RU2075626C1

RU2075626C1 - Starting preheater system for internal combustion engine

Info

Publication number: RU2075626C1
Application number: RU93041663A
Authority: RU
Inventors: С.Д. Гулин; В.В. Шульгин; С.А. Яковлев
Original assignee: Гулин Степан Дмитриевич
Priority date: 1993-08-19
Filing date: 1993-08-19
Publication date: 1997-03-20

Abstract

FIELD: transport engineering; construction, road building, logging vehicles and automobiles intended for operation at below zero temperatures. SUBSTANCE: phase transfer heat accumulator is used as heat source in starting preheater system with binary salt mixture of lithium and potassium nitrates being used as heat accumulating substance. Heat accumulator has reservoir for keeping heat carrying agent with system of filling in and draining into engine which makes is possible to use water as heat carrying agent. Starting preheater system of thermosyphon type has no devices requiring supply from storage battery and is designed for operation at ambient temperatures down to minus 40 C. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности, двигателестроению, а именно к устройствам для разогрева двигателей внутреннего сгорания и может быть применено в эксплуатации строительных машин и автомобилей. The invention relates to mechanical engineering, in particular engine manufacturing, and in particular to devices for heating internal combustion engines and can be used in the operation of construction vehicles and automobiles.

Известны жидкостные системы предпускового подогрева или разогрева двигателей внутреннего сгорания с принудительной или термосифонной циркуляцией жидкого теплоносителя, содержащие котел-подогреватель, работающий на жидком топливе, вентилятор с электродвигателем, систему питания топливом, трубопроводы подвода и отвода теплоносителя, трубопроводы подвода газообразных продуктов сгорания топлива к масляному поддону двигателя и приборы управления работой подогревателя [1]
Такие системы потребляют топливо, ненадежны и сложны в эксплуатации из-за возможного появления пламени на выходе из котла [2]
Наиболее близким аналогом является система, в которой источник тепла выполнен в виде аккумулятора тепла теплоемкостного типа, корпус которого снабжен газовыми и жидкостными каналами, первые из которых соединены с выпускной трубой двигателя через газовый трубопровод с коллектором, а последние с рубашкой охлаждения двигателя и с компенсационным баком через жидкостные трубопроводы и откачивающий насос [3]
В этих системах отмеченные выше недостатки устранены, однако данные системы могут работать только на низкозамерзающих жидкостях и в нерациональном с точки зрения использования аккумулированной тепловой энергии режиме подогрева, а также имеют в своем составе термовключатель и электромагнитные клапаны, питание на которые подается от аккумуляторной батареи.Known liquid systems for preheating or heating internal combustion engines with forced or thermosiphon circulation of a liquid coolant, containing a boiler heater operating on liquid fuel, a fan with an electric motor, a fuel supply system, pipelines for supplying and discharging a coolant, pipelines for supplying gaseous products of fuel combustion to oil engine sump and heater controls [1]
Such systems consume fuel, are unreliable and difficult to operate due to the possible occurrence of a flame at the outlet of the boiler [2]
The closest analogue is a system in which the heat source is made in the form of a heat-storage type heat accumulator, the body of which is equipped with gas and liquid channels, the first of which are connected to the engine exhaust pipe through a gas pipeline with a collector, and the latter with an engine cooling jacket and with a compensation tank through liquid pipelines and a suction pump [3]
In these systems, the drawbacks noted above have been eliminated, however, these systems can only work on low-freezing liquids and in a heating mode that is not rational from the point of view of using accumulated heat energy, and also include a thermal switch and solenoid valves powered by a battery.

Таким образом, во всех известных устройствах на подогрев двигателя затрачивается либо энергия топлива, либо аккумулированная энергия отработавших газов, но в последнем случае системы сложны и требует применять в качестве теплоносителя низкозамерзающие жидкости. Thus, in all known devices, either fuel energy or the accumulated energy of the exhaust gases is spent on engine heating, but in the latter case, the systems are complex and require the use of low-freezing liquids as a coolant.

Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении системы за счет использования в качестве теплоносителя воды. The problem solved by the invention is to simplify the system by using water as a coolant.

