СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Заявляемая полезная модель относится к транспортному машиностроению, а именно к силовым установкам транспортных средств, позволяющим повысить мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известна паробензиновая силовая установка «Турбостимер», разработанная инженерами БМВ (Журнал «За рулем» №2 2006 г. Стр.210), использующая бесполезно теряемое тепло в радиаторе и выпускном коллекторе автомобиля и позволяющая повысить мощность двигателя внутреннего сгорания на 10 кВт, сэкономить топливо на 15%. Данная установка имеет два замкнутых контура, по которым циркулирует жидкий теплоноситель, разогретый до температуры парообразования. Высокотемпературный парогенератор, отбирает 80% тепла от выпускного тракта сразу за нейтрализатором. Пар поступает в аксиально-поршневую машину, соединенную с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. На выходе пар проходит дополнительные низкотемпературные теплообменники, отбирающие тепло от системы охлаждения двигателя и от выпускного тракта за резонатором, и поступает в низкотемпературную паровую машину, которая также подкручивает вал двигателя внутреннего сгорания. Однако в известном решении используется закрытый цикл парообразования, тепло выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания используется не в полной мере и недостаточно обеспечивается экономия топлива и повышение мощности двигателя.
Разработанная силовая установка транспортного средства (получен патент RU на полезную модель №73279, автор и патентообладатель Курбаков А.А.) повышает мощность двигателя внутреннего сгорания, уменьшает расхода топлива, снижает токсичность выхлопных газов за счет того, что установка имеет паровой контур открытого типа, включающий парогенератор, установленный на выхлопной коллектор и выхлопную трубу двигателя внутреннего сгорания, паро-поршневой двигатель и/или паровую турбину, соединенные с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, паровые турбины, смонтированные на навесное оборудование транспортного средства такое, как дополнительная независимая турбина наддува, газотурбина, колеса в паре с электромоторами, генератор для выработки электрической энергии, стартер-электромотор. Также паровой контур включает радиатор-охладитель, бак с парообразующей жидкостью, паронагнетатель в блоке с паровой турбиной, а на парогенератор устанавливается более мощный дополнительный съемный парогенератор.
Однако данная силовая установка не в полной мере исчерпывает возможности по экономии топлива, увеличению мощности двигателя внутреннего сгорания.
Предлагаемая силовая установка транспортного средства решает задачу использования даровой энергии выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания. Технический результат, проявляющийся при использовании предлагаемой установки, заключается в повышении мощности двигателя внутреннего сгорания, уменьшении расхода топлива.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая силовая установка транспортного средства содержит включенные в паровой контур открытого типа, парогенератор, установленный на выхлопной коллектор и выхлопную трубу двигателя внутреннего сгорания, паро-поршневой двигатель и/или паровую турбину, соединенные с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, паровые турбины, смонтированные на навесное оборудование транспортного средства такое, как дополнительная независимая турбина наддува, основная газотурбина, колеса в паре с электромоторами, генератор для выработки электрической энергии, стартер-электромотор, пневмокомпрессор, гидронасос, водяной насос, турбокомпрессор. Также в паровой контур включен радиатор-охладитель, бак с парообразующей жидкостью, дополнительный парогенератор, подсоединяемый к основному парогенератору, паронагнетатель в блоке с паровой турбиной. Установка дополнительно включает газотурбины с регулируемыми заслонками потока выхлопных газов, соединенные с навесным оборудованием транспортного средства, и/или с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания наряду с паро-поршневым двигателем и/или паровой турбиной. Также установка снабжена съемными кассетами с загрузочной шахтой для твердого топлива, устанавливаемыми в дополнительный парогенератор и/или на выхлопную трубу коллектора; дополнительным генератором с приводом от картерных газов; газотурбинными лопатками, устанавливаемыми на маховик коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
Парогенератор имеет аварийный клапан для обеспечения работы открытого цикла парообразования. Бак имеет дренажный трубопровод для отвода пара в выхлопную трубу.
На дополнительный парогенератор, выполняемый съемным, установлены форсунка-распылитель с топливопроводом, смонтированным в корпусе воздухоподачи, запальная свеча.
Для большей экономии топлива, для достижения высоких экологических стандартов и повышения мощностных характеристик двигателя внутреннего сгорания во всасывающий коллектор двигателя внутреннего сгорания подведен патрубок подачи пара. Также от трубопровода парового контура отведены патрубки для подачи пара к
другому дополнительному оборудованию транспортного средства, например к кондиционеру, холодильнику.
Для повышения технических характеристик установки используется также энергия ветра. Так выхлопная труба на выходе соединена с лопастным глушителем-генератором, а перед радиатором, в нижней части бампера, в антикрылья транспортного средства вмонтированы воздушно-лопастные генераторы.
