СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОМОБИЛЯ Российский патент 1999 года по МПК B60K3/00 

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автобусах и иных пассажирских и грузопассажирских автомобилях, эксплуатирующихся преимущественно в городских условиях.

Использование парового двигателя в силовых установках для автомобилей рассматривается как альтернатива поршневому двигателю внутреннего сгорания, так как такая замена обеспечивает существенное снижение содержания токсичных веществ в выхлопных газах силовой установки, поскольку циклическое сгорание топлива в цилиндрах поршневого двигателя заменяется на стационарное горение топлива в парогенераторе.

Известна силовая установка для автомобиля, содержащая паровой двигатель с замкнутым паровым контуром с парорасширительной поршневой машиной, связанной через механическую трансмиссию с колесами автомобиля. В паровом контуре указанной силовой установки последовательно установлены водяной бак, питательный насос, однотрубный парогенератор, поршневая парорасширительная машина, теплообменник-рекуператор и охлаждаемый воздухом конденсатор (см. патент США N 3818699, кл. 60/665, F 22 D 1/28, 1974). Система регулирования парогенератора обеспечивает достаточную приемистость силовой установки, чтобы удовлетворять эксплуатационным требованиям городского транспорта. В данной силовой установке автор для преобразования энергии пара в механическую энергию и передачи ее на колеса пошел по стандартному пути использования кривошипно- шатунной поршневой машины и механической трансмиссии, что снижает эффективность использования силовой установки.

Известна также силовая установка для автомобиля, разработанная фирмой SAAB (Швеция). Установка содержит паровой двигатель с замкнутым паровым контуром с парорасширительной роторной лопастной машиной, связанной через механическую трансмиссию с колесами автомобиля. В паровом контуре указанной силовой установки последовательно установлены водяной бак, питательный насос, парогенератор, роторная парорасширительная машина, теплообменник-рекуператор и охлаждаемый воздухом конденсатор (см. The hot spot. "Light steam power". Vol. 24, N 3, p. 178-182, 1975). Данная силовая установка имеет приемлемые экономические характеристики и хорошие экологические параметры. Так же, как и в предыдущем примере, разработчики пошли по стандартному пути использования механической трансмиссии, что увеличило вес силовой установки и сделало ее неконкурентноспособной по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является силовая установка для автомобиля, разработанная австралийским инженером E.Pritchard и описанная в статье: The steam car - fact and fantasy. "Light steam power". Vol. 21, N 2, p. 58-65, 1972. Силовая установка содержит паровой двигатель с замкнутым паровым контуром с парорасширительной V-образной двухцилиндровой кривошипно-шатунной поршневой машиной двойного действия, связанной через механическую трансмиссию с колесами автомобиля. В паровом контуре указанной силовой установки последовательно установлены водяной бак, питательный насос, однотрубный парогенератор, поршневая парорасширительная машина, теплообменник-рекуператор и охлаждаемый воздухом конденсатор. Использование парорасширительной поршневой машины двойного действия дало возможность существенно улучшить моментные характеристики силовой установки на запуске и при трогании автомобиля с места. В данной силовой установке лучше используется объем цилиндров, поскольку двухцилиндровая парорасширительная машина эквивалентна по рабочему объему простому четырехцилиндровому двигателю, но имеет меньший вес. Однако использование кривошипно-шатунного механизма и механической трансмиссии существенно увеличивает вес силовой установки и снижает ее эффективность за счет потерь в трансмиссии и сложности в управлении скоростью движения. Кроме этого, кривошипно-шатунный механизм требует высокой точности изготовления его деталей, что снижает технологичность установки.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание силовой установки для автомобиля с использованием парового двигателя с широким регулированием диапазона потребляемой мощности с сохранением номинального удельного расхода топлива и с повышенной эффективностью передачи механической энергии от парового двигателя к колесам автомобиля. Дополнительной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание силовой установки для автомобиля с повышенной технологичностью изготовления и меньшей стоимостью. Еще одной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание силовой установки для автомобиля с повышенной эффективностью при использовании его в городских условиях, где требуются частые изменения скорости, остановки и повторные трогания автомобиля с места.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в силовой установке для автомобиля, содержащей паровой двигатель с замкнутым паровым контуром, в котором последовательно установлены водяной бак, питательный насос, парогенератор, многоцилиндровая поршневая парорасширительная машина двойного действия и охлаждаемый воздухом конденсатор, и трансмиссию, соединяющую парорасширительную машину с ведущими колесами автомобиля, согласно заявляемому изобретению трансмиссия выполнена гидравлической с замкнутым гидравлическим контуром, включающим бак с рабочей жидкостью, реверсивные обратимые гидромоторы по числу ведущих колес автомобиля и поршневые насосы двойного действия по числу цилиндров парорасширительной машины, при этом указанные поршневые насосы установлены тандемно с цилиндрами парорасширительной машины, а поршни парорасширительной машины соединены с соответствующими поршнями насосов гидротрансмиссии прямоходовыми штоками.

