RU2369764C1

RU2369764C1 - Power plant in vehicle

Info

Publication number: RU2369764C1
Application number: RU2008102320/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Курбаков (RU); Александр Алексеевич Курбаков
Original assignee: Александр Алексеевич Курбаков
Priority date: 2008-01-21
Filing date: 2008-01-21
Publication date: 2009-10-10
Also published as: RU2008102320A

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to power plants installed in vehicles. The plant is provided with open-type steam circuit including steam generator, mounted on exhaust manifold and exhaust pipe of internal combustion engine, steam-piston engine and/or steam turbine coupled with crankshaft of internal combustion engine, cooling radiator and tank with steam-generating liquid. The plant also includes steam injection unit in complete with steam turbine, steam turbines mounted on additional independent boost turbine, main gas turbine, wheels together with electric motors, generator to produce electric energy and electrically driven starter. The plant contains additional removable steam generator to be linked to the main steam generator to ensure simultaneous operation of all suspended equipment. The plant also includes bladed silencer and generator and air-blade generators employing wind energy.

EFFECT: invention ensures increased engine power, reduced fuel consumption and reduced toxicity of exhaust gases.

9 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к силовым установкам транспортных средств, позволяющим повысить мощность двигателя внутреннего сгорания.The claimed invention relates to transport engineering, and in particular to the power plants of vehicles, allowing to increase the power of the internal combustion engine.

Известна паробензиновая силовая установка «Турбостимер», разработанная инженерами БМВ (Журнал «За рулем», №2, 2006 г., стр.210), использующая бесполезно теряемое тепло в радиаторе и выпускном коллекторе автомобиля и позволяющая повысить мощность двигателя внутреннего сгорания на 10 кВт, сэкономить топливо на 15%. Данная установка имеет два замкнутых контура, по которым циркулирует жидкий теплоноситель, разогретый до температуры парообразования. Высокотемпературный парогенератор отбирает 80% тепла от выпускного тракта сразу за нейтрализатором. Пар поступает в аксиально-поршневую машину, соединенную с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. На выходе пар проходит дополнительные низкотемпературные теплообменники, отбирающие тепло от системы охлаждения двигателя и от выпускного тракта за резонатором, и поступает в низкотемпературную паровую машину, которая также подкручивает вал двигателя внутреннего сгорания. Однако в прототипе используется закрытый цикл парообразования, тепло выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания используется не в полной мере и недостаточно обеспечивается экономия топлива и повышение мощности двигателя.A well-known gas turbine power plant Turbostimer, developed by BMW engineers (Za Rulem magazine, No. 2, 2006, p. 210), uses useless heat lost in the radiator and exhaust manifold of the car and allows to increase the power of the internal combustion engine by 10 kW save fuel by 15%. This installation has two closed circuits, through which a circulating liquid coolant is heated to a temperature of vaporization. A high-temperature steam generator draws 80% of the heat from the exhaust duct immediately after the converter. The steam enters the axial piston machine connected to the crankshaft of the internal combustion engine. At the exit of the steam, additional low-temperature heat exchangers pass, taking heat from the engine cooling system and from the exhaust tract behind the resonator, and enters the low-temperature steam engine, which also tightens the shaft of the internal combustion engine. However, the prototype uses a closed cycle of vaporization, the heat of the exhaust gases of the internal combustion engine is not used to the full and not enough fuel economy and increased engine power.

Заявляемое изобретение решает задачу использования даровой тепловой энергии выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, повышения КПД двигателя внутреннего сгорания.The claimed invention solves the problem of using free thermal energy of the exhaust system of an internal combustion engine, increasing the efficiency of an internal combustion engine.

Технический результат, проявляющийся при использовании предлагаемой установки, заключается в повышении мощности двигателя внутреннего сгорания, уменьшении расхода топлива, снижении токсичности выхлопных газов.The technical result, manifested by using the proposed installation, is to increase the power of the internal combustion engine, reduce fuel consumption, and reduce toxicity of exhaust gases.

