Устройство подогрева топлива ДВС (конструкторская часть дипломного проекта)

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ НАГРЕВАТЕЛЯ

3.1 Анализ существующих конструкций подогревателей топлива

При проектировании подогревателя топлива произвел поиск по патентным фондам с глубиной до 40 лет. Так же изучил конструкции и работу существующих подогревателей топлива в литературе по автотракторным двигателям.
 Среди всех рассмотренных подогревателей выделил несколько наиболее перспективных для модернизации и усовершенствования.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No1160089 листа .

1-корпус; 2-перегородка; 3,4-топливная и обогревательная камеры; 5,6-подающий и отводящий патрубки для топлива соответственно;7,8-подающий и отводящий патрубки для жидкости соответственно; 9-электронагреватель; 10-привод; 11-блок управления; 12-поплавок;13-пластина;14-тензоэлемент;15-провода;16-теплоизолирующий материал.
Рисунок 3.1 Устройство для подогрева жидкого топлива в двигателе внутреннего сгорания.



Устройство для подогрева жидкого топлива в двигателе внутреннего сгорания. Перед пуском двигателя, так как топливо, подаваемое в двигатель не подогрето, блок 11(рисунок 3.1) управления подключает электронагреватель 9 к источнику питания, в связи, с чем топливо, находящееся в топливной камере 3, нагревается и обеспечивает легкий пуск и устойчивую работу двигателя в режиме прогрева. После прогрева двигателя обогревающая жидкость, проходящая через обогревательную камеру 4, через криволинейную перегородку 2 передает тепло жидкому топливу, проходящему через камеру 3.Так как перегородка 2 выполнена криволинейной, то обеспечивается высокая эффективность теплообмена между топливом и жидкостью.
 Жидкое топливо, подаваемое через подводящий патрубок 5 в нижнюю часть топливной камеры 3, подогревается теплом охлаждающей жидкости и электронагревателя 9 и, поднимаясь вверх, подается к дозирующему приспособлению (не показано) системы питания через отводящий патрубок 6. С увеличением температуры подогрева топлива его плотность понижается, в связи с чем при заданной температуре топлива поплавок 12 смещается вниз, а тензоэлемент 14 выдает на вход блока 11 управления сигнал, по которому электронагреватель 9 отключается от источника питания. После этого подогрев жидкого топлива осуществляется теплом обогревающей жидкости, проходящей через обогревательную камеру 4. Если тепла, отводимого от жидкости, не хватает для подогрева топлива до заданной температуры, то вследствие увеличившейся плотности топлива поплавок 12 поднимается вверх, а тензоэлемент 14 подает сигнал на вход блока 11 управления, обеспечивающего подключение электронагревателя 9 к источнику питания. После подогрева топлива до заданной температуры электронагреватель 9 отключается от источника питания, как описано.
 Отрицательный эффект данной конструкции заключается в том, что оно не обеспечивает равномерного нагрева топлива. Это снижает точность поддержания температуры топлива, особенно при пуске двигателя и его работы в условиях низких температур окружающей среды.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2030621 листа .


