УСТРОЙСТВО ПОДОГРЕВА И ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МОТОРНОГО МАСЛА В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИНАХ

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей и может быть использовано для повышения эффективности эксплуатации транспортных средств и технологических машин.
Под техническими жидкостями понимаются жидкости, используемые в узлах, агрегатах и системах при эксплуатации транспортных средств и технологических машин, а именно масла (моторные, трансмиссионные, гидравлические), охлаждающие жидкости, топлива, тормозные жидкости (в тормозных системах, системах сцепления, системах гидроусилителя руля и т.д.), амортизаторные жидкости, омывающие жидкости и т.д. Под транспортными средствами понимается автомобильный, железнодорожный, водный (морской, речной) транспорт и т.д. Под технологическими машинами понимается дорожная, строительная, лесозаготовительная, сельскохозяйственная, нефтегазопромысловая, специальная техника и другие машины.
Известно устройство для разогрева масла /RU 2006598 С1, МПК F01M 5/00, опубл. 30.01.1994/, содержащее установленный на днище поддона картера ДВС под маслоприемником электрический нагреватель, корпус которого выполнен в виде пары горизонтальных пластин из теплостойкого электроизоляционного материала, между которыми размещена тонкая лента с подводящими и отводящим электродами и предохранительными вставками со стыковыми паяными швами. В верхней пластине выполнены сквозные окна для обеспечения непосредственного контакта масла с нагревательным элементом - тонкой лентой.
Известно устройство - ленточный электрический подогреватель охлаждающей жидкости / RU 2231677 С2, МПК F02N 17/06, опубл. 27.06.2004/, снабженный 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.
Известно устройство для подогрева топлива дизельных двигателей / RU 2196245 С2, МПК F02M 31/125, МПК F02M 37/14, опубл. 10.01.2003/, содержащее нагреватель топлива с рабочей теплообменной камерой и нагреватель с нагревательным элементом для фильтра тонкой очистки, датчик температуры, электронный блок управления, переключатель рода работ и блок питания. Нагреватель топлива включен в систему подачи топлива перед фильтром тонкой очистки и выполнен проточным, а нагреватель для фильтра выполнен в виде разрезного хомута с возможностью изменения своего диаметра и размещен коаксиально фильтру тонкой очистки топлива.
Известно изобретение устройства обогрева автомобильных амортизаторов / заявка на изобретение 2006126446, МПК F16F 9/44 опубл. 27.01.2008/, включающее установленные на корпусе амортизатора электронагревательные элементы, связанные с блоком управления, управляющим подключением указанных электронагревательных элементов в цепь питания и их отключением, отличающееся тем, что электронагревательные элементы установлены на корпусе амортизаторов с помощью крепежных хомутов и выполнены в виде жестких, преимущественно трубчатых, электронагревательных элементов, при этом указанный блок управления выполнен с возможностью регулировки режима работы указанных электронагревательных элементов в зависимости от температуры окружающей среды.
Известно устройство для подогрева жидкости в системе смывания стекол транспортного средства /RU 50947 U1, МПК B60S1/46, B60S 1/48 опубл. 27.01.2006/, содержащее нагревательный элемент в виде согнутой трубки из материала с высокой теплопроводностью, концы трубки расположены параллельно друг другу, пропущены через отверстия в крышке бачка системы смывания стекол и сообщены с системой охлаждения двигателя, отличающееся тем, что нагревательный элемент расположен в нижней части бачка системы омывания стекол, а согнутая трубка проходит вертикально и горизонтально относительно уровня омывающей жидкости, повторяя форму бачка.
Известные устройства позволяют подогревать технические жидкости в узлах, агрегатах и системах за счет находящегося в них дополнительно размещенного нагревательного элемента. Нагревательные элементы производят нагрев технических жидкостей за счет теплопередачи от нагретой поверхности этого нагревателя к среде, омывающей ее. Тем самым увеличивается время нагрева, а, следовательно, и расход электроэнергии на него. Нагревательные элементы, работающие по принципу теплопередачи, имеют два главных недостатка - большую тепловую инерционность и не позволяют поддерживать температуру подогреваемой технической жидкости в довольно узком температурном диапазоне, соответствующем оптимальной температуре технической жидкости. Под оптимальной понимается такая температура технической жидкости, при которой эксплуатация (работа) узла, агрегата или системы в частности, а транспортного средства или технологической машины в целом будет наиболее эффективна. Под эффективной эксплуатацией понимается эксплуатация (работа) узла, агрегата или системы в частности, а транспортного средства или технологической машины в целом с высокой надежностью пуска, наименьшим износом в период прогрева и работы, расходом топлива, выбросами вредных веществ с отработавшими газами и т.д.