Разработанная силовая установка транспортного средства содержит паровой двигатель, соединенный с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, парогенератор, установленный на выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания. Установка имеет паровой контур открытого типа, включающий парогенератор, установленный на выхлопной коллектор и выхлопную трубу двигателя внутреннего сгорания, паропоршневой двигатель и паровую турбину, соединенную с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, паровые турбины, смонтированные на навесное оборудование транспортного средства, такое как дополнительная независимая турбина наддува, основная газотурбина, колеса в паре с электромоторами, генератор для выработки электрической энергии, стартер-электромотор. Также паровой контур включает радиатор-охладитель, бак с парообразующей жидкостью, паронагнетатель в блоке с паровой турбиной.The developed power plant of the vehicle contains a steam engine connected to the crankshaft of the internal combustion engine, a steam generator mounted on the exhaust system of the internal combustion engine. The installation has an open-type steam circuit, including a steam generator mounted on the exhaust manifold and the exhaust pipe of the internal combustion engine, a steam piston engine and a steam turbine connected to the crankshaft of the internal combustion engine, steam turbines mounted on the attachments of the vehicle, such as an additional independent turbine boost, main gas turbine, wheels paired with electric motors, generator for generating electric energy, starter-electric motor. Also, the steam circuit includes a radiator-cooler, a tank with a vaporizing liquid, a steam supercharger in a block with a steam turbine.

Возможна установка более мощного дополнительного съемного парогенератора, соединенного с основным парогенератором патрубками. На дополнительный парогенератор установлены форсунка-распылитель с топливопроводом, смонтированным в корпусе воздухоподачи, запальная свеча.It is possible to install a more powerful additional removable steam generator connected to the main steam generator by nozzles. An additional steam generator is equipped with a nozzle-sprayer with a fuel pipe mounted in the air supply housing, a spark plug.

Парогенератор имеет аварийный клапан для обеспечения работы открытого цикла парообразования и может быть выполнен составным. Бак имеет дренажный трубопровод для отвода пара в выхлопную трубу.The steam generator has an emergency valve to ensure the operation of an open steam generation cycle and can be made integral. The tank has a drainage pipe to divert steam into the exhaust pipe.

Для большей экономии топлива, высоких экологических стандартов и повышения мощностных характеристик двигателя внутреннего сгорания во всасывающий коллектор двигателя внутреннего сгорания подведен патрубок подачи пара. Также от трубопровода парового контура отведены патрубки для подачи пара к другому дополнительному оборудованию транспортного средства, например к кондиционеру, холодильнику.For greater fuel economy, high environmental standards and increase the power characteristics of the internal combustion engine, a steam supply pipe is connected to the intake manifold of the internal combustion engine. Also, branch pipes for supplying steam to other additional equipment of the vehicle, for example, to an air conditioner, refrigerator, are allotted from the steam circuit pipeline.

Для повышения технических характеристик установки используется также энергия ветра. Так выхлопная труба на выходе соединена с лопастным глушителем-генератором, а перед радиатором, в нижней части бампера, в антикрылья транспортного средства вмонтированы воздушно-лопастные генераторы.To improve the technical characteristics of the installation, wind energy is also used. So, the exhaust pipe at the outlet is connected to the muffler-generator, and in front of the radiator, at the bottom of the bumper, air-bladed generators are mounted in the wing of the vehicle.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана схема силовой установки транспортного средства.Figure 1 shows a diagram of the power plant of the vehicle.

На фиг.2 показан фрагмент схемы силовой установки транспортного средства с установленным дополнительным парогенератором и воздушно-лопастным генератором.Figure 2 shows a fragment of the power plant of the vehicle with an installed additional steam generator and an air-bladed generator.

На фиг.3 показан вид сбоку на глушитель-генератор.Figure 3 shows a side view of a silencer-generator.

