СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
POWER PLANT

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым установкам на базе поршневых двигателей внутреннего сгорания, включающих системы утилизации теплоты отработанных газов. Недостатком таких систем является неполное использование энергии отработанных газов и отсутствие систем снижения вредных выбросов.
Известны силовые установки, использующие принцип компаундирования, при котором отработанные газы после турбины турбокомпрессора поступают в силовую турбину. Мощность, отбираемая этой турбиной у отработанных газов, возвращается коленчатому валу двигателя (пат. РФ №2067682).
Известны, также, силовые установки, использующие теплоту отработанных газов для работы двигателя, мощность которого используется для привода генератора, вырабатывающего электроэнергию (заявка США №20060260562).
Все перечисленные выше установки утилизируют теплоту отработанных газов, но не снижают вредных выбросов.
Изобретение позволяет использовать теплоту отработанных газов для получения водорода, добавление которого в топливо создает оптимальные условия для его сгорания. Это значительно снижает токсичность отработанных газов и повышает к.п.д. двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что силовая установка, содержащая поршневой двигатель внутреннего сгорания, далее ДВС, систему питания ДВС, двигатель внешнего подвода теплоты, далее ДВПТ, электрогенератор, взаимодействующий с ДВПТ и системы охлаждения ДВС и ДВПТ, теплообменники которых, далее TO1 и TO2 взаимодействуют с окружающей средой, согласно изобретению дополнительно снабжена тепловым аккумулятором, далее ТА, взаимодействующим с ДВС для утилизации неиспользованной теплоты и с ДВПТ для передачи необходимой для его работы теплоты, электролизером, получающим электроэнергию от электрогенератора и отдающим выработанный водород в систему питания ДВС, и блоком управления, взаимодействующим с системой питания ДВС, TA и ДВПТ.
В соответствии с другим аспектом изобретения TA выполнен в виде газохода, вход которого соединен с выхлопным коллектором ДВС, а выход с окружающей средой. Накопление теплоты осуществляется в зернистой массе, выполненной из материала, обладающего высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Проходящие по газоходу отработанные газы отдают теплоту испарительным частям тепловых труб, конденсаторы которых размещены в зернистой массе. От зернистой массы теплота поступает в теплоотводящий контур. Движение теплоносителя в теплоотводящем контуре противоточно отработанным газам. С помощью этого теплоносителя теплота передается ДВПТ. На выходе газохода температура отработанных газов 353 K.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения часть тепловых труб, в той области TA, где температура зернистой массы ниже 373K взаимодействует с охлаждающей жидкостью, выходящей из системы охлаждения ДВС. Далее охлаждающая жидкость поступает в TO1 системы охлаждения ДВС.
В соответствии со следующим аспектом изобретения ДВПТ выполнен в виде определенного числа соосно соединенных магнитотепловых двигателей, далее МТД. Каждый МТД выполнен в виде диска, по краю которого, образуя кольцо, расположен магнитный материал. Магнитные характеристики материала соответствуют области температур, в которой работает каждый МТД. Структура материала такова, что через него может прокачиваться жидкость или другая субстанция, обеспечивающая теплообмен магнитного материала с горячим и холодным теплообменниками. Одна треть кольца расположена в магнитном поле. Жидкость движется по замкнутому контуру с помощью насоса, проходя последовательно через горячий теплообменник, треть кольца, находящуюся в магнитном поле, холодный теплообменник, треть кольца, вне магнитного поля, и снова горячий теплообменник. Приемные части горячих теплообменников МТД соединены последовательно и через них проходит теплоноситель, выходящий из ТА. Внешние части холодных теплообменников МТД соединены с теплообменником TO2.
В соответствии со следующим аспектом изобретения блок управления включает в себя датчик контроля токсичности отработанных газов, установленный на выходе газохода ТА и датчики температуры, установленные в теплообменных контурах каждого МТД. В соответствии с информацией с датчика токсичности блок управления, взаимодействуя с системой питания ДВС, оптимизирует концентрацию сжигаемого водорода, минимизируя содержание вредных примесей в отработанных газах. По информации с датчиков температуры блок управления, воздействуя на приводы насосов в контурах теплообмена МТД, регулирует их работу в соответствии с количеством теплоты, поступающей от отработанных газов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями указаны одинаковые элементы на различных видах.
На фиг.1 дана принципиальная схема силовой установки, в которой энергия отработанных газов используется для снижения токсичности отработанных газов и повышения к.п.д. двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.2 - принципиальная схема ТА и ДВПТ.
