ЛЕНТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2004 года по МПК F02N17/06 

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

Изобретение может быть использовано также при работе двигателя на эксплуатационных режимах в условиях низких отрицательных температур, когда штатная система охлаждения ДВС не в состоянии обеспечить нормальный температурный режим двигателя и допускает его переохлаждение.

Известно устройство для подогрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя типа ЭПЖ-1,0-220 Тюменского завода автотракторного электрооборудования (ТАТЭ, проспект прилагается), предназначенная для предпускового подогрева охлаждающей жидкости двигателей легковых автомобилей в холодное время года. Эти подогреватели имеют мощность от 1 до 8 кВт, питаются от сети напряжением 220 В, их нагревательный элемент выполнен в виде трубчатого нагревателя (ТЭНа), который в своей основе имеет нихромовую спираль, помещенную в трубке, температура стенки которой может достигать 1100°С. В результате наступает перегрев жидкости, выход из строя самого трубчатого нагревательного элемента.

Другим недостатком электроподогревателей с ТЭНами и, в частности, Тюменского подогревателя ЭПЖ-1,0-220 является то, что движение жидкости через эти подогреватели осуществляется за счет термосифонного эффекта. В случае образования паровоздушного пузыря в соединительном шланге между подогревателями и головкой блока цилиндров (или рубашкой блока цилиндров в зависимости от схемы подключения) поступление горячей жидкости из подогревателя прекращается и его нагревательный элемент перегревается и перегорает (журнал "За рулем", 1989, №4, с. 28-29).

Известна также система подогрева охлаждающей жидкости в двигателе, включающая трубчатый электрический нагреватель ТЭН (проспект фирмы DEFA прилагается). В отличие от вышеописанного ТЭН данного подогревателя не имеет собственного корпуса, а устанавливается в блок цилиндров с прессовой посадкой вместо технологической заглушки и обеспечивает достаточное уплотнение между блоком цилиндров и подогревателем. Подогреватель, как и ранее описанный, работает от сети 220 В, что повышает опасность поражения персонала электрическим током (пат. США 4901686, F 02 N 17/06, 1990).

Наиболее близким по технической сущности является подогреватель охлаждающей жидкости автомобильного двигателя "MOTOR VARMARE LGAS" (проспект фирмы прилагается). Этот подогреватель имеет мощность 240 Вт и питается от напряжения бортовой сети автомобиля 12 В. Подогреватель имеет специальный корпус, подводящий и отводящий патрубки с вмонтированным внутри него трубчатым нагревательным элементом. Продолжительность работы подогревателя до 60 мин. Большим недостатком этого подогревателя является его недостаточная мощность (240 Вт), в результате чего он может найти ограниченное применение при температурах не ниже -10°С (пат. AT 396810, F 02 N 17/06, 1993).

Общим недостатком этого электрического подогревателя охлаждающей жидкости является его невысокая эффективность подогрева жидкости из-за большой тепловой инерционности устройства, когда тепло до поступления в жидкость расходуется на нагрев трубки ТЭНа, самого корпуса подогревателя. Кроме того, имеется местный перегрев жидкости при контакте с ТЭНом, внутри трубки корпуса которого устанавливается проволочная спираль, температура которой, как известно, может достигать 1000°С и более. Контакт охлаждающей жидкости с нагретой до такой температуры поверхностью приводит к ускоренному и резкому ухудшению ее качества, преждевременному снижению ее смазывающих и охлаждающих свойств, т.к. отток жидкости от горячей поверхности осуществляется здесь лишь за счет термосифонного эффекта.

Движение жидкости через подогреватель, осуществляемое за счет термосифонного эффекта, явно недостаточно и в случае образования паровоздушного пузыря в соединительном шланге между подогревателем и головкой блока цилиндров (или рубашкой блока цилиндров в зависимости от схемы подключения) поступление горячей жидкости из подогревателя прекращается, его нагревательный элемент перегревается и перегорает.

Другим недостатком подогревателя "MOTOR VARMARE LGAS" является выбранный уровень напряжения питания 12 В, т.к. известно, что чем ниже напряжение питания, тем выше потребляемый ток при той же мощности подогревателя, что в свою очередь требует повышенного сечения проводов и других токоведущих частей и элементов управляющей аппаратуры.