Это достигается тем, что источник тепла выполнен в виде теплового аккумулятора фазового перехода, имеющего емкость для хранения воды и состоящего из газового и жидкостного теплообменников, в свободном объеме между которыми находится теплоаккумулирующее вещество. This is achieved by the fact that the heat source is made in the form of a phase-transfer heat accumulator having a capacity for storing water and consisting of gas and liquid heat exchangers, in the free volume between which there is a heat-accumulating substance.

На фиг. 1 дана принципиальная схема системы предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 принципиальная схема теплового аккумулятора фазового перехода. In FIG. 1 is a schematic diagram of a preheating system for an internal combustion engine; in FIG. 2 schematic diagram of a phase transition heat accumulator.

Система предпускового разогрева двигателя внутреннего сгорания 1 включает в себя тепловой аккумулятор фазового перехода 2 с заливной трубой 3, сливным трубопроводом 4 и краниками 5, 6; теплоизолированный газовый трубопровод 7 с заслонкой 8; выхлопную трубу 9 с заслонкой 10; нагреватель масла 11; расширительный бак 12 с воздушным краном 13; трубопроводы подвода 14 и отвода 15, 16 теплоносителя; запорные краны 17, 18 и спускной кран 19. The preheating system for the internal combustion engine 1 includes a phase transition heat accumulator 2 with a filler pipe 3, a drain pipe 4 and faucets 5, 6; heat-insulated gas pipeline 7 with a shutter 8; exhaust pipe 9 with a shutter 10; oil heater 11; expansion tank 12 with an air valve 13; pipelines for supply 14 and outlet 15, 16 coolant; stopcocks 17, 18 and drain cock 19.

Теплоизолированный газовый трубопровод 7 соединяет входной газовый патрубок теплового аккумулятора 2 с выхлопной трубой 9. A heat-insulated gas pipeline 7 connects the inlet gas pipe of the heat accumulator 2 with the exhaust pipe 9.

Нагреватель масла 11 расположен в масляной ванне двигателя 1 и представляет собой выполненный из нескольких трубок водомасляный теплообменник, количество и линейные размеры которых рассчитаны на нагрев масла до температуры 40^oC при температуре окружающей среды минус 40^oC.The oil heater 11 is located in the oil bath of the engine 1 and is a water-oil heat exchanger made of several tubes, the number and linear dimensions of which are designed to heat the oil to a temperature of 40 ^o C at an ambient temperature of minus 40 ^o C.

Расширительный бак 12 с помощью трубопровода 20 связан с водоотводной трубой 21 двигателя. The expansion tank 12 is connected via a pipe 20 to a drain pipe 21 of the engine.

Трубопровод подвода теплоносителя 14 через запорный кран 17 соединяет выходной жидкостной патрубок теплового аккумулятора 2 с водоотводной трубой 21 двигателя. Трубопровод отвода теплоносителя 15 через запорный кран 18 связывает рубашку охлаждения двигателя в районе нижней части последнего цилиндра с входным патрубком нагревателя масла 11, а трубопровод 16 выходной патрубок нагревателя масла с входным жидкостным патрубком теплового аккумулятора 2. The coolant supply pipe 14 through a shut-off valve 17 connects the liquid outlet pipe of the heat accumulator 2 with a drain pipe 21 of the engine. The coolant discharge pipe 15 through the shut-off valve 18 connects the engine cooling jacket in the region of the lower part of the last cylinder with the inlet pipe of the oil heater 11, and the pipe 16 the outlet pipe of the oil heater with the inlet liquid pipe of the heat accumulator 2.

Спускной кран 19 смонтирован на трубопроводе 16 в самый нижний точке системы. The drain valve 19 is mounted on the pipe 16 at the lowest point of the system.

