Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области двигателестроения и эксплуатации транспортных средств, точнее обеспечению необходимого предпускового теплового режима двигателя и отопления кабины автомобиля при пониженных температурах воздуха. В предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, разделенную диафрагмой на две полости, в одной из которых в смесительной камере расположена запальная камера, объем которой соединен с объемом смесительной камеры посредством выполненных в кожухе запальной камеры отверстий, охватывающий камеру сгорания теплообменник в виде стакана с внешними винтовыми ребрами, соединенными с системой подачи охлаждающей жидкости, датчик пламени, установленный в смесительной камере, стабилизатор, размещенный на выходе из запальной камеры перед диафрагмой, размещенную в запальной камере свечу накаливания, и форсунку, связывающую камеру сгорания с системой подвода топлива, при этом смесительная камера связана с системой подачи воздуха, в отличие от известных, в него введен завихритель, установленный на стенках камеры сгорания и охватывающий запальную камеру, а также введен конденсатор-испаритель топлива, расположенный по периметру запальной камеры. Датчик пламени выполнен в виде полой трубки с фотоэлементом, вмонтированной в торцевую стенку ее корпуса, при этом в трубке между фотоэлементом и выходом в камеру сгорания выполнены радиальные отверстия, связанные с системой подачи воздуха. В теплообменнике внешние винтовые ребра выполнены переходящими с цилиндрической поверхности стакана на днище в виде части спирали с постепенно уменьшающейся высотой ребра к центральной части днища, внутренние ребра, расположенный вдоль оси стакана теплообменника с увеличивающейся в сечении толщиной ребра к основанию и переменной толщиной по длине ребра. Изобретение обеспечивает снижение потребляемой мощности подогревателем при запуске в условиях пониженных, отрицательных температур, повышение экономичности работы подогревателя, за счет повышения эффективности запала и улучшения кпд, а также удешевление подогревателя. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения и эксплуатации транспортных средств, точнее обеспечению необходимого предпускового теплового режима двигателя и отопления кабины автомобиля при пониженных температурах воздуха.

Известен предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания (см. патент RU №2122138, F02N17/06, 20.11.98), содержащий камеру сгорания с форсунками, теплообменник, предкамеру, теплообменник с двухходовой системой движения продуктов сгорания, электронагреватель топлива с электроподогревателем воздуха вокруг предкамеры.

Недостатком указанного предпускового подогревателя двигателя внутреннего сгорания является достаточно высокое напряжение и потребляемая мощность при запуске подогревателя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению, принятым за прототип, является предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания (см. проспект "The New Add-Heater from Eberspacher". By Dipl.-Ing. Michael Hamburg. Published in ATZ Automobiltechniche Zeitschrift 97 (1995) 12), содержащий камеру сгорания, разделенную диафрагмой на две полости, в одной из которых в смесительной камере расположена запальная камера, объем которой соединен с объемом смесительной камеры посредством выполненных в кожухе запальной камеры отверстий, охватывающий камеру сгорания теплообменник в виде стакана с внешними винтовыми ребрами, соединенными с системой подачи охлаждающей жидкости, датчик пламени, установленный в смесительной камере, стабилизатор, размещенный на выходе из запальной камеры перед диафрагмой, размещенную в запальной камере свечу накаливания, и форсунку, связывающую камеру сгорания с системой подвода топлива, при этом смесительная камера связана с системой подачи воздуха.

Недостатками указанного предпускового подогревателя двигателя внутреннего сгорания являются достаточно высокая потребляемая мощность, а, следовательно, невысокая экономичность работы, а также дороговизна конструкции в целом.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является снижение потребляемой мощности подогревателем при запуске в условиях пониженных, отрицательных температур, повышение экономичности работы подогревателя, за счет повышения эффективности запала и улучшения кпд, а также удешевление подогревателя.

