Нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ФИЛЬТРАХ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ(71) Заявитель Частное торговое унитарное предприятие АОБел(72) Автор Шилов Андрей Владимирович(73) Патентообладатель Частное торговое унитарное предприятие АОБел(57) 1. Нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки, состоящий из бандажируемого основания, выполненного в форме гибкого разрезного кольца, на внутренней поверхности которого последовательно расположены слой термоизоляции, нагревательный резистивный элемент с диэлектрической изоляцией, электрически соединенный с разъемом на внешней поверхности корпуса, и ленточный радиатор теплового поля, отличающийся тем, что диэлектрическая изоляция выполнена в виде сплошных внешнего и внутреннего слоев термостойкого материала, между которыми расположен упомянутый нагревательный резистивный элемент, причем внутренний слой выполнен с низким тепловым сопротивлением, а внешний может быть совмещен со слоем термоизоляции. 2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый нагревательный резистивный элемент выполнен в виде меандрообразной полосы. 3. Нагреватель по п. 2, отличающийся тем, что фрагменты меандрообразной полосы нагревательного резистивного элемента имеют различную ширину. 4. Нагреватель по любому из пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что сопротивление нагревательного резистивного элемента составляет 0,5-3,0 Ом. Заявляемая полезная модель относится к области автомобильной электроники и может быть использована для подогрева дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки. В холодное время года дизельное топливо склонно к выпадению осадка парафинов,которые забивают поры фильтра тонкой очистки, в результате чего прекращается подача топлива в систему впрыска. Основным эффективным способом предотвращения данного явления является подогрев дизельного топлива. Известен нагреватель дизельного топлива,выполненный в виде подогреваемого топливозаборника 1. Упомянутый топливозаборник содержит корпус-теплообменник, внутри которого смонтированы трубка подачи теплоносителя, топливозаборная трубка, фильтр грубой очистки в виде сетки и дополнительный электронагревательный элемент. При запуске двигателя подается напряжение на электронагревательный элемент, в результате чего дизельное топливо разогревается в локальном объеме непосредственно вблизи фильтра грубой очистки топливозаборника. По мере прогрева двигателя в теплообменник поступает теплоагент, в частности антифриз, что обеспечивает постоянный подогрев топлива в процессе работы двигателя. Это предотвращает закупорку фильтра грубой очистки топлива. Однако поскольку топливный бак расположен достаточно далеко от двигателя, а топливный фильтр тонкой очистки располагают в непосредственной близости от системы впрыска двигателя, по мере прохождения дизельного топлива по трубопроводу от бака до фильтра тонкой очистки оно снова охлаждается до неприемлемо низкой температуры. Парафины, входящие в состав дизельного топлива, снова выпадают в осадок, и поры фильтра тонкой очистки забиваются. Подача топлива в систему впрыска прекращается. В связи с этим наибольшее распространение получили устройства, предусматривающие подогрев дизельного топлива непосредственно в фильтре тонкой очистки. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является нагреватель топлива дизельных двигателей, содержащий бандажируемый корпус, выполненный в форме гибкого разрезного кольца-основания, на внутренней поверхности которого последовательно расположены и загерметизированы термостойкий термоизолирующий материал, токоизолированный нагревательный резистивный элемент, внутренняя поверхность которого защищена покрытием из высокотеплопроводного термостойкого диэлектрического материала, с электрическими выводами, закрепленными на внешней поверхности корпуса, и ленточный радиатор теплового поля, причем как вариант исполнения покрытие из высокотеплопроводного термостойкого диэлектрического материала имеет низкое тепловое сопротивление 2. Недостатком прототипа является неоправданная сложность конструкции, предусматривающая наличие двух уровней диэлектрической изоляции с внутренней стороны нагревательного элемента. Первый уровень, или слой диэлектрика в составе токоизолированного нагревательного резистивного элемента, служит исключительно для диэлектрической изоляции непосредственно резистивного элемента от внешней среды. Второй уровень, или слой диэлектрической изоляции, в качестве которого выступает покрытие из высокотеплопроводного термостойкого диэлектрического материала, расположен только с внутренней стороны нагревательного элемента и служит как для обеспечения теплового контакта нагревательного элемента с ленточным радиатором теплового поля, выполненного, как следует из описания прототипа, из металлической пластины, так и для их дополнительной диэлектрической изоляции друг от друга. 