Подогреватели, работающие на бензине

Эти подогреватели предназначаются для установки на автомобили с карбюраторными двигателями.

Современные автомобили с карбюраторными двигателями имеют 12-вольтовое электрооборудование и одну аккумуляторную батарею, поэтому для таких автомобилей, имеющих ограниченную электрическую энергоемкость, особенно важно, чтобы расход электроэнергии предпусковым подогревателем был сведен до минимума, Достигается это тем, что подача бензина на сгорание осуществляется самотеком, а циркуляция теплоносителя в системе охлаждения двигателя в период прогрева термосифонная. Таким образом, не требуется специальных устройств для обеспечения подачи топлива и циркуляции теплоносителя и соответственно затрат электроэнергии на привод этих устройств,

Устройство. Подогреватель, работающий на бензине (бензиновый подогреватель), включает в себя следующие основные узлы (рис. 2): котел подогревателя с горелкой, вентилятор с электрическим приводом, электромагнитный топливный клапан, топливный бачок, пульт управления, воздуховод и топливопровод. На некоторых автомобилях в топливопровод предпускового подогревателя устанавливается фильтр-отстойник.

Рис. 2. Схема предпускового бензинового подогревателя: 1 - топливный бачок; 2 - запорный кран; 3 - фильтр-отстойник; 4 - топливопровод; 5 - электромагнитный топливный клапан; 6 - вентилятор с электродвигателем; 7 - котел подогревателя с горелкой; 8 - воздухопровод; 9 - контрольная спираль; 10 - выключатель свечи; 11 - переключатель; А - нагретая жидкость к двигателю; Б - отработавшие газы к масляному картеру (поддону) двигателя; В - жидкость от двигателя

Котел 7 подогревателя состоит из горелки и теплообменника. Горелка может выполняться как одно целое с теплообменником - неразборный вариант котла подогревателя (подогреватель П-100 и П-16 - рис. 3) и отдельно - разборный вариант котла (подогреватель ПЖБ-12 - рис. 4).

Рис. 3. Устройство котла подогревателя типа П-100: 1 - регулятор уровня топлива; 2 - штуцер подвода топлива; 3 - электромагнитный топливный клапан; 4 - свеча накаливания; 5 - обратный газоход; 6 - жидкостные рубашки котла; 7 - горелка подогревателя; 8 - выпускной патрубок; 9 - прямой газоход; 10 - сливной краник: А - нагретая жидкость к двигателю; Б - отработавшие газы к масляному картеру (поддону) двигателя; В - жидкость от двигателя

Рис. 4. Устройство котла подогревателя типа ПЖБ-12: 1 - наружная жидкостная рубашка; 2 - внутренняя жидкостная рубашка; 3 - патрубок выхода нагретой жидкости; 4 - горелка; 5 - дренажная трубка; 6 - выпускной патрубок; А - нагретая жидкость к двигателю; Б - отработавшие газы к масляному картеру (поддону) двигателя; В - жидкость от двигателя

Горелка является одной из основных частей подогревателя, так как в ней обеспечивается распыливание топлива, его испарение и смешивание с воздухом, воспламенение и сгорание смеси.

Для высокой полноты сгорания и соответственно высокой теплопроизводительности необходимо интенсифицировать процесс сгорания топлива. Наиболее простейшим, но в достаточной мере эффективным способом интенсификации процесса сгорания в малогабаритных горелках является турбулизация потока воздуха и введение в этот поток бензина в виде струи самотеком.

Турбулизация потока воздуха в бензиновых предпусковых подогревателях обеспечивается принудительной подачей воздуха вентилятором с последующей закруткой потока неподвижным многолопаточным центробежным завихрителем. Однако повышение скорости воздуха в горелке подогревателя неизбежно вызывает увеличение гидравлического сопротивления и потери расхода воздуха вентилятором. Поэтому горелки бензиновых подогревателей, обеспечивая хорошую турбулизацию для смесеобразования, должны иметь при этом невысокое аэродинамическое сопротивление. Как правило, горелки бензиновых подогревателей делают прямоточными, так как они по сравнению с другими конструкциями имеют минимальное аэродинамическое сопротивление.

Бензин в виде струйки, попадая в поток интенсивно движущегося воздуха, дробится на мелкие частицы, испаряется и смешивается с воздухом. Для обеспечения хороших условий испарения бензина в горелках подогревателей предусматривается испарительная камера, включающая в себя асбестовую футеровку и металлическую решетку. Интенсивное испарение бензина дает возможность получать однородную бензовоздушную смесь по всему объему горелки и соответственно более полное ее сгорание.

