устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее горелку с источником воспламенения топлива, газоходом, устройством подачи воздуха в газоход и топливным насосом, соединенным с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны - с горелкой, термоэлектрический генератор с горячим и холодным спаями, электрически связанный через преобразователь напряжения с аккумуляторной батарей двигателя, теплообменник для холодного спая, сообщенный с системой охлаждения двигателя, насос подачи охлаждающей жидкости в теплообменник, причем горячий спай размещен в газоходе после горелки, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит электронный блок управления, позисторный нагреватель, установленный в топливном баке, датчики температуры масла и охлаждающей жидкости двигателя, соединенные с входами электронного блока управления, и электромагнитные клапаны с приводами, установленные на входе в насос подачи охлаждающей жидкости и на выходе теплообменника для холодного спая, причем позисторный нагреватель, приводы топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости, устройства подачи воздуха и электромагнитных клапанов электрически связаны с преобразователем напряжения термоэлектрического генератора, первый, второй и третий выходы электронного блока управления связаны с приводами топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости и устройства подачи воздуха соответственно с возможностью регулирования их производительности, четвертый и пятый выходы электронного блока управления связаны с приводами электромагнитных клапанов с возможностью регулирования расхода охлаждающей жидкости двигателя, а выход газохода расположен под картером двигателя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что позисторный нагреватель связан с преобразователем напряжения термоэлектрического генератора через выключатель, исполнительный механизм которого связан с шестым выходом электронного блока управления.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что теплообменник для холодного спая дополнительно сообщен с отопителем кабины транспортного средства, на котором установлен двигатель.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к вспомогательным средствам для облегчения запуска двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в стационарных и транспортных силовых установках с тепловыми двигателями и применено при эксплуатации строительной, дорожной, карьерной и лесозаготовительной транспортной техники, на тепловозах и электростанциях малой мощности и пр.

Известна штатная система прогрева бензиновых двигателей автомобилей типа ЗИЛ (В.А.Родичев. Устройство и эксплуатация грузовых автомобилей. М.: Издательский центр «Академия», 2004 г., с.46-48), содержащая воздушно-бензиновый подогреватель, куда топливо самотеком подается из топливного бака, а необходимый для горения воздух направляется в подогреватель специально установленным электровентилятором. Горячие продукты горения бензиновоздушной смеси подают на обогрев моторного масла в картере двигателя. С помощью этих же продуктов горения нагревают хранящуюся в дополнительном бачке охлаждающую жидкость и заливают в систему охлаждения двигателя. Электропотребители, обеспечивающие функционирование системы прогрева, питаются электрической энергией от штатного аккумулятора.

Известны устройства для поддержания двигателей внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии, особенно при их безгаражном хранении в условиях отрицательных температур. Так, в патентах РФ №2150020 и №2150603, МПК F 02 N 17/00 для подогрева и предпусковой подготовки предлагается использовать тепловые аккумуляторы, утилизирующие теплоту выхлопных газов во время работы двигателя. В качестве тепловых аккумуляторов применяют теплоаккумулирующий материал фазового перехода «плавление - кристаллизация». При предпусковом прогреве жидкость из системы охлаждения двигателя пропускают через тепловой аккумулятор. В патенте РФ №2153098, МПК F 02 N 17/00 предусмотрена возможность подзарядки теплового аккумулятора как от выхлопных газов, так и от жидкости системы охлаждения во время работы двигателя. При длительной стоянке транспортного средства в холодное время года и суток тепловой аккумулятор может дополнительно подзаряжаться от источника электроэнергии. При пуске подогревают не только жидкость системы охлаждения двигателя, но и направляют подогретый воздух в полость масляного радиатора. Патентом РФ №2022154, МПК F 02 N 17/00 предусмотрен источник подогрева и электровентилятор с патрубками забора и выпуска воздуха. Электровентилятор с патрубками размещен во внутреннем пространстве транспортного средства. С источником подогрева электровентилятор сообщается дополнительным патрубком с гибким съемным укрытием. Однако применение тепловых аккумуляторов в силу ограничения запасенной тепловой энергии не позволяет полностью гарантировать готовность двигателя к запуску, особенно после длительного хранения транспортных средств при отрицательных температурах. В то же время емкость кислотных аккумуляторов также значительно падает, так при температуре 0, -25 и -50°С она составляет соответственно 85, 45 и 17% от величины емкости аккумулятора при температуре 25°С (В.В.Романов, Ю.М.Хашев. Химические источники тока. М.: Советское радио, 1968 г., с.255).