2 103712014.10.30 Кроме того, высокотеплопроводные термостойкие диэлектрические материалы характеризуются высокой стоимостью, поскольку совмещают в себе высокую теплопроводность, что является свойством металлов и отдельных видов керамики, и диэлектрические свойства, типичные для полимеров и керамики. Поскольку гибкость бандажируемого корпуса не позволяет использовать хрупкие керамические материалы с высокой теплопроводностью и хорошими диэлектрическими свойствами, то приходится прибегать к дорогостоящим композитным материалам, что экономически не всегда целесообразно. Кроме того, при использовании нагревательного резистивного элемента, выполненного из сплава сопротивления, для получения требуемой мощности нагрева требуется обеспечить сравнительно низкое электрическое сопротивление, достигаемое в данном случае только за счет увеличения площади поперечного сечения (обычно за счет толщины) элемента. Однако поскольку сплавы сопротивления содержат такие сравнительно дорогостоящие металлы, как хром и никель, это заметно повышает стоимость нагревателя. Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции нагревателя. Поставленная задача решается тем, что в нагревателе дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки, состоящем из бандажируемого основания, выполненного в форме гибкого разрезного кольца, на внутренней поверхности которого последовательно расположены слой термоизоляции, нагревательный резистивный элемент с диэлектрической изоляцией,электрически соединенный с разъемом на внешней поверхности корпуса, и ленточный радиатор теплового поля, диэлектрическая изоляция выполнена в виде сплошных внешнего и внутреннего слоев термостойкого материала, между которыми расположен упомянутый нагревательный резистивный элемент, причем внутренний слой выполнен с низким тепловым сопротивлением, а внешний может быть совмещен со слоем термоизоляции, а также тем, что упомянутый нагревательный резистивный элемент выполнен в виде меандрообразной полосы а также тем, что фрагменты меандрообразной полосы нагревательного резистивного элемента имеют различную ширину а также тем, что сопротивление нагревательного резистивного элемента составляет 0,5-3,0 Ом. Сущность заявляемого технического решения заключается в совмещении функций различных слоев в составе нагревателя. Заявляемая форма резистивного элемента позволяет использовать для его изготовления относительно дешевые материалы на основе сплавов железа. Принципиальным отличием заявляемого технического решения от прототипа является использование открытого нагревательного элемента, который в случае выполнения на основе металлического сплава имеет меандрообразную форму. Диэлектрическая изоляция нагревательного элемента представляет собой два слоя (или две пластины, что то же самое) термостойкого диэлектрического материала. Нагревательный элемент расположен непосредственно между этими пластинами. С внутренней стороны нагревательного элемента диэлектрическая изоляция должна обладать низким тепловым сопротивлением для обеспечения минимальных тепловых потерь, что достигается использованием относительно тонких слоев, например до 200 мкм. В качестве таких диэлектрических слоев могут быть использованы различные полимерные пленки, широко производимые промышленностью, например пленка полипиромеллитимида, тефлона и др. Полипиромеллитимидные пленки выпускаются в промышленных масштабах толщиной от 40 мкм, что более чем достаточно как для надежной диэлектрической изоляции, так и для обеспечения минимальных тепловых потерь. Полипиромеллитимид характеризуется самой высокой термостойкостью из известных полимеров, выдерживает нагрев на воздухе до температуры,близкой к 500 С, а также характеризуется такими высокими механическими свойствами,как прочность и эластичность. Поэтому его использование наиболее предпочтительно, хотя могут быть использованы и другие материалы. Низкое тепловое сопротивление рассматриваемых диэлектрических пленок на основе полипиромеллитимида обеспечивает 3 103712014.10.30 значительное снижение требований по теплопроводности изоляции, т.