На выходе из горелки устанавливается сужающее сопло, обеспечивающее некоторое повышение скорости потока газов в теплообменнике, что способствует интенсивному теплообмену между газами и теплоносителем.

Отличительной особенностью съемной горелки подогревателя ПЖБ-12 (см. рис. 4) является установка дополнительного многолопаточного завихрителя на выходе из горелки. Наличие такого завихрителя обеспечивает дополнительную закрутку потока газов и направление его тангенциально к поверхности теплообмена между газами и теплоносителем. Это способствует более полному догоранию смеси и улучшает условия теплообмена. Однако наличие высокой температуры в сочетании с большой скоростью потока газов выдвигает повышенные требования к теплостойкости материала завихрителя и необходимость применения более жаростойкой листовой стали, что несколько удорожает конструкцию подогревателя.

В качестве материала горелки подогревателей возможно применять листовую углеродистую сталь.

Однако, учитывая наличие высокой температуры в зоне сгорания (1400-1600°С), для обеспечения требуемой долговечности обычно используют, хромоникелевую сталь типа XI8H10T, а для горелок подогревателей типа ПЖБ, где значения температур выше, - жаропрочную листовую сталь типа Х25НI6Г7АР (ЭИ-835).

Воспламенение бензовоздушной смеси в период приведения подогревателя в действие осуществляется свечой накаливания, получающей электрическое питание от аккумуляторной батареи автомобиля. Свеча устанавливается на горелке подогревателя. К месту установки свечи подводится бензин. Свеча отключается после появления устойчивого горения, а дальнейшее воспламенение бензовоздушной смеси обеспечивается за счет непрерывности потока пламени и нагрева внутренних поверхностей горелки.

Теплообменник котла подогревателя предназначен для сообщения тепла теплоносителю (охлаждающей жидкости или воздуху системы охлаждения двигателя) за счет отвода его от продуктов сгорания топлива. По принципу действия теплообменники предпусковых подогревателей рекуперативные (передача тепла от продуктов сгорания к теплоносителю осуществляется через разделяющую их твердую стенку). По форме теплообменники автомобильных предпусковых подогревателей - цилиндрические, двухзаходные и состоят из двух полостей: наружной и внутренней рубашек.

Наибольшее распространение получили два вида конструкций теплообменников подогревателей: свертной и штампованной.

В свертном теплообменнике (см. рис. 4) наружная 1 и внутренняя 2 рубашки образуются четырьмя цилиндрами, свернутыми из листовой стали. Соединяются рубашки в вертикальной плоскости сверху и снизу патрубками, а в передней части кольцевой полостью. Внутренняя рубашка образует прямой газоход, являющийся продолжением горелки. Пространство, образованное между наружной и внутренней рубашками, является обратным газоходом. Поток газов в задней части теплообменника переходит из прямого газохода в обратный с поворотом на 180°. Такая конструкция теплообменника при достаточной технологичности дает возможность получать развитую теплообменную поверхность при относительно небольших габаритных размерах котла подогревателя. Кроме того, цилиндрическая форма газоходов характеризуется невысокими значениями аэродинамического сопротивления и позволяет сохранить вращательное движение потока газов, получаемое в горелке, обеспечивая оптимальное условие теплообмена.

В качестве материала описанной конструкции теплообменника используется листовая хромоникелевая сталь XI8H10T. При изготовлении свертных теплообменников применяются автоматические способы сварки. Свертные теплообменники используются на всех бензиновых подогревателях; кроме подогревателя П-100.

Штампованные теплообменники подогревателей типа П-100 изготовляются из углеродистой стали типа 08КП. Они также имеют две жидкостные рубашки - внутреннюю и наружную, соединенные между собой в вертикальной плоскости щелями, проходящими по всей длине теплообменника. Наличие щелей хотя и несколько улучшает условия термосифонной циркуляции, но приводит к тому, что вращающий поток газов, полученный с помощью лопаточного завихрителя в горелке подогревателя, при переходе из прямого газохода в обратный спрямляется, что приводит к увеличению величины гидравлического сопротивления газоходов подогревателя и снижает его теплотехнические показатели. К недостаткам штампованного теплообменника следует также отнести низкую усталостную прочность стенок теплообменника по границе сварных швов (испытания на гидравлическом стенде ЗИЛа серии теплообменников типа П-100 показали, что их долговечность по сравнению со свертными теплообменниками в 5-10 раз меньше). К тому же теплообменники, изготовленные из углеродистой стали, имеют значительно более короткий срок службы вследствие воздействия электролитической коррозии. Таким образом, штампованные теплообменники, изготовляемые из углеродистой стали, не отвечают требованиям по надежности и долговечности по сравнению с теплообменниками свертного типа, изготовленными из хромоникелевой или другой нержавеющей стали.