Тепловой аккумулятор фазового перехода 2 состоит из емкости 22 для межсменного хранения воды, теплоаккумулирующего ядра 23 и тепловой изоляции 24, выполненной из минеральной ваты. Для обеспечения термосифонной циркуляции теплоносителя тепловой аккумулятор располагается на машине таким образом, чтобы его теплоаккумулирующее ядра находилось не выше рубашки охлаждения двигателя. The thermal accumulator of phase transition 2 consists of a tank 22 for inter-shift storage of water, a heat storage core 23 and thermal insulation 24 made of mineral wool. To ensure thermosiphon circulation of the coolant, the heat accumulator is located on the machine so that its heat storage core is no higher than the engine cooling jacket.

Теплоаккумулирующее ядро 23 представляет собой емкость формы параллелепипеда, образованного двумя газовыми трубными досками 25 и двумя жидкостными трубными досками 26, а также двумя боковыми пластинами 27, приваренными к ним. Газовый теплообменник теплового аккумулятора образован несколькими рядами взаимно параллельных газовых труб 28, концы которых завальцованы в отверстиях трубных досок 25. Жидкостные трубы 29 перпендикулярны газовым трубам 28, расположены между ними и аналогично завальцованы в отверстиях жидкостных трубных досок 26. Совокупность жидкостных труб 29 образует жидкостной теплообменник теплового аккумулятора. Свободный объем между газовым и жидкостным теплообменником заполнен теплоаккумулирующим веществом 30, в качестве которого применяется бинарная солевая эвтектическая смесь нитратов лития и калия. Для подвода и отвода отработавших газов к газовым трубным доскам 25 с помощью болтовых соединений через медноасбестовые прокладки прикреплены газовые крышки 31 с патрубками. Для подвода и отвода воды к жидкостным трубным доскам 26 приварены жидкостные бачки 32, имеющие входной и выходной патрубки. Емкость 22 для межсменного хранения воды и теплоаккумулирующее ядро 23 разделены пластиной 33 и слоем теплоизоляции. The heat storage core 23 is a parallelepiped-shaped vessel formed by two gas tube plates 25 and two liquid tube plates 26, as well as two side plates 27 welded to them. The gas heat exchanger of the heat accumulator is formed by several rows of mutually parallel gas pipes 28, the ends of which are rolled in the holes of the tube plates 25. The liquid pipes 29 are perpendicular to the gas pipes 28, are located between them and are similarly rolled in the holes of the liquid tube plates 26. The combination of liquid pipes 29 forms a liquid heat exchanger thermal battery. The free volume between the gas and liquid heat exchanger is filled with heat-accumulating substance 30, which is a binary salt eutectic mixture of lithium and potassium nitrates. For supply and removal of exhaust gases to the gas pipe boards 25 using bolted connections through copper asbestos gas pads attached gas cap 31 with nozzles. To supply and drain water to the liquid tube boards 26, liquid tanks 32 are welded having an inlet and an outlet pipe. The tank 22 for inter-shift storage of water and the heat storage core 23 are separated by a plate 33 and a layer of thermal insulation.

Система разогрева работает следующим образом. The heating system works as follows.

Во время работы двигателя 1 отработавшие газы при открытой заслонке 8 и закрытой заслонке 10 направляются в теплоизолированный газовый трубопровод 7, а затем в газовые трубки 28 теплоаккумулирующего ядра. Проходя газовый теплообменник, отработавшие газы отдают часть своей тепловой энергии теплоаккумулирующему веществу 30 и выбрасываются через одну из газовых крышек 31 в атмосферу. Теплоаккумулирующее вещество нагревается до температуры плавления, равной 133^oC, плавится, претерпевая фазовый переход твердое тело жидкость и запасная тепловую энергию в виде скрытой теплоты плавления, а затем нагревается в жидкой фазе до температуры 250 300^oC. Время зарядки теплового аккумулятора 2 зависит от режима работы двигателя 1 и составляет в среднем 5 6 часов при температуре окружающей среды минус 40^oC.During operation of the engine 1, the exhaust gases with the shutter 8 open and the shutter 10 closed are sent to a heat-insulated gas pipe 7, and then to the gas tubes 28 of the heat storage core. Passing the gas heat exchanger, the exhaust gases give part of their thermal energy to the heat-accumulating substance 30 and are discharged through one of the gas covers 31 into the atmosphere. The heat-accumulating substance is heated to a melting point of 133 ^o C, melts, undergoing a phase transition solid-liquid and the reserve heat energy in the form of latent heat of fusion, and then heats in the liquid phase to a temperature of 250 300 ^o C. The charging time of heat accumulator 2 depends on engine operating mode 1 and averages 5 to 6 hours at ambient temperature minus 40 ^o C.

