Автотракторный керамический электронагреватель

 

Изобретение относится к автотракторным средствам для подогрева масла и топлива. Держатель, в котором закреплен нагревающий элемент, выполнен в виде полого корпуса из теплопроводного металла типа алюминия или меди либо сплава на его основе, нагревающий элемент выполнен из теплопроводной керамики с заармированным внутри нее резистивным проводником и герметично размещен в полости держателя в теплопроводном керамическом наполнителе на основе того же состава, что и нагревающий элемент. Изобретение обеспечивает повышение эффективности нагрева в процессе эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к средствам, облегчающим эксплуатацию автомобилей и тракторов в зимних условиях, а именно к подогреву масла в картере (поддоне) двигателя внутреннего сгорания и может быть использовано в любых других узлах транспортных средств для подогрева масла и топлива.

Известно, что при пониженных температурах смазка в поддоне двигателя, коробке передач и в мостах машин в зимних условиях становится вязкой, что затрудняет эксплуатацию машин в зимних условиях. Кроме того, происходящий процесс кристаллизации, связанный с выпадением парафинов, неизбежно приводит к забиванию фильтров в системе маслоподачи и нарушению нормального функционирования двигателей внутреннего сгорания.

Предельной температурой, характеризующей работоспособность моторного масла в условиях отрицательных температур окружающего воздуха, является так называемая температура помутнения, предшествующая температуре застывания (ГОСТ 20287-74), при которой масло теряет прозрачность вследствие кристаллизации парафиновых составляющих.

С помощью присадок, улучшающих в какой-то мере эксплуатационные свойства масел, возможно расширить диапазон значений отрицательных температур их использования, но не настолько, чтобы без дополнительных мер осуществлять запуск двигателей, особенно в зимнее время на крайнем севере.

Аналогичные явления происходят и с топливами, например, дизельными. Поэтому в системах подачи горюче-смазочных материалов нашли применение устройства, способные в той или иной мере обеспечить условия нормального запуска двигателей при низких отрицательных температурах окружающего воздуха с последующей нормальной работой от собственного разогрева.

Известны системы двигателей внутреннего сгорания (дизельных) с использованием подогревателя для придания требуемых физических свойств топливам при низких отрицательных температурах и последующего запуска двигателя (1), теплообменника-смесителя (2), газодинамического излучателя, в камере которого разрушается кристаллическая решетка применяемого состава горючего в результате ультразвукового облучения (3).

Помимо указанных устройств в двигателях внутреннего сгорания для тех же целей в качестве источника тепла в последнее время достаточно широко начинает находить применение электрическая энергия, преобразовываемая в тепловую за счет электрического сопротивления, т.е. Джоулево тепло.

Известен бак, содержащий корпус с заливной горловиной и отводным трубопроводом, электронагреватель, образованный цилиндрической трубкой и токопроводящим элементом, соединенным электрическими проводами с источником электрического тока (4).

К существенному недостатку перечисленных объектов следует отнести тот факт, что в них не предусмотрено предотвращение процесса кристаллизации топлива непосредственно в баке. Таким образом фильтры, расположенные в отводном трубопроводе остаются подверженными воздействию парафинов при отрицательных температурах окружающей среды. А это приводит, как следствие, к ухудшению функционально-эксплуатационных характеристик двигателей.

Известны также опубликованные технические решения (5, 6), лишенные указанного недостатка. В них электрический подогреватель установлен непосредственно в баке.

Однако рассматриваемые объекты не могут быть реализованы для разогрева моторного масла прежде всего из-за относительно больших габаритов электронагревателей, требующих существенного изменения конструкции картера в уже выпущенных промышленностью двигателях внутреннего сгорания. Это сопряжено со значительными экономическими затратами, включающими как разборку, так и повторный монтаж двигателей.

Известна конструкция электронагревателя для разогрева моторного масла при низких отрицательных температурах в резервуаре картера двигателя внутреннего сгорания (7).

Электронагреватель содержит выполненный из металла нагревающий элемент, представляющий собой плоский сужающийся стержень с максимальной шириной, достаточной для прохождения в малоразмерное отверстие резервуара картера.

Нагревающий элемент закреплен в держателе и соединен через узел коммутации, расположенный в держателе, с проводом электропитания.

Существенный недостаток его состоит в недостаточной эффективности нагрева масла, обусловленной малой поверхностью, передающей тепловой поток к маслу. Это объясняется, с одной стороны, ограничением, налагаемым на поперечный размер нагревательного элемента со стороны диаметра заливного отверстия, а с другой - ограничением его длины высотой резервуара.

