СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НА ОСНОВЕ САМОРЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
THERMAL CONTROL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES BASED ON SELF-REGULATING ELECTRIC HEATERS

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к вспомогательным системам для термического воздействия на топливо и моторное масло при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в условиях пониженных температур окружающей среды и может быть использовано в стационарных и транспортных энергетических установках с двигателями внутреннего сгорания для облегчения пуска.
Известна система подогрева дизельного топлива, которая содержит топливный бак с подогревателем, напорный топливопровод, погружной трубчатый электронагреватель топлива, который установлен в сетке топливозаборника и подключен к электронному устройству управления. Второй магистральный электронагреватель установлен в топливопроводе перед топливным фильтром тонкой очистки и подключен к электронному устройству управления, которое, в свою очередь, снабжено датчиком температуры. Третий трубчатый электронагреватель для подогрева охлаждающей жидкости установлен в патрубке между двигателем и радиатором отопления салона и снабжен электропомпой с подключением к электронному устройству управления, (см. Патент РФ №2177071 F02M 31/125, опубл. 2000).
Недостатком представленной системы является односторонняя приспособленность к нагреву без точного терморегулирования в условиях пониженных температур окружающей среды, а также то, что воздействие теплоты направлено исключительно на топливо, хотя моторное масло также требует предварительной тепловой подготовки.
Известно устройство для предпускового подогрева картерного масла двигателя внутреннего сгорания, которое содержит картер и, установленное на его стенке, нагревательное средство, связанное с источником питания и включающее корпус, а нагревательные элементы подогрева масла картера выполнены из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра и размещены на внешних боковых образующих цилиндрических углублений днища поддона картера высотой не менее 5 диаметров, с децентрализовано расположенными нагревательными элементами. Масло, находящееся в цилиндрических углублениях картера, нагревается и под действием гравитационных сил выбрасывается, вместо него в цилиндрическое углубление поступает холодное масло, которое снова нагревается и поднимается вверх. Прогрев всего объема масла происходит за счет повтора вышеописанных циклов. С наружной стороны картер с установленными на него нагревательными устройствами защищен термоизолированным кожухом, который выполнен из плотного материала и изнутри покрыт теплоизоляцией. (Патент РФ на ПМ №121864 F01M 5/02, опубл. 2012).
Недостатком данной полезной модели является сложность изготовления картера ДВС для установки предлагаемых электронагревателей, а также полная теплоизоляция картера ДВС, что препятствует теплообмену с окружающей средой при эксплуатации ДВС в условия положительных температур, вызывающее перегрев всей конструкции ДВС.
Известно устройство для облегчения запуска автомобильных двигателей внутреннего сгорания при низких температурах воздуха в зимний период, которая содержит полый корпус, соединенный с крышкой, и электронагревательный элемент, соединенный с электрическим шнуром для подключения к источнику питания, отличающееся тем, что корпус выполнен с проточками - передней проточкой для установки в блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания и задней проточкой для установки крышки корпуса, при этом крышка корпуса, расположенная в задней его части, опрессована в задней проточке корпуса и в ней выполнены отверстия для прохода трубок трубчатого электронагревателя, которые герметично опрессованы в крышке с использованием втулок, а трубчатый электронагреватель соединен с электрическим шнуром посредством паяного соединения, причем место паяного соединения залито полимерной электроизоляционной массой. Данный нагреватель обладает небольшой потребляемой мощностью (0,6-0,7 кВт), при этом не требуется применение дополнительного терморегулятора (Патент РФ на полезную модель №112717, F02N 19/10, опубл. 2011).
Недостатком данного устройства является необходимость изменения конструкции двигателя для обеспечения установки устройства в корпус блока двигателя.
Известен электрический подогреватель двигателя внутреннего сгорания, который содержит корпус с патрубками, крышку и тепловой электронагреватель, расположенный внутри корпуса, причем, корпус подогревателя выполнен в виде стакана цилиндрической формы с тремя отверстиями, два отверстия из которых расположены соосно на боковой стенке стакана и снабжены противоположно направленными патрубками. Отверстие, расположенное с торца корпуса снабжено фланцем, выполненным с возможностью соединения с крышкой. Крышка снабжена пластиной установленной между крышкой и корпусом, на которой закреплен электронагреватель, выполненный в виде трубчатой спирали с резистивным элементом внутри. Спираль расположена внутри корпуса подогревателя, так что ось боковых отверстий корпуса проходит через отверстие трубчатой спирали, при этом одним патрубком подогреватель связан с нижней полостью рубашки охлаждения двигателя, а другим патрубком с радиатором двигателя, кроме того, подогреватель может быть снабжен терморегулятором, установленным между крышкой и металлической пластиной. При подаче напряжения на электронагреватель жидкость нагревается и движется вверх, через патрубок подогревателя и через помпу входит в рубашку охлаждения двигателя, холодная жидкость опускается вниз через помпу и патрубок, где и нагревается электронагревателем. Происходит эффект двух поточной термосифонной циркуляции жидкости по одному трубопроводу естественным образом без принудительного отключения электрического подогревателя (Патент РФ на полезную модель №77361, МПК F02N 17/06, опубл. 2008).
