой поверхностью контакта ее с топливом, свернутой в незамкнутое кольцо, между пластинами защитной оболочки из теплостойкого электроизоляционного материала, которая в свою очередь размещена внутри корпуса топливного фильтра таким образом, что наружная пластина оболочки обращена к внутренней поверхности корпуса, а внутренняя пластина оболочки подогревателя обращена к фильтроэлементу и снабжена сквозными окнами, через которые топливо свободно поступает к кольцевому электронагревательному элементу и омывает его, при этом электроподогреватель топлива установлен со смещением к нижней половине фильтроэлемента, в устройствах электрических подогревателей топлива пока неизвестно, что подтверждает соответствие заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

Изобретение соответствует и критерию "положительный эффект". Это подтверждается тем, что по сравнению с прототипом заявленный электрический подогреватель позволяет повысить эффективность подогрева топлива, полностью исключить возможность быстрого окисления топлива, повысить активную поверхность нагрева, улучшить теплопередачу и равномерность подогрева топлива, исключить собственную тепловую инерцию подогревателя, благодаря чему его теплоотдача в топливо начинается почти мгновенно после включения электропитания, частицы парафина растворяются и фильтр быстрее подготавливается к работе, т.е. повышается быстродействие подогревателя. Особо следует подчеркнуть, что подогрев осуществляется непосредственно в корпусе фильтра, в объеме топлива, окружающем фильтроэлемент, благодаря такой организации подогрева топлива ни одна частица твердого парафина не сохранится в объеме топлива вокруг фильтроэлемента и на его фильтрующей перегородке (шторе). Повышаются работоспособность фильтрующего элемента и его срок службы.

Изобретение является технически осуществимым. Авторами было изготовлено несколько опытных образцов электрического подогрева топлива применительно к топливным фильтрам автомобиля КамАЗ и проведены их лабораторные и эксплуатационные испытания в составе топливных фильтров тонкой очистки автомобилей семейства КамАЗ.

На фиг.1 изображен общий вид, поперечное сечение и разверстка заявленного электрического подогревателя топлива, на фиг.2 способ размещения подогревателя в корпусе топливного фильтра и его подключение в электрическую цепь бортового источника тока на автомобиле.

Электрический подогреватель топлива содержит защитную оболочку 1 с наружной подложкой 2 и внутренней подложкой 3, нагревательный элемент 4 с подводящей 5 и отводящей 6 шинами.

Для обеспечения свободного доступа топлива к ленточному нагревательному элементу 4 и его конвективного обмена во внутренней накладке 3 имеются окна 7, благодаря которым топливо, находящееся в корпусе 8 топливного фильтра, непосредственно контактирует с ленточным нагревательным элементом 4 и получает тепло непосредственно от него, минуя какие-либо промежуточные звенья и стадии.

В зависимости от необходимой мощности подогревателя для конкретного двигателя габаритные размеры и форма нагревательного элемента могут быть различными.

Работает предлагаемый электрический кольцевой подогреватель топлива следующим образом. Будучи установленным внутри корпуса 8 топливного фильтра (фиг. 2) и зафиксированным в нем цилиндрическими распорными кольцами 9, подогреватель топлива всегда находится в затопленном топливом состоянии. При этом топливо через окна 7 во внутренней накладке 3 поступает к нагревательному элементу 4 и омывает его. При включении нагревательного элемента 4 в электрическую цепь аккумулятора ток протекает от "+" аккумулятора 10 через выключатель 11 и плавкий предохранитель 12 к изолированной клемме 13 на корпусе топливного фильтра 8 и далее к подводящей шине 5, откуда ток поступает на нагревательный элемент 4, проходит его и через отводящую шину 6 уходит на корпус фильтра, массу автомобиля и клемму "-" аккумулятора. В результате протекания электрического тока по нагревательному элементу последний нагревается и передает тепло омывающим его порциям топлива. Нагретое топливо в результате конвекции поднимается кверху, а холодное топливо поступает к горячей поверхности нагревательного элемента 4 и процесс повторяется, как описано выше. Таким образом, постепенно прогревается все топливо, находящееся в объеме 14 корпуса 8 топливного фильтра, фильтроэлемент 15, выпавшие из холодного топлива частицы парафина полностью растворяются и топливный фильтр готов к нормальной работе. В схеме имеется контрольная лампа 16.

При поступлении в топливный фильтр холодных порций топлива они прогреваются в объеме горячего топлива и поступают к нагревательному элементу, где их температура повышается. Дополнительно вновь поступившие порции топлива получают тепло при прохождении через нагретый фильтроэлемент 15.

Так обеспечивается гарантированный подогрев топлива при включенном подогревателе, в дальнейшем по мере прогрева двигателя до нормальной рабочей температуры подогреватель отключают, а подогрев топлива осуществляется от нагретых масс двигателя и его узлов.

Пример осуществления изобретения. Электрический ленточный кольцевой подогреватель топлива в порядке осуществления вышеизложенного технического решения был изготовлен в количестве 5 экз. и испытан в составе топливного фильтра автомобиля КамАЗ в лабораторных условиях, а также на автомобиле в условиях зимней эксплуатации.

