Патент на изобретение №2168046

(54) СИЛОВАЯ УСТАНОВКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано в качестве стационарной или транспортной силовой установки (СУ). Оно обеспечивает повышение надежности и улучшение энергоэкономических и экологических показателей работы СУ за счет увеличения степени утилизации тепловых потерь ДВС. Силовая установка содержит поршневой ДВС, паровую поршневую машину, связанные механически в силовой агрегат, и утилизационную часть, преобразующую тепловые потери ДВС в пар для паровой поршневой машины. Силовой агрегат состоит, по меньшей мере, из двух рабочих цилиндров, один из которых – рабочий цилиндр ДВС, а другой – рабочий цилиндр паровой поршневой машины. Цилиндры расположены соосно и последовательно друг за другом, а между ними установлена перегородка. В каждом цилиндре размещено по одному поршню, которые соединены общим поршневым штоком, проходящим сквозь перегородку и суммирующим механическую энергию обоих рабочих цилиндров. Рабочий цилиндр паровой поршневой машины по величине объема отличен от рабочего цилиндра ДВС. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в силовых установках (СУ) с поршневыми ДВС.

Известны СУ, содержащие ДВС, паровую поршневую машину (ППМ), связанные механически в силовой агрегат (СА), и утилизационную часть (УЧ), преобразующую тепловые потери ДВС в пар для ППМ.

Например (1) изобретение, патент Великобритании 1554766, кл. F 1 Q, опублик. 1979. СУ содержит ДВС, вал которого соединен с движителем и с валом ППМ, подключенной к УЧ, состоящей из утилизационного котла, сообщенного с выхлопным трактом ДВС.

Недостатки СУ:
– Сложение механической энергии во вращательном движении, крутящими моментами ДВС и ППМ на один вал, что влечет снижение экономичности и надежности работы СУ.

– Использование только главной тепловой потери ДВС с отработавшими газами в утилизационной котельной установке.

– Громоздкость СА по длине, основному размерению любого машинного отделения.

Например (2), Ливенцев Ф. Л. Высокотемпературное охлаждение поршневых ДВС. Машиностроение, М. , 1964, Л., стр. 15, 16 и фиг. 16. Представлена СУ английской фирмы “Скотт-Стилл”, где устранены недостатки СУ примера (1), и являющаяся наиболее близкой по замыслу предлагаемому изобретению. В этой СУ подпоршневые полости рабочих цилиндров ДВС использованы в качестве рабочих объемов ППМ, получающей пар от УЧ с комплексным использованием теплоты отработавших газов ДВС, и охлаждающей высокотемпературной воды ДВС. Эта СУ имеет существенные недостатки и основные, следующие:
– Рабочие полости ДВС и ППМ объединены в одних и тех же рабочих цилиндрах СА, что приводит к сильному загрязнению маслом, сажей контуров обеих систем УЧ, поверхностей нагрева паровых котлов, и поверхностей охлаждения ДВС, что снижает надежность СУ.

– Поскольку пара, производимого УЧ по объемам описываемым рабочими поршнями СА в единицу времени недостаточно, очевидно для обеспечения примерного равенства мощностей ДВС и ППМ, т.е. надпоршневых и подпоршневых полостей рабочих цилиндров СА, исходя из соображения необходимости поддержания динамической уравновешенности СА двойного действия, заодно с УЧ установлены дополнительные паровые котлы с нефтяным отоплением, что конечно снижает экономичность СУ. Пар, подаваемый из УЧ в ППМ, довольно высокого давления – 0,8-1,0 МПа, очевидно, по тем же соображениям, т.е. давление пара, подаваемого в ППМ, примерно равно среднему по циклу индикаторному (или эффективному) давлению в рабочем цилиндре ДВС, хотя с одной стороны, получать пар такого давления в современных системах высокотемпературного охлаждения затруднительно, а с другой стороны повышенное давление несколько снижает паропроизводительность УЧ, усугубляя проблему нехватки пара. А вообще-то известны случаи, когда пар, полученный в значительно меньших количествах, только от охлаждения поршня ДВС, тем не менее все равно расширяется в подпоршневой полости, уменьшая потери энергии на работу сжатия в цилиндре.

Например (3), изобретение, авторское свидетельство СССР N 1348543 A1.

