СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
TRANSPORT FACILITY POWER PLANT

Изобретение относится к области силовых установок транспортных средств, а именно к технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем с использованием энергии отработавших газов.
Заявляемое изобретение относится к приоритетным направлениям развития науки и технологий «Технологии новых и возобновляемых источников энергии» и «Технологии создания и управления новыми видами транспортных средств» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - С.43, с.89].
Известна силовая установка разработки компании Honda (http://www.greencarcongress.com/2008/02/honda-researchi.html). Силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания, в который входит модифицированная головка блока цилиндров с изолированными выпускными клапанами, встроенного в каталитический конвертер испарителя, водяного бака с насосом высокого давления, генератора, конденсатора. Горячие выхлопые газы поступают в конвертер с испарителем, где образуется пар с температурой 400-500°C и давлением 7-9 МПа. Этот пар вращает генератор, охлаждается, конденсируется и вновь поступает в бак с насосом.
Недостатком известного устройства является то, что при пятикратном преобразовании механической энергии в электрическую: энергия пара преобразуется в механическую энергию паровой турбины, механическая энергия паровой турбины преобразуется в механическую работу генератора, механическая энергия генератора преобразуется в нем в электрическую энергию, электрическая энергия направляется на заряд аккумуляторных батарей, заряд аккумуляторных батарей используется для осуществления механической работы электрических двигателей, приводящих в движение колеса автомобиля, теряется большая часть полезной энергии, вследствие этого низкий коэффициент полезного действия установки.
Известна паробензиновая силовая установка «Турбостимер», разработанная инженерами БМВ (Журнал «За рулем», №2, 2006 г., стр.210), которая состоит из двигателя внутреннего сгорания, аксиально-поршневой машины, соединенной с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, парогенератора, конденсатора. Установка использует бесполезно теряемое тепло в радиаторе и выпускном коллекторе автомобиля и позволяет повысить мощность двигателя внутреннего сгорания на 10 кВт, сэкономить топливо на 15%.
Общим признаком данного устройства с существенными признаками заявляемого устройства является использование парогенератора, конденсатора.
Недостатком аналога является недостаточная эффективность управления силовой установкой.
Причины недостатков заключаются в использовании аксиально-поршневой машины из-за ее недостаточного КПД. К недостаткам способа также относятся недопустимость использования аксиально-поршневой машины из-за непредназначенности ее работы с паром и малым ресурсом.
За прототип принято наиболее близкое к заявляемому изобретению техническое решение по авторскому свидетельству СССР №1671931, опубликованное 23.08.1991, содержащее следующие общие признаки с заявляемым изобретением - силовая установка транспортного средства, содержащая двигатель внутреннего сгорания, парогенератор, установленный на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, конденсатор, сообщенный с парогенератором, паровую турбину, накопитель пара и обратный клапан, установленный перед накопителем, причем парогенератор сообщен с паровой турбиной через накопитель пара.
Недостаток прототипа по а.с. СССР №1671931 заключается в низкой эффективности управления силовой установкой, так как силовая установка предполагает механическое, а не электронное управление ею, что не позволяет полностью развить мощность установки и достигать высокой производительности.
Механическое управление силовой установкой не позволяет обеспечить синхронизированную работу автомобиля и силовой установки. Так, например, в устройстве-прототипе не обеспечивается оптимальный крутящий момент из-за невозможности контроля за давлением пара в аккумуляторе пара и в результате этого вынужденном поддержании давления в аккумуляторе пара на оптимальном, но на недостаточно высоком уровне.
Недостатком устройства-прототипа по а.с. СССР №1671931 является то, что эту силовую установку используют при запуске двигателя и при движении транспортного средства только для кратковременного увеличения мощности.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи использования тепловой энергии выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, которая при работе автомобильного двигателя внутреннего сгорания выбрасывается в атмосферу, и за счет этого повышения КПД двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат заключается в повышении эффективности управления силовой установки за счет обеспечения синхронизированной работы силовой установки двигателя внутреннего сгорания и транспортного средства. Кроме этого технический результат заключается в повышении КПД двигателя внутреннего сгорания, уменьшении расхода топлива, снижении токсичности выхлопных газов.
Технический результат достигается тем, что силовая установка транспортного средства, содержащая двигатель внутреннего сгорания, парогенератор, установленный на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, конденсатор, сообщенный с парогенератором, паровую турбину, накопитель пара и обратный клапан, установленный перед накопителем, причем парогенератор сообщен с паровой турбиной через накопитель пара, согласно изобретению установка дополнительно содержит электронный блок управления, электромагнитный клапан подачи пара, установленный после накопителя, датчик температуры, установленный на парогенераторе, датчик угловой скорости колес автомобиля, датчик давления, установленный на накопителе пара, датчик оборотов вала паровой турбины, вариатор, паровая турбина кинематически связана с вариатором, блок управления электрически соединен с датчиком температуры, датчиком давления, датчиком угловой скорости колес автомобиля, датчиком оборотов вала паровой турбины, электромагнитным клапаном подачи пара и вариатором.
