СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE POWER PLANT

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности, к турбопоршневым двигателям.
Известно, что при работе любого двигателя внутреннего сгорания фактически происходит неполное расширение продуктов сгорания, и при выпуске их из двигателя в атмосферу происходит потеря энергии, давление остается высоким, и создается большой шум, что требует применения глушителя, поглощающего около 30% энергии сгораемого топлива и рассеивающего тепло в окружающую среду.
В турбопоршневых двигателях (ТПД) газовой турбине отводится роль дополнительной расширительной машины, передающей утилизированную энергию выхлопных газов на выходной вал двигателя или на вал нагнетателя воздуха, используя тем самым поршневой двигатель как генератор рабочего тела (газа) для такой расширительной машины.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является турбопоршневой двигатель, содержащий поршневой двигатель-газогенератор и турбину (А.С. Орлин, М.Г. Круглов «Двигатели внутреннего сгорания», Системы поршневых и комбинированных двигателей, учеб. для вузов - 3-е изд., М. Машиностроение, 1985. 456 с.).
Благодаря расширению продуктов сгорания в силовой расширительной машине (СРМ) (газовой турбине) с совершением полезной работы, они используются более эффективно - для осуществления турбонаддува или увеличения мощности двигателя, что является отличительной особенностью и преимуществом турбопоршневых двигателей по сравнению с атмосферными двигателями внутреннего сгорания. Эффективность ТПД с наддувом выше, чем эффективность атмосферного ДВС и газотурбинного двигателя в отдельности.
Однако, из-за высокого давления сгорания в цилиндре ДВС, получаемого при высоком давлении наддува, увеличивается возможность разрушения двигателя с поршнями, шатунами, коленчатым валом. Поэтому применение двигателя в качестве эффективного генератора газов для наддувочного турбокомпрессора оказывается проблематичным и с целью предотвращения разрушения двигателя применяют перепускной клапан для перепуска сжатого воздуха на вход наддувочного компрессора при полных оборотах двигателя. Кроме того, комбинированные ТПД остаются тяжеловесными, с большим количеством деталей движения, и от такой комбинации эффект получается небольшой.
Основным недостатком известного ТПД является то, что массовый расход продуктов сгорания в объемном поршневом двигателе значительно меньше, чем требуется рабочего тела для лопаточной расширительной машины для ее работы с мощностью, равной мощности поршневого двигателя, даже при использовании наддува, поэтому получать в турбине мощность, близкую к мощности поршневого двигателя, не реально.
Задачей предлагаемого изобретения является создание силовой установки с поршневым двигателем-газогенератором и турбиной для получения в турбине дополнительной мощности, близкой к мощности поршневого газогенератора, путем увеличения массового расхода рабочего тела в турбине, а также для повышения мощности силовой установки и уменьшения температуры газов, уходящих в окружающую среду.
В результате применения предлагаемого изобретения происходит увеличение массы рабочего тела для силовой турбины за счет формирования из продуктов сгорания топлива и атмосферного воздуха потока газовоздушной смеси, которая используется для получения дополнительной механической энергии на выходном валу турбины. В предлагаемой силовой установке с поршневым двигателем-газогенератором и турбиной повышается мощность и обеспечивается уменьшение удельного расхода топлива и уменьшение температуры газов, уходящих в окружающую среду.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая силовая установка транспортного средства, включающая поршневой двигатель-газогенератор и турбину, отличающаяся тем, что содержит установленный на выхлопном тракте двигателя газовоздушный эжектор с камерой смешения и диффузором для увеличения давления и массы газовоздушной смеси, поступающей в турбину, турбина является расширительной машиной, работающей на газовоздушной смеси, вал турбины постоянно связан с выходным валом транспортного средства, а поршневой двигатель выполнен с возможностью подключения к выходному валу транспортного средства.
