СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВА И МОТОРНОГО МАСЛА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ICE FUEL AND MOTOR OIL THERMAL CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к вспомогательным системам для термического воздействия на топливо и моторное масло при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в условиях повышенных и пониженных температур окружающей среды, и может быть использовано в стационарных и транспортных энергетических установках с двигателями внутреннего сгорания для облегчения запуска.
Известна система подогрева дизельного топлива, которая содержит топливный бак с подогревателем, напорный топливопровод, погружной трубчатый электронагреватель топлива, который установлен в сетке топливозаборника и подключен к электронному устройству управления. Второй магистральный электронагреватель установлен в топливопроводе перед топливным фильтром тонкой очистки и подключен к электронному устройству управления, которое, в свою очередь, снабжено датчиком температуры. Третий трубчатый электроподогреватель для подогрева охлаждающей жидкости установлен в патрубке между двигателем и радиатором отопления салона и снабжен электропомпой с подключением к электронному устройству управления (см. Патент РФ №2177071 F02M 31/125, дата подачи заявки 1999.12.06).
Недостатком представленной системы является односторонняя приспособленность к нагреву без точного терморегулирования в условиях пониженных температур окружающей среды, а также то, что воздействие теплоты направлено исключительно на топливо, хотя моторное масло также требует предварительной тепловой подготовки.
Известен термоэлектрический охладитель жидкости, содержащий корпус с установленным в нем баком с заливными и сливными патрубками и термоэлементами, прижатыми холодными спаями к одной или нескольким поверхностям бака, а горячими спаями - к теплоотводящим радиаторам, отличающийся тем, что на внутренней поверхности бака дополнительно установлены радиаторы с вертикальными теплообменными ребрами, а теплоотводящие радиаторы горячих спаев термоэлементов с вертикально расположенными ребрами связаны с вентилятором, установленным в верхней части корпуса бака (см. Патент РФ №19876 F01P 3/00, дата подачи заявки 2001.04.23).
Недостатком изобретения является отсутствие системы управления, что снижает ее энергетическую эффективность, при использовании в топливной системе.
В качестве прототипа выбрано устройство для облегчения запуска двигателя внутреннего сгорания, которое содержит основной саморегулируемый нагревательный элемент, установленный в поддоне картера, и дополнительные элементы, расположенные в полости между корпусами фильтрующего элемента. На топливопроводе терморезистор установлен в виде кабеля с контактом по его длине. На топливозаборной трубке терморезистор установлен по ее образующей поверхности с обеспечением возможности фиксации (см. Патент РФ №2267645 F02N 17/04, дата подачи заявки 2004.11.03).
Недостатком прототипа является то, что использование саморегулируемых нагревательных элементов приводит к снижению темпа нагрева, вызванного уменьшением температурного напора при приближении к значению точки переключения нагревателя, что приводит к большому разбросу температур, до которых нагревается топливо и моторное масло, а также появлению резких скачков силы тока при одновременном включении. Представленное устройство способно производить исключительно нагрев, в связи с чем применимо лишь в низкотемпературных условиях эксплуатации.
Техническая задача - повышение энергетической эффективности средств, предназначенных для стабилизации теплофизического состояния топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания в температурном диапазоне, включающем как экстремально высокие, так и низкие температуры окружающей среды.
Решение технической задачи достигается тем, что масляный картер соединен подводящим и отводящим трубопроводами с емкостью, содержащей термоаккумулирующий наномодифицированный материал и нагревательные элементы, при этом в подводящем трубопроводе имеется насос, а в отводящем трубопроводе клапан. Нагревательные элементы выполнены из термоэлектрических модулей, которые с одной стороны спаев прижаты к теплообменнику, соединенному подводящим и отводящим трубопроводом с теплообменником на топливной магистрали, а с другой стороны спаев - к радиатору с вентилятором, причем в подводящем трубопроводе имеется насос, а в отводящем трубопроводе клапан, при этом к теплообменнику с термоэлектрическим модулем через подводящий трубопровод с клапаном и отводящий трубопровод подключена емкость, содержащая термоаккумулирующий наномодифицированный материал, которая через входной и выходной трубопровод с клапанами подключена к теплообменнику на топливной магистрали, при этом термоэлектрические модули, клапаны и насосы подключены к электронной системе управления.
