Система комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к силовым установкам, работающим совместно с двигателем внутреннего сгорания. Технический результат - повышение эффективности работы системы, повышение ее КПД с использованием энергии отработанных газов, при простоте конструкции и компактном размещении узлов. Предложенная система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор 1 и комбинированный двигатель, состоящий из рабочей части 3, пневматической части 4 и компрессорной части 5. Каждая из частей имеет цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного и выпускного коллектора, с клапанным механизмом. Пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5 связаны общим первым коленчатым валом 6. Рабочая часть 3 включает второй коленчатый вал, на выходе которого установлена вторая шестерня 12, связанная жесткой передачей 13 с первой шестерней 11, установленной на выходе первого коленчатого вала 6. При этом выход турбокомпрессора 1, по трубопроводу нагнетающего воздух, связан со впуском компрессорной части 5, а выпуск компрессорной части 5 связан с впуском рабочей части 3. Выпуск рабочей части 3, содержащей выхлопные газы, связан с впуском пневматической части 4, а выход пневматической части 4 связан со входом турбокомпрессора 1. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к силовым установкам, работающим совместно с двигателем внутреннего сгорания, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов.
В настоящее время конструкция двигателей внутреннего сгорания и систем на их основе не претерпевает существенных изменений и достигла пика своего эволюционного развития, однако задачи по повышению мощности, КПД, эффективности работы устройств на их основе, стоят как никогда остро, в связи с постоянным поднятием цен на топливо и его образующемся дефиците во многих районах на планете.
Известна силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания с системами впуска наддувочного воздуха и выпуска отработавших газов, турбокомпрессор первой ступени, воздушный теплообменник первой ступени, механический компрессор второй ступени с приводным электродвигателем и систему автоматического регулирования параметров наддува с устройствами регулирования компрессоров, размещенными в байпасах, (см. патент US 7246490, 24.07.2007).
Электрический привод в данном известном решении выполнен со сложной автоматической регулировкой параметров наддува, при этом средства поддержания теплового состояния (температуры) и давления воздуха во второй ступени выполнены только путем поддержания динамики вращения механического компрессора. Кроме того, данная установка имеет низкую эффективность и КПД за счет неполного задействия энергии отработанных газов, имеет сложную конструкцию.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы является решение, по патенту RU 2600842 С2, 27.10.2016, где двигательная установка, содержит:
двигатель внутреннего сгорания (ДВС), имеющий впускную линию и выпускну.линию,
- компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, установленные в упомянутой впускной линии по ходу потока воздуха,
- турбину высокого давления и турбину низкого давления, установленные в упомянутой выпускной линии по ходу потока газов,
- первый перепускной механизм для обхода упомянутого компрессора высокого давления, упомянутая турбина высокого давления соединена с валом упомянутого компрессора низкого давления, а упомянутый компрессор высокого давления приводится в действие упомянутой турбиной низкого давления и/или упомянутым двигателем.
Данная установка также имеет сложную конструкцию, низкую эффективность и КПД за счет неполного задействия энергии отработанных газов.
Целью заявленного изобретения является устранение недостатков известных комбинированных силовых систем.
В основу предложенного изобретения поставлена задача доработки конструкции комбинированной силовой установки, устраняющую известные недостатки аналогов.
Техническим результатом является повышение эффективности работы системы, повышение ее КПД с использованием энергии отработанных газов, при простоте конструкции и компактном размещении узлов.