Технический результат достигается тем, что при использовании тепловой энергии отработавших газов для повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению жидкость, находящаяся в парогенераторе, установленном на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, под действием высокой температуры нагревается и превращается в пар, который через обратный клапан поступает в накопитель пара. После создания в накопителе пара необходимого давления электромагнитный клапан по сигналу электронного блока управления осуществляет подачу пара в паровую турбину, чтобы добиться оптимального крутящего момента на колесах автомобиля. Давление пара в накопителе пара поддерживается на относительно постоянном уровне. На режимах неполной нагрузки ДВС, когда интенсивность парообразования не будет достаточно велика, чтобы обеспечить быстрое возрастание давления в накопителе пара, подача пара в турбину должна ограничиваться электронным блоком управления. Недостаточная частота вращения вала паровой турбины компенсируется изменяющимся передаточным числом вариатора. Передаточное число выбирается электронным блоком управления на основе анализа условий движения автомобиля таким образом, чтобы обеспечивался оптимальный крутящий момент. После использования в паровой турбине пар конденсируется в конденсаторе, затем при помощи насоса жидкость перекачивается в парогенератор.
Из уровня техники широко известно использование паровой турбины большей частью в стационарных установках на тепловых электрических станциях для приводов генераторов тока, реже в небольших промышленных установках для привода вентиляторов, насосов.
Введение паровой турбины вместо аксиально-поршневой машины позволит уменьшить потери механической энергии, увеличит надежность и КПД установки, также паровая турбина больше подходит для работы с паром, чем аксиально-поршневая машина, поскольку конструктивно лучше приспособлена к процессу преобразования энергии пара в механическую энергию.
Преобразование жидкости в пар происходит в парогенераторе, установленном на выпускном коллекторе.
При испарении пар накапливается в накопителе и при достижении определенного давления подается в паровую турбину, тем самым приводя ее в движение.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема реализующего данный способ устройства (вид сверху).
Силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, коробки перемены передач 2, соединенной с ДВС, парогенератора 3, установленного на выпускном коллекторе 4. Накопитель пара сообщен с парогенератором 3, паровая турбина 6 сообщена с накопителем пара, вал паровой турбины жестко связан с ведущим валом вариатора 7. Ведомый вал вариатора связан с главной передачей заднего моста автомобиля 8. После паровой турбины установлен конденсатор 9, в конденсаторе установлен насос 10. Кроме того, имеется электронный блок управления 11, соединенный электрической цепью с датчиками: на парогенераторе установлен датчик температуры 12, перед накопителем пара установлен обратный клапан 13, на накопителе пара установлен датчик давления 14, после накопителя установлен электромагнитный клапан подачи пара в паровую турбину 15, на паровой турбине установлен датчик оборотов вала турбины 16. На колесах автомобиля 17 установлен датчик угловой скорости колес 18. Электронный блок управления 11 функционирует согласно алгоритму, приведенному ниже (см. фиг.2).
Наличие на данной установке ряда отличительных дополнительных устройств позволяет наиболее полно реализовать предлагаемое новое устройство использования энергии отработавших газов для повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.
Силовая установка работает следующим образом.
При работе двигателя внутреннего сгорания 1 происходит нагрев выпускного коллектора 2. Жидкость, находящаяся в парогенераторе 3, установленном на выпускном коллекторе 4 двигателя внутреннего сгорания, под действием высокой температуры нагревается и превращается в пар, через обратный клапан 13 поступает в накопитель пара 5. После создания в накопителе пара необходимого давления электромагнитный клапан 15 по сигналу электронного блока управления 11 осуществляет подачу в паровую турбину 6, чтобы добиться оптимального расхода пара. Благодаря этому давление пара в накопителе пара поддерживается на относительно постоянном уровне. На режимах неполной нагрузки ДВС, когда интенсивность парообразования не будет достаточно велика, чтобы обеспечить быстрое возрастание давления в накопителе пара, подача пара в турбину должна ограничиваться электронным блоком управления. Недостаточная частота вращения вала паровой турбины компенсируется изменяющимся передаточным числом вариатора 7. Передаточное число выбирается электронным блоком управления на основе анализа условий движения таким образом, чтобы обеспечивался максимальный крутящий момент. После работы в паровой турбине пар конденсируется в конденсаторе 9, затем при помощи насоса 10 жидкость перекачивается в парогенератор. Цикл повторяется.
Вышеописанная установка позволяет обеспечить эффективное управление силовой установкой двигателя внутреннего сгорания, повысить КПД двигателя внутреннего сгорания, уменьшить расхода топлива и снизить токсичность выхлопных газов.