В предлагаемой силовой установке транспортного средства в сопло газовоздушного эжектора, установленного вместо глушителя на выпускном тракте поршневого двигателя, в качестве эжектирующего газа подаются выхлопные газы, которые, работая по закону Бернулли, создают в сужающемся сечении пониженное давление (разрежение), что вызывает подсос в зону разрежения эжектируемого газа - холодного атмосферного воздуха, который смешивается с горячими выхлопными газами, увеличивая общую массу газовоздушной смеси. Турбина работает на получаемой газовоздушной смеси с увеличенной массой и выдает дополнительную мощность. Струйные аппараты, использующие эжекционные струйные течения газов, позволяют интенсифицировать процессы теплообмена между средами с различным теплосодержанием. Энергия газовоздушной смеси включает в себя энергию выхлопных газов двигателя-газогенератора с учетом энергии, ранее рассеиваемой глушителем, и дополнительно потенциальную энергию присоединенной массы атмосферного воздуха. Суммарная энергия газовоздушной смеси используется для получения механической энергии на валу турбины, которая добавляется к механической энергии поршневого двигателя-газогенератора.
Тем самым, за счет создаваемого в эжекторе разрежения и присоединения дополнительной массы воздуха к рабочему телу турбины потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха становится дополнительным источником энергии в силовой установке.
Основой внедрения эжекционного процесса в энергетике стало научное открытие №314 (от 2.07.1951 г.) О.И. Кудрина, А.В. Квасникова, В.Н. Челомея: «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей». С тех пор во всех конструкциях двигателей в ракетной технике применяются струйные технологии. Данный эффект оказался полезен не только для создания дополнительной реактивной тяги, но и для использования его в эжекторном сопловом аппарате ГТД с целью получения дополнительной мощности.
Известен пример увеличения мощности ТПД без применения струйного эжектора, когда в авиационном поршневом двигателе ВД-4К конструктора Добрынина В.А. путем частичной утилизации была эффективно использована энергия выхлопных газов двигателя (Журнал «Двигатель», №5, 2002. С. 14-15). С помощью трех турбин, механически связанных с валом двигателя, часть энергии выхлопных газов передавалась на выходной вал двигателя. Это дало положительный эффект - за счет утилизации энергии выхлопа получена повышенная мощность (4300 л.с. вместо 2200 л.с.) и рекордная экономичность (160 г/л.с.ч.) двигателя, с которым самолет Ту-85 совершал сверхдальние полеты. Сверхдальние полеты за счет эффективного использования газоструйных эжекторов потребуются современным беспилотным летательным аппаратам, применяемым в сельском хозяйстве и других отраслях.
В силовой установке транспортного средства с поршневым газогенератором и турбиной в поршневом двигателе-газогенераторе получают механическую энергию, необходимую для вращения силового вала газогенератора, сжатия воздуха, а также для подачи продуктов сгорания под давлением в эжектор и силовую расширительную машину (газовую турбину). А в силовой газовой турбине получают дополнительную механическую энергию в процессе более полного расширения газовоздушной смеси из продуктов сгорания топлива и атмосферного воздуха.
Так как при высоком наддуве поршневого двигателя расширение продуктов сгорания внутри поршневого двигателя не может быть полным, то эффективное и полное расширение продуктов сгорания проходит не только внутри поршневого двигателя, но и во внешней расширительной машине, выполняющей роль силового агрегата. А поршневой двигатель, помимо основного назначения, служит в качестве генератора горячего газа высокого давления.
Процессы сжатия и расширения в комбинированном ТПД происходят в две стадии и в разных агрегатах: внешнее сжатие воздуха происходит в нагнетателе, внутреннее сжатие происходит в двигателе (газогенераторе). Затем (после сгорания топлива) происходит внутреннее расширение продуктов сгорания и совершение механической работы для привода вспомогательных механизмов, а также внешнее расширение продуктов сгорания в отдельной расширительной машине с совершением полезной механической работы. Цикл работы предлагаемой силовой установки с поршневым газогенератором, турбиной и эжектором позволяет получить высокое давление продуктов сгорания на входе в расширительную машину после эжектора.