Данный результат достигается тем, что система комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами включает турбокомпрессор и комбинированный двигатель, состоящий из рабочей части, работающей в четырехтактном режиме, пневматической части, работающей в двухтактном режиме, и компрессорной части, работающей в двухтактном режиме, каждая из которых имеет цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного (впуск) и выпускного (выпуск) коллектора, с клапанным механизмом,
рабочая часть, пневматическая часть и компрессорная часть объединены системой трубопроводов, пневматическая часть и компрессорная часть связаны общим первым коленчатым валом, при этом рабочая часть включает второй коленчатый вал, на выходе которого установлена вторая шестерня, связанная жесткой передачей с первой шестерней, установленной на выходе первого коленчатого вала,
при этом, выход турбокомпрессора, по трубопроводу нагнетающего воздух, связан с впуском компрессорной части, а выпуск компрессорной части связан с впуском рабочей части,
выпуск рабочей части, содержащей выхлопные газы, связан с впуском пневматической части, а выход пневматической части, связан с входом турбокомпрессора.
Жесткая передача является цилиндрической зубчатой передачей.
Первая шестерня первого коленчатого вала и вторая шестерня второго коленчатого вала, вместе с жесткой передачей, обеспечивают передаточное число равное i=3,4 с отклонением не более 10%.
На конце первого коленчатого вала расположен выходной вал.
Комбинированный двигатель, состоящий из рабочей части, пневматической части и компрессорной части, объединен в одном едином корпусе.
Далее, принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг. 1, где изображена предпочтительная система комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами, где
1 - турбокомпрессор;
2 - комбинированный двигатель;
3 - рабочая часть;
4 - пневматическая часть;
5 - компрессорная часть;
6 - первый коленчатый вал;
7 - второй коленчатый вал;
8 - система впускного коллектора (впуск);
9 - система выпускного коллектора (выпуск);
10 - выходной вал;
11 - первая шестерня;
12 - вторая шестерня;
13 - жесткая передача.
Система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор 1. Турбокомпрессор 1 включает вход и выход (на чертеже не обозначены). Турбокомпрессор служит для забора воздуха и направление его в соответствующий узел комбинированного двигателя 2.
Комбинированный двигатель 2 состоит из рабочей части 3, работающей в четырехтактном режиме, пневматической части 4, работающей в двухтактном режиме и компрессорной части 5, работающей в двухтактном режиме, каждая из которых имеет цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра (ГБЦ) с системой впускного (впуск) 8 и выпускного 9 (выпуск) коллектора с клапанным механизмом. Предпочтительно, все три части 3-5 объединить в одном едином корпусе, что дополнительно обеспечивает компактное размещение узлов системы, а также возможность использовать жесткую передачу 13 на общей вертикальной стенке корпуса, что исключает возможные смещения узлов передачи вращения относительно друг друга и простоту конструкции.
Рабочая часть 3, комбинированного двигателя 2 представляет собой двигатель внутреннего сгорания со всеми его конструктивными составляющими. Рабочая часть 3 в своей основе включает ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска 8 и выпуска 9 с клапанными механизмами. Рабочий объем "V" рабочей части 3 выбирается в соответствии с объемами рабочих частей компрессорной и пневматической частей. Подробно же раскрывать конструкцию рабочей части 3 нет необходимости, поскольку конструкция рабочей части 3, выполненной как двигатель внутреннего сгорания, как таковой, не является объемом охраны данной заявки.
Пневматическая часть 4, представляет собой блок, работающий в двухтактном режиме и имеющий в своей основе ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска 8 и выпуска 9 воздуха/газов с соответствующими впускными и выпускными клапанными механизмами (тарельчатые клапаны).
Рабочий объем пневматической части 4 "Vп" предпочтительно рассчитывается по формуле:
Vп=3 V, где
V - рабочий объем рабочей части 3;
Компрессорная часть 5 также выполнена в виде блока воздушного компрессора, работающего в двухтактном режиме и имеющего в своей основе ЦПГ, а также ГБЦ с системой впуска 8 и выпуска 9 с соответствующими впускными и выпускными клапанными механизмами, предназначенными для работы с воздухом/газом. Впускные клапаны - любые, например, тарельчатые, выпускные - лепестковые или пластинчатые.