к. вклад теплопроводности в общие тепловые потери при передаче тепла от нагревательного элемента к ленточному радиатору теплового поля. С внешней стороны нагревательного элемента диэлектрическая изоляция в соответствии с заявляемым техническим решением может быть выполнена как в качестве самостоятельного слоя, например, из упомянутой полипиромеллитимидной пленки, так и совмещена со слоем теплоизоляции. Как правило, теплоизолирующие материалы одновременно являются и диэлектриками. Поэтому слой теплоизоляции в соответствии с заявляемым техническим решением может выполнять двойную функцию - тепловая и диэлектрическая изоляция. В качестве материала этого слоя могут быть использованы композиты на основе асбеста, широко производимые промышленностью, например волокиты и др. Материал нагревательного элемента в соответствии с заявляемым техническим решением может быть любым, например из углеродного волокна, композитного материала и др. Использование меандроообразной формы нагревательного элемента, выполненного из сплава металла, позволяет увеличить общую длину этого элемента, что, в свою очередь,позволяет использовать более дешевые материалы с низким удельным сопротивлением по сравнению с относительно дорогостоящими резистивными сплавами, например сплавы на основе железа. Изменение ширины отдельных фрагментов меандрообразного нагревательного элемента позволяет изменять их сопротивление и, следовательно, температуру и за счет этого формировать требуемое распределение температурного поля нагревателя в целом. Например, при меньшей ширине фрагментов нагревательного резистивного элемента в верхней части электрическое сопротивление и, соответственно, количество выделяемого тепла возрастают. В зависимости от особенностей конструкции конкретных фильтров тонкой очистки это обеспечивает более эффективное использование энергии нагрева. Фактическое значение электрического сопротивления нагревательного резистивного элемента выбирается в соответствии с конкретным назначением нагревателя. С уменьшением сопротивления выделяемая мощность нагревателя возрастает. Основными факторами, принимаемыми во внимание в данном случае, являются напряжение бортовой сети и расход топлива в единицу времени, а также особенности климата. Экспериментально установленными оптимальными значениями является 0,5-3,0 Ом. При меньшем сопротивлении, например 0,3 Ом, нагреватель потребляет слишком большой ток (40 А), что приводит к быстрому выходу из строя аккумулятора. При сопротивлении более 3,0 Ом, например 5,0 Ом, мощность нагревателя не позволяет нагреть топливо в фильтре до приемлемой температуры, обеспечивающей растворение парафинов. Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 приведено схематическое изображение поперечного сечения заявляемого нагревателя, а на фиг. 2 - схематическое изображение варианта изготовления меандрообразного нагревательного элемента. На фигурах приняты следующие обозначения 1 - бандажируемое основание, выполненное в форме гибкого разрезного кольца 2 - бандаж (хомут) 3 - слой термоизоляции 4 - внешний слой диэлектрической изоляции 5 - нагревательный резистивный элемент 6 - внутренний слой диэлектрической изоляции 7 - ленточный радиатор теплового поля 8 - разъем на внешней поверхности корпуса 1 - ширина меандрообразного фрагмента нагревательного резистивного элемента в верхней части 103712014.10.30 2 - ширина меандрообразного фрагмента нагревательного резистивного элемента в нижней части 3 - ширина меандрообразного фрагмента нагревательного резистивного элемента в средней части. Как видно из приведенных фигур, заявляемый нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки состоит из бандажируемого основания 1, выполненного в форме гибкого разрезного кольца, в котором последовательно расположены слой термоизоляции 3, внешний слой диэлектрической изоляции 4, нагревательный резистивный элемент 5,внутренний слой диэлектрической изоляции 6 и ленточный радиатор теплового поля 7. Контакты нагревательного резистивного элемента 5 для присоединении к бортовой электрической сети автомобиля (или трактора и т.