Для эффективной работы техники необходимо поддержание температуры ее технических жидкостей (ТЖ) на оптимальном уровне. Оптимальная температура ТЖ обеспечивает наименьший износ узлов и агрегатов, сокращает расход топлива, снижает выбросы вредных веществ с отработавшими газами и т.д. Оптимальная температура масла (двигатель, редуктора) позволяет улучшить процесс смазывания трущихся деталей за счет улучшения проникающей способности масла в зазор между контактирующими поверхностями. Оптимальная температура гидравлического масла (гидросистема, гидроцилиндры, амортизаторы) снижает риск выхода из строя узлов, работающих под высоким давлением, за счет оптимальной вязкости масла. Оптимальная температура охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания обеспечивает наилучшие условия для смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах двигателя, улучшая процесс смешивания топлива с воздухом. Оптимальная температура топлива, улучшает процесс смесеобразования, повышает температуру цикла и, как следствие, полноту сгорания топлива, снижает расход топлива и выбросы вредных веществ на холостом ходу. Оптимальная температура омывающей жидкости обеспечивает работоспособность смывателя и позволяет снизить риск возникновения ДТП из-за загрязненного лобового стекла или фар транспортного средства.
Однако, первоначально, для обеспечения возможности достижения температуры ТЖ оптимального значения узел, агрегат или систему необходимо прогреть до этого состояния. Особенно велика проблема прогрева двигателя транспортных средств или технологических машин в условиях низких температур воздуха. Эта проблема сопряжена со сложностью запуска силового агрегата, поэтому находят все большее применение дополнительные средства, позволяющие запустить двигатель и прогреть его, а так же системы, узлы и агрегаты до рабочей температуры. Использующиеся в настоящее время подогреватели имеют общий принцип работы - нагрев ТЖ происходит за счет теплопередачи от нагреваемого тела (электронагреватель, теплообменник отработавших газов, теплообменник охлаждающей жидкости). Эти принципы имеют большую инерционность и не позволяет поддерживать заданную температуру ТЖ. Устройства, обеспечивающие этот способ имеют большую металлоемкость, не надежны в эксплуатации, требуют дополнительных затрат на обеспечение их работоспособности.
Поэтому необходима разработка способа и устройства обеспечивающего быстрый прогрев ТЖ и поддержание температуры ТЖ на определенном оптимальном уровне.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка способа, направленного на создание устройства обеспечивающего подогрев и поддержание оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах сверхвысокочастотным нагревом. Предлагаемое устройство позволит эффективно подогревать ТЖ и поддерживать их температуру на оптимальном уровне, обеспечивая эффективную эксплуатацию (работу) узлов, агрегатов, систем транспортных средств и технологических машин.
При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в нагреве и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в электромагнитном поле излучением сверхвысокой частоты (СВЧ). При этом происходит преобразование энергии электромагнитного поля СВЧ в тепловую энергию внутри всего объема ТЖ (диэлектрика). Под воздействием электромагнитного поля СВЧ молекулы диэлектрика поляризуются и совершают механические колебания, энергия которых за счет межмолекулярного трения преобразуется в тепловую и диэлектрик нагревается. Поддержание температуры ТЖ (диэлектрика) происходит за счет кратковременного включения и выключения источника СВЧ излучения. Нагрев осуществляется в электромагнитном поле СВЧ в технологически необходимом диапазоне частот, исходя из объема ТЖ, ее физико-химических свойств, начальной и конечной температуры нагрева и других факторов. Частота электромагнитных колебаний и, как ее функция, длина волны электромагнитного поля подбирается (рассчитываются, определяются экспериментально) таким образом, чтобы она была меньше геометрических размеров отсека, в котором находится техническая жидкость. В этом случае электромагнитное поле внутри отсека имеет волновой характер и многократно проходит через всю ТЖ, переотражаясь от его стенок. Под отсеком понимается любая емкость (поддон картера, топливный бак, картер редуктора и т.д.), полость (гидроцилиндр, амортизатор), в которой находится техническая жидкость.
