RU94638U1

RU94638U1 - START-UP HEATER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: RU94638U1
Application number: RU2010102019/22U
Authority: RU
Inventors: Борис Георгиевич Еремин; Роман Сергеевич Литвинов; Сергей Владимирович Мартынов; Александр Петрович Ситников
Original assignee: Серпуховской военный институт ракетных войск (СВИ РВ)
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2010-05-27

Abstract

Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания, включающий камеру сгорания с форсунками и отверстиями для подвода воздуха, теплообменник, системы подвода воздуха, охлаждающей жидкости и топлива, камера сгорания снабжена предкамерой с закрытым фронтовым устройством и отверстиями для подвода воздуха в первичную зону предкамеры, а в передней глухой стенке предкамеры установлен плазменный конвертор топлива, патрубок подвода воздуха расположен на корпусе между камерой сгорания и предкамерой, в выходном сечении предкамеры на входе в камеру сгорания установлен стабилизатор пламени, отличающийся тем, что корпус теплообменника имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а теплообменный аппарат выполнен в виде системы соединенных друг с другом параллельно расположенных пластин, поперечно пересекающих котел, в нижних пластинах выполнены цилиндрические углубления, обеспечивающие дополнительную площадь теплообмена с горячими продуктами сгорания. The pre-heater of the internal combustion engine, including a combustion chamber with nozzles and openings for air supply, a heat exchanger, air supply systems, coolants and fuel, the combustion chamber is equipped with a pre-chamber with a closed front device and openings for supplying air to the primary zone of the pre-chamber, and in the front deaf a plasma fuel converter is installed on the prechamber wall, an air supply pipe is located on the housing between the combustion chamber and the prechamber, in the outlet section of the prechamber a flame stabilizer is installed in the combustion chamber, characterized in that the heat exchanger body has the shape of a rectangular parallelepiped, and the heat exchanger is made in the form of a system of parallel plates connected to each other, transversely crossing the boiler, cylindrical recesses are made in the lower plates, providing an additional heat exchange area with hot combustion products.

Description

Данная полезная модель относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к предпусковым подогревателям двигателя внутреннего сгорания.This utility model relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to prestarting heaters of an internal combustion engine.

Известен также предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2122138, F02N 17/06), включающий камеру сгорания с форсунками, теплообменник, системы подвода воздуха, охлаждающей жидкости и топлива, электронагреватель топлива, а камера сгорания снабжена предкамерой с закрытым фронтовым устройством и отверстиями подвода воздуха в первичную зону предкамеры, камера сгорания и предкамера снабжены корпусом с образованием общей воздушной полости, внутри которой вокруг предкамеры установлен электронагревательный элемент, а патрубок подвода воздуха расположен на корпусе между камерой сгорания и предкамерой.Also known is a prestarting heater of an internal combustion engine (RF patent No. 212138, F02N 17/06), including a combustion chamber with nozzles, a heat exchanger, air, coolant and fuel supply systems, an electric fuel heater, and the combustion chamber is equipped with a prechamber with a closed front device and openings air supply to the primary zone of the pre-chamber, the combustion chamber and the pre-chamber are provided with a housing with the formation of a common air cavity, inside which an electric heating element is installed around the pre-chamber, and the air supply tubes are located on the housing between the combustion chamber and the pre-chamber.

Однако в известном подогревателе вследствие подачи вентилятором в камеру сгорания воздуха с температурой окружающей среды устойчивость горения топлива недостаточно высока, что замедляет подогрев двигателя.However, in the known heater due to the supply of a fan to the combustion chamber of air with an ambient temperature, the combustion stability of the fuel is not high enough, which slows down the heating of the engine.