После остановки двигателя вода из его рубашки охлаждения сливается в емкость 22 теплового аккумулятора 2 через заливную трубу 3 с открытым краном 45 вручную или заканчивается в нее установленным на борту машины ручным насосом (на фиг. 1, 2 он не показан). Благодаря теплоизоляции 24 теплоаккумулирующее вещество 30 в период межсменной стоянки, продолжительность которой при температуре окружающей среды минус 40^oC может достигать 24 - 36 часов в зависимости от скорости ветра, находится в расплавленном состоянии и имеет температуру к концу межсменного периода 220-250^oС, а находящаяся в емкости вода 80-90^oС.After the engine stops, the water from its cooling jacket is discharged into the tank 22 of the heat accumulator 2 through the filler pipe 3 with an open tap 45 manually or ends in it with a hand pump installed on board the machine (it is not shown in Figs. 1, 2). Thanks to thermal insulation 24, the heat-accumulating substance 30 during the inter-shift period, the duration of which at ambient temperature minus 40 ^o C can reach 24 - 36 hours depending on the wind speed, is in a molten state and has a temperature at the end of the inter-shift period of 220-250 ^o C, and the water in the tank is 80-90 ^o C.

Разогрев двигателя 1 осуществляется разрядкой теплового аккумулятора 2. Перед пуском двигателя после межсменной стоянки открываются запорные 17, 18, воздушный кран 13 и закрывается спускной кран 19. При открытии краника 6 находящаяся в емкости вода по сливному трубопроводу 4 самотеком поступает в нижний жидкостной бачок 32 и из него в жидкостные трубки 29 теплоаккумулирующего ядра 23. Так как температура стенок трубок 29 жидкостного теплообменника выше 200^oC, то в результате теплообменника в нем образуется пароводяная смесь. При этом теплоаккумулирующее вещество 30 претерпевает обратимый фазовый переход жидкость твердое тело и отдает теплоносителю запасенную тепловую энергию, большая часть которой выделяется в виде скрытой теплоты кристаллизация. Заполнение рубашки охлаждения двигателя производится по трубопроводу 14 и трубопроводам 16, 15 через нагреватель масла 11. Находящийся при этом в системе воздух поднимается в расширительный бак 12 по трубопроводу 20 и удаляется через воздушный кран 13. При полном заполнении системы за счет разности плотностей теплоносителя в жидкостном теплообменнике теплового аккумулятора 2 и в рубашке охлаждения двигателя 1 возникает термосифонная циркуляция по следующему контуру: тепловой аккумулятор 2 - трубопровод подвода 14 водоотводная труба 21 и водяной радиатор двигателя 1 головки и блок основного и пускового двигателей трубопровод отвода 15 - нагреватель масла 11 трубопровод отвода 16 тепловой аккумулятор 2. Расширительный бак 12 воспринимает увеличивающийся объем теплоносителя. Время окончания разогрева контролируется оператором по показаниям установленных в кабине указателей температуры воды в системе охлаждения и масла в поддоне. При температуре окружающей среды минус 40^oC время разогрева двигателя составляет в среднем 15 мин.The engine 1 is heated by discharging the heat accumulator 2. Before starting the engine after inter-shift parking, the shut-off valves 17, 18, the air valve 13 open and the drain valve 19 is closed. When the faucet 6 is opened, the water in the tank through the drain pipe 4 flows by gravity to the lower liquid tank 32 and from it into the liquid tubes 29 of the heat storage core 23. Since the temperature of the walls of the tubes 29 of the liquid heat exchanger is higher than 200 ^° C, a steam-water mixture is formed in it as a result of the heat exchanger. In this case, the heat-accumulating substance 30 undergoes a reversible liquid-solid phase transition and transfers the stored heat energy to the heat carrier, most of which crystallizes as latent heat. The engine cooling jacket is filled through pipeline 14 and pipelines 16, 15 through the oil heater 11. The air in the system rises into the expansion tank 12 through pipeline 20 and is removed through the air valve 13. When the system is completely filled due to the difference in the density of the coolant in the liquid the heat exchanger of the heat accumulator 2 and in the cooling jacket of the engine 1 there is a thermosiphon circulation along the following circuit: heat accumulator 2 - supply pipe 14 drain pipe 21 and water the radiator of the engine 1 of the head and the block of the main and starting engines exhaust pipe 15 - oil heater 11 exhaust pipe 16 heat accumulator 2. The expansion tank 12 perceives the increasing volume of coolant. The warm-up end time is controlled by the operator according to the indications of the water temperature indicators in the cooling system and oil in the pan installed in the cab. At an ambient temperature of minus 40 ^o C, the engine warm-up time is on average 15 minutes.

