СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
COMBINED POWER PLANT SYSTEM

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к силовым установкам, работающим совместно с двигателем внутреннего сгорания, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов.
В настоящее время, конструкция двигателей внутреннего сгорания не претерпевает существенных изменений и достигла пика своего эволюционного развития, однако задачи по повышению мощности, КПД, эффективности работы устройств на их основе, стоят как никогда остро, в связи с постоянным поднятием цен на топливо и его образующемся дефиците во многих районах на планете.
Известна силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания с системами впуска наддувочного воздуха и выпуска отработавших газов, турбокомпрессор первой ступени, воздушный теплообменник первой ступени, механический компрессор второй ступени с приводным электродвигателем и систему автоматического регулирования параметров наддува с устройствами регулирования компрессоров, размещенными в байпасах, (см. патент US 7246490, 24.07.2007).
Электрический привод в данном известном решении выполнен со сложной автоматической регулировкой параметров наддува, при этом средства поддержания теплового состояния (температуры) и давления воздуха во второй ступени выполнены только путем поддержания динамики вращения механического компрессора. Кроме того, данная установка имеет низкую эффективность и КПД за счет неполного задействия энергии отработанных газов, имеет сложную конструкцию.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы является решение, по патенту RU 2600842 С2, 27.10.2016, где двигательная установка, содержит:
- двигатель внутреннего сгорания (ДВС), имеющий впускную линию и выпускную линию,
- компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, установленные в упомянутой впускной линии по ходу потока воздуха,
- турбину высокого давления и турбину низкого давления, установленные в упомянутой выпускной линии по ходу потока газов,
- первый перепускной механизм для обхода упомянутого компрессора высокого давления, упомянутая турбина высокого давления соединена с валом упомянутого компрессора низкого давления, а упомянутый компрессор высокого давления приводится в действие упомянутой турбиной низкого давления и/или упомянутым двигателем.
Данная установка также имеет сложную конструкцию, низкую эффективность и КПД за счет неполного задействия энергии отработанных газов.
Целью заявленного изобретения является устранение недостатков известных комбинированных силовых систем.
В основу предложенного изобретения поставлена задача доработки конструкции комбинированной силовой установки, устраняющую известные недостатки аналогов.
Техническим результатом является повышение эффективности работы системы, повышение ее КПД с использованием энергии отработанных газов, при простоте конструкции.
Данный результат достигается тем, что система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор и комбинированный двигатель, состоящий из рабочей части, работающей в четырехтактном режиме, пневматической части, работающей в двухтактном режиме, и компрессорной части, работающей в двухтактном режиме, каждая из которых имеет цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного (впуск) и выпускного (выпуск) коллектора с клапанным механизмом,
рабочая часть, пневматическая часть, и компрессорная часть, объединены системой трубопроводов и общим коленчатым валом, при этом на коленчатом валу между рабочей частью и пневматической частью установлен механизм изменения передаточного числа,
при этом выход турбокомпрессора по трубопроводу, нагнетающий воздух, связан с впуском компрессорной части, а его выпуск связан с впуском рабочей части,
выход рабочей части, содержащей выхлопные газы, связан с впуском пневматической части, а выход пневматической части, связан с входом турбокомпрессора.
Механизм изменения передаточного числа выполнен в виде коробки передач.
На конце коленчатого вала расположен выходной вал.
Далее, принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг. 1, где изображена предпочтительная система комбинированной силовой установки, где
1 - турбокомпрессор;
2 - комбинированный двигатель;
3 - рабочая часть;
4 - пневматическая часть;
5 - компрессорная часть;
6 - коленчатый вал;
7 - механизм изменения передаточного числа;
8 - система впускного коллектора (впуск);
9 - система выпускного коллектора (выпуск);
10 - выходной вал;
Система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор 1. Турбокомпрессор 1 включает вход и выход (на чертеже не обозначены). Турбокомпрессор служит для забора воздуха и направление его в соответствующий узел комбинированного двигателя 2.
Комбинированный двигатель 2 состоит из рабочей части 3, работающей в четырехтактном режиме, пневматической части 4, работающей в двухтактном режиме, и компрессорной части 5, работающей в двухтактном режиме, каждая из которых имеет цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного (впуск) 8 и выпускного 9 (выпуск) коллектора с клапанным механизмом.
Рабочая часть 3, комбинированного двигателя 2 представляет собой двигатель внутреннего сгорания со всеми его конструктивными составляющими. Рабочая часть 3 в своей основе включает ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска 8 и выпуска 9 с клапанными механизмами. Рабочий объем "V" рабочей части 3 выбирается в соответствии с рабочими объемами компрессорной и пневматической частей. Подробно же раскрывать конструкцию рабочей части 3 нет необходимости, поскольку конструкция рабочей части 3, выполненной как двигатель внутреннего сгорания, как таковой, не является объемом охраны данной заявки.
Пневматическая часть 4, представляет собой блок, работающий в двухтактном режиме и имеющий в своей основе ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска 8 и выпуска 9 воздуха/газов с соответствующими впускными и выпускными клапанными механизмами (клапаны-тарельчатые).
