УСТРОЙСТВО ОБОГРЕВА
HEATER

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к вспомогательным средствам облегчения запуска двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.
Известны системы обогрева и отопления транспортных средств, теплообменник которых подсоединяется к охлаждающему контуру двигателя, электрические элементы - к бортовой сети, а система подачи топлива - к топливному баку автомобиля.
(См. Найман B.C. Все о предпусковых обогревателях и отопителях. - Москва, издательство: ACT, Астрель, Хранитель, 2007. (1)).
Общим недостатком указанных систем является то, что для питания их электрических элементов в автономном режиме (при неработающем двигателе транспортного средства) используется энергия аккумуляторной батареи. Это уменьшает допустимое время автономной работы систем. Указанный недостаток особенно сильно проявляется при температуре окружающей среды от -40 до- 60°С, так как в этом случае электрическая емкость аккумуляторной батареи существенно уменьшается, а время, необходимое для предпускового обогрева, увеличивается.
Известно устройство обогрева, содержащее горелку с источником воспламенения топлива, газоходом, устройством подачи воздуха в газоход и топливным насосом, термоэлектрический генератор с горячим и холодными спаями, электрически связанный через преобразователь напряжения с аккумуляторной батареей, теплообменник для холодного спая, сообщенный с системой охлаждения двигателя, насос подачи охлаждающей жидкости в теплообменник, элементы управления, причем горячий спай размещен в газоходе после горелки.
(См. патент РФ на изобретение №2268393 по кл. МПК: F02N 17/04 (2006.01), заявл. 27.01.2005 г., опубл. 20.01.2006 г. «Устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания» (2)).
Такое выполнение устройства обеспечивает увеличение допустимого времени его автономной работы за счет встроенного источника электроэнергии - термоэлектрического генератора.
Недостаток указанного устройства заключается в том, что размещение горячего спая термоэлектрического генератора в газоходе после горелки увеличивает тепловое сопротивление газоход - теплоноситель (охлаждающая жидкость), что уменьшает тепловую мощность устройства (уменьшается количество теплоты дымовых газов, передаваемое теплоносителю).
Указанный недостаток частично компенсируется за счет подачи дымовых газов в подкапотное пространство транспортного средства, однако такое решение не является достаточно эффективным из-за существенного рассеивания тепла в окружающую среду. Обогрев воздуха в подкапотном пространстве обеспечивает также обогрев аккумуляторной батареи, но он незначителен из-за низкой теплоемкости воздуха, что не позволяет эффективно использовать аккумуляторную батарею для питания электростартера при запуске двигателя внутреннего сгорания в зимних условиях.
Размещение горячего спая термоэлектрического генератора в газоходе после горелки требует использования термоэлектрических элементов с высокой рабочей температурой, что также является недостатком, так как усложняет и удорожает устройство.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа к заявляемому техническому решению является устройство обогрева, содержащее отсек с аккумуляторной батареей, утепленными стенками и днищем, в которое встроен радиатор, подключенный к системе обогрева и отопления транспортного средства через перекрывающий подачу теплоносителя кран.
(См. свидетельство РФ на полезную модель №34803 по кл. МПК-7: Н01М 10/50, заявл. 21.07.2003 г., опубл. 10.12.2003 г. «Аккумуляторный отсек транспортного средства» (3)).
Такое выполнение устройства обеспечивает эффективный обогрев аккумуляторной батареи, что повышает ток электростартера при запуске двигателя внутреннего сгорания в зимних условиях.
Для питания электрических элементов системы обогрева и отопления транспортного средства используется энергия аккумуляторной батареи. Это является недостатком указанного устройства, так как уменьшает допустимое время его автономной работы.
Задачей заявляемого изобретения является повышение допустимого времени автономной работы устройства обогрева без необходимости его существенного усложнения и снижения тепловой мощности.