Известны тепловые двигатели с поршнями, расположенными друг за другом и движущимися синхронно, т.е. тандем-машины. В основном это ППМ двухкратного расширения, и значительно реже ДВС. Главными недостатками таких двигателей являются:
– Громоздкость по высоте (при вертикальном расположении цилиндров двигателя).

– Некоторые затруднения в согласовании работы соседних цилиндров (в тандеме) двигателя.

Цель изобретения – улучшение энергоэкономических и экологических показателей работы СУ, содержащих поршневой ДВС, ППМ, связанные механически в СА, и УЧ (СУ = ДВС+ППМ+УЧ = СА+УЧ) путем увеличения степени утилизации тепловых потерь ДВС, а кроме того – повышение надежности СУ.

Это достигается тем, что СА выполнен как тандем-машина, т.е. содержит, по меньшей мере, два цилиндра, один из которых рабочий цилиндр ДВС, а другой рабочий цилиндр ППМ, расположенных соосно и последовательно друг за другом и отделенных перегородкой, чем исключается сильное загрязнение УЧ, как в примере (2). В каждом цилиндре размещено по одному поршню, которые соединены общим поршневым штоком, проходящим сквозь перегородку, суммирующим механическую энергию от обоих рабочих цилиндров, и передающим ее далее какому-либо устройству, или потребителю. При этом механическая энергия суммируется в форме поступательного движения, а не вращательного, как в примере (1), что выгодно, поскольку этот вид энергии, в отличие от других, вообще складывается плохо, а во вращательной форме особенно неудачно из-за неизбежной асимметрии наложений крутящих моментов от двух источников на один вал, т.е. два двигателя как бы “мешают” друг другу, что ведет к потерям энергии, усиленному износу – снижению экономичности и надежности СУ. И хотя СУ – пример (1) превосходит по этим показателям получившие большее распространение поршневые ДВС, с валом которых кинематически связаны турбины, действующие тепловыми потерями ДВС (т.н. “система турбо-компаунд”) из-за необходимости наличия в их составе сложных устройств (редукторы, муфты и т.д.), тем не менее там, в примере (1) складываются крутящие моменты от ДВС и ППМ, что ведет к снижению экономичности и надежности СУ. В предлагаемом СА штоком суммируются линейные векторы сил, действующих на поршни рабочих цилиндров ДВС и ППМ, что значительно проще, надежнее и экономичнее, чем сложение крутящих моментов.

Другой недостаток СУ, пример (2) – необходимость установки дополнительных паровых котлов, снижающих ее экономичность устраняется тем, что, во-первых, СА может иметь рабочие цилиндры ДВС и ППМ, действующие одинаковыми по расположению, например надпоршневыми полостями, т.е. векторы слагаемых сил имеют одинаковые направления, и динамическая уравновешенность СА не нарушается.

Во-вторых, для СА с экономичными ДВС, во избежание чрезмерно резкого падения давления пара в рабочем цилиндре ППМ, из-за его недостатка, влекущим снижение экономичности работы ППМ, рабочий цилиндр ППМ может быть выполнен меньшего объема, чем объем рабочего цилиндра ДВС, хотя иногда для СА с менее экономичными ДВС, возможно, даже и большего объема.

Уменьшить объем рабочего цилиндра ППМ можно за счет его размеров: диаметра цилиндра D, хода поршня S, и обоих одновременно.

Поэтому для СА с четырехтактными ДВС, у которых отношение S/D1, обычно не выше, уменьшение объема рабочего цилиндра ППМ, с сохранением разумного значения отношения S/D, может быть достигнуто только за счет уменьшения его диаметра D, при этом ходы поршней ДВС и ППМ остаются одинаковыми по величине.

А для СА с двухтактными ДВС, у которых отношение, обычно S/D2, за счет одновременного уменьшения и диаметра D, и хода поршня S, при этом, поскольку ход поршня ППМ станет меньше хода поршня ДВС, потребуется устройство, которое позволило бы это осуществить конструктивным усложнением СА, а значит и снижением надежности, это устройство – механизм уменьшения хода поршня ППМ данным изобретением не предлагается конкретно.

При работе СУ тепловые потери ДВС преобразуются УЧ в пар, подаваемый ППМ, которая помогает ДВС, возвращая часть тепловых потерь в виде дополнительной полезной работы, общим поршневым штоком, поэтому ДВС – главный двигатель в составе СА, а ППМ – помогающий.