1-теплоизолированный топливопровод;2-бак; 3-емкость;4-теплоизолированный материал; 5-электродвигатель; 6-вал;7-крыльчатка;8-позисторы;9 - полая цилиндрическая кассета; 10,13-перемычки; 11,12,24 - положительный и отрицательные контакты; 14-пробка; 15,17-клеммы; 16,18,21-электропровода; 19-источник тока; 20-корпус контакт; 22-контакт; 23,25-диэлектрические прокладки. 
Рисунок 3.2 Подогреватель топлива.
Подогреватель топлива работает следующим образом. Перед запуском двигателя автотранспортного средства при низких температурах включается источник тока 19(рисунок 3.2). Это может быть, как бортовая электрическая система автотранспортного средства, так и любой внешний источник тока. При прохождении тока через нагревательные элементы (позисторы) 8, они нагреваются и нагревают окружающие их парафинированное топливо. Электрический ток, проходя через позисторы 8, приводит в действие устройство механического перемешивания, например, электродвигатель 5 с мешалкой 7, которая, вращаясь, переме-шивает топливо в емкости 3, обеспечивая, таким образом, конвективный теплообмен между движущимся топливом и позисторами 8, что существенно уменьшает период тепловой подготовки системы топливоподачи к запуску. При нагреве топлива до заданной температуры и обеспечении требуемой жидкотекучести, которая является характе-ристикой позисторов 8, Они отключаются ("запираются"), т.е. сопротивление позисторов 8 возрастает, как минимум, в тысячу раз, что снижает силу тока после позисторов 8 до такой степени, что электродвигатель 5 отключается и перемешивание топлива не происходит. При этом также отключается сигнальная лампочка (не показана), что свидетельствует о готовности системы топливоподачи к запуску. После этого, производится запуск двигателя автотранспортного средства на необходимом для запуска количестве подогретого в емкости 3 топливе.
При снижении температуры топлива уменьшается сопротивление позисторов 8, они пропускают электрический ток, которых их нагревает и приводит в действие электродвигатель 5 с крыльчаткой 7 для переме-шивания и ускорения прогрева топлива. Таким образом, кроме тепловой подготовки топлива непосредственно перед пуском, подогреватель автоматически поддерживает температуру топлива при работе двигателя автотранспортного средства. При этом целесообразно подключать подогреватель топлива к бортовой электрической системе, а при запуске, особенно при разряженной аккумуляторной батарее целесообразно по-догреватель подключать к внешнему источнику тока. При замерзании топлива и отказе электродвигателя его перемешивание производится вручную, рукояткой (не показана), соединенной с валом 6 крыльчатки 7. Термоизоляция емкости 3 и топливопровода 1 позволяет экономить расход электроэнергии и уменьшить потери тепла.
Предлагаемый подогреватель позволяет обеспечить быстрый прогрев необходимого запаса топлива для гарантированного" запуска двигателя. Включение электродвигателя с мешалкой последовательно после позисторов позволяет не только перемешивать топливо, но главное позволяет обеспечить автоматизацию процесса тепловой подготовки топлива без электронных элементов как например, подогреватели на базе полевых транзисторов, которые очень сложны и дорогостоящи. Стоимость изготовления предлагаемого подогревателя в 12-15 раз меньше транзисторного. Кроме этого, применение в качестве нагревательных элементов позисторов позволяет обеспечить пожароопасность подогревателя. Применение в практике зимней эксплуатации подобных подогревателей, позволяет по экспериментальным данным уменьшить на 10.-15% расход топлива, снизить токсичность отработанных газов на 15-20%. снизить простои по техническим причинам. При этом существенно сокращается продолжительность и трудоемкость тепловой подготовки двигателя при низких температурах.
 Отрицательным качеством данной конструкции является то, что, электродвигатель соединен последовательно с позисторами и в случае выхода из строя позисторов электродвигатель перестает работать. Также необходимость установки электродвигателя удорожает и усложняет конструкцию подогревателя.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2022150 листа

1-корпус; 2,3-основной и дополнительный термоэлектропроводящие элементы соответственно; 4-полупроводниковые нагреватели; 5-цанговый фиксатор; 6,7-токопроводящие контакты; 8-пружина; 9,14-верхняя и нижняя крышки соответственно; 10,15-подводящий и отводящий штуцера соответственно; 11,12,13-отверстия; 16-прокладка; 17-иглообразные выступы; 18,19-выступы.  
Рисунок 3.3 Устройство для подогрева жидкости.
Устройство для подогрева жидкости. Устройство подключают к источнику питания ДВС при минусовой температуре окружающего воздуха перед запуском ДВС "при помощи контактов 6 и 7(рисунок 3.3). Ток проходит через токопроводящую пружину 8, дополнительные термоэлектропроводящие элементы 3, достигает полупроводниковых нагревателей 4, которые, нагреваясь, отдают тепло элементам 2 и 3, Вследствие того, что термоэлектропроводящие элементы выполнены в виде отдельных пластин, последние всей поверхностью участвуют в передаче тепла от нагревателя к жидкости.
 Холодное топливо поступает в корпус 1 через расположенные в верхней крышке 9 корпуса штуцер 10 и отверстия 11. Обтекая размещенные в корпусе 1 элементы 3 с иглообразными выступами 19, топливо нагревается и направляется к отверстиям 12. При этом отверстия 12 расположены напротив нагревателей 4, чтобы поток топлива, обтекая их, обеспечивал максимальный теплосъем. Через отверстия 12 нагретое топливо перетекает на нижнюю часть элемента 2 и, перемещаясь от периферии к центру, обтекает иглообразные выступы 17, нагреваясь еще больше.Отвод нагретого топлива осуществляется через отводящий штуцер 15.Конструкция достаточно сложная, что приводит к снижению надежности ее работы.
Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2052150 листа

