способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания
Классы МПК: | F02N17/00 Прочие средства для запуска; вспомогательные средства, не отнесенные к другим рубрикам |
Автор(ы): | Игнатов Б.Н., Кривенков К.А., Бобылев В.А. |
Патентообладатель(и): | Игнатов Борис Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-04-03 публикация патента:
10.07.2002 |
Изобретение относится к способам предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания /ДВС/, в том числе и дизелей, его систем и узлов трансмиссии шасси /УТШ/ любой формулы при эксплуатации в условиях отрицательных температур. Способ заключается в том, что на электропроводные элементы конструкции ДВС, его систем, УТШ и трубопроводы, непосредственно контактирующие с охлаждающей жидкостью /ОЖ/, горючесмазочными материалами /ГСМ/ и сжатым воздухом /СВ/ тормозной системы, устанавливают клеммы, посредством которых элементы конструкции через преобразователь тока в импульсы соединяют с источником тока. Амплитуду, длительность и скважность импульсов тока на выходе преобразователя и полное время его протекания определяют и задают в преобразователе по величинам масс: ДВС, его систем, УТШ, ОЖ, ГСМ и СВ, и по величине заданного подогрева, т. е. температуре нормального пуска ДВС. Изобретение обеспечивает уменьшение времени подогрева и расхода энергии на подготовку ДВС к нормальному пуску, а УТШ к началу движения. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, его систем и узлов трансмиссии шасси, заполняемых смазкой, включающий операцию подвода тепла к охлаждающей жидкости и горючесмазочным материалам при помощи нагревателя, снабженного блоком программного управления и реле, предохраняющим двигатель от перегрева, и операцию одновременной их прокачки по своим замкнутым системам, отличающийся тем, что для уменьшения времени подогрева и расхода энергии операцию подвода тепла осуществляют непосредственно от электропроводящих элементов конструкции двигателя, его систем, узлов трансмиссии шасси и тормозной системы, а также трубопроводов, контактирующих своими внутренними поверхностями с охлаждающей жидкостью, горючесмазочными материалами и сжатым воздухом, при помощи установки на наружные поверхности этих элементов клемм, посредством которых их, через преобразователь тока в импульсы, соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов тока на выходе преобразователя и полное время его протекания через элементы конструкции определяют и задают в преобразователе, в зависимости от величин масс двигателя, охлаждающей жидкости, горючесмазочных материалов и величины заданного подогрева.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области машиностроения, но преимущественно к эксплуатации автомобильного транспорта при отрицательных температурах окружающего воздуха, в частности к способам предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания /ДВС/, в том числе и дизелей, а также их систем и узлов трансмиссии шасси /УТШ/, заполняемых смазкой, причем в составе шасси любой колесной формулы и назначения. Известны способы предпускового подогрева ДВС, его систем и УТШ, например, описанные в [1-4] . К ним относятся: "электрические", "жидкостные", "термосы" и "факельный" способы. "Электрические" способы основаны на том, что нагревательный электрический элемент, скажем, трубчатый электронагреватель /ТЭН/ или нагреватель электрический стеклопластиковый тонкослойный /НЭСТ/, монтируют либо в "водяную рубашку" блока цилиндров, либо в картер ДВС /см., например, патент РФ 20 88767 от 1997г. "Электронагреватель моторного масла двигателя внутреннего сгорания"/ и подводят к нему электрическую энергию, скажем, от сети 220В или от штатной аккумуляторной батареи /АБ/ шасси. В перечисленных способах обычно используют программный блок управления и реле, предохраняющее ДВС от перегрева. Недостатком этих способов является большое время подогрева, на порядок величины равное 3-м - 4-м часам [1]. В "жидкостных" или "топливных" способах предпускового подогрева ДВС и его систем применяют так называемый подогреватель жидкостей двигателя /ПЖД/, который, как правило, входит в конструкцию ДВС [2-3]. В нем, как и в ДВС, есть свой топливный насос, камера сгорания, сложный теплообменник и свеча зажигания. Полученное в камере сгорания ПЖД тепло за счет сгорания бензина, дизельного топлива или газа через теплообменник передается охлаждающей жидкости /ОЖ/ и смазке /моторному маслу/ ДВС, которые при прокачке насосами по своим замкнутым системам нагревают двигатель. Работу ПЖД контролирует программируемый блок управления, который одновременно обеспечивает пожаробезопасность. Время предпускового подогрева ДВС и его систем от ПЖД составляет от 30-ти до 60-ти минут, а иногда и больше. Его недостатком является большая энергоемкость процесса и сложность конструкции. "Термосы" как предпусковые подогреватели ДВС действуют по принципу сохранения тепла, даже когда двигатель не работает. В них холодную ОЖ из "рубашки охлаждения" ДВС заменяют на горячую из специального теплового аккумулятора. В результате чего двигатель быстро прогревается и легко заводится. Аналогичный способ иногда используют и для подогрева моторного масла. Однако надо помнить, что такая система подогрева эффективна только в тех случаях, когда перерыв между поездками не превышает одного - двух дней. Его недостатком является сложность