Способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к способам предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания /ДВС/, в том числе и дизелей, его систем и узлов трансмиссии шасси /УТШ/ любой формулы при эксплуатации в условиях отрицательных температур. Способ заключается в том, что на электропроводные элементы конструкции ДВС, его систем, УТШ и трубопроводы, непосредственно контактирующие с охлаждающей жидкостью /ОЖ/, горючесмазочными материалами /ГСМ/ и сжатым воздухом /СВ/ тормозной системы, устанавливают клеммы, посредством которых элементы конструкции через преобразователь тока в импульсы соединяют с источником тока. Амплитуду, длительность и скважность импульсов тока на выходе преобразователя и полное время его протекания определяют и задают в преобразователе по величинам масс: ДВС, его систем, УТШ, ОЖ, ГСМ и СВ, и по величине заданного подогрева, т. е. температуре нормального пуска ДВС. Изобретение обеспечивает уменьшение времени подогрева и расхода энергии на подготовку ДВС к нормальному пуску, а УТШ к началу движения. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, но преимущественно к эксплуатации автомобильного транспорта при отрицательных температурах окружающего воздуха, в частности к способам предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания /ДВС/, в том числе и дизелей, а также их систем и узлов трансмиссии шасси /УТШ/, заполняемых смазкой, причем в составе шасси любой колесной формулы и назначения.

Известны способы предпускового подогрева ДВС, его систем и УТШ, например, описанные в [1-4] . К ним относятся: "электрические", "жидкостные", "термосы" и "факельный" способы.

"Электрические" способы основаны на том, что нагревательный электрический элемент, скажем, трубчатый электронагреватель /ТЭН/ или нагреватель электрический стеклопластиковый тонкослойный /НЭСТ/, монтируют либо в "водяную рубашку" блока цилиндров, либо в картер ДВС /см., например, патент РФ 20 88767 от 1997г. "Электронагреватель моторного масла двигателя внутреннего сгорания"/ и подводят к нему электрическую энергию, скажем, от сети 220В или от штатной аккумуляторной батареи /АБ/ шасси. В перечисленных способах обычно используют программный блок управления и реле, предохраняющее ДВС от перегрева. Недостатком этих способов является большое время подогрева, на порядок величины равное 3-м - 4-м часам [1].

В "жидкостных" или "топливных" способах предпускового подогрева ДВС и его систем применяют так называемый подогреватель жидкостей двигателя /ПЖД/, который, как правило, входит в конструкцию ДВС [2-3]. В нем, как и в ДВС, есть свой топливный насос, камера сгорания, сложный теплообменник и свеча зажигания. Полученное в камере сгорания ПЖД тепло за счет сгорания бензина, дизельного топлива или газа через теплообменник передается охлаждающей жидкости /ОЖ/ и смазке /моторному маслу/ ДВС, которые при прокачке насосами по своим замкнутым системам нагревают двигатель. Работу ПЖД контролирует программируемый блок управления, который одновременно обеспечивает пожаробезопасность. Время предпускового подогрева ДВС и его систем от ПЖД составляет от 30-ти до 60-ти минут, а иногда и больше. Его недостатком является большая энергоемкость процесса и сложность конструкции.

"Термосы" как предпусковые подогреватели ДВС действуют по принципу сохранения тепла, даже когда двигатель не работает. В них холодную ОЖ из "рубашки охлаждения" ДВС заменяют на горячую из специального теплового аккумулятора. В результате чего двигатель быстро прогревается и легко заводится. Аналогичный способ иногда используют и для подогрева моторного масла. Однако надо помнить, что такая система подогрева эффективна только в тех случаях, когда перерыв между поездками не превышает одного - двух дней. Его недостатком является сложность конструкции.

"Факельный" способ предпускового подогрева ДВС, его систем и УТШ, заполняемых смазкой, - самый простой и поэтому его очень часто применяют на практике. В нем просто используют открытый огонь /пламя/ либо от факела, либо от паяльной лампы. Однако на сколько этот способ прост, на столько же он и пожароопасен, что является его главным недостатком.