Предлагаемая СУ позволяет существенно повысить мощность и КПД ДВС, входящего в ее состав, при неизменном расходе топлива. Побочным эффектом изобретения, в некоторых случаях, может являться снижение жесткости работы ДВС плавностью работы ППМ, повышение равномерности вращения вала СА и постоянства крутящего момента. ДВС может быть различных типов (дизель, карбюраторный и т. д.), причем большего эффекта изобретением можно достичь в СУ с четырехтактными ДВС, т.к. у них выше, чем у двухтактных, температура отработавших газов, более пригодны для высокотемпературного охлаждения, и отношение S/D1 и не нужен механизм уменьшения хода поршня ППМ, как правило. Высокооборотные ДВС (автотракторного типа), особенно с принудительным зажиганием, значительно менее экономичны, чем мощные мало и среднеоборотные дизели (стационарные, судовые, тепловозные), а значит СУ с такими ДВС потенциально обладают существенно большей удельной паропроизводительностью УЧ (на единицу мощности ДВС), благодаря более высокому значению доли потерь от теплоты, введенной в ДВС с топливом. Для СА с такими ДВС, рабочий цилиндр ППМ может быть выполнен равного и даже большего объема, чем рабочий цилиндр ДВС, особенно рабочий цилиндр низкого давления ППМ, в случае применения в ней двухкратного расширения пара, если это возможно (позволит значение давления пара, его температура и т.д.). Увеличение объема рабочего цилиндра ППМ, по сравнению с объемом рабочего цилиндра ДВС, может быть осуществлено только за счет увеличения диаметра D рабочего цилиндра ППМ, конечно (в отличие от уменьшения), т. к. увеличить ход поршня ППМ, не представляется возможным ППМ, тоже, могут быть разными по различным признакам, исходя из необходимости, и в зависимости от конкретных условий работы СУ.

По типу действия, прежде всего, простого, т.к. паропроизводительность УЧ невелика. Помимо случая НИМ одностороннего действия с рабочими надпоршневыми полостями, смежными с подпоршневыми полостями рабочих цилиндров ДВС, возможно и наоборот, т.е. рабочие полости размещены в подпоршневых пространствах ППМ, например, для уменьшения затрат энергии на работу сжатия в рабочем цилиндре ДВС, при весьма малой паропроизводительности УЧ. Применение ППМ двойного действия сильнее уменьшит объем ее рабочего цилиндра, что с одной стороны снизит громоздкость СА, но с другой, в некоторых случаях, может потребовать конструктивного усложнения необходимостью применения механизма уменьшения хода поршня ППМ. Если СА с кривошипно-шатунным механизмом преобразования движения, то последний, исходя из типа действия ППМ, может быть выполнен, в разных случаях, как по тронковой, так и по крейцкопфной схемам устройства (по возможностям и целесообразности).