Силовая установка транспортного средства имеет контур парообразования открытого типа и включает следующее оборудование.The power plant of the vehicle has an open steam circuit and includes the following equipment.

Парогенератор 1 представляет собой кожух (рубашку), вваренный на выхлопной коллектор 2 и выхлопную трубу 3 двигателя внутреннего сгорания, и имеет аварийный клапан 4. Причем парогенератор 1 может быть выполнен составным, например, из двух частей, соединенных патрубком 5, как представлено на фиг.2.The steam generator 1 is a casing (jacket) welded to the exhaust manifold 2 and the exhaust pipe 3 of the internal combustion engine, and has an emergency valve 4. Moreover, the steam generator 1 can be made integral, for example, from two parts connected by a pipe 5, as shown in FIG. .2.

Паропоршневой двигатель 6 и паровая турбина 7 соединены через муфту-редуктор 8 с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Паровые турбины 7 служат вспомогательными механизмами для всех типов двигателя внутреннего сгорания, независимым приводом навесного оборудования транспортного средства и монтируются также на дополнительную независимую турбину наддува 9, колеса транспортного средства в паре с электромоторами 10, генератор 11 для выработки электрической энергии, комплексно к стартеру-электромотору 12, газотурбине 13 и паронагнетателю 14. Паровые турбины 7 могут быть любых типов конструкции: от одноступенчатых до многоступенчатых в зависимости от потребностей двигателя внутреннего сгорания, в том числе гибридных транспортных средств.The steam piston engine 6 and the steam turbine 7 are connected through a clutch-reducer 8 with the crankshaft of the internal combustion engine. Steam turbines 7 serve as auxiliary mechanisms for all types of internal combustion engine, an independent drive of the vehicle’s attachments and are also mounted on an additional independent turbine of boost 9, the wheels of the vehicle paired with electric motors 10, a generator 11 for generating electric energy, integrated to the starter-electric motor 12, gas turbine 13 and steam turbine 14. Steam turbines 7 can be of any type of design: from single-stage to multi-stage, depending on the need her internal combustion engine, including hybrid vehicles.

Бак 15 для парообразующей жидкости 16 имеет заливную горловину 17, трубопровод 18 для возврата пара в парогенератор 1 через паронагнетатель 14, дренажный трубопровод 19. От бака 15 к парогенератору 1 подведен топливопровод 20 с насосами 21.The tank 15 for the vaporizing liquid 16 has a filler neck 17, a pipe 18 for returning steam to the steam generator 1 through the steam blower 14, a drain pipe 19. From the tank 15 to the steam generator 1, a fuel pipe 20 with pumps 21 is connected.

Паровые турбины 7 и паропоршневой двигатель 6 соединены с парогенератором 1 посредством трубопровода 22 для подвода пара через электромагнитные клапаны 23 и с радиатором-охладителем 24 посредством трубопровода 25 с обратными клапанами 26. Радиатор-охладитель 24, в свою очередь, соединен трубопроводом 27 с баком 15.Steam turbines 7 and a piston engine 6 are connected to the steam generator 1 through a pipe 22 for supplying steam through the electromagnetic valves 23 and to a radiator-cooler 24 by a pipe 25 with check valves 26. The radiator-cooler 24, in turn, is connected by a pipe 27 to the tank 15 .

Вал лопастей 28 глушителя-генератора 29, размещенного на выходе выхлопной трубы 3 с возможностью установки понижающего редуктора, соединен в единый блок с генератором 11. Перед радиатором, в нижней части бампера, в антикрыльях транспортного средства могут быть смонтированы воздушно-лопастные генераторы 30.The shaft of the blades 28 of the muffler-generator 29, located at the outlet of the exhaust pipe 3 with the possibility of installing a reduction gear, is connected in a single unit with the generator 11. In front of the radiator, air-bladed generators 30 can be mounted in the vehicle’s wings at the bottom of the bumper.