Вентилятор (рис. 5) предназначен для принудительной подачи воздуха в горелку подогревателя с целью интенсификации процесса сгорания. Приводится в действие вентилятор от электродвигателя 5 постоянного тока.

Рис. 5. Вентилятор бензинового подогревателя

Корпус 6 вентилятора крепится с одной стороны к приводному электродвигателю 5 через буфер 4, а с другой винтами 3 соединяется с крышкой 2, имеющей отверстие для забора воздуха.

Корпус 6 и ротор 1 изготовляются из низкоуглеродистой листовой стали штамповкой, с последующим антикоррозионным покрытием. В настоящее время в качестве материала ротора вентилятора стали использовать пластмассу (полиэтилен или полипропилен). Ротор кренится на валу электродвигателя стопорным винтом. Устанавливается вентилятор на автомобиле с помощью кронштейна, конструкция которого и расположение определяются общей компоновкой подогревателя на автомобиле.

Топливный бачок предназначен для обеспечения питания топливом подогревателя. Емкость бачка выбирается из расчета на 1-2 ч работы подогревателя. Бачок устанавливается в отсеке двигателя с превышением над уровнем подогревателя, обеспечивающим подачу топлива на сгорание самотеком. Бачок выполняется небольшой высоты с целью предотвращения резкого изменения расхода топлива с изменением его количества. На бачке устанавливается запорный краник. Заполнение бачка ручное.

Электромагнитный топливный клапан (рис. 6) предназначен для дистанционного управления работой подогревателя путем включения или отключения топлива.

Рис. 6. Электромагнитный топливный клапан бензиновых подогревателей: 1 - крышка корпуса; 2 - электромагнитная катушка; 3 - направляющая втулка. 4 - пружина; 5 - сердечник; 6 - корпус клапана; 7 - подводящий штуцер клапана; 8 - отводящий штуцер клапана; 9 - прокладка; 10 - основание клапана; 11 - сальник регулировочной иглы; 12 - регулировочная игла; 13 - пружина иглы; 14 - гайка

В сердечник 5 клапана завальцовано запорное устройство в виде бензомаслостойкой резиновой пластины. При подаче электрического питания на катушку 2 сердечник втягивается внутрь катушки, открывая проход топливу. При отключении электрического питания пружина 4 запирает клапан. Электромагнитный клапан бензиновых подогревателей объединен с регулировочной иглой 12 расхода топлива, подаваемого на сгорание. Регулирование ручное.

В конструкции электромагнитных клапанов подогревателей П-16 автомобилей ЗИЛ предусмотрен электрический подогрев корпуса клапана, осуществляемый нихромовой спиралью, включенной в цепь свечи накаливания подогревателя. Такой подогрев исключает отказы электромагнитного клапана в результате возможного примерзания запорного устройства (резиновой пластины) к седлу клапана при наличии конденсата или влаги в бензине.

На подогревателе типа П-100 применяется регулятор, обеспечивающий постоянство расхода топлива независимо от его количества в расходном бачке. Регулятор работает по аналогии с поплавковой камерой карбюратора. Конструкция регулятора не оправдала себя в эксплуатации из-за недостаточной надежности, поэтому на подогревателях последних моделей их заменяют на электромагнитные клапаны.

Пульт управления подогревателем с помощью установленной на нем коммутационной аппаратуры обеспечивает ручное дистанционное управление работой подогревателя.

Схема пульта управления для большинства бензиновых автомобильных подогревателей такая же, как у подогревателя П-16 (см. рис. 2), но с небольшими изменениями.

Переключатель 11 имеет три положения: 0 - все выключено; I - включен электродвигатель вентилятора; II - включен электродвигатель вентилятора и электромагнитный топливный клапан.

Выключатель 10 свечи и контрольная спираль 9 выполнены автономно и включены последовательно в цепь свечи накаливания. В этой же цепи подогревателя П-16 включен подогрев электромагнитного топливного клапана.

Работа бензинового подогревателя. Порядок операций по приведению в действие и обслуживанию каждого типа подогревателей излагается в техническом описании И инструкции по эксплуатации соответствующего автомобиля. В общем виде работа бензинового подогревателя осуществляется следующим образом.

