RU2511929C2

RU2511929C2 - Transport facility power plant

Info

Publication number: RU2511929C2
Application number: RU2012129462/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Федотов; Евгений Александрович Бодров; Антон Андреевич Ковалев
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-04-10
Also published as: RU2012129462A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention can be used in automotive vehicles equipped with ICEs. Proposed power plant comprises ICE (1), steam generator (3) arranged at ICE exhaust manifold (4), condenser (9) communicated with said steam generator, steam turbine (6), steam accumulator (5) and check valve (13) arranged ahead of said accumulator. Steam generator (3) is communicated with steam turbine (6) via steam accumulator (5). Additionally, this power plant comprises electronic control unit (11), steam feed solenoid valve (15) arranged downstream of accumulator (5), temperature gage (12) at steam generator (3), wheel angular velocity transducer (18), pressure gage (14) at steam accumulator (5), steam turbine (6) shaft rpm transducer (16) and variator (7). Steam turbine (6) is articulated with variator (7). Control unit (11) is electrically connected with temperature gage (12), pressure gage (14), wheel angular velocity transducer (18), steam turbine shaft rpm transducer (16), steam feed solenoid valve (15) and variator (7).

EFFECT: fuel savings, lower toxicity of exhaust gases.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области силовых установок транспортных средств, а именно к технологии создания энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем с использованием энергии отработавших газов.The invention relates to the field of power plants of vehicles, and in particular to a technology for creating energy-efficient engines and propulsion systems for transport systems using the energy of exhaust gases.

Заявляемое изобретение относится к приоритетным направлениям развития науки и технологий «Технологии новых и возобновляемых источников энергии» и «Технологии создания и управления новыми видами транспортных средств» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - С.43, с.89].The claimed invention relates to priority areas for the development of science and technology "Technology of new and renewable energy sources" and "Technology for the creation and management of new types of vehicles" [Alphabetical subject index to the International Patent Classification in priority areas for the development of science and technology / Yu.G. Smirnov, E.V. Skidanova, S.A. Krasnov. - M .: PATENT, 2008. - P.43, p.89].

Известна силовая установка разработки компании Honda (http://www.greencarcongress.com/2008/02/honda-researchi.html). Силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания, в который входит модифицированная головка блока цилиндров с изолированными выпускными клапанами, встроенного в каталитический конвертер испарителя, водяного бака с насосом высокого давления, генератора, конденсатора. Горячие выхлопые газы поступают в конвертер с испарителем, где образуется пар с температурой 400-500°C и давлением 7-9 МПа. Этот пар вращает генератор, охлаждается, конденсируется и вновь поступает в бак с насосом.A well-known power plant developed by Honda (http://www.greencarcongress.com/2008/02/honda-researchi.html). The power plant consists of an internal combustion engine, which includes a modified cylinder head with insulated exhaust valves, an evaporator integrated into the catalytic converter, a water tank with a high pressure pump, a generator, and a condenser. Hot exhaust gases enter the converter with an evaporator, where steam is formed with a temperature of 400-500 ° C and a pressure of 7-9 MPa. This steam rotates the generator, cools, condenses and again enters the tank with the pump.

Недостатком известного устройства является то, что при пятикратном преобразовании механической энергии в электрическую: энергия пара преобразуется в механическую энергию паровой турбины, механическая энергия паровой турбины преобразуется в механическую работу генератора, механическая энергия генератора преобразуется в нем в электрическую энергию, электрическая энергия направляется на заряд аккумуляторных батарей, заряд аккумуляторных батарей используется для осуществления механической работы электрических двигателей, приводящих в движение колеса автомобиля, теряется большая часть полезной энергии, вследствие этого низкий коэффициент полезного действия установки.A disadvantage of the known device is that when converting mechanical energy into electrical energy five times: the energy of the steam is converted into the mechanical energy of a steam turbine, the mechanical energy of a steam turbine is converted into the mechanical work of a generator, the mechanical energy of the generator is converted into electric energy in it, and the electrical energy is sent to charge battery batteries, the charge of the batteries is used to carry out the mechanical work of electric motors, leading x moving vehicle wheels, lost most of useful energy, therefore a low coefficient of efficiency of the installation.

Известна паробензиновая силовая установка «Турбостимер», разработанная инженерами БМВ (Журнал «За рулем», №2, 2006 г., стр.210), которая состоит из двигателя внутреннего сгорания, аксиально-поршневой машины, соединенной с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, парогенератора, конденсатора. Установка использует бесполезно теряемое тепло в радиаторе и выпускном коллекторе автомобиля и позволяет повысить мощность двигателя внутреннего сгорания на 10 кВт, сэкономить топливо на 15%.Famous gasoline-powered power plant Turbostimer, developed by BMW engineers (Za Rulem magazine, No. 2, 2006, p. 210), which consists of an internal combustion engine, an axial piston machine connected to the crankshaft of an internal combustion engine, steam generator, condenser. The installation uses useless heat lost in the radiator and the exhaust manifold of the car and allows you to increase the power of the internal combustion engine by 10 kW, save fuel by 15%.

