СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к автономным системам прогрева транспортных средств, и предназначена для автоматического обеспечения заданного теплового режима двигателя внутреннего сгорания транспортного средства и систем подачи смазки при низкой температуре окружающей среды.
Известно устройство для обогрева масляного фильтра двигателя внутреннего сгорания (Патент RU №25668, МПК Н05В 3/58, F01M 5/02, опубликован 10.10.2002 г.), содержащее основание в виде втулки со сквозной прорезью вдоль оси, выполненной из эластичного теплостойкого материала, электрический нагревательный элемент, средство подключения упомянутого элемента к источнику энергии, средство крепления упомянутой втулки на наружной поверхности упомянутого фильтра, а электрический нагревательный элемент выполнен в виде полосы ткани с волокнами из стекловолокна, в средней части которой нанесен слой пиролитического углерода, а по краям упомянутого слоя расположены гибкие электропроводные контактные элементы, имеющие соединение со средством подключения.
Недостатками данного устройства является сложность конструкции, а нагревательный элемент имеет низкую надежность, высокую пожароопасность, обусловленную материалом используемых нагревательных элементов, т.е. применяемые элементы недостаточно долговечны, прочны, подвержены механическим повреждениям и т.п., обогревается только фильтр топливной системы, остальные элементы системы обогреву не подвержены.
Известна система облегчения пуска двигателя внутреннего сгорания транспортного средства (Патент RU №2200872, МПК F02N 17/00, F01M 5/02, опубликован 20.03.2003 г.), содержащая элементы системы охлаждения и смазочной системы двигателя внутреннего сгорания, теплоаккумулятор, соединенный с рубашкой охлаждения двигателя, в смазочной системе установлен гидротеплоаккумулятор, при этом теплоаккумулятор и гидротеплоаккумулятор снабжены электромагнитными клапанами, а система выполнена с блоком управления, связанным с вышеуказанными клапанами.
Недостатками данной системы являются повышенные массогабаритные параметры теплоизолирующего корпуса из-за наличия емкости для хранения жидкости; установки жидкостного теплообменника в масляном картере, а также значительные потери теплоты в соединительных трубопроводах и запаздывание поступления разогретого масла в смазочную систему двигателя в процессе его пуска, сложность в эксплуатации.
Известен электронагреватель моторного масла для запуска двигателя внутреннего сгорания (Патент RU №2196235, МПК F01M 5/02, опубликован 10.01.2003 г.), содержащий гибкий нагревательный элемент в виде провода, связанный через соединительный провод в изоляции со средствами подключения к сети, дополнительно содержащий упругопластичный стальной провод без изоляции, соединенный одним концом со средствами подключения к сети, а другим - со свободным концом гибкого нагревательного провода, выполненного в виде жгута из углеродных нитей в оплетке из фторполимера, при этом жгут из углеродных нитей и соединительный провод расположены вдоль всей длины упругопластичного провода, концы углеродных нитей жгута подвергнуты лужению, а электрические соединения с концами жгута выполнены примоткой стальной или луженой проволочкой и обжатием стальной скрепкой, а гибкий нагревательный и соединительный провода прикреплены к упругопластичному проводу.
Основным недостатком данной конструкции является невысокая стойкость к изгибам из-за малого диаметра нагревательной проволоки, т.е. применяемые элементы недостаточно долговечны, прочны, подвержены механическим повреждениям. Подогревается только моторное масло, остальные элементы системы обогреву не подвержены.
Известно устройство для облегчения пуска ДВС (Патент RU №2151906, МПК F02N 17/04, F01M 5/02, опубликован 27.06.2000 г.), содержащее масляный насос, имеющий привод от пускового двигателя, всасывающий и нагнетающий маслопроводы, имеющие выход в масляный поддон, регулируемый дроссель, установленный в нагнетающем маслопроводе, и переключатель, соединяющий нагнетающий и подводящий маслопроводы, блок управления и индикации, во всасывающем маслопроводе установлены тепловой аккумулятор и два температурных датчика, а переключатель выполнен в виде электромагнитного клапана.
