СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F02G5/02 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям комбинированных силовых установок.

Известна конструкция устройства для использования энергии обработавших газов двигателя внутреннего сгорания ( патент ФРГ 2941902, кл F 02 G 5/02 от 4. 10. 78). Устройство содержит маховик, приводимый турбиной, работающей на отработавших газах двигателя, муфта включения расположена между газовой турбиной и маховиком. Маховик может соединяться с механической машиной посредством другой муфты включения.

Недостатком этой конструкции является высокий расход топлива, немноготопливность из-за низкой степени сжатия и отсутствие пневмораспыления топлива.

Известна конструкция компрессорного дизеля (Гагарин Е.И. Руднев С.В. Тепловые двигатели. М. Гос. науч.-техн. изд-во машиностроительной лит-ры, 1949. с. 282-288), состоящего из кривошипно-шатунного механизма, компрессора, баллона со сжатым воздухом, топливного насоса, пневмофорсунок и трубопроводов.

При многих преимуществах компрессорного дизеля, а именно многотопливность, низкая токсичность и высокие пусковые качества, из за высоких затрат мощности на привод механического компрессора это направление в двиготелестроении не получило дальнейшего развития.

Известна также конструкция комбинированной силовой установки ( патент ФРГ 3234 679, кл F 02 G 5/04 от 18.09.82.), выбранная в качестве прототипа, состоящая из любых, принципиально различных тепловых двигателей ( преимущественно используется карбюраторный двигатель и двигатель Стирлинга ). Карбюраторный двигатель и двигатель Стирлинга могут быть размещены в общем или в двух закрытых друг от друга корпусах и передавать свою мощность через соединяемый поток мощности или через два раздельных потока. Комбинированная силовая установка улучшает эффективность обычного теплового двигателя и особенно подходит для стационарной установки, например, генератор, локомотивный двигатель.

Недостатком известной конструкции является высокий расход топлива, который обусловлен несовершенным смесеобразованием в силовой установке и, как следствие этого, наличием высокой токсичности. Существенными недостатком является немноготопливность установки, которая следует также из несовершенства смесеобразования и применения низких степеней сжатия в двигателе. Низкая степень сжатия является к тому же причиной низких пусковых качеств, ее росту препятствует рост механических и термических нагрузок на детали двигателя.

Техническим результатом достигаемым изобретением является снижение расхода топлива, обеспечение многотопливности, низкой токсичности отработавших газов и улучшение пусковых качеств за счет повышения степени сжатия, совершенной системы смесеобразования путем использования тепла отработавших газов компрессорного дизеля.

Указанная цель достигается тем, что силовая установка содержит двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой дизель с компрессорным впрыском топлива, выхлопной коллектор которого сообщен с нагревателем головки двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга объединен с компрессором, т. е. представляет собой двигатель компрессор Стирлинга. Цилиндр компрессора связан трубопроводами с ресивером, а далее с пневмофорсунками компрессорного дизеля и с другими потребителями сжатого воздуха, например с тормозной системой, системой накачки шин, пневмоусилителями автомобиля.

Использование в компрессорном дизеле компрессора, приводимого от двигателя Стирлинга за счет тепла выбрасываемых в атмосферу отработавших газов, позволило устранить недостаток, послуживший в 30-е годы причиной отказа от использования этих двигателей. Этим недостатком является достаточно высокий процент потери полезной мощности компрессорного дизеля на механический привод компрессора.

В заявляемой силовой установке снижение расхода топлива является следствием использования тепла отработавших газов и пневмораспыления топлива. Пневмораспыление топлива в цилиндре компрессорного дизеля обеспечивает оптимальное перемешивание топлива с воздухом и, как следствие этого, полное сгорание топлива с минимальным количеством выброса токсичных веществ.

Многотопливность заявляемой силовой установки позволяет использовать до 71% топливных фракций нефти, тогда как в карбюраторных двигателях вместе взятых только 54% Многотопливность обеспечивается возможность создания высоких степеней сжатия в цилиндрах компрессорного дизеля, в 1,5-2 раза больше, чем в современных двигателях, без дополнительных механических и температурных нагрузок, действующих на детали двигателя. Следствием создания высоких степеней сжатия в компрессорном дизеле, являются также высокие пусковые качества силовой установки.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая силовая установка отличается от известной наличием нового узла термокомпрессора - компрессора, выполненного за одно целое с двигателем Стирлинга и их связью с компрессорным дизелем.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показало, что силовые установки с использованием в них тепла обработавших газов широко известны. Однако конструктивные отличия заявляемой силовой установки перечисленные выше, придают силовой установке новые свойства, а именно экономичность, многотопливность, низкая токсичность и улучшенные пусковые качества.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, включающей двигатель внутреннего сгорания с компрессорным впрыском топлива 1, выхлопной коллектор 2 которого сообщен с нагревателем головки двигателя Стирлинга 3, выполненного за одно целое с компрессором 4, связанным трубопроводами 5 с ресивером 6 далее с пневмофорсунками 7 компрессорного дизеля 1 и с другими потребителями сжатого воздуха 8, например тормозными системами, системами подкачки шин, пневмоусилителями автомобилей.

Силовая установка работает следующим образом: при работе двигателя внутреннего сгорания с компрессорным впрыском топлива 1, выхлопные газы по выхлопному коллектору 2 проходят к нагревателю головки двигателя Стирлинга 3, нагревая ее и обеспечивая тем самым работу двигателя Стирлинга, который выполнен по схеме свободно поршневого двигателя компрессора (фиг. 2, где 1-поршень, 2- вытеснитель, 3-нагреватель, 4-регенератор, 5-охладитель, 6- газовая пружина). Силовой элемент двигателя Стирлинга поршень, совершая возвратно-поступательное движение обеспечивает компрессор 4. Сжатый воздух по трубопроводу 5 поступает в ресивер 6, где он аккумулируется и по трубопроводам 5 поступает к пневмофорсункам 7. Пневмофорсунки 7 осуществляют пневмовпрыск топлива в цилиндры компрессорного дизеля 1, обеспечивая тем самым его работу. Из ресивера 6 воздух по трубопроводам 5 также (при необходимости) забирается и для других потребителей 8: тормозная система, система подкачки шин, пневмоусилители автомобиля.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: силовая установка содержит дизель с компрессорным впрыском топлива, выхлопной коллектор которого сообщен с нагревательной головкой двигателя Стирлинга; последний выполнен по схеме свободно - поршневого двигателя-компрессора и связан трубопроводами с ресивером и далее с пневмофорсунками компрессорного дизеля и другими потребителями сжатого воздуха. Использование компрессора, приводимого в движение от двигателя Стирлинга, позволило утилизировать тепло отработавших газов, исключив высокий процент потерь полезной мощности на механический привод компрессора. 2 ил.

Силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, выхлопной коллектор которого сообщен с нагревательной головкой двигателя Стирлинга, отличающаяся тем, что в качестве двигателя внутреннего сгорания используется дизель с компрессорным впрыском топлива, а двигатель Стирлинга выполнен по схеме свободно-поршневого двигателя-компрессора, при этом силовая установка снабжена воздушным ресивером и трубопроводами для питания пневмофорсунок дизеля и других потребителей сжатого воздуха.