Вторичный паросиловой контур двс транспортного средства

Задачей полезной модели, которая реализована в этой конструкции, является создание высокоэкономичного типа ДВС, за счет превращения в полезную мощность количеств тепла, которые в традиционных двигателях безвозвратно теряются с выхлопными газами и через систему охлаждения. Конструкция силовой установки состоит из традиционного двигателя внутреннего сгорания и дополнительных элементов. От выпускного клапана двигателя начинается газовод выпускного тракта (элемент 1). Внутри выпускного тракта расположен спиральный трубопровод-теплообменник (элемент 2), в который закачивается вода (или иная парообразующая жидкость) насосом высокого давления (элемент 3) из накопительного резервуара воды (элемент 4). Горячая вода в начало спирального трубопровода-теплообменника попадает из рубашки системы охлаждения корпуса двигателя через трубопровод (элемент 5) и накопительный резервуар (элемент 4). Противоположный от насоса конец трубопровода-теплообменника разветвляется на несколько пароводов (элемент 7) через деталь-разветвитель (элемент 6). Пароводы подводят пар к агрегатам и системам двигателя - потребителям мощности (элемент 8). Главная особенность полезной модели - превращение тепла, которое в обычных двигателях безвозвратно теряется с выхлопом и охлаждением корпуса двигателя, в поток пара высокого давления в специальном паросиловом контуре.

Область техники: Полезная модель относится к сфере двигателестроения.

Уровень техники: В настоящее время в качестве силовых приводов транспортных средств, в подавляющем большинстве случаев, используются поршневые, заметно реже роторные двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

КПД таких двигателей составляет в среднем от 25 до 40%, в зависимости как от способа организации рабочего процесса, так и от массо-габаритных параметров. Если принять средний КПД среднего двигателя для небольшого транспортного средства в 33%, то структура потерь энергии в нем будет выглядеть так - механический КПД будет составлять 90%, а термодинамический КПД будет составлять 30%. Т.е. основные потери энергии будут происходить в области преобразования тепловой энергии в механическую энергию.

Один из главных недостатков современных типов двигателей заключается в том, что, конструкции всех применяемых на сегодня в широкой технической практике двигателей внутреннего сгорания, лишь только частично переводят в полезную работу ту тепловую энергию, которая выделяется при сгорании паров топлива в виде высокой температуры рабочих газов. Во всех существующих ныне конструкциях ДВС на выхлоп идут газы при температуре от 800 до 1100 C°.

По этой причине тепловой баланс современного двигателя внутреннего сгорания в среднем варианте конструктивного исполнения получается таким:

30% - тепло, переводимое в полезную работу;

30% - тепло, отводимое во вне через систему охлаждения;

40% - тепло, отводимое во вне с выпуском отработавших газов;

Т.е. средний термодинамический КПД современных двигателей внутреннего сгорания не превышает 30-35%.

Инженерная мысль все время предлагает различные способы более полно переводить в полезную работу высокую температуру газов горения. Уже около ста лет предлагается впрыскивать воду в камеру сгорания во время такта «горение-расширение», чтобы высокая температура газов горения переводилась при испарении воды в повышенное давление перегретого пара. При этом общая температура паро-газовой смеси, которая должна получаться при этом процессе, резко должна снижаться, а ее давление при этом должно значительно повышаться. Например, такой процесс в поршневых двигателях предлагалось осуществлять в патенте US 2671311, который был выдан в 1954 году. Похожим путем предлагает идти автор российского патента 2092701 (приоритет от 19.12.1994 г.), который для осуществления похожего по своей технологической сути процесса предлагает впрыскивать в цилиндр поршневого двигателя воду через отверстие в боковой поверхности цилиндра. Но такой путь для обоих технических решений по данным патентам не будет эффективным, так как давление в цилиндрах на первой трети длинны рабочего хода очень велико (порядка 40-50 бар) и для впрыскивания туда воды придется ставить мощные механизмы и аппаратуру высокого давления. Еще - впрыск воды будет препятствовать завершающей фазе горения топливовоздушной смеси, и КПД двигателя уменьшится из-за усиления такого процесса неполного сгорания.

Другим путем пошел автор изобретения по патенту US 4409932 (приоритет от 07.12.1981 г.) который предлагает вначале вырабатывать пар в парогенераторе, что расположен в выхлопном коллекторе и нагревается от горячих выхлопных газов. Далее такой пар поступает в цилиндры на половине рабочего хода. Попытка усилить давление рабочих газов на поршни за счет введения такого пара опять будет приводить к уменьшению КПД двигателя, так как подача пара в цилиндр двигателя на такте «горение-расширение» будет резко ухудшать горение последних порций горючей смеси, которое и так плохо происходит на завершающем этапе рабочего хода.