Недостатки данного устройства заключаются в том, что нагрев масла с помощью только прокачки его через дроссель требует значительного времени; полый кожух, размещенный в поддоне основного двигателя, аккумулирует на себя часть тепла разогреваемого масла, что увеличивает время его разогрева, в устройстве отсутствуют органы контроля и сигнализации за процессом нагрева масла; для соединения нагнетающего и подводящего маслопроводов используется механический кран, что связано с необходимостью использования человека. Обогревается только масло, остальные элементы системы обогреву не подвержены.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является автоматизированная система предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания (Патент RU №134248, МПК F02N 19/04, F01M 5/02, F02M 31/125, опубликован 10.11.2013 г.), включающая электроподогреватели охлаждающей жидкости, моторного масла, аккумуляторной батареи, топливного фильтра и топливозаборника, подключенных к блоку управления, оснащенная датчиками температуры охлаждающей жидкости, моторного масла, дизельного топлива, электролита аккумуляторной батареи, окружающей среды, датчиками плотности электролита, прозрачности дизельного топлива и дополнительным масляным насосом, подогреватели, датчики и дополнительный масляный насос подключены к микропроцессорному блоку управления, оснащенному блоком индикации.
Однако известное устройство обладает следующими недостатками: в системе для подогрева фильтров тонкой и грубой очистки дизельного топлива используются подогреватели ленточного типа, которые обладают повышенной пожароопасностью и малой долговечностью, большие затраты электроэнергии аккумуляторной батареи, которая одновременно с питанием работы стартера тратит электроэнергию на обогрев элементов предпусковой тепловой подготовки двигателя внутреннего сгорания, может привести к ее глубокому разряду, в результате чего пуск двигателя будет невозможен, а также произойдет необратимое ухудшение характеристик аккумуляторной батареи. Для гарантированного пуска двигателя необходимо достаточно длительное время для создания теплового режима перед выходом двигателя на режим пуска. Эта характеристика существенно зависит от температуры окружающей среды.
У известных устройств и заявляемой полезной модели имеются следующие существенные признаки:
- выполняемая функция - обогрев двигателя и его систем с использованием нагревательных элементов;
- недостатком всех известных устройств является их высокая пожароопасность, обусловленная материалом используемых нагревательных элементов, т.е. применяемые элементы недостаточно долговечны, прочны, подвержены механическим повреждениям и т.п;
- для гарантированного пуска двигателя требуется длительное время для обеспечения теплового режима перед выходом двигателя на режим пуска. Эта характеристика существенно зависит от температуры окружающей среды.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение эффективного адаптивного поддержания заданного теплового режима двигателя внутреннего сгорания и его систем при низкой температуре окружающей среды, обеспечение постоянной готовности двигателя к пуску и принятию нагрузки, а транспортного средства к выходу из парка.
Задачами полезной модели является обеспечение постоянной готовности двигателя к принятию нагрузки, а транспортного средства к выходу из парка.
Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство, включающее электроподогреватели охлаждающей жидкости, моторного масла, аккумуляторной батареи, топливного фильтра и топливозаборника, подключенные к блоку управления, оснащенные датчиками температуры охлаждающей жидкости, моторного масла, дизельного топлива, электролита аккумуляторной батареи, окружающей среды, датчиками плотности электролита, прозрачности дизельного топлива и дополнительным масляным насосом, подогреватели, датчики и дополнительный масляный насос подключены к микропроцессорному блоку управления, оснащенному блоком индикации, а для поддержания заданной температуры введены гибкие нагревательные элементы, выполненные в виде многослойных электрически обогреваемых матов, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением, например, оксидов металлов, для повышения эффективности работы нагревательных элементов, в состав обогреваемых матов включен отражающий слой, выполненный из алюминиевой пленки путем вакуумного напыления.
Применение гибких нагревательных элементов в виде электрически обогреваемых матов, размещенных на внешних поверхностях обогреваемых элементов систем двигателя, расположенных децентрализованно, т.е. раздельно, что позволяет подключать их индивидуально или комплексно. Это обеспечивает более эффективный обогрев элементов двигателя. Гибкие нагревательные элементы для поддержания теплового режима ДВС в условиях низких температур выполнены из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов) и расположены в многослойном мате, соединенном токопроводом с внешним (автономным) источником питания, а линиями управления с блоком управления.
