СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F02G5/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к силовым установкам с двигателям внутреннего сгорания с охлаждением масла.

Известен двигатель внутреннего сгорания, включающий систему охлаждения и смазочную систему, содержащую масляный радиатор, устанавливаемый впереди радиатора системы охлаждения и представляющий собой оребренную алюминиевую трубку. Радиатор охлаждает масло, прокачиваемое секцией смазочного насоса из картера двигателя. (Автомобиль ЗИЛ-131 и его модификации: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М. Воениздат, 1983, с. 44-50).

В описанном двигателе охлаждение масла производится потоком воздуха, создаваемым при вращении вентилятора системы охлаждения, приводимого от коленчатого вала двигателя, и встречным потоком воздуха, возникающим при движении автомобиля. Вследствие этого значительно снижается мощность и экономичность двигателя, так как для привода вентилятора системы охлаждения используется до 6% эффективной мощности двигателя, из которой до 30% используется для охлаждения масла. При этом возможно достижение запредельной теплонапряженности деталей и отказ двигателя вследствие установки двигателя в моторном отсеке, не имеющем достаточной продувки встречным потоком воздуха, возникающим при движении автомобиля, и снижения интенсивности охлаждения масла в воздушномасляном радиаторе.

Известен двигатель внутреннего сгорания, система охлаждения которого включает теплообменник, встроенный на начальном участке трубопровода для отвода воды из двигателя внутреннего сгорания в радиатор. Теплообменник представляет собой водомасляный радиатор. (Патент США N 4545334, МКИ F 01 P 11/08, опублик. 08.10.1985 г.).

В качестве теплообменника для охлаждения масла системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания применяется водомасляный радиатор с многоходовым поперечным током масла и прямым током воды, обеспечивающий интенсификацию теплообмена. (А.с. СССР N 1523873, МКИ4 F 28 D 9/10, заяв. 26.12.87 г.)
В описанных двигателях внутреннего сгорания обеспечивается интенсификация теплообмена масла из смазочной системы двигателя с окружающей средой, но не снижается теплонапряженность деталей двигателя внутреннего сгорания, так как температура охлажденного масла не может быть ниже температуры охлаждающей жидкости в теплообменнике, расположенном на выходе из системы охлаждения, что особенно важно для форсированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей внутреннего сгорания, расположенных в моторных отсеках, не имеющих достаточной продувки встречным потоком охлаждающего воздуха при движении автомобиля. Кроме того, значительно снижается экономичность двигателя внутреннего сгорания вследствие включения в систему охлаждения двигателя водомасляного теплообменника, повышающего температуру охлаждающей жидкости и увеличивающего затраты мощности на привод вентилятора, создающего поток воздуха через радиатор системы охлаждения.

Известна силовая установка, состоящая из любых, принципиально различных двигателей с комбинированным приводом. Преимущественно используются карбюраторный двигатель и двигатель Стирлинга, которые отдают свою энергию отбора мощности через сосредоточение отбора мощности или через два раздельных отбора мощности. Комбинированный привод улучшает эффективность обычного теплового двигателя и особенно подходит для стационарных силовых установок. (Патент ФРГ N 3234679, МКИ F 02 G 5/04, опубл. 18.09.92 г.)
В описанной силовой установке двигатель Стирлинга используется для передачи дополнительной мощности потребителю через комбинированную передачу. При этом не только не решается проблема снижения тепловой напряженности деталей двигателя внутреннего сгорания, но еще усложняется, так как возникает проблема охлаждения самого двигателя Стирлинга, повышающая тепловую напряженность деталей двигателя внутреннего сгорания и нагрузку на его систему охлаждения, что не позволяет существенно повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания, так как дополнительно вырабатываемая в двигателе Стирлинга мощность передается через комбинированный привод потребителю.

Задача изобретения повышение надежности силовой установки путем снижения тепловой напряженности деталей двигателя внутреннего сгорания и повышение ее экономичности.