Существуют многочисленные патенты, предлагающие подавать получаемый в специальных дополнительных узлах или устройствах при ДВС водяной пар в отдельные от «первичного» и основного ДВС силовые машины. Так в патенте US 5191766 (приоритет от 10.06.1991 г), предлагается разместить парогенератор в выхлопном коллекторе и направлять пар на дополнительную турбину, которая затем будет соединяться с главным валом двигателя, тем самым увеличивая мощность двигателя. Однако такая система не будет весьма эффективной, так как на производство пара будут идти тепло, которое только уходит в коллектор выхлопа, а тепло, которое рассеивается через систему охлаждения - использоваться не будет.

Во всех выше описанных конструкциях по указанным патентам, совпадающим с заявляемой полезной моделью признаком, будет стремление утилизировать теряемое обычными ДВС тепло через применение паро-силового процесса.

Ближайшим аналогом заявляемого полезной моделью ВТОРИЧНОГО ПАРОСИЛОВОГО КОНТУРА ДВС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА является изобретение «Hybrid combustion energy conversion engines» US 20120060493 (приоритет от 11.09.2008 г.).

Данное изобретение так же содержит поршневой ДВС, в выпускном тракте которого расположен спиральный трубопровод - теплообменник, в один конец которого закачивается вода, а другой конец которого через сопло выводится в рабочий объем цилиндра ДВС. Отработавший пар предполагается из цилиндра со сжатием выпускать в паровой аккумулятор для дальнейшего использования. Пар в цилиндр предполагается вводить в двух режимах - или подавать во время такта «горение - расширение» работы ДВС, либо циклически перемежать через раз такты расширения на пару с тактами работы ДВС. Совпадающими признаками с предлагаемой к полезной модели конструкцией является наличие спирального парогенератора в выхлопном коллекторе, где должен вырабатываться пар.

Причинами, препятствующими в рассматриваемом аналоге достижению высокого технического результата, являются следующие недостатки данного способа работы двигателя:

- предельно высокая сложность предлагаемого двигателя, которая особенно обусловлена большим количеством разного рода клапанов и сопловых элементов, которые предполагается размещать на ограниченном пространстве донышка цилиндра. При этом всю силу выработанного пара, предполагается пускать только на создание дополнительной мощности в поршневой группе двигателя и не задействовать силу пара на работу вспомогательных механизмов. Хотя часто (режим холостого хода) дополнительная мощность в поршневой группе не нужна;

- высокое сопротивление на выпуске парового цикла, которое непременно будет очень мешать работе двигателя, так как в такте выпуска отработавшего пара предполагается закачивать его с заметным сжатием в паровой аккумулятор;

- попытка использовать на повышение мощности двигателя лишь тепло, без пользы уходящее на выхлоп, не задействуя потери тепла в системе охлаждения;

Сущность полезной модели: Задачей полезной модели, которая реализована в этой конструкции, является создание прогрессивной конструкции силовой установки транспортного средства, за счет возможности просто и эффективно включить в технологическую схему работы 4-х тактного поршневого ДВС паровой «силовой контур», для приведения в действие вспомогательных и обеспечивающих узлов и агрегатов двигателя. Такой механизм должен превращать в полезную работу расширения водяного пара большого давления ту высокую температуру отработавших газов и температуру, отводимую через стенки корпуса двигателя в систему охлаждения ДВС, которые обычно теряются как с выпускными газами на выхлоп, так и рассеиваются через поверхность корпуса и радиатор системы охлаждения двигателя.

Поставленная задача решается через технологические особенности предлагаемой полезной модели ВТОРИЧНЫЙ ПАРОСИЛОВОЙ КОНТУР ДВС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА. Поршневой 4-х тактный (либо ДВС иного типа) ДВС для этого оборудуется размещенным внутри выпускного тракта спиральным трубопроводом-теплообменником, куда подается уже предварительно нагретая вода или иная парообразующая жидкость, которая для этого откачивается подающим насосом из полости охлаждающей рубашки корпуса ДВС. На конце трубопровода - теплообменника, противоположного от конца, в который закачивается нагретая парообразующая жидкость, расположена деталь - разветвитель, от которого отходят несколько пароводов, по которым пар высокого давления подается уже агрегатам - потребителям двигателя.

