СИЛОВАЯ УСТАНОВКА МОБИЛЬНОЙ МАШИНЫ
POWER PLANT OF MOBILE MACHINE

Предложение относится к силовым установкам мобильных машин с паросиловым или комбинированным двигателем, предназначенным преимущественно для движения в динамическом режиме с постоянными ускорениями и торможениями, например для движения в городском цикле, в том числе и к силовым установкам, дополнительно снабженным помимо устройства горения топлива и тепловым аккумулятором.
Широко известны мобильные машины ДВС, которые энергию движения, накопленную автомобилем до момента торможения, запасают при торможении в механических (маховиках) или электрических аккумуляторах с возможностью ее последующего использования при разгоне автомобиля. При этом экономится существенная часть топлива и топливная экономичность таких мобильных машин при движении, например, в городских условиях существенно возрастает. Недостатком такого технического решения является как сложность аккумулирования обычно высокой энергии торможения (особенно для тяжелых машин) в механических и электрических аккумуляторах, так и последующей передачи накопленной энергии в энергию движения при разгоне мобильной машины.
С другой стороны известны мобильные машины с паросиловой или комбинированной силовыми установками, в которых возможна принципиально более эффективная реализация процесса накопления энергии торможения из-за большой энергоаккумулирующей способности рабочего тела (обычно воды) силовой установки.
Например, известны силовые установки, содержащие паровой двигатель, преобразующий энергию сгорающего топлива или тепловую энергию теплового аккумулятора тепла в тепловую энергию пара с последующим получением механической энергии, передаваемой на трансмиссию мобильной машины, см., например, а.с. СССР 1010304, F02G, F01K 3/10.
Известна также комбинированная силовая установка, содержащая основной двигатель, например дизель, работающий совместно с паровым двигателем, использующим энергию выхлопных газов основного дизельного двигателя, см., например, а.с. СССР 1656951, F02G 5/02, F01K 23/06 от 26.04.89 г.
Общим недостатком указанных технических решений (прототипа) является то, что кинетическая энергия мобильной машины при ее торможении рассеивается в окружающую среду и не используется, например, для аккумулирования и последующего разгона.
Целью данного предложения является создание высокоэффективной силовой установки (паровой или комбинированной), использующей возможность накопления энергии торможения мобильной машины непосредственно в рабочем теле (например, воде-конденсате) с последующим преобразованием запасенной в рабочем теле тепловой энергии, причем через посредство основного парового двигателя мобильной машины, т.е. без использования каких-либо дополнительных устройств передачи энергии на движитель мобильной машины.
Данная задача решается тем, что в силовой установке мобильной машины, содержащей по меньшей мере передающий трансмиссии машины механическую энергию паровой двигатель с парогенерирующим устройством преобразования тепловой энергии сгорающего топлива в энергию, поступающего в паровой двигатель пара:
- трансмиссия мобильной машины снабжена управляемым электрогенерирующим тормозным устройством, по электричеству подключенным к по меньшей мере одному электронагревателю, включенному в парогенерирующее устройство, выполненное с возможностью преимущественного аккумулирования тепловой энергии непосредственно в рабочем теле - конденсате до момента его испарения, по величине эквивалентной энергии движения мобильной машины к моменту ее торможения электрогенерирующим тормозным устройством при движении мобильной машины в заданных условиях, например, при максимальной допустимой скорости в городском режиме движения;
- подвод тепла к парогенерирующему устройству выполнен от топливной регулируемой горелки в случае параллельного использования ДВС и от выхлопа этого двигателя, а также и от электронагревателя тормозного устройства, причем последовательность включения указанных источников тепла к парогенерирующему устройству выбрана из условия получения максимальной температуры пара и давления на входе в паровой двигатель при минимальных потерях тепла с отходящими выхлопными газами;
- по меньшей мере один электронагреватель, расположенный в разогреваемом от теплового топливного источника порогенерирующем устройстве, установлен в дополнительном канале-теплоаккумуляторе конденсата, выполненном с рабочим объемом конденсата и давлением, обеспечивающим возможность восприятия энергии торможения мобильной машины, причем канал-теплоаккумулятор сообщен через устройство дозирования и преобразования перегретого конденсата в пар и устройство последующего перегрева этого пара по меньшей мере электронагревателем при его входе к рабочим органам парового двигателя, например, объемного типа;