В качестве СРМ в силовой установке транспортного средства применена машина лопаточного типа (газовая турбина). В зависимости от получаемого давления на выходе из газогенератора и необходимости расширения продуктов сгорания до давления окружающей среды она может быть и многоступенчатой. Выбор той или иной СРМ определяется требованиями по мощности, весу и габаритам, экономичности, экологичности, крутящему моменту на выходном валу силовой установки.
В предлагаемой силовой установке транспортного средства с турбиной расширение рабочего тела происходит в силовой расширительной машине, заменяющей глушитель.
В силовой установке транспортного средства с нагнетанием газовоздушной смеси в турбину поршневой двигатель-газогенератор и газовоздушный эжектор используются как агрегаты, заменяющие собой компрессор и камеру сгорания газотурбинного двигателя, но работающие по сравнению с ними более экономично.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема силовой установки транспортного средства.
Силовая установка транспортного средства состоит из поршневого двигателя-газогенератора 1, газовоздушного эжектора 2 с камерой смешения 3, диффузором 4 и заборником воздуха 5, силовой газовой турбины 6. Газовоздушный эжектор 2 с камерой смешения 3 и диффузором 4 установлен на выхлопном тракте поршневого двигателя.
Работает силовая установка транспортного средства следующим образом.
При использовании силовой установки транспортного средства в качестве силового привода транспортного средства (ТС) до начала движения ТС запускается двигатель-газогенератор 1, но при его малых оборотах холостого хода силовая турбина 6 не вращается.
Для начала движения ТС увеличивают обороты холостого хода двигателя-газогенератора 1 и выхлопные газы, проходя через сопло эжектора 2, создают разрежение и смешиваются с холодным атмосферным воздухом, поступающим через заборник воздуха 5. Полученная газовоздушная смесь с высокой кинетической энергией (скоростью) поступает в диффузор 4 эжектора, в котором кинетическая энергия смеси преобразуется в потенциальную энергию давления, и после прохождения диффузора 4 охлажденная смесь поступает в турбину 6. Под действием потенциальной энергии смеси на валу турбины 6 создается крутящий момент, который передается на колеса ТС, которые имеют постоянную кинематическую связь с валом турбины 6. Вращение турбины с большим крутящим моментом передается на колеса, и ТС быстро разгоняется до некоторой скорости (40-60 км/час для автомобиля; 5-10 км/час для трактора) за счет работы только турбины. Чем больше будут масса и энергия газовоздушной смеси, тем больше будет крутящий момент на валу турбины 6, и быстрее будет разгоняться транспортное средство. Для такого форсирования работы силовой установки необходимо увеличивать поступление в эжектор 2 выхлопных газов и воздуха из атмосферы путем увеличения оборотов холостого хода поршневого двигателя-газогенератора 1. Дальнейший разгон ТС происходит при подключении двигателя-газогенератора 1 к выходному валу ТС и осуществлении экономичного движения с двойным крутящим моментом: за счет момента двигателя и момента турбины, использующей энергию смеси выхлопных газов и воздуха из окружающей среды.
При наличии у силовой газовой турбины большого крутящего момента в начале раскрутки турбины и максимального момента при нулевой скорости (столовый момент), а также благоприятной нагрузочной характеристики, в транспортной силовой установке коробки передач или вариатора может не потребоваться. В то время как современные двигатели внутреннего сгорания имеют неэффективные скоростные характеристики, и при использовании на транспортных средствах требуется завышенная почти в три раза мощность, необходимая в основном только в период разгона транспортного средства, и многоступенчатая коробка передач. Поэтому применение силовой установки транспортного средства целесообразно.
Выбор кинематической схемы силовой установки транспортного средства определяется предназначением силовых установок и областью их применения.
Область применения силовых установок транспортного средства: привод движителя наземного, воздушного или водного транспортного средства, привод центробежного газового компрессора, генератора. При достижении эффективности работы силовых установок транспортного средства выше уровня современного поршневого ДВС сможет заменить в отдельных случаях поршневой двигатель.