Техническим результатом, позволяющим решить поставленную задачу, является применение термоэлектрического генератора в оптимальном режиме эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве обогрева, содержащем отсек с аккумуляторной батареей, утепленными стенками и днищем, в которое встроен радиатор, подключенный к системе обогрева и отопления транспортного средства через перекрывающий подачу теплоносителя кран, согласно изобретению между днищем и аккумуляторной батареей размещен термоэлектрический генератор, электрически связанный с аккумуляторной батареей.
Термоэлектрический генератор может быть электрически связан с аккумуляторной батареей через импульсный преобразователь напряжения, который содержит силовую часть и устройство управления с датчиком тока термоэлектрического генератора, датчиком напряжения термоэлектрического генератора и микропроцессором, выполненное таким образом, что обеспечивается условие U=I(ΔU/ΔI), где U - постоянная составляющая напряжения термоэлектрического генератора, I - постоянная составляющая тока термоэлектрического генератора, ΔU - амплитуда пульсаций напряжения термоэлектрического генератора, ΔI - амплитуда пульсаций тока термоэлектрического генератора.
Предлагаемое устройство обогрева может быть изготовлено на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, так как для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, широко выпускаемое отечественной и зарубежной промышленностью. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «промышленная применимость».
Проведенные исследования по патентным и научно-техническим источникам информации свидетельствуют о том, что предлагаемое устройство обогрева неизвестно из изученного уровня техники и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Признаки отличающие заявляемое устройство от прототипа следующие: между днищем и аккумуляторной батареей размещен термоэлектрический генератор, электрически связанный с аккумуляторной батареей. Из уровня техники известно использование термоэлектрического генератора электрически связанного с аккумуляторной батареей для повышения допустимого времени автономной работы устройства обогрева. Однако не подтверждена известность размещения термоэлектрического генератора между днищем (с встроенным в него радиатором, подключенным к системе обогрева и отопления транспортного средства) и аккумуляторной батареей, причем не является явным влияние данного признака на достижение технического результата - оптимизацию режима эксплуатации термоэлектрического генератора. Таким образом, предлагаемая система соответствует критерию «изобретательский уровень».
Оптимизация режима эксплуатации термоэлектрического генератора позволяет решить поставленную задачу, а именно повышение допустимого времени автономной работы устройства обогрева без необходимости его существенного усложнения и снижения тепловой мощности.
Размещение термоэлектрического генератора между днищем и аккумуляторной батареей влияет на достижение технического результата следующим образом:
- конструкция газохода и теплообменника системы обогрева и отопления транспортного средства не требует изменений, то есть, предлагаемое устройство обогрева может использоваться в составе широко распространенных серийно выпускаемых систем (1);
- не происходит уменьшения тепловой мощности системы обогрева и отопления транспортного средства, так как тепловое сопротивление газоход - теплоноситель (охлаждающая жидкость) остается неизменным в отличие от аналога (2);
- для построения термоэлектрического генератора могут использоваться элементы Пельтье с рабочей температурой горячего спая, не превышающей 100°С, в отличие от аналога (2);
- электрическая мощность, вырабатываемая термоэлектрическим генератором, оптимально зависит от степени заряженности аккумуляторной батареи, а именно: с понижением температуры окружающей среды уменьшается степень заряженности аккумуляторной батареи и одновременно увеличивается температурный напор на спаях термоэлектрического генератора. При этом увеличивается электрический ток подзарядки аккумуляторной батареи, поступающий от связанного с ней термоэлектрического генератора.
В зависимости от температурного напора на спаях термоэлектрического генератора изменяются его электродвижущая сила и внутреннее сопротивление. Как известно, мощность источника электроэнергии максимальна, если нагрузка является согласованной. Это соответствует выполнению преобразователя напряжения таким образом, что обеспечивается условие U=I(ΔU/ΔI), где U - постоянная составляющая напряжения термоэлектрического генератора, I - постоянная составляющая тока термоэлектрического генератора, ΔU - амплитуда пульсаций напряжения термоэлектрического генератора, ΔI - амплитуда пульсаций тока термоэлектрического генератора.