При работе любой техники, в том числе транспортных средств и технологических машин необходим запуск силового агрегата, его прогрев и прогрев основных узлов, агрегатов и систем до рабочей температуры. В настоящее время запуски силовых агрегатов сопряжен с трудностями в условиях низких температур воздуха. Прогрев основных узлов, агрегатов и систем до рабочей температуры происходит в основном за счет теплопередачи (от стенок камеры сгорания в охлаждающую жидкость), трения (зацепление в зубчатых передачах редукторов, поршневое кольцо-цилиндр), дросселирования (амортизаторы, гидроцилиндры). Процесс этот длительный. При нем происходит значительный износ всех контактирующих элементов, в связи с чем снижается их ресурс и надежность. Это происходит до момента достижения рабочей температуры технической жидкости, используемой в узле, агрегате, системе транспортного средства или технологической машине. Однако температура технической жидкости не всегда постоянна. Она может изменяться (температура охлаждающей жидкости на форсированном режиме повышается, при длительном простое на режиме холостого ходи у дизелей снижается) и не всегда равняться рабочей температуре. В свою очередь рабочая температура не всегда является оптимальной (температура масла в заднем мосту автомобиля на 50°С ниже его оптимального значения). Поэтому применение дополнительного СВЧ нагрева технических жидкостей позволит сократить время на запуск силового агрегата, прогрев основных узлов, агрегатов и систем, а так же обеспечит поддержание их оптимальной температуры.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является создание устройства, производящего подогрев и поддержание оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах сверхвысокочастотным нагревом.
Указанный технический результат по объекту способ достигается тем, что подогрев и поддержание оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах производится сверхвысокочастотным нагревом.
Указанный технический результат по объекту устройство достигается тем, что устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах содержит источник питания, блок управления, генератор СВЧ колебаний, не менее одного волновода с излучателем, отсек с технической жидкостью, термодатчик. В качестве источника питания может быть аккумуляторная батарея, генератор, электрическая сеть, иное устройство, вырабатывающее электрический ток. Блок управления может представлять собой микропроцессор, реле, иное устройство, позволяющее замыкать или размыкать электрическую сеть. Блок управления может иметь контрольную лампу (лампы) для информирования о работе устройства СВЧ подогрева и поддержания оптимальной температуры технической жидкости и о температуре технической жидкости. Блок управления может иметь выключатель для принудительного включения и (или) выключения устройства СВЧ подогрева и поддержания оптимальной температуры технической жидкости. Блок управления может работать в автоматическом режиме и иметь дистанционное управление. Генератор СВЧ колебаний представляет с собой магнетрон, амплитрон, пролетный многорезонаторный клистрон или иное устройство, создающее электромагнитное поле сверхвысокой частоты.
Устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технических машинах содержит средство для фиксации температуры технической жидкости в виде датчика температуры, соединенного электрической цепью с блоком управления, внедренного в электрическую цепь транспортного средства или технологической машины.
Между существующими признаками и заявленным техническим результатом следующая причинно-следственная связь. Включение генератора СВЧ колебаний от источника питания наводит электромагнитное поле сверхвысокой частоты, которое через волновод и излучатель поступает в отсек с технической жидкостью. Происходит подогрев технической жидкости за счет преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ в тепловую энергию внутри всего объема технической жидкости (диэлектрика). Под воздействием электромагнитного поля СВЧ молекулы диэлектрика поляризуются и совершают механические колебания, энергия которых за счет межмолекулярного трения преобразуется в тепловую и диэлектрик нагревается. По достижении заданной оптимальной температуры термодатчик подает сигнал на блок управления, генератор СВЧ колебаний отключается. Поддержание температуры технической жидкости (диэлектрика) происходит за счет кратковременного включения и выключения источника СВЧ излучения или изменения мощности генератора СВЧ колебаний.
Техническое решение поясняется иллюстрирующими материалами, где на фиг.1 изображена схема принципа работы устройства подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах, на фиг.2 - приведен частный пример выполнения заявленного технического решения - устройства подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах.
Устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технических машинах содержит источник питания 1. Источник питания соединен посредствам передающей линии с блоком управления 2. Блок управления 2 соединен посредствам передающей линии с генератором СВЧ колебаний 3. Генератор СВЧ колебаний 3 посредствам волновода 4 с излучателем 5 соединен с отсеком 6, содержащим техническую жидкость. В отсек 6 с технической жидкостью установлен термодатчик 7, передающий информацию о температуре технической жидкости блоку управления 2 посредствам передающей линии.