Рабочий объем компрессорной части 5 "Vк" предпочтительно рассчитывается по формуле:
Vк=V, где
V - рабочий объем рабочей части 3;
Рабочая часть 3, пневматическая часть 4, и компрессорная часть 5 комбинированного двигателя 2, объединены системой трубопроводов. Пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5 связаны общим первым коленчатым валом 6. Первый коленчатый вал 6 проходит через указанные две части 4, 5 комбинированного двигателя 2. На конце первого коленчатого вала 6 расположен выходной вал 10, перед которым может быть установлена, например КПП, вариатор или другие механизмы изменения скорости вращения. С другой стороны на коленчатый вал 6 установлена первая шестерня 11 для взаимосвязи со вторым коленчатым валом 7 через жесткую передачу 13.
Рабочая часть 3 включает второй коленчатый вал 7. На выходе второго коленчатого вала 7 установлена вторая шестерня 12. Данная шестерня 12 связана жесткой передачей 13 с первой шестерней 11, установленной на выходе первого коленчатого вала 6. Жесткая передача 13 является, например цилиндрической зубчатой передачей или иным механизмом передачи вращения с одного вала на другой.
Первая шестерня 11 первого коленчатого вала 6 и вторая шестерня 12 второго коленчатого вала 7 размещаются на выходах первого 6 и второго 7 коленчатых валов. Данные приводные шестерни объединены жесткой передачей 13 предпочтительно вдоль общей вертикальной стенки общего корпуса системы.
Жесткая передача 13 в совокупности с первой шестерней 11 и второй шестерней 12 обеспечивает необходимое передаточное число согласно расчетной формуле. Передаточное число подбирается исходя из скорости вращения первого и второго коленчатых валов 6, 7 в об/мин и возможности работы системы впуска 8 и выпуска 9 пневматической части 4 и компрессорной части 5 на оборотах, не превышающих 900 об/мин. Например, при передаточном соотношении 3,3, при вращении второго коленчатого вала 7, например, со скоростью 2800 об/мин скорость вращения первого коленчатого вала 6 в пневматической части 4 и компрессорной части 5 будет равно 900 об/мин, что обеспечит высокий КПД, работоспособность всей системы в целом при определенных соотношениях рабочих объемов, описанных ранее, в рабочей части 3, пневматической части 4 и компрессорной части 5 комбинированного двигателя 2.
Система трубопроводов комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами, связана следующим образом.
Выход турбокомпрессора 1 по трубопроводу связан с впуском 8 компрессорной части 5 и нагнетает воздух в компрессорную часть, для осуществления ее работы. При этом, выпуск 9 компрессорной части 5 связан с впуском 8 рабочей части 3 и передает на нее нагнетенный воздух под определенным давлением для работы рабочей части 3 комбинированного двигателя 2.
На выходе из рабочей части 3, содержащей выхлопные отработанные газы, трубопровод связан с впуском 8 пневматической части 4, для передачи отработанных газов и осуществления работы пневматической части 4 комбинированного двигателя 2. При этом, выход 9 пневматической части 4, связан с входом турбокомпрессора 1 и передает на него воздушную смесь/газы, для раскручивания его крыльчатки и для осуществления (ускорения/упрощения) его работы для увеличения объема воздуха.
Пример 1
Система комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами включает турбокомпрессор 1 и комбинированный двигатель 2;
Рабочий объем рабочей части 3 - V=6,0 литров, скорость вращения коленчатого вала п=2750 об/мин;
Рабочий объем пневматической части 4 Vп=18,0 литров, скорость вращения коленчатого вала п=810 об/мин;
Рабочий объем компрессорной части 5 Vк=6,0 литров, скорость вращения коленчатого вала п=810 об/мин;
Рабочая часть 3, пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5, объединены системой трубопроводов;
Пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5 объединены общим первым коленчатым валом 6, а рабочая часть 3 включает второй коленчатый вал 7;
На первом коленчатом валу 6 установлена первая шестерня 11, на втором коленчатом валу 7 установлена вторая шестерня 12, между которыми жесткая передача 13, выполненная в виде цилиндрической зубчатой передачи с передаточным соотношением i=3.4;
На конце коленчатого вала 6 расположен выходной вал 10.