Общим признаком данного устройства с существенными признаками заявляемого устройства является использование парогенератора, конденсатора.A common feature of this device with the essential features of the claimed device is the use of a steam generator, condenser.

Недостатком аналога является недостаточная эффективность управления силовой установкой.The disadvantage of an analogue is the lack of effectiveness in controlling the power plant.

Причины недостатков заключаются в использовании аксиально-поршневой машины из-за ее недостаточного КПД. К недостаткам способа также относятся недопустимость использования аксиально-поршневой машины из-за непредназначенности ее работы с паром и малым ресурсом.The reasons for the shortcomings are the use of an axial piston machine due to its insufficient efficiency. The disadvantages of the method also include the inadmissibility of using an axial piston machine due to the inappropriateness of its operation with steam and a small resource.

За прототип принято наиболее близкое к заявляемому изобретению техническое решение по авторскому свидетельству СССР №1671931, опубликованное 23.08.1991, содержащее следующие общие признаки с заявляемым изобретением - силовая установка транспортного средства, содержащая двигатель внутреннего сгорания, парогенератор, установленный на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, конденсатор, сообщенный с парогенератором, паровую турбину, накопитель пара и обратный клапан, установленный перед накопителем, причем парогенератор сообщен с паровой турбиной через накопитель пара.The prototype adopted the technical solution closest to the claimed invention according to the USSR author's certificate No. 1671931, published on 08/23/1991, containing the following common features with the claimed invention - a power plant of a vehicle containing an internal combustion engine, a steam generator mounted on an exhaust manifold of an internal combustion engine, a condenser in communication with the steam generator, a steam turbine, a steam accumulator and a check valve installed in front of the accumulator, with steam through a steam turbine drive.

Недостаток прототипа по а.с. СССР №1671931 заключается в низкой эффективности управления силовой установкой, так как силовая установка предполагает механическое, а не электронное управление ею, что не позволяет полностью развить мощность установки и достигать высокой производительности.The disadvantage of the prototype as. USSR No. 1671931 is the low efficiency of the power plant control, since the power plant involves mechanical rather than electronic control of it, which does not allow to fully develop the power of the installation and achieve high performance.

Механическое управление силовой установкой не позволяет обеспечить синхронизированную работу автомобиля и силовой установки. Так, например, в устройстве-прототипе не обеспечивается оптимальный крутящий момент из-за невозможности контроля за давлением пара в аккумуляторе пара и в результате этого вынужденном поддержании давления в аккумуляторе пара на оптимальном, но на недостаточно высоком уровне.The mechanical control of the power plant does not allow for synchronized operation of the car and power plant. So, for example, in the prototype device, the optimum torque is not provided due to the inability to control the vapor pressure in the steam accumulator and as a result of this the forced maintenance of the pressure in the steam accumulator at an optimal but not high enough level.

Недостатком устройства-прототипа по а.с. СССР №1671931 является то, что эту силовую установку используют при запуске двигателя и при движении транспортного средства только для кратковременного увеличения мощности.The disadvantage of the prototype device as. USSR No. 1671931 is that this power plant is used when starting the engine and when the vehicle is moving only for a short-term increase in power.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи использования тепловой энергии выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, которая при работе автомобильного двигателя внутреннего сгорания выбрасывается в атмосферу, и за счет этого повышения КПД двигателя внутреннего сгорания.The claimed invention is directed to solving the problem of using thermal energy of the exhaust system of an internal combustion engine, which is released into the atmosphere during the operation of an automobile internal combustion engine, and thereby increase the efficiency of an internal combustion engine.

Технический результат заключается в повышении эффективности управления силовой установки за счет обеспечения синхронизированной работы силовой установки двигателя внутреннего сгорания и транспортного средства. Кроме этого технический результат заключается в повышении КПД двигателя внутреннего сгорания, уменьшении расхода топлива, снижении токсичности выхлопных газов.The technical result consists in increasing the efficiency of the control of the power plant by ensuring the synchronized operation of the power plant of the internal combustion engine and the vehicle. In addition, the technical result consists in increasing the efficiency of the internal combustion engine, reducing fuel consumption, reducing toxicity of exhaust gases.

