СПОСОБ ПОДОГРЕВА ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F01P11/20 

Изобретение относится к области автомобилестроения, в частности к способу подогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения ДВС автомобилей, эксплуатируемых в районах с низкой температурой воздушной среды.

Известно множество способов подогрева охлаждающей жидкости, такие как слив определенной части охладившейся жидкости и дополнение вместо слитой нагретой жидкости, а также с помощью паяльной лампы и т.п. Например, изобретение, взятое за аналог, SU N 262545, МПК F 01 P 11/20, 1970.

Но эти способы сложны в применении, т.е. неудобны, так как требуют дополнительных затрат усилия и материалов с увеличением времени процесса подогрева. В то же время эти способы возможно применять только на стоянке, а не в процессе движения или на стоянке без применения дополнительных устройств, материалов и горючих средств.

Задачей изобретения является повышение удобств при эксплуатации ДВС (двигателей внутреннего сгорания) путем замены известных способов подогрева изобретенным способом подогрева с помощью индукционной катушки при сокращении затрат и времени как на изготовление, так и на обслуживание.

Поставленная задача достигается тем, что в изобретенном способе ведения подогрева охлаждающей жидкости в ДВС применяется индукционная катушка, которая, работая от электроэнергии, устанавливается на металлический патрубок.

Помещая виток в виде замкнутого проводника в переменное магнитное поле, созданное током, протекающим по какой-то электрической цепи, наблюдаем протекание в нем тока. Этот ток был вызван изменением во времени магнитного потока, сцепленного с витком. То же явление будет иметь место и в том случае, если вместо витка возьмем какое-то массивное проводящее тело, например стальной цилиндр или шар. В этих телах вследствие явления электромагнитной индукции также возникнут переменные токи, которые носят название вихревых или индуктированных токов.

Индуктированные токи вызывают нагрев тела. Метод нагрева проводящих тел индуктированными токами получил название индукционного.

Рассмотрим электромагнитные процессы, протекающие в проводящем цилиндре, который находится во внешнем магнитном поле фиг. 1. Пусть удельная электропроводность и магнитная проницаемость цилиндра будет иметь одно и то же значение в любой его точке. Поместим цилиндр в магнитное поле, создаваемое переменным током, протекающим по виткам длинной катушки. Силовые линии магнитного поля направлены параллельно оси катушки и, следовательно, параллельно оси цилиндра. При изменении магнитного поля в цилиндре будут возникать индуктированные токи. Магнитное поле с некоторой конечной скоростью проникает в цилиндр. В первый момент оно заполнит из всей массы цилиндра только внешнее кольцо некоторой толщины. Под влиянием индуктированной в кольце ЭДС в нем возникнут индуктированные токи, по направлению обратные току, проходящему по виткам катушки. Эти токи образуют магнитное поле, которое, складываясь с магнитным полем, катушки ослабит его.

В следующий момент уже ослабленное магнитное поле будет далее проникать вглубь и заполнит второй слой в цилиндре, лежащий под первым. Так, постепенно ослабляясь, магнитное поле катушки будет проникать в цилиндр, вызывая в нем токи, плотность которого будет падать от наружной поверхности цилиндра к его центру.

При прохождении по проводнику постоянного тока выделенная за единицу времени в виде тепла энергия равна произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника. При прохождении переменного тока такое сопротивление называют активным в отличие от индуктивного сопротивления, которое проявляется при наличии ЭДС самоиндукции, вызывающей уменьшение тока в проводнике вследствие обратного ее направления по отношению к ЭДС источника тока. Так как распределение тока по сечению проводника при переменном токе неравномерно, то при одном и том же сечении проводника активное сопротивление проводника переменному току будет иметь большее значение, чем сопротивление постоянному току.

Соединение проводника при переменном токе используется неполностью. Сопротивление проводника "r" постоянному току рассчитывается по формуле
r=l/ r = l/γπR2o

При переменном же токе сопротивление возрастает. Коэффициент увеличения переменному току к сопротивлению постоянному току будет тем выше, чем больше частота тока, а при заданной частоте тем выше, чем больше радиус проводника.