Включают переключатель 11 (см. рис. 2) в положение II. При этом обеспечивается продувка газохода подогревателя вентилятором и смачивается бензином асбестовая футеровка испарительной камеры горелки. Продолжительность 10-15 с. После этого переключатель устанавливают в положение 0 и выключателем 10 включают свечу накаливания на время, пока контрольная спираль 9 не накалится до светло-красного цвета (примерно 30-40 с), и без выключения свечи переводят переключатель в положение II. При этом обеспечивается подача бензина и воздуха, а также работа запального устройства. По выходу подогревателя на режим устойчивой работы (определяется по характерному непрерывному гулу) свечу отключают. Для остановки подогревателя переключатель переводят в положение I, при котором отключается топливо, но продолжает работать вентилятор, обеспечивая продувку газоходов подогревателя от продуктов сгорания топлива. Продолжительность продувки примерно 15-30 с, после чего переключатель переводят в нулевое положение.

Большой интерес представляет конструкция подогревателя пульсирующего типа.

Отличительной особенностью подогревателя такого типа является возможность его длительной работы без потребления электрической энергии. Электрическая энергия используется лишь в период приведения подогревателя в действие. При выходе его на режим устойчивой работы возможно полное отключение от источника электрического питания и продолжительная работа до полной выработки топлива в расходном бачке подогревателя. От подогревателей ранее описанной конструкции пульсирующий подогреватель отличается еще тем, что все его узлы скомпонованы в одном корпусе.

Подогреватель пульсирующего типа с воздушным теплообменником (рис. 7) включает в себя следующие основные узлы: камеру сгорания, жаровую трубу, карбюратор, пусковой насос, топливный бачок и теплообменник.

Рис. 7. Схема воздушного подогревателя: 1 - пусковой воздушный насос; 2 - выключатель свечи; 3 - клапан подачи воздуха; 4 - катушка зажигания; 5 - рукоятка регулировочной иглы; 6 - искровая свеча; 7 - камера сгорания; 8 - жаровая труба; 9 - патрубок наружного кожуха теплообменника; 10 - наружный кожух теплообменника; 11 - глушитель выпуска; 12 - колесо турбины; 13 - полость для смазки подшипников вала турбины; 14 - крыльчатка вентилятора; 15 - направляющий аппарат; 16 - отсасывающая трубка эжектора; 17 - выпускная труба; 18 - внутренний кожух теплообменника; 19 - эжектор; 20 - свеча накаливания; 21 - жиклер-распылитель; 22 - карбюратор; 23 - топливный бачок; 24 - пусковой обратный клапан; 25 - топливопровод; 26 - топливный фильтр

Камера 6 сгорания имеет грушевидную форму и выполняет роль резонатора совместно с жаровыми трубами. При сгорании бензовоздушной смеси в ней образуется волна повышенного давления газов, распространяющаяся с очень высокой скоростью. Газы движутся по жаровой трубе и нагревают теплоноситель (в данном случае воздух) в теплообменнике. За волной повышенного давления в камере сгорания создается разряжение, под воздействием которого срабатывает клапан 3, обеспечивая поступление воздуха для сгорания бензина. Поступление бензина в камеру сгорания обеспечивается путем создания некоторого избыточного давления в топливном бачке подогревателя за счет отбора части газов из камеры сгорания через дроссель в момент наличия в ней избыточного давления. Работа подогревателя циклическая, т. е. процессы повышения и понижения давления в камере сгорания постоянно повторяются, причем с частотой несколько десятков раз в секунду.

Подогреватель приводится в действие при помощи ручного диафрагменного насоса, которым обеспечивается создание избыточного первоначального давления в топливной системе и подача воздуха для воспламенения бензина. Бензин поступает в камеру сгорания через жиклер-распылитель 21 карбюратора, в воздух - через клапаны 24, которые обеспечивают герметизацию камеры сгорания.

Количество бензина, подаваемого на сгорание, регулируется иглой, рукоятка 5 управления расположена на верхней крышке корпуса подогревателя. Количество подаваемого воздуха можно изменять проходным сечением воздушного клапана 3.

В подогревателе предусмотрено устройство, обеспечивающее прогрев клапана 3 подачи воздуха и деталей топливоподающей системы перед приведением в действие подогревателя. Это устройство выполняется в виде свечи 20 накаливания, устанавливаемой непосредственно в горловину камеры сгорания и получающей питание от аккумуляторной батареи.

Воспламенение смеси бензина с воздухом в период приведения подогревателя в действие осуществляется искровой свечой 6, работающей в сочетании с индукционной катушкой 4. После выхода подогревателя на режим устойчивой работы свечу накаливания и искровую свечу отключают, а воспламенение бензовоздушной смеси осуществляется за счет наличия остаточных газов и раскаленных деталей камеры сгорания. При этом прекращается подкачка воздуха насосом, так как подогреватель выходит на циклический режим работы.

