СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРЕДПУСКОВОЙ ПОДГОТОВКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR PRE-START PREPARATION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области транспортного двигателестроения и может быть использовано для улучшения пусковых качеств двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности для предпусковой тепловой подготовки ДВС при отрицательных температурах окружающей среды.
Из области техники известен «Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания» (см. патент РФ №2153098 С1 МПК F02N 17/00, опубл. 20.07.2000 г.), обеспечивающий возможность циркуляции теплоносителя через тепловой аккумулятор при работающем и неработающем ДВС, заряжающийся тепловой энергией выхлопных газов, в котором на период хранения тепловой энергии охлаждающая жидкость удаляется из теплоаккумулирующего блока способом выкипания с отводом пара в компенсационный бачок системы охлаждения (СО).
Недостатком данного способа является:
использование теплоаккумулирующего блока с большими массогабаритными характеристиками, так как для тепловой подготовки ДВС с целью его надежного пуска необходимо большое количество тепловой энергии;
отсутствие возможности поддержания в течение длительного промежутка времени требуемой температуры теплоносителя при неработающем (выключенном) ДВС в условиях отрицательных температур окружающей среды;
сложность обслуживания и конструкции теплового аккумулятора (ТА), обусловленная тем, что при каждом цикле работы ТА необходимо перекрывать, а затем открывать контур циркуляции теплоносителя через ТА;
периодические испарения и конденсация части теплоносителя могут привести к частичному разложению и сокращению срока его пригодности.
Также известен «Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автомобиля» (см. патент РФ №2293207 С1 МПК F02N 17/04, опубл. 10.02.2007 г. ), в котором салон отапливают охлаждающей жидкостью, подогретой в рубашке работающего ДВС, обеспечивают отвод пара при закипании теплоносителя в компенсационный бачок через жидкостной контур ДВС, для предпускового подогрева двигателя используют блок подогрева с тепловым аккумулятором, газовым и жидкостным каналами, газовый канал сообщают с выхлопным коллектором двигателя, жидкостной канал блока подогрева встраивают в жидкостной контур двигателя и отопителя, обеспечивают возможность циркуляции теплоносителя с заданным расходом в канале при неработающем двигателе и при подогреве двигателя осуществляют непрерывную подачу жидкости в канал и прекращают такую подачу после подогрева двигателя.
Недостатком данного способа является:
использование теплоаккумулирующего блока с большими массогабаритными характеристиками, так как для тепловой подготовки ДВС с целью его надежного пуска необходимо большое количество тепловой энергии;
отсутствие возможности поддержания в течение длительного промежутка времени требуемой температуры теплоносителя при неработающем (выключенном) ДВС в условиях отрицательных температур окружающей среды;
наличие теплопроводящих элементов, при помощи которых теплоаккумулирующий блок в режиме хранения связан с внешней средой (трубы контуров теплоносителя, выхлопных газов), что приводит к потере тепловой энергии, в результате чего уменьшается время его хранения.
Известен «Способ и устройство разогрева двигателей внутреннего сгорания» (см. патент РФ №2661561, С2, МПК F02N 19/10, опубл. 15.06.2017 г.), при котором во время работы двигателя с помощью замыкания тепловых контактов теплового клапана тепловую энергию от выхлопных газов двигателя направляют на нагрев теплоаккумулирующего вещества (TAB) и нагревают TAB до температуры, близкой к температуре выхлопных газов; после зарядки тепловую связь между TAB и выхлопными газами разрывают размыканием тепловых контактов теплового клапана и хранят в вакуумированной термоизолированной емкости; при подогреве двигателя включают циркуляцию жидкости через ТА, замыканием тепловых контактов теплового клапана устанавливают тепловую связь между TAB и циркуляцией теплоносителя, осуществляя подогрев двигателя.
Недостатком данного способа является:
необходимость использования вакуумированной термоизолированной емкости с TAB с большими массогабаритными характеристиками, так как для тепловой подготовки ДВС с целью его надежного пуска необходимо большое количество тепловой энергии;
отсутствие возможности поддержания в течение длительного промежутка времени требуемой температуры теплоносителя при неработающем (выключенном) ДВС в условиях отрицательных температур окружающей среды;
низкая эффективность предложенного устройства, не позволяющего обеспечить быстрый и равномерный нагрев TAB, ввиду малой площади теплообмена между выхлопными газами ДВС, TAB и теплоносителем СО ДВС.
Известно «Устройство для предпусковой тепловой подготовки силовых установок» (см. патент UA №15935, МПК F02N 17/00, опубл. 30.06.1997 г.), принятое за прототип, состоящее из теплового аккумулятора, соединенного с помощью трубопроводов с двигателем, двух циркуляционных насосов, воздушного насоса, воздухофильтра.
Недостатком данного устройства является:
необходимость использования теплового аккумулятора фазового перехода (ТАФП) с большими массогабаритными характеристиками, так как для тепловой подготовки ДВС с целью его надежного пуска необходимо большое количество тепловой энергии;
отсутствие возможности поддержания в течение длительного промежутка времени требуемой температуры теплоносителя при неработающем (выключенном) ДВС в условиях отрицательных температур окружающей среды;
значительные потери ТАФП, запасенной тепловой энергии в окружающую среду, через стальной корпус с внешней термоизоляцией, который по своим физическим свойствам слабо сохраняет тепловую энергию;
малая площадь теплообмена теплоносителя с металлическими цилиндрическими капсулами с ТАМ и наоборот, что ведет к увеличению времени зарядки и разрядки ТАФП.
Техническим результатом, предлагаемого устройства предпусковой подготовки ДВС является:
повышение эффективности использования ТАФП, при уменьшенных массогабаритных характеристиках;
увеличение скорости нагрева и времени поддержания требуемой температуры теплоносителя в объеме внутреннего корпуса ТАФП, при неработающем (выключенном) ДВС.
Указанный технический результат достигается за счет:
выполнения полых трубок с теплоаккумулирующим материалом из металла;
снабжения входного и выходного патрубков двумя клапанами с температурными датчиками;
размещения обмотки индукционного устройства электроподогрева внутри корпуса ТАФП;
выполнения тепловой изоляции ТАФП из стекловолокна.
Предложенное устройство предпусковой подготовки ДВС позволит:
значительно уменьшить массогабаритные характеристики ТАФП;
увеличить скорость нагрева теплоносителя в ТАФП;
увеличить время поддержания требуемой температуры теплоносителя в объеме внутреннего корпуса ТАФП, при неработающем (выключенном) две.
Предложение поясняется фиг. 1, на которой представлена принципиальная схема, реализующая данное устройство предпусковой подготовки ДВС. Он состоит из ДВС 1, ТАФП 2, состоящего из металлического наружного корпуса 3, отделенного от него тепловой изоляцией из стекловолокна 4, металлического внутреннего корпуса 5, внутри которого размещены металлические полые трубки с ТАМ 6 и обмотка индукционного устройства электроподогрева 7, входной патрубок 8, выходной патрубок 9, два клапана с температурным датчиком 10, и электрического жидкостного насоса 11.
На фиг. 2 изображен ТАФП 2 в разрезе, с обозначением его основных элементов: металлического наружного корпуса 3, отделенного от него тепловой изоляцией из стекловолокна 4, металлического внутреннего корпуса 5, внутри которого размещены металлические полые трубки с ТАМ 6 и обмотка индукционного устройства электроподогрева 7.
На фиг. 3 изображена металлическая полая трубка с ТАМ 6 в разрезе, с обозначением ее основных элементов: внешняя стенка металлической полой трубки 1, ТАМ 2, внутренняя стенка металлической полой трубки 3.
Предложенное устройство предпусковой подготовки ДВС функционирует в трех режимах: режим накопления тепловой энергии (зарядка), режим хранения накопленной тепловой энергии и режим предпусковой тепловой подготовки ДВС (разрядка).
Режим «зарядка», (фиг. 1) Накопление ТАФП 2 тепловой энергии осуществляется при работе ДВС 1, за счет теплообмена теплоносителя СО ДВС 1 с металлическими полыми трубками с ТАМ 6. Теплоноситель подводится через входной патрубок 8, проходит через полые трубки с ТАМ 6 и щелевые зазоры между трубками, нагревает полые трубки с ТАМ 6 и отводится через выходной патрубок 9. При этом ТАМ 2 (фиг. 3) нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ним и теплоносителем.
Режим «хранение», (фиг. 1) Сохранность накопленной тепловой энергии (сведения к минимуму его утечки) осуществляется за счет наличия между наружным корпусом 3 и внутренним корпусом 5 тепловой изоляции 4 из стекловолокна. Во время понижения температуры теплоносителя (остывания) в ТАФП 2 до наступления температурного равновесия между теплоносителем и ТАМ 2, по сигналу электронного блока управления (ЭБУ) (на рисунке не показан), происходит кратковременная подача тока (от аккумуляторных батарей или внешнего источника электрической энергии) на обмотку индукционного устройства электроподогрева 7, образующее переменное электромагнитное поле, бесконтактно передающее тепловую энергию металлическим полым трубкам с ТАМ 6, а также металлическому внутреннему корпусу 5 ТАФП 2, что в свою очередь увеличивает время поддержания (хранения), требуемой температуры теплоносителя в объеме внутреннего корпуса ТАФП 2, при неработающем (выключенном) ДВС 1.
Режим «разрядка», (фиг. 1) Предпусковая подготовка ДВС 1 осуществляется за счет подачи в рубашку СО ДВС 1 подогретой порции теплоносителя из ТАФП 2. Циркуляция теплоносителя обеспечивается с помощью электрического жидкостного насоса 11, который закачивает в рубашку СО ДВС 1 подогретую порцию теплоносителя, вытесняя охлажденный теплоноситель в ТАФП 2. Попадая в ТАФП 2, охлажденная порция теплоносителя подогревается, контактируя с металлическими полыми трубками с ТАМ 6, обмоткой индукционного устройства электроподогрева 7 и металлическим внутренним корпусом 5. Вследствие чего ТАМ 2 (фиг. 3) претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое и выделяет скрытую тепловую энергию. При достижении ТАМ 2 температуры 50°С, по сигналу ЭБУ, происходит кратковременная подача тока на обмотку индукционного устройства электроподогрева 7, в результате воздействия переменного электромагнитного поля происходит подогрев металлических полых трубок с ТАМ 6 и металлического внутреннего корпуса 5 ТАФП 2. Вследствие чего происходит подогрев очередной порции теплоносителя в ТАФП 2. Данный цикл повторяется до тех пор, пока в ТАФП 2 не начнет поступать теплоноситель из СО ДВС 1, температура которого не ниже 10°С. (фиг. 1)
Предлагаемое устройство предпусковой подготовки ДВС позволяет накапливать тепловую энергию при работающем ДВС, во время хранения теплоносителя в ТАФП, а также во время предпусковой подготовки ДВС (при выключенном ДВС) и отдавать ее теплоносителю СО ДВС с целью поддержания его требуемой температуры, необходимой для надежного пуска в условиях отрицательных температур окружающей среды.