п.) выведены на разъем 8 на внешней поверхности корпуса. Нагревательный резистивный элемент 5 в соответствии с фиг. 2 может быть выполнен в виде меандрообразной полосы из листа металлического сплава, при этом ширина фрагментов 1, 2 и 3 этой полосы может быть различной. Заявляемая конструкция предусматривает совмещение функций слоя термоизоляции 3 и слоя внешней диэлектрической изоляции 4, который в этом случае может отсутствовать. При сборке нагревателя на основание последовательно укладываются все слои, после чего края герметизируются. При установке нагревателя на фильтр тонкой очистки дизельного топлива он бандажируется одним или двумя хомутами 2 для обеспечения надежного теплового контакта между ленточным радиатором теплового поля 7 и корпусом фильтра. Анализ количества конструктивных элементов и их особенностей показывает, что заявляемый нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки по сравнению с прототипом содержит меньшее количество конструктивных элементов (в частности, отсутствует дублирующий самостоятельный конструктивный элемент диэлектрическая изоляция, используемый прототипом в составе токоизолированный нагревательный резистивный элемент), причем используемые материалы более доступны (использование дешевого сплава на основе железа вместо сплава сопротивления на основе дорогостоящих компонентов, использование доступного полипиромеллитимида с малым тепловым сопротивлением вместо высокотеплопроводного диэлектрического термостойкого материала). Таким образом, конструкция заявляемого нагревателя по сравнению с прототипом является более простой. Заявляемый нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки работает следующим образом. После его монтажа на фильтре тонкой очистки на нагревательный резистивный элемент 5 через разъем 8 подается напряжение от бортовой сети автомобиля. Нагревательный резистивный элемент 5 разогревается, и тепловая энергия через внутренний слой диэлектрической изоляции 6 передается на ленточный радиатор теплового поля 7, который нагревает корпус топливного фильтра и далее дизельное топливо. Излучению тепла во внешнюю среду препятствует слой термоизоляции 3. Бандажируемое основание нагревателя 1, играющее роль корпуса, также вследствие относительно большой толщины и низкой теплопроводности (выполнен из пластика) препятствует нерациональной потере энергии. Малая толщина внутреннего слоя диэлектрической изоляции 6 обеспечивает малое тепловое сопротивление, поэтому практически вся энергия, выделяемая на нагревательном резистивном элементе 5, расходуется на подогрев топливного фильтра. В то же время допустимое отсутствие слоя внешней диэлектрической изоляции 4 как самостоятельного вследствие передачи его диэлектрических функций слою теплоизоляции 3 не приводит к увеличению тепловых потерь. При выполнении нагревательного элемента в виде меандрообразной полосы количество выделяемого тепла пропорционально электрическому сопротивлению отдельных фрагментов этой полосы, которое может быть отрегулировано выбором ширины 1-3 этих фрагментов. Если 13 - 3, сопротивление всех фрагментов одинаково, а тепловое поле нагревателя равномерно. Если 133, количество выделяемого тепла разное, что может быть использовано для преимущественного 5 103712014.10.30 нагрева той части топливного фильтра, где осадок парафинов накапливается в большей степени, например в донной части. Такое управление тепловым полем нагревателя позволяет более рационально использовать рабочую площадь топливного фильтра. Заявляемый нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки испытывали следующим образом. Дизельное топливо марки К-4 предварительно охлаждали до температуры -18 С и прокачивали со скоростью 6 л/ч (примерный расход топлива легкового автомобиля при движении со скоростью 90 км/ч) через макет фильтра тонкой очистки, на который были установлены заявляемые нагреватели. Эффективность нагревателя оценивали по температуре дизельного топлива на выходе. Результаты испытаний приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что заявляемый нагреватель обеспечивает эффективный нагрев дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки, характеризуется простотой конструкции и доступностью используемых материалов. Использование запредельных значений электрического сопротивления нагревательного элемента не позволяет обеспечить безопасность эксплуатации автомобиля (испытание 1) либо требуемую эффективность нагрева (испытание 5). Влияние характеристик нагревателя на эффективность нагрева топлива Сопротивление Температура топлива на нагревательного выходе макета топливПримечание п/п элемента, Ом ного фильтра, С Потребляемый ток составляет 40 А, что 1 0,3 16 недопустимо для большинства легковых автомобилей 2 0,5 9 Топливо без видимого осадка 3 1,0-1 Топливо без видимого осадка 4 3,0-6 Топливо без видимого осадка 5 5,0-10 Парафины не растворились 6 прототип-1 Топливо без видимого осадка Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6