По способу расширения пара, прежде всего, однократного, т.к. параметры пара УЧ обычно невысоки, даже если УЧ состоит только из утилизационной котельной установки с трехсоставным котлом (экономайзер, парогенератор, пароперегреватель – система глубокой утилизации тепла), когда параметры пара УЧ могут быть максимально высокими, за счет некоторого снижения паропроизводительности, которая может быть существенно повышена при комплексном использовании тепловых потерь ДВС и повысить таким образом экономичность СУ, но поскольку температура воды в современных системах высокотемпературного охлаждения не превышает 403К-423К (130-150^oC), а давление насыщенного пара, при такой температуре, 0,3-0,5 мПа, то параметры пара перед ППМ при комплексном использовании тепловых потерь ДВС (с отработавшими газами и охлаждающей водой), после пароперегревателя, составят: температура T(t) = 493-523 К (220-250^oC), а давление p = 0,3-0,5 мПа, что более приемлимо для утилизационных паровых турбин, чем для ППМ, как принято считать. На поскольку ППМ – это вспомогательный двигатель в составе СА, а основная нагрузка на ДВС, а с другой стороны применением мероприятий: достижение достаточно высокой паропроизводительности УЧ, правильный подбор объемов цилиндров ППМ, точное парораспределение, глубокий вакуум в конденсаторе и т.п., в некоторых случаях возможно применение двухкратного расширения пара. Применение в предлагаемой СУ расширения пара с кратностью более двух, явно, нецелесообразно. Следует отметить, что в обычных (неутилизационных) ППМ трехкратного расширения пара, его параметры перед цилиндром среднего давления примерно такие же, как и после УЧ с комплексным использованием тепловых потерь ДВС (указаны выше). При двухкратном расширении пара СА состоит, по меньшей мере, из двух тандем-пар цилиндров, в каждой из которых по одному рабочему цилиндру ДВС одинаковых объемов, и по одному рабочему цилиндру ППМ разных объемов, по ходу пара: цилиндр высокого давления (меньшего объема), и цилиндр низкого давления (большего объема). Если учесть, что самоуравновешенным по силам и моментам, действующим на ДВС, является, если четырехтактный, то восьмицилиндровый, а двухтактный – шестицилиндровый ДВС, весьма удачной явилась бы компоновка СА для СУ с четырехтактными ДВС из четырех, а с двухтактными из трех блоков двойного расширения (блок – две тандем пары цилиндров, описанных выше). Применение двухкратного расширения позволит с одной стороны повысить экономичность ППМ, а значит и СУ в целом и с другой стороны не уменьшать чрезмерно объемы рабочих цилиндров ППМ, дабы избежать конструктивного усложнения постановкой ранее отмеченного, не предлагаемого изобретением функционального устройства-механизма уменьшения хода поршня ППМ, который обеспечивает следующие необходимые по времени действия: разобщение поршня ППМ от общего поршневого штока СА, с одновременной фиксацией поршня ППМ в одной из крайних точек хода поршнями, и возможностью поступательного перемещения общего штока сквозь поршень ППМ, до определенного момента, когда поршень ППМ вновь соединяется с общим поршневым штоком СА, фиксация поршня ППМ в одной из крайних точек прекращается (наподобии, как в двигателях с внешним подводом тепла Стирлинга, где в цилиндре два поршня: рабочий и вытеснитель), и в рабочий цилиндр ППМ начинается подача свежего пара из УЧ, и ППМ помогает ДВС на конечном участке хода поршня ДВС и штока СА, когда давление газов в рабочем цилиндре ДВС уже существенно ниже среднего по циклу эффективного, что делает крутящий момент более равномерным по углу поворота вала СА, и снижает жесткость работы ДВС.

Этот механизм усложняет СА конструктивно, снижая экономичность и надежность СУ, но, надо полагать, не сильнее, чем устройства для кинематической связи вала ДВС с утилизационной турбиной, действующей тепловыми потерями ДВС (система “турбо-компаунд”).

УЧ, в свою очередь, может состоять в самом простом случае, как уже отмечалось, и в частности в примере (1), только из утилизационной паровой котельной установки, преобразующей теплоту отработавших газов ДВС (главную потерю) в пар для ППМ при работе СУ.

В более сложных вариантах при комплексном использовании тепловых потерь ДВС и СА в целом, УЧ может содержать дополнительные элементы – пароводоконденсатные контуры-системы, такие как:
– Система высокотемпературного охлаждения ДВС (крышек и втулок рабочих цилиндров и т. д.), вырабатывающая насыщенный пар параллельно с утилизационной паровой котельной установкой, чем существенно (иногда почти вдвое) повышается паропроизводительность УЧ, а значит мощность и КПД СУ, что ранее уже отмечалось, пример (2).

– Высокотемпературные секции охладителя наддувочного воздуха при достаточно высоком уровне газотурбинного наддува ДВС, главным образом для подогрева питательной воды утилизационной паровой котельной установки и системы высокотемпературного охлаждения (“воздушный экономайзер”), что способствует увеличению паропроизводительности УЧ, в конечном счете.

– Масловодяной нагреватель (или наоборот водомасляный охладитель), использующий теплоту смазочного масла циркуляционной системы смазки СА для подогрева, например, добавочной воды подпитки УЧ, для пополнения утечек, продувок, дренажа и т. д. , а утилизированная таким образом теплота может аккумулироваться в емкости достаточно большого объема добавочной воды, если эту воду, прокачанную через указанный поверхностный теплообменник, возвращать в ту же емкость, из которой она забиралась насосом. Это, также, косвенно способствует увеличению паропроизводительности УЧ.