- по меньшей мере один электронагреватель тормозного устройства подключен к парогенерирующему устройству через посредство электрического аккумулятора (относительно небольшой энергоемкости, существенно меньшей энергии торможения мобильной машины), причем этот электронагреватель установлен в канал перегрева пара, непосредственно поступающего в паровой двигатель;
- на выходе пара из парового двигателя установлена дополнительная ступень расширения пара, например, в виде роторной объемной машины или конденсатной турбины, приводящей дополнительный электрогенератор, подключенный к внешним потребителям электроэнергии и через систему управления парового двигателя к электронагревателям парогенерирующего устройства, а блок распределения электрической энергии выполнен реализующим алгоритмы минимизации затрат топлива при движении мобильной машины или улучшения ее динамических характеристик;
- паровой двигатель выполнен реверсивным, с возможностью его свободного вращения в процессе торможения его вала электрогенерирующим тормозным устройством, а при совместном использовании парового двигателя с ДВС их валы кинематически сообщены между собой с возможностью кинематического разрыва их связи и возможностью однонаправленного вращения вала ДВС при реверсировании парового двигателя, например, посредством коробки передач и управляемого сцепления;
- парогенерирующее устройство выполнено состоящим из последовательно гидравлически подключенных элементов: насоса подачи конденсата, нагревателей конденсата (последовательно повышающих его температуру), дополнительного канала-теплоаккумулятора с конденсатом под давлением, по теплу сообщенным как с топливным источником тепла, так и электронагревателем электрогенерирующего тормозного устройства, регулируемого устройства-задатчика расхода и мощности парового двигателя, а также сообщенного с электронагревателем тормозного устройства пароперегревателя, выход которого подключен к входу в рабочие органы парового двигателя;
- топливный источник тепла и электронагреватели тормозного устройства связаны между собой блоком управления, поддерживающим в первую очередь - температуру пара на входе в паровой двигатель, преимущественно за счет электронагревателя; во вторую очередь - температуру конденсата в канале-теплоаккумуляторе за счет электронагревателей тормозного устройства, а при их недостаточности за счет подключения топливного источника тепла; в третью очередь - температуру конденсата в парогенераторе до его входа в канал-теплоаккумулятор;
- пароперегреватель с электронагревателем расположен непосредственно в рабочей камере парового двигателя, выполненного объемного типа;
- управляемое электрогенерирующее тормозное устройством выполнено с возможностью его работы в режиме электродвигателя.
На фиг.1 дан пример реализации предложенного технического решения для более сложного случая - силовой установки с комбинированным ДВС - паровым двигателем мобильной машины, а на фиг.2 - пример выполнения узла подачи конденсата и его перегрева непосредственно в рабочем цилиндре парового двигателя при его выполнении в виде объемной машины.
Силовая установка мобильной машины (на чертеже не показана) содержит по меньшей мере передающий трансмиссии машины через выходные валы коробки передач (или раздаточной комбинированной) 1 механическую энергию парового двигателя 2, кинематически через сцепление 3 связанного ДВС, например, дизельного типа 4. Парогенерирующее устройство преобразования тепловой энергии сгорающего топлива в энергию пара, поступающего в паровой двигатель последовательно по ходу движения и нагрева рабочего тела, содержит: конденсатный насос 5, в данном примере реализации выполняющий и функцию управляемого, например по давлению, объемного насоса дозатора конденсата; подогревателя конденсата 6 (преимущественно в виде трубки Ранка с подводом тепла к конденсату по ее наружному диаметру) посредством отводимого от ДВС по каналам 7 тепла охлаждающей подводимой тангенциально жидкости; подогревателя 8 и основного нагревателя 9, передающих конденсату тепло отходящих от сжигания топлива в горелке 10 выхлопных газов ДВС 4 (горелка 10 используется и для дожигания компонентов выхлопных газов двигателя 4) и газов от сжигания топлива в горелке 11 - нагревателя конденсата в канале-теплоаккумуляторе 12. Выходной трубопровод 13 с наибольшей температурой конденсата в данном примере реализации подключен к дросселирующему управляемому устройству 14, задающему, например, через педаль «газа» водителя скорость (мощность) мобильной машины. Конденсат по выходе из устройства 14 преобразуется в пар, который перегревается в пароперегревателе 15 перед входом в паровой двигатель 2.