конструкции. "Факельный" способ предпускового подогрева ДВС, его систем и УТШ, заполняемых смазкой, - самый простой и поэтому его очень часто применяют на практике. В нем просто используют открытый огонь /пламя/ либо от факела, либо от паяльной лампы. Однако на сколько этот способ прост, на столько же он и пожароопасен, что является его главным недостатком. В некоторых способах предпускового подогрева ДВС дополнительно применяют электрические подогреватели дизельного топлива, работающие или от сети 220В, или от АБ шасси. Подогрев топлива позволяет избежать применения дорогостоящих присадок и существенно повышает срок службы топливного насоса. Наиболее близким по технической сущности является патент РФ 2041382 С1, МКИ: F 02 N 17/04, 1995, "Система предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания", в котором описан способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, его систем и узлов трансмиссии шасси, заполняемых смазкой, включающий операцию подвода тепла к охлаждающей жидкости и горюче-смазочным материалам при помощи нагревателя, снабженного блоком программного управления и реле, предохраняющим двигатель от перегрева и операцию одновременной их прокачки по своим замкнутым системам. Недостатком данного способа, как и всех перечисленных выше, является наличие специального, встроенного нагревателя ТЭН, НЭСТ или ПЖД, что ведет к усложнению конструкции ДВС и его систем, а также к большим временам процесса их разогрева и расходам энергии. Задачей настоящего изобретения является уменьшение времени и расхода энергии, затрачиваемых на предпусковой подогрев ДВС, его систем и УТШ, заполняемых смазкой, обеспечение полной пожарной безопасности, а также некоторое упрощение конструкции двигателя и работ по его обслуживанию в процессе эксплуатации шасси. Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что на элементы конструкции двигателя и его систем /блок и головку цилиндров, картер, насосы и радиаторы ОЖ и моторного масла, трубопроводы и т.д. /УТШ/ корпуса: коробки передач, раздаточной коробки, проходных редукторов, колесных редукторов и т.д./, топливной системы /корпус насоса, трубопроводы и т.д./ и тормозной системы /ресивер сжатого воздуха /СВ/, трубопроводы и т.д./, непосредственно контактирующие своими внутренними поверхностями с ОЖ, горюче-смазочными материалами /ГСМ/ и СВ, устанавливают КЛЕММЫ, посредством которых их через преобразователь тока в пульсирующий проводниками соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов на выходе преобразователя и полное время его протекания по элементам конструкции ДВС, его систем и УТШ определяют и задают в преобразователе в зависимости от величин масс: ДВС, ОЖ, ГСМ и СВ, и от величины заданного подогрева, т.е. перепада температуры между горячим ДВС и окружающим холодным воздухом. Сущность предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС, его систем, УТШ и трубопроводов заключается в том, что подвод тепловой энергии к ОЖ, ГСМ и СВ осуществляют напрямую от элементов конструкции ДВС, его систем и УТШ без каких-либо промежуточных устройств, например, таких как: ТЭНы, НЭСТы или ПЖД с теплообменниками. Дело в том, что перечисленные выше элементы конструкции, непосредственно контактирующие с ОЖ, ГСМ и СВ, после установки на них клемм и пропускании через них импульсов тока как металлические проводники в соответствии с законом Джоуля-Ленца [4] становятся объемными тепловыделяющими элементами /ТВЭЛами/. Таким образом, получается, что ДВС, его системы, УТШ и трубопроводы, скажем, тормозной системы при прохождении через них импульсов тока одновременно и равномерно нагреваются по всему объему металла, а уже от них за счет контактного теплообмена нагреваются ОЖ, ГСМ и СВ. Пропускание импульсов тока ведут до тех пор, пока на элементы конструкции двигателя и его систем /блок и головку цилиндров, картер, насосы и радиаторы ОЖ и моторного масла, трубопроводы и т.д./, УТШ /корпуса: коробки передач, раздаточной коробки, проходных редукторов, колесных редукторов и т. д. /, топливной системы /корпус насоса, трубопроводы и т.д./ и тормозной системы /ресивер сжатого воздуха /СВ/, трубопроводы и т.д./, непосредственно контактирующие своими внутренними поверхностями с ОЖ, горюче-смазочными материалами /ГСМ/ и СВ, устанавливают КЛЕММЫ, посредством которых их через преобразователь тока в пульсирующий проводниками соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов на выходе преобразователя и полное время его протекания по элементам конструкции ДВС, его систем и УТШ определяют и задают в преобразователе в зависимости от величин масс: ДВС, ОЖ, ГСМ и СВ, и от величины заданного подогрева, т.