В некоторых способах предпускового подогрева ДВС дополнительно применяют электрические подогреватели дизельного топлива, работающие или от сети 220В, или от АБ шасси. Подогрев топлива позволяет избежать применения дорогостоящих присадок и существенно повышает срок службы топливного насоса.

Наиболее близким по технической сущности является патент РФ 2041382 С1, МКИ: F 02 N 17/04, 1995, "Система предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания", в котором описан способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, его систем и узлов трансмиссии шасси, заполняемых смазкой, включающий операцию подвода тепла к охлаждающей жидкости и горюче-смазочным материалам при помощи нагревателя, снабженного блоком программного управления и реле, предохраняющим двигатель от перегрева и операцию одновременной их прокачки по своим замкнутым системам.

Недостатком данного способа, как и всех перечисленных выше, является наличие специального, встроенного нагревателя ТЭН, НЭСТ или ПЖД, что ведет к усложнению конструкции ДВС и его систем, а также к большим временам процесса их разогрева и расходам энергии.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение времени и расхода энергии, затрачиваемых на предпусковой подогрев ДВС, его систем и УТШ, заполняемых смазкой, обеспечение полной пожарной безопасности, а также некоторое упрощение конструкции двигателя и работ по его обслуживанию в процессе эксплуатации шасси.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается тем, что на элементы конструкции двигателя и его систем /блок и головку цилиндров, картер, насосы и радиаторы ОЖ и моторного масла, трубопроводы и т.д. /УТШ/ корпуса: коробки передач, раздаточной коробки, проходных редукторов, колесных редукторов и т.д./, топливной системы /корпус насоса, трубопроводы и т.д./ и тормозной системы /ресивер сжатого воздуха /СВ/, трубопроводы и т.д./, непосредственно контактирующие своими внутренними поверхностями с ОЖ, горюче-смазочными материалами /ГСМ/ и СВ, устанавливают КЛЕММЫ, посредством которых их через преобразователь тока в пульсирующий проводниками соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов на выходе преобразователя и полное время его протекания по элементам конструкции ДВС, его систем и УТШ определяют и задают в преобразователе в зависимости от величин масс: ДВС, ОЖ, ГСМ и СВ, и от величины заданного подогрева, т.е. перепада температуры между горячим ДВС и окружающим холодным воздухом.

Сущность предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС, его систем, УТШ и трубопроводов заключается в том, что подвод тепловой энергии к ОЖ, ГСМ и СВ осуществляют напрямую от элементов конструкции ДВС, его систем и УТШ без каких-либо промежуточных устройств, например, таких как: ТЭНы, НЭСТы или ПЖД с теплообменниками. Дело в том, что перечисленные выше элементы конструкции, непосредственно контактирующие с ОЖ, ГСМ и СВ, после установки на них клемм и пропускании через них импульсов тока как металлические проводники в соответствии с законом Джоуля-Ленца [4] становятся объемными тепловыделяющими элементами /ТВЭЛами/. Таким образом, получается, что ДВС, его системы, УТШ и трубопроводы, скажем, тормозной системы при прохождении через них импульсов тока одновременно и равномерно нагреваются по всему объему металла, а уже от них за счет контактного теплообмена нагреваются ОЖ, ГСМ и СВ. Пропускание импульсов тока ведут до тех пор, пока на элементы конструкции двигателя и его систем /блок и головку цилиндров, картер, насосы и радиаторы ОЖ и моторного масла, трубопроводы и т.д./, УТШ /корпуса: коробки передач, раздаточной коробки, проходных редукторов, колесных редукторов и т. д. /, топливной системы /корпус насоса, трубопроводы и т.д./ и тормозной системы /ресивер сжатого воздуха /СВ/, трубопроводы и т.д./, непосредственно контактирующие своими внутренними поверхностями с ОЖ, горюче-смазочными материалами /ГСМ/ и СВ, устанавливают КЛЕММЫ, посредством которых их через преобразователь тока в пульсирующий проводниками соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов на выходе преобразователя и полное время его протекания по элементам конструкции ДВС, его систем и УТШ определяют и задают в преобразователе в зависимости от величин масс: ДВС, ОЖ, ГСМ и СВ, и от величины заданного подогрева, т.е. перепада температуры между горячим ДВС и окружающим холодным воздухом.