Электрически обогреваемые маты для защиты изготавливаются из водо- и морозостойкого материала, обеспечивающего эластичность материала тепловолокна с встроенной системой терморегулирования и термоотключения. Обогревающие маты предусматривают возможность регулирования поступления тепла к обогреваемому элементу во избежание общего или локального его перегрева.
Автономный источник питания системы поддержания теплового режима ДВС в условиях низких температур для сохранения (поддержания) заданной температуры двигателя подключается к транспортному средству в боксе, автопарке, на стоянке.
Максимальная температура гибкого нагревательного элемента, выполненного из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, не превышает плюс 25-30°C, а в случае перегорания (повреждения) электрического провода (лавсановых нитей с резистивным напылением серебра, оксидов металлов) в обогреваемом мате, он не возгорается, что повышает пожаро- и взрывобезопасность устройства в целом.
Обогреваемые маты, изготовленные из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов), обладают следующими преимуществами:
- механическая стойкость и «супергибкость» - до 1500000 изгибов на точку, можно мять, складывать в любые положения, стирать в стиральной машине;
- изделия успешно прошли испытания при экстремальных условиях;
- быстрая скорость нагрева тепловолокна - 1°C в секунду.
Для регулирования прогрева обогреваемых матов нагревательные элементы могут подключаться индивидуально и/или группами, в зависимости от температуры окружающей среды, что существенно снижает затраты энергии на обогрев элементов системы поддержания теплового режима ДВС в условиях низких температур до заданной температуры и позволяет максимально использовать тепловую энергию электронагревателей для нагрева элементов ДВС.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованиям новизны.
Полезная модель поясняется прилагаемыми чертежами, где:
на фиг. 1 приведена общая схема предлагаемой системы поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур;
на фиг. 2 приведена схема нагревательных элементов, выполненных в виде многослойных электрически обогреваемых матов, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов);
на фиг. 3 представлен вариант конструктивного исполнения нагревательного элемента, предназначенного для обогрева охлаждающей жидкости, топливного фильтра тонкой очистки, топливного фильтра грубой очистки, а также масляного насоса;
на фиг. 4 представлен вариант конструктивного исполнения нагревательного элемента, предназначенного для обогрева моторного масла в поддоне картера двигателя, топливного бака и аккумуляторной батареи.
Система поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур состоит из блока управления 1, исполнительных устройств и чувствительных элементов. В качестве исполнительных элементов используются гибкие нагревательные элементы: охлаждающей жидкости 2, моторного масла в поддоне картера 3 двигателя 4, топливного фильтра тонкой очистки 5, топливного фильтра грубой очистки 6 и топливного бака 7, аккумуляторной батареи 8, а также масляного насоса 9 с электроприводом. В качестве электроподогревателей используются гибкие нагревательные элементы, выполненные в виде многослойных электрически обогреваемых матов 10, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением оксидов металлов, для повышения эффективности работы нагревательных элементов в состав обогреваемых матов включен отражающий слой, выполненный из алюминиевой пленки способом вакуумного напыления.
Подключение источника питания 11 к гибкому нагревательному элементу 10 осуществляется через блок управления 1. Таким образом, каждая из клемм изолирована от "массы" и не зависит одна от другой, т.е. каждый блок (группа) нагревательных матов получает электропитание только через свою, предназначенную только для него клемму, не зависимую от клеммы другого нагревательного элемента.
С наружной поверхности гибкие нагревательные элементы 10 закрыты термоизоляционным (защитным) слоем, выполненным из плотного материала (четвертый слой обогреваемого мата 10).
С наружной стороны термоизоляционного (защитного) слоя расположен разъем 12, позволяющий подавать питание на нагревательные элементы 10, как от бортовой сети автомобиля (аккумулятора 8), так и от внешней сети 220 В (автономного источника питания 11).