Поставленная задача решается тем, что в предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, разделенную диафрагмой на две полости, в одной из которых в смесительной камере расположена запальная камера, объем которой соединен с объемом смесительной камеры посредством выполненных в кожухе запальной камеры отверстий, охватывающий камеру сгорания теплообменник в виде стакана с внешними винтовыми ребрами, соединенными с системой подачи охлаждающей жидкости, датчик пламени, установленный в смесительной камере, стабилизатор, размещенный на выходе из запальной камеры перед диафрагмой, размещенную в запальной камере свечу накаливания, и форсунку, связывающую камеру сгорания с системой подвода топлива, при этом смесительная камера связана с системой подачи воздуха, в отличие от известных, в него введен завихритель, установленный на стенках камеры сгорания и охватывающий запальную камеру, а также введен конденсатор-испаритель топлива, расположенный по периметру запальной камеры.

В предпусковом подогревателе двигателя внутреннего сгорания датчик пламени предлагается выполнить в виде полой трубки с фотоэлементом, вмонтированной в торцевую стенку ее корпуса, при этом в трубке между фотоэлементом и выходом в камеру сгорания выполнены радиальные отверстия, связанные с системой подачи воздуха.

В теплообменнике внешние винтовые ребра предлагается выполнить переходящими с цилиндрической поверхности стакана на днище в виде части спирали и сходящимися к центру днища, а также выполнить внутренние ребра, расположенные вдоль оси стакана теплообменника.

Улучшение процессов смешивания и равномерного испарения осевшего на конденсатор-испаритель топлива приводит к улучшению процесса дожигания топлива; повышению коэффициента полезного действия, а, следовательно, позволяет уменьшить габариты и массу, а также надежность предпускового подогревателя. За счет увеличения площадей контакта охлаждающей жидкости с поверхностями теплообменника становится возможным осуществление быстрого и надежного запуска, как самого подогревателя, так и двигателя внутреннего сгорания и отопления кабины автомобиля при пониженных температурах воздуха.

Суть изобретения поясняется фиг.1-6, на которых представлены

на фиг.1 - продольный разрез предпускового подогревателя двигателя внутреннего сгорания;

по А-А (по датчику пламени и по завихрителю);

на фиг.3 - сечение по Б-Б (запальной камеры с конденсатом-испарителем);

на фиг.4 и фиг.5 - форма и размещение внешних ребер на днище теплообменника;

на фиг.6 - сечение по Г-Г (по внутренним ребрам теплообменника);

на фиг.7 - развертка внешних ребер.

Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания содержит размещенные в корпусе 1 камеру сгорания 2, разделенную диафрагмой 3 на две полости, в одной из полостей, полостью являющейся полостью смесительной камеры 4 расположена запальная камера 5. В кожухе 6 запальной камеры 5 выполнены отверстия 7, сообщающие объемы запальной 5 и смесительной камеры 4.

Камера сгорания 2 охвачена теплообменником 8. Теплообменник соединен с системой подачи охлаждающей жидкости (не показана) посредством трубопровода 9. В камере сгорания 2 в смесительной камере 4 установлен датчик пламени 10, на выходе из запальной камеры 5 перед диафрагмой 3 установлен стабилизатор 11, в запальной камере 5 размещена также свеча накаливания 12.

Камера сгорания 2 связана форсункой 13 с системой подвода топлива (не показана), а смесительная камера 4 связана каналом 14 с системой подачи воздуха, содержащей электродвигатель 15, на ось которого насажан нагнетатель 16.

На стенках камеры сгорания 2, охватывая запальную камеру 5, установлен завихритель 17, а по периметру запальной камеры 5 расположен конденсатор-испаритель 18, выполненный в виде сетки, закрепленной на стенке запальной камеры 5 с внешней стороны.

Теплообменник выполнен в виде стакана с внешними винтовыми ребрами 19 на цилиндрической поверхности и на днище стакана и внутренними ребрами 20, при этом внутренние ребра 20 связаны выходным патрубком 21 с гибким металлическим гофрированным рукавом (не показан), а внешние винтовые ребра 19 связаны через коллектор 22 в систему подогрева двигателя.

Внешние винтовые ребра 19, переходящие с цилиндрической поверхности стакана на днище, выполнены в виде части спирали с постепенно уменьшающейся высотой ребра к центральной части днища, а внутренние ребра 20 расположены вдоль оси стакана теплообменника с увеличивающейся в сечении толщиной ребра к основанию и переменной толщиной по длине ребра.