Возможна установка более мощного дополнительного съемного парогенератора 31, который монтируется через штуцер 32 выхода пара и выхлопной патрубок 33. В случае демонтажа парогенератора 31 на штуцер 32 и выхлопной патрубок 33 ставятся заглушки. На парогенераторе 31 установлена форсунка-распылитель 34 с топливопроводом 35, смонтированным в корпусе 36 для подачи воздуха в камеру сгорания, запальная свеча 37. Установлены заслонки 38 на выходе из парогенератора 31 в выхлопную трубу 3 и в корпусе 36 воздухоподачи.It is possible to install a more powerful additional removable steam generator 31, which is mounted through the steam outlet fitting 32 and the exhaust pipe 33. In the case of dismantling the steam generator 31, plugs are placed on the fitting 32 and the exhaust pipe 33. An atomizer nozzle 34 is installed on the steam generator 31 with a fuel line 35 mounted in the housing 36 for supplying air to the combustion chamber, a spark plug 37. The shutter 38 is installed at the outlet of the steam generator 31 to the exhaust pipe 3 and in the air supply housing 36.

Парогенератор 1 и трубопроводы 22 могут быть снабжены патрубками 39 для отвода пара к другому дополнительному оборудованию, например кондиционеру, холодильнику.The steam generator 1 and pipelines 22 can be equipped with nozzles 39 for removing steam to other additional equipment, such as an air conditioner, a refrigerator.

Работает установка следующим образом.The installation works as follows.

При нагреве коллектора 2 двигателя внутреннего сгорания на парогенератор 1 через форсунки 40 по топливопроводу 20 насосами 21 из бака 15 подается парообразующая жидкость 16. Из парогенератора 1 по трубопроводу 22 через электромагнитные клапаны 23 подается пар, который приводит в действие паропоршневой двигатель 6 и паровую турбину 7, которые, в свою очередь, начинают подкручивать коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Также, по желанию водителя транспортного средства или автоматически, по трубопроводу 22 через клапаны 23 пар подается на паровые турбины 7, установленные в паре с дополнительной турбиной наддува 9 и с основной газотурбиной 13. Тем самым исключается такое негативное явление, как турбояма. Аналогично пар подается на паровые турбины 7, установленные в едином блоке со стартер-электромотором 12, с генератором 11, с колесными электромоторами 10. Отработанный пар через обратный клапан 26 по трубопроводу 25 поступает в радиатор-охладитель 24. Из радиатора-охладителя 24 охлажденный пар в жидком виде по трубопроводу 27 поступает в бак 15 и процесс повторяется. При большом скоплении пара в баке 15 пар по трубопроводу 18 поступает в паронагнетатель 14 через электромагнитный клапан 23. Пар возвращается в парогенератор 1. Излишки отработанного пара из бака 15 по дренажному трубопроводу 19 через клапан 23 поступают в выхлопную трубу 3, распыляются с выхлопными газами, тем самым решая экологические нормы стандарта Евро 5. Для большей экономии топлива, высоких экологических стандартов и повышения мощностных характеристик двигателя внутреннего сгорания во всасывающий коллектор или в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания по патрубку 39 через клапан 23 и одну или более форсунок 40 подается пар.When the collector 2 of the internal combustion engine is heated, steam generating liquid 16 is supplied to the steam generator 1 through nozzles 40 through the fuel pipe 20 by pumps 21 from the tank 15. Steam is supplied from the steam generator 1 through the electromagnetic valves 23, which drives the steam piston engine 6 and the steam turbine 7 , which, in turn, begin to tighten the crankshaft of the internal combustion engine. Also, at the request of the driver of the vehicle or automatically, through the pipe 22 through the valves 23, steam is supplied to steam turbines 7 installed in tandem with an additional boost turbine 9 and with the main gas turbine 13. This eliminates such a negative phenomenon as a turbojet. Similarly, steam is supplied to steam turbines 7, installed in a single unit with a starter-electric motor 12, with a generator 11, with wheel electric motors 10. Waste steam through a non-return valve 26 through a pipe 25 enters the radiator-cooler 24. From the radiator-cooler 24, the cooled steam in liquid form through a pipeline 27 enters the tank 15 and the process is repeated. With a large accumulation of steam in the tank 15 pairs of pipes 18 enter the steam generator 14 through the electromagnetic valve 23. The steam returns to the steam generator 1. Excess steam from the tank 15 through the drain pipe 19 through the valve 23 enters the exhaust pipe 3, is sprayed with exhaust gases, thereby solving environmental standards of Euro 5. For greater fuel economy, high environmental standards and increase the power characteristics of the internal combustion engine in the intake manifold or in the combustion chamber of the engine I internal combustion pipe 39 through the valve 23 and one or more nozzles 40 is supplied with steam.