Система работает в штатном режиме при взаимодействии и функционировании ее узлов, обеспечивая достижение заявленного результата.
Пример 2
Система комбинированной силовой установки включает турбокомпрессор 1 и комбинированный двигатель 2;
Рабочий объем рабочей части 3 - V=6,5 литров, скорость вращения коленчатого вала п=3000 об/мин;
Рабочий объем пневматической части 4 - Vп=19,5 литров, скорость вращения коленчатого вала п=900 об/мин;
Рабочий объем компрессорной части 5 - Vк=6.5 литров скорость вращения коленчатого вала п=900 об/мин;
Рабочая часть 3, пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5, объединены системой трубопроводов;
Пневматическая часть 4 и компрессорная часть 5 объединены общим первым коленчатым валом 6, а рабочая часть 3 включает второй коленчатый вал 7;
На первом коленчатом валу 6 установлена первая шестерня 11, на втором коленчатом валу 7 установлена вторая шестерня 12, между которыми на вертикальной стене общего корпуса установлена жесткая передача 13, выполненная в виде зубчатой передачи из 2 дополнительных шестерен с передаточным соотношением i=3.3;
На конце коленчатого вала 6 расположена коробка передач с выходным валом 10.
Система работает в штатном режиме при взаимодействии и функционировании ее узлов, обеспечивая достижение заявленного результата.
Таким образом, созданная модернизированная система комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами, за счет конструкции комбинированно двигателя, состоящего из трех взаимосвязанных (рабочей, пневматической и компрессорной) частей 3, 4, 5, двух связанных жесткой передачей 13 коленчатых валов 6,7 и системы трубопроводов, которые задействуют энергию выхлопных газов, а также энергию воздуха в компрессорной 5 и пневматической части 4, обеспечивает повышение эффективности работы системы, повышение ее КПД с использованием энергии отработанных газов, при простоте ее конструкции и компактном размещении.
1. Система комбинированной силовой установки с двумя коленчатыми валами, характеризующаяся тем, что включает турбокомпрессор и комбинированный двигатель, состоящий из рабочей части, работающей в четырехтактном режиме, пневматической части, работающей в двухтактном режиме, и компрессорной части, работающей в двухтактном режиме, каждая из которых имеет цилиндро-поршневую группу (ЦПГ), а также головку блока цилиндра с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом,
рабочая часть, пневматическая часть и компрессорная часть объединены системой трубопроводов, пневматическая часть и компрессорная часть связаны общим первым коленчатым валом, при этом рабочая часть включает второй коленчатый вал, на выходе которого установлена вторая шестерня, связанная жесткой передачей с первой шестерней, установленной на выходе первого коленчатого вала,
при этом выход турбокомпрессора, нагнетающего воздух по трубопроводу в компрессорную часть, связан с впуском компрессорной части, а выпуск компрессорной части связан с впуском рабочей части,
выпуск рабочей части, содержащей выхлопные газы, связан с впуском пневматической части, а выход пневматической части связан со входом турбокомпрессора,
при этом первая шестерня первого коленчатого вала и вторая шестерня второго коленчатого вала, вместе с жесткой передачей, обеспечивают передаточное число равное i=3,4 с отклонением не более 10%.
2. Система комбинированной силовой установки по п. 1, характеризующаяся тем, что жесткая передача является цилиндрической зубчатой передачей.
3. Система комбинированной силовой установки по п. 1, характеризующаяся тем, что на конце первого коленчатого вала расположен выходной вал.
4. Система комбинированной силовой установки по п. 1, характеризующаяся тем, что комбинированный двигатель, состоящий из рабочей части, пневматической части и компрессорной части, объединен в одном едином корпусе.