Датчик пламени 10, установленный в торцевой стенке 23 камеры сгорания 2, выполнен в виде полой трубки 24, с размещенным в ней фотоэлементом 25; трубка 24 датчика пламени вмонтирована в торцевую стенку 23 с внешней стороны камеры сгорания 2. При этом в трубке 24 между фотоэлементом 25 и выходом в камеру сгорания выполнены радиальные отверстия 26, связанные с системой подачи воздуха (не показана).

Система подачи топлива включает насос подачи топлива с трубопроводами (не показаны).

Система подвода охлаждающей жидкости включает насос прокачки охлаждающей жидкости (не показан).

Насос подачи топлива, нагнетатель и насос прокачки охлаждающей жидкости приводятся в действие электродвигателями.

Работой управляет процессор, в блок управления которого вводится алгоритм работы и контролирующий все необходимые параметры и обеспечивающие безопасную эксплуатацию.

Перед запуском подогревателя производится контроль энергопитания, продувка системы в течение определенного времени. Воздух как при продувке, так при запуске, в рабочих режимах, подается нагнетателем 16, приводимым в действие электродвигателем 15. Сначала охлажденный воздух по каналу 9 и частично по трубке 22 датчика пламени 10 поступает в смесительную камеру 4 с малым напором. Включается прокачка охлаждающей жидкости. На свечу накаливания 12 подается напряжение, в результате чего происходит ее прогрев и прогрев всех элементов запальной камеры 5 (наиболее интенсивно). Через форсунку 13 в разогретую запальную камеру 5 подается топливо, при этом для обеспечения подачи топлива малыми порциями оно впрыскивается через иглу, которой заканчивается форсунка 13. Осуществляется запуск свечи накаливания.

Часть топлива в процессе испаряется, часть оседает на конденсатор-испаритель 18, с которого, также испаряясь, смешивается с воздухом в смесительной камере 4, и частично с воздухом в запальной камере 5 уже на рабочих режимах.

Завихритель 17 производит закрутку воздушного потока при переходе из зоны, расположенной между завихрителем 17 и входом смесительной камеры, в зону между завихрителем 17 и диафрагмой 3. При этом часть воздуха через отверстия 7 попадает в запальную камеру 5. Горящие газы проходят через отверстие диафрагмы 3 из одной полости смесительной камеры в другую полость, ударяясь в днище, проходят по внутренним ребрам 20, отдавая тепло и затем, выходя через выходной патрубок 21 в гибкий металлический гофрированный рукав, заканчивающийся гасителем возможно горящих частиц (не показан).

Теплообменник для увеличения срока службы выполнен из нержавеющей стали.

Для увеличения отдачи тепла охлаждающей жидкости на стакане теплообменника 8 выполнены внешние винтовые ребра 19, протекая по которым охлаждающая жидкость отбирает тепло, и нагретая выходит через кольцевой коллектор 22 теплообменника 8. А также для повышения теплообмена в теплообменнике выполнены внутренние ребра, расположенные вдоль оси стакана теплообменника, для отбора тепла от горячих газов и передаче тепла охлаждающей жидкости, проходящей по 4-х заходному винтовому шнеку.

Коэффициент передачи тепла от теплообменника охлаждающей жидкости увеличивается при увеличении площади контакта с охлаждающей жидкостью и увеличения скорости прокачки ее через теплообменник. При выполнении внешних ребер теплообменника однозаходными (при равных скоростях прокачки) охлаждающая жидкость будет больше находиться в контакте с поверхностями теплообменника и, следовательно, более прогретыми будут выходить охлаждающая жидкость и отработанные газы, не отдав всего тепла. Устранить указанные недостатки возможно за счет предлагаемой доработки теплообменника.

