СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02N17/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для подогрева двигателей внутреннего сгорания (ДВС) строительных, дорожных, лесозаготовительных машин и автомобилей, преимущественно городских пассажирских автобусов, в условиях отрицательных температур окружающей среды.

Известна установка воздухообогрева двигателей автомобилей, состоящая из узла нагрева и подачи воздуха, диффузора, воздуховодов и соединительных рукавов. В свою очередь узел нагрева и подачи воздуха состоит из калорифера и вентилятора, приводимого в работу от электродвигателя. При функционировании установки калорифер нагревает воздух, который с помощью вентилятора подается через диффузор, воздуховоды и соединительные рукава на радиатор или в картер обогреваемого двигателя [1].

Данная установка может применяться в стационарных условиях автотранспортного предприятия как групповое средство предпускового подогрева ДВС автомобилей при их безгаражном хранении и требует значительных затрат энергии.

Известен также многоцелевой индивидуальный воздушный отопитель, предназначенный для обогрева масла в картере ДВС, аккумуляторных батарей и кабины водителя и состоящий из воздушного подогревателя, воздухоочистителя, коробки переключения горячих газов, воздуховодов, газопровода и запорной арматуры. При работе данного отопителя обогрев кабины автомобиля и аккумуляторных батарей осуществляется горячим воздухом, нагреваемым в подогревателе, а картер ДВС - отработавшими газами (ОГ) подогревателя [1].

Многочисленные исследования эксплуатационной надежности подогревателей показывают, что они обладают повышенной пожароопасностью из-за большого расхода топлива, замыкания электропроводки или выхода их строя электродвигателя вентилятора. Кроме того, с понижением температуры окружающего воздуха в подогревателе ухудшается испаряемость топлива и образуются ледяные пробки в системе его подачи. При розжиге подогревателя это приводит к срыву факела, при работе - к отказам подогревателя или снижению его теплопроизводительности [2].

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является система разогрева ДВС трелевочного трактора, состоящая из двух независимых систем - системы накопления тепловой энергии тепловым аккумулятором фазового перехода (ТАФП) и системы отдачи теплоты от ТАФП двигателю [3].

ТАФП представляет собой теплообменный аппарат кожухотрубного типа, состоящий из наружного корпуса и внутреннего ядра, между которыми имеется слой тепловой изоляции. Внутреннее ядро состоит из корпуса, газового и жидкостного трубных теплообменников, смонтированных на трубных досках, между которыми находится фазопереходный теплоаккумулирующий материал (ТАМ).

Система накопления тепловой энергии ТАФП включает в себя газовый трубный теплообменник ТАФП и газовые трубопроводы с установленной на них запорно-регулирующей арматурой, а система отдачи теплоты от ТАФП двигателю - жидкостный трубный теплообменник ТАФП, дополнительный насос, расширительный бачок, запорно-регулирующую жидкостную аппаратуру и рубашку охлаждения ДВС, которые соединены между собой с помощью жидкостных трубопроводов.

Накопление тепловой энергии осуществляется при функционировании системы накопления теплоты. При этом от работающего в условиях отрицательных температур ДВС поток ОГ поступает в газовый теплообменник ТАФП, где отдает часть своей тепловой энергии ТАМу. ТАМ нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой происходит тепловое равновесие между ним и ОГ. Аккумулирование теплоты осуществляется за счет наличия в конструкции ТАФП слоя тепловой изоляции. При необходимости разогреть ДВС перед пуском в работу включается система отдачи теплоты. Функционирование данной системы осуществляется следующим образом. Дополнительный насос, приводимый в работу от бортовой электрической аккумуляторной батареи, осуществляет прокачку жидкого теплоносителя (тосола) по замкнутому контуру: жидкостный теплообменник ТАФП - жидкостные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой - рубашка охлаждения ДВС - жидкостный теплообменник ТАФП. В процессе теплообмена тосола с жидким ТАМом последний претерпевает обратимый фазовый переход, переходя из жидкого состояния в твердое, и отдает жидкому теплоносителю скрытую теплоту кристаллизации. Эта теплота переносится жидким теплоносителем и передается ДВС через полость его рубашки охлаждения.