Наконец, ресурс высокотеплонапряженной электрической спирали проволочного подогревателя ТЭНа явно недостаточен, а в случае перегорания его спирали она не подлежит ремонту и весь дорогостоящий нагревательный элемент требует замены.

Аналогичными недостатками обладает и подогреватель фирмы DEFA, не имеющий своего собственного корпуса и устанавливаемый в блоке цилиндров, вместо технологической заглушки. Он также не обеспечивает равномерности прогрева жидкости ввиду невозможности организации ее нормальной циркуляции за счет термосифонного эффекта. При установке нагревателя в средней части блока цилиндров крайние цилиндры подогреваются недостаточно, что может привести к появлению трещин в блоке цилиндров и снижению эффективности предпускового подогрева двигателя.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы подогревателя, упрощение его конструкции, повышение надежности работы и равномерности подогрева двигателя путем применения ленточного электрического подогревателя.

Поставленная задача достигается тем, что ленточный электрический подогреватель охлаждающей жидкости для систем охлаждения ДВС, содержащий корпус, крышку, нагревательный элемент, установленный внутри корпуса подогревателя, согласно изобретению снабжен двумя ленточными, кольцевыми нагревательными элементами, коаксиально размещенными в средней части корпуса подогревателя, а для обеспечения равномерности подачи жидкости к нагревательным элементам в крышке подогревателя имеется камера закручивания, сообщающаяся с полостью корпуса через периферийные отверстия, при этом жидкость дважды проходит зону установки нагревательных элементов: вначале при движении жидкости вниз корпуса, затем с поворотом ее на 180° при движении вверх, к выходу из подогревателя.

Предлагаемый ленточный электрический подогреватель охлаждающей жидкости (ПОЖ) лишен указанных недостатков благодаря большой поверхности контакта ленточной спирали с охлаждающей жидкостью и ее пониженной температуре нагрева (180-220°С) она не перегорает в нормальных условиях эксплуатации. Проволочная же спираль ТЭНов с температурой 900-1100°С часто перегорает, как было отмечено выше. Другим преимуществом предлагаемого нами подогревателя охлаждающей жидкости является принудительная прокачка жидкости через корпус подогревателя компактным электрическим насосом, работающим от бортовой сети автомобиля.

Для улучшения подогрева охлаждающей жидкости в корпусе подогревателя движение жидкости организовано так, что поступающая в корпус жидкость вначале проходит между первым и вторым нагревательными элементами, опускаясь в нижнюю часть корпуса, а затем поворачивает на 180° и, поднимаясь вверх, вновь проходит зону нагрева внутри нагревательного элемента второй ступени, дополнительно подогреваясь от него.

В цепь электропитания нагревательные элементы подогревателя подключаются по однопроводной системе параллельно друг другу. Таким образом, в зависимости от необходимой степени подогрева охлаждающей жидкости подогреватель может обеспечить 3 ступени подогрева: 1-я ступень: работает первый нагреватель, второй отключен; 2-я ступень: работает второй нагреватель, первый отключен; 3-я ступень: работают оба нагревателя.

Сравнение заявленного электрического подогревателя охлаждающей жидкости с прототипом позволяет выявить отличительные от него признаки, что подтверждает соответствие данного технического решения критерию ″новизна″.

Проведенные сравнения с известными в науке и технике решениями электрических подогревателей охлаждающей жидкости показало, что размещение первого нагревательного элемента в виде тонкой, свернутой в незамкнутое кольцо токопроводящей ленты с достаточно большой поверхностью нагрева, размещенной на внутренней стенке корпуса подогревателя, и свободно омываемой охлаждающей жидкостью, и размещение второго нагревательного элемента коаксиально первому, на цилиндрической обечайке, дополнительно подогревающего жидкость при ее прохождении снизу вверх, такое устройство электрических подогревателей охлаждающей жидкости пока не известно, что подтверждает соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Изобретение обеспечивает положительный эффект. Это подтверждается тем, что по сравнению с прототипом, заявленный электрический подогреватель позволяет повысить эффективность подогрева охлаждающей жидкости, полностью исключить возможность ухудшения ее смазывающе-охлаждающих свойств из-за перегрева от раскаленной поверхности ТЭНа, повысить активную поверхность нагрева, улучшить теплопередачу и равномерность подогрева жидкости, исключить собственную тепловую инерцию подогревателя, благодаря чему его теплоотдача в жидкость начинается почти мгновенно, после включения электропитания, а включение одновременно с нагревом электрического насоса прокачки жидкости через подогреватель повышает быстродействие подогревателя для подогрева системы охлаждения двигателя и равномерность прогрева камер сгорания и других деталей, образующих рубашку охлаждения ДВС.

