ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ МОТОРНОГО МАСЛА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01M5/02 F02N17/04 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для предпускового подогрева моторного масла непосредственно в резервуаре картера двигателя внутреннего сгорания в условиях их эксплуатации при низких отрицательных температурах.

Моторные масла являются продуктами переработки нефти и нашли применение для смазки двигателей внутреннего сгорания. Они представляют собой легированные смазочные материалы, состоящие из основы собственно смазочного масла и присадок к нему, улучшающих в какой-то степени эксплуатационные свойства масел. К наиболее характерным физическим параметрам моторных масел относится вязкость. Выбор вязкости масла из имеющейся номенклатуры предопределяется условиями применения двигателей и основывается, как правило, на рассмотрении двух режимов эксплуатации двигателя, при которых вязкость масла имеет максимальную и минимальную величину. Это режим пуска двигателя после охлаждения до температуры окружающей среды и длительная работа в режиме максимальной мощности.

На практике установлено, что максимальная величина вязкости моторного масла, при которой возможен пуск двигателя, составляет 2500-5000 сП.

Минимальная величина вязкости масла на поверхности наиболее нагретых трущихся деталей, при которой она обеспечивает надлежащее смазывание, равна 2-4 сП. ("Трение, изнашивание и смазка", Справочник, кн.1. М. "Машиностроение", 1978, с.399).

Рекомендовано отдавать предпочтение маслу с минимальной необходимой и достаточной вязкостью, так как применение масла с излишне высокой вязкостью приводит к перерасходу топлива из-за увеличения потерь на трение и увеличение пусковых износов, если пуск производят редко и без предпусковой прокачки масла от насоса.

С помощью присадок возможно расширить диапазон значений отрицательных температур использования моторных масел, но не настолько, чтобы без дополнительных мер осуществлять запуск двигателей при низких температурах, особенно в зимнее время на крайнем севере.

Данная проблема становится все более актуальной в связи со значительным распространением транспортных средств зарубежных фирм, в которых находят применение всесезонные масла расширенного температурного диапазона использования (SAE 10W/50 и SAE 20W/50), что эквивалентно по классификации ГОСТ 17479-72 4₃/20 и 6₉/20.

Такие масла пригодны для круглогодичного использования только в климатических условиях Западной Европы для современных и перспективных двигателей транспортных средств, в частности, при продолжительной езде с максимальными скоростями по автострадам. Предельной температурой, характеризующей работоспособность моторного масла в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха, является так называемая температура помутнения, предшествующая температуре застывания (ГОСТ 20287-74), при которой масло теряет прозрачность вследствие кристаллизации парафиновых составляющих и она служит показателем границы возможности использования масла в этих условиях.

Происходящий процесс кристаллизации, связанный с выпадением парафинов, неизбежно приводит к забиванию фильтров в системе маслоподачи и нарушению нормального функционирования двигателей внутреннего сгорания.

Аналогичные явления происходят также с топливами, например, дизельными. Поэтому в системах подачи горюче-смазочных материалов нашли применение устройства, способные в той или иной мере обеспечить условия нормального запуска двигателей при низких отрицательных температурах окружающего воздуха с последующей их нормальной работой от собственного разогрева.

Известны системы двигателей внутреннего сгорания (дизельных) с использованием для придания требуемых физических свойств топливам при низких отрицательных температурах подогревателя для нагрева и последующего запуска двигателя (Браун В. Н. Азаматов Р.А. и др. "Автомобили КАМАЗ". М. Транспорт, 1987, с. 93, 94 рис. 101, 102), теплообменника-смесителя (патент США N 4231342, F 02 M 53/00, 1980), газодинамического излучателя, в камере которого разрушается кристаллическая решетка применяемого состава горючего в результате ультразвукового облучения (авт. св. N 1740748, 1989).

Помимо указанных устройств в двигателях внутреннего сгорания достаточно широко нашла применение для тех же целей в качестве источника тепла электрическая энергия, преобразовываемая в тепловую за счет нагрева с помощью сопротивления.

Известен бак, содержащий корпус с заливной горловиной и отводным трубопроводом, электронагреватель, образованный цилиндрической трубкой и токопроводящим элементом, соединенным электрическими проводами с источником электрического тока (заявка ФРГ N 3800017, МКИ F 02 M 31/12, 1986).