Поставленная задача достигается тем, что силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, связанный посредством выпускного газопровода с двигателем Стирлинга, снабжена хладогенератором, выполненным в виде обращенного двигателя Стирлинга в едином блоке с ним, с V-образным или оппозитным расположением цилиндров, причем в головке цилиндра хладогенератора установлен теплообменник, соединенный трубопроводами со смазочной системой двигателя внутреннего сгорания и с системой охлаждения двигателя Стирлинга.

При этом для улучшения компоновки силовой установки головка цилиндра двигателя Стирлинга связана с выпускным газопроводом двигателя внутреннего сгорания тепловой трубой.

Отличительными признаками изобретения являются следующие:
выполнение двигателя Стирлинга и хладогенератора в одном блоке;
включение теплообменника хладогенератора в смазочную систему двигателя внутреннего сгорания вместо радиатора;
включение теплообменника хладогенератора в систему охлаждения двигателя Стирлинга вместо дополнительной секции радиатора системы охлаждения.

Оборудование силовой установки двигателя Стирлинга с подводом теплоты от отработавших газов из выпускной системы двигателя внутреннего сгорания и хладогенератором с теплообменником, включенным в смазочную систему двигателя внутреннего сгорания и систему охлаждения двигателя Стирлинга, позволяет снизить тепловую напряженность деталей двигателя внутреннего сгорания путем охлаждения масла в смазочной системе до более низкой температуры, обеспечиваемой хладогенератором. Одновременно исключается влияние скорости движения автомобиля на эффективность охлаждения масла в теплообменнике, а также повышается экономичность силовой установки за счет использования теплоты отработавших газов и уменьшения затрат мощности на привод вентилятора системы охлаждения вследствие отсутствия радиатора в смазочной системе и устранения необходимости подключения системы охлаждения двигателя Стирлинга в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания.

Изобретение поясняется схемой силовой установки, где на фиг. 1 показана схема силовой установки с размещением двигателя Стирлинга в выпускном газопроводе двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 показана схема силовой установки с размещением двигателя Стирлинга вне выпускного газопровода двигателя внутреннего сгорания.

Силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, в выпускном газопроводе 2 которого установлена головка 3 цилиндра двигателя Стирлинга 4. Хладогенератор 5 размещен в общем герметичном корпусе 6 с двигателем Стирлинга 4 и имеет общий кривошипно-шатунный механизм 7. В головке 8 хладогенератора 5 выполнен теплообменник 9, соединенный маслопроводами 10 со смазочной системой двигателя внутреннего сгорания 1 и трубопроводами 11 с системой охлаждения двигателя Стирлинга 4.

В случае установки двигателя Стирлинга 4 отдельно от выпускного газопровода 2 двигателя внутреннего сгорания 1 (фиг.2) головка 3 двигателя Стирлинга 4 связана с выпускным газопроводом 2 двигателя внутреннего сгорания 1 посредством тепловой трубы 12.

При работе двигателя внутреннего сгорания 1 отработавшие газы в выпускном газопроводе 2 нагревают головку 3 двигателя Стирлинга 4. При установке двигателя Стирлинга 4 отдельно от выпускного газопровода 2 двигателя внутреннего сгорания 1 теплота от отработавших газов в выпускном газопроводе 2 передается к головке 3 двигателя Стирлинга 4 не непосредственно, а через тепловую трубу 12. По мере нагрева головки 3 двигатель Стирлинга 4 начинает работать и через кривошипно-шатунный механизм 7, размещенный в общем корпусе 6, приводит в действие хладогенератор 5. При этом масло, циркулирующее в смазочной системе двигателя внутреннего сгорания 1, прокачивается по маслопроводам 10 через теплообменник 9, выполненный в головке 8 хладогенератора 5, охлаждаясь в нем, и сливается по маслопроводам 10 в картер двигателя внутреннего сгорания 1. Охлаждающая жидкость, циркулирующая в системе охлаждения двигателя Стирлинга 4, по трубопроводам 11 также прокачивается через теплообменник 9, охлаждаясь в нем.