Наиболее оптимальным является конструкция теплообменника с внешними ребрами, винтовыми по форме, выполненными 4-х заходными, и для увеличения контактных площадей переходящими с цилиндрической поверхности стакана на днище в виде части спирали с постепенно уменьшающейся высотой ребра к центральной части днища, при этом суммарная площадь проходного сечения канала для охлаждающей жидкости S_СУММ=(1,2÷ 1,4)S_ТР - внутреннее сечение трубопровода, где S_тр – внутреннее сечение трубопровода системы подачи охлаждающей жидкости. Целесообразно выполнение внутренних ребер, расположенных вдоль оси стакана теплообменника с увеличивающейся в сечении толщиной ребра к основанию и переменной толщиной по длине ребра от S₁ - наименьшего утолщения до S₂ - наибольшего утолщения в плоскости, пересекающейся с внешними винтовыми ребрами, при соотношении S₂=(l,4÷ 2,0)· (S₁(см. фиг.6).

Параметры теплообменника выбираются из следующих соотношений:.

Площадь проходного сечения по днищу стакана теплообменника

S_торцi = Z· π · D_i

где Z - зазор между днищем стакана теплообменника и корпусом подогревателя определяется диаметром сечения по днищу стакана D_i:

S - площадь проходного сечения трубопровода системы охлаждения;

S_РЕБ.ДН - площадь поперечного сечения по нормали ребра на днище;

n - число заходов внешних винтовых ребер (принято = 4).

Следовательно,

S_ТОРЦi=Z· π · D_i=(l,2÷ l,4)S_ТР + S_РЕБ.ДН · n.

Шаг внешних винтовых ребер на цилиндрической поверхности определяется соотношением:

S_{РЕБ.ЦИЛ} - площадь сечения внешнего винтового ребра по нормали (конструктивный параметр подогревателя);

D - диаметр теплообменника по высоте внешних винтовых ребер (равен внутреннему диаметру корпуса подогревателя);

d - наружный диаметр стакана теплообменника;

γ - угол подъема винтовой линии внешнего винтового ребра по цилиндрической поверхности стакана теплообменника;

L - ход внешних винтовых ребер по цилиндрической поверхности стакана теплообменника;

L=n· l(n=4).

Площадь проходного сечения внешних винтовых ребер S_{прох.цил} определяется соотношением

l_n - расстояние между соседними внешними винтовыми ребрами по нормали:

l_n = l_cosγ

Подставив значение l_n в (2), соответственно:

Проходное сечение для охлаждающей жидкости S_сумм=(1,2÷ 1,4)S_ТР

Следовательно,

Отсюда получаем выражение (1).

Предлагаемая конструкция улучшает смешивание и равномерное испарение осевшего на конденсатор-испаритель топлива, что приводит к улучшению процесса дожигания топлива; повышению коэффициента полезного действия и надежности предпускового подогревателя, а, следовательно, позволяет уменьшить габариты и массу, а также надежность предпускового подогревателя. За счет увеличения площадей контакта охлаждающей жидкости с поверхностями теплообменника осуществляется быстрой и надежной запуск, как самого подогревателя, так и двигателя внутреннего сгорания и отопления кабины автомобиля при пониженных температурах воздуха.

Формула изобретения

1. Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания, разделенную диафрагмой на две полости, в одной из которых в смесительной камере расположена запальная камера, объем которой соединен с объемом смесительной камеры посредством выполненных в кожухе запальной камеры отверстий, охватывающий камеру сгорания теплообменник в виде стакана с внешними винтовыми ребрами, соединенными с системой подачи охлаждающей жидкости, датчик пламени, установленный в смесительной камере, стабилизатор, размещенный на выходе из запальной камеры перед диафрагмой, размещенную в запальной камере свечу накаливания и форсунку, связывающую камеру сгорания с системой подвода топлива, при этом смесительная камера связана с системой подачи воздуха, отличающийся тем, что в него введен завихритель, установленный на стенках камеры сгорания и охватывающий запальную камеру, а также введен конденсатор-испаритель топлива, расположенный по периметру запальной камеры.

2. Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что датчик пламени выполнен в виде полой трубки с фотоэлементом, вмонтированной в торцевую стенку ее корпуса, при этом в трубке между фотоэлементом и выходом в камеру сгорания выполнены радиальные отверстия, связанные с системой подачи воздуха.

3. Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что в теплообменнике внешние винтовые ребра выполнены переходящими с цилиндрической поверхности стакана на днище в виде части спирали и сходящимися к центру днища, а также выполнены внутренние ребра, расположенные вдоль оси стакана теплообменника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7