На фиг.3 - принципиальная схема МТД.
На фиг.4 - термодинамический цикл МТД.
На фиг.5 - график зависимости изменения температуры теплоносителей по длине теплообменника 15.1 при работе одного МТД.
ут
ит
На фиг.6 - график зависимости К от К; 1 - один МТД, 2 - два МТД, 3 - три МТД, 4 - четыре МТД.
На фиг.7 - график зависимости изменения температуры теплоносителей по длине теплообменников 15.1 и 15.2 при работе двух МТД.
Силовая установка (фиг.1) содержит двигатель внутреннего сгорания 1 с системой питания 2, тепловой аккумулятор 3, газоход 4 которого соединен с выхлопным коллектором ДВС, двигатель 5 внешнего подвода теплоты (фиг.2), выполненный в виде определенного числа соосных последовательно соединенных магнитотепловых двигателей 6.1-б.n, электрогенератор 7, взаимодействующий с ДВПТ, и электролизер 8, выход которого соединен с системой питания ДВС, блок 9 управления, соединенный с системой питания ДВС, датчиком 10 контроля токсичности отработанных газов и взаимодействующий с ДВС и ДВПТ, теплообменник 11 охлаждения ДВС, соединенный с ДВС и взаимодействующий с окружающей средой, и теплообменник 12 охлаждения ДВПТ, соединенный с ДВПТ и взаимодействующий с окружающей средой.
Каждый МТД 6.1-6.n (фиг.3) выполнен в виде диска, по краю которого, образуя кольцо, расположен магнитный материал 13. Одна треть диска расположена в магнитном поле, создаваемом магнитной системой 14. Структура материала такова, что через него может прокачиваться жидкость или другая субстанция, обеспечивающая теплообмен между магнитным материалом, горячим теплообменником 15 и холодным теплообменником 16. С помощью насоса 17 жидкость движется по замкнутому контуру 18, нагревая магнитный материал 13 в магнитном поле и охлаждая его вне поля. Приемные части горячих теплообменников 16.1-16.n соединены последовательно и, с помощью трубопроводов 19 и 20, подключены к теплоотводящему контуру 21 TA. Движение теплоносителя по этому контуру осуществляется с помощью насоса 22. Отводящие части холодных теплообменников 16.1-16.n соединены с помощью трубопроводов 23 и 24 с теплообменником 12. Движение теплоносителя осуществляется с помощью насоса 25. Трубопровод 26 соединяет систему охлаждения ДВС с ТА, трубопровод 27 - TA с теплообменником 11, а трубопровод 28 - теплообменник 11 с ДВС.
Теплоаккумулирующая среда ТА выполнена в виде зернистой массы 29. В газоход 4 помещены испарительные части тепловых труб 30, а конденсаторы размещены в зернистой массе.
Блок 9 управления включает в себя датчик 10 контроля токсичности отработанных газов и датчики 31n и 32n температуры в теплообменных контурах каждого МТД и взаимодействует с приводами насосов 17.1-17.n.
Силовая установка работает следующим образом.
от
ог
ог
ог
ог
тн
ор
тн
ог
нап
тн
ог
нап
ог
вых
вых
вых
1
1
Отработанные газы ДВС, имеющие температуру Т, поступают в газоход 4 TA 3 и отдают теплоту аккумулирующей среде 29, охлаждаясь до температуры T  800. Температура аккумулирующей массы по длине газохода так же изменяется от температуры Т до температуры T  T  на выходе газохода 4. В той области TA, где температура аккумулирующей среды ниже 100°C, конденсаторы некоторой части тепловых труб омываются охлаждающей жидкостью, поступающей в TA из системы охлаждения ДВС. Далее теплота поступает в теплоотводящий контур 21. Теплоноситель, отводящий теплоту от TA, движется по этому контуру противоточно отработанным газам и изменяет свою температуру от T≈T до T ≈T. Предполагается, что перепад температур между отработанными газами и теплоносителем, отводящим теплоту (тепловой напор ΔT=T -T), по всей длине ТА меньше температуры отработанных газов (T<<T). В этом случае можно считать, что при стационарном режиме работы ДВС, ТА работает как идеальный противоточный теплообменник. Без учета потерь в окружающую среду уравнение теплового баланса имеет вид
ог
тн
ог
ог
ог
тн
тн
тн
вых
1
Q=Q или G(T-T )=G(T -T),
ог
где Q - тепловой поток, отданный отработанными газами,
тн
Q - тепловой поток, воспринятый теплоносителем, отводящим теплоту,
ог
ог
ог
G-m·c - полная теплоемкость массового расхода отработанных газов,
тн
тн
тн
G=m·c - полная теплоемкость массового расхода теплоносителя,
ог
тн
ог
тн
m, m, c, c - массовые расходы и удельные изобарные теплоемкости отработанных газов и теплоносителя.