Описываемая система выполняет следующие функции: терморегулирование топлива и моторного масла в условиях повышенных или пониженных температур, а также нагрузок двигателя внутреннего сгорания; разогрев топлива и моторного масла перед пуском в условиях низких температур; поддержание температуры моторного масла при длительных стоянках; поддержание постоянной температуры топлива в баке с целью исключения конденсации влаги в условиях летней эксплуатации.
Система терморегулирования топлива и моторного масла в двигателях внутреннего сгорания (фиг.1) содержит термоэлектрический модуль 1, установленный в топливной магистрали после топливного фильтра 2; термоэлектрический модуль 3 - в топливной магистрали перед топливным фильтром 2; термоэлектрический модуль 4 - в топливном баке 5 на внешней его поверхности около заливной горловины; термоэлектрический модуль 6 - на днище масляного картера 7, а именно перед заборной трубкой масляного насоса; термоэлектрический модуль 8 - на торцевой поверхности термоаккумулирующей емкости 9, которая имеет свободную полость 10 и полость с перегородкой 11, заполненной наномодифицированным материалом, например низкоплавким парафином с добавлением 0,01…0,75% от общей массы нанотрубок (Таунита, имеющего диаметр 15-40 нм и длину 2 мкм), в то же время представленный материал размещен в пространственной оболочке, имеющей пористую структуру, например поролон. В трубопроводе 12 расположен насос 13, а в трубопроводе 14 клапан 15. В топливном контуре имеется топливный насос высокого давления 16, подкачивающий насос 17 и центральный магистральный трубопровод 18. Все перечисленные термоэлектрические модули подключаются к силовому блоку 19, который соединен с контроллером 20, а контроллер через аналого-цифровой преобразователь 21 подключен к датчикам температуры 22, 23, 24, 25 и 26.
Термоэлектрический модуль (фиг.2) состоит из элемента Пельтье 27, прижатого одной стороной своих спаев к теплообменнику 28, который трубопроводами 29 и 30 соединен с теплообменником 31 на топливной магистрали, в свою очередь, отводящий трубопровод 29 снабжен клапаном 32, а подводящий трубопровод 30 насосом 33. Теплота от другой стороны спаев отводится в окружающую среду вентилятором 34, размещенным на радиаторе 35. В теплообменном контуре циркулирует незамерзающая жидкость. Для аккумуляции термической энергии служит термоаккумулирующая емкость 36, заполненная наномодифицированным материалом и датчиком температуры 37. Вспомогательный теплообменный контур образован трубопроводами 38 и 39 (которые в пространстве емкости 36 имеют вид змеевика) и включает в себя клапаны 40 и 41, а также перекачивающий насос 42.
Система терморегулирования топлива и моторного масла работает следующим образом: от датчиков температуры 22, 23, 24, 25 и 26 поступают сигналы на аналого-цифровой преобразователь 21, который преобразует полученные показания и передает их контроллеру 20, в свою очередь, контроллер 20 через силовой блок 19 задает значение мощности электропитания на термоэлектрических модулях, а также включение-выключение насосов 13, 33 и 42 и соответственно клапанов 32, 40, 41 и 15. Установка трех термоэлектрических модулей 1, 3 и 4 в топливной системе и двух 6 и 8 для моторного масла позволяет гибко изменять мощность термоэлектрических модулей и адекватно подбирать режимы их работы под соответствующие температурные условия окружающей среды и нагрузку двигателя, что тем самым повышает их энергетический коэффициент полезного действия.
Работа отдельного термоэлектрического модуля осуществляется следующим образом.