Сущность предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС, его систем, УТШ и трубопроводов заключается в том, что подвод тепловой энергии к ОЖ, ГСМ и СВ осуществляют напрямую от элементов конструкции ДВС, его систем и УТШ без каких-либо промежуточных устройств, например, таких как: ТЭНы, НЭСТы или ПЖД с теплообменниками. Дело в том, что перечисленные выше элементы конструкции, непосредственно контактирующие с ОЖ, ГСМ и СВ, после установки на них клемм и пропускании через них импульсов тока, как металлические проводники в соответствии с законом Джоуля-Ленца [4] становятся объемными тепловыделяющими элементами /ТВЭЛами/. Таким образом, получается, что ДВС, его системы, УТШ и трубопроводы, скажем, тормозной системы при прохождении через них импульсов тока одновременно и равномерно нагреваются по всему объему металла, а уже от них за счет контактного теплообмена нагреваются ОЖ, ГСМ и СВ. Пропускание импульсов тока ведут до тех пор, пока по показаниям приборов ДВС, его системы и УТШ не приобретут температуру, которая необходима для его нормального пуска и трогания шасси с места.

Сначала оценим энергетическую эффективность предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС в целом по отношению к известным. Для этого положим, что ДВС имеет, например, форму куба с длиной ребра "а". Тогда объем ДВС по сравнению с его боковой поверхностью, через которую сейчас осуществляют подвод тепла к нему, будет в "а/б" раз больше. А это значит, что при одинаковых потерях тепла с боковой поверхности ДВС в холодный окружающий воздух на прогрев куба за счет объемного выделения тепла в элементах конструкции двигателя - ТВЭЛах до одной и той же температуры энергии потребуется в 6 раз меньше, чем расходуется сейчас. Теперь оценим затраты энергии на подогрев ДВС, например, массой 200кг, скажем, от -50^oС до +50^oС. Для чего воспользуемся известной из школьного курса физики формулой: Q_n=<C>•m•(T_г-T_х) (1) где <C>- средняя удельная теплоемкость материала ДВС; m=200кг - масса ДВС с массой ОЖ и моторного масла; (Т_г-Т_х)=100^oС - величина заданного подогрева ДВС.

Грубо, величину средней удельной теплоемкости, входящей в формулу (1), можно оценить по: <C>=(Ca+Сож+Сст+См)/4 (2) где С_а=880 Дж/кг•град - удельная теплоемкость алюминиевого сплава; С_ож=4190 Дж/кг•град - удельная теплоемкость ОЖ (воды); С_ст=460 Дж/кг•град - удельная теплоемкость стали; С_м=2090 Дж/кг•град - удельная теплоемкость моторного масла.

Подставляя известные величины в (2) получаем, что средняя удельная теплоемкость материала ДВС равна 1880 Дж/кг•град. Следовательно, чтобы провести заданный подогрев по формуле (1), нам потребуется около 40 миллионов джоулей. С учетом того, что потери тепла с боковой поверхности ДВС, как известно из практики, составляют примерно 25%, всего нам потребуется около 50 миллионов джоулей на подготовку ДВС к нормальному пуску.

Понятно, что в предлагаемом способе полная затрата энергии на подогрев ДВС складывается из энергий, которые выделяются одновременно в каждом i-м ТВЭЛе:

где n - число ТВЭЛов или клемм, установленных на них.