Кроме этого, реверсивные обратимые гидромоторы могут быть установлены в ступицах ведущих колес автомобиля, образуя с ними мотор-колеса.

Силовая установка может быть снабжена гидравлическим рекуператором энергии, подключенным к магистрали высокого давления гидротрансмиссии.

Сущность изобретения заключается в том, что введение в силовую установку гидравлической трансмиссии с реверсивными обратимыми гидромоторами и поршневыми насосами двойного действия по числу цилиндров парорасширительной машины дает возможность установить поршневые насосы тандемно с цилиндрами парорасширительной машины и напрямую соединить их поршни с поршнями парорасширительной машины прямоходовыми штоками. Это дает возможность управлять мощностью двигателя, изменяя количество одновременно работающих цилиндров парорасширительной машины и поршневых насосов, поддерживая эту мощность наиболее близкой к потребляемой в соответствии с характером движения автомобиля. Поддержание равенства или близкого соответствия указанных мощностей обеспечивает работу силовой установки на номинальных режимах по удельному расходу топлива во всем диапазоне регулирования мощности силовой установки. Использование гидравлической трансмиссии позволяет уменьшить потери на трение, характерные для механических трансмиссий. Непосредственное соединение поршней насосов гидротрансмиссии с поршнями парорасширительной машины прямоходовыми штоками позволит отказаться от кривошипно-шатунного механизма и существенно повысить технологичность силовой установки.

Снабжение силовой установки гидравлическим рекуператором энергии, подключенным к магистрали высокого давления гидротрансмиссии, обеспечивает повышенную эффективность при использовании его в городских условиях, так как позволяет накапливать энергию при торможении и отдавать ее при разгоне. При этом не требуется существенных изменений в гидравлической трансмиссии.

Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в снижении удельного расхода топлива при эксплуатации автомобиля, особенно в городских условиях.

Заявителю неизвестны силовые установки для автомобилей с указанной совокупностью существенных признаков и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, что подтверждает соответствие заявляемого изобретения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На чертеже изображена блок-схема предлагаемой силовой установки.

Силовая установка для автомобиля содержит паровой двигатель с замкнутым паровым контуром. Паровой контур имеет парогенератор 1, вырабатывающий перегретый пар высокого давления, который по паропроводу 2 высокого давления через отсечной клапан 3 подается в многоцилиндровую поршневую парорасширительную машину 4 двойного действия. Отработанный пар отводится по паропроводу 5 низкого давления через рекуперативный теплообменник 6 и охлаждаемый воздухом конденсатор 7, где переходит в жидкое состояние, и сливается в водяной бак 8. Для интенсификации охлаждения конденсатора 7 используется вентилятор 9. Вода из водяного бака 8 с помощью питательного насоса 10 возвращается в парогенератор 1 через рекуперативный теплообменник 6. В упрощенном варианте исполнения рекуперативный теплообменник 6 может отсутствовать. Каждый цилиндр 11 оснащен управляемыми клапанами-переключателями 12 и 13, установленными соответственно на подводящих и отводящих паропроводах. Парогенератор имеет корпус с камерой сгорания 14, в которой размещены последовательно соединенные два змеевика 15 и 16. При прокачке через змеевики 15 и 16 вода превращается в пар, который поступает в паропровод 2 высокого давления. Для интенсификации процессов парогенератор оснащен вентилятором 17, а поступающий воздух предварительно проходит через теплообменник 18, обдуваемый выхлопными газами. Парогенератор имеет также теплообменник 19 для предварительного нагрева топлива перед подачей его в форсуночный коллектор 20. Расход топлива регулируется клапаном 21.

Силовая установка имеет гидравлическую трансмиссию для привода ведущих колес 22 автомобиля. Гидравлическая трансмиссия имеет замкнутый контур. Рабочая жидкость прокачивается через контур поршневыми насосами 23 двойного действия, число которых соответствует количеству цилиндров 11 парорасширительной машины. Поршневые насосы 23 установлены тандемно с цилиндрами парорасширительной машины. Поршни 24 парорасширительной машины соединены с соответствующими поршнями 25 насосов 23 прямоходовыми штоками 26. На выходе и на входе в цилиндры поршневых насосов на магистралях высокого 27 и низкого 28 давления установлены соответственно клапаны-переключатели 29 и 30. К магистрали 27 высокого давления через клапан-переключатель 31 подключены встроенные в ступицы ведущих автомобильных колес 22 обратимые гидроприводы 32 (например, гидропривод МРО-1,6 конструкции НАТИ или гидропривод МРФ-400 разработки Людиновского автобусного завода), образуя с ними мотор-колеса. Отработавшая жидкость сливается через клапан-переключатель 33 по трубопроводу 34 в емкость 35 и по магистрали 28 низкого давления возвращается в поршневые насосы 23.

Силовая установка оснащена гидравлическим рекуператором энергии, выполненным в виде поршневого гидроаккумулятора 36, подключенного к магистрали 27 высокого давления через клапан-переключатель 37.

