ВТОРИЧНЫЙ ПАРОСИЛОВОЙ КОНТУР ДВС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к сфере двигателестроения, в частности к силовым установкам, работающим на горячих газах или продуктах сгорания, а также к выхлопным устройствам, использующим энергию выхлопа - с использованием тепла.
Известна полезная модель гибридного преобразователя энергии в ДВС, которая содержит поршневой ДВС, в выпускном тракте которого расположен спиральный трубопровод - теплообменник, в один конец которого закачивается вода, а другой конец которого через сопло выводится в рабочий объем цилиндра ДВС. Отработавший пар предполагается из цилиндра со сжатием выпускать в паровой аккумулятор для дальнейшего использования. Пар в цилиндр предполагается вводить в двух режимах - или подавать во время такта «горение - расширение» работы ДВС, либо циклически перемежать через раз такты расширения на пару с тактами работы ДВС. [Патент US №20120060493 МПК F02B 37/00; F02B 37/12; F02M 63/00 опубл. 15.03.2012, авторы Вэлдон М.В., Брюс К.Х., Тибор К. «Гибридный преобразователь энергии в ДВС» «Hybrid combustion energy conversion engines»].
Недостатками данного устройства являются низкий КПД, высокое сопротивление на выпуске парового цикла, потеря большого количества тепла с выхлопными газами в системе охлаждения.
Известна полезная модель вторичного паросилового контура ДВС транспортного средства, которая состоит из ДВС и дополнительных элементов, от выпускного клапана двигателя начинается газовод выпускного тракта, внутри выпускного тракта расположен спиральный трубопровод-теплообменник, в который закачивается вода (или иная парообразующая жидкость) насосом высокого давления из накопительного резервуара воды, горячая вода в начало спирального трубопровода-теплообменника попадает из рубашки системы охлаждения корпуса двигателя через трубопровод и накопительный резервуар, противоположный от насоса конец трубопровода-теплообменника разветвляется на несколько пароводов через деталь-разветвитель, пароводы подводят пар к агрегатам и системам двигателя - потребителям мощности. [Патент РФ №147861 МПК: F02G 5/ 02, F01N 5/02, опубл. 20.11.2014. Бюл. 32, автор Исаев И.Ю. «ВТОРИЧНЫЙ ПАРОСИЛОВОЙ КОНТУР ДВС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА»].
Недостатками данного устройства являются низкий КПД, высокое сопротивление на выпуске парового цикла, потеря большого количества тепла с выхлопными газами и в системе охлаждения, связь теплообменника с накопительным резервуаром воды в системе охлаждения приводит к потерям воды и ухудшению условий работы системы охлаждения.
Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.
Технической задачей полезной модели является повышение КПД двигателя за счет утилизации теплоты отработавших газов, теплоты системы охлаждения, а также использования конденсата паров воды в цикле работы двигателя.