Кроме того, УЧ содержит в своем составе оборудование для осуществления цикла Ренкина обычной паросиловой установки (ПСУ), где ПСУ=ППМ+УЧ, если учесть, что СУ= СА+УЧ= ДВС+ППМ+УЧ, то иначе можно выразить СУ=ДВС+ПСУ. А упомянутое оборудование: конденсатор отработавшего пара с насосом его прокачки, конденсатно-вакуумный насос, цистерна конденсата и т.д.

Наивысших показателей работы СУ можно достичь при использовании в УЧ, конечно, возможно большего числа тепловых потерь ДВС и СА.

В зависимости от того какие ДВС, ППМ и УЧ применены при компоновке СА и СУ, в каких сочетаниях и комбинациях между собой, может быть предложено много вариантов конкретных проектных решений.

Поскольку изобретение является схематичным решением, и не предлагает каких-либо конструктивно-технологических новшеств, все фигуры чертежей – принципиальные схемы. Нумерация элементов (позиций) схем на всех фигурах чертежей единая.

Фиг. 1 – принципиальная схема устройства и действия СА.

СА содержит рабочий цилиндр ДВС – поз. 1 с внутренним смесеобразованием и отношением S/D = 1, т.е. четырехтактного дизеля с надпоршневой рабочей полостью, рабочий цилиндр ППМ – поз. 2, расположенный соосно и последовательно по отношению к 1, одинакового с ним объема (по величине и форме), и тоже с надпоршневой рабочей полостью. Между цилиндрами 1 и 2 установлена перегородка – поз. 3, в каждом из цилиндров размещено по одному поршню, соответственно: в 1 – поз. 4, а в 2 – поз. 5, соединенных общим поршневым штоком – поз. 6, проходящим сквозь 3, и передающим механическую энергию от обоих цилиндров через промежуточный механизм, или непосредственно, потребителю.

Принцип действия СА виден из направлений движения рабочих тел, причем подводящераспределительно-отводящие устройства (клапаны, золотники, форсунки и т.д.), а также их приводы на схемах, для простоты, не показаны.

Фиг. 2 – принципиальная схема действия СУ.

СУ содержит СА, указанный выше (фиг. 1), только с уменьшенным, по величине, объемом 2 (по сравнению с 1) за счет его диаметра, и УЧ с комплексным использованием тепловых потерь ДВС (и СА в целом) по самому широкому спектру, представленному ранее. УЧ показана условно, т.к. состоит из применяемых пароводоконденсатных контуров и систем, т.е. известных элементов:
– Утилизационной паровой котельной установки одного из типов, схем, предпочтительнее конечно с трехсоставным котлом (система глубокой утилизации тепла), как более экономичной для использования теплоты отработавших газов – главной потери любого ДВС, с целью выработки свежего пара (перегретого или насыщенного) для ППМ (в составе СА).

– Системы высокотемпературного охлаждения втулок и крышек рабочих цилиндров ДВС (не занумерованы, т.к. ясно из видимости порядка работы системы, а охлаждение корпуса газовой турбины привода компрессора – не показано, для простоты), предпочтительнее конечно испарительного типа, как не требующей циркуляционного насоса и энергозатрат на его привод, а также дроссель-устройства и связанных с ним потерь энергии, но если зарубашечное пространство охлаждения рабочих цилиндров ДВС не позволит (слишком узкое и загромождено ребрами), то тогда с внешним парообразованием для выработки насыщенного пара и увеличения паропроизводительности УЧ, при параллельной работе системы с котельной установкой.

– Высокотемпературных секций – поз. 9 охладителя наддувочного воздуха после его сжатия в компрессоре – поз. 8, приводимой газовыпускной турбиной – поз. 7, после 9 воздух, как обычно, охлаждается в низкотемпературной секции – поз. 10 охладителя наддувочного воздуха, прокачиваемой холодной водой (не показано) и подается в 1, а 9 подогревает питательную воду, способствуя увеличению паропроизводительности УЧ в конечном счете.

– Масловодяного нагревателя (водомасляного охладителя) подогревающего добавочную воду подпитки УЧ, на возмещение утечек, продувок и т.д., маслом циркуляционной системы смазки СА, которая показана условно (как и УЧ). Цель работы данной системы, также, увеличение паропроизводительности УЧ (косвенное влияние).