Гибкие нагревательные элементы 10 выполнены из четырех слоев, расположенных в следующей последовательности (сверху вниз) в соответствии с фиг. 2:
- первый слой А - предназначен для интенсивной передачи тепла к обогреваемому элементу, а также обеспечивает плотное прилегание к внешним боковым и образующим поверхностям, учитывающим геометрическую форму обогреваемого элемента, достаточно тонкая часть первого слоя многослойного обогреваемого мата обеспечивает минимальный тепловой зазор;
второй слой Б - слой с размещенными нагревательными элементами, выполненными из лавсановых нитей с резистивным напылением оксидов металлов, которые могут подключаться ступенчато и группами. Температура нагрева нагревательных элементов зависит от плотности тока, протекающего по нагревательным проводам, которая напрямую связана с величиной электрического напряжения, подводимого к специально формируемым токоподводящим шинам (не показаны), предварительно нанесенным на слой материала. Задавая величину питающего напряжения, можно регулировать тепловыделение нагревательных проводов, а значит, и их температуру;
третий слой В - защитный изолирующий слой, предназначен для придания жесткости, гибкости, прочности при изгибе и влагостойкости, с малой теплопроводностью и высокой проницаемостью для теплового излучения;
четвертый слой Г - отражающий слой, размещен с тыльной стороны обогреваемого мата. Отражающая поверхность отражающего слоя сопряжена непосредственно с материалом изолирующего слоя, например, путем наложения металлической фольги на изолирующий слой способом вакуумного испарения. Этот слой предназначен для уменьшения рассеивания тепла от нагревательного элемента в окружающую среду, с размещением по его периметру заземляющего контура (не показан).
Свойства каждого из слоев электрических гибких нагревательных элементов 10 в совокупности позволяют обеспечить заявленный технический результат.
Электрический гибкий нагревательный элемент 10 для предпускового подогрева картерного масла может быть выполнен в виде неразъемного изделия.
Чувствительными элементами, входящими в состав системы поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур, являются: датчик температуры охлаждающей жидкости 13, датчик температуры моторного масла 14, датчики температуры дизельного топлива в фильтре тонкой очистки 15 и в топливном баке 16, датчик температуры электролита 17 аккумуляторной батареи 8 и датчик температуры окружающей среды 18. Помимо этого применяются датчики плотности электролита 19 аккумуляторной батареи 8, оптической прозрачности дизельного топлива 20. Так же система поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур содержит блок индикации 21.
На фиг. 3 представлен вариант конструктивного исполнения гибкого нагревательного элемента 10, предназначенного для обогрева охлаждающей жидкости 2, топливного фильтра тонкой очистки 5, топливного фильтра грубой очистки 6, а также масляного насоса 9, содержащего основание в виде втулки 22 из упругого теплостойкого материала, со сквозной прорезью 23 вдоль оси втулки, на внутренней поверхности втулки 22 закреплен гибкий многослойный электрически обогреваемый мат 24, с размещенными децентрализованно в нем нагревающими проводами 25, выполненными из лавсановых нитей с резистивным напылением оксидов металлов.
Источник питания подсоединен к нагревающему проводу 25 через изолированные от "массы" клеммы 26. Таким образом, каждая из клемм изолирована от "массы" и не зависит одна от другой, т.е. каждый блок (группа) нагревающих проводов 25 может получать электропитание только через свою, предназначенную только для него клемму, не зависимую от клеммы другого нагревательного элемента.
С наружной поверхности обогреваемый мат 24 закрыт термоизоляционным (защитным) кожухом втулки 22, которая жестко закреплена на корпусе фильтра ленточными хомутами 27.
С наружной стороны термоизоляционного (защитного) кожуха втулки 22 расположены клеммы 26, позволяющие подавать питание на нагревающие провода 25, как от бортовой сети автомобиля, так и от внешней сети 220 В, а также датчики температуры 28 (для охлаждающей жидкости 13, для дизельного топлива в фильтре тонкой и грубой очистки 15, масляного насоса 9), которое регулирует степень нагрева обогреваемого мата 24, в зависимости от температуры окружающей среды.
На фиг. 4 представлен вариант конструктивного исполнения гибкого нагревательного элемента 10, предназначенного для обогрева моторного масла в поддоне картера 3 двигателя 4, топливного бака 7 и аккумуляторной батареи 8, выполненного в виде плоского обогреваемого мата. Гибкий нагревательный элемент 10 находится в непосредственном контакте с нижней и боковыми поверхностями аккумулятора 8, днищем и боковыми поверхностями поддона картера 3 двигателя 4, днищем и боковыми поверхностями топливного бака 7, выполнен в виде многослойных электрически обогреваемых матов 29, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов). Для повышения эффективности работы нагревательных элементов в состав обогреваемых матов 29 включен отражающий слой, выполненный из алюминиевой пленки способом вакуумного напыления, гибкие нагревающие провода 25 расположены децентрализованно, т.е. со смещением, что позволяет подключать их ступенчато, за счет увеличения поверхности теплоотдачи в зависимости от температуры окружающей среды.
