СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАЗОГРЕВА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR HEATING UP ENGINES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к способам накопления (аккумулирования) тепла, хранения его определенное время и последующей передаче сохраненного тепла для облегчения запуска двигателей внутреннего сгорания при низких температурах, и устройствам для его осуществления (теплоаккумуляторам) и может быть использовано в стационарных и транспортных установках, а также в других случаях, когда необходимо аккумулировать тепло от различных тепловыделяющих устройств и агрегатов.
Подавляющее большинство теплоакумуляторов (ТА) для подогрева двигателей перед пуском при отрицательной температуре наружного воздуха используют для аккумулирования низкопотенциальное тепло охлаждающей жидкости работающего двигателя, температура которой не превышает 100°С. Это накладывает для приемлемых массогабаритных показателей аккумулятора существенные ограничения на количество запасаемого тепла, которого становится недостаточно для прогрева двигателя при сильных морозах или при длительной стоянке [1]. Использование для нагрева теплоаккумулирующего вещества тепла выхлопных газов, делает возможным поднять температуру нагрева до 600°С и даже выше, что позволит при тех же массогабаритных показателях теплоаккумулирующего блока аккумулировать гораздо больше тепла и решить проблему запуска двигателя при низких температурах. Однако возникают проблемы, связанные с температурой теплоаккумулирующего вещества, намного превышающей температуру кипения и разложения охлаждающей жидкости двигателя автомобиля. В частности, исключается возможность хранения тепла при тепловом контакте охлаждающей жидкости с нагретым теплоаккумулирующим веществом.
Известен способ подогрева двигателя тепловым аккумулятором, встроенным в систему охлаждения, в котором обеспечивают возможность циркуляции жидкости через него при работающем и неработающем двигателе, заряжаемом теплом выхлопных газов, когда имеет место соотношение Тк<Та (Тк - температура кипения жидкости, Та - температура теплоаккумулирующего вещества), в котором на период хранения тепла охлаждающая жидкость удаляется из теплоаккумулирующего блока (ТАБ) способом выкипания с отводом пара в компенсационный бачок системы жидкостного охлаждения [2]. Недостатками способа является следующее: 1 - сложность обслуживания, обусловленная тем, что при каждом цикле работы теплоаккумулятора необходимо перекрывать, а затем открывать контур циркуляции жидкости через ТА, что ведет к усложнению обслуживания и конструкции ТА; 2 - периодические испарения и конденсация части охлаждающей жидкости приведут к частичному разложению и сокращению срока ее пригодности; 3 - такое же неблагоприятное влияние на охлаждающую жидкость будет оказывать и включение циркуляции жидкости через ТА в начале разогрева двигателя, кроме того, резкий перепад температуры, возникающий при этом в теплопередающих стенках аккумулирующего блока, неблагоприятно сказывается на ресурсе его работы.
Устройство (система), реализующая этот способ, содержит теплоаккумулирующий блок, состоящий из теплоаккумулирующего вещества, газового канала подвода газа от выхлопного коллектора, средств перекрытия газовых каналов, жидкостный канал с входным и выходным патрубками и средствами перекрытия жидкостного канала, а также канала отвода пара в жидкостный контур двигателя при выпаривании жидкости из блока перед началом процесса хранения тепла. Наличие средств перекрытия жидкостного канала и дополнительного канала отвода пара не только усложняет конструкцию, но и приводит к дополнительным потерям тепла через соединительные коммуникации.
Известен способ подогрева двигателя и реализующая его система [3], являющиеся усовершенствованием предыдущего. Усовершенствование заключается в том, что при начале разогрева двигателя подачу жидкости в ТА начинают с малым расходом, тем самым уменьшают вероятность резкого повышения давления от вскипания жидкости (повышают безопасность эксплуатации) и смягчают тепловой удар на теплопередающие стенки, правда, не полностью, поскольку даже капельные брызги холодной жидкости на горячую стенку способны вызвать в ней появление микротрещин с последующим их развитием. Кроме того, наличие теплопроводящих элементов, которыми теплоаккумулирующий блок в режиме «хранение» связан с внешней средой (трубы контуров охлаждающей жидкости, выхлопных газов) приводят к утечке тепла, что снижает допустимое время его хранения.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение обслуживания, повышение безопасности работы, увеличение ресурса работы и времени хранения тепла теплоаккумулятора.
Поставленная задача решается за счет того, что способ подогрева двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, в котором во время работы двигателя теплоаккумулирующее вещество теплоаккумулятора нагревают от тепла выхлопных газов до температуры превышающей температуру кипения, при этом во время работы двигателя с помощью замыкания тепловых контактов теплового клапана тепло от выхлопных газов двигателя направляют на нагрев теплоаккумулирующего вещества и нагревают теплоаккумулирующее вещество до температуры близкой к температуре выхлопных газов; после зарядки тепловую связь между теплоаккумулирующим веществом и выхлопными газами разрывают размыканием тепловых контактов теплового клапана и хранят в вакуумированной термоизолированной емкости; при подогреве двигателя включают циркуляцию жидкости через термоаккумулятор, замыканием тепловых контактов теплового клапана устанавливают тепловую связь между теплоаккумулирующим веществом и циркулирующей охлаждающей жидкостью, осуществляя прогрев двигателя.
Способ осуществляется с помощью устройства подогрева двигателя внутреннего сгорания, содержащего охлаждающую жидкость, насос подачи жидкости к теплоаккумулятору, газовый канал от выхлопного коллектора к теплоаккумулятору, теплоаккумулирующий блок, укрепленный на подвижном штоке, расположен во внутренней вакуумированной термоизолированной емкости корпуса термоаккумулятора и снабжен в верхней части своего корпуса тепловым контактом-седлом теплового клапана передачи тепла от аккумулирующего вещества к охлаждающей жидкости, в нижней части - контактной частью теплового клапана передачи тепла от выхлопных газов к теплоаккумулирующему веществу, в нижней части корпуса аккумулятора расположена газовая камера с подводом и отводом газа к тепловому контакту-седлу теплового клапана передачи тепла от выхлопного коллектора, снабженная тепловым контактом-седлом теплового клапана передачи тепла от выхлопных газов теплоаккумулирующему веществу, в верхней части корпуса аккумулятора - жидкостная камера с контактной частью теплового клапана передачи тепла от теплоаккумулирующего вещества к охлаждающей жидкости, а подвижный шток обеспечивает установку теплоаккумулирующего блока в три положения: «зарядка», «хранение», «нагрев».
На рис. 1 представлен продольный разрез теплоаккумулятора.
ТА состоит из корпуса 1, внутренняя часть которого представляет собой вакуумированную термоизолированную емкость, в днище которой расположена газовая камера 2, снабженная штуцерами 3 и 4 для связи с каналом подвода и отвода газа от выхлопного коллектора двигателя. В верхней стенке газовой камеры расположена теплопередающая поверхность (тепловой контакт-седло) 5 теплового клапана передачи тепла от выхлопных газов к ТАБ 6. В верхней части корпуса 1 расположена жидкостная камера 7 со штуцерами 8 и 9 подвода и отвода охлаждающей жидкости двигателя. В нижней части жидкостной камеры расположен тепловой контакт 10 теплового клапана передачи тепла от ТАБ потоку охлаждающей жидкости. Во внутренней части корпуса 1 на подвижном штоке 11 укреплен теплоаккумулирующий блок 6. Внутренняя часть ТАБ заполнена теплоаккумулирующим веществом (TAB) 12. В нижней части ТАБ расположен тепловой контакт 13 клапана передачи тепла от выхлопных газов к TAB, в верхней части - тепловой контакт-седло 14 клапана передачи тепла от TAB охлаждающей жидкости. Подвижный шток 11 соединен с верхней частью корпуса ТА (жидкостной камерой 7) с помощью герметизирующего сильфона 15. Тепловые контакты-седла тепловых клапанов с целью снижения термического сопротивления могут быть покрыты слоем легкоплавкого металла 16, температура плавления которого ниже температуры охлаждающей жидкости прогретого двигателя. Наружная поверхность корпуса ТАБ покрыта экраном от теплового излучения 17.
Основными режимами работы ТА являются зарядка теплом, хранение тепла и разогрев двигателя.
