СИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к машиностроению, а более конкретно - к двигателестроению.
Известны различные конструкции силовых установок, содержащих поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), снабженные системами охлаждения.
Известна, например, силовая установка (СУ), содержащая ДВС, снабженная системой охлаждения, по патенту РФ на ИЗ N 2065981. Данная СУ лишена возможности увеличения мощности силовой установки и снижения расхода топлива за счет оптимального использования тепловой и механической энергии, полученной в результате сгорания топлива в цилиндрах двигателя из-за отсутствия возможности использования энергии отработавших газов (ОГ).
Известна также силовая установка, содержащая ДВС, снабженная системой охлаждения, по патенту РФ на ИЗ N 2104399, которая тоже лишена возможности увеличения мощности силовой установки и снижения расхода топлива за счет оптимального использования тепловой и механической энергии, полученной в результате сгорания топлива в цилиндрах двигателя.
Известна также силовая установка, содержащая ДВС, снабженная испарительной системой охлаждения, по патенту РФ на ИЗ N 2459963, в которой система охлаждения содержит рубашку охлаждения, расширительный бак, паровой компрессор, радиатор, газовую турбину привода компрессора, регулятор расхода отработавших газов через газовую турбину и датчик температуры охлаждающей жидкости. Привод парового компрессора осуществляется газовой турбиной, работающей за счет отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, что позволяет обеспечивать регулирование температуры кипения в рубашке охлаждения путем изменения производительности компрессора, откачивающего пар В данной силовой установке газовая турбина создает дополнительное сопротивление, изменяя режим работы двигателя, что существенно снижает его мощность.
Наиболее близким решением к заявляемому по технической сущности и результату от его использования является известная силовая установка по патенту
РФ N 1835460, 1990 г. Такая силовая установка содержит: поршневой двигатель внутреннего сгорания с системой охлаждения, включающей компрессор первой ступени наддува, теплообменник (парогенератор), установленный в выпускном тракте двигателя, контур утилизации тепловой энергии, выполненный в виде утилизационного свободнопоршневого компрессора второй ступени наддува /включающий в себя рабочую, воздушные и буферные полости, конденсатор и питающий насос (помпу)/, расширителя, выполненного в виде парового двигателя /паровой расширительной машины/, включенного в контур циркуляции рабочего тела через парогенератор, паровой двигатель, и охладитель наддувочного воздуха, установленный между компрессором второй ступени наддува и впускным трубопроводом двигателя, причем паровая расширительная машина и компрессор второй ступени наддува выполнены заодно в виде свободнопоршневого компрессора с паровым приводом. При этом указанные блоки системы охлаждения фактически образуют первый утилизационный контур тепловой энергии, установленный в выпускном тракте двигателя.
Данная силовая установка хотя и позволяет улучшить топливную экономичность, повысить запас крутящего момента и снизить механические потери силовой установки, однако, КПД такой установки относительно небольшой из-за слишком больших тепловых потерь при эксплуатации установки и небольшого использования возможностей полезной утилизации тепловой энергии в контурах силовой установки. Кроме этого, имеются существенные потери мощности силовой установки из-за необходимости включения в выхлопной тракт турбины и компрессора.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение мощности силовой установки и снижение расхода топлива за счет оптимального использования тепловой и механической энергии, полученной в результате сгорания топлива в цилиндрах двигателя.
Указанная задача решается тем, что обеспечивается возможность охлаждения и значительного повышения степени полезной утилизации тепловой энергии отработавших газов (ОГ), имеющих высокую температуру.
Техническим результатом, достигаемым при этом от использования предлагаемого технического решения является:
1. Существенное повышение мощности силовой установки путем исключения сопротивления движению отработанных газов;
2. Повышение мощности силовой установки за счет исключения необходимости применения штатных генератора и вентилятора;
3. Повышение мощности силовой установки за счет применения дополнительных контуров утилизации тепловой энергии с дополнительными паровыми турбинами;
4. Снижение расхода топлива за счет оптимального использования тепловой и механической энергии, полученной в результате сгорания топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной силовой установке (СУ), содержащей поршневой двигатель внутреннего сгорания с системой охлаждения, имеющей первый теплообменник (парогенератор), первый питающий насос (первую помпу), первую турбину и первый конденсатор, образующие первый утилизационный контур тепловой энергии,
во-первых, первый утилизационный контур установлен в контуре циркуляции охлаждающей жидкости,
во-вторых, СУ снабжена двумя дополнительными -вторым и третьим утилизационными контурами тепловой энергии, установленными в тракте отвода отработавших газов (в выпускном тракте двигателя),
в-третьих, второй утилизационный контур, имеет второй теплообменник, вторую помпу, вторую турбину и второй конденсатор,
в-четвертых, третий утилизационный контур, имеющий третий теплообменник, третью помпу, третью турбину и третий конденсатор, установлен после второго утилизационного контура.
Кроме этого, для оптимизации изготовления и эксплуатации силовой установки целесообразно первый и третий контуры утилизации нагружать на один генератор, а для обеспечения возможности применения в первом и третьем утилизационных контурах в качестве рабочего тела воды, оба контура следует размещать в герметично закрытом корпусе с возможностью создания в нем пониженного давления. При этом, целесообразно вторую турбину второго контура утилизации нагружать отдельным генератором.