Чувствительными элементами обогрева моторного масла в поддоне картера 3 двигателя 4, топливного бака 7 и аккумуляторной батареи 8 являются: датчик температуры моторного масла 14, датчики температуры дизельного топлива в топливном баке 16, датчик температуры электролита 17 аккумуляторной батареи 8.
Система поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур работает следующим образом. Непосредственно после остановки двигателя транспортного средства подключается внешний источник питания 11 к гибким нагревательным элементам 10, подключение осуществляется через блок управления 1.
Электрический ток проходит через нагревательные элементы 10, выполненные из лавсановых нитей с резистивным напылением оксидов металлов, гибкие нагревательные элементы 10 выделяют тепло, нагреваются до расчетной температуры, тем самым происходит эффективное выделение тепла для нагрева охлаждающей жидкости 2, моторного масла в поддоне картера 3 двигателя 4, топливного фильтра тонкой очистки 5, топливного фильтра грубой очистки 6 и топливного бака 7, аккумуляторной батареи 8, а также масляного насоса 9. Если температура заданного гибкого нагревательного элемента 10 достигает установленного значения (прописанного в блоке управления 1), в зависимости от температуры окружающей среды, то блок управления 1 выдает команду на размыкание контактов данного гибкого нагревательного элемента 10 и нагрев временно прекращается. При понижении температуры данного гибкого нагревательного элемента 10 до установленной нижней границы температуры процесс нагрева возобновляется.
Датчики температуры охлаждающей жидкости 13, температуры моторного масла 14, температуры дизельного топлива в фильтре тонкой очистки 15 и в топливном баке 16, температуры электролита 17 аккумуляторной батареи 8 осуществляют постоянный контроль температуры в элементах системы топливоснабжения, смазки, охлаждения и энергоснабжения в зависимости от показаний датчика температуры окружающей среды 18, выдавая информацию в блок управления 1. В случае если существует разница между информацией с датчиков и прописанной в блоке управления, выдается команда на подключение необходимого гибкого нагревательного элемента 10.
Например, когда температура масла в картере 3 двигателя ниже заданной критической точки, с датчика 14 формируется сигнал на выдачу команды блоком управления 1 на включение гибкого нагревательного элемента 10, размещенного в картере 3 ДВС. После прогрева масла в картере 3 ДВС до установленной температуры датчик 14 формирует сигнал в блоке управления 1, который выдает команду на отключение гибкого нагревательного элемента 10.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет в условиях низких температур окружающего воздуха производить многократный запуск теплого двигателя, улучшая тем самым его эксплуатационные характеристики, сохраняя энергоресурсы и пожаробезопасность.
Предлагаемая система поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур позволяет снизить температурную и вязкостную неравномерность прогрева масла, топлива и охлаждающей жидкости, повысить эффективность использования гибких нагревательных элементов за счет эффективной теплоотдачи от них и увеличения теплообменной поверхности.
Технико-экономическая эффективность предлагаемой системы поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур заключается в том, что применение электрических гибких нагревательных элементов 10 такой конструкции позволяет обеспечить лучший термический контакт между двумя средами и соответственно повысить коэффициент полезного действия постоянного подогрева элементов ДВС.
Повышение КПД системы поддержания теплового режима ДВС в готовности к пуску в условиях низких температур для поддержания заданной температуры элементов ДВС достигается тем, что применение гибких нагревательных элементов 10, выполненных в виде многослойных электрически обогреваемых матов, изготовленных из лавсановых нитей с резистивным напылением серебра (оксидов металлов), с отражающим слоем, выполненным из алюминиевой пленки способом вакуумного напыления.
Достигается более полное и эффективное использование теплоты, накопленной двигателем и выделяемой нагревательными элементами, улучшаются экономические и экологические характеристики поддержания теплового режима двигателя в целом.
Технический результат: быстрый и надежный пуск двигателя, выход его на режим, а также более полное и эффективное использование теплоты, выделяемой нагревательными элементами, повышается коэффициент полезного действия поддержания теплового режима ДВС.