При резком проявлении поверхностного эффекта, т.е. при больших радиусах проводника или при большой частоте тока, уменьшение плотности тока по мере перемещения от поверхности к центру проводника происходит по закону, который выражается следующей формулой:

где δ_x - действующее значение плотности тока на расстоянии x от поверхности проводника, А/м²; δ_e- действующее значение плотности тока на поверхности проводника, А/м² (действующее значение тока при синусоидном изменении его во времени равно амплитуде тока, деленной на корень квадратный из двух); e - основание натуральных логарифмов (e = 2,718); Δ - расстояние от поверхности проводника по направлению к его центру, на котором плотность тока убывает в "e" раз по сравнению с плотностью тока на поверхности.

Расстояние от поверхности проводника по направлению к его центру, на котором плотность тока убывает в "e" раз, т.е. на 63,2%, условно называют глубиной проникновения тока. Глубина проникновения тока (М) определяется следующей формулой:

где ω = 2πf (f - частота тока, Гц); μ- магнитная проницаемость материала проводника, Гн/м.

Магнитная проницаемость равна: μ = μ_ОTН.μ_О(μ_ОTН- относительная магнитная проницаемость, значение которой для различных материалов приводится в справочниках).

Если диаметр проводника превышает глубину проникновения тока более чем в 8-10 раз, то активное сопротивление по переменному току проводника кругового сечения (Ом) определяется по формуле

где l - длина проводника, м; Δ - глубина проникновения тока, м.

Поскольку по средней части проводника ток практически не проходит, а идет лишь по тонкому слою у его поверхности, проводник может быть выполнен в виде полного цилиндра с толщиной стенки, несколько большей чем глубина проникновения тока. Явление поверхностного эффекта имеет место также в случае проводника прямоугольного сечения.

Изменение плотности тока в цилиндре при большом диаметре его или высоких частотах тока происходит согласно формуле (2). Следовательно, мы снова столкнулись с явлением неравномерного распределения тока и электромагнитного поля по сечению цилиндра, находящегося в магнитном поле, созданном катушкой.

Уменьшение плотности тока по радиусу цилиндра тем значительнее, чем выше частота изменения во времени магнитного поля, т.е. чем выше частота тока, протекающего в катушке, чем выше частота изменений магнитного поля, наводимого в цилиндре, тем больше индуктированные токи в нем. Размагничивающее действие этих токов приводит к быстрому падению напряженности поля и плотности тока по мере перемещения к оси цилиндра.

На фиг. 1 даны эпюры распределения тока в катушке и нагреваемом цилиндре.

Чем выше удельная электропроводность материала цилиндра, тем сильнее падение плотности тока. Это объясняется тем, что при одинаковой напряженности электрического поля, индуктированного в цилиндре, величина индуктированных токов будет больше в теле с большей удельной электропроводностью. Напряженность же индуктированного электрического поля в цилиндре зависит от частоты тока и от магнитного потока. При одной и той же силе и частоте тока в катушке магнитный поток в цилиндре тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала цилиндра. В свою очередь наводимые точки тем больше, чем больше магнитный поток. Вследствие этого падение плотности тока вдоль радиуса цилиндра тем больше, чем больше магнитная проницаемость материала цилиндра.

Токи, наводимые в цилиндре, вызывают его нагрев фиг. 2.

Выделение тепла происходит в местах протекания токов. Энергия, выделяющаяся в цилиндре при его нагреве, передается от источника питания через электромагнитное поле, созданное катушкой. При неизменных размерах цилиндра, постоянстве удельной электропроводности, магнитной проницаемости материала и силы тока в катушке энергия, передаваемая в цилиндр, будет зависеть только от частоты тока, равна нулю, т.е. нет изменений магнитного потока во времени; поле создано постоянным током, протекающим в катушке. При этом вследствие неизменности магнитного потока во времени никаких электрических полей в цилиндре наводиться не будет, не будут наводиться и токи.

Энергия, передаваемая в цилиндр, будет равна нулю. Затем начинаем постепенно увеличивать частоту тока. При этом в цилиндре появятся индуктированные токи. Напряженность электрического поля, наводимого в цилиндре, пропорциональна скорости изменения во времени магнитного потока, т.е. пропорциональна частоте тока, протекающего в катушке. Кроме того, напряженность электрического поля пропорциональна магнитному потоку, сцепленному с кольцевой нитью тока, на которой определяется напряженность электрического поля. При частотах поля, близких к нулю, распределение магнитного потока по сечению цилиндра почти равномерно и числовое значение потока велико, так как размагничивающее действие наведенных токов слабо. В этом случае плотность наведенных токов будет пропорциональна частоте.

Мощность единицы объема равна P = δ²γ. Следовательно, энергия, передаваемая в цилиндр, будет пропорциональна квадрату частоты.