Особенность полезной модели - использование специальной конструкции разветвителя на конце спирального теплообменника, расположенного в начальной части выхлопного тракта ДВС, и соединение такого теплообменника для его запитывания парообразующей жидкостью из рубашки системы охлаждения корпуса двигателя.

Такое решение позволяет превращать в полезную работу по приводу разных систем и агрегатов двигателя, через создание давления пара, значительные порции тепла, которые в традиционных конструкциях ДВС рассеиваются через систему охлаждения, так и теряются с горячими выхлопными газами.

Техническим результатом применения таких инженерных решений является создание простой и надежной дополнительной (вторичной) силовой системы в составе стандартного ДВС, которая позволяет создавать в обособленном паросиловом контуре дополнительную мощность на привод вспомогательных систем и агрегатов двигателя, на основе использования обычно теряемых порций тепловой энергии двигателя. Тем самым снимается заметная нагрузка с главного вала двигателя и уже не нужно осуществлять отбор от него мощности на привод электрогенератора, кондиционера, помпы и вентилятора системы охлаждения, турбины системы турбонаддува, механизма гидроусилителя руля и пр. Устранение этого типа нагрузок с главного вала двигателя в итоге приводит к заметному повышению КПД двигателя и увеличению его мощности.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Реализация назначения заявленной полезной модели возможна к осуществлению через новаторские особенности ее конструкции.

На прилагаемом к данному разделу патентной заявки чертеже представлена конструкция ДВС со вторичным паросиловым контуром. В стандартном двигателе внутреннего сгорания от выпускного клапана (или выпускного окна) начинается газовод выпускного тракта (элемент 1). Внутри такого выпускного тракта расположен спиральный трубопровод - теплообменник (элемент 2), в который закачивается вода (или иная парообразующая жидкость) подающим насосом высокого давления (элемент 3) из накопительного резервуара воды (элемент 4). Предварительно сильно нагретая вода подается в накопительный резервуар воды из рубашки системы охлаждения корпуса двигателя через трубопровод (элемент 5) Противоположный от подключения к насосу конец трубопровода-теплообменника оканчивается деталью - разветвителем (элемент 6) от которого отходят несколько пароводов (элемент 7) к механизмам, агрегатам и системам- потребителям мощности в виде потока пара высокого давления (элемент 8).

В такой конструкции заявляемый полезной моделью ВТОРИЧНЫЙ ПАРОСИЛОВОЙ КОНТУР ДВС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА работает следующим образом:

когда двигатель работает, то раскаленные отработавшие газы в 4-м такте «выпуск» выталкиваются поршнем из рабочего объема цилиндра в газовод выпускного тракта (элемент 1), где начинают двигаться в сторону выхлопной трубы. При этом раскаленные до высокой температуры отработавшие газы нагревают спиральный трубопровод-теплообменник (элемент 2), по которому подающим насосом высокого давления (элемент 3) прокачивается вода, либо иная парообразующая жидкость, из накопительного резервуара воды (элемент 4). Вода, накапливаемая в этом резервуаре, предварительно забирается через трубопровод (элемент 5) из рубашки системы охлаждения корпуса двигателя, где она предварительно сильно нагревается.

В результате такого процесса вода на выходе из спирального трубопровода -теплообменника (элемент 2) превращается в перегретый пар высокого давления, который через несколько пароводов (элемент 7), которые отходят от детали - разветвителя (элемент 6) на конце лини трубопровода-теплообменника (элемент 2), подаются к различным агрегатам и системам - потребителям мощности (элемент 8).

Итогом такой последовательности теплотехнических преобразований оказывается постоянный поток пара высокого давления в нескольких пароводах, который и создает вторичный контур подвода мощности (паросиловой контур), который возможно использовать для привода в действие различных вспомогательных и обеспечивающих агрегатов и систем двигателя внутреннего сгорания.

1. Вторичный паросиловой контур ДВС транспортного средства, состоящий из размещенного в выпускном тракте двигателя спирального трубопровода-теплообменника, внутрь которого подающим насосом высокого давления закачивается парообразующая жидкость, отличающийся тем, что начальная часть трубопровода-теплообменника имеет соединение с полостью рубашки системы охлаждения корпуса двигателя;

2. Вторичный паросиловой контур ДВС по п.1 отличающийся тем, что оконечная часть трубопровода-теплообменника, противоположная по отношению к его подключению к подающему насосу, разветвляется на несколько отдельных пароводов через деталь-разветвитель.