Преимущественно указанный перегрев пара осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой электрогенерирующим, управляемым через посредство педали торможения водителя (не показана) тормозным устройством 16, кинематически связанным с трансмиссией, например, через посредство парового двигателя 2 и коробки передач 1.
Электрогенерирующее тормозное устройство 16 по электричеству подключено к по меньшей мере одному электронагревателю 17, включенному в парогенерирующее устройство, например, в канал-теплоаккумулятор 12, выполненный с возможностью преимущественного аккумулирования тепловой энергии непосредственно в рабочем теле - конденсате до момента его испарения, параметры которого по температуре и давлению выбраны из условия обеспечения запасания тепловой энергии по величине, эквивалентной энергии движения мобильной машины к моменту ее торможения электрогенерирующим тормозным устройством при ее движении в заданных условиях, например, при максимальной допустимой скорости в городском режиме движения. В том случае, если канал-теплоаккумулятор 12 сообщен с основным нагревателем 9 без установки в линию их связи обратного клапана 18, то тепловое аккумулирование энергии торможения осуществляется и конденсатом в основном нагревателе 9.
Нагрев основного нагревателя 9 от энергии торможения может осуществляться и дополнительным электронагревателем, например, 19.
Подвод тепла к парогенерирующему устройству также выполнен и от топливной регулируемой горелки 10, а в случае параллельного использования ДВС 4 и от выхлопа этого двигателя. Перегрев пара на входе в паровой двигатель осуществляется в пароперегревателе 15 посредством электронагревателя 20 преимущественно за счет энергии торможения.
Потоки тепловой энергии, управление насосом 5, горелками 10, 11, рабочим объемом парового двигателя 2 и другими устройствами осуществляется, например, от блока управления 21, подключенного по меньшей мере к датчикам давления и температуры, датчику и задатчику скорости (или мощности), реализуемой силовой установкой мобильной машины.
Последовательность включения и алгоритм управления потоками вырабатываемой указанными выше источниками тепловой энергии, подводимой к парогенерирующему устройству, предпочтительно выбрана из условия получения максимальной температуры пара и давления на входе в паровой двигатель 2 при минимальных потерях тепла с отходящими выхлопными газами.
Важно, что по меньшей мере один электронагреватель 17 расположен в разогреваемом от теплового топливного источника 4, 10 парогенерирующем устройстве (на фиг.1 выделено штрихпунктиром), причем он конкретно установлен в дополнительном канале-теплоаккумуляторе 12 конденсата, выполненном с рабочим объемом конденсата и давлением, обеспечивающим возможность восприятия энергии торможения мобильной машины, причем канал-теплоаккумулятор сообщен через устройство дозирования и преобразования перегретого конденсата в пар 14 и устройство 15 последующего перегрева этого пара электронагревателем 20 перед входом в рабочие органы парового двигателя 2. Двигатель 2 предпочтительно выполнен объемным по типу, что позволяет получить лучшие энергетические и динамические характеристики движения мобильной машины.
Для осуществления надежного перегрева пара при равномерной скорости движения машины электронагреватель 20 тормозного устройства подключен к пароперегревателю 15 через посредство блока управления 21 и электрического аккумулятора 22 (относительно небольшой энергоемкости, существенно меньшей энергии торможения мобильной машины), что надежно гарантирует перегрев пара, непосредственно поступающего в паровой двигатель 2. Посредством блока управления 21 электронагреватель 20 и электроаккумулятор 22 могут быть подключены и к дополнительному электрогенератору 23 мобильной машины.
Дополнительный электрогенератор 23 выполнен с приводимом, например, от конденсатной турбины 24, преобразующий энергию выходящего из парового двигателя 2 пара в механическую энергию на валу электрогенератора 23, по электричеству сообщенного через систему управления - блок управления 21 с потребителями электроэнергии мобильной машины, включая электронагреватели 17, 19, 20, электроаккумулятор 22 и др.