Недостатком данного изобретения является потребность в использовании терморегулятора, который предотвращает перегрев электронагревателя.
Известно устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания, которое содержит основной саморегулируемый нагревательный элемент, установленный в поддоне картера, и дополнительные элементы, расположенные в полости между корпусами фильтрующего элемента. На топливопроводе терморезистор установлен в виде кабеля с контактом по его длине. На топливозаборной трубке терморезистор установлен по ее образующей поверхности с обеспечением возможности фиксации (см. Патент РФ №2267645 F02N 17/04, опубл. 2005.11.03).
Недостатком указанного устройства является то, что использование керамических саморегулируемых нагревательных элементов приводит к снижению темпа нагрева, вызванного уменьшением температурного напора при приближении к значению точки переключения нагревателя, что приводит к большому разбросу температур, до которых нагревается топливо и моторное масло, а также появлению высоких пусковых токов при включении.
Известна система терморегулирования топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания (Патент РФ №2398126, МПК F02M 31/125, опубл. 2010.27.08). Система терморегулирования топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания, состоящая из нагревательных элементов, расположенных в масляном картере и топливоподающей системе, в которой масляный картер соединен подводящим и отводящим трубопроводами с емкостью, содержащей термоаккумулирующий наномодифицированный материал и нагревательные элементы, при этом в подводящем трубопроводе имеется насос, а в отводящем трубопроводе клапан. Нагревательные элементы выполнены из термоэлектрических модулей, которые с одной стороны спаев прижаты к теплообменнику, соединенному подводящим и отводящим трубопроводом с теплообменником на топливной магистрали, а с другой стороны спаев - к радиатору с вентилятором, причем в подводящем трубопроводе имеется насос, а в отводящем трубопроводе клапан, при этом к теплообменнику с термоэлектрическим модулем через подводящий трубопровод с клапаном и отводящий трубопровод подключена емкость, содержащая термоаккумулирующий наномодифицированный материал, которая через входной и выходной трубопровод с клапанами подключена к теплообменнику на топливной магистрали, при этом термоэлектрические модули, клапаны и насосы подключены к электронной системе управления.
Основным недостатком представленного устройства является использование дополнительных элементов автоматики, что снижает надежность устройства и осложняет монтаж на элементах двигателя внутреннего сгорания. При этом стоит учитывать хрупкость элементов Пельтье и тот, факт, что не всегда требуется терморегулирование с понижением температуры.
Наиболее близким аналогом является автономная система поддержания предпускового температурного режима дизельного двигателя транспортного средства в условиях низких температур (ПМ №188 976, МПК: F02N 19/02 (2010.01), F01M 5/02 (2006.01), опубликовано: 30.04.2019).
Система содержит электроподогреватели моторного масла, аккумуляторную батарею, топливный фильтр, датчики температуры моторного масла и окружающей среды, электроподогреватели и датчики подключены к микропроцессорному блоку управления, оснащенному блоком индикации. Каждый электроподогреватель представляет собой жесткий корпус из препрега, в точности повторяющий по форме внешнюю поверхность подогреваемых поддона картера, двигателя, фильтра и аккумуляторной батареи, с запаянными внутри нагревательными элементами в виде токопроводящей ткани; токопроводящая ткань поддона картера двигателя выполнена из двух секторов, один из которых впаян в днище поддона, второй - в боковые его стенки; на наружной поверхности каждого электроподогревателя плотно закреплены секции из термоэлектрических модулей; а штатный масляный фильтр двигателя также снабжен электроподогревателем.
Это устройство также характеризуется теми же недостатками: использованием дополнительных элементов автоматики в виде реле и микропроцессора и термоэлектрических модулей, что снижает надежность устройства и осложняет монтаж на элементах двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности и надежности средств, предназначенных для стабилизации теплофизического состояния топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания в температурном диапазоне, включающем низкие температуры окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что система терморегулирования для двигателей внутреннего сгорания, содержит наномодифицированные полимеры, электронагревательные элементы которой расположены в масляном картере и топливоподающей системе и соединены с электрическим аккумулятором, согласно изобретению, нагревательные элементы содержат углеродные нанотрубки, распределенные в гибкой полимерной матрице, нагревательные элементы электрически соединены между собой смешанным параллельно-последовательным способом и закреплены на обогреваемой поверхности клеевым электро-теплопроводящим компаундом, содержащим углеродные нанотрубки.