Основные характерные параметры электрического подогревателя топлива были рассчитаны на подогрев дизельного топлива в топливном фильтре тонкой очистки дизеля КамАЗ-740 с объемом полости (1-я ступень) V_к=747 см³ от отрицательной (-40^oC) до положительной (+30^oC), с тем, чтобы за счет подогрева топлива обеспечить гарантированное растворение парафина в топливе и нормальную работу фильтроэлемента, топливовпрыскивающей аппаратуры и тем самым облегчить запуск двигателя при отрицательной температуре окружающего воздуха.

Мощность подогревателей составила 110-150 Вт, площадь контакта нагревательного элемента с топливом составляла от 120 до 240 см² при толщине ленты нагревательного элемента 20 мкм. Габариты электрических подогревателей в сборе составили: диаметр наружный 80 мм, высота от 70 до 120 мм, толщина 1 мм. Подогреватели были размещены внутри корпусов топливных фильтров на их цилиндрической части и зафиксированы при помощи 2 пружинных распорных колец, устанавливаемых у верхней и нижней кромок подогревателя.

Подключение подогревателей к источникам постоянного тока осуществлялось монтажным электрическим проводом сечением 1,5 мм² через клавишный выключатель и плавкий предохранитель на 10 А.

В результате лабораторных испытаний подогревателей топлива с площадью контакта нагревательного элемента с топливом 240 см² (высотой 120 мм) в составе топливных фильтров дизеля КамАЗ-740 было установлено, что при напряжении питания нагревательного элемента U=24 В и потребляемом токе I_н=4,5-5 А и номинальном расходе топлива температура топлива на выходе 1-й ступени фильтра повышается от -20^oC до +30^oC за 4 мин, до +50^oC за 6 мин и до +100^oC за 15 мин. Мощность подогревателя составила 110-120 Вт.

В результате эксплуатационных испытаний электрических подогревателей топлива с площадью нагревательного элемента 120 и 240 см² в составе автомобилей КамАЗ-511 было установлено, что при температуре окружающего воздуха -16.-19^oC и мощности подогревателей 140-150 Вт топливо в фильтрах тонкой очистки прогревалось до температуры +55.+85^oC за 10-15 мин. Вскрытие топливных фильтров с нагревателями после испытаний показало их нормальное состояние, нарушений целостности, других дефектов не обнаружено.

Таким образом, изготовленные в порядке осуществления вышеизложенного технического решения опытные образцы электрического подогревателя топлива успешно прошли лабораторные и эксплуатационные в составе автомобилей КамАЗ-5511 испытания, тем самым практически подтверждены осуществимость технического решения, новизна и эффективность для целей предпускового подогрева топлива в условиях отрицательных температур, как средство облегчения запуска двигателя, ускорения его процесса и повышения надежности и долговечности топливной системы автомобиля и двигателя.

Проведенные испытания показали также, что применение предложенного электрического подогревателя топлива позволяет существенно сократить материальные затраты и время на предпусковую подготовку автомобилей в холодный период их эксплуатации, повысить срок службы фильтроэлементов и полностью исключить их выход из строя из-за разрывов фильтрующей перегородки при выпадании парафина и блокировке им фильтрующей шторы при низких температурах топлива.

Использование предлагаемого электрического подогревателя топлива даст экономический эффект в многие сотни миллионов рублей в год.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: электрический подогреватель содержит защитную оболочку 1 с наружной подложкой 2 и внутренней подложкой 3, нагревательный элемент 4 с подводящей 5 ("+") и отводящей 6 ("-") шинами. Для обеспечения свободного доступа топлива к ленточному нагревательному элементу 4 и его конвективного обмена во внутренней накладке 3 имеются окна 7, благодаря чему топливо в фильтре непосредственно контактирует с нагревательным элементом 4 и получает тепло непосредственно от него, минуя какие-либо промежуточные звенья и стадии. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Электрический подогреватель топлива для топливных систем дизелей, содержащий защитную оболочку и ленточный электронагревательный элемент, отличающийся тем, что защитная оболочка подогревателя выполнена в виде соединенных между собой двух гибких вертикально расположенных пластин из теплостойкого электроизоляционного материала, свернутых в кольцо, а электрический нагревательный элемент в виде размещенной между этими пластинами тонкой токопроводящей ленты, образующей незамкнутое кольцо, причем полученный таким образом кольцевой электронагреватель размещен внутри корпуса фильтра так, что наружная пластина его оболочки обращена к внутренней поверхности корпуса фильтра, а внутренняя пластина к фильтроэлементу и снабжена сквозными окнами, через которые топливо свободно поступает к нагревательному элементу и омывает его. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутри корпуса фильтра подогреватель установлен в корпусе со смещением по высоте к нижней половине фильтроэлемента. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что подключение нагревательного элемента подогревателя к источнику электропитания на машине осуществляется по однопроводной системе.