1-корпус;2-нагревательный элемент; 3,4-контактные болты; 5-кожух; 6-спираль; 7-турбулизатор; 8-прокладка.
Рисунок 3.4 Саморегулирующийся подогреватель топлива.
Саморегулирующийся подогреватель топлива. Посредством болтов 3 и 4 подогреватель электрически соединяют с электросистемой подвижного транспортного средства и оставляют постоянно включенным. При неработающем двигателе движения топлива через подогреватель нет. Та часть топлива, которая находится в подогревателе, нагревается и передает часть теплоты через прокладку 8 керамическому нагревательному элементу (позистору) 2, который при этом увеличивает свое сопротивление, и ток в цепи снижается. За счет термосифонной передачи теплоты от топлива в подогревателе к топливу в баке происходит периодическое самовключение нагревателя с незначительным значением тока в цепи. Во время запуска и при дальнейшей работе двигателя теплообмен в подогревателе возрастает и керамический нагревательный элемент 2 (позистор) более длительное время находится в "открытом" состоянии и ток в цепи нагревателей при этом максимальный. При этом основной нагрев происходит от работы нихромовой спирали 6. По мере нагревания часть теплоты передается по корпусу через прокладку 8 к позистору и сопротивление в цепи увеличивается, что приводит к снижению тока, а следовательно, и мощности подогревателя. Для более интенсивного уравнения температуры в подогревателе и его равномерного нагрева служит турбулизатор 7.
 Данная конструкция не обеспечивает немедленного прогрева топлива, что приводит к простою транспорта для прогрева топлива.
 Подогреватель топлива по авторскому свидетельству No2002095 листа.
Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры. Топливо поступает через штуцер 18 в кольцевой сборник 21(рисунок 3.5). Далее через окна топливо поступает в канал 8, где омывает термочувствительный элемент 7 и затем через штуцер 5 подается в топливную систему двигателя.
 Если температура топлива ниже необходимой, то обечайка 11, закрепленная на силовом штоке 9, перекрывает окна ряда, расположенного в зоне кольцевого сборника 21. Топливо из сборника 21 через канал 19, где оно через стенку корпуса 1 нагревается за счет теплоты жидкости системы охлаждения, и окна, размещенные у днища 2 корпуса 1, поступает во внутреннюю полость, образованную направляющей 3, обе-чайкой 11 и днищем 2. а затем в канал 8.

 1-корпус; 2-днище; 3-направляющая; 4-наконечник; 5-штуцер для отвода топлива; 6-крепежный элемент; 7-термочувствительный элемент;8-цилиндрический канал; 9-силовой шток; 10-винт; 11-обечайка; 12-водяная рубашка; 13-днище водяной рубашки; 14-зазар; 15,19-канал; 16-щтуцер для подвода жидкости; 17-щтуцер для отвода жидкости; 18-штуцер для подвода топлива; 20-внутренная полость; 21-кольцевой сборник.
Рисунок 3.5 Устройство для подогрева топлива и стабилизации его температуры.
 Если температура топлива повышается выше необходимой, то силовой шток 9 термочувствительного элемента 7 перемещает закрепленную на нем обечайку 11 влево, полностью или частично перекрывая окна, расположенные у днища 2 и открывая окна, размещенные в зоне кольцевого сборника 21, открывая доступ топлива непосредственно из сборника 21 в канал 8.
Таким образом, осуществляется стабилизация температуры топлива на выходе из устройства.
Подогрев топлива в канале 19 осуществляется за счет теплоты жидкости системы охлаждения двигателя, поступающей через штуцер 16 в зазор 14, затем в канал 15 и штуцер 17.
Данная конструкция подогревателя имеет низкую точность регулирования.
Проанализировав все рассмотренные конструкции подогревателей топлива, установил, что все они имеют свои недостатки. Таким образом, новая конструкция подогревателя топлива должна быть достаточно надежна, обеспечивать необходимую температуру нагрева топлива при минимальных затратах энергии. Так же она должна быть проста в изготовлении и обслуживании, экономически обоснованной.