Получить большую отдачу от даровой тепловой энергии предназначены газотурбины, установленные на выхлопную трубу двигателя внутреннего сгорания и снабженные регулируемыми заслонками потока выхлопных газов или механической регулировкой крыльчатки.
Для еще большего использования даровой энергии выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания на моховик коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания устанавливаются газотурбинные лопатки.
Кассета с загрузочной шахтой для твердого топлива выполнена съемной, сменной, многоразового использования, причем кассета, установленная в дополнительном парогенераторе, имеет дополнительный источник нагрева - электрическую спираль.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показана схема силовой установки транспортного средства с включенным в паровой контур открытого типа оборудованием.
На фиг.2 показан фрагмент схемы силовой установки транспортного средства с установленным дополнительным парогенератором и воздушно-лопастным генератором.
На фиг.3 показан вид сбоку на глушитель-генератор.
На фиг.4 показан фрагмент схемы силовой установки транспортного средства с установленными газотурбинами с регулируемыми заслонками и с механической регулировкой крыльчатки.
На фиг.5 показана газовая турбина с регулируемыми заслонками.
На фиг.6 показан фрагмент схемы силовой установки с газотурбинами, установленными на выхлопную трубу, на коленчатый вал ДВС с маховиком с газотурбинными лопатками.
На фиг.7 показан маховик коленчатого вала с газотурбинными лопатками.
На фиг.8 показана съемная кассета для твердого топлива, установленная в дополнительный парогенератор.
На фиг.9 показана съемная кассета для твердого топлива, установленная на выхлопную (выходную) трубу коллектора.
На фиг.10, 10а показан вид сверху на кассету с шахтой для твердого топлива, установленную на выхлопную трубу коллектора.
На фиг.11 показано размещение регулируемой заслонки в патрубке корпуса газотурбины.
Устройство силовой установки транспортного средства следующее:
Парогенератор 1 представляет собой кожух (рубашку), вваренный на выхлопной коллектор 2 и выхлопную трубу 3 двигателя внутреннего сгорания, и имеет аварийный клапан 4. Причем парогенератор 1 может быть выполнен составным, например, из двух частей, соединенных патрубком 5.(фиг.1, 2).
Паро-поршневой двигатель 6 и/или паровая турбина 7 установлены на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Причем паро-поршневой двигатель 6 и паровая турбина 7 соединены с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания через муфту-редуктор 8. Паровые турбины 7 служат вспомогательными механизмами для всех типов двигателя внутреннего сгорания, независимым приводом навесного оборудования транспортного средства и монтируются также на дополнительную независимую турбину наддува 9, колеса транспортного средства в паре с электромоторами 10, генератор 11 для выработки электрической энергии, комплексно к стартеру-электромотору 12, газотурбине 13 и паронагнетателю 14. Паровые турбины 7 могут быть любых типов конструкции: от одноступенчатых до многоступенчатых в зависимости от потребностей двигателя внутреннего сгорания, в том числе гибридных транспортных средств.
Бак 15 для парообразующей жидкости 16 имеет заливную горловину 17, трубопровод 18 для возврата пара в парогенератор 1 через паронагнетатель 14, дренажный трубопровод 19. От бака 15 к парогенератору 1 подведен топливопровод 20 с насосами 21.
Паровые турбины 7 и/или паропоршневой двигатель 6 соединены с парогенератором 1 посредством трубопровода 22 для подвода пара через электромагнитные клапаны 23 и с радиатором-охладителем 24 посредством трубопровода 25 с обратными клапанами 26. Радиатор-охладитель 24, в свою очередь, соединен трубопроводом 27 с баком 15.
Вал лопастей 28 глушителя-генератора 29, размещенного на выходе выхлопной трубы 3, с возможностью установки понижающего редуктора, соединен в единый блок с генератором 11. Перед радиатором, в нижней части бампера, в антикрыльях транспортного средства могут быть смонтированы воздушно-лопастные генераторы 30.
К парогенератору 1 подсоединяется более мощный дополнительный парогенератор 31 штуцером 32 выхода пара и через выхлопной патрубок 33 фланцем 41. В случае
демонтажа парогенератора 31 на штуцер 32 и выхлопной патрубок 33 ставятся заглушки. На парогенераторе 31 установлена форсунка-распылитель 34 с топливопроводом 35, смонтированным в корпусе 36 для подачи воздуха в камеру сгорания, запальная свеча 37. Установлены заслонки 38 на выходе из парогенератора 31 в выхлопную трубу 3 и в корпусе 36 воздухоподачи. Также, как к парогенератору 1, к дополнительному парогенератору 31 подведен топливопровод 20 для подачи парообразующей жидкости 16 через форсунки 40.