Силовая установка имеет вспомогательный гидропривод 38 для вращения генератора 39, вырабатывающего электроэнергию для освещения салона автобуса и привода вспомогательных агрегатов, например электромоторов 40, 41 и 42, вращающих соответственно питательный насос 10 и вентиляторы 9 и 17. Паровой контур установки оснащен байпасным трубопроводом 43 с клапаном 44, соединяющим выход из змеевика 16 с паропроводом 5 низкого давления.

Предлагаемая силовая установка работает следующим образом. Питательный насос 10 забирает воду из водяного бака 8 и подает ее в змеевики 15 и 16, где вода превращается в пар высокого давления. Пар по паропроводу 2 высокого давления через отсечной клапан 3 и клапаны-переключатели 12 подается в цилиндры 11 парорасширительной машины 4. Расширяясь, пар перемещает поршни 24. Развиваемое усилие через штоки 26 передается на поршни 25 насосов 23, которые через клапаны-переключатели 29 нагнетают рабочую жидкость, например силиконовое масло, в магистраль 27 высокого давления. Рабочая жидкость под высоким давлением подается через клапан-переключатель 31 в обратимые гидроприводы 32, встроенные в ступицы ведущих колес 22. Отработавшая жидкость сливается по трубопроводу 34 в емкость 35 и возвращается по магистрали 28 низкого давления через клапаны-переключатели 30 в поршневые насосы 23. Часть рабочей жидкости подается в гидропривод 38, который вращает генератор 39, вырабатывая электроэнергию для вспомогательных систем, в частности электромоторов 40, 41 и 42 для привода питательного насоса 10, вентилятора 9 для обдува конденсатора 7 и вентилятора 17 в парогенераторе 1.

При торможении автомобиля обратимые гидроприводы 32 работают в режиме насоса и нагнетают рабочую жидкость из емкости 35 через клапан-переключатель 37 в поршневой гидроаккумулятор 36, преобразуя кинетическую энергию движущегося автомобиля в потенциальную энергию жидкости при высоком давлении. При разгоне автомобиля рабочая жидкость из гидроаккумулятора прокачивается через гидроприводы 32, возвращая запасенную энергию и повышая экономичность силовой установки. Повышению экономичности силовой установки способствует наличие теплообменников 18 и 19 для нагрева воздуха и топлива теплом выхлопных газов, а также теплообменника 6 для предварительного нагрева воды отработанным паром.

Мощность силовой установки определяется расходом пара, его давлением и температурой и может регулироваться изменением расходов воды и топлива. Количество задействованных цилиндров 11 парорасширительной машины 4 определяется потребной мощностью и может изменяться. На холостом ходу часть пара перепускается по байпасному трубопроводу 43, что позволяет удерживать оптимальный режим работы парогенератора.

Заявляемое изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость.

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автобусах и иных пассажирских и грузопассажирских автомобилях, эксплуатирующихся преимущественно в городских условиях. Силовая установка содержит паровой двигатель с замкнутым паровым контуром, в котором последовательно установлены водяной бак, питательный насос, парогенератор, многоцилиндровая поршневая парорасширительная машина двойного действия и охлаждаемый воздухом конденсатор, трансмиссию, соединяющую парорасширительную машину с ведущими колесами автомобиля. Трансмиссия выполнена гидравлической с замкнутым гидравлическим контуром, включающим бак с рабочей жидкостью, реверсивные обратимые гидромоторы по числу ведущих колес автомобиля и поршневые насосы двойного действия по числу цилиндров парорасширительной машины, при этом поршневые насосы установлены тандемно с цилиндрами парорасширительной машины, а поршни последней соединены с соответствующими поршнями насосов гидротрансмиссии прямоходовыми штоками. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении эффективности передачи механической энергии от парового двигателя к колесам автомобиля. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Силовая установка для автомобиля, содержащая паровой двигатель с замкнутым паровым контуром, в котором последовательно установлены водяной бак, питательный насос, парогенератор, многоцилиндровая поршневая парорасширительная машина двойного действия и охлаждаемый воздухом конденсатор, и трансмиссию, соединяющую парорасширительную машину с ведущими колесами автомобиля, отличающаяся тем, что трансмиссия выполнена гидравлической с замкнутым гидравлическим контуром, включающим бак с рабочей жидкостью, реверсивные обратимые гидромоторы по числу ведущих колес автомобиля и поршневые насосы двойного действия по числу цилиндров парорасширительной машины, при этом указанные поршневые насосы установлены тандемно с цилиндрами парорасширительной машины, а поршни парорасширительной машины соединены с соответствующими поршнями насосов гидротрансмиссии прямоходовыми штоками. 2. Силовая установка для автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что реверсивные обратимые гидромоторы установлены в ступицах ведущих колес автомобиля, образуя с ними мотор-колеса. 3. Силовая установка для автомобиля по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она снабжена гидравлическим рекуператором энергии, подключенным к магистрали высокого давления гидротрансмиссии.