Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10371
(13) U
(46) 2014.10.30
(51) МПК
B 60K 15/077
F 02D 17/00
(2006.01)
(2006.01)
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54) НАГРЕВАТЕЛЬ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА В ФИЛЬТРАХ ТОНКОЙ
ОЧИСТКИ
(21) Номер заявки: u 20131095
(22) 2013.12.20
(71) Заявитель: Частное торговое уни-
тарное предприятие "АОБел" (BY)
(72) Автор: Шилов Андрей Владимирович
(BY)
(73) Патентообладатель: Частное торговое
унитарное предприятие "АОБел" (BY)
(57)
1. Нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки, состоящий из банда-
жируемого основания, выполненного в форме гибкого разрезного кольца, на внутренней
поверхности которого последовательно расположены слой термоизоляции, нагреватель-
ный резистивный элемент с диэлектрической изоляцией, электрически соединенный с
разъемом на внешней поверхности корпуса, и ленточный радиатор теплового поля, отли-
чающийся 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 теп-
ловым сопротивлением, а внешний может быть совмещен со слоем термоизоляции.
2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый нагревательный рези-
стивный 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.
Фиг. 1
BY10371U2014.10.30

2. BY 10371 U 2014.10.30
2
(56)
1. Патент РБ 832, МПК B 60K 15/077, F 02D 17/04, 2003.
2. Патент РБ 4197, МПК B 60K 15/077, F 02D 17/00, 2008.
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 топливозабор-
ник содержит корпус-теплообменник, внутри которого смонтированы трубка подачи теп-
лоносителя, топливозаборная трубка, фильтр грубой очистки в виде сетки и дополни-
тельный электронагревательный элемент.
При запуске двигателя подается напряжение на электронагревательный элемент, в ре-
зультате чего дизельное топливо разогревается в локальном объеме непосредственно
вблизи фильтра грубой очистки топливозаборника. По мере прогрева двигателя в тепло-
обменник поступает теплоагент, в частности антифриз, что обеспечивает постоянный по-
догрев 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 бли-
зости от системы впрыска двигателя, по мере прохождения дизельного топлива по трубо-
проводу 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, предусматриваю-
щие подогрев дизельного топлива непосредственно в фильтре тонкой очистки.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является
нагреватель топлива дизельных двигателей, содержащий бандажируемый корпус, выпол-
ненный в форме гибкого разрезного кольца-основания, на внутренней поверхности кото-
рого последовательно расположены и загерметизированы термостойкий термоизоли-
рующий 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 испол-
нения покрытие из высокотеплопроводного термостойкого диэлектрического материала
имеет низкое тепловое сопротивление [2].
Недостатком прототипа является неоправданная сложность конструкции, предусмат-
ривающая наличие двух уровней диэлектрической изоляции с внутренней стороны нагре-
вательного элемента. Первый уровень, или слой диэлектрика в составе токоизоли-
рованного нагревательного резистивного элемента, служит исключительно для диэлектри-
ческой 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, выполнен-
ного, как следует из описания прототипа, из металлической пластины, так и для их допол-
нительной диэлектрической изоляции друг от друга.

3. BY 10371 U 2014.10.30
3
Кроме того, высокотеплопроводные термостойкие диэлектрические материалы харак-
теризуются высокой стоимостью, поскольку совмещают в себе высокую теплопровод-
ность, что является свойством металлов и отдельных видов керамики, и диэлектрические
свойства, типичные для полимеров и керамики. Поскольку гибкость бандажируемого кор-
пуса не позволяет использовать хрупкие керамические материалы с высокой теплопро-
водностью и хорошими диэлектрическими свойствами, то приходится прибегать к
дорогостоящим композитным материалам, что экономически не всегда целесообразно.
Кроме того, при использовании нагревательного резистивного элемента, выполненно-
го из сплава сопротивления, для получения требуемой мощности нагрева требуется обес-
печить сравнительно низкое электрическое сопротивление, достигаемое в данном случае
только за счет увеличения площади поперечного сечения (обычно за счет толщины) эле-
мента. Однако поскольку сплавы сопротивления содержат такие сравнительно дорого-
стоящие металлы, как хром и никель, это заметно повышает стоимость нагревателя.
Задачей заявляемого технического решения является упрощение конструкции нагре-
вателя.
Поставленная задача решается тем, что в нагревателе дизельного топлива в фильтрах
тонкой очистки, состоящем из бандажируемого основания, выполненного в форме гибко-
го 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 ра-
диатор 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 теп-
ловым сопротивлением, а внешний может быть совмещен со слоем термоизоляции, а так-
же тем, что упомянутый нагревательный резистивный элемент выполнен в виде
меандрообразной полосы; а также тем, что фрагменты меандрообразной полосы нагрева-
тельного резистивного элемента имеют различную ширину; а также тем, что сопротивле-
ние 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 позво-
ляет 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 са-
мое) термостойкого диэлектрического материала. Нагревательный элемент расположен
непосредственно между этими пластинами. С внутренней стороны нагревательного эле-
мента диэлектрическая изоляция должна обладать низким тепловым сопротивлением для
обеспечения минимальных тепловых потерь, что достигается использованием относи-
тельно тонких слоев, например до 200 мкм. В качестве таких диэлектрических слоев мо-
гут быть использованы различные полимерные пленки, широко производимые промыш-
ленностью, например пленка полипиромеллитимида, тефлона и др. Полипиромеллити-
мидные пленки выпускаются в промышленных масштабах толщиной от 40 мкм, что более
чем достаточно как для надежной диэлектрической изоляции, так и для обеспечения ми-
нимальных тепловых потерь. Полипиромеллитимид характеризуется самой высокой тер-
мостойкостью 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, хо-
тя могут быть использованы и другие материалы. Низкое тепловое сопротивление рас-
сматриваемых диэлектрических пленок на основе полипиромеллитимида обеспечивает