Парогенератор 1 и трубопроводы 22 могут быть снабжены патрубками 39 для отвода пара к другому дополнительному оборудованию, например кондиционеру, холодильнику.
Газотурбины 42, 43, 13, установленные на выхлопную трубу 3, выполнены с регулируемыми оборотами: газотурбины 42, 13 с регулируемыми заслонками 38 потока выхлопных газов и газотурбины 43 с механической регулировкой крыльчатки, как показано на фиг.4, 5, 6, 11. Газотурбина 42 соединена с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания через муфту 44. В зависимости от потребностей устанавливается одно, двух, многосекционная или многоступенчатая газотурбины.
Для более полного использования даровой энергии двигателя внутреннего сгорания устанавливается на патрубок 45 вентиляции картерных газов дополнительный генератор 11 с приводом 46 по принципу счетчика жидкости.
В дополнительный парогенератор 31 устанавливается вертикально или горизонтально (фиг.8) с торцевой стороны съемная, сменная и многоразового использования кассета 47 с загрузочной шахтой 48 для твердого топлива, в которую вмонтирована электрическая спираль 49 (тэн). Аналогичная (фиг.9. 10, 10а) съемная, сменная и многоразовая кассета 47 вертикально устанавливается на выхлопную трубу 3 коллектора 2. В съемной кассете 47 имеется шахта загрузки 48, патрубок 50 подачи кислорода и выходной патрубок 51 отвода горючих газов в впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания или в впускной коллектор дополнительного двигателя малого объема, работающего на горючих газах в паре с ДВС. Возможны варианты, где горючий (летучий) газ из кассеты 47 эффективнее использовать в топливных элементах для получения электрической энергии, применяемой на гибридных автомобилях.
Предусмотрена установка на выхлопную трубу 3 змеевика-теплообменника 52, как на источник тепловой энергии для автохолодильников и кондиционеров.
Работает установка следующим образом.
При нагреве коллектора 2 двигателя внутреннего сгорания на парогенератор 1 через форсунки 40 по топливопроводу 20 насосами 21 из бака 15 подается
парообразующая жидкость 16. Из парогенератора 1 по трубопроводу 22 через электромагнитные клапаны 23 подается пар, который приводит в действие паропоршневую машину 6 и/или паровую турбину 7, которые, в свою очередь, начинают подкручивать коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Также, по желанию водителя транспортного средства или автоматически, по трубопроводу 22 через клапаны 23 пар подается на паровые турбины 7, установленные в паре с дополнительной турбиной наддува 9 и с основной газотурбиной 13. Тем самым исключается такое негативное явление, как турбояма. Аналогично пар подается на паровые турбины 7, установленные в едином блоке со стартер - электромотором 12, с генератором 11, с колесными электромоторами 10. Отработанный пар через обратный клапан 26 по трубопроводу 25 поступает в радиатор-охладитель 24. Из радиатора-охладителя 24 охлажденный пар в жидком виде по трубопроводу 27 поступает в бак 15 и процесс повторяется. При большом скоплении пара в баке 15 пар по трубопроводу 18 поступает в паронагнетатель 14 через электромагнитный клапан 23. Пар возвращается в парогенератор 1. Излишки отработанного пара из бака 15 по дренажному трубопроводу 19 через клапан 23 поступают в выхлопную трубу 3, распыляются с выхлопными газами, тем самым, решая экологические нормы стандарта Евро 5. Для большей экономии топлива, высоких экологических стандартов и повышения мощностных характеристик двигателя внутреннего сгорания во всасывающий коллектор или в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания по патрубку 39 через клапан 23 и одну или более форсунок 40 подается пар.
Газотурбина 42 или 43 позволяет без использования понижающих редукторов дозировать выхлопные газы и тем самым регулировать обороты навесного оборудования, смонтированного на вал крыльчатки газотурбины 42 или 43. Работа заслонок 38 регулировки оборотов газотурбины 42 может осуществляться механически или автоматически от гидравлического, электрического или пневматического органа управления оборудованием. Монтаж навесного оборудования на газотурбину 42 или 43 возможен с двух сторон вала крыльчатки.
Возможна дополнительная функция работы газотурбины 42 с регулируемой заслонкой 38 (фиг.5). При экстренном торможении или торможении двигателем заслонка 38 перекрывает газотурбину 42, глушит двигатель и перекрывает выход выхлопным газам.