п
Рабочий объем пневматической части 4 "V", предпочтительно, рассчитывается по формуле
Vп=3V, где
V - рабочий объем рабочей части 3;
Компрессорная часть 5 также выполнена в виде блока воздушного компрессора, работающего в двухтактном режиме и имеющего в своей основе ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска 8 и выпуска 9 с соответствующими впускными и выпускными клапанными механизмами. Впускные клапаны - любые, например, тарельчатые, выпускные, например, лепестковые или пластинчатые, предназначенные для работы с воздухом/газом.
к
Рабочий объем компрессорной части 5 "V" предпочтительно рассчитывается по формуле:
к
V=V, где
V - рабочий объем рабочей части 3;
Рабочая часть 3, пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5 комбинированного двигателя 2 объединены системой трубопроводов и общим, связанным в единый модуль, коленчатым валом 6. Коленчатый вал 6 проходит через все три части 3, 4, 5 комбинированного двигателя 2. На конце коленчатого вала 6 расположен выходной вал 10. Данный вал 10, на выходе, может быть установлен, например, после КПП, вариатора и других механизмов изменения скорости вращения. На коленчатом валу 6 между рабочей частью 3 и пневматической частью 4 установлен механизм изменения передаточного числа 7. Механизм изменения передаточного числа 7 выполнен, как правило, в виде коробки передач. Передаточное число подбирается исходя из скорости вращения коленчатого вала 6 в об/мин. Например, при передаточном соотношении 3,3, при вращении коленчатого вала 6, например, со скоростью 2800 об/мин, скорость вращения коленчатого вала 6 в пневматической части 4 и компрессорной части 5 будет равна 900 об/мин, что обеспечит наибольшее КПД, работоспособность всей системы в целом, при определенных соотношениях рабочих объемов, описанных ранее, в рабочей части 3, пневматической части 4, и компрессорной части 5 комбинированного двигателя 2.
Система трубопроводов комбинированной силовой установки с двигателем внутреннего сгорания, связана следующим образом.
Выход турбокомпрессора 1 по трубопроводу связан с впуском 8 компрессорной части 5 и нагнетает воздух в компрессорную часть, для осуществления ее работы. При этом выпуск 9 компрессорной части 5 связан с впуском 8 рабочей части 3 и передает на нее нагнетенный воздух под определенным давлением для работы рабочей части 3 комбинированного двигателя 2.
На выходе из рабочей части 3, содержащей выхлопные отработанные газы, трубопровод связан с впуском 8 пневматической части 4, для передачи отработанных газов и осуществления работы пневматической части 4 комбинированного двигателя 2. При этом выход 9 пневматической части 4, связан с входом турбокомпрессора 1 и передает на него воздушную смесь/газы, для раскручивания его крыльчатки и для осуществления (ускорения/упрощения) его работы.
Пример 1
Система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор 1 и комбинированный двигатель 2;
Рабочий объем рабочей части 3 - V=6,0 литров, скорость вращения коленчатого вала п=2750 об/мин;
п
Рабочий объем пневматической части 4 V=18,0 литров, скорость вращения коленчатого вала п=810 об/мин;
к
Рабочий объем компрессорной части 5 V=6,0 литров, скорость вращения коленчатого вала п=810 об/мин;
Рабочая часть 3, пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5, объединены системой трубопроводов и общим коленчатым валом 6;
На коленчатом валу 6 между рабочей частью 3 и пневматической частью 4 установлен редуктор 7 с передаточным соотношением i=3.4;
На конце коленчатого вала 6 расположен выходной вал 10.
Система работает в штатном режиме при взаимодействии и функционировании ее узлов, обеспечивая достижение заявленного результата.
Пример 2
Система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор 1 и комбинированный двигатель 2;
Рабочий объем рабочей части 3 - V=6,5 литров, скорость вращения коленчатого вала п=3000 об/мин;
п
Рабочий объем пневматической части 4 - V=19,5 литров, скорость вращения коленчатого вала п=900 об/мин;
к
Рабочий объем компрессорной части 5 - V=6.5 литров, скорость вращения коленчатого вала п=900 об/мин;
Рабочая часть 3, пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5, объединены системой трубопроводов и общим коленчатым валом 6;
На коленчатом валу 6 между рабочей частью 3 и пневматической частью 4 установлена коробка передач 7 с передаточным соотношением i=3.3;
На конце коленчатого вала 6 расположена коробка передач с выходным валом 10.
Система работает в штатном режиме при взаимодействии и функционировании ее узлов, обеспечивая достижение заявленного результата.
Таким образом, созданная модернизированная система комбинированной силовой установки за счет конструкции комбинированно двигателя, состоящего из трех взаимосвязанных узлов 3, 4, 5, системы трубопроводов и общим, связанным в единый модуль коленчатым валом 6, которые задействуют энергию выхлопных газов, а также энергию воздуха в компрессорной 5 и пневматической части 4, обеспечивает повышение эффективности работы системы, повышение ее КПД с использованием энергии отработанных газов, при простоте ее конструкции.