Глушитель-генератор 29, как и воздушно-лопастные генераторы 30, использует энергию ветра. При работе двигателя внутреннего сгорания на холостых оборотах выхлопные газы вращают вал лопастей 28 глушителя-генератора 29, соединенного в единый блок с генератором 11. В режиме движения под днищем транспортного средства встречный поток воздуха с еще большей скоростью вращает лопасти 28 глушителя-генератора 29, тем самым создается разряжение в выхлопной системе, что положительно сказывается на работе двигателя внутреннего сгорания при средних оборотах. Также при движении от потока встречного ветра работают воздушно-лопастные генераторы 30.The muffler-generator 29, like the air-bladed generators 30, uses wind energy. When the internal combustion engine is idling, the exhaust gases rotate the shaft of the blades 28 of the muffler-generator 29, connected in a single unit with the generator 11. In the mode of movement under the bottom of the vehicle, the oncoming air stream rotates the blades 28 of the muffler-generator 29 with even greater speed, This creates a vacuum in the exhaust system, which positively affects the operation of the internal combustion engine at medium speeds. Also, when moving from a headwind stream, air-bladed generators 30 are operated.

При одновременной эксплуатации всего оборудования монтируют более мощный дополнительный парогенератор 31, соединяя его с основным парогенератором 1 через выхлопной патрубок 33, фланец 41 и штуцер 32 выхода пара. Парогенератор 1 в данном случае удобнее изготавливать составным. В случае демонтажа парогенератора 31 на патрубок 33 и штуцер 32 ставятся заглушки. Выхлопные газы из парогенератора 31 нагревают основной парогенератор 1, тем самым получая большую теплоотдачу и большее парообразование. Парогенератор 31 работает практически на любом топливе в комплексе с двигателем внутреннего сгорания или автономно от него. Данная конструкция парогенератора 31 позволяет использовать пар из патрубков 39 для работы кондиционеров и холодильников вместо бортовой энергосистемы, что также положительно отразится на КПД и экономии топлива двигателя внутреннего сгорания. Возможна работа парогенератора 31 в закрытом цикле с аксильно-поршневой машиной, генератором или параллельно с открытым циклом системы парообразования.With the simultaneous operation of all equipment, a more powerful additional steam generator 31 is mounted, connecting it to the main steam generator 1 through the exhaust pipe 33, flange 41 and the steam outlet fitting 32. The steam generator 1 in this case is more convenient to produce composite. In the case of dismantling the steam generator 31, plugs are placed on the pipe 33 and the fitting 32. The exhaust gases from the steam generator 31 heat the main steam generator 1, thereby obtaining greater heat transfer and greater vaporization. The steam generator 31 runs on virtually any fuel in combination with or independently from the internal combustion engine. This design of the steam generator 31 allows the use of steam from the pipes 39 for the operation of air conditioners and refrigerators instead of the on-board power system, which will also positively affect the efficiency and fuel economy of the internal combustion engine. It is possible to operate the steam generator 31 in a closed cycle with an axial piston machine, a generator, or in parallel with the open cycle of the steam generation system.