Технический результат достигается тем, что силовая установка транспортного средства, содержащая двигатель внутреннего сгорания, парогенератор, установленный на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, конденсатор, сообщенный с парогенератором, паровую турбину, накопитель пара и обратный клапан, установленный перед накопителем, причем парогенератор сообщен с паровой турбиной через накопитель пара, согласно изобретению установка дополнительно содержит электронный блок управления, электромагнитный клапан подачи пара, установленный после накопителя, датчик температуры, установленный на парогенераторе, датчик угловой скорости колес автомобиля, датчик давления, установленный на накопителе пара, датчик оборотов вала паровой турбины, вариатор, паровая турбина кинематически связана с вариатором, блок управления электрически соединен с датчиком температуры, датчиком давления, датчиком угловой скорости колес автомобиля, датчиком оборотов вала паровой турбины, электромагнитным клапаном подачи пара и вариатором.The technical result is achieved by the fact that the power plant of the vehicle containing the internal combustion engine, a steam generator installed on the exhaust manifold of the internal combustion engine, a condenser in communication with the steam generator, a steam turbine, a steam accumulator and a check valve installed in front of the accumulator, and the steam generator is in communication with the steam a turbine through a steam accumulator, according to the invention, the installation further comprises an electronic control unit, a steam solenoid valve, Replaced after the drive, a temperature sensor installed on the steam generator, a wheel speed sensor, a pressure sensor mounted on the steam drive, a steam turbine shaft speed sensor, a variator, a steam turbine is kinematically connected to the variator, a control unit is electrically connected to a temperature sensor, a pressure sensor , wheel speed sensor, steam turbine shaft speed sensor, steam solenoid valve and variator.

Технический результат достигается тем, что при использовании тепловой энергии отработавших газов для повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению жидкость, находящаяся в парогенераторе, установленном на выпускном коллекторе двигателя внутреннего сгорания, под действием высокой температуры нагревается и превращается в пар, который через обратный клапан поступает в накопитель пара. После создания в накопителе пара необходимого давления электромагнитный клапан по сигналу электронного блока управления осуществляет подачу пара в паровую турбину, чтобы добиться оптимального крутящего момента на колесах автомобиля. Давление пара в накопителе пара поддерживается на относительно постоянном уровне. На режимах неполной нагрузки ДВС, когда интенсивность парообразования не будет достаточно велика, чтобы обеспечить быстрое возрастание давления в накопителе пара, подача пара в турбину должна ограничиваться электронным блоком управления. Недостаточная частота вращения вала паровой турбины компенсируется изменяющимся передаточным числом вариатора. Передаточное число выбирается электронным блоком управления на основе анализа условий движения автомобиля таким образом, чтобы обеспечивался оптимальный крутящий момент. После использования в паровой турбине пар конденсируется в конденсаторе, затем при помощи насоса жидкость перекачивается в парогенератор.The technical result is achieved by the fact that when using the thermal energy of the exhaust gases to increase the efficiency of the internal combustion engine according to the invention, the liquid located in the steam generator installed on the exhaust manifold of the internal combustion engine is heated and converted to steam through a non-return valve enters the steam accumulator. After creating the necessary pressure in the steam accumulator, the electromagnetic valve, by the signal of the electronic control unit, delivers steam to the steam turbine in order to achieve the optimal torque on the wheels of the car. The vapor pressure in the steam accumulator is maintained at a relatively constant level. In part-load modes of the internal combustion engine, when the vaporization rate is not high enough to ensure a rapid increase in pressure in the steam accumulator, the steam supply to the turbine should be limited by the electronic control unit. The insufficient frequency of rotation of the shaft of the steam turbine is compensated by the changing gear ratio of the variator. The gear ratio is selected by the electronic control unit on the basis of an analysis of the vehicle's driving conditions so as to ensure optimum torque. After being used in a steam turbine, steam condenses in the condenser, then using a pump, the liquid is pumped to the steam generator.

Из уровня техники широко известно использование паровой турбины большей частью в стационарных установках на тепловых электрических станциях для приводов генераторов тока, реже в небольших промышленных установках для привода вентиляторов, насосов.It is widely known in the prior art to use a steam turbine for the most part in stationary installations at thermal power plants for drives of current generators, less often in small industrial installations for driving fans, pumps.

Введение паровой турбины вместо аксиально-поршневой машины позволит уменьшить потери механической энергии, увеличит надежность и КПД установки, также паровая турбина больше подходит для работы с паром, чем аксиально-поршневая машина, поскольку конструктивно лучше приспособлена к процессу преобразования энергии пара в механическую энергию.The introduction of a steam turbine instead of an axial piston machine will reduce mechanical energy losses, increase the reliability and efficiency of the installation, and a steam turbine is more suitable for working with steam than an axial piston machine, because it is structurally better adapted to the process of converting steam energy into mechanical energy.

Преобразование жидкости в пар происходит в парогенераторе, установленном на выпускном коллекторе.The conversion of liquid into steam occurs in a steam generator mounted on the exhaust manifold.

При испарении пар накапливается в накопителе и при достижении определенного давления подается в паровую турбину, тем самым приводя ее в движение.During evaporation, steam accumulates in the accumulator and when a certain pressure is reached, it is supplied to the steam turbine, thereby setting it in motion.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема реализующего данный способ устройства (вид сверху).The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a block diagram of a device that implements this method (top view).

Силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, коробки перемены передач 2, соединенной с ДВС, парогенератора 3, установленного на выпускном коллекторе 4. Накопитель пара сообщен с парогенератором 3, паровая турбина 6 сообