УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДОГРЕВА ТОПЛИВА ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к области автомобильного машиностроения, более конкретно, к устройству для подогрева топлива дизельных двигателей и может использоваться при эксплуатации автомобилей с дизельным двигателем, работающем на смесевом дизельном топливе или на, так называемом, биотопливе, состоящем, преимущественно, из смеси дизельного топлива и рапсового масла. Полезная модель может найти применение при зимней эксплуатации автомобилей с дизельным двигателем в различных областях промышленности, транспорта, сельского хозяйства и лесопромышленного комплекса.
При эксплуатации автомобилей с дизельным двигателем при низких температурах повышается вязкость топлива, ухудшается его прокачиваемость и наблюдается закупорка фильтров тонкой и грубой очистки из-за парафинизации. Данное явление происходит вследствие кристаллизации молекулярных цепочек твердых углеводородов, в большом количестве присутствующих в летнем дизельном топливе и в значительно меньших количествах - в зимнем. Этот эффект может наблюдаться не только в условиях Крайнего Севера, но и в районах средней полосы России.
Как известно, к дизельному топливу предъявляются следующие основные требования: температура кипения 200-350°С; коксовое число не должно превышать 0,1; содержание серы не более 0,2-0,5%; вязкость должна быть в пределах 1,15-1,70 градусов условной вязкости при 20°С; температура застывания должна соответствовать для тракторов и стационарных дизелей минус 35°С для зимнего сорта и не выше минус 10°С для летнего. Кроме того, для различных типов дизельного топлива имеется оптимальный для работы двигателя диапазон рабочих температур топлива, поступающего в камеру сгорания.
2
Перспективные виды смесевого биодизельного топлива, в том числе, состоящего из 50% смеси дизельного топлива с рапсовым маслом, в сравнении с дизельным топливом нефтяного происхождения, обладают целым рядом неоспоримых преимуществ: более высоким цетановым числом (47-63) и существенно сниженным содержанием серы и вредных веществ в выбросах (CO, CH, CO, твердые частицы). Это повышает эксплуатационные характеристики дизельных двигателей, работающих на смесевом топливе. Однако биодизельное топливо имеет и свои недостатки: высокую температуру застывания (от минус 10 до минус 15°С), повышенное содержание воды, увеличенные расход топлива и количество выбросов оксида азота. По указанным причинам для подготовки биодизельного топлива к впрыску в камеры сгорания двигателя требуются фильтрующие системы предварительной очистки более высокого уровня, включающие средства для нагрева топлива, отделения воды и т.п. (см., например, http://www.specmash.info/wp-content).
Обзор современных технических решений в данной области показывает, что для повышения эффективности работы двигателей и борьбы с парафинизацией стандартного дизельного топлива, особенно, смесевого биодизельного топлива, системы топливоподачи дизельных двигателей должны оборудоваться специальными подогревателями. В первую очередь, это касается топливных фильтров грубой и тонкой очистки, поскольку именно фильтры являются самыми уязвимыми местами с точки зрения потери пропускной способности. Известные компании Cummins Filtration (бренд Fleetguard), Mann+Hummel (Mann-Filter), Willibrord Losing (Separ) используют для конвейерной комплектации подогреваемые фильтры-сепараторы. Подобные решения взял на вооружение и отечественный автопром, так фильтры Mann-Filter Preline и Separ 2000 можно встретить на новых автомобилях семейства КАМАЗ. Для доработки топливных систем автомобилей, находящихся в эксплуатации, на российском рынке используются электроподогреватели Diesel-Therm для установки перед фильтром в топливопровод или для вкручивания непосредственно в корпус топливного фильтра.
В частности, белорусская компания «Номакон» выпускает нагревательные устройства для модернизации топливных фильтров, топливопроводов и топливных заборников, а также гибкие ленточные подогреватели. Проточные подогреватели этой компании серии ПП-200, ПП-201 и ПП-202 используются для пускового и маршевого подогрева дизельного топлива в магистрали перед фильтрами тонкой очистки. Указанные подогреватели снабжены встроенным блоком управления, который позволяет автоматически подстраивать температурный режим работы подогревателя в зависимости от расхода топлива и его температуры по порогу включения от +5°С, что не только исключает перегрев топлива, но и способствует оптимизации расхода электроэнергии бортовой сети. При более низких температурах до - 5°С возможно использовать бандажный подогреватель фильтра тонкой очистки для предпускового и маршевого подогрева. Если необходимо обеспечить эксплуатацию автомобиля при температуре до - 40°С предпочтительно совместное применение подогревателей фильтра тонкой очистки, сепаратора и топливозаборника с повышенной мощностью обогрева (см., например, http://www.park5.ru/picture/4609).
Известно устройство подогрева топлива для двигателя внутреннего сгорания с системой его питания топливом, включающей топливозаборный патрубок, фильтры и топливный бак, содержащее связанные с источником питания подогреватели, один из которых установлен на топливозаборном патрубке, а другие на фильтрах (см. патент РФ №2093373, МПК В60К 15/077, опублик. 20.10.1997).
Особенностью известного устройства является то, что подогреватели выполнены в виде корпуса с расположенными по его внешней поверхности саморегулируемыми нагревательными полупроводниковыми элементами, прижатыми к нему посредством пружинных контактов, при этом один из подогревателей установлен на конце топливозаборного патрубка, размещенного внутри топливного бака, а другие подогреватели установлены между крышкой фильтра и его корпусом или на крышке фильтра.
Указанные подогреватели снабжены нагревательным полупроводниковым позисторными элементами, имеющими форму таблеток, а в качестве электронного блока управления полупроводниковыми элементами использована электрическая схема автомобиля. При подаче тока на нагревательный полупроводниковый позисторный элемент он нагревается до расчетной температуры (точка переключения), после которой резко растет сопротивление полупроводниковой структуры и нагреватель "запирается". По мере увеличения потерь тепла в полупроводниковом элементе, температура в нем становится ниже точки переключения, генерирование тепла возрастает, компенсируя потери тепла, что обусловливает эффект саморегулирования во всей массе подогревателя.
Недостатками известного устройства являются повышенная стоимость полупроводниковых позисторных элементов, их инерционность и локальное тепловое воздействие на фильтрующий элемент. Это сопровождается прогревом верхней части фильтра, в то время как интенсивность теплового воздействия на среднюю и придонную зоны фильтра является недостаточной. Указанные факторы снижают технологические возможности нагревательной системы и ухудшают условия запуска двигателя.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство для подогрева топлива дизельных двигателей, содержащее проточный электрический нагреватель топлива, установленный перед входом фильтра тонкой очистки и блок управления (см. патент РФ №2196245, МПК F02M 31/125, F02M 37/14, опублик. 10.01.2003 - прототип).
Особенностью известного устройства является то, что оно содержит 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, причем 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.
К недостаткам известного технического решения следует отнести повышенную сложность используемой системы управления устройством для подогрева топлива дизельных двигателей, поскольку электронный блок управления выполнен в виде электрически связанных между собой центрального процессора, светодиодного индикатора режима работ, стабилизатора напряжения, датчика температуры, двух электронных ключей и схемы контроля напряжения, причем входы центрального процессора соединены с выходами стабилизатора напряжения, датчика температуры и схемы контроля напряжения, соответственно, а выходы центрального процессора подсоединены к входам двух электронных ключей, включенных к входам-выходам проточного нагревателя и нагревателя фильтра, соответственно, входу-выходу светодиодного индикатора режима работ центрального процессора. Указанные обстоятельства ограничивают области использования известного устройства и снижают его технологические возможности, особенно, в случае применения смесевого дизельного топлива.
Технический результат предложенной полезной модели заключается в устранении недостатков известных технических решений, упрощении и расширении технологических возможностей автоматического устройства для подогрева смесевого дизельного топлива при одновременном увеличении работоспособности топливной аппаратуры и фильтров тонкой очистки в условиях низких температур окружающей среды.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для подогрева топлива дизельных двигателей, содержащем проточный электрический нагреватель топлива, установленный перед входом фильтра тонкой очистки, и блок управления, согласно полезной модели, между выходом проточного электрического нагревателя топлива и входом фильтра тонкой очистки в тепловом контакте с ними размещен термоэлектрический выключатель с рабочим элементом в виде биметаллической пластины, выполненный с возможностью разрыва электрической цепи указанного нагревателя при подогреве топлива до максимально допустимой рабочей температуры и соединения электрической цепи при охлаждении топлива до минимально допустимой рабочей температуры, причем термоэлектрический выключатель подключен к электрической цепи проточного электрического нагревателя напрямую или через блок управления.
Кроме того, устройство может содержать проточный электрический нагреватель для подогрева смесевого топлива, состоящего, преимущественно, из смеси в отношении 1:1 дизельного топлива и рапсового масла, причем установленный перед входом фильтра тонкой очистки термоэлектрический выключатель выполнен с возможностью разрыва электрической цепи указанного нагревателя при подогреве указанного смесевого топлива до температуры +75°С и соединения электрической цепи при охлаждении топлива до температуры +65°С.
Кроме того, биметаллическая пластина рабочего элемента термоэлектрического выключателя может быть выполнена в форме тарелки, кинематически связанной с подвижным контактным элементом выключателя, а выводы неподвижных контактов выключателя подключены в разрыв электрической цепи проточного электрического нагревателя.
Кроме того, биметаллическая пластина рабочего элемента термоэлектрического выключателя может быть выполнена в форме пластины, кинематически связанной с подвижным контактным элементом выключателя, а слаботочные выводы его неподвижных контактов могут быть подключены к входу блока управления питанием проточного электрического нагревателя
Кроме того, устройство может содержать дополнительный ленточный электрический нагреватель, размещенный коаксиально фильтру тонкой очистки, выполненный в виде разрезного хомута с возможностью изменения своего диаметра и снабженный дополнительным термоэлектрическим выключателем, находящимся в тепловом контакте с цилиндрическим корпусом указанного фильтра.
Такое выполнение полезной модели обеспечивает устранение недостатков известных технических решений и достижение указанного технического результата, связанного с упрощением устройства для подогрева стандартного или смесевого дизельного топлива, повышением надежности запуска двигателя и работоспособности топливной аппаратуры при низких температурах окружающей среды. Максимальный технический результат достигается при использовании смесевого дизельного топлива, состоящего, преимущественно, из смеси в отношении 1:1 дизельного топлива и рапсового масла, которое дешевле товарного дизельного топлива, имеет по сравнению с ним более высокое цетанове число и существенно сниженное содержание вредных веществ в выбросах.
На фиг.1 представлена конструктивная схема устройства для подогрева топлива дизельных двигателей, на фиг.2 показан схематический разрез термоэлектрического выключателя с биметаллической пластиной в форме тарелки.
Устройство для подогрева топлива дизельных двигателей содержит проточный электрический нагреватель 1 топлива, установленный перед входом фильтра 2 тонкой очистки. Между выходом проточного электрического нагревателя 1 топлива и входом фильтра 2 тонкой очистки в тепловом контакте с ними размещен термоэлектрический выключатель 3 с рабочим элементом в виде биметаллической пластины (на фиг.1 не показана).
Термоэлектрический выключатель 3 выполнен с возможностью разрыва электрической цепи нагревателя 1 при подогреве топлива до максимально допустимой рабочей температуры и соединения данной электрической цепи при охлаждении топлива до минимально допустимой рабочей температуры. При этом термоэлектрический выключатель 3 подключен к электрической цепи проточного электрического нагревателя 1 напрямую или через блок управления (не показан). Конструктивно термоэлектрический выключатель 3 закреплен на проставке 4, выполненой в виде фланца или кронштейна, размещенного вплотную к проточному электрическому нагревателю 1 топлива и к корпусу 5 фильтра 2 тонкой очистки. На противоположной стороне проставки 4 размещен топливный штуцер 6.
Проточный электрический нагреватель 1 может использоваться для подогрева стандартного или смесевого топлива, состоящего, преимущественно, из смеси в отношении 1:1 дизельного топлива и рапсового масла. При этом установленный перед входом фильтра 2 тонкой очистки термоэлектрический выключатель 3 выполнен с возможностью разрыва электрической цепи указанного нагревателя при подогреве указанного смесевого топлива до температуры +75°С и соединения электрической цепи при охлаждении топлива до температуры +65°С.
На фиг.1 фильтр 2 тонкой очистки (показан в разрезе) герметично закреплен на корпусе 5 и содержит фильтрующий элемент 7, сливной штуцер 8, пружину 9 и дополнительный ленточный электрический нагреватель 10, выполненный в виде разрезного хомута и размещенный коаксиально фильтру 1 тонкой очистки. Ленточный электрический нагреватель 10 снабжен дополнительным термоэлектрическим выключателем 11, находящимся в тепловом контакте с цилиндрическим корпусом фильтра 2. На фиг.1 видны электрические выводы нагревателей 1, 10 и выключателей 3, 11.
На фиг.2 термоэлектрического выключателя 3 показана биметаллическая пластина 12 в форме тарелки, которая кинематически связана с подвижным контактным элементом 13, который через пружину 14 контактирует с нижней контактной пластиной 15 и, в указанном на фиг.2 состоянии, с верхней неподвижной контактной пластиной 16. Цилиндрический корпус 17 выключателя 3 выполнен из изоляционного материала и имеет внутренний буртик 18 для фиксации периферийной части биметаллической пластины 12 термоэлектрического выключателя 3 в состоянии, когда подвижный контактный элемент 13 не соприкасается с верхней неподвижной контактной пластиной 16. Для изображенного на фиг.2 варианта выполнения термоэлектрического выключателя 3 выводы (не показаны) неподвижных контактов выключателя должны быть подключены в разрыв сильноточной электрической цепи проточного электрического нагревателя 1.
Другим вариантом предложенного устройства является выполнение термоэлектрического выключателя 3 в слаботочном исполнении (не показан). При этом биметаллическая пластина рабочего элемента может быть выполнена в форме плоской пластины, кинематически связанной с подвижным контактным элементом слаботочного выключателя, а выводы его неподвижных контактов подключены к входу специализированного блока управления питанием проточного электрического нагревателя. При низких температурах окружающего воздуха возможно использование дополнительного ленточного электрического нагревателя 10, размещенного коаксиально фильтру 2 тонкой очистки. Дополнительный нагреватель 10 выполнен в виде разрезного хомута с возможностью изменения своего диаметра и снабжен дополнительным термоэлектрическим выключателем 11, находящимся в тепловом контакте с цилиндрическим корпусом указанного фильтра для поддержания заданной температуры корпуса фильтра 2 путем автоматического включения и отключения нагревателя 10.
Устройство для подогрева смесевого топлива дизельных двигателей функционирует следующим образом.
При использовании смесевого дизельного топлива устройство для его подогрева активируется водителем при помощи выключателя на приборной панели, а процесс нагрева топлива отображается, преимущественно, посредством оптического индикатора (не показаны). Таким образом в качестве блока управления нагревателями используются компоненты электрической схемы и приборной панели автомобиля. Предложенное устройство достаточно простыми средствами решает проблему, связанную с применением смесевого топлива 50% РМ: 50% ДТ, а также облегчает запуск дизельного двигателя в холодное время года. Подогрев смесевого топлива при включении питания проточного электрического подогревателя 1 происходит за сравнительно короткое время, благодаря чему резко повышается его текучесть, топливо становится однородным, понижается его плотность и вязкость. Вследствие этого смесевое топливо свободно проходит через фильтр 2 тонкой очистки и предотвращается его закупоривание.
Нагревательный элемент проточного электрического подогревателя 1 автоматически отключается с помощью термоэлектрического выключателя 3 при температуре указанного смесевого топлива +75°С на входе в фильтр 2 и включается при температуре смесевого топлива +65°С. При достижении рабочей температуры смесевого топлива (+70°С±5°С) термоэлектрический выключатель 3 автоматически поддерживает ее в указанном диапазоне. При температуре корпуса 5 фильтра 2 тонкой очистки, проставки 4 и корпуса термоэлектрического выключателя 3 ниже температуры срабатывания биметаллическая пластина 12 в форме тарелки свободно опирается на фланец подвижного контактного элемента 13. Прижимная пружина 4 вынуждает замыкание неподвижных контактных пластин 15, 16 с помощью подвижного контактного элемента 13. При росте температуры окружающей среды до указанного значения температуры срабатывания выключателя 3 тарелка биметаллической пластины 12 скачкообразно изменяет положение своего прогиба на противоположный. При этом внешняя кромка биметаллической пластины 12 опирается на внутренний буртик 18 изоляционного корпуса 17, а ее центральная часть отгибается в сторону токоподводящей прижимной пружины 14, приводя к отведению подвижного контактного элемента 13 от верхней неподвижной контактной пластины 16.
Указанное состояние выключателя 3 поддерживается до тех пор, пока корпус выключателя 3 и находящиеся с ним в тепловом контакте узлы и детали 1, 4, 6 не остынут в достаточной мере. После охлаждения до указанной выше температуры, значение которой выходит из зоны гистерезиса биметаллической пластины 12, она автоматически возвращается в исходное положение, приводя к повторному скачкообразному замыканию контактов 15, 16 и обеспечивая подключение проточного электрического подогревателя 1 к источнику питания на очередной промежуток времени для нагрева смесевого топлива. Таким образом запускающим параметром автоматического термоэлектрического выключателя 3 является, прежде всего, заданное значение рабочей температуры используемого смесевого топлива. Работает предложенное устройство подогрева смесевого топлива от бортовой сети автомобиля и потребляет сранительно небольшое количество энергии, что делает ее использование безопасным.
При низких температурах окружающего воздуха возможно использовать дополнительный бандажный подогреватель 10 фильтра 2 тонкой очистки для предпускового и маршевого подогрева. Если необходимо обеспечить эксплуатацию автомобиля при очень низких температурах (до - 40°С) предпочтительно совместное применение проточного электрического нагреватель 1 и ленточного нагревателя 10 фильтра 2, а также подогрева сепаратора и топливозаборника. Управление подогревателями может осуществляться специальными клавишами на приборной панели автомобиля.
Предложенное техническое решение обеспечивает достижение указанного технического результата, связанного с упрощением устройства для подогрева стандартного или смесевого дизельного топлива, повышением надежности запуска двигателя и работоспособности топливной аппаратуры при низких температурах окружающей среды. Кроме того, при использовании дизельного топлива, состоящего из смеси в отношении 1:1 дизельного топлива и рапсового масла, достигается также улучшение экологических характеристик дизельных двигателей.