Понять принцип действия СУ из схемы фиг. 2 несложно. Пар, полученный вышеизложенными способами в УЧ, подается в 2, где расширяется, и совершает дополнительную полезную работу, помогая ДВС – рабочий цилиндр – 1 возвратом части его тепловых потерь с помощью штока – 6, передающего суммированную таким образом механическую энергию далее, как отмечалось. Отработавший после ППМ – рабочий цилиндр – 2 пар возвращается в УЧ, где поступает в конденсатор и т.д., замыкая цикл ПСУ Ренкина.

Фиг. 3 – принципиальная схема устройства и действия СА с двухкратным расширением пара (при работе в составе СУ с УЧ, аналогичной по перечню используемых тепловых потерь схеме фиг. 2).

СА содержит две тандем-пары цилиндров, в каждой из которых по одному рабочему цилиндру ДВС-1, двухтактного длинноходного (S/D = 3) дизеля, с прямоточно-клапанной продувкой, одинаковых объемов, и по одному рабочему цилиндру ППМ, разных объемов, по ходу пара: высокого давления – поз. 11 – меньшего, и низкого давления – поз. 12 большего объема. Оба цилиндра ППМ, двойного действия, и с объемами, уменьшенными по сравнению с цилиндрами ДВС-1, за счет обоих измерений: и D и S, одновременно, что требует наличия механизмов уменьшения хода поршней ППМ, поскольку не предлагается – не показано. Между цилиндрами ППМ-11 и 12 по ходу пара установлен промежуточный ресивер – поз. 13 для обеспечения запуска из любого положения компаунд-машины при угле заклинки мотылей 180^o (или 90^o). В каждом из цилиндров ППМ размещено по одному поршню: в 11 – поз. 14, а в 12 – поз. 15, соответственно. В остальном СА устроен и действует, как в предыдущих схемах фиг. 1 и 2.

СУ работает следующим образом. ДВС, цилиндр – 1 запускается в ход одним из способов: сжатым воздухом, электростартером, или паром в ППМ, цилиндр – 2, для чего на схемах фиг. 2 и 3 предусмотрена подача пара от автономных источников (из вне) – вспомогательных паровых котлов, причем для схемы фиг. 3 это затруднительно из-за разности хода поршней ДВС и ППМ. Разгоняясь ДВС постепенно выходит на проектно-эксплуатационный режим нагрузки. По мере прогрева ДВС величина его тепловых потерь возрастаете УЧ начинает вырабатывать пар, также, постепенно увеличивая паропроизводительность до определенного момента, когда пар из УЧ подается в ППМ, рабочий цилиндр – 2 (или 11, 12 при двухкратном расширении), где пар совершает дополнительную полезную работу, возвращая таким образом ДВС часть его тепловых потерь в виде механической энергии движения возвратно-поступательной формы, общим поршневым штоком СА – 6. При этом значительно возрастают мощность и КПД СУ, по сравнению с ДВС, входящим в ее состав, при неизменном расходе топлива, т.е. улучшаются энергоэкономические и экологические показатели работы СУ и повышается ее надежность, в сравнении с примерами (1), (2) – СУ, также, состоящих из ДВС и ППМ, механически связанных в СА, и УЧ, преобразующей тепловые потери ДВС в пар для ППМ. Далее механическая энергия, суммированная штоком – 6 от рабочих цилиндров ДВС-1 и ППМ-2 (11, 12 при двухкратном расширении), этим же штоком передается далее, какому-либо промежуточному устройству, или непосредственно потребителю.

Для того, чтобы приблизительно оценить возможный эффект от применения изобретения, при конвертации ДВС в предлагаемую СУ с УЧ, комплексно использующей теплоту отработавших газов ДВС и его высокотемпературной охлаждающей воды, рассмотрим уравнение внешнего теплового баланса ДВС (дизеля с эффективным КПД – 40%).

Q = Q_р^нB = Q₁+Q₂+Q₃+Q₄+Q₅,
где Q – суммарный подвод тепла в ДВС с топливом;
Q^н_р – низшая теплотворная способность топлива;
B – расход топлива;
Q₁ – полезно используемая теплота – 40% (эффективный КПД _e = 0,4);
Q₂ – тепловая потеря с отработавшими газами – 30%;
Q₃ – теплота, отводимая в охлаждающую воду, – 15% (общая, без уточнений);
Q₄ – теплота, израсходованная на трение в узлах ДВС, – 10% (механический КПД _мех = 0,9);
Q₅ – тепловые потери, неучтенные уравнением: внешнего теплового баланса – 5%.