К существенному недостатку перечисленных объектов следует отнести тот факт, что в них не предусмотрено предотвращение процесса кристаллизации топлива, являющегося, как и моторное масло, нефтепродуктом непосредственно в баке, таким образом фильтры, расположенные в отводном трубопроводе остаются подверженными воздействию парафинов при отрицательных температурах окружающей среды, а это приводит, как следствие, к ухудшению функционально-эксплуатационных характеристик двигателей.

Из уровня техники известны опубликованные технические решения, в которых электрический подогреватель установлен непосредственно в баке (заявка Франции N 2423648, МКИ F 02 M 31/12, 1979, патент Российской Федерации N 2037067, МКИ 5 F 02 M 37/22, 1993), лишенные таким образом указанного недостатка.

Однако рассматриваемые объекты не могут быть реализованы для разогрева моторного масла прежде всего из-за относительно больших габаритов электронагревателей, требующих существенного изменения конструкции картера в уже выпущенных промышленностью двигателях внутреннего сгорания и сопряженных, следовательно, со значительными экономическими затратами, включающими помимо всего прочего как разборку, так и повторный монтаж двигателей.

Известна конструкция электронагревателя для разогрева моторного масла при низких отрицательных температурах в резервуаре картера двигателей внутреннего сгорания (заявка Японии N 1-46716, F 02 N 17/04, 1989).

Электронагреватель содержит выполненный из металла нагревающий элемент, представляющий собой плоский сужающийся стержень с максимальной шириной, достаточной для прохождения в малоразмерное отверстие резервуара картера.

Нагревающий элемент закреплен в держателе и соединен через узел коммутации, расположенный в держателе с проводом электропитания.

Существенный недостаток его состоит в недостаточной эффективности нагрева моторного масла, обусловленного малой поверхностью, передающей тепловой поток к маслу, объясняющийся, с одной стороны, ограничением, налагаемым на поперечный размер нагревательного элемента со стороны диаметра заливного отверстия резервуара картера, а с другой -ограничением его длины высотой резервуара.

Тепловой поток от нагревающегося элемента распространяется по объему моторного масла от слоя к слою, не затрагивая в первый момент времени работы электронагревателя слои масла, отдаленные от элемента по ширине резервуара, то есть разогрев масла имеет затянутый во времени характер.

Кроме того, для того, чтобы не произошло замыкание на корпус транспортного средства, длина нагревательного элемента должна быть несколько меньше высоты резервуара картера, что также сказывается на замедление повышения температуры в придонных слоях моторного масла.

Все это вместе взятое ухудшает функционально-эксплуатационные качества устройства, значительно удлиняя время, затрачиваемое на подготовку масла к возможности беспрепятственного пуска двигателя при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Целью изобретения является улучшение функционально-эксплуатационных характеристик электронагревателя путем интенсификации теплообмена по объему масла и тем самым сокращения времени его разогрева в условиях ограниченности поперечных размеров нагревательного элемента при одновременном обеспечении долговечности, надежности, безопасности работы электронагревателя и обращения с ним.

Поставленная цель достигается тем, что нагревающий элемент выполнен гибким в виде провода с многопроволочными токопроводящими жилами, на оплетку которого уложен сплошной слой углеродных нитей, при этом жилы на конце провода оголены, провод снабжен цилиндрическим хвостовиком с наконечником из диэлектрического материала, скрепкой, а оголенные жилы равномерно ориентированы вдоль поверхности хвостовика, закрыты углеродными нитями и вместе с ними прижаты скрепкой к хвостовику, причем провод вместе с оголенными жилами, нитями, хвостовиком и скрепкой заключен в диэлектрическую термостойкую резиновую оболочку, примыкающую вплотную к наконечнику.

Выявленные отличительные признаки в совокупности с известными обеспечивают достижение положительного эффекта, разрушая в результате интенсификации процесса теплообмена между нагревательным элементом и моторным маслом парафины, доводят масло по значению вязкости до такого состояния, когда возможен запуск двигателя при низких отрицательных температурах окружающей среды за более короткое время сравнительно с ближайшим аналогом.

Изобретение поясняется фиг.1-4.

Электронагреватель моторных масел двигателей внутреннего сгорания (фиг. 1) имеет нагревающий элемент 1, закрепленный в держателе 2. Нагревающий элемент соединен через узел коммутации (условно не показан), расположенный в держателе с проводом электропитания 3, токопроводящие жилы 4 которого снабжены клеммами 5. Нагревательный элемент выполнен гибким за счет того, что включает в себя провод 6 с многопроволочными токопроводящими жилами (фиг.2). На оплетку 7 провода уложен сплошной слой углеродных нитей 8 типа марки "Урал-22Н". Провод снабжен цилиндрическим хвостовиком 9 с наконечником 10 из диэлектрического материала, например, ДСВ-2Р-2М. Оголенные от изоляции концы провода 11 равномерно ориентированы вдоль поверхности хвостовика, закрыты углеродными нитями 8 и вместе с ними охвачены скрепкой 12 из латуни или меди, прижимающей перечисленные элементы к хвостовику.

