СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F02G5/04 F01K23/02 F01K23/14 

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/D≅1, 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/D≥2, 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/D≅1 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^н•B = 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 η_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 η_мех = 0,9);
Q₅ - тепловые потери, неучтенные уравнением: внешнего теплового баланса - 5%.

КПД утилизационного котла, принимаем η_к = 0,5 (глубокая утилизация), тогда количество теплоты в паре, после котла составит (в долях от Q) Q'₂ = Q₂• η_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 η_i =0,6 (средний для двухкратного расширения пара), тогда полезная работа пара в ППМ составит:
L_i = Q'₆ = η_i •Q₆ = 0,6•30% = 18%
Механические потери на трение уже учтены: Q₄ и η_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% (η_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.

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.

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.