п
ог
ог
ср
ог
ог
ср
ог
п
ит
вых
Полную мощность тепловых потерь, уносимых отработанными газами, можно оценить соотношением G=G(Т-Т), где T - температура окружающей среды. Если при  температуре уходящих отработанных газов T >T утилизируется лишь часть тепловых потерь, будем считать отношение G/Q коэффициентом использования теплоты K. Через значения температур
ит
ог
ог
ог
ср
вых
вых
K=T-T /T -T.
TH
тн
тн
ог
1
вых
По трубопроводу 19 теплоноситель поступает в ДВПТ 5, где проходит по последовательно соединенным приемным частям горячих теплообменников МТД 15.1-15.n. В этих теплообменниках теплоноситель передает поток теплоты Q. ДВТП, охлаждаясь от температуры T  до T~T . Далее по трубопроводу 20 теплоноситель возвращается в TA. Движение теплоносителя по замкнутому контуру обеспечивает насос 22.
Отвод теплоты от ДВПТ 5 осуществляется с помощью теплообменников 16.1-16.n, отводящие части которых с помощью трубопроводов 23, 24 соединены с теплообменником TO2 12.
c
h
h
h
c
e
h
h
c
Работа каждого МТД 6.1-6.n происходит следующим образом. Магнитный материал 13, имеющий температуру T (cold) и обладающий при этой температуре ферромагнитными свойствами, втягивается в магнитное поле, создаваемое магнитной системой 14. При этом совершается определенная положительная работа. В процессе движения в магнитном поле материалу сообщается некоторое количество теплоты, нагревающей его до температуры T (hot). Магнитные характеристики материала подобраны таким образом, что точка Кюри материала (T Curie) лежит ниже T. Это означает, что при T материал потерял ферромагнитные свойства и на его выход из магнитного поля, при дальнейшем движении, потребуется меньшая работа. Далее, находясь вне магнитного поля, материал охлаждается до температуры T и цикл завершается. Процессы намагничивания и размагничивания материала сопровождаются его магнитокалорическим нагревом ΔT и магнитокалорическим охлаждением ΔT. Если эти процессы проходят адиабатически, количество подводимой Q b отводимой Q теплоты определяются как
h
w
w
h
c
c
c
w
w
h
h
c
Q=m·c(T-(T+ΔT))     Q=m·c((T-ΔT)-T),
h
c
а работа, совершаемая МТД за цикл, как A=Q-Q или
w
w
h
c
w
w
A=m·c(ΔT-ΔT), где m и c - масса и теплоемкость материала соответственно.
c
cur
h
h
h
c
c
h
c
Термодинамический цикл, совершаемый магнитным материалом, показан на фиг.4. Предполагается, что температура Кюри магнитного материала лежит в диапазоне Т<T<T-ΔT и выполняется термодинамическое условие T/T+ΔT=ΔT/ΔT/.
h
c
c
h
c
c
h
c
c
c
h
h
c
c
h
h
w
f
w
f
Нагрев материала при H=H и его охлаждение при H=0 производится жидкостью, движущейся по замкнутому контуру. В точке, где материал перед выходом из магнитного поля имеет температуру T, жидкость при той же температуре поступает в колесо и движется в нем навстречу его движению. Происходит обмен теплом и в точке, где материал уже вошел в магнитное поле и магнитокалорически нагрелся до температуры T+ΔT жидкость выходит из колеса, имея туже температуру. Жидкость отдала теплоту Q. Магнитный материал, находящийся в магнитном поле, получил эту теплоту и нагрелся от температуры T+ΔT до температуры T. Далее жидкость поступает в теплообменник 16, где она охлаждается до T (на ΔT) и с этой температурой поступает в колесо, которое имеет ту же температуру T. Снова происходит теплообмен между колесом и движущейся навстречу ему жидкостью, при котором жидкость нагревается до T-ΔT. Магнитный материал возвращает жидкости теплоту Q и охлаждается до температуры T, находясь вне магнитного поля. Для завершения цикла жидкость выходит из колеса и нагревается в теплообменнике 15 до температуры T (на ΔT). Условия теплового равновесия требуют, чтобы полные теплоемкости массового расхода материала и жидкости, совершающих цикл были равны, т.е.  где m, m, c, c соответственно массы материала и жидкости, проходящие за один оборот (цикл) и их удельные теплоемкости. За один цикл машина совершает работу
w
w
h
w
w
c
w
w
h
c
A=m·c·ΔT-m·c·ΔT=m·c(ΔT-ΔT).