Недостатком данного подогревателя является сложность включения данного устройства в работу, повторное использование возможно только после полного остывания свечи накаливания и проведения вентиляции предкамеры, устройство не позволяет регулировать воспламеняемость топливной смеси в зависимости от температуры окружающего воздуха, не затрагивает молекулярную структуру подготовки топлива и слабо влияет на процесс активизации топлива.The disadvantage of this heater is the difficulty of turning this device on, reuse is possible only after the glow plug has completely cooled and the chamber is ventilated, the device does not allow controlling the flammability of the fuel mixture depending on the ambient temperature, does not affect the molecular structure of the fuel preparation and weakly affects the process fuel boost.

Кроме того, конструкция предпускового подогревателя сложна и, вследствие этого, обладает низкой надежностью, а известный подогреватель требует для своей работы высокую энерговооруженность автомобиля.In addition, the design of the pre-heater is complex and, therefore, has low reliability, and the known heater requires a high power ratio of the car for its operation.

Прототипом полезной модели является предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №78877 от 10 декабря 2008 года), включающий камеру сгорания с форсунками и отверстиями для подвода воздуха, теплообменник типа "газ-жидкость". Камера сгорания снабжена предкамерой с закрытым фронтовым устройством и отверстиями подвода воздуха в первичную зону предкамеры. Камера сгорания ипредкамера снабжены корпусом с образованием общей воздушной полости. Патрубок подвода воздуха в полость расположен на корпусе между камерой сгорания и предкамерой. В передней глухой стенке предкамеры установлен плазменный конвертор топлива. Форсунки камеры сгорания расположены на переднем диффузорном участке камеры сгорания и выполнены хордальными и пространственно ориентированы по потоку под углом 45° к оси подогревателя. Кроме того, в выходном сечении предкамеры на входе в камеру сгорания установлен стабилизатор пламени.The prototype of the utility model is a pre-heater for an internal combustion engine (RF patent No. 78877 dated December 10, 2008), including a combustion chamber with nozzles and openings for air supply, a gas-liquid heat exchanger. The combustion chamber is equipped with a pre-chamber with a closed frontal device and openings for supplying air to the primary zone of the pre-chamber. The combustion chamber and the pre-chamber are provided with a housing with the formation of a common air cavity. The pipe for supplying air into the cavity is located on the housing between the combustion chamber and the pre-chamber. A plasma fuel converter is installed in the front blind wall of the prechamber. The nozzles of the combustion chamber are located on the front diffuser section of the combustion chamber and are chordal and spatially oriented downstream at an angle of 45 ° to the axis of the heater. In addition, a flame stabilizer is installed in the exit section of the prechamber at the inlet of the combustion chamber.

Недостатком данного предпускового подогревателя двигателя внутреннего сгорания является низкая теплопроизводительность нагрева охлаждающей жидкости, длительное время прогрева двигателя в условиях резко отрицательных температур и невозможность варьирования габаритными размерами предпускового подогревателя под конкретно заданный автомобиль.The disadvantage of this pre-heater for an internal combustion engine is the low heat output of heating the coolant, a long time for the engine to warm up in conditions of sharply negative temperatures and the inability to vary the overall dimensions of the pre-heater for a specific vehicle.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является снижение времени прогрева двигателя внутреннего сгорания путем повышения теплопроизводительности камеры сгорания подогревателя в условиях резко отрицательных температур окружающей среды, сокращение времени пуска двигателя при температуре воздуха ниже плюс 5°С и возможностью варьирования габаритных размеров подогревателя под конкретно заданный автомобиль.The problem the utility model aims to solve is to reduce the warm-up time of the internal combustion engine by increasing the heat output of the heater’s combustion chamber in conditions of sharply negative ambient temperatures, shortening the time of starting the engine at air temperatures below + 5 ° C and the possibility of varying the overall dimensions of the heater specifically preset car.