Однако описанная выше система разогрева ДВС работает только на низкозамерзающей жидкости и достаточно сложна из-за наличия разветвленной сети жидкостных трубопроводов с расширительным бачком и запорно-регулирующей жидкостной арматуры. Кроме того, ТАФП в своем составе имеет два независимых друг от друга теплообменника, которые тоже усложняют конструкцию системы.

Задача, стоящая перед предлагаемым изобретением, состоит в упрощении системы отдачи теплоты от ТАФП двигателю и упрощении собственно ТАФП.

Задача решается благодаря тому, что в системе выпуска ОГ ДВС строительной, дорожной, лесозаготовительной машины или автомобиля устанавливается ТАФП, утилизирующий и аккумулирующий тепловую энергию ОГ от работающего ДВС и состоящий из наружного корпуса, слоя тепловой изоляции и теплоаккумулирующего ядра, в котором находятся теплоаккумулирующий материал и газовый трубный теплообменник. Последний используется как для накопления теплоты посредством пропускания через него потока ОГ, так и для отдачи теплоты за счет прохода через него потока воздуха.

ТАФП снаружи имеет тепловую изоляцию, выполненную из минеральной или шлаковой ваты. Внутри теплоаккумулирующего объема ТАФП расположен ТАМ - бинарная солевая эвтектическая система нитратов калия и лития KNO₃ - LiNO₃ с температурой фазового перехода 406 К.

В качестве теплоносителя при отдаче теплоты от ТАФП двигателю служит воздух.

Вынужденное движение воздуха осуществляется вентилятором, приводимым в работу от бортовых электрических аккумуляторных батарей.

Для очистки воздуха имеется фильтр.

В качестве запорно-регулирующей арматуры используются многоходовые газовые краны.

Новым в заявляемом изобретении является использование теплообменника ТАФП как для накопления, так и для отдачи накопленной тепловой энергии двигателю посредством вынужденной циркуляции воздуха по контуру: теплообменник ТАФП - воздухопровод - воздушный фильтр - вентилятор - картерное пространство ДВС - теплообменник ТАФП.

Указанные новые признаки не выявлены из существующего уровня развития техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемая система подогрева представлена на чертеже.

Она состоит из ДВС 1 с выхлопным коллектором 2, который через многоходовой газовый кран 3 связан с ТАФП. ТАФП выполнен из наружного цилиндрического корпуса 4, корпуса внутреннего теплоаккумулирующего ядра 5, между которыми расположен слой тепловой изоляции (минеральная или шлаковая вата) 6. Внутри корпуса 4 размещен газовый трубный теплообменник 7, в межтрубном пространстве которого имеется фазопереходный ТАМ 8 - бинарная эвтектическая система нитратов калия и лития KNO₃ - LiNO₃ с температурой плавления 406 К. Для входа и выхода ОГ из теплообменника имеются газовые направляющие короба 9 и 10.

Теплообменник 7 соединен при помощи эапорно-регулирующей арматуры - многоходовых газовых кранов 3 и 11 - с системой выпуска отработавших газов ДВС 1, состоящей из газовых трубопроводов 12, 13 и выхлопной трубы 14. Для циркуляции теплоносителя - воздуха - имеется воздушная магистраль, состоящая из воздухопровода 15, фильтра 16, центробежного вентилятора 17, воздухопроводов 18 и 19, подводящих и отводящих воздух из картерного пространства ДВС 1.

Система подогрева работает следующим образом.

При отсутствии необходимости заряжать ТАФП, например, в летний период эксплуатации заслонка многоходового газового крана 3 устанавливается в положение, при котором перекрываются входы в направляющий короб 9 и воздухопровод 19. Поток ОГ из ДВС 1 направляется по коллектору 2 и газовому трубопроводу 13 и через выхлопную трубу 14 выбрасывается в атмосферу.

Для накопления ТАФП теплоты заслонка многоходового газового крана 3 устанавливается в положение, при котором перекрываются входы в газовый трубопровод 13 и воздуховод 19, а заслонка многоходового крана 11 - в положение, перекрывающее вход в воздухопровод 15. Поток ОГ из ДВС 1 направляется по выхлопному коллектору 2 в направляющий короб 9, затем в трубный теплообменник 7, в направляющий короб 10 и по газовому трубопроводу 12 в выхлопную трубу 14.