Технический результат достигается тем, что вторичный паросиловой контур ДВС транспортного средства, состоящий из размещенного в выпускном тракте двигателя теплообменника, внутрь которого насосом высокого давления закачивается парообразующая жидкость, вход теплообменника через насос высокого давления соединен с полостью рубашки системы охлаждения корпуса двигателя, отличающийся тем, что во вторичный паросиловой контур дополнительно введены аккумулятор перегретого пара, который установлен на выходе теплообменника; турбокомпрессор, вход турбины которого по линии смеси отработавших газов и паров соединен с выходом теплообменника; воздушный ресивер, который установлен на выходе компрессора турбокомпрессора, а на входе в компрессор турбокомпрессора установлен воздушный фильтр с выходом в атмосферу; теплообменник-конденсатор паров воды, который установлен между полостью рубашки системы охлаждения корпуса двигателя и теплообменником; клапан подачи воздуха, клапан подачи перегретого пара и два клапана выпуска смеси отработавших газов с паром, которые установлены на головке цилиндра ДВС; турбинный расходомер, который установлен на выходе насоса высокого давления, а также дополнительно введены сепаратор воды из отработавших газов, накопитель воды, съемный накопитель воды, два электроуправляемых вентиля, привод насоса высокого давления, два дроссельных расходомера воздуха и пара с датчиками перепада давления, четыре датчика давления, четыре датчика температуры, два датчика частоты вращения и блок регистрации и управления, причем вход теплообменника-конденсатора по смеси отработавших газов и паров соединен с выходом турбины турбокомпрессора, а выход теплообменника-конденсатора последовательно соединен с сепаратором воды из отработавших газов с выходом в атмосферу, накопителем воды, на выходе которого установлен электроуправляемый вентиль и съемным накопителем воды, на выходе которого установлен электроуправляемый вентиль, вход насоса высокого давления соединен с накопителем воды, а выход насоса высокого давления соединен через турбинный расходомер с входом в полость рубашки системы охлаждения корпуса двигателя, а ее выход через теплообменник-конденсатор соединен с входом в теплообменник, выход теплообменника соединен с входом аккумулятора перегретого пара, а его выход соединен с клапаном подачи перегретого пара; компрессор через воздушный ресивер соединен с клапаном подачи воздуха, а два клапана выпуска смеси отработавших газов и паров соединены с входом теплообменника, а также на входе в компрессор турбокомпрессора и на входе в теплообменник установлены дроссельные расходомеры с датчиками перепада давления и датчики давления и температуры; на выходе из воздушного ресивера и на выходе из аккумулятора перегретого пара установлены датчики давления и температуры; на коленчатом валу ДВС и на турбокомпрессоре установлены два датчика частоты вращения, все расходомеры и датчики подключены к блоку регистрации и управления, а электроуправляемые вентили и привод насоса высокого давления управляются блоком регистрации и управления.
Введение блоков утилизации теплоты отработавших газов, теплоты системы охлаждения, а также использования конденсата паров воды в цикле работы двигателя повышают КПД двигателя.
На фиг. приведена схема вторичного паросилового контура ДВС транспортного средства.
Вторичный паросиловой контур ДВС транспортного средства состоит из коленчатого вала ДВС 1, поршня 2, цилиндра 3, головки цилиндра 4, клапана подачи пара 5, клапана подачи воздуха 6, клапанов выпуска смеси отработавших газов и пара 7, датчика давления 8, датчика температуры 9, аккумулятора перегретого пара 10, датчика давления 11, датчика температуры 12, теплообменника 13, датчика перепада давления 14, дроссельного расходомера 15, датчика температуры 16, датчика давления 17, воздушного ресивера 18, турбины 19, турбокомпрессора 20, компрессора 21, датчика частоты вращения 22, датчика перепада давления 23, дроссельного расходомера 24, датчика температуры 25, датчика давления 26, воздушного фильтра 27, теплообменника-конденсатора паров воды 28, сепаратора воды из отработавших газов 29, накопитель воды 30, электроуправляемого вентиля 31, съемного накопителя воды 32, электроуправляемого вентиля 33, насоса высокого давления 34, привода насоса высокого давления 35, турбинного расходомера 36, полости рубашки системы охлаждения корпуса двигателя 37, датчика частоты вращения 38, блока регистрации и управления 39.
Работа установки осуществляется следующим образом.