Поставленная цель достигается тем, что в предпусковом подогревателе двигателя внутреннего сгорания, включающем камеру сгорания с форсунками и отверстиями для подвода воздуха, теплообменник, системы подвода воздуха, охлаждающей жидкости и топлива, камера сгорания снабжена предкамерой с закрытым фронтовым устройством и отверстиями для подвода воздуха в первичную зону предкамеры, а в передней глухой стенке предкамеры установлен с помощью резьбового соединения плазменный конвертор топлива, патрубок подвода воздуха расположен на корпусе между камерой сгорания и предкамерой, в выходном сечении предкамеры на входе в камеру сгорания установлен стабилизатор пламени, корпус теплообменника имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а теплообменный аппарат выполнен в виде системы соединенных друг с другом параллельно расположенных пластин, поперечно пересекающих котел, в нижних пластинах выполнены цилиндрические углубления, обеспечивающие дополнительную площадь теплообмена с горячими продуктами сгорания.This goal is achieved by the fact that in the pre-heater of the internal combustion engine, including a combustion chamber with nozzles and openings for air supply, a heat exchanger, air supply systems, coolant and fuel, the combustion chamber is equipped with a prechamber with a closed front device and openings for supplying air to the primary the pre-chamber zone, and in the front blind wall of the pre-chamber, a plasma fuel converter is installed using a threaded connection, the air supply pipe is located on the housing between the combustion chamber and the pre-chamber, in the outlet section of the pre-chamber, a flame stabilizer is installed at the entrance to the combustion chamber, the heat exchanger body has the shape of a rectangular parallelepiped, and the heat exchanger is made in the form of a system of parallel plates connected to each other, transversely crossing the boiler, in the lower plates are made cylindrical recesses providing an additional area of heat exchange with hot combustion products.

К существенным отличиям заявленного решения от известного относится, что корпус теплообменника для нагрева охлаждающей жидкости изготовлен в виде системы соединенных друг с другом параллельно расположенных пластин, поперечно пересекающих котел, в нижних пластинах выполнены цилиндрические углубления, обеспечивающие дополнительную площадь соприкосновения охлаждающей жидкости с горячими продуктами сгорания, что позволяет максимально использовать тепловую энергию продуктов камеры сгорания для нагрева именно охлаждающей жидкости и повысить КПД теплообменника и подогревателя воздуха в целом.Significant differences of the claimed solution from the known one include the fact that the heat exchanger body for heating the coolant is made in the form of a system of parallel-mounted plates connected to each other, transversely crossing the boiler, cylindrical recesses are made in the lower plates, providing an additional contact area of the coolant with hot combustion products, which allows maximum use of the thermal energy of the products of the combustion chamber to heat precisely the coolant and ovysit efficiency of the heat exchanger and the air heater as a whole.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованиям новизны.Therefore, the claimed utility model meets the requirements of novelty.

Предполагаемый вариант реализации заявленного предпускового подогревателя ДВС изображен на фиг.1 (продольный разрез). Предпусковой подогреватель двигателя внутреннего сгорания содержит камеру сгорания 1 с форсунками 2 и отверстиями для подвода воздуха 3, теплообменник 4 типа "газ-жидкость", камера сгорания 1 снабжена предкамерой 5 с закрытым фронтовым устройством и отверстиями 6 подвода воздуха в первичную зону предкамеры 5. Камера сгорания 1 и предкамера 5 снабжены корпусом 7 с образованием общей воздушной полости 8. Патрубок 9 подвода воздуха в полость 8 расположен на корпусе 7 между камерой сгорания 1 и предкамерой 5. Форсунки 2 камеры сгорания 1 расположены на переднем диффузорном участке камеры сгорания 1 и выполнены хордальными и пространственно ориентированы по потоку под углом 45° к оси подогревателя. Кроме того, в выходном сечении предкамеры 5 на входе в камеру сгорания 1 установлен стабилизатор пламени 10. В передней глухой стенке предкамеры 5 установлен плазменный конвертор топлива 11.The proposed embodiment of the claimed engine start heater is shown in figure 1 (longitudinal section). The pre-heater of the internal combustion engine contains a combustion chamber 1 with nozzles 2 and openings for air supply 3, a gas-liquid heat exchanger 4, combustion chamber 1 is provided with a pre-chamber 5 with a closed front device and openings 6 for supplying air to the primary zone of the pre-chamber 5. Chamber of combustion 1 and the pre-chamber 5 are provided with a housing 7 with the formation of a common air cavity 8. A pipe 9 for supplying air to the cavity 8 is located on the housing 7 between the combustion chamber 1 and the pre-chamber 5. The nozzles 2 of the combustion chamber 1 are located on the front diffuser section of the combustion chamber 1 and is chordal and spatially oriented in the flow at an angle of 45 ° to the axis of the heater. In addition, in the output section of the pre-chamber 5, a flame stabilizer 10 is installed at the entrance to the combustion chamber 1. A plasma fuel converter 11 is installed in the front blind wall of the pre-chamber 5.