Нагревательные элементы выполнены в виде листов силиконовой резины с распределенными в них углеродными нанотрубками. Углеродные нанотрубки содержатся в количестве от 3 до 15 масс. %. Использование в качестве нагревательных элементов углеродных нанотрубок, распределенных в гибкой полимерной матрице, обеспечивает равномерность нагрева и исключение перегрева в процессе эксплуатации. Работа нагревательного элемента осуществляется следующим образом: при подаче напряжения постоянного или переменного электрического тока происходит выделение тепловой энергии, которая устанавливается на определенном уровне температуры, зависящем от массового содержания углеродных нанотрубок. Это обеспечивает эффективность использования и безопасность эксплуатации.
Электрическое соединение нагревательных элементов между собой смешанным параллельно-последовательным способом обеспечивает дозированный нагрев отдельных элементов конструкции ДВС и позволяет использовать унифицированный ряд нагревателей.
Закрепление нагревателей на обогреваемой поверхности клеевым электро-теплопроводящим компаундом, содержащим углеродные нанотрубки обеспечивает эффективный отвод тепла от нагревателей к обогреваемым узлам.
Выполнение нагревательных элементов в виде листов силиконовой резины с распределенными в них углеродными нанотрубками обеспечивает удобство монтажа и эффективный подвод тепла за счет плотного прилегания к обогреваемой поверхности.
Выбранное содержание углеродных нанотрубок в количестве от 3 до 15 масс. % определено экспериментально: при концентрации менее 3% работа нагревателя нестабильна и интенсивность нагрева недостаточна. При увеличении содержания нанотрубок выше 15% интенсивность нагрева не увеличивается, а затраты на наноматериалы делают нагреватель неконкурентоспособным.
Примеры выполнения предлагаемого устройства иллюстрируются чертежами, представленными на фиг. 1, 2 и 3.
На фиг. 1 показан общий вид системы терморегулирования для двигателей внутреннего сгорания на основе саморегулируемых электронагревателей.
Перечень позиций:
1 нагревательный элемент на топливной магистрали после топливного фильтра;
2 топливный фильтр;
3 нагревательный элемент на топливной магистрали до топливного фильтра;
4 нагревательный элемент на топливном баке;
5 топливный бак;
6 нагревательные элементы, расположенные на масляном картере;
7 масляный картер;
8 двигатель внутреннего сгорания;
9 нагревательный элемент на плоском поддоне;
10 защитный кожух;
11 нагревательный элемент на плоской части поддона;
12 нагревательный элемент на боковине поддона;
Описываемая система выполняет следующие функции: терморегулирование топлива и моторного масла в условиях пониженных температур, а также нагрузок двигателя внутреннего сгорания; разогрев топлива и моторного масла перед пуском в условиях низких температур; поддержание температуры моторного масла при длительных стоянках; поддержание постоянной температуры топлива в баке с целью исключения конденсации влаги.
Система терморегулирования для двигателей внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит нагревательный элемент, на основе электронагревателя с эффектом саморегулирования 1, установленного в топливной магистрали после топливного фильтра 2; нагревательный элемент 3 - в топливной магистрали перед топливным фильтром 2; нагревательный элемент 4 - на топливном баке 5 на внешней его поверхности около заливной горловины; нагревательный элемент 6 - на днище масляного картера 7 двигателя внутреннего сгорания 8. На фиг. 2 показано размещение нагревательного элемента 9 на плоском поддоне, с защитным кожухом 10, защищающим нагревательный элемент от механических повреждений. На фиг. 3 - размещение нагревательных элементов 11 на плоской части поддона и нагревательных элементов 12 на боковине поддона.
Система терморегулирования для двигателей внутреннего сгорания на основе саморегулируемых электронагревателей работает следующим образом.
На отдельные электронагреватели 1, 3, 4, 6 подается электрическое напряжение, что приводит к их разогреву. По мере роста температуры разогреваемого фильтра или картера - падает темп нагрева и снижается потребляемая электрическая энергия. Максимальная мощность тепловыделений соответствует моменту начального включения.
Работа электронагревателей осуществляется следующим образом: при подаче напряжения постоянного или переменного электрического тока происходит выделение тепловой энергии, которая устанавливается на определенном уровне температуры, зависящем от массового содержания углеродных нанотрубок. При одновременном включении всех нагревательных элементов на их поверхности выделяется одна и та же тепловая энергия, по мере разогрева, т.е. модули, которые уже вышли на режим баланса - снижают потребление энергии, за счет последовательного включения мощность перераспределяется на модули, которым требуется большая потребление электрического тока от сети электропитания. Представленный эффект связан с зависимостью сопротивления от температуры фиг. 4. При положительных температурах окружающей среды тепловыделения нагревателей за счет эффекта саморегулирования становится малым, что подтверждается в процессе тепловизионной съемки фиг. 5. Изобретение обеспечивает терморегулирование топлива и моторного масла в условиях пониженных температур, а также нагрузок двигателя внутреннего сгорания; разогрев топлива и моторного масла перед пуском в условиях низких температур; поддержание температуры моторного масла при длительных стоянках; поддержание постоянной температуры топлива в баке с целью исключения конденсации влаги.