Например, если число клемм равно 10, то с учетом того, что все ТВЭЛы электрически соединены параллельно /см. чертеж/, то в каждом i-м элементе конструкции выделится по 5000000 Дж.

Количество же тепловой энергии, которая выделяется в объеме i-го ТВЭЛа за одну секунду, легко рассчитать по формуле:
Q_i= σ_i•E²•V_i (4)
где σ_i= 10⁷-10⁸Oм^-1•м^-1 - удельная электрическая проводимость металла, из которого сделан i-й ТВЭЛ;
Е=U/l_i - напряженность электрического поля в i-м ТВЭЛе;
U - величина напряжения на выходных клеммах преобразователя тока в пульсирующий;
l_i - характерный размер /i-гo/ ТВЭЛа, т.е. длина пути тока от клеммы до "массы" шасси;
V_i - объем i-гo ТВЭЛа.

Физический смысл (4) весьма прост, но очень важен для оптимальной реализации способа. Дело в том, что чем больше величина "Е", тем большую кинетическую энергию, а равно и температуру, приобретают электроны проводимости в объеме ТВЭЛа. Следовательно, от их столкновений с кристаллической решеткой металла, из которого сделан ТВЭЛ, он будет и быстрее и сильнее нагреваться. А раз это так, то эффективность ТВЭЛов можно существенно повысить, например, для того, чтобы в качестве источника энергии, необходимой для подогрева ДВС, его систем и УТШ, можно было бы использовать штатную АБ шасси.

Практически это нетрудно осуществить, во-первых, используя различные известные устройства, повышающие напряжение АБ на несколько порядков, скажем, в 10 и более раз. И, во-вторых, путем "уменьшения" характерного размера i-гo ТВЭЛа, увеличивая количество устанавливаемых клемм.

Теперь, в качестве примера оценим необходимую величину напряжения на выходе из преобразователя тока для обеспечения подогрева ДВС на 100^oС и время, которое на него потребуется, например, при использовании АБ марки 6СТ-55 от автомобиля ВАЗ 2101 /"Жигули"/. Номинальная емкость 6СТ-55 при температуре +30^oС равна 55 А•ч. В стартерном режиме при напряжении 12В АБ выдает ток около 165А [5].

Искомое напряжение на выходных клеммах преобразователя тока вычисляется по формуле (4), но с учетом того, что:
V_i ≈ l_i ³ (5)
На порядок величины оно равно 7В.

Для определения времени подогрева ДВС воспользуемся формулой:
Q_i= (U²/R_i)•Δτ (6)
где R_i=0,01 Ом - электрическое сопротивление i-го ТВЭЛа, близкое по величине к внутреннему сопротивлению АБ;
Δτ - время предпускового подогрева ДВС, с.

Подставляя известные величины в (6), получаем, что время, которое необходимо затратить на прогрев ДВС при заданных выше условиях, на порядок величины равно 1000с /16 мин/. Видим, что оно почти в два раза меньше, чем в "жидкостном" или "топливном" способе подогрева ДВС.

Если учесть, что внутреннее сопротивление современных АБ существенно меньше принятой выше величины, то следует ожидать, что время подогрева любого ДВС может составить всего-навсего несколько минут. При этом емкость АБ при -50^oС, в результате протекания через нее тока в процессе разогрева ДВС, за счет нагрева электролита несколько возрастет [5]. Получается, что расход электроэнергии на подогрев ДВС из-за нагрева АБ компенсируется восстановлением ее емкости до номинального значения. Поэтому штатная АБ шасси обеспечит и запуск ДВС от стартера.

Режим работы ТВЭЛов на пульсирующем токе выбран не случайно. Дело в том, что он устраняет, во-первых, локальный перегрев клемм и мест их крепления к элементам конструкции ДВС, его систем, УТШ и трубопроводам. Известно [6], что скорость переноса тепла в металле /теплопроводность/ меньше скорости распространения электрического тока в нем /электропроводность/, поэтому частота следования импульсов тока /скважность/, необходимая для равномерного прогрева материала ТВЭЛа, должна быть численно или равна, или больше так называемой постоянной Видемана-Франца [4,6]:
a=3•(K/e)² (7)
где К=1,38•10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана;
е=1,6•10^-19 Кл - элементарный электрический заряд.

