Способ и система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта

Изобретение относится с способам и системам подогрева двигателей внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта. Способ подогрева двигателя и отопления салона автотранспорта обеспечивает ускоренный и безопасный отвод тепла жидким теплоносителем от элементов блока подогрева, нагретых до температуры T₁ в условиях, когда имеет место соотношение Т_к<Т₁<Т_г, где Т_к - температура кипения жидкого теплоносителя, T_г - температура газов на выходе из выхлопного коллектора двигателя внутреннего сгорания. Система подогрева двигателя и отопления салона автотранспорта содержит блок подогрева с тепловым аккумулятором, заряжаемым отходящим теплом выхлопных газов. Блок подогрева встраивается в канал отвода выхлопных газов и в контур циркуляции теплоносителя (тосола). Габариты и масса блока подогрева снижены за счет применения специальной теплоизоляции. Основными функциональными режимами работы системы являются режим предпускового подогрева холодных двигателя и салона автотранспорта, а при работающем двигателе - режим зарядки теплового аккумулятора и режим отопления салона автотранспорта. Изобретение обеспечивает использование отходящего тепла выхлопных газов для улучшения отопления салона всех видов транспорта, оснащенного двигателями внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением и встроенными в систему охлаждения двигателя отопителями. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам и системам подогрева двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и отопления салона автотранспорта.

Предлагаемые способ и система подогрева двигателя и отопления салона автотранспорта могут быть использованы в силовых установках всех видов транспорта, оснащенного двигателями внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением и встроенным в систему охлаждения двигателя отопителем салона (кабины).

Известен способ подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта, при котором салон отапливают охлаждающей жидкостью, подогретой в рубашке работающего двигателя, обеспечивают отвод пара при закипании жидкости в компенсационный бачок через жидкостный контур двигателя, для подогрева двигателя используют блок подогрева с тепловым аккумулятором, газовым и жидкостным каналами, газовый канал сообщают с выхлопным коллектором двигателя, жидкостный канал блока подогрева (далее - "канал") встраивают в жидкостный контур двигателя и отопителя, обеспечивают возможность циркуляции жидкости с заданным расходом G_o в канале при неработающем двигателе и при подогреве двигателя осуществляют непрерывную подачу жидкости в канал с возможностью прекращения такой подачи после пуска двигателя [1, 2]. Недостатки способа следующие: 1) не определен рабочий диапазон температуры T₁ стенок жидкостного канала блока подогрева; 2) не исключена возможность опасного для прочности блока нарастания давления пара при подаче жидкости в "сухой" жидкостный канал блока подогрева в случае Т₁≫Тк; 3) отходящее тепло выхлопных газов используется только в кратковременные периоды зарядки теплового аккумулятора, не обеспечена возможность использования отходящего тепла в течение всего времени работы двигателя (например, для отопления салона).

Известна реализующая вышеуказанный способ система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта, содержащая охлаждающую жидкость, рубашку, сливной кран рубашки и насос двигателя, отопитель, блок подогрева с тепловым аккумулятором, электропомпой, газовым каналом, который сообщен с выхлопным коллектором двигателя, и жидкостным каналом, который подключен последовательно к жидкостному каналу отопителя, средствами перекрытия жидкостных каналов [1, 2]. Недостатками системы, являются недостатки, присущие способу.

Известна та же система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта с блоком подогрева, содержащим коаксиальные полости для теплоаккумулирующего сердечника, теплоизоляции, жидкостного канала, в котором жидкостный канал размещен между теплоаккумулирующим сердечником и теплоизоляцией. Недостатком последней являются повышенные габариты и вес блока подогрева.

Технической задачей изобретения является:

- увеличение эффективного времени хранения накопленного тепла (под эффективным временем хранения понимается время снижения теплового заряда от начального уровня до уровня, обеспечивающего подогрев двигателя);

- сокращение времени предпускового подогрева двигателя;

- повышение надежности блока подогрева и безопасности его эксплуатации;

- эффективное использование отходящего тепла выхлопных газов и блока подогрева в течение всего времени работы двигателя;

- снижение габаритов и массы блока подогрева.

Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа подогрева:

- в период работы двигателя тепловой аккумулятор и стенки жидкостного канала нагревают до температуры T₁, где Т_к<Т₁<Т_г, Т_к - температура кипения жидкости, Т_г - температура газов на выходе из выхлопного коллектора,

- в период подогрева двигателя подачу жидкости в жидкостный канал блока подогрева регулируют, регулирование осуществляют так, что в начале подогрева жидкость подают с расходом G₁<0,1G_o, обеспечивают полное испарение жидкости, поступающей в канал, отводят пар в жидкостный контур двигателя, обеспечивают конденсацию пара в жидкостном контуре, а после снижения температуры стенок канала до температуры T₁=Т_к расход жидкости увеличивают до G₁=G_o;

- блок подогрева используют в течение всего времени работы двигателя, как в кратковременные периоды зарядки теплового аккумулятора, так и для отопления салона в остальное время работы двигателя.

Поставленная задача достигается также тем, что в отличие от известной системы подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта:

- в канале, соединяющем выход из электропомпы 20 (см. фиг.1) и вход в клапан 11 блока подогрева 5, установлено средство 13 перекрытия канала с возможностью ступенчатого регулирования расхода жидкости, выход из клапана 12 блока подогрева 5 соединен дополнительным теплоизолированным каналом 22 с входом в рубашку 1 двигателя, вход канала 22 в рубашку расположен на уровне входа в рубашку сливного крана 2 рубашки, вход в электропомпу 20 соединен дополнительным каналом 23 с входом в отопитель 4, а дополнительный канал снабжен средством 14 его перекрытия; при этом вместо канала со средством перекрытия 13 выход из электропомпы может быть соединен с входом в канал блока подогрева двумя параллельными каналами, один из которых оснащен средством перекрытия, а второй - дозирующим жиклером;

- блок подогрева 5 содержит коаксиальные полости для теплоаккумулирующего сердечника 6, теплоизоляции 7, жидкостного канала 10, в котором жидкостный канал 10 размещен между теплоаккумулирующим сердечником 6 и теплоизоляцией 7, при этом в полости для теплоизоляции создан вакуум с остаточным давлением не более 1 Па и в качестве теплоизоляции 7 использованы прокладки из базальтового волокна или многослойные прокладки из слоев никелевой фольги, разделенных дистанционирующей сеткой из базальтового или каолинового волокна.

Сущность предлагаемых способа и систем подогрева поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная электропневмогидравлическая схема системы подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта, в которой реализуется предлагаемый способ жидкостного подогрева и отопления.

Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта содержит охлаждающую жидкость (тосол), рубашку 1, сливной кран 2 рубашки и насос 3 двигателя, отопитель 4, блок подогрева 5 с полостями для теплоаккумулирующего сердечника 6, для теплоизоляции 7, с газовым каналом 8, который сообщен с выхлопным коллектором 9 двигателя, и жидкостным каналом 10, который подключен последовательно к жидкостному каналу отопителя 4, а также содержит средства перекрытия жидкостных каналов, например обратные клапаны 11, 12, регулируемый многопозиционный кран 13, краны 14 и 15, средства 16, 17 перекрытия газовых каналов, источник тока 18, например электрический аккумулятор, включатель 19, электронасос 20 блока подогрева, указатель 21 температуры жидкостного канала блока подогрева, теплоизолированный дополнительный канал 22 и дополнительный канал 23.

Основными возможными эксплуатационными режимами работы системы подогрева и отопления являются:

1. При работающем двигателе:

1.1) зарядка блока подогрева отходящим теплом выхлопных газов;

1.2) хранение тепла, накопленного в блоке подогрева;

1.3) потребление отходящего тепла выхлопных газов для отопления салона через блок подогрева;

2. При неработающем двигателе:

2. Охранение тепла, накопленного в блоке подогрева при работе двигателя;

2.2) потребление тепла для предпускового подогрева двигателя;

2.2.1) этап 1 (при T₁>T_к),

2.2.2) этап 2 (при T₁<=T_к);

2.3) потребление тепла для подогрева салона.

Каждый из режимов выполняется установкой положения средств 13, 14, 15, 16, 17 перекрытия каналов и включателя 19 согласно таблице режимов. В таблице знак "+" обозначает "Открыто", "Включено", знак «-» обозначает "Закрыто", "Выключено". Знаки "+/-" и "-/+" характеризуют возможность двухпозиционного ("Открыто" или "Закрыто") положение средств перекрытия. Двухпозиционное положение средств перекрытия 16 и 17 необходимо для прекращения потока выхлопных газов через блок подогрева в режиме хранения тепла и для отключения блока подогрева в теплое время года и суток.