Применение разработанной силовой установки в комплексе с двигателем внутреннего сгорания позволяет использовать тепло отходящих газов при максимальных температурах, повышает КПД двигателя внутреннего сгорания, дает экономию топлива от 20% и прибавку к мощности двигателя не менее 30%, а экологические нормы соответствуют стандартам Евро-5.The use of the developed power plant in combination with an internal combustion engine allows the use of exhaust gas heat at maximum temperatures, increases the efficiency of the internal combustion engine, provides fuel savings of 20% and an increase in engine power of at least 30%, and environmental standards comply with Euro-5 standards.

Claims

1. Силовая установка транспортного средства, содержащая паровой двигатель, соединенный с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, парогенератор, установленный на выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что установка имеет паровой контур открытого типа, включающий парогенератор, установленный на выхлопной коллектор и выхлопную трубу двигателя внутреннего сгорания, паропоршневой двигатель и паровую турбину, соединенную с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, паровые турбины, смонтированные на навесное оборудование транспортного средства, радиатор-охладитель, бак с парообразующей жидкостью, паронагнетатель в блоке с паровой турбиной.1. The power plant of the vehicle, comprising a steam engine connected to the crankshaft of the internal combustion engine, a steam generator mounted on the exhaust system of the internal combustion engine, characterized in that the installation has a steam circuit of the open type, including a steam generator mounted on the exhaust manifold and exhaust pipe an internal combustion engine, a piston engine and a steam turbine connected to the crankshaft of an internal combustion engine, steam turbines mounted accessories for the vehicle’s attachments, a radiator-cooler, a tank with a vaporizing liquid, a steam supercharger in a unit with a steam turbine.

2. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительный парогенератор, подсоединяемый к основному парогенератору.2. The power plant according to claim 1, characterized in that it contains an additional steam generator connected to the main steam generator.

3. Силовая установка по п.2, отличающаяся тем, что на дополнительный парогенератор установлена форсунка-распылитель с топливопроводом, смонтированным в корпусе воздухоподачи, запальная свеча.3. The power plant according to claim 2, characterized in that an atomizer nozzle with a fuel pipe mounted in the air supply housing and a spark plug are installed on an additional steam generator.

4. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что паровые турбины устанавливают на навесное оборудование транспортного средства такое, как дополнительная независимая турбина наддува, основная газотурбина, колеса в паре с электромоторами, генератор для выработки электрической энергии, стартер-электромотор.4. The power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the steam turbines are mounted on the attachments of the vehicle such as an additional independent turbine to boost, the main gas turbine, wheels paired with electric motors, a generator for generating electric energy, a starter-electric motor.

5. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит лопастной глушитель-генератор, соединенный с выхлопной трубой двигателя внутреннего сгорания.5. The power plant according to claim 1 or 2, characterized in that it contains a blade muffler-generator connected to the exhaust pipe of an internal combustion engine.

6. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит воздушно-лопастные генераторы, смонтированные перед радиатором, в нижней части бампера, в антикрылья транспортного средства.6. The power plant according to claim 1 or 2, characterized in that it contains air-bladed generators mounted in front of the radiator, in the lower part of the bumper, in the wing of the vehicle.

7. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что парогенератор имеет аварийный клапан и может быть выполнен составным.7. The power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the steam generator has an emergency valve and can be made integral.

8. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что от трубопровода парового контура отведены патрубки подачи пара во всасывающий коллектор двигателя внутреннего сгорания и к дополнительному оборудованию транспортного средства, например кондиционеру, холодильнику.8. The power plant according to claim 1 or 2, characterized in that steam supply pipes are allocated from the steam circuit to the intake manifold of the internal combustion engine and to additional vehicle equipment, for example, an air conditioner, a refrigerator.

9. Силовая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что бак имеет дренажный трубопровод для отвода пара в выхлопную трубу. 9. The power plant according to claim 1 or 2, characterized in that the tank has a drainage pipe for venting steam into the exhaust pipe.