4. BY 10371 U 2014.10.30
4
значительное снижение требований по теплопроводности изоляции, т.к. вклад теплопро-
водности в общие тепловые потери при передаче тепла от нагревательного элемента к
ленточному радиатору теплового поля.
С внешней стороны нагревательного элемента диэлектрическая изоляция в соответст-
вии с заявляемым техническим решением может быть выполнена как в качестве самостоя-
тельного слоя, например, из упомянутой полипиромеллитимидной пленки, так и
совмещена со слоем теплоизоляции. Как правило, теплоизолирующие материалы одно-
временно являются и диэлектриками. Поэтому слой теплоизоляции в соответствии с заяв-
ляемым 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 воло-
киты и др.
Материал нагревательного элемента в соответствии с заявляемым техническим реше-
нием 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 нагрева-
тельного 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 эле-
мента в верхней части электрическое сопротивление и, соответственно, количество выде-
ляемого тепла возрастают. В зависимости от особенностей конструкции конкретных
фильтров тонкой очистки это обеспечивает более эффективное использование энергии на-
грева.
Фактическое значение электрического сопротивления нагревательного резистивного
элемента выбирается в соответствии с конкретным назначением нагревателя. С уменьше-
нием сопротивления выделяемая мощность нагревателя возрастает. Основными фактора-
ми, принимаемыми во внимание в данном случае, являются напряжение бортовой сети и
расход топлива в единицу времени, а также особенности климата. Экспериментально ус-
тановленными оптимальными значениями является 0,5-3,0 Ом. При меньшем сопротивле-
нии, 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 схе-
матическое изображение поперечного сечения заявляемого нагревателя, а на фиг. 2 - схе-
матическое 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;
d1 - ширина меандрообразного фрагмента нагревательного резистивного элемента в
верхней части;

5. BY 10371 U 2014.10.30
5
d2 - ширина меандрообразного фрагмента нагревательного резистивного элемента в
нижней части;
d3 - 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 элек-
трической сети автомобиля (или трактора и т.п.) выведены на разъем 8 на внешней по-
верхности 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 d1, d2 и d3 этой полосы может быть различной. Заявляемая конструк-
ция предусматривает совмещение функций слоя термоизоляции 3 и слоя внешней диэлек-
трической 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 дизель-
ного 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 за-
являемый нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки по сравнению с
прототипом содержит меньшее количество конструктивных элементов (в частности, от-
сутствует дублирующий самостоятельный конструктивный элемент "диэлектрическая
изоляция", используемый прототипом в составе "токоизолированный нагревательный ре-
зистивный 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 со-
противлением вместо "высокотеплопроводного диэлектрического термостойкого мате-
риала"). Таким образом, конструкция заявляемого нагревателя по сравнению с
прототипом является более простой.
Заявляемый нагреватель дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки работает сле-
дующим образом. После его монтажа на фильтре тонкой очистки на нагревательный рези-
стивный элемент 5 через разъем 8 подается напряжение от бортовой сети автомобиля.
Нагревательный резистивный элемент 5 разогревается, и тепловая энергия через внутрен-
ний 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 ма-
лое тепловое сопротивление, поэтому практически вся энергия, выделяемая на нагрева-
тельном резистивном элементе 5, расходуется на подогрев топливного фильтра. В то же
время допустимое отсутствие слоя внешней диэлектрической изоляции 4 как самостоя-
тельного 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 электри-
ческому сопротивлению отдельных фрагментов этой полосы, которое может быть отрегу-
лировано выбором ширины d1-d3 этих фрагментов. Если d1 = d3 - d3, сопротивление всех
фрагментов одинаково, а тепловое поле нагревателя равномерно. Если d1 ≠ d3 ≠ d3, коли-
чество выделяемого тепла разное, что может быть использовано для преимущественного

6. BY 10371 U 2014.10.30
6
нагрева той части топливного фильтра, где осадок парафинов накапливается в большей
степени, например в донной части. Такое управление тепловым полем нагревателя позво-
ляет 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 темпе-
ратуры -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 оцени-
вали по температуре дизельного топлива на выходе. Результаты испытаний приведены в
таблице.
Из приведенных данных видно, что заявляемый нагреватель обеспечивает эффектив-
ный нагрев дизельного топлива в фильтрах тонкой очистки, характеризуется простотой
конструкции и доступностью используемых материалов.
Использование запредельных значений электрического сопротивления нагревательно-
го элемента не позволяет обеспечить безопасность эксплуатации автомобиля (испытание
1) либо требуемую эффективность нагрева (испытание 5).
Влияние характеристик нагревателя на эффективность нагрева топлива
№
п/п
Сопротивление
нагревательного
элемента, Ом
Температура топлива на
выходе макета топлив-
ного фильтра, °С
Примечание
1 0,3 +16
Потребляемый ток составляет 40 А, что
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
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.