В режиме терморегулирования без термоаккумулирующей емкости:
организуется теплообменный контур через теплообменники 28 и 31, при этом клапаны 40 и 41 закрыты, а 32 открыт, насос 33 включен.
Зарядка термоаккумулирующей емкости 36:
организуется теплообменный контур между теплообменником 28 и термоаккумулирующей емкостью 36, при этом клапаны 32, 40 и 41 закрыты, а насос 42 включен. О том, что заполняющий емкость 36 материал приобрел необходимое температурное состояние, сигнализирует датчик температуры 37.
При использовании термоаккумулирующей емкости 36:
организуются теплообменные контуры, как через емкость 36, так и через теплообменник 28 с теплообменником 31, при этом клапаны 32, 40 и 41 открыты, насосы 33 и 42 включены.
Для терморегулирования моторного масла используются термоэлектрические модули 6 и 8. Термоэлектрический модуль 6 является основным, а термоэлектрический модуль 8 используется для периодического накопления термической энергии в термоаккумулирующей емкости 9, а также перед пуском нагревает предварительно перекаченное в свободную полость 10 моторное масло.
При стоянке в условиях низких температур насос 13 перекачивает моторное масло в свободное пространство 10 теплоаккумулирующей емкости 9.
Представленные режимы осуществляются с помощью электронной системы управления в составе контроллера 20, силового блока 19 и аналого-цифрового преобразователя 21.
Перевод в режим охлаждения или нагрева производится при смене полярности питающего напряжения термоэлектрических модулей.
Испытания проведены в условиях низких температур (минус 20) для двигателя ЯМЗ-240. Результаты испытаний приведены в табл.1 для моторного масла и табл.2 для топлива.
Таблица 1
Энергетические параметры (моторное масло)
Известное устройство
Предлагаемая система
Время нагрева в условиях низких температур, мин
40
15
Затраты теплоты, кДж
2400
1200
Неравномерность температурного поля, %
40
15
Таблица 2
Энергетические параметры (Топливо)
Известное устройство
Предлагаемая система
Затраты теплоты за 1 час работы (30 мин - 100% и 30 мин - 25% нагрузка), кДж
720
470
Средняя погрешность относительно оптимального значения температуры (30°С), %
30
5
Из табл.1 следует, что предлагаемая система позволяет сократить время тепловой подготовки масла на 25 мин, а затраты теплоты в 2 раза, при этом неравномерность температурного поля составляет 15%, а у прототипа 40%.
Из табл.2 следует, что затраты теплоты на нагрев топлива сокращаются на 250 кДж, а погрешность регулирования температуры уменьшается с 30 до 5%.
Таким образом, применение термоаккумулирующих емкостей с наномодифированным материалом (наномодифицированный парафин имеет теплоемкость 320 кал на 100 г, по сравнению с обычным, имеющим 240 кал на 100 г), термической базы на основе термоэлектрических элементов Пельтье и управляющего контроллера в системе терморегулирования топлива и моторного масла, позволяет поддерживать оптимальную температуру, как топлива, так и моторного масла, что приводит к снижению энергетических затрат (табл.1 и табл.2). При этом термоэлектрические элементы Пельтье позволяют производить терморегулирование в условиях высоких температур окружающей среды (>30°С), осуществляя охлаждение.
Испытания показали улучшение энергоэкологических характеристик работы дизельного двигателя (ЯМЗ-240): снижение расхода топлива при пуске и прогреве на холостом ходе в условиях низких температур окружающей среды на 20% и в рабочем режиме на 15%, а также уровня токсичности отработанных газов на 30%. Снижение токсичности при повышенных температурах окружающей среды составляет 7%, а расхода топлива на 5%.
Это связано с зависимостью теплофизических параметров топлива и моторного масла от температурного режима. При этом оптимизация температурного режима для топлива и моторного масла приводит к улучшению прокачиваемости, последующей фильтрации и к более полному сгоранию для топлива и смазыванию узлов трения для моторного масла.
Предлагаемая система терморегулирования может быть использована как в летний, так и в зимний период эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.