Это создает дополнительные трудности при запуске стартера и проворачивании двигателя со скоростью от 35 до 100 об/мин, необходимой для пуска охлажденного двигателя. При этом минимальная продолжительность непрерывного проворачивания коленчатого вала, например, дизельного двигателя в зависимости от цетанового числа топлива должна составлять от 5 до 30 секунд с изменением окружающей температуры от 5 до -10°С соответственно. На такую продолжительность работы стартера может не хватить емкости аккумулятора при отрицательной температуре окружающего воздуха. Использование тепловых аккумуляторов не решает также проблему подачи дизельного топлива при отрицательных температурах, поскольку при колебании температуры от -5 до -60°С вязкость топлива в зависимости от типа (летнее, зимнее или арктическое) возрастает в среднем в 5-10 раз (М.А.Масино, В.Н.Алексеев, Г.В.Мотовилин. Автомобильные материалы. Справочник инженера-механика. М.: Транспорт, 1971 г.).

Известно устройство (патент РФ №2206784, МПК F 02 N 17/00) для поддержания систем двигателя внутреннего сгорания в прогретом и безотказном предпусковом состоянии. Устройство содержит систему подогрева охлаждающей жидкости посредством циркуляции ее через штатную систему охлаждения двигателя и параллельно дополнительным насосом через дополнительный теплообменник, подключенный к внешнему источнику электроэнергии. Внешний источник электроэнергии соединен с преобразователем электроэнергии, состоящим из понижающего трансформатора и выпрямительного блока. От внешнего источника электроэнергии обогревают водотопливный теплообменник, который обеспечивает подогрев топлива за счет циркуляции по контуру питания двигателя: топливный бак - водотопливный теплообменник - топливный бак, питают электродвигатель циркуляционного насоса топлива. Кроме того, внешний источник электроэнергии через рубильник подключен к однополярным клеммам штатной аккумуляторной батареи. Предложенное техническое решение требует наличия внешнего источника электрической энергии.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является патент РФ №2006660, МПК F 02 N 17/04, в котором описан предпусковой подогреватель для двигателя внутреннего сгорания, облегчающий запуск двигателя и содержащий горелку с источником воспламенения топлива, газоходом, устройством подачи воздуха в газоход и топливным насосом, соединенным с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны - с горелкой, термоэлектрический генератор с горячим и холодным спаями, электрически связанный через преобразователь напряжения с аккумуляторной батарей двигателя, теплообменник для холодного спая, сообщенный с системой охлаждения двигателя, насос подачи охлаждающей жидкости в теплообменник, причем горячий спай размещен в газоходе после горелки. Недостаток указанного технического решения заключается в том, что оно не предназначено для нагрева картера двигателя, а также отсутствуют средства, обеспечивающие эффективное управление элементами подогревателя.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение эффективности и автономности эксплуатации устройства, надежности запуска двигателя за счет сохранения ресурса аккумуляторной батареи, экономичности за счет снижения непроизводительного расхода топлива.

Указанный технический результат заключается в том, что устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее горелку с источником воспламенения топлива, газоходом, устройством подачи воздуха в газоход и топливным насосом, соединенным с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны - с горелкой, термоэлектрический генератор с горячим и холодным спаями, электрически связанный через преобразователь напряжения с аккумуляторной батарей двигателя, теплообменник для холодного спая, сообщенный с системой охлаждения двигателя, насос подачи охлаждающей жидкости в теплообменник, причем горячий спай размещен в газоходе после горелки, согласно изобретению устройство дополнительно содержит электронный блок управления, позисторный нагреватель, установленный в топливном баке, датчики температуры масла и охлаждающей жидкости двигателя, соединенные с входами электронного блока управления, и электромагнитные клапаны с приводами, установленные на входе в насос подачи охлаждающей жидкости и на выходе теплообменника для холодного спая, причем позисторный нагреватель, приводы топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости, устройства подачи воздуха и электромагнитных клапанов электрически связаны с преобразователем напряжения термоэлектрического генератора, первый, второй и третий выходы электронного блока управления связаны с приводами топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости и устройства подачи воздуха соответственно с возможностью регулирования их производительности, четвертый и пятый выходы электронного блока управления связаны с приводами электромагнитных клапанов с возможностью регулирования расхода охлаждающей жидкости двигателя, а выход газохода расположен под картером двигателя.