Теплообменник 4 расположен за камерой сгорания 1 и имеет двухходовую схему движения охлаждающего газа (продуктов сгорания) 17 и многоходовую схему движения охладителя (жидкости) 16. Корпус теплообменника имеет форму прямоугольного параллелепипеда, к которому с помощью сварки крепится теплообменный аппарат для нагрева охлаждающей жидкости, выполненный в виде системы сваренных по периметру друг с другом параллельно расположенных пластин 12 и 13, поперечно пересекающих котел. В нижних пластинах 13 выполнены цилиндрические штампованные углубления 14, с заданными геометрическими характеристиками, обеспечивающие дополнительную площадь соприкосновения охлаждающей жидкости с горячими продуктами сгорания и необходимую турбулизацию потока охлаждающей жидкости. Параллельно расположенные пластины 12 и 13, поперечно пересекающие котел, соединены между собой колосниками 15. В каналах для охлаждающей жидкости 16, составленных из пластин, имеются точки опоры (на фиг.1 не показаны), что позволяет выдерживать разность давлений по обе стороны пластины, а также повышенное внутреннее давление в канале. Теплообменник 4 крепится под траверсой рамы автомобиля, на которой устанавливается двигатель.The heat exchanger 4 is located behind the combustion chamber 1 and has a two-way motion diagram of the cooling gas (combustion products) 17 and a multi-way motion diagram of the cooler (liquid) 16. The heat exchanger body has the shape of a rectangular parallelepiped to which a heat exchanger for heating the coolant is made by welding, made in the form of a system of parallel-mounted plates 12 and 13 welded along the perimeter of one another, transversely crossing the boiler. In the lower plates 13, cylindrical stamped recesses 14 are made with predetermined geometric characteristics, providing an additional area of contact of the coolant with the hot combustion products and the necessary turbulization of the coolant flow. Parallelly arranged plates 12 and 13, transversely crossing the boiler, are interconnected by grates 15. In the channels for coolant 16, composed of plates, there are support points (not shown in Fig. 1), which allows to withstand the pressure difference on both sides of the plate, as well as increased internal pressure in the channel. The heat exchanger 4 is mounted under the traverse of the car frame on which the engine is mounted.

В качестве теплообменника 4 предпускового подогревателя воздуха наиболее перспективно применение цельносварного или пакетно-сварного варианта. В этом случае пластины с помощью попеременно устанавливаемых прокладок сваривают в блок либо пакет, а из пакетов набирают сам теплообменник.As the heat exchanger 4 of the pre-start air heater, the most promising application of the all-welded or batch-welded version. In this case, the plates are welded into a block or bag using alternately mounted gaskets, and the heat exchanger is assembled from the bags.

Система подвода воздуха включает вентилятор подачи воздуха (на фиг.1 не показана), система подачи топлива включает насос подачи топлива с трубопроводами (на фиг.1 не показана), система подвода охлаждающей жидкости включает насос прокачки охлаждающей жидкости с трубопроводами (на фиг.1 не показана).The air supply system includes an air supply fan (not shown in FIG. 1), the fuel supply system includes a fuel supply pump with pipelines (not shown in FIG. 1), the coolant supply system includes a coolant pump with pipelines (in FIG. 1 not shown).