Описанная схема силовой установки позволяет повысить надежность силовой установки путем снижения тепловой напряженности деталей двигателя внутреннего сгорания при более глубоком охлаждении масла в смазочной системе двигателя внутреннего сгорания и одинаково эффективно охлаждать масло в смазочной системе независимо от компоновки моторного отсека на машине, так как это не влияет на охлаждение масла в теплообменнике хладогенератора, что невозможно было осуществить в известных ранее конструкциях либо требовало значительного увеличения затрат мощности двигателя внутреннего сгорания на привод вентилятора системы охлаждения и, следовательно, снижения экономичности двигателя внутреннего сгорания.

Использование теплоты отработавших газов для нагрева головки двигателя Стирлинга, приводящего в действие хладогенератор, позволяет повысить эффективный КПД двигателя внутреннего сгорания за счет более глубокого охлаждения рабочего тела в нем. Использование энергии, полученной в двигателе Стирлинга, позволяет уменьшить затраты мощности на привод вентилятора системы охлаждения вследствие исключения из смазочной системы теплообменника, охлаждаемого потоком воздуха, создаваемым вентилятором системы охлаждения, и более глубокого охлаждения масла в теплообменнике, установленном в головке хладогенератора.

Выполнение двигателя Стирлинга и хладогенератора в одном герметичном корпусе позволяет существенно повысить эффективность и надежность этого агрегата, так как отсутствует механическая передача для их взаимосвязи и утечки рабочего тела из корпуса агрегата. Такая конструкция позволяет использовать хладогенератор для охлаждения масла в смазочной системе двигателя внутреннего сгорания и для охлаждения двигателя Стирлинга.

Таким образом, оснащение двигателя внутреннего сгорания двигателем Стирлинга и хладогенератором, описанными выше, придает силовой установке новые конструктивные особенности, неизвестные из других технических решений. Эти особенности состоят в том, что силовая установка снабжена хладогенератором, выполненным в виде обращенного двигателя Стирлинга и в едином герметичном блоке с ним, причем в головке цилиндра хладогенератора установлен теплообменник, соединенный трубопроводами со смазочной системой двигателя внутреннего сгорания и с системой охлаждения двигателя Стирлинга. Это, в свою очередь, позволяет повысить надежность силовой установки путем снижения тепловой напряженности деталей двигателя внутреннего сгорания за счет более глубокого охлаждения масла в смазочной системе до более низкой температуры, обеспечиваемой хладогенератором, и исключения влияния скорости движения автомобиля на эффективность охлаждения масла в теплообменнике, а также повысить экономичность силовой установки за счет использования теплоты отработавших газов и уменьшения затрат мощности на привод вентилятора системы охлаждения вследствие отсутствия радиатора в смазочной системе и устранения необходимости подключения системы охлаждения двигателя Стирлинга в систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания и тем самым достичь цели изобретения.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, связанный посредством выпускного газопровода с двигателем Стирлинга, снабжен хладогенератором, выполненным в виде обращенного двигателя Стирлинга в едином блоке с ним, с V- образным или оппозитным расположением цилиндров, причем в головке цилиндра хладогенератора установлен теплообменник, соединенный трубопроводами со смазочной системой двигателя внутреннего сгорания и с системой охлаждения двигателя Стирлинга. При этом для улучшения компоновки силовой установки головка цилиндра двигателя Стирлинга связана с выпускным газопроводом двигателя внутреннего сгорания тепловой трубой. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, связанный посредством выпускного газопровода с двигателем Стирлинга, отличающаяся тем, что силовая установка снабжена хладогенератором, выполненным в виде обращенного двигателя Стирлинга в едином блоке с ним, причем в головке цилиндра хладогенератора установлен теплообменник, соединенный трубопроводами со смазочной системой двигателя внутреннего сгорания и с системой охлаждения двигателя Стирлинга. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что головка цилиндра двигателя Стирлинга связана тепловой трубой с выпускным газопроводом двигателя внутреннего сгорания.