Позисторный нагреватель может быть связан с преобразователем напряжения термоэлектрического генератора через выключатель, исполнительный механизм которого связан с шестым выходом электронного блока управления.

Теплообменник для холодного спая может быть дополнительно сообщен с отопителем кабины транспортного средства, на котором установлен двигатель.

Такое выполнение устройства обеспечивает автономность системы запуска за счет встроенного источника электроэнергии термоэлектрического генератора, вырабатываемое им тепло и электроэнергия полностью используются в системах двигателя внутреннего сгорания.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства, где позициями обозначены следующие элементы устройства:

1 - термоэлектрический генератор,

2 - источник тепла термоэлектрического генератора - жидкотопливная горелка,

3 - топливный насос,

4 - устройство подачи воздуха в газоход горелки (электровентилятор),

5 - теплообменник (холодильник) для холодного спая термоэлектрического генератора,

6 - насос подачи охлаждающей жидкости в теплообменник,

7 - преобразователь-стабилизатор напряжения,

8 - позисторный подогреватель,

9 - топливный бак,

10 - картер двигателя,

11 - радиатор двигателя,

12 - рубашка охлаждения двигателя,

13 - отопитель кабины транспортного средства, на котором установлен двигатель,

14 - аккумуляторная батарея двигателя,

15 - электронный блок управления,

16 - датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя,

17 - датчик температуры масла двигателя,

18 - электромагнитный клапан перед входом в насос подачи охлаждающей жидкости в теплообменник,

19 - электромагнитный клапан после теплообменника,

20 - газоход горелки,

21 - электрический выключатель позисторного подогревателя.

Устройство работает следующим образом.

Термоэлектрический генератор 1 преобразует теплоту, получаемую от сжигания топлива в горелке 2 в электрическую энергию постоянного тока. Для чего топливо из топливного бака 9 транспортного средства насосом 3 подают в жидкотопливную горелку 2, а необходимый для поддержания процесса горения топлива воздух устройством 4 подачи воздуха (электровентилятором) забирают из окружающей среды и направляют в зону горения. Дымовые газы, образовавшиеся от сгорания топлива, по газоходу 20 подаются под картер 10 двигателя и далее в подкапотное пространство транспортного средства, обогревая блок цилиндров двигателя снаружи. Устройство имеет электронный блок управления (ЭБУ) 15 и датчики 16 и 17 температуры масла и охлаждающей жидкости двигателя, соединенные с входами электронного блока управления 15. Электромагнитные клапаны 18 и 19 с приводами установлены на входе в насос 6 подачи охлаждающей жидкости и на выходе теплообменника 5 для холодного спая. Позисторный нагреватель 8, приводы топливного насоса 3, насоса 6 подачи охлаждающей жидкости, устройства 4 подачи воздуха и электромагнитных клапанов 18 и 19 электрически связаны с преобразователем 7 напряжения термоэлектрического генератора. Первый, второй и третий выходы электронного блока управления 15 связаны с приводами топливного насоса 3, насоса 6 подачи охлаждающей жидкости и устройства 4 подачи воздуха соответственно. Четвертый и пятый выходы электронного блока управления 15 связаны с приводами электромагнитных клапанов 18 и 19.

Теплообменник 5, охлаждающий холодные спаи термоэлектрического генератора 1, сообщен через электромагнитные клапаны 18 и 19 со штатной системой охлаждения двигателя, состоящей из радиатора 11, рубашки охлаждения двигателя 12, отопителя 13 кабины транспортного средства, на котором установлен двигатель. Подача и циркуляция охлаждающей жидкости осуществляются специально установленным для этого насосом 6 подачи охлаждающей жидкости. Охлаждающая жидкость, например вода или тосол, отбирая теплоту от холодных спаев термоэлектрического генератора 1, нагревается. Прокачиваемая по системе охлаждения двигателя жидкость отдает теплоту блоку цилиндров двигателя и поддерживает в подогретом состоянии двигатель. Таким образом нагретые дымовые газы и подогретая охлаждающая жидкость обеспечивают прогрев двигателя в стояночном режиме на открытом воздухе при низкой температуре. Выработанная в термоэлектрическом генераторе электрическая энергия постоянного тока в преобразователе 7 преобразуется в ряд напряжений 12В, 24В, 28В и 220 В и используется для зарядки штатной аккумуляторной батареи 14, электропитания наружных и внутренних приборов освещения транспортного средства, топливного насоса 3, устройства подачи воздуха 4 и насоса 6 подачи охлаждающей жидкости. Для подогрева топлива и снижения его вязкости в топливный бак встроен позисторный нагреватель 8, электропитание к которому через выключатель 21 также подают от преобразователя 7.