е. перепада температуры между горячим ДВС и окружающим холодным воздухом. Сущность предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС, его систем, УТШ и трубопроводов заключается в том, что подвод тепловой энергии к ОЖ, ГСМ и СВ осуществляют напрямую от элементов конструкции ДВС, его систем и УТШ без каких-либо промежуточных устройств, например, таких как: ТЭНы, НЭСТы или ПЖД с теплообменниками. Дело в том, что перечисленные выше элементы конструкции, непосредственно контактирующие с ОЖ, ГСМ и СВ, после установки на них клемм и пропускании через них импульсов тока, как металлические проводники в соответствии с законом Джоуля-Ленца [4] становятся объемными тепловыделяющими элементами /ТВЭЛами/. Таким образом, получается, что ДВС, его системы, УТШ и трубопроводы, скажем, тормозной системы при прохождении через них импульсов тока одновременно и равномерно нагреваются по всему объему металла, а уже от них за счет контактного теплообмена нагреваются ОЖ, ГСМ и СВ. Пропускание импульсов тока ведут до тех пор, пока по показаниям приборов ДВС, его системы и УТШ не приобретут температуру, которая необходима для его нормального пуска и трогания шасси с места. Сначала оценим энергетическую эффективность предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС в целом по отношению к известным. Для этого положим, что ДВС имеет, например, форму куба с длиной ребра "а". Тогда объем ДВС по сравнению с его боковой поверхностью, через которую сейчас осуществляют подвод тепла к нему, будет в "а/б" раз больше. А это значит, что при одинаковых потерях тепла с боковой поверхности ДВС в холодный окружающий воздух на прогрев куба за счет объемного выделения тепла в элементах конструкции двигателя - ТВЭЛах до одной и той же температуры энергии потребуется в 6 раз меньше, чем расходуется сейчас. Теперь оценим затраты энергии на подогрев ДВС, например, массой 200кг, скажем, от -50oС до +50oС. Для чего воспользуемся известной из школьного курса физики формулой:Qn=<C>
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
где <C>- средняя удельная теплоемкость материала ДВС;
m=200кг - масса ДВС с массой ОЖ и моторного масла;
(Тг-Тх)=100oС - величина заданного подогрева ДВС. Грубо, величину средней удельной теплоемкости, входящей в формулу (1), можно оценить по:
<C>=(Ca+Сож+Сст+См)/4 (2)
где Са=880 Дж/кг
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
Сож=4190 Дж/кг
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
Сст=460 Дж/кг
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
См=2090 Дж/кг
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184871/2184871-2t.gif)
где n - число ТВЭЛов или клемм, установленных на них. Например, если число клемм равно 10, то с учетом того, что все ТВЭЛы электрически соединены параллельно /см. чертеж/, то в каждом i-м элементе конструкции выделится по 5000000 Дж. Количество же тепловой энергии, которая выделяется в объеме i-го ТВЭЛа за одну секунду, легко рассчитать по формуле:
Qi=
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184017/963.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
где
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184017/963.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
Е=U/li - напряженность электрического поля в i-м ТВЭЛе;
U - величина напряжения на выходных клеммах преобразователя тока в пульсирующий;
li - характерный размер /i-гo/ ТВЭЛа, т.е. длина пути тока от клеммы до "массы" шасси;
Vi - объем i-гo ТВЭЛа. Физический смысл (4) весьма прост, но очень важен для оптимальной реализации способа. Дело в том, что чем больше величина "Е", тем большую кинетическую энергию, а равно и температуру, приобретают электроны проводимости в объеме ТВЭЛа. Следовательно, от их столкновений с кристаллической решеткой металла, из которого сделан ТВЭЛ, он будет и быстрее и сильнее нагреваться. А раз это так, то эффективность ТВЭЛов можно существенно повысить, например, для того, чтобы в качестве источника энергии, необходимой для подогрева ДВС, его систем и УТШ, можно было бы использовать штатную АБ шасси. Практически это нетрудно осуществить, во-первых, используя различные известные устройства, повышающие напряжение АБ на несколько порядков, скажем, в 10 и более раз. И, во-вторых, путем "уменьшения" характерного размера i-гo ТВЭЛа, увеличивая количество устанавливаемых клемм. Теперь, в качестве примера оценим необходимую величину напряжения на выходе из преобразователя тока для обеспечения подогрева ДВС на 100oС и время, которое на него потребуется, например, при использовании АБ марки 6СТ-55 от автомобиля ВАЗ 2101 /"Жигули"/. Номинальная емкость 6СТ-55 при температуре +30oС равна 55 А
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
Vi
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184020/8776.gif)
На порядок величины оно равно 7В. Для определения времени подогрева ДВС воспользуемся формулой:
Qi= (U2/Ri)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184004/916.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184009/964.gif)
где Ri=0,01 Ом - электрическое сопротивление i-го ТВЭЛа, близкое по величине к внутреннему сопротивлению АБ;
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184004/916.gif)
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184009/964.gif)
a=3
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
где К=1,38
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
е=1,6
![способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, патент № 2184871](/images/patents/286/2184008/8226.gif)
1. Клочков С. Я мороза не боюсь! КЛАКСОН, 22 - 1999 г., с.28. 2. Колесное шасси МАЗ 543 и его модификации. ТО и ИЭ. М.: Военное издательство, 1990 г. 3. Силовой агрегат ЯМЗ-846.10. ТО и ИЭ. Ярославль. АО "Автодизель". 1997 г. 4. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985 г. 5. Ильин Н.М. Электрооборудование автомобиля. М.: Транспорт, 1973 г. 6. Физический энциклопедический словарь. М., 1984г.
Класс F02N17/00 Прочие средства для запуска; вспомогательные средства, не отнесенные к другим рубрикам