На выходе пара из парового двигателя 2 установлена дополнительная ступень расширения пара, например, в виде роторной объемной машины или конденсатной турбины 24, приводящей по меньшей мере дополнительный электрогенератор 23, подключенный к внешним потребителям электроэнергии и через систему управления парового двигателя к электронагревателям 17, 19, 20 парогенерирующего устройства, что существенно повышает энергетические и динамические характеристики мобильной машины, особенно при выполнении блока управления и распределения электрической энергии 21 электронагревателям 17, 19, 20, реализующим алгоритмы минимизации затрат топлива в заданных условиях движении. Это обеспечивает максимально возможный КПД рабочего цикла силовой установки с учетом рекуперации энергии торможения в тепловую энергию, преобразуемую паровым двигателем 2 в механическую энергию, передаваемую трансмиссии мобильной машины.
Для расширения функциональных возможностей силовой установки паровой двигатель 2 выполнен реверсивным, с возможностью его свободного вращения в процессе торможения его вала 25 электрогенерирующим тормозным устройством 16.
При совместном использовании парового двигателя 2 с ДВС 4 их валы выполнены кинематически сообщенными между собой преимущественно с возможностью кинематического управляемого разрыва их связи и возможностью однонаправленного вращения вала ДВС при реверсировании парового двигателя, например, посредством коробки передач 1 и сцепления 3. При таком выполнении возможен запуск ДВС посредством парового двигателя, а также дополнительное торможение мобильной машины (в критических ситуациях) посредством создания тормозного момента непосредственно паровым двигателем 2 в дополнении к моменту торможения, создаваемому устройством 16.
Выполнение двигателя 2 с регулируемым рабочим объемом или регулируемой отсечкой пара при наполнении паром рабочих цилиндров также позволяет повысить эффективность силовой установки, например, посредством подключения ее исполнительного механизма 26 к блоку управления 21 и/или паропроводу 27 с переменным в процессе движения мобильной машины давлением.
Рационально парогенерирующее устройство выполнять состоящим из последовательно гидравлически подключенных элементов: насоса подачи конденсата 5, основных нагревателей конденсата - 6, 8, 19, 9 (последовательно повышающих его температуру), дополнительного канала-теплоаккумулятора 12 с конденсатом под давлением, по теплу сообщенным как с топливным источником тепла 11, так и электронагревателем 17 электрогенерирующего тормозного устройства 16, регулируемого дросселирующего устройства-задатчика мощности парового двигателя 14 и сообщенного с электронагревателем 20 тормозного устройства пароперегревателя 15, выход которого паропроводом 27 подключен к входу в рабочие органы парового двигателя 2. Это позволяет наиболее просто осуществлять управление температурными режимами в процессе генерирования пара с учетом в водимой в парогенерирующее устройство энергии торможения мобильной машины.
Рационально также работу топливных источников тепла (10, 11 и/или 4) и электронагревателей 17, 19, 20 тормозного устройства 16 связать между собой блоком управления 21, реализующий алгоритм поддержания: в первую очередь - температуры пара на входе в паровой двигатель 2, преимущественно за счет электронагревателя 20; во вторую очередь - температуры конденсата в канале-теплоаккумуляторе 12 за счет электронагревателей, например, 17 тормозного устройства 16, а при их недостаточности за счет подключения топливного источника тепла 11; в третью очередь - температуры конденсата в основном нагревателе 9, т.е. в парогенерирующем устройстве до входа конденсата в канал-теплоаккумулятор 12, что в целом упрощает процесс управления, обеспечивая получение высокого КПД рабочего процесса парового двигателя и/или максимального крутящего момента на его валу 25.
Реверсирование парового двигателя 2 в данном примере реализации выполняется распределительным трехпозиционным (преимущественно дросселирующим в переходных положениях) устройством 28, обеспечивающим шунтирование входного и выходного каналов парового двигателя 2 между собой при торможении. Такое реверсирование двигателя 5 упрощает коробку передач 1, особенно в варианте исполнения без ДВС 4, а также дополнительно позволяет включать активное торможение мобильной машины паровым двигателем 2, например, при отказе электрогенерирующего тормозного устройства 16 или недостаточности создаваемого им тормозного момента. Выходящий из парового двигателя 2 или его второй ступени 24 пар подается в конденсатор 29, и далее полученный конденсат насосом 5 снова подается в контур его нагрева (элементы 6, 8, 19, 9, 12) и последующего испарения (элементы 14, 15).