При этом происходит теплообмен между ОГ и ТАМом 8, в результате которого последний нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до температуры теплового равновесия с ОГ.

В процессе хранения тепловой энергии ее диссипации препятствует слой тепловой изоляции 6.

При необходимости разогреть ДВС 1 перед пуском заслонка многоходового крана 3 устанавливается в положение, при котором перекрываются входы в выхлопной коллектор 2 и газовый трубопровод 13, а заслонка многоходового крана 11 устанавливается в положение, при котором закрывается вход в газовый трубопровод 12.

При включении центробежного вентилятора 17, приводимого в работу от бортовых электрических аккумуляторных батарей (на чертеже не показаны), возникает вынужденная циркуляция воздуха по замкнутому контуру: вентилятор 17 - воздуховод 18 - картерное пространство ДВС 1 - воздуховод 19 - кран 3 - короб 9 - теплообменник 7 - короб 10 - кран 11 - воздуховод 15 - фильтр 16 - вентилятор 17. В процессе прохождения потока воздуха по теплообменнику 7 воздух нагревается, а ТАМ остывает и претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое, выделяя при этом скрытую теплоту кристаллизации. Горячий воздух очищается от механических примесей в фильтре 16 и поступает в картерное пространство ДВС 1, где отдает часть своей тепловой энергии коренным и шатунным подшипникам коленчатого вала, а также моторному маслу.

Включение вентилятора 17 производится за 2-3 ч перед пуском двигателя.

Описанная выше система подогрева наиболее эффективна для мобильных машин с непродолжительным временем безгаражного хранения (4-6 ч) в условиях отрицательных температур (до -30^oC), например, для городских пассажирских автобусов.

Подтверждением достижения поставленной задачи является следующее: применение системы подогрева ДВС позволяет достаточно просто осуществить необходимую предпусковую подготовку двигателя мобильной машины перед его пуском. Вышеуказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "промышленная применяемость".

Источники информации:
1. Крамаренко Г. В. , Николаев В.А.. Шаталов А.И. Безгаражное хранение автомобилей при низких температурах. - М.: Транспорт, 1984. - 136 с.

2. Системы подготовки двигателей экскаваторов и кранов к запуску при низких температурах /В.А.Карепов, А.И.Хорош. - Обзор, вып. 1, М.: ЦНИИТстроймаш, 1981. - 52 с.

3. Гулин С.Д., Шульгин В.В., Яковлев С.А. Система разогрева двигателя с помощью теплового аккумулятора //Лесная промышленность. - N 3. - 1996. - с. 20-21.

В качестве источника теплоты в системе принят тепловой аккумулятор фазового перехода, утилизирующий и аккумулирующий тепловую энергию отработавших газов ДВС и состоящий из наружного корпуса, слоя тепловой изоляции и теплоаккумулирующего ядра, в котором находятся теплоаккумулирующий материал, претерпевающий обратимый фазовый переход плавление - кристаллизация, и газовый трубный теплообменник. Последний используется как для накопления теплоты посредством пропускания через него потока отработавших газов, так и для отдачи теплоты за счет организации вынужденного движения воздуха по воздушной магистрали, состоящей из воздуховодов, воздушного фильтра и вентилятора, подающего горячий воздух в картерное пространство двигателя. В картерном пространстве двигателя воздух подогревает его коренные и шатунные подшипники, а также моторное масло. Включение вентилятора осуществляется за 2-3 ч перед пуском двигателя. Данная система подогрева наиболее эффективна для мобильных машин с непродолжительным временем безгаражного хранения (4-6 ч) при температурах окружающего воздуха до -30^oС, например для городских пассажирских автобусов. 1 ил.

Система подогрева двигателя внутреннего сгорания, состоящая из теплового аккумулятора фазового перехода, газовых трубопроводов с установленной на них запорно-регулирующей арматурой, отличающаяся тем, что тепловой аккумулятор фазового перехода имеет один теплообменник, соединяемый при помощи запорно-регулирующей арматуры как с системой выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (при накоплении теплоты), так и с воздушной магистралью, состоящей из воздуховодов, воздушного фильтра и вентилятора, подающего горячий воздух в картерное пространство двигателя (при отдаче накопленной теплоты).