По окончании разогрева двигатель 1 запускается, закрываются запорные краны 17, 18, открывается спускной кран 19 и из жидкостного теплообменника теплового аккумулятора 2, трубопроводов 14, 15, 16 и нагревателя масла 11 удаляется находящаяся в них вода, которая затем заливается по трубопроводу 3 в емкость 22. After warming up, engine 1 starts, shut-off valves 17, 18 close, drain valve 19 opens, and the water in them is removed from the liquid heat exchanger of heat accumulator 2, pipelines 14, 15, 16 and oil heater 11, which is then poured through pipeline 3 into the tank 22.

Объем емкости 22 равен сумме объемов системы охлаждения двигателя 1, жидкостного теплообменника теплового аккумулятора 2, нагревателя масла 11 и трубопроводов 14, 15, 16. The volume of the tank 22 is equal to the sum of the volumes of the cooling system of the engine 1, the liquid heat exchanger of the heat accumulator 2, the oil heater 11 and pipelines 14, 15, 16.

Предлагаемая система разогрева по сравнению с системой подогрева двигателя внутреннего сгорания с использованием в качестве источника тепла аккумулятора теплоемкостного типа упрощает конструкцию, позволяет применять в качестве теплоносителя воду. The proposed heating system compared to the heating system of an internal combustion engine using a heat-capacitive type battery as a heat source simplifies the design and allows the use of water as a heat carrier.

Источник информации. A source of information.

1. Николаев Л. А. Сташкевич А.П. Захаров И.А. Системы подогрева тракторных дизелей при пуске. М. Машиностроение, 1977, 191 с. 1. Nikolaev L. A. Stashkevich A.P. Zakharov I.A. Heating systems for tractor diesel engines at start-up. M. Engineering, 1977, 191 p.

2. Карепов В.А. Хорош А.И. Системы подготовки двигателей экскаваторов и кранов к запуску при низких температурах. Обзор ЦНИИТЭстроймаш, М. вып.1, 1981, 52 с. 2. Karepov V.A. Khorosh A.I. Systems for preparing excavator engines and cranes for starting at low temperatures. Review TsNIITEstroymash, M. issue 1, 1981, 52 pp.

3. А.с. СССР N 739250, F 02 N 17/02, 1980. 3. A.S. USSR N 739250, F 02 N 17/02, 1980.

Claims

A preheating system for an internal combustion engine of a predominantly construction machine, comprising a heat accumulator provided with a heat-insulated casing with gas and liquid pipes, the first of which are connected to the exhaust pipe of the engine, and the latter with the engine cooling jacket, expansion tank and heat supply pipes to the engine, characterized in that it is equipped with a water storage tank, a heat accumulator and a water storage tank are located in a common housing and are separated by a partition made of thermally insulated of the material, the annular space of the heat accumulator is filled with a heat-accumulating substance that changes the state of aggregation, the water storage tank is in communication with the liquid pipes of the battery through a connecting pipe with a tap installed in it, while the expansion tank is equipped with an air valve and is connected to the engine drain pipe.