Способ посредствам устройства осуществляется следующим образом.
Блок управления 2 соединенный по средствам передающей линии с источником питания 1 получает сигнал от термодатчика 7 о температуре технической жидкости, находящейся в отсеке 6. Если температура технической жидкости ниже оптимального значения для данной технической жидкости, то блок управления 2 включает через передающую линию генератор СВЧ колебаний 3. От генератора СВЧ колебаний по волноводу 4 с излучателем 5 передается электромагнитное поле сверхвысокой частоты в отсек с технической жидкостью 6. В отсеке с технической жидкостью 6 происходит подогрев технической жидкости за счет преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ в тепловую энергию внутри всего объема технической жидкости (диэлектрика). Под воздействием электромагнитного поля СВЧ молекулы диэлектрика поляризуются и совершают механические колебания, энергия которых за счет межмолекулярного трения преобразуется в тепловую и диэлектрик нагревается. По достижении заданной оптимальной температуры технической жидкости в отсеке 6 термодатчик 7 подает сигнал на блок управления 2, который отключает генератор СВЧ колебаний 3. При достижении температуры технической жидкости в отсеке 6 значения ниже оптимального, устройство вновь включается в работу.
Последовательность работы устройства следующая.
Если температура технической жидкости ниже оптимального значения для эффективной работы конкретного узла, агрегата, системы транспортного средства или технологической машины, то устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах включается. Подогрев технической жидкости производится до оптимального значения ее температуры, после чего устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах отключается. Если температура технической жидкости выше оптимального значения для эффективной работы конкретного узла, агрегата, системы транспортного средства или технологической машины, то устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах не включается. При понижении температуры технической жидкости ниже оптимального значения для эффективной работы конкретного узла, агрегата, системы транспортного средства или технологической машины, то устройство подогрева и поддержания оптимальной температуры технических жидкостей в транспортных средствах и технологических машинах включается.
Рассмотрим реализацию способа и устройства на конкретном примере - транспортном средстве или технологической машине с двигателем внутреннего сгорания, где предлагаемое устройство содержит источник питания 1 (на фиг.3 не показан). Источник питания соединен по средствам передающей линии с блоком управления 2 (на фиг.3 не показан). Место расположения блока управления не имеет значения и не влияет на заявляемый технический результат. Блок управления 2, соединен посредствам передающей линии с генератором СВЧ колебаний 3, установленным, в данном случае, на поддоне картера двигателя внутреннего сгорания (место расположения генератора СВЧ колебаний не имеет значения и не влияет на заявляемый технический результат). Генератор СВЧ колебаний 3 посредствам волновода 4 (с излучателем 5), вставленного через технологическое отверстие одним концом внутрь поддона картера 6, содержащего техническую жидкость - моторное масло. В поддон картера 6, через технологическое отверстие установлен термодатчик 7, передающий информацию о температуре масла блоку управления 2 посредствам передающей линии. Поддон картера присоединен к блоку цилиндров двигателя 8.
Предлагаемый способ, посредствам устройства на конкретном примере осуществляется следующим образом.
Блок управления 2 соединенный по средствам передающей линии с источником питания 1 получает сигнал от термодатчика 7, о температуре моторного масла, находящейся в поддоне картера 6. Если температура моторного масла ниже оптимального значения +80°С (для различных двигателей внутреннего сгорания оптимальная температура моторного масла может быть различна), то блок управления 2 включает через передающую линию генератор СВЧ колебаний 3. От генератора СВЧ колебаний по волноводу 4 с излучателем 5 передается электромагнитное поле сверхвысокой частоты (частотой 3,2 ГГц) в отсек с технической жидкостью 6. В поддоне картера с моторным маслом 6 происходит подогрев моторного масла за счет преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ в тепловую энергию внутри всего объема технической жидкости (диэлектрика). Под воздействием электромагнитного поля СВЧ молекулы диэлектрика поляризуются и совершают механические колебания, энергия которых за счет межмолекулярного трения преобразуется в тепловую и диэлектрик нагревается. По достижении заданной оптимальной температуры +80°С моторного масла в поддоне картера 6 термодатчик 7 подает сигнал на блок управления 2, который отключает генератор СВЧ колебаний 3. При достижении температуры моторного масла в поддоне картера 6 значения ниже оптимального +80°С, устройство вновь включается в работу.