В процессе работы предпускового подогревателя всасываемый воздух подается через патрубок подвода воздуха 9, часть воздуха, потребляемого предпусковым подогревателем, подается в плазменный конвертор топлива 11, установленный в предкамере 5, который преобразует его в низкотемпературную воздушную плазму, воздействующую на углеводородную топливную смесь, с образованием химически активных радикалов топливовоздушной смеси, осуществляя конверсию и воспламенение топливовоздушной смеси. Воздух, поступающий через отверстия 6 в первичную зону предкамеры 5, нагревается за счет теплоты сгорания топливовоздушной смеси, одновременно осуществляя прогрев стенок предкамеры 5, что улучшает работу предпускового подогревателя и обеспечивает устойчивый процесс горения в предкамере 5.During the operation of the pre-heater, the intake air is supplied through the air supply pipe 9, part of the air consumed by the pre-heater is supplied to the plasma fuel converter 11 installed in the pre-chamber 5, which converts it into a low-temperature air plasma acting on the hydrocarbon fuel mixture, with the formation of active radicals of the air-fuel mixture, carrying out the conversion and ignition of the air-fuel mixture. The air entering through the openings 6 into the primary zone of the pre-chamber 5 is heated by the heat of combustion of the air-fuel mixture, while heating the walls of the pre-chamber 5, which improves the operation of the pre-heater and ensures a stable combustion process in the pre-chamber 5.

Процесс горения в предлагаемом предпусковом подогревателе двигателя внутреннего сгорания осуществляется в две стадии - в предкамере 5 (первичная зона циркуляции) и в основной камере сгорания 1 (вторичная зона циркуляции). Основная камера сгорания 1 вступает в работу после начала устойчивого процесса горения в предкамере 5, продукты сгорания из предкамеры 5 попадают в основную камеру сгорания 1, куда через форсунки 2 впрыскивается дополнительное топливо, а через отверстия 3 поступает воздух.The combustion process in the proposed pre-heater of the internal combustion engine is carried out in two stages - in the pre-chamber 5 (primary circulation zone) and in the main combustion chamber 1 (secondary circulation zone). The main combustion chamber 1 comes into operation after the beginning of a stable combustion process in the pre-chamber 5, the combustion products from the pre-chamber 5 enter the main combustion chamber 1, where additional fuel is injected through the nozzles 2, and air enters through the openings 3.

Наличие двух циркуляционных зон (в предкамере 5 и в основной камере сгорания 1) улучшает условия перемешивания, повышает устойчивость горения и увеличивает время пребывания воздуха в камере сгорания, что повышает эффективность сгорания топливовоздушной смеси.The presence of two circulation zones (in the pre-chamber 5 and in the main combustion chamber 1) improves the mixing conditions, increases the stability of combustion and increases the residence time of the air in the combustion chamber, which increases the efficiency of combustion of the air-fuel mixture.

Тепло от продуктов сгорания в теплообменнике 4 передается через соединенные друг с другом параллельно расположенные пластины 12, 13, поперечно пересекающие котел. В нижних пластинах 13 выполнены цилиндрические углубления 14, обеспечивающие дополнительную площадь соприкосновения с горячими продуктами сгорания, в которых происходит быстрое нагревание охлаждающей жидкости. Под воздействием естественной циркуляции более холодная охлаждающая жидкость затекает в цилиндрические углубления 14, а нагретая жидкость вытекает из цилиндрических углублений, тем самым происходит интенсивное перемешивание и нагревание охлаждающей жидкости, что приводит к снижению времени нагрева охлаждающей жидкости и как следствие к сокращению времени подготовки двигателя к пуску. Параллельно расположенные пластины 12 и 13 с выполненными цилиндрическими углублениями 14, поперечно пересекающие котел, крепятся посредством сварки к внутренней поверхности корпуса 7, что способствует естественной циркуляции охлаждающей жидкости в каналах 16 системы нагрева.Heat from the combustion products in the heat exchanger 4 is transmitted through parallel-connected plates 12, 13 connected to each other, transversely crossing the boiler. In the lower plates 13 are made cylindrical recesses 14, providing an additional area of contact with hot combustion products, in which there is a rapid heating of the coolant. Under the influence of natural circulation, the colder coolant flows into the cylindrical recesses 14, and the heated fluid flows out of the cylindrical recesses, thereby intensively mixing and heating the coolant, which leads to a decrease in the heating time of the coolant and, as a result, to a reduction in the time required to prepare the engine for starting . In parallel, the plates 12 and 13 with cylindrical recesses 14, transversely crossing the boiler, are fastened by welding to the inner surface of the housing 7, which contributes to the natural circulation of the coolant in the channels 16 of the heating system.