При возрастании частоты тока напряженность наведенного электрического поля возрастает, но это возрастание становится более медленным, так как магнитное поле, пронизывающее цилиндр, ослабляется размагничивающим действием наведенных потоков. Это приводит к тому, что при дальнейшем увеличении частоты энергия, передаваемая в цилиндр, растет не пропорционально квадрату частоты, а примерно пропорционально корню квадратному из частоты. Точно также, если частота тока в катушке будет постоянной, а радиус цилиндра будет возрастать, то и в этом случае характер изменения энергии, передаваемой в цилиндр, будет той же, что и при изменении частоты.

При радиусе цилиндра, равном нулю, энергия, передаваемая в цилиндр, равна нулю. С увеличением радиуса энергия возрастает вследствие роста магнитного потока, пронизывающего сечение цилиндра. При этом размагничивающее действие наводимых токов сказывается незначительно. Наводимые токи слабы вследствие еще малой величины магнитного потока. Электродвижущая сила индукции, наводимая в цилиндре, пропорциональна магнитному потоку, проходящему по цилиндру, а последний пропорционален площади сечения цилиндра. Следовательно, напряженность электрического поля, равная ЭДС индукции, деленной на длину окружности сечения цилиндра, будет пропорциональна первой степени радиуса.

Мощность в единице объема (удельная) пропорциональна квадрату радиуса. Полная же мощность будет равна удельной, умноженной на объем цилиндра. Последний же пропорционален квадрату радиуса. Следовательно, полная мощность в этот период будет пропорциональна четвертой степени радиуса цилиндра. При дальнейшем увеличении радиуса все более и более сказывается размагничивающее действие наведенных токов. Рост магнитного потока, пронизывающего цилиндр, замедляется, и замедляется нарастание наведенных токов. Увеличение энергии, передаваемой в цилиндр, в дальнейшем происходит пропорционально первой степени радиуса.

Передача энергии в цилиндр происходит с высоким КПД при достаточно больших отношениях диаметра цилиндра к глубине проникновения тока.

Отношение диаметра цилиндра к глубине проникновения тока в цилиндре должно быть не менее десяти. С ростом отношения диаметра нагреваемого цилиндра к глубине проникновения при неизменном токе в катушке энергия, передаваемая в цилиндр, возрастает. Мощность (Вт) можно рассчитать по формуле

где W₁l₁ - ампер витки катушки на единицу высоты цилиндра, численно равные напряженности магнитного поля H; h - высота цилиндра, м; F(d/Δ) - функция, приведенная на фиг. 3.

При увеличении отношения d/Δ функция F(d/Δ) растет, следовательно, возрастает и мощность, подаваемая к цилиндру. При неизменном же токе в индукторе это означает рост электрического коэффициента полезного действия передачи энергии в цилиндр. Коэффициент полезного действия при d/Δ = 10 является достаточно высоким и практически не зависит от частоты тока, а определяется отношением между удельными электропроводностями материала нагреваемого цилиндра и меди, из которой сделан индуктор. Коэффициент полезного действия зависит также от воздушного зазора между индуктором и цилиндром. Чем меньше удельная электропроводность материала цилиндра, тем выше КПД при условии, что d/Δ > 10. Чем меньше воздушный зазор, тем выше КПД.

Наименьшая частота тока, обеспечивающая достаточно высокий КПД, определяется из соотношения

где R_о - радиус цилиндра, м; μ - магнитная проницаемость цилиндра, Гн/м; f - частота тока, Гц.

Высокой частотой называют частоту, обеспечивающую высокий КПД, при передаче энергии в нагреваемое тело. При применении индукционного нагрева в различных технологических процессах частоты тока могут быть взяты и более низкими, чем определяемая из формулы (6), но при этом КПД будет ниже, чем предельно достижимый.

Если рассматривать передаваемую в цилиндр энергию, отнесенную к единице объема цилиндра, то окажется, что при отношении диаметра цилиндра к глубине проникновения тока, равном 3,5, объемная удельная мощность будет максимальной, фиг. 4.

Объемная удельная мощность (Вт/м) определяется по формуле
P = 2πμf(W₁l₁)²F(d/Δ), (7)
где f - частота тока в катушке, Гц; F(d/Δ) - функция, представленная на фиг. 5.

При сквозном перегреве деталей желательно иметь максимум объемной мощности, но при этом КПД передачи энергии в цилиндр недостаточно высок.

При нагреве под поверхностью существенный интерес представляет мощность, отнесенная к единице поверхности цилиндра. Мощность, приходящаяся на единицу поверхности цилиндра, растет как с повышением тока при постоянстве размеров цилиндра, так и с увеличением радиуса цилиндра R при постоянстве частоты тока.

Поверхностная удельная мощность (Вт/м²) определяется по формуле

где Δ - глубина проникновения тока, м;
- функция, приведенная на фиг. 6.

При неизменном радиусе цилиндра и увеличении частоты мощность на единицу поверхности растет вначале быстро, затем медленно.

В случаях, когда магнитное поле создается катушкой не бесконечно длинной, а конечной длины, качественно электромагнитные процессы, протекающие в проводящем цилиндре, остаются неизменными.

Если перейти к другим случаям индукционного нагрева, то при достаточно больших размерах тела можно считать, что токи, наводимые в теле, протекают в тонком слое у поверхности, и сила этих токов зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в данном месте поверхности тела. Если взять проводник с переменным током и расположить его параллельно плоской поверхности проводящего тела, то напряженность магнитного поля на плоскости будет небольшой в тех точках, которые расположены непосредственно под проводом. Точки, удаленные от провода, будут иметь меньшую напряженность поля. Поэтому и плотности токов, наводимых в теле, будут различны. В точках, лежащих под проводом, плотности тока, а следовательно и суммарный поверхностный ток будет гораздо больше, чем в точках, удаленных от провода. Приближение провода с током к поверхности тела приводит к увеличению силы поля вблизи тела, а следовательно, к возрастанию токов, наводимых в теле. Но это возрастание неравномерно: непосредственно под проводом оно больше, а в точках, расположенных дальше, меньше.

На фиг. 1 представлена схема распределения тока и электромагнитного поля по сечению нагреваемого цилиндра, где позицией 1 обозначена катушка, позицией 2 обозначен цилиндр.

На фиг. 2 представлен цилиндр с его нагревом в местах протекания тока и на фиг. 3 - график распределения тока по радиусу цилиндра.

На фиг. 4 представлен график функции F(d/Δ) для определения мощности, подводимой к цилиндру.

На фиг. 5 представлен график функции F(d/Δ) для определения объемной удельной мощности.

На фиг. 6 представлен график функции для определения поверхностей удельной мощности.

Предлагаемый способ подогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения ДВС реализуется следующим образом.

Индукционная катушка 1 закрепляется на патрубок, соединяющий радиатор с блоком двигателя, катушка включается в энергетическую систему автомобиля или вблизи проходящую энергетическую сеть помещения, где находится автомобиль или от передвижной энергетической установки, которая, нагреваясь от индуктированных токов, производит нагрев тела патрубка вместе с охлаждающей жидкостью, проходящей через патрубок, которая после нагрева в патрубке будет циркулировать по системе охлаждения двигателя, нагревая весь двигатель. Катушка может устанавливаться на патрубок, входя в комплект ДВС, или устанавливаться в момент подогрева двигателя, входя в инструментальный комплект автомобиля.

Предлагаемый способ может быть использован (реализован) на любом автомобиле (транспорте), эксплуатирующемся в климатических условиях с низкой температурой.

Использование предлагаемого способа подогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения ДВС обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Подогрев двигателя сможет производиться как в условиях гаража стоянки автомобиля, так и вне их территории.

2. Подогрев двигателя сможет производиться без использования дополнительных средств за более короткое время.

Источники информации
Физические основы высокочастотного нагрева. Л.: Машиностроение, Н.П.Глуханов.

Изобретение относится к области автомобилестроения, в частности к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Способ подогрева охлаждающей жидкости непосредственно в системе охлаждения с помощью электронагревательных элементов заключается в том, что подогрев осуществляют с помощью индукционной катушки, установленной на патрубок. Изобретение обеспечивает повышение удобств при эксплуатации ДВС, а также сокращение затрат на изготовление и обслуживание. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ подогрева охлаждающей жидкости непосредственно в системе охлаждения с помощью электронагревательных элементов, отличающийся тем, что подогрев осуществляется с помощью индукционной катушки, которая устанавливается на патрубок, соединяющий радиатор с блоком двигателя, нагревается и нагревает патрубок при подключении ее к источнику электропитания, находящемуся в автомобиле или в близлежащей энергосистеме. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев двигателя производится в условиях гаража, стоянки автомобиля или вне их территории.