Сущность изобретения поясняется схемой (Фиг.1), на которой представлен вариант выполнения устройства обогрева. Устройство содержит отсек с аккумуляторной батареей 1, утепленными стенками 2 и днищем 3, в которое встроен радиатор, подключенный к системе 4 обогрева и отопления транспортного средства через перекрывающий подачу теплоносителя кран, который может быть выполнен на основе терморегулирующего вентиля 5 с термостатической головкой 6, термоэлектрический генератор 7, импульсный преобразователь 8 напряжения. Термостатическая головка 6 установлена в отсеке с аккумуляторной батареей 1. Термоэлектрический генератор 7 размещен между днищем 3 и аккумуляторной батареей 1 и электрически связан с аккумуляторной батареей 1 через импульсный преобразователь 8 напряжения. Выводы электропитания системы 4 обогрева и отопления транспортного средства подключены к аккумуляторной батарее 1. В представленном варианте силовая часть импульсного преобразователя напряжения содержит дроссель 9, диод 10 и электронный ключ 11, соединенные по известной схеме повышения напряжения. Устройство управления импульсного преобразователя напряжения содержит датчик 12 тока термоэлектрического генератора и датчик 13 напряжения термоэлектрического генератора, связанные с микропроцессором 14. Микропроцессор 14 подключен ко входу управления электронного ключа 11.
Заявляемое устройство обогрева работает следующим образом.
При пониженной температуре окружающего воздуха предпусковой обогрев двигателя и отопление кабины транспортного средства осуществляется системой 4. В начале обогрева температура аккумуляторной батареи 1 низка и термостатическая головка 6 отпирает терморегулирующий вентиль 5, через который часть теплоносителя поступает из системы 4 в радиатор, встроенный в днище 3 отсека с аккумуляторной батареей 1. При этом, за счет разницы температур днища 3 и аккумуляторной батареи 1 термоэлектрический генератор 7 вырабатывает электрический ток, который, поступая на выводы аккумуляторной батареи 1 через преобразователь 8 напряжения, осуществляет ее подзаряд и электропитание системы 4.
В процессе работы импульсного преобразователя 8 напряжения измеряются ток I и напряжение U термоэлектрического генератора 7 при помощи датчиков 12, 13. Микропроцессор 14 вычисляет внутреннее сопротивление термоэлектрического генератора 7 по закоу Ома R=ΔU/ΔI, где ΔU и ΔI - соответственно амплитуда пульсаций напряжения и тока термоэлектрического генератора, вызванных работой импульсного преобразователя 8 напряжения. Микропроцессор 14 обеспечивает управление электронным ключем 11 так, чтобы напряжение U на выходе термоэлектрического генератора 7 стабилизировалось на уровне, равном падению напряжения IR на внутреннем сопротивлении термоэлектрического генератора 7, то есть U=I(ΔU/ΔI). Данное уравнение соответствует случаю согласованной нагрузки, что обеспечивает передачу максимальной мощности от термоэлектрического генератора 7 на выводы аккумуляторной батареи 1.
С течением времени двигатель и часть оборудования транспортного средства (в том числе аккумуляторная батарея 1) нагреваются. При этом уменьшается температурный напор на спаях термоэлектрического генератора 7 и, соответственно, вырабатываемая им мощность - электропитание системы 4 происходит за счет совместной работы термоэлектрического генератора 7 и аккумуляторной батареи 1.
В конце обогрева температура аккумуляторной батареи 1 становится положительной, термостатическая головка 6 запирает терморегулирующий вентиль 5, работа термоэлектрического генератора 7 прекращается. При этом предпусковой обогрев двигателя завершен и производится его запуск - необходимость в электропитании системы 4 отпадает.
Чем ниже температура окружающей среды, тем большее время требуется для обогрева и отопления транспортного средства и, как видно из приведенного выше описания, тем большее количество электроэнергии вырабатывается термоэлектрическим генератором 7 для электропитания системы 4. Таким образом, допустимое время автономной работы системы 4 обогрева и отопления транспортного средства (в том числе заявляемого устройства) существенно увеличивается по сравнению с аналогами (1) и прототипом (3). Одновременно осуществляется предпусковой обогрев аккумуляторной батареи в отличие от аналогов (1), (2).