И кроме того, чтобы не произошло замыкание на корпус транспортного средства, длина нагревательного элемента должна быть несколько меньше высоты резервуара картера. Это дополнительно сказывается на замедление повышения температуры в придонных слоях моторного масла.

Одинаково близким с предыдущим аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является электронагреватель моторного масла двигателей внутреннего сгорания (8).

Электронагреватель (8) содержит нагревающий элемент, закрепленный в держателе и соединенный через узел коммутации, расположенный в держателе, с проводом электропитания. Нагревательный элемент выполнен гибким в виде провода с многопроволочными токопроводящими жилами, на оплетку которого уложен сплошной слой углеродных нитей. Жилы на конце провода оголены. Провод снабжен цилиндрическим хвостовиком с наконечником из диэлектрического материала и скрепкой. При этом оголенные жилы равномерно ориентированы вдоль поверхности хвостовика, закрыты углеродными нитями и вместе с ними прижаты скрепкой к хвостовику. Провод вместе с оголенными жилами, нитями, хвостовиком и скрепкой заключен в диэлектрическую термостойкую резиновую оболочку, примыкающую вплотную к наконечнику.

Указанный нагреватель рассчитан на напряжение 12 В с питанием от аккумуляторной батареи транспортного средства, но он может быть подключен и к осветительной сети тока через понижающий разделительный трансформатор, например, в условиях стоянки в не обогреваемых гаражах.

Недостатком известного устройства по сравнению с заявляемым техническим решением является то, что нагреватель не обладает достаточным коэффициентом теплоотдачи для обеспечения быстрого предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания из-за необходимости применения резиновой оболочки для электроизоляции нагревающего элемента. По этой же причине отсутствует возможность увеличения мощности в 2-3 раза при форсажном режиме включения или при нагреве от внешних источников электропитания. Невозможна эксплуатация электронагревателя в стационарном режиме работающего двигателя из-за возможного контакта с его движущимися частями. Эксплуатация нагревателя сопряжена с большой трудоемкостью из-за необходимости его монтажа и демонтажа в двигатель при каждом его запуске. И, наконец, электронагреватель имеет невысокую надежность и недостаточную безопасность в процессе эксплуатации ввиду возможности перегрева или механического повреждения при необходимости многократного монтажа и демонтажа в отверстие для установки щупа уровня масла.

Целью изобретения является повышение эффективности нагрева при обеспечении в процессе эксплуатации минимума трудоемкости и максимума удобств и безопасности.

Указанная цель достигается тем, что автотракторный керамический электронагреватель, содержащий нагревающий элемент, закрепленный в держателе и соединенный с проводом электропитания, имеет держатель, выполненный в виде полого корпуса любой формы из теплопроводного металла типа алюминия или меди, либо сплава на его основе, имеет нагревающий элемент, выполненный из теплопроводной керамики на основе нитрида кремния (Si₃N₄), и/или нитрида алюминия (AlN) или их смеси с добавками оксидов иттрия (Y₂O₃) и/или алюминия (Al₂O₃) с заармированным внутри нее резистивным проводником, и герметично размещен в полости держателя в теплопроводном керамическом наполнителе на основе того же состава, что и нагревающий элемент.

При этом нагревающий элемент одним контактным проводом присоединен на корпус транспортного средства через держатель, закрепленный механически и электрически в картере двигателя, а другой контактный провод электропитания присоединен к клемме (плюс) аккумулятора через узлы коммутации, расположенные вне держателя.

Для удобства и быстроты монтажа керамического и автотракторного электронагревателя в уже эксплуатируемых транспортных средствах, механическое и электрическое крепление держателя осуществляется съемным в сливном резьбовом отверстии картера двигателя через металлическую втулку, закрепленную на теплопроводном держателе.

Автотракторный керамический электронагреватель может быть еще более безинерционным и к тому же более дешевым за счет того, что теплопроводный держатель выполнен в монолитном исполнении, охватывающим нагревающий элемент без керамического наполнителя и без зазора, например, за счет литья алюминия в металлическую форму, в которой предварительно установлен керамический нагревающий элемент.

Устройство поясняется на фиг. 1 Автотракторный керамический электронагреватель содержит металлический держатель 1, в полости которого расположен керамический нагревающий элемент 2 с заармированным внутри керамики резистивным проводником, первый контактный провод 3 которого через металлическую электроконтактную шайбу 4 присоединен к держателю 1, соединенным через коническую резьбовую втулку 5 с электрической массой транспортного средства, а второй контактный провод 6, на конце которого расположена клемма 7, изолирован от держателя 1 электроизоляционными, например, керамическими шайбами 8 и теплопроводящим керамическим наполнителем 9. Керамический нагревающий элемент 2 и наполнитель 9 защищены от внешней среды герметиком 10.