Тепловая энергия от сгорающего топлива в камере сгорания топлива 1 кроме нагрева охлаждающей жидкости в теплообменнике 4 нагревает еще и масло в картере двигателя, т.к. верхняя поверхность камеры сгорания теплообменника 4 непосредственно контактирует с нижней поверхностью картера двигателя (на фиг.1 не показано).The thermal energy from the burning fuel in the combustion chamber of the fuel 1, in addition to heating the coolant in the heat exchanger 4, also heats the oil in the crankcase, because the upper surface of the combustion chamber of the heat exchanger 4 is in direct contact with the lower surface of the crankcase (not shown in FIG. 1).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в том, что применение теплообменного аппарата такой конструкции позволяет сократить его геометрические размеры, обеспечить лучший термический контакт между двумя средами и соответственно повысить коэффициент полезного действия предпускового подогревателя воздуха.The technical and economic efficiency of the proposed device lies in the fact that the use of a heat exchanger of this design can reduce its geometric dimensions, provide better thermal contact between the two environments and, accordingly, increase the efficiency of the preheater air heater.

Повышение кпд предпускового подогревателя достигается тем, что в конструкции теплообменника "газ-жидкость" для создания компактной поверхности теплообмена применены дополнительные вторичные поверхности со стороны горячего газа, что позволяет существенно увеличить площадь соприкосновения охлаждающей жидкости с горячими продуктами сгорания топлива, обеспечивая более быстрое нагревание охлаждающей жидкости, с интенсивным ее перемешиванием, что сокращает время подготовки двигателя к пуску. Достигается более полное и эффективное использование теплоты сгораемого топлива, улучшаются экономические и экологические характеристики предпускового подогревателя двигателя в целом.Increasing the efficiency of the pre-heater is achieved by the fact that in the design of the gas-liquid heat exchanger additional secondary surfaces are used on the hot gas side to create a compact heat exchange surface, which allows to significantly increase the contact area of the coolant with the hot products of fuel combustion, providing faster heating of the coolant , with intensive mixing, which reduces the time of preparation of the engine for starting. A more complete and efficient use of the heat of combustible fuel is achieved, and the economic and environmental characteristics of the engine pre-heater as a whole are improved.

Технический результат: быстрый и надежный пуск, как предпускового подогревателя, так и самого двигателя, а также более полное и эффективное использование теплоты сгорания топлива, повышается коэффициент полезного действия предпускового подогревателя воздуха.Technical result: quick and reliable start-up of both the pre-heater and the engine itself, as well as a more complete and efficient use of the calorific value of the fuel, the efficiency of the pre-heater is increased.

Claims

The pre-heater of the internal combustion engine, including a combustion chamber with nozzles and openings for air supply, a heat exchanger, air supply systems, coolants and fuel, the combustion chamber is equipped with a pre-chamber with a closed front device and openings for supplying air to the primary zone of the pre-chamber, and in the front deaf a plasma fuel converter is installed on the prechamber wall, an air supply pipe is located on the housing between the combustion chamber and the prechamber, in the outlet section of the prechamber a flame stabilizer is installed in the combustion chamber, characterized in that the heat exchanger body has the shape of a rectangular parallelepiped, and the heat exchanger is made in the form of a system of parallel plates connected to each other, transversely crossing the boiler, cylindrical recesses are made in the lower plates, providing an additional heat exchange area with hot combustion products.