Исходя из сказанного, продолжительность электрических импульсов на выходе преобразователя при температуре окружающего воздуха -50^oС должна быть не менее чем в 10 раз меньше, чем частота их следования. Форма импульса в данном процессе носит второстепенное значение.

И, во-вторых, пульсирующий режим разряда АБ ведет к снижению эффекта поляризации его электродов за счет подогрева электролита и его интенсивного перемешивания в приэлектродных слоях.

На чертеже приведена схема, поясняющая осуществление предлагаемого способа предпускового подогрева ДВС, его систем и УТШ. Итак, на блоке цилиндров 1 и картере 2 ДВС, а также на радиаторе ОЖ 3 и коробке передач 4 установлены клеммы 5, которые посредством проводников 6, через преобразователь 7 соединены с источником тока 8 /АБ/. При замыкании выключателя 9 ток, например, от штатной АБ поступает в преобразователь 7, а из него импульсы тока через проводники 6 и клеммы 5 подводятся к элементам конструкции 1, 2, 3, 4 и ... Перечисленные ТВЭЛы через "массу" 10 замыкаются на общий минус электросети шасси, которым, в зависимости от его модели, может быть или рама, или кузов автомобиля. В результате каждый элемент конструкции, разогреваясь, нагревает контактирующие с ним либо ОЖ, либо ГСМ, либо СВ. Процесс подогрева может быть в любой момент времени прекращен либо вручную выключателем 9, либо реле, вмонтированным в преобразователь 7, предохраняющим ДВС, скажем, от перегрева.

Целесообразность использования предлагаемого способа очевидна. Во-первых, на предпусковой подогрев тратится на порядок меньше энергии. Во-вторых, время предпускового подогрева уменьшается до нескольких минут. В-третьих, простота исполнения способа позволит доработать любые ДВС и шасси, находящиеся в эксплуатации, скажем, с минимальными финансовыми затратами.

Источники информации:
1. Клочков С. Я мороза не боюсь! КЛАКСОН, 22 - 1999 г., с.28.

2. Колесное шасси МАЗ 543 и его модификации. ТО и ИЭ. М.: Военное издательство, 1990 г.

3. Силовой агрегат ЯМЗ-846.10. ТО и ИЭ. Ярославль. АО "Автодизель". 1997 г.

4. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985 г.

5. Ильин Н.М. Электрооборудование автомобиля. М.: Транспорт, 1973 г.

6. Физический энциклопедический словарь. М., 1984г.

Формула изобретения

Способ предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания, его систем и узлов трансмиссии шасси, заполняемых смазкой, включающий операцию подвода тепла к охлаждающей жидкости и горючесмазочным материалам при помощи нагревателя, снабженного блоком программного управления и реле, предохраняющим двигатель от перегрева, и операцию одновременной их прокачки по своим замкнутым системам, отличающийся тем, что для уменьшения времени подогрева и расхода энергии операцию подвода тепла осуществляют непосредственно от электропроводящих элементов конструкции двигателя, его систем, узлов трансмиссии шасси и тормозной системы, а также трубопроводов, контактирующих своими внутренними поверхностями с охлаждающей жидкостью, горючесмазочными материалами и сжатым воздухом, при помощи установки на наружные поверхности этих элементов клемм, посредством которых их, через преобразователь тока в импульсы, соединяют с источником тока, причем амплитуду, длительность и скважность импульсов тока на выходе преобразователя и полное время его протекания через элементы конструкции определяют и задают в преобразователе, в зависимости от величин масс двигателя, охлаждающей жидкости, горючесмазочных материалов и величины заданного подогрева.

РИСУНКИ

Рисунок 1