При выполнении двигателя 2 нереверсивным реверсирование движения мобильной машины осуществляется только за счет коробки передач 1.
В простейшем случае паровой двигатель 2 может выполняться и не регулируемым по рабочему объеме и моменту отсечки пара. Естественно, что из схемы по фиг.1 двигатель ДВС 4 может быть удален при сохранении работоспособности предложенного устройства и получении заявляемого положительного эффекта за счет работы горелки 10.
Возможны также и другие конструктивные схемы парогенерирующего устройства и другие кинематические связи парового двигателя с ДВС.
Так, например, на фиг.2 показана схема соединения канала-теплоаккумулятора 12 с рабочим цилиндром объемной паровой машины - двигателя 2, где его рабочая камера 30 содержит расположенный непосредственно в рабочей камере 30 пароперегреватель 31 (выполненный, например, из пористого, хорошо проводящего тепло материала), разогреваемый преимущественно электронагревателем 20, расположенным снаружи или внутри рабочей камеры 30.
Возможен также дополнительный подвод к пароперегревателю 31 тепла продуктов горения топлива по рубашке нагрева рабочей камеры 30.
Объем подачи перегретого конденсата в рабочую камеру 30 выполнен регулируемым, например, объемным, время импульсным 32 или дросселирующим устройством 14 (аналогично варианту по фиг.1), момент подачи конденсата или пара по углу поворота вала 25 определяется управляемым по углу поворота вала 25 распределителем 31, например, с регулируемым моментом открытия, а преобразование конденсата в пар выполняется дросселирующим распылителем 33, установленным непосредственно в камере 30. Далее пар перегревается пароперегревателем 31 (аналог перегревателя 15 на фиг.1). Конструктивно элементы 14, 32, 33 могут выполняться в одном узле в виде нормально закрытой управляемой по моменту и/или продолжительности открытия форсунки 34, а все элементы 33, 32, 31 могут выполняться в одном съемном блоке для упрощения замены и ремонта парового двигателя.
Работает устройство следующим образом. При включении ДВС 4 и/или горелок 10, 11 разогревается парогенерирующее устройство до заданного рабочего давления и температуры. При подаче пара в паровой двигатель, например, открытием устройства 14, осуществляется передача трансмиссии момента и механической энергии, которые при выполнении устройства по фиг.1 суммируются на движителе машины, и она начинает движение. При торможении машины блок управления 21 или сигнал с педали торможения включает электрогенерирующее тормозное устройство 16, возникает момент торможения и скорость машины падает. При этом генерируемая тормозным устройством 16 электроэнергия поступает на электронагреватели 20, 17 и далее на 19, т.е. имеет место преобразование энергии торможения в тепловую энергию преимущественно конденсата, а также и пара в пароперегревателе. Накапливается электроэнергия и в относительно небольшом по емкости электроаккумуляторе 22, который при новом начале движения сразу начинает перегрев пара посредством подачи электроэнергии на электронагреватель 20.
Управление процессом подачи электроэнергии как от устройства торможения 16, так и от дополнительного электрогенератора 23 осуществляет устройство управления 21, реализующее согласно данному техническому решению заданный алгоритм управления (минимизации расхода топлива, получения максимальной передаваемой трансмиссии машины мощности).
Для дополнительного улучшения динамических характеристик в начале движения и расширения возможностей запуска силовой установки, в том числе и от электроаккумулятора 22, управляемое электрогенерирующее тормозное устройством 16 может быть выполнено с возможностью его работы в режиме электродвигателя. Устройство 16 может подключаться и к коробке передач (раздаточной коробке) 1 трансмиссии, т.е. работать независимо от парового двигателя 2.
В результате указанных технических решений энергия торможения мобильной машины возвращается в рабочий цикл паросиловой двигательной или комбинированной (содержащей комбинацию паросилового двигателя и ДВС) установки, что существенно уменьшает расход топлива и снижает токсичность выхлопных газов комбинированной силовой установки (за счет снижения требуемой установленной мощности ДВС и обеспечения работы ДВС практически в стационарном режиме за счет реализации переходных режимов паровым двигателем 2 и теплоаккумулирующим парогенерирующим устройством).