КПД утилизационного котла, принимаем _к = 0,5 (глубокая утилизация), тогда количество теплоты в паре, после котла составит (в долях от Q) Q’₂ = Q_{2 к} = 30%0,5 = 15%
Считая, что вся теплота Q₃ преобразуется в пар в системе высокотемпературного охлаждения ДВС, общее количество утилизированной теплоты, после котла и системы охлаждения, перед ППМ, представим:
Q₆ = Q’₂+Q₃ = 15%+15% = 30%
Индикаторный КПД ППМ, принимаем _i =0,6 (средний для двухкратного расширения пара), тогда полезная работа пара в ППМ составит:
L_i = Q’₆ = _i Q₆ = 0,630% = 18%
Механические потери на трение уже учтены: Q₄ и _мех значит эффективные мощность и КПД СА, предлагаемого изобретением (в составе СУ) возрастут, по сравнению с ДВС, до значения:
Q’₁ = Q₁+Q’₆ = 40%+18% = 58%,
т. е. почти в полтора раза, хотя некоторые потери, конечно, не учтены. Тем не менее, исходя из подобных расчетов, в зависимости от типа ДВС, мощность и КПД могут быть увеличены в предлагаемой СУ примерно в 1,2-2 раза, меньшие значения относятся к экономичным мало и среднеоборотным дизелям, а большие – высокооборотным, особенно с принудительным зажиганием, которые менее экономичны, обладают большими значениями доли тепловых потерь в уравнении баланса, а значит большей паропроизводительностью УЧ, о чем ранее говорилось, однако поскольку изначальные значения КПД таких ДВС ниже, то и результат от применения изобретения примерно тот же, что и для высокоэкономичных дизелей, т.е. эффективный КПД предлагаемой СУ составит, приблизительно, 60% (_e = 0,6), хотя в некоторых случаях при наиболее удачных: использовании тепловых потерь ДВС, и компоновках СА и СУ, возможно достижение и более высоких значений.

Вероятная область применения изобретения – самая широкая. Прежде всего на станциях: электрических, насосных, компрессорных и т.д. На транспорте, также, возможно для судов, тепловозов, а для автотракторной техники затруднительно из-за дефицита площадей (кубатуры) машинных отделений (моторных отсеков), и продолжительности неустановившихся режимов работы ДВС. Тем не менее для крупных дальнорейсовых автомобилей (грузовики, автобусы), где указанные препятствия устраняются (отчасти и полностью), применение изобретения вполне мыслимо, причем как с конденсационными установками, так и с выхлопом отработавшего пара в атмосферу, тем более, что как уже говорилось выше, утилизационный потенциал ДВС автотракторного типа весьма высок.

Основные недостатки: громоздкость СА, как впрочем всех тандем-машин, трудности в согласовании работы соседних (по тандему) цилиндров ДВС и ППМ (синхронизации газо- и парораспределения), необходимость автономной системы смазки рабочего цилиндра ДВС для СА всех предлагаемых СУ, вне зависимости от типа ДВС, как в мощных судовых дизелях (смазка разбрызгиванием исключается), что усложняет СА конструктивно, и вызывает необходимость постоянного расхода дорогостоящего цилиндрового масла.

Формула изобретения

1. Силовая установка, содержащая поршневой ДВС, паровую поршневую машину, связанные механически в силовой агрегат, и утилизационную часть, преобразующую тепловые потери ДВС в пар для паровой поршневой мащины, отличающаяся тем, что силовой агрегат состоит, по меньшей мере, из двух рабочих цилиндров, один из которых – рабочий цилиндр ДВС, а другой – рабочий цилиндр паровой поршневой машины, цилиндры расположены соосно и последовательно друг за другом, а между ними установлена перегородка, в каждом цилиндре размещено по одному поршню, которые соединены общим поршневым штоком, проходящим сквозь перегородку, суммирующим механическую энергию, полученную от обоих рабочих цилиндров, в форме возвратно-поступательного движения и передающим ее далее через промежуточное устройство или непосредственно потребителю.

2. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что рабочий цилиндр паровой поршневой машины по величине объема отличен от рабочего цилиндра ДВС.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.08.2005

Извещение опубликовано: 20.07.2006 БИ: 20/2006