Таблица
Режимы работы системы подогрева двигателя и отопления салона автотранспорта
Условный номер режима	Состояние двигателя	Положение средств перекрытия каналов и электропитания (NN позиций фиг.1)
11	12	13	14	15	16	17	19
1.1	Работающий	-	+	-	+	+/-	-/+	+/-	-
1.2	Работающий	-	-	-	+	+/-	+/-	-/+	-
1.3	Работающий	+	+	+	-	+	-	+	+/-
2.1	Неработающий	-	-	-	-/+	-	-	-
2.2	Неработающий
2.2.1	Неработающий	+	+	+мн	-	-	-	-	+
2.2.2	Неработающий	+	+	+мк	-	+	-	"	+
2.3	Неработающий	+	+	+		+			+

Этими же средствами регулируется температура T₁ за счет изменения расхода выхлопных газов. Двухпозиционное положение крана 13 позволяет осуществлять регулирование расхода жидкости в зависимости от значения температуры T₁, например, посредством теплового реле, связанного с приводом крана 13 и указателем температуры 21. Кран 13 не может быть открыт на расход жидкости G₁=G_o ранее, чем температура T₁ снизится до значения T₁=Т_к. В таблице также отмечено положение, которое занимают обратные клапаны 11 и 12 при реализации того или иного режима. Положение средств перекрытия, показанное на чертеже, дано применительно к режимам 1.1 и 1.3 (см. таблицу). В таблице обозначены также: "+мн" - позиция минимального расхода, "+мк" - позиция максимального расхода.

Заявленный способ реализуется на соответствующих эксплуатационных режимах заявленной системы, для чего средствам перекрытия каналов и электровыключателю обеспечивают положение, руководствуясь указаниями таблицы, в зависимости от режима эксплуатации, при этом (см. чертеж):

- в период работы двигателя теплоаккумулирующий элемент 6 и стенки жидкостного канала 10 нагревают выхлопными газами до температуры T₁, где Т_к<Т₁<Т_г, Т_к - температура кипения жидкости, Т_г - температура газов на выходе из выхлопного коллектора 9;

- в период подогрева двигателя подачу жидкости электронасосом 20 в жидкостный канал 10 блока подогрева регулируют двухпозиционным краном 13, регулирование осуществляют так, что в начале подогрева двигателя жидкость подают с расходом G₁<0,1G_o, обеспечивают полное испарение жидкости, поступающей в канал 10 через клапан 11, отводят пар через клапан 12 по каналу 22 в жидкостный контур с рубашкой 1 двигателя, обеспечивают конденсацию пара в жидкостном контуре, а после снижения температуры стенок канала 10 до температуры T₁=Т_к кран 13 переводят во вторую позицию и расход жидкости увеличивают до G₁=G_o;

- блок подогрева 5 используют в течение всего времени работы двигателя, как в кратковременные периоды зарядки теплового аккумулятора в режиме 1.1, так и для отопления салона в остальное время работы двигателя (см. таблицу, режим 1.3).

Поставленная техническая задача

- увеличения эффективного времени хранения накопленного тепла решается за счет подогрева в режиме 1.1 теплоаккумулирующего сердечника 6 до высокой температуры T₁ и за счет применения теплоизоляции 7 с низкой теплопроводностью

- сокращения времени предпускового подогрева двигателя решается за счет высокой температуры T₁ в режиме 1.1 и высокой теплоотдачи: при парообразовании в режиме 2.2.1 и за счет увеличения расхода жидкости в режиме 2.2.2;

- повышения надежности блока подогрева 5 и безопасности в режиме 2.2 эксплуатации решается за счет строго ограниченного расхода жидкости в начале режима, исключающего возрастание давления пара в канале 10 до критического значения;

- эффективного использования отходящего тепла выхлопных газов и блока подогрева 5 в течение всего времени работы двигателя решается за счет того, что организуется потребление отходящего тепла выхлопных газов в режиме 1.3 (см. таблицу) для дополнительного подогрева тосола, поступающего в отопитель 4 в периоды, когда не используется режим 1.1 эксплуатации;

- снижения габаритов и массы блока подогрева 5 решается за счет применения экранно-вакуумной теплоизоляции 7, позволяющей уменьшить толщину теплоизоляции без роста потерь тепла и, соответственно, уменьшить габаритные размеры и вес блока подогрева.

Предлагаемые способ и система подогрева двигателя и отопления салона автотранспорта могут быть использованы в силовых установках всех видов транспорта, оснащенного двигателями внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением и встроенным в систему охлаждения двигателя отопителем салона (кабины).