На запуске от внешнего источника раскручивают коленчатый вал ДВС 1, при этом кривошипно-шатунный механизм обеспечивает возвратно поступательное движение поршня 2. При движении поршня 2 вниз клапанно-распределительный механизм (условно не показан) на такте впуска открывает клапан подачи воздуха 6 на головке цилиндра 4 и воздух из воздушного ресивера 18 поступает в внутренний объем цилиндра 3. При движении поршня 2 вверх в конце такта сжатия подается топливо из топливной системы (условно не показан). В результате повышения температуры топливовоздушной смеси происходит самовоспламенение и повышение температуры продуктов сгорания. На такте расширения после верхней мертвой точки происходит преобразование теплоты продуктов сгорания в полезную работу, передаваемой на коленчатый вал ДВС 1. В процессе движения поршня 2 вниз, после достижения максимальной температуры сгорания открывается клапан подачи перегретого пара 5 и перегретый пар под высоким давлением из аккумулятора перегретого пара 10 поступает в внутренний объем цилиндра 3 и перемешивается с продуктами сгорания топливовоздушной смеси. Смесь продуктов сгорания и пара расширяется и происходит преобразование теплоты в полезную работу, передаваемую на коленчатый вал ДВС 1, которая на такте расширения включает работу перегретого пара, на утилизацию теплоты смеси отработавших газов с паром и теплоты корпуса рубашки системы охлаждения корпуса двигателя 37. На такте выпуска клапаны подачи перегретого пара 5 и подачи воздуха 6 закрыты, открываются клапаны выпуска смеси отработавших газов и пара 7. Смесь отработавших газов и пара поступает через дроссельный расходомер 15 и теплообменник 13 в турбину 19 турбокомпрессора 20, где расширяется и совершает работу, которая передается к компрессору 21 турбокомпрессора 20. При этом воздух из атмосферы через воздушный фильтр 27 и дроссельный расходомер 24 поступает на вход в компрессор 21 турбокомпрессора 20, где сжимается и подается в воздушный ресивер 18. С выхода турбины 19 турбокомпрессора 20 смесь отработавших газов и пара поступает на вход в теплообменник-конденсатор паров воды 28, где пары воды конденсируются и поступают в сепаратор воды из отработавших газов 29. В сепараторе воды из отработавших газов 29 отработавшие газы удаляются в атмосферу, а вода поступает в накопитель воды 30. При наполнении накопитель воды 30 блок регистрации и управления 39 подает команду на открытие электроуправляемого вентиля 31 и вода переливается в съемный накопитель воды 32. Вода из съемного накопителя воды 32 вода расходуется через электроуправляемый вентиль 33. Из накопитель воды 30 вода поступает в насос высокого давления 34 с приводом 35, где давление воды повышается и через турбинный расходомер 36 поступает в полость рубашки системы охлаждения корпуса двигателя 37. В полости рубашки системы охлаждения корпуса двигателя 37 вода подогревается и поступает в теплообменник-конденсатор паров воды 28, где вода дополнительно подогревается, частично испаряется и поступает в теплообменник 13. В теплообменнике 13 вода испаряется, перегревается, и перегретый пар поступает в аккумулятор перегретого пара 10. С помощью установленных на входе в компрессор 21 турбокомпрессора 20 дроссельного расходомера 24 с датчиком перепада давления 23 и датчиков температуры 25 и давления 26 контролируется расход и параметры воздуха, а установленные на входе в теплообменник 13 дроссельный расходомер 15 с датчиком перепада давления 14 и датчики температуры 16 и давления 17 контролируют расход и параметры смеси отработавших газов и пара на выходе из двигателя. Установленные на выходе из воздушного ресивера 18 и на выходе из аккумулятора перегретого пара 10 датчики температуры 12,9 и давления 11,8 контролируют параметры воздуха и перегретого пара на входе в ДВС. Установленный на выходе из насоса высокого давления 34 турбинный расходомер 36 контролирует расход воды, подаваемый в полость рубашки системы охлаждения корпуса двигателя 37, и регулирует с помощью привода насоса высокого давления 35, управляемого блоком регистрации и управления 39. Установленные на турбокомпрессоре 20 и коленчатом валу ДВС 1 датчики частоты вращения 22,38 контролируют их режимы работы. Режимы работы двигателя устанавливаются и контролируются блоком регистрации и управления 39.
Предложенное техническое решение обеспечивает повышение КПД двигателя на 15-20% за счет утилизации теплоты отработавших газов, теплоты системы охлаждения, а также использования конденсата паров воды в цикле работы двигателя.