Указанные дополнительно введенные в конструкцию силовой установки узлы и их особое расположение позволяют существенно повысить КПД силовой установки при ее эксплуатации.
Предлагаемая силовая установка пояснена иллюстрацией в виде многоконтурной системы, представленной в виде схемы.
Предлагаемая силовая установка содержит: поршневой двигатель 1 внутреннего сгорания с системой охлаждения, снабженной штатным термостатом 2 и штатной основной помпой 3, а также первый теплообменник 4, первую вспомогательную помпу 5, первую турбину 6 и первый конденсатор 7, образующие первый «А» утилизационный контур.
Для охлаждения и утилизации тепловой энергии отработавших газов (ОГ) применены два дополнительных контура утилизации «В» и «С». Поскольку ОГ имеют высокую температуру, поэтому сначала они подаются во второй теплообменник 8 второго контура утилизации «В». Вторая помпа 9 подает рабочее тело контура «В», в качестве которого применена вода или незамерзающая жидкость во второй теплообменник 8. После второго теплообменника 8 пар подается во вторую турбину 10 и конденсируется вторым конденсатором 11.
После второго теплообменника 8 ОГ имеют температуру около 100 градусов, поэтому ОГ подается в третий контур утилизации «С», аналогичный первому контуру «А». Он имеет третий теплообменник 12, третью помпу 13, третий конденсатор 14 и третью турбину 15.
Поскольку первый «А» и третий «С» контуры работают при температурах ниже 100 градусов С, их мощности будут примерно одинаковы, поэтому их можно нагрузить на один генератор 16.
Чтобы применить в первом «А» и третьем «С» контурах в качестве рабочего тела воду, оба контура помещены в герметично закрытый корпус 18 для обеспечения возможности создания в нем пониженного давления. При этом температура кипения и парообразования воды по мере необходимости будет снижаться. Регулируя давление внутри корпуса, можно регулировать температуру закипания воды в соответствующих теплообменниках первом 4 и третьем 12.
Целесообразно вторую турбину 10 второго контура «В» утилизации нагрузить отдельным генератором 17.
Предлагаемая силовая установка эксплуатируется следующим образом.
Основная система двигателя 1 работает, как обычно. Термостат 2 и помпа 3 штатной системы охлаждения двигателя 1 работают в обычном режиме, но вместо штатного радиатора (на чертеже не показан) работает первый теплообменник 4. Этот теплообменник 4 передает тепловую энергию охлаждающей жидкости (на чертеже не показана) в первый контур утилизации «А». При этом рабочим телом первого контура «А» должна быть жидкость с температурой кипения ниже температуры охлаждающей жидкости в двигателе 1. Первая помпа 5 первого контура утилизации «А» подает жидкость в теплообменник 4, жидкость закипает, образуется пар с высоким давлением, который подается на лопасти первой паровой турбины 6 и отдает ей свою энергию. После первой турбины 6 давление падает, поэтому температура жидкости снижается и жидкость конденсируется в конденсаторе 7.
Для охлаждения и утилизации тепловой энергии отработавших газов (ОГ), имеющих высокую температуру, ОГ подают во второй теплообменник 8 второго контура утилизации «В»,а рабочее тело контура «В» второй помпой 9 подают во второй теплообменник 8. После теплообменника 8 пар подают во вторую турбину 10 и конденсируют вторым конденсатором 11. После теплообменника 8 ОГ имеют температуру около 100 градусов, поэтому ОГ подают в третий контур утилизации С аналогичный первому контуру «А». Он имеет третий теплообменник 12, третью помпу 13, третий конденсатор 14 и третью турбину 15.
Поскольку первый «А» и третий «С» контуры работают при температурах ниже 100 градусов, их мощности будут примерно одинаковы, поэтому их можно нагрузить на один генератор 16.
При этом, чтобы применить в первом «А» и третьем «С» контурах в качестве рабочего тела воду, необходимо поместить оба контура в герметично закрытый корпус 18, чтобы обеспечить возможность создания в нем при необходимости пониженного давления. При этом температура кипения и парообразования воды по заданному алгоритму будет снижаться и таким образом, регулируя давление внутри корпуса 18, можно регулировать температуру закипания воды в первом 4 и третьем 12 теплообменниках.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет:
1. Получать на выходе силовой установки (СУ) дополнительную механическую мощность, передаваемую через основной вал двигателя СУ за счет исключения штатных генератора и вентилятора;
2. Получать температуру отработавших газов (ОГ) всего около 50 градусов С;.
3. Получать дополнительную механическую мощность либо непосредственно от паровых турбин, либо преобразованную с помощью генераторов из электрической;
4. Полностью утилизировать тепловую энергию топлива и превратить ее в механическую;
5. Повысить мощность, передаваемую через основной вал двигателя СУ за счет существенного снижения сопротивления движению ОГ, не изменяя работу двигателя;
6. Существенно снизить себестоимость изготовления, а также повысить надежность эксплуатации СУ
за счет исключения из общей схемы двигателя необходимости применения мощных и громоздких штатных вентилятора, радиатора и генератора.