Сигналы, показывающие величину температур охлаждающей жидкости и масла двигателя, от датчиков температуры 16 и 17 поступают на вход в ЭБУ 15. В случае, если величины этих температур свидетельствуют о том, что двигатель требует прогрева, ЭБУ 15 подает через первый, второй и третий выходы сигналы для включения топливного насоса 3, насоса 6 подачи охлаждающей жидкости в теплообменник 5 и устройства 4 подачи воздуха в горелку 2. Одновременно через четвертый и пятый выходы подают сигналы приводам электромагнитных клапанов 18 и 19 на их открытие и сообщение с системой охлаждения двигателя. Устройство включается в работу, как описано выше.

После повышения температуры охлаждающей жидкости и масла двигателя до требуемой величины датчики 16 и 17 подают соответствующие сигналы в ЭБУ 15, который подает сигналы для окончания работы топливному насосу 3, насосу 6 подачи охлаждающей жидкости и устройству 4 подачи воздуха и сигналы для закрытия электромагнитных клапанов 18 и 19.

В случае, если температура охлаждающей жидкости и масла достаточно высока, но двигатель следует поддерживать в подогретом состоянии длительное время, в зависимости от величин температур охлаждающей жидкости и масла, ЭБУ 15 подает сигналы для снижения оборотов топливному насосу 3, насосу 6 подачи охлаждающей жидкости и устройству 4 подачи воздуха, обеспечивая при этом меньший расход топлива и воздуха в горелку 2. При этом, поскольку снижается температура в газоходе 20, а следовательно, и снижается температура горячего спая, снижают и расход охлаждающей жидкости через теплообменник 5, поддерживая заданную разницу температуры между холодным и горячим спаями термоэлектрического генератора 1. Для этого помимо сигнала для регулирования производительности насоса 6 подачи охлаждающей жидкости ЭБУ 15 подает сигналы приводам электромагнитных клапанов 18 и 19 для регулирования проходного сечения клапанов.

В случае необходимости, если температура топлива низкая и требуется подогрев топлива в топливном баке 9, ЭБУ 15 может через шестой выход подавать сигнал исполнительному механизму выключателя 21 для включения позисторного нагревателя 8 и его последующего выключения после нагрева топлива.

В контур охлаждения двигателя включен контур охлаждения термоэлектрического генератора 1 и теплота, отводимая от охлаждаемых спаев термоэлектрического генератора, подогревает жидкость системы охлаждения. Электрическая энергия, выработанная термоэлектрическим генератором 1, используется для зарядки штатной аккумуляторной батареи 14, электропитания насоса 6, обеспечивающего прокачку охлаждающей жидкости через систему охлаждения двигателя и теплообменник 5 холодного спая термоэлектрического генератора 1, работы позисторного подогревателя 8 топлива в топливном баке 9, бортовых приборов освещения. Электрическая энергия термоэлектрического генератора 1 используется и для функционирования собственно устройства: для электропитания топливного насоса 3, подающего топливо в горелку 2 термоэлектрического генератора 1, устройства 4 подачи воздуха в горелку (электровентилятора), обеспечивающих подачу воздуха в зону горения, а дымовых газов под картер 10 двигателя и в подкапотное пространство транспортного средства.

Таким образом, данное устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания, снабженное термоэлектрическим генератором постоянного тока и электронным блоком управления, обеспечивает эффективность работы и автономность системы подогрева двигателя, ее независимость от внешних источников электрической энергии. При этом не преобразованная в термоэлектрическом генераторе теплота направляется на подогрев двигателя. Снабженное предлагаемым устройством транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания может быть гарантированно запущено даже после длительной стоянки на морозе с заглушенным мотором. При этом расход топлива в работающем двигателе карьерного самосвала или бульдозера даже в стояночном режиме составляет в среднем 40 л/ч (Э. Льюис. Применение дизельной техники на высокогорном карьере «Кумтор». Горный журнал, 2004 г. Специальный выпуск, с.80), то расход топлива в термогенераторе электрической мощностью около 3 кВт, обеспечивающий работоспособность устройства, составит не более 20 л/ч, то есть экономится 50% топлива. Аналогичная картина будет и для транспортных средств, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера и Северо-Востока.