Предлагаемые способ и система подогрева двигателя и отопления салона по сравнению с прототипом обладают тем преимуществом, что:

- сокращается время предпускового подогрева двигателя;

- повышается надежность блока подогрева и обеспечивается безопасность его эксплуатации;

- посредством блока подогрева отходящее тепло выхлопных газов используется для отопления салона автотранспорта;

- снижаются габариты и масса блока подогрева.

Литература

1. Описание изобретения к патенту Российской Федерации N 2117780, кл. F 01 P 3/00, F 02 G 5/00, F 02 N 17/4, F 01 N 5/02, F 02 G 5/02, F 01 M 5/02, приоритет 17.12.96 г.

2.Описание изобретения к патенту Российской Федерации N 2153098, кл. F 01 P 3/00, F 02 G 5/00, F 02 N 17/4, F 01 N 5/02, F 02 G 5/02, F 01 M 5/02, приоритет 28.01.99 г.

1. Способ подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта, при котором салон отапливают охлаждающей жидкостью, подогретой в рубашке работающего двигателя, обеспечивают отвод пара при закипании жидкости в компенсационный бачок через жидкостный контур двигателя, для предпускового подогрева двигателя используют блок подогрева с тепловым аккумулятором, газовым и жидкостным каналами, газовый канал сообщают с выхлопным коллектором двигателя, жидкостный канал блока подогрева (далее "канал") встраивают в жидкостный контур двигателя и отопителя, обеспечивают возможность циркуляции жидкости с заданным расходом G_o в канале при неработающем двигателе и при подогреве двигателя осуществляют непрерывную подачу жидкости в канал и прекращают такую подачу после подогрева двигателя, отличающийся тем, что в период работы двигателя нагревают тепловой аккумулятор и стенки жидкостного канала до температуры Т₁, где Т_к<Т₁<Т_г, Т_к - температура кипения жидкости, Т_г - температура газов на выходе из выхлопного коллектора, в период подогрева двигателя подачу жидкости в канал регулируют, регулирование осуществляют так, что в начале подогрева жидкость подают с расходом G₁<0,1G_o, обеспечивают полное испарение жидкости, поступающей в канал, отводят пар в жидкостный контур двигателя, обеспечивают конденсацию пара в жидкостном контуре, после снижения температуры стенок канала до температуры Т₁=Т_к расход жидкости увеличивают до G₁=G_o.

2. Способ подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта по п.1, отличающийся тем, что блок подогрева используют при работающем двигателе для дополнительного подогрева охлаждающей жидкости и улучшения отопления салона.

3. Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта, содержащая охлаждающую жидкость, рубашку, сливной кран рубашки и насос двигателя, отопитель, блок подогрева с тепловым аккумулятором, электропомпой, газовым каналом, который сообщен с выхлопным коллектором двигателя, и жидкостным каналом, который подключен последовательно к жидкостному каналу отопителя, средствами перекрытия жидкостных каналов, отличающаяся тем, что в канале, соединяющем выход из электропомпы и вход в блок подогрева установлено средство перекрытия канала с возможностью ступенчатого регулирования расхода жидкости, выход блока подогрева соединен дополнительным теплоизолированным каналом с входом в рубашку двигателя, вход в рубашку расположен на уровне входа в сливной кран рубашки, вход в электропомпу соединен дополнительным каналом с входом в отопитель, а дополнительный канал снабжен средством его перекрытия.

4. Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта по п.3, отличающаяся тем, что выход из электропомпы соединен с входом в канал блока подогрева двумя параллельными каналами, один из которых оснащен средством перекрытия, а второй - дозирующим жиклером.

5. Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта по п.3, отличающаяся тем, что блок подогрева содержит коаксиальные полости для теплоаккумулирующего сердечника, теплоизоляции, жидкостного канала, в котором жидкостной канал размещен между теплоаккумулирующим сердечником и теплоизоляцией, при этом в полости для теплоизоляции создан вакуум с остаточным давлением не более 1 Па.

6. Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта по п.5, отличающаяся тем, что в качестве теплоизоляции использованы прокладки из базальтового волокна.

7. Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта по п.5, отличающаяся тем, что в качестве теплоизоляции использованы многослойные прокладки из слоев никелевой фольги, разделенных дистанционирующей сеткой из базальтового волокна.

8. Система подогрева двигателя внутреннего сгорания и отопления салона автотранспорта по п.5, отличающаяся тем, что слои никелевой фольги разделены дистанционирующей сеткой из каолинового волокна.