Провод вместе с оголенными жилами, углеродными нитями, хвостовиком и скрепкой заключен в диэлектрическую термостойкую резиновую оболочку 13, в качестве материала для которой может быть использована резиновая смесь, например, ИРП 3826 ТУ 003 1166-87 или ИР-36, ИРП-3012.

Узел коммутации представляет собой соединение любым из известных приемов, например скруткой, провода нагревающего элемента и углеродных нитей с жилами провода электропитания. Расположение узла в держателе позволяет исключить соприкосновение контактов с воздухом для предотвращения окисления материалов проводов, ухудшающих электрическую передачу от источника тока к нагревающему элементу, заключив узел в корпус держателя и залив компаундом.

Предлагается наконечник хвостовика (фиг.3) выполнить в виде полусферы 14, переходящей в цилиндр 15 с образованным на его торце 16 выступом 17, на который заведена (фиг.2) оболочка 13 вровень с диаметром цилиндра 15.

Это позволяет создать лобовую часть нагревающего элемента, которая, обладая определенной жесткостью, легко вводится в малые отверстия резервуара картера, замыкает диэлектрическую термостойкую резиновую оболочку и тем самым придает нагревающему элементу термоизолирующие свойства по всей его длине. Лобовая сферическая часть наконечника облегчает проникновение нагревательного элемента в моторное масло и не препятствует ему занимать в резервуаре картера естественного положения, скользя по его днищу.

Для надежности конструкции по обеспечению функционирования электроцепи на хвостовике (фиг.2, 3) выполнена резьба 18, а после укладки на нее оголенных жил провода, закрытых углеродными нитями с поджатием перечисленных элементов к хвостовику скрепкой 12, жилы провода, изгибаясь по резьбе и повторяя ее контур, увеличивают поверхность соприкосновения с хвостовиком и прочно удерживаются в заданном положении. Углеродные нити, в свою очередь, повторяя контур жил провода, по тем же самым причинам увеличивают прочность соединения их с жилами провода, то есть в данном случае имеет место электрическое зажимное соединение.

Согласно проведенным исследованиям зажимные соединения любых видов имеют один из самых (на втором месте после паянных соединений, неприменимые в сочетании применяемых материалов: металлический провод углеродная нить) низких по интенсивности отказов (Справочник "Трение, изнашивание и смазка". Кн.2, М. Машиностроение, 1979, с.336, табл.1) и таким образом обеспечивается надежность функционирования электронагревателя, улучшая его эксплуатационные характеристики.

Использование в конструкции углеродных нитей с учетом их большого сопротивления прохождения тока позволяет достигнуть требуемого их нагрева. Нити уложены на проводник и оголенные жилы (фиг.2) по спирали 19, в результате повышается длина нитей и количество снимаемого с них тепла, повышая тем самым эксплуатационные характеристики электронагревателя.

Выполнение скрепки 12 в виде кольца с Г-образными полками по концам (фиг. 4), входящими одна в другую, не только способствует возникновению усилия поджатия к хвостовику оголенных жил проводника и к жилам углеродных нитей, но и приводит к дополнительному соединению нитей между собой, то есть гарантированно включает все их количество в процессе прохождения через них тока, повышая эффективность работы нагревателя.

Технология выполнения элементов электронагревателя является вполне отработанной на отечественном оборудовании с применением простых приспособлений и отечественных материалов, то есть по своим технологическим параметрам он полностью отвечает требованиям производства на отечественных заводах.

Работа с электронагревателем производится следующим образом:
извлечь щуп для замера уровня моторного масла из резервуара картера;
ввести электронагреватель в отверстие для щупа и погрузить его во внутреннюю полость резервуара картера на длину нагревающего элемента;
подключить нагреватель к аккумулятору и осуществить предпусковой нагрев масла ( время подогрева в пределах 15-30 мин.);
извлечь электронагреватель и снова установить щуп.