Использование в корпусе газотурбины 13 заслонки 38 в патрубке 53 входа подачи выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в турбокомпрессор (фиг.11) позволяет преодолеть такое негативное явление как турбояма и отказаться от установки дополнительного турбокомпрессора (битурбо) и применения изменяемой геометрии
лопастей (лопатки) турбины. В работе двигателя на малых оборотах крыльчатка турбины также вращается на малых оборотах из-за малого объема выхлопных газов на входе в (улитку) корпуса турбины, соответственно уменьшая зазор и объем между турбиной и регулировочной заслонкой, повышается напор выхлопных газов, крыльчатка турбины вращается быстрее, нагнетание воздуха в двигатель и разгонная динамика повышается. Регулировать увеличение оборотов турбины на малых и больших оборотах двигателя можно механически, подпружинив заслонку или автоматически.
На маховик 54 коленчатого вала устанавливаются газотурбинные лопатки 55 (фиг.6, 7) вместо зубчатого обода (венец). Зубчатый венец 56 и крепление стартера 57 монтируется с торцевой части маховика 54. Измененная конструкция маховика двигателя позволяет использовать маховик 54, как дополнительную газотурбину, которая в паре с газотурбиной 42, установленной в передней части ДВС, будет подкручивать двигатель выхлопными газами, тем самым повышая мощность ДВС и КПД. Для экономии топлива привод вентилятора 58 охлаждения радиатора осуществляется от газотурбины 42 через муфту 44, соединенную с коленчатым валом ДВС.
Глушитель-генератор 29, как и воздушно-лопастные генераторы 30, используют энергию ветра. При работе двигателя внутреннего сгорания на холостых оборотах, выхлопные газы вращают вал лопастей 28 глушителя-генератора 29, соединенного в единый блок с генератором 11. В режиме движения под днищем транспортного средства встречный поток воздуха с еще большей скоростью вращает лопасти 28 глушителя-генератора 29, тем самым создается разряжение в выхлопной системе, что положительно сказывается на работе двигателя внутреннего сгорания при средних оборотах. Также, при движении от потока встречного ветра работают воздушно-лопастные генераторы 30.
Одновременную эксплуатацию всего оборудования обеспечивает мощный дополнительный парогенератор 31, подсоединяемый к парогенератору 1 через выхлопной патрубок 33, фланец 41 и штуцер 32 выхода пара. Парогенератор 1 в данном случае удобнее изготавливать составным. В случае демонтажа парогенератора 31 на патрубок 33 и штуцер 32 ставятся заглушки. Выхлопные газы из парогенератора 31 нагревают основной парогенератор 1, тем самым, получая большую теплоотдачу и большее парообразование. Парогенератор 31 работает практически на любом топливе в комплексе с двигателем внутреннего сгорания или автономно от него. Данная конструкция парогенератора 31 позволяет использовать пар из патрубков 39 для работы кондиционеров и холодильников вместо бортовой энерго-системы, что также положительно отразится на КПД и экономии топлива двигателя внутреннего сгорания.
Возможна работа парогенератора 31 в закрытом цикле с аксильно-поршневой машиной, генератором или параллельно с открытым циклом системы парообразования.
Сменная кассета 47 с загрузочной шахтой 48 для твердого топлива, установленная в дополнительном парогенераторе 31, работает от двух источников нагрева: в камере сгорания при работе парогенератора 31 и от электрической спирали 49 (тэна), вмонтированной в кассету, или одновременно от двух нагревателей. Во время работы парогенератора 31 кассета 47 нагревается, твердое топливо при тлении и сгорании выделяет горючие газы, которые через патрубок 51 по трубопроводу поступают во всасывающий коллектор двигателя внутреннего сгорания и служат дополнительным источником топлива для работы двигателя внутреннего сгорания. В случае остановки ДВС горючие газы через электромагнитный клапан 23 поступают в дренаж или закачиваются в емкость для дальнейшего использования. Аналогично, процесс нагрева и сгорания твердого топлива в съемной кассете 47 происходит от выхлопной трубы 3 коллектора 2 ДВС, где температура нагрева колеблется от 400 до 800С.
Использование съемных кассет 47 позволяет при тлении и горении твердого топлива получать смесь метана с водородом из сырья, в котором содержится достаточное количество углерода. При работе ДВС труба 3 выхлопного коллектора 2, соприкасаясь с кассетой 47, нагревается до 800С, а молекулярные связи твердого топлива разрушаются. В результате образуется смесь углерода (угарного газа) и водорода (синтез газа), эти компоненты могут служить основой получения метанола, топливного этанола или для питания топливных элементов.
Применение разработанной силовой установки в комплексе с двигателем внутреннего сгорания позволяет использовать тепло отходящих газов при максимальных температурах, повышает КПД двигателя внутреннего сгорания, дает экономию топлива от 20% и прибавку к мощности двигателя не менее 30%, а экологические нормы соответствуют стандартам Евро-5, обеспечивает работу ДВС в автономном режиме на газообразном топливе.