Показанный на рис. 7 подогреватель с воздушным теплообменником может выполнять роль предпускового подогревателя двигателя с воздушным охлаждением или быть отопителем кабины автомобиля. В таком теплообменнике используется кинетическая энергия газов, выходящих из жаровой трубы для привода крыльчатки 14 вентилятора, прокачивающей воздух через теплообменник подогревателя. Привод вентилятора обеспечивается газовой турбиной, рабочее колесо 12 которой установлено на одном валу с крыльчаткой вентилятора. На конце выпускной трубы подогревателя устанавливается эжектор 19, обеспечивающий отсос газов из полости подшипников турбины.

В случае применения подогревателя для предпускового подогрева двигателя с жидкостным охлаждением вместо воздушного теплообменника устанавливается жидкостный с организацией термосифонной циркуляции жидкости в нем.

Основное достоинство подогревателей (отопителей) пульсирующего типа - возможность длительной работы без потребления электрической энергии, что очень важно в условиях эксплуатации автомобилей.

В силу того, что автомобили "Магирус-Дейтц" получили в последнее время широкое распространение в районах с суровыми климатическими условиями (трассы Магаданской обл. и БАМ, район г. Норильска), следует подробнее рассмотреть вопросы эксплуатации пульсирующих подогревателей фирмы "Эбершнехер", устанавливаемых на автомобилях.

Подогреватель устанавливается на двигатель лишь на период предпускового прогрева двигателя, для чего используется быстродействующий затвор и крепежные цепи, а для подачи нагретого и отсоса охлажденного воздуха устанавливают гибкие гофрированные шланги. К системе электрооборудования автомобиля подогреватель на период приведения в действие подсоединяют кабелем со штепсельным разъемом.

Пускают подогреватель следующим образом:

устанавливают рукоятку 5 управления регулировочной иглы (см. рис. 7) расхода топлива в положение "закрыто" и плавно качают рукоятку пускового насоса 1 с одновременным включением свечей: искровой 6 и накаливания 20 (кнопка выключения свечей на подогревателе "Эбершнехер" установлена на рукоятке пускового насоса).

После трех-четырех качков устанавливают рукоятку 5 управления регулировочной иглой в положение подачи топлива, повернув ее против часовой стрелки на 0,5-1 оборот, и продолжают плавно качать рукоятку насоса, не отпуская кнопку выключения свечей. При этом обеспечивается подача бензина и воздуха в камеру сгорания, смесеобразование и воспламенение смеси.

При резком энергичном перемещении рукоятки происходит переобогащение смеси и она не воспламеняется (из выпускного патрубка подогревателя выходят пары бензина в виде белого тумана).

При появлении вспышек плавно выполняют подрегулировку рукояткой регулировочной иглы, пока вспышки не станут равномерными. При резком или чрезмерном повороте регулировочной иглы возможно переобогащение смеси и прекращение вспышек.

После выхода подогревателя на устойчивый режим (характерный равномерный гул) прекращают подкачку пусковым насосом и отключают кабель электрического питания.

Для остановки подогревателя достаточно завернуть рукоятку регулировочной иглы до отказа по часовой стрелке для прекращения подачи бензина.

Такой порядок приведения в действие подогревателя рекомендуется до температуры окружающего воздуха -15°С. При температурах окружающего воздуха ниже -15°С рекомендуется предварительно до подкачки пусковым насосом подогреть смесительную камеру включением свечи 20 накаливания на время: при -20°С не менее 2 мин, при -30°С не менее 3 мин, при - 40°С не менее 4 мин, при -50°С не менее 5 мин.

При пуске регулировочную иглу поворачивают рукояткой на 1,0-1,5 оборота. В остальном последовательность пуска та же, что и до -15°С.

Для устойчивой длительной работы прогретого и вышедшего на режим подогревателя необходимо обеспечивать подачу бензина в определенном количестве: слишком большая подача переобогащает смесь и может привести к заливке камеры сгорания бензином, малая подача бензина приводит к неравномерным вспышкам из-за наличия бедной смеси. И в первом и во втором случае подогреватель может прекратить работу, поэтому следует плавно подрегулировать расход бензина, ориентируясь на слух (вспышки должны быть равномерными). При этом следует помнить, что рукоятка 5 управления регулировочной иглы служит только для обеспечения оптимального состава смеси, но не для изменения теплопроизводительности подогревателя.