Для КПД с учетом того, что  имеем
сек
или, разделив A и Q на длительность цикла T.
, где P - мощность МТД.
Если ДВПТ выполнен в виде одного МТД, имеется один теплообменник 15.1. Уравнение теплового баланса для него запишется в виде
откуда
ог
с
ср
h
f
тн
тн
f
h
Примем для оценки T=800°C,  и T=T=30°C. Магнитокалорический эффект для наиболее магнитоактивных материалов при реальных напряженностях магнитного поля ΔT~10°C. Отсюда следует, что полная теплоемкость массового расхода жидкости, обеспечивающей теплообмен в МТД G, должна в десятки раз превышать G. Графики изменения температур T и T, по длине теплообменника 15.1 для этого случая показаны на фиг.5. Видно, что температура Т, до которой происходит нагрев магнитного материала, достигает лишь 90°C. В этом случае
ут
Определим коэффициент утилизации теплоты К как отношение суммы мощностей всех МТД, входящих в ДВПТ, к полной мощности тепловых потерь, уносимых отработанными газами .
Для одного МТД
ут
ит
ут
ит
тн
На фиг.6 показана зависимость К от величины К. Видно, что максимальное значение К≈0.31 достигается при К≈0.65. При этом температура уходящих отработанных газов  Т≈300°C и, следовательно, КПД≈0.47.
Если ДВПТ выполнен в виде двух МТД, уравнения теплового баланса для теплообменников 15.1 и 15.2 имеют вид
тн
f
f
ут
h
h
ут
ит
График изменения температур T, T', T'' показан на фиг.7 Оценка К, проведенная для двух МТД, в предположении, что  и ΔT'=ΔT'', приведена на фиг.6 (кривая 2). Максимальное значение К≈0.38 достигается при К≈0.8 и .
ут
ит
ут
ит
Результаты расчета для трех и четырех МТД, в тех же предположениях, показаны на фиг.6. Заметно возрастание К и увеличение К, т.е. снижение температуры . Для четырех МТД К≈0.43, К≈0.9 и
N
Приведенные оценки сделаны в предположении, что все теплообменники имеют бесконечно большую площадь теплообмена. Для расчета реальной площади теплообмена каждого теплообменника помимо уравнения теплового баланса потребуется уравнение теплопередачи  где F - площадь теплообменника, α - средний по площади ТО коэффициент теплопередачи, ΔT - средний по площади тепловой напор. Если принять эффективность каждого теплообменника ε≈0.95, то термический  для ДВПТ из четырех МТД составит
.
ТА
15
16
МТД
где ε, ε, ε - эффективность соответствующих теплообменников, ε - эффективность теплообмена магнитного материала с жидкостью в МТД.
Механические энергии, выработанные каждым МТД, суммируются на общем валу, который приводит во вращение электрогенератор 7, электрическая энергия поступает в гидролизер 8. Полученный на выходе гидролизера 8 водород направляется в систему питания 2 ДВС.
Информация о содержании вредных примесей в отработанных газах поступает с датчика 10 в блок управления 9. Блок управления, взаимодействуя с системой питания 2 ДВС, оптимизирует концентрацию сжигаемого водорода, что позволяет с высокой эффективностью минимизировать содержание CO, CH и NO в отработанных газах. Блок управления дополнительно соединен с датчиками 32.n, 33.n температуры, которые установлены в каждом МТД. На основании этой информации блок управления регулирует скорость движения теплоносителей в МТД, воздействуя на приводы насосов 17.n. Это позволяет оптимизировать взаимодействие магнитотепловых двигателей с ТА.
Приведенная конструкция силовой установки использует бензино-водородную систему питания. Это позволяет оптимизировать процесс сгорания топлива, что приводит к увеличению КПД двигателя и значительному снижению вредных примесей в отработанных газах. Для получения необходимого водорода используется тепловая энергия отработанных газов, что повышает общий КПД силовой установки и позволяет отказаться от небезопасного хранения запаса водорода.
Изобретение может быть использовано в качестве двигателя многих транспортных средств и в качестве привода других энергетических систем для повышения их экологических и экономических характеристик.