При погружении нагревающего элемента электронагревателя в резервуар картера сферический наконечник хвостовика плавно будет раздвигать с минимальным сопротивлением слои моторного масла, а, достигнув дна резервуара, наконечник с хвостовиком займут горизонтальное положение и по мере проталкивания нагревающего элемента во внутрь он образует кольца на самом дне и, по высоте резервуара занимая пространство не только по прямой, как в ближайшем аналоге, но благодаря своей гибкости распространяясь в боковом направлении, то есть располагаясь в больших слоях масла и тем самым при его работе сразу подвергая их нагреву и сокращая по времени разогрев масла до нужного состояния.

Благодаря полной термоизоляции элементов электронагревателя, он маслоустойчив и не может произвести замыкания на корпус транспортного средства, а отсюда безопасность при его эксплуатации.

Физика происходящих процессов состоит в следующем.

Выделяющееся Джоулево тепло, выделяемое углеродной нитью, не остается внутри нагревающего элемента, а уходит вследствие теплопередачи (теплопроводности, конвекции и излучения) через поверхность диэлектрической термостойкой резиновой оболочки. Количество теплоты, ушедшее вследствие теплопередачи, тем больше, чем больше разность температур оболочки и моторного масла и чем лучше оно отводит тепло.

Поэтому после включения тока температура углеродных нитей постепенно повышается, пока через некоторое время не сделается постоянной, а именно такой, что количество теплоты, выделяющейся углеродными нитями, будет в точности равно количеству теплоты уходящему вследствие теплопередачи.

Предложенный электронагреватель рассчитан на напряжение 12В с питанием от аккумуляторной батареи транспортного средства, но он может быть подключен, например, в условиях стоянки транспортных средств в необогреваемых гаражах и к осветительной сети тока через понижающий разделительный трансформатор. Он может, благодаря своим функционально-эксплуатационным характеристикам, найти применение на многих транспортных средствах: легковом и грузовом автотранспорте, в двигателях гусеничной техники и даже в самоходных строительных механизмах.

В зависимости от объемов моторных масел, имеющих место в различных двигателях внутреннего сгорания, разработанный электронагреватель может быть изготовлен с различной длиной нагревающего элемента, то есть удовлетворять потребности в нем практически всего парка транспортных средств, а также агрегатов, использующих двигатели внутреннего сгорания при низких температурах.

Использование: устройство может быть использовано для подогрева моторного масла перед запуском ДВС при низкотемпературных условиях его эксплуатации. Сущность изобретения: электронагреватель содержит нагревающий элемент, закрепленный в держателе и соединенный через узел коммутации, расположенный в держателе, с проводом электропитания. Нагревательный элемент выполнен гибким в виде провода с многопроволочными токопроводящими жилами, на оплетку которого уложен сплошной слой углеродных нитей. Жилы на конце провода оголены, провод снабжен цилиндрическим хвостовиком с наконечником из диэлектрического материала, скрепкой, при этом оголенные жилы равномерно ориентированы вдоль поверхности хвостовика, закрыты углеродными нитями и вместе с ними прижаты скрепкой к хвостовику. Провод вместе с оголенными жилами, нитями, хвостовиком и скрепкой заключен в диэлектрическую термостойкую резиновую оболочку, примыкающую вплотную к наконечнику. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Электронагреватель моторного масла двигателей внутреннего сгорания, содержащий нагревающий элемент, закрепленный в держателе и соединенный через узел коммутации, расположенный в держателе с проводом электропитания, отличающийся тем, что нагревающий элемент выполнен гибким в виде провода с многопроволочными токопроводящими жилами, на оплетку которого уложен сплошной слой углеродных нитей, при этом жилы на конце провода оголены, провод снабжен цилиндрическим хвостовиком с наконечником из диэлектрического материала, скрепкой, а оголенные жилы равномерно ориентированы вдоль поверхности хвостовика, закрыты углеродными нитями и вместе с ними прижаты скрепкой к хвостовику, причем провод вместе с оголенными жилами, нитями, хвостовиком и скрепкой заключен в диэлектрическую термостойкую резиновую оболочку, примыкающую вплотную к наконечнику. 2. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что углеродные нити уложены на проводник и оголенные жилы по спирали. 3. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что на хвостовике выполнена резьба, на которую уложены оголенные жилы. 4. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что наконечник выполнен в виде полусферы, переходящей в цилиндр с образованным на его конце выступом, на который заведена оболочка вровень с диаметром цилиндра. 5. Электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что скрепка выполнена в виде кольца с Г-образными полками по концам, входящими одна в другую.