КОМБИНИРОВАННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С РАЗДЕЛЕННЫМИ ПОТОКАМИ ГАЗОВ

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для получения дополнительной эффективной мощности силовой установки, включающей двигатель внутреннего сгорания с компрессором и пневматическим двигателем с внешним подводом теплоты.
Известны двигатели с внешним подводом теплоты для утилизации теплоты отработавших газов ДВС.
Двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС с разнесенным, регулируемым подводом теплоты (Руднев В.В., Хасанова М.Л. и др. Паровой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС с разнесенным, регулируемым подводом теплоты: Патент на полезную модель №33163, выданное 10 октября 2003 г.) содержащий: картер с цилиндром, в которых перемещаются поршень с кривошипно-шатунным механизмом. В нижней части цилиндра имеются выпускное и впускное окна. В верхней части цилиндра выполнена нагревательная рубашка и размещена управляемая форсунка для подачи воды. На входе установлен каталитический нейтрализатор для повышения температуры отработавших газов ДВС и теплообменник для нагрева воды, за которым установлена распределительная заслонка для регулирования потока отработавших газов между цилиндром и нагревательной рубашкой.
Недостатком этого двигателя является относительно низкий ресурс форсунки обеспечивающей подачу воды в цилиндр, жесткие требования к стабильности высоких температур отработавших газов ДВС, при невыполнении которых не обеспечивается интенсивное парообразование со значительным изменением объема воды, впрыснутой в цилиндр.
Известна также силовая установка (Кукис B.C., Хасанова М.Л., Руднев В.В и др. Комбинированный двигатель: Патент на полезную модель №36862, выданное 01.12.2003 г.), содержащая поршневой двигатель ДВС и компрессор для нагнетания воздуха в цилиндры поршневого ДВС, который приводится в действие гидромотором, работающим за счет энергии жидкости поступающей из циркуляционного насоса, приводимого в действие за счет теплоты отработавших газов поршневого ДВС.
Недостатком этого комбинированного двигателя является сравнительно низкий КПД по причине гидравлических потерь в гидроприводе.
Данная конструкция двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Задачей предложения является повышение эффективности комбинированной силовой установки.
Решение поставленной задачи достигается тем, что силовая установка содержит компрессор, вал которого через первый фрикцион соединен с валом двигателя внутреннего сгорания, и через второй фрикцион соединен с валом пневматического двигателя с внешним подводом теплоты с которого и снимается мощность силовой установки. Компрессор нагнетает сжатый воздух в баллон, из которого в зависимости от потребности через кран управления сжатый воздух подается в цилиндр пневматического двигателя, где, соединяясь с горячими газами, совершает работу. Для дожигания топлива и аккумулирования теплоты отработавших газов между выпускным трубопроводом ДВС и впускным трубопроводом пневматического двигателя с внешним подводом теплоты установлен каталитический нейтрализатор с аккумулятором теплоты.
Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели. Предложение поясняется рисунком (фиг.1), где изображено принципиальное устройство комбинированной силовой установки с разделенными потоками
газов.
Предлагаемая комбинированная силовая установка с разделенными потоками газов содержит: двигатель внутреннего сгорания 1, вал которого через первый фрикцион 2 соединен с компрессором 3, вал которого через второй фрикцион 4 соединен с коленчатым валом 5 пневматического двигателя 6. Выпускной трубопровод 7 двигателя внутреннего сгорания 1 соединен с каталитическим нейтрализатором 8, который выполнен в одном корпусе с тепловым аккумулятором 9. Тепловой аккумулятор 9 соединен через трубопровод 10 с пневматическим двигателем 6, который имеет цилиндр 11 с картером 12, поршень 13 с шатуном 14 и коленчатым валом 5 В нижней части цилиндра 11 пневматического двигателя 6 имеются выпускное 15 и впускное 16 окна. В верхней части цилиндра 11 выполнена нагревательная рубашка 17 и размещен клапан 18 для подачи сжатого воздуха. В трубопроводе 10 установлена распределительная заслонка 19 для регулирования потока горячих газов между цилиндром 11 и нагревательной рубашкой 17. Компрессор 3 соединен трубопроводом 20 с баллонном 21 и регулировочным краном 22, который управляет подачей воздуха к клапану 18.
Предлагаемая комбинированная силовая установка с разделенными потоками газов работает и трех режимах:
Первый режим - экономичный, нагрузка до 30%:
Двигатель внутреннего сгорания 1 непрерывно работает на установившемся экономичном режиме, передавая мощность через включенный первый фрикцион 2 компрессору 3, который нагнетает воздух в баллон 21, где происходит его накопление. Второй фрикцион 4 отключен.
Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания 1 поступают в каталитический нейтрализатор 8, при прохождении через который их температура повышается, затем они поступают в тепловой аккумулятор 9, где при высокой температуре отработавших газов часть теплоты отдается
рабочему телу теплового аккумулятора 9, а при низкой температуре от рабочего тела отдает теплоту газам.
После теплового аккумулятора 9 горячие газы в зависимости от режима работы пневматического двигателя 6 посредством распределительной заслонки 19 распределяются между нагревательной рубашкой 17 и впускным окном 15.
В момент, когда поршень 13 находиться в нижней мертвой точке, верхние впускное 15 и выпускное 16 окна открыты. Рабочее тело, имеющее в конце расширения давление большее, чем атмосферное, за счет разницы давлений выходит через выпускное окно 16 в атмосферу, а через впускное окно 15 в цилиндр поступают от распределительной заслонки 19 горячие газы из теплового аккумулятора 9. Их давление больше атмосферного и давления в цилиндре 11, поэтому осуществляется "продувка" внутрицилиндрового пространства, очистка его от отработавшего рабочего тела и заполнение освободившегося объема. Поршень 13 начинает перемещаться от нижней мертвой точки к верхней, сначала выпускное 16, а затем впускное 15 окна закрываются, после чего начинается сжатие находящихся над поршнем 13 горячих газов. В конце процесса сжатия в горячие газы через клапан 18 производится впуск сжатого воздуха, перемешивание которого с горячими газами приводит к последующему интенсивному расширению, и преобразованию возвратно поступательного движения поршня 13 во вращательное движение коленчатого вала 5. Управление подачей сжатого воздуха на клапан 18 производится краном управления 22.
Второй режим - максимальной мощности:
Двигатель внутреннего сгорания 1 вырабатывает максимальную мощность, момент передается через первый фрикцион 2 компрессору 3 и через второй фрикцион 4 пневматическому двигателю 6 который вырабатывает максимальную мощность и от него на нагрузку.
При снижении оборотов коленчатого вала пневматического двигателя распределительная заслонка 19, направляет большую часть газов в
нагревательную рубашку 17. За счет тепловой энергии происходит дополнительный подогрев стенок внутрицилиндрового пространства пневматического двигателя и, следовательно, повышение мощности, вырабатываемой этим двигателем.
Третий режим - рекуперации:
Двигатель внутреннего сгорания 1 не работает, первый фрикцион 2 отключен. Крутящий момент передается от нагрузки пневматическому двигателю 6 который через второй фрикцион соединен 4 с компрессором 3. Компрессор 3 нагнетает воздух пополняя баллон 21.
По сравнению с прототипом предлагаемая комбинированная силовая установка с разделенными потоками газов имеет значительно больший КПД, так как возможна рекуперация энергии и повышение мощности пневматического двигателя за счет дополнительного подогрева впускаемого сжатого воздуха и стенок цилиндра горячими газами.