Первый контактный провод 3 нагревающего элемента 2 может быть присоединен к корпусу металлического держателя 1 сваркой или пайкой, показанных на фиг. 2.

Автотракторный керамический электронагреватель устанавливается в резьбовое отверстие для слива масла в картере двигателя внутреннего сгорания через резьбовую переходную втулку 5 (один раз в начале зимнего сезона при смене масла) и подключается через выключатель с контрольной лампочкой к плюсовой клемме аккумулятора или другого источника электропитания с напряжением 12 В или 24 В (на фиг. 1 не показаны).

Устройство работает (фиг. 3) следующим образом.

В салоне транспортного средства включается кнопка. При этом в цепи нагрева электронагревателя срабатывает реле включения и в кнопке загорается лампочка (условно не показаны).

При прохождении электрического тока через клемму 7 и второй контактный провод 6 в нагревающем элементе 2 выделяется так называемое Джоулево тепло в результате преобразования электрической энергии в тепловую за счет электросопротивления резистивного проводника. Высокотеплопроводная керамика 2, внутри которой заармирован резистивный элемент практически безинерционно передает тепло высокотеплопроводному наполнителю 9 того же состава, что и нагревающий элемент 2 и далее высокотеплопроводному металлическому держателю 1. Внутри картера тепло от держателя 1 конвективными потоками масла и за счет его теплопроводности быстро и мощно распространяется во всем объеме, масла не допуская его коксования.

Дополнительный разогрев масла осуществляется через нагрев днища картера от держателя 1 через коническую резьбовую втулку 5.

Автотракторный керамический электронагреватель может быть применен для разогрева дизельного топлива непосредственно в топливном баке. Процесс нагрева дизельного топлива происходит аналогично процессу нагрева масла.

Эффект от применения автотракторного керамического электронагревателя самый разнообразный: - экономический в результате экономии времени и топлива при разогреве двигателя внутреннего сгорания, - экологический и экономический одновременно в результате меньшего загрязнения воздуха при отсутствии необходимости постоянного поддерживания двигателя в теплом состоянии за счет его работы. Это происходит в массовом порядке в условиях очень низких отрицательных температур. Особенно это экологически вредно в городах и населенных пунктах, расположенных в мало проветриваемых районах местности, - психологический в результате существенного снижения трудоемкости и повышения комфортности и безопасности при эксплуатации.

Источники информации: 1. Браун В. Н. , Азаматов Р.А. и др. Автомобили КАМАЗ. -М.:Транспорт, 1987, с.93,94, рис. 101,102.

2. Патент США N4231342, F 02 М 53/00, 1980.

3. Авторское свидетельство N1740748, 1989.

4. Заявка ФРГ N 3800017, МКИ F02 M 31/12, 1986.

5. Заявка Франции N2423648, МКИ F 02 M 31/12, 1979.

6. Патент Российской Федерации N2037 067, МКИ 5 F 02 M 37/22, 1993.

7. Заявка Японии N 1-46716, F 02 N 17/04, 1989.

8. Патент Российской Федерации N 2088767, МКИ 6 F 01 M 5/02, F 02 N 17/04.

Формула изобретения

1. Автотракторный керамический электронагреватель, содержащий нагревающий элемент, закрепленный в держателе и соединенный с проводом электропитания, отличающийся тем, что держатель выполнен в виде полого корпуса любой формы из теплопроводного металла типа алюминия или меди, либо сплава на его основе, нагревающий элемент выполнен из теплопроводной керамики на основе нитрида кремния (Si₃N₄), и/или нитрида алюминия (AlN), или их смеси с добавками оксидов иттрия (Y₂O₃) и/или алюминия (Al₂O₃) с заармированным внутри нее резистивным проводником и герметично размещен в полости держателя в теплопроводном керамическом наполнителе на основе того же состава, что и нагревающий элемент.

2. Автотракторный керамический электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что нагревающий элемент одним контактным проводом присоединен на корпус транспортного средства через держатель, закрепленный механически и электрически в картере двигателя, а другой контактный провод электропитания присоединен к клемме (плюс) аккумулятора через узлы коммутации, расположенные вне держателя.

3. Автотракторный керамический электронагреватель по п.2, отличающийся тем, что механическое и электрическое крепление держателя осуществляется съемным в сливном резьбовом отверстии картера двигателя через металлическую втулку, закрепленную на теплопроводном держателе.

4. Автотракторный керамический электронагреватель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что теплопроводный держатель выполнен в монолитном исполнении охватывающим нагревающий элемент без керамического наполнителя и без зазора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3