3.2 Конструирование нагревателя биотоплива
Подогреватели для топливных систем двигателей автомобилей и трак-торов, работающих на дизельном и биодизельном топливе при низких температурах.[1 ,3,5]
 Прогрева требуют почти все элементы топливной системы - топливные баки, фильтры тонкой и грубой очисток топлива и топливопроводы (от бака до топливных насосов).
 В случае промерзания указанных элементов топливных систем запуск двигателя без предварительного подогрева вообще становится невозможным (даже при хорошо прогретом блоке самого дизеля). Поэтому при использовании рапсового масла наряду с жидкостными подогревателями, обеспечивающими прогрев блока холодного двигателя, должны быть предусмотрены подогреватели топлива и в элементах топливной системы. Самым эффективным по доступности и простоте конструкции следует признать электроподогрев от аккумуляторной батареи, причем в течение короткого времени с тем, чтобы сильно не разряжать при этом саму батарею.
Нагреватель топлива трактора содержит корпус 1(рисунок 3.6) в виде цилиндрической трубы с патрубком для подвода и патрубком для отвода топлива и размещенный внутри корпуса 1 соосно ему теплопередающий элемент в виде трубы 2 с фланцами 3 и 4 для циркуляции теплоносителя системы выпуска дизеля. Для правильной установки трубы 2, в корпусе 1 используется штифт 5. На наружной поверхности трубы между патрубками корпуса1 выполнены многозаходные винтовые ребра 6 образующие в межтрубном пространстве винтовые каналы 7, которые сообщены с патрубками. На наружной поверхности корпуса, вдоль него между патрубками размещены электронагревательные элементы (позисторы) 8. Они установлены в гнездах на корпусе и фиксируются контактной пластиной 9. соединенной положительной клеммой источника питания, и тепловым экраном 10 с помощью винтов . Напротив позисторов вершины 12 ребер усечены таким образом, что между ними и внутренней поверхностью корпуса образованы продольные каналы (зазор) 11, проходное сечение которых составляет предпочтительно 2-4% общего проходного сечения винтовых каналов 9. Вершины остальной части ребер в поперечном сечении корпуса по его периметру сопряжены с внутренней поверхностью корпуса.
Нагреватель работает следующим образом. Перед запуском двигателя подают электропитание на нагреватель. Под действием тепла, выделяемого позисторами, прогреваются стенки, между которыми образован продольный зазор, и это обеспечивает разрушение парафиновых фракций, прокачиваемость топлива через него, уверенный пуск и работу дизеля на холостом ходу. При этом эффект прогрева топлива от позисторов усиливается прогревом его от выхлопных газов. В дальнейшем по мере прогрева двигателя, нагреватель полностью разблокируется от парафинов, движение топлива осуществляется по всему проходному сечению, нагреватель выходит на рабочий режим и позисторы отключают.
При прогреве двигателя, когда движение топлива осуществляется по всему проходному сечению внутри корпуса нагревателя, выполнение ребер, сопряженных вершинами с внутренней поверхностью корпуса на большей части периметра его поперечного сечения, способствует дополнительному повышению эффективности работы нагревателя. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если проходное сечение продольного канала 11 составляет от 2-4% общего проходного сечения винтового канала внутри корпуса.
Таким образом, использование комбинации оребренной (на большей части проходного сечения) и неоребренной (в виде продольного зазора) поверхностей в направлении движения топлива при наличии позисторов напротив этого зазора обеспечивает повышение эффективности работы нагревателя, как следствие, повышение надежности пуска двигателя при отрицательных температурах окружающего воздуха и надежную работу в послепусковой период.



1- корпус; 2 - теплопередающий элемент; 3,4 - фланцы для циркуляции выхлопных газов; 5 - штифт; 6 - винтовые ребра;7 - винтовые каналы; 8 - позисторы; 9- контактная пластина; 10 - крышка; 11-продольные каналы (зазор);12 -вершины ребер.
Рисунок 3.6 Нагреватель биотоплива.
 Целью выполнения конструкторской части является расчет проектируемого нагревателя топлива, а именно размеров его основной детали - теплопередающего элемента. Так же необходимо выбрать позистор для обеспечения необходимых условий нагрева топлива для его дальнейшей эксплуатации.