Режим «зарядка». От выхлопного коллектора через штуцер 3 часть выхлопных газов направляется в газовую камеру 2 и нагревает седло 5 теплового клапана передачи тепла от газов к ТАБ. При помощи штока 11 ТАБ переводится в нижнее положение (вручную или от специального привода, на рисунке не показан), при этом тепловой контакт 13 прижимается к седлу 5 теплового клапана. Поскольку температура выхлопных газов превышает температуру плавления металла, покрывающего седло клапана, он плавится, обеспечивая надежный тепловой контакт. Тепло выхлопных газов нагревает TAB до температуры плавления и выше. Для ускорения передачи тепла внутри TAB могут располагаться тонкие прутки (проволока), пластинки, решетки и т.п. элементы из материала с высокой теплопроводностью.
Режим «хранение». При остановленном на длительное время двигателе (длительность определяется температурой наружного воздуха и характеристикой ТА) теплоаккумулятор переводится в режим хранения тепла. Для этого, ТАБ 6 при помощи штока 11 переводится в среднее положение, когда оба тепловых клапана разомкнуты. Сохранность тепла (сведение к минимуму его утечек) обеспечивают отражатели излучения 17, вакуум во внутренней полости ТА, наружная теплоизоляция ТА (на рисунке не показана), а шток 11, являющийся единственной частью связывающий ТАБ в режиме «хранение» с внешней средой, выполняют из материала с низкой теплопроводностью, например из стеклопластика.
Режим «разогрев». В режиме разогрева двигателя включается насос (на рисунке не показан) подачи охлаждающей жидкости через штуцер 8 в жидкостную камеру 7. При помощи штока 11 ТАБ переводится в верхнее положение, тепловой контакт 10 прижимается к седлу 14 теплового клапана, и тепло от TAB нагревает охлаждающую жидкость, текущую к подогреваемому двигателю. Резкого теплового удара, как в случае непосредственного соприкосновении холодной жидкости с раскаленным металлом, не происходит, как не происходит и вскипание жидкости. После разогрева и запуска двигателя ТАБ переводится в режим «зарядка». В процессе передачи тепла для нагрева охлаждающей жидкости температура TAB понижается и может достичь такой величины, при которой жидкометаллический слой в тепловых контактах теплового клапана передачи тепла от TAB к охлаждающей жидкости затвердеет - тепловые контакты «примерзнут» друг к другу. Передача тепла от этого не нарушится, и двигатель будет прогрет до состояния, обеспечивающего его запуск в соответствии с характеристикой ТА. После запуска двигателя охлаждающая жидкость начнет нагреваться от выделяемого работающим двигателем тепла и расплавит металл в тепловых контактах теплового клапана, обеспечив возможность их разъединения.
При поиске аналогов и прототипа не обнаружены технические решения, сходные с отличительными признаками заявляемого способа, что доказывает соответствие заявляемой совокупности признаков критерию изобретения "Изобретательский уровень".
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом позволил выявить отличительные признаки, что доказывает соответствие заявляемой совокупности признаков критерию изобретения «новизна».
Возможность использования заявляемого изобретения в отечественной промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «промышленная применимость».
По предлагаемому способу и устройству для его осуществления путем замыкания теплового контакта теплового клапана тепло от выхлопных газов работающего двигателя передается теплоаккумулирующему веществу теплоаккумулятора - производится нагрев теплоаккумулирующего вещества (зарядка аккумулятора); размыканием этого контакта теплоаккумулятор переводят в режим хранения тепла (тепловая связь между теплоаккумулирующим веществом и охлаждающей жидкостью двигателя в это время также отсутствует); замыканием теплового контакта теплового клапана между нагретым теплоаккумулирующим веществом и циркулирующим потоком жидкости в контуре охлаждения двигателя производят передачу тепла от теплоаккумулирующего вещества к двигателю - разогрев перед пуском.
Преимущества предлагаемого способа и устройства по сравнению с прототипом являются:
- упрощение обслуживания;
- повышение безопасности эксплуатации;
- увеличение ресурса работы;
- увеличение времени хранения тепла.
Источники иеформации
1. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль / Пер. с чешск. В.Б. Иванова; Под ред. А.Р. Бенедиктова - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил. // Стр. 290-292.
2. Описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2153098.
3. Описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2293207.