Изобретение является технически осуществимым. Авторами было изготовлено несколько опытных образцов электрического подогревателя охлаждающей жидкости применительно к дизельным двигателям семейства ВАЗ-341 и проведены их лабораторные и эксплуатационные испытания в составе дизель-генераторов типа У-69, У-70 производства ОАО "Барнаултрансмаш". Результаты положительные, протокол испытаний прилагается.

На фиг.1 изображен ленточный электрический подогреватель охлаждающей жидкости (ПОЖ), продольный разрез; на фиг.2 - гидравлическая схема подключения подогревателя на ДВС.

Подогреватель охлаждающей жидкости содержит цилиндрический корпус 1 с рубашкой 2, на которой установлен входной штуцер 3 и выходной штуцер 4, крышку 5 с тангенциальным входным 6, выходным 7 и центральным 8 каналами, камерой закручивания 9, отделенной от полости корпуса 1 державкой 10 с периферийными отверстиями 11 и центральным отверстием 12. Камера закручивания 9 сообщена с тангенциальным входным каналом 6, а полость корпуса 1 сообщается с камерой закручивания 9 через периферийные отверстия 11. На внутренней стенке корпуса 1 установлен ленточный нагревательный элемент 13 первой ступени, а к нижней цилиндрической кромке державки 10 крепится обечайка 14 нагревательного элемента 15 второй ступени.

Сливная пробка 16 в нижней части корпуса 1 служит для удаления шламовых осадков из нижней части корпуса 1. Уплотнение разъема между крышкой 5 и корпусом 1 осуществляется прокладкой 17, сжимаемой в канавке за счет усилия, создаваемого стяжным болтом 18, навинчиваемым на стяжную шпильку 19 корпуса 1 и образующим в центральном канале 8 крышки 5 зазор 20. Соединение выходного штуцера 4 рубашки 2 с входным каналом 6 крышки 5 осуществляется посредством соединительной трубки 21 и штуцера 22. Для подачи жидкости в рубашку 2 корпуса 1 используется входной штуцер 3.

Подключение источника питания к нагревательному элементу 13 первой ступени осуществляется через изолированную от “массы” клемму 23, установленную на стенке корпуса 1, а к нагревательному элементу 15 второй ступени ток подается через изолированную от “массы” клемму 24, также установленную на стенке корпуса 1 на расстоянии 55-60 мм от клеммы 23 на одном уровне с ней по высоте. Таким образом, каждая из клемм 23 и 24 изолирована от "массы" и не зависит одна от другой, т.е. каждый нагревательный элемент получает электропитание только через свою, предназначенную только для него клемму, не зависимую от клеммы другого нагревательного элемента.

Датчик температуры 25 охлаждающей жидкости установлен в резьбовой втулке 26, закрепленной снаружи на стенке корпуса 1.

На фиг.2 приведена гидравлическая схема подключения подогревателя к системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Подогреватель охлаждающей жидкости поз. 28 посредством соединительного трубопровода 29 соединяется с головкой блока 30 двигателя 34. Выход головки блока 30 соединен посредством трубопровода 31 с электронасосом прокачки 32 охлаждающей жидкости по замкнутому контуру. Выход насоса 32 сообщается с входом в рубашку подогревателя 28 посредством трубопровода 33.

Подогреватель охлаждающей жидкости (ПОЖ) работает следующим образом. Охлаждающая жидкость от электронасоса прокачки 32 (схема фиг.2) поступает в подогреватель 28 через входной штуцер 3 (фиг.1) рубашки 2, выходит из нее через штуцер 4, соединительную трубку 21 и штуцер 22, поступает в камеру закручивания 9 крышки 5. Под действием центробежной силы поступающая жидкость равномерно распределяется в камере закручивания 9, откуда через периферийные отверстия 11 в державке 10 подается внутрь корпуса 1 и далее в зазор между нагревательным элементом 13 первой ступени и обечайкой 14 нагревательного элемента 15 второй ступени. Здесь поступающая жидкость нагревается и под действием вновь подаваемых порций жидкости опускается в нижнюю часть корпуса 1, делает поворот на 180° и поднимается вверх, вновь омывая подогреватель 15 второй ступени с внутренней его стороны. Дополнительно подогретая таким образом жидкость через центральное отверстие 12 в державке 10 и центральный канал 8 в крышке 5 поступает в зазор 20, проходит в выходной канал 7 и через выходной штуцер 27 отводится наружу. Подогретая в подогревателе 28 (фиг.2) жидкость далее поступает по отводящему шлангу 29 в головку блока 30 цилиндров двигателя 34 и подогревает его камеры сгорания посредством теплопередачи. С выхода головки блока цилиндров 30 охладившаяся жидкость по отводящему шлангу 31 вновь поступает на вход электронасоса прокачки 32 и далее по шлангу 33 подводится к входному штуцеру 3 (фиг.1) подогревателя 28 и цикл повторяется.

Изобретение позволяет повысить эффективность подогрева охлаждающей жидкости, полностью исключить возможность ее местного перегрева от раскаленной поверхности ТЭНа и, как следствие, исключить ухудшение ее смазывающе-охлаждающих свойств. Изобретение позволяет также улучшить равномерность подогрева жидкости и быстродействие работы подогревателя благодаря высокой активной поверхности нагрева его нагревательных элементов и отсутствия собственной тепловой инерции подогревателя, поскольку нагревающая спираль непосредственно контактирует с жидкостью и омывается ею. Включение одновременно с подогревателем ПОЖ электрического насоса прокачки жидкости через подогреватель резко сокращает время поступления горячей жидкости в рубашку охлаждения головки блока цилиндров, повышает эффективность и равномерность прогрева камер сгорания и других деталей, образующих рубашку охлаждения головки блока цилиндров двигателя.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в системах охлаждения двигателей, эксплуатируемых в условиях отрицательных температур как средство облегчения холодного запуска двигателя и ускорения его подогрева до нормальной рабочей температуры, а также на режимах, когда штатная система охлаждения ДВС не в состоянии обеспечить нормальный температурный режим двигателя и допускает его переохлаждение. Подогреватель снабжен двумя ленточными, кольцевыми нагревательными элементами, коаксиально размещенными в средней части корпуса подогревателя, а в крышке подогревателя размещена камера закручивания, сообщающаяся с полостью корпуса через периферийные отверстия, при этом поступающая из крышки жидкость в корпусе подогревателя дважды проходит зону установки нагревательных элементов: вначале при движении жидкости вниз корпуса, затем с поворотом ее на 180° при движении вверх, к выходу из подогревателя. В зависимости от необходимого режима подогрева жидкости первый и второй нагревательные элементы снабжены изолированными клеммами, обеспечивающими как совместное, так и раздельное электропитание нагревательных элементов. Электрическая схема питания подогревателей выполнена по однопроводной системе. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы, упрощение конструкции, повышение надежности работы и равномерности подогрева. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрический подогреватель охлаждающей жидкости, содержащий корпус, крышку, нагревательный элемент, установленный внутри корпуса подогревателя, отличающийся тем, что подогреватель снабжен двумя ленточными кольцевыми нагревательными элементами, коаксиально размещенными в средней части корпуса подогревателя, а в крышке подогревателя размещена камера закручивания, сообщающаяся с полостью корпуса через периферийные отверстия, при этом поступающая из крышки жидкость в корпусе подогревателя дважды проходит зону установки нагревательных элементов: вначале при движении жидкости вниз корпуса, затем с поворотом ее на 180° при движении вверх, к выходу из подогревателя.2. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от необходимого режима подогрева жидкости первый и второй нагревательные элементы снабжены изолированными клеммами, обеспечивающими как совместное, так и раздельное электропитание нагревательных элементов.3. Подогреватель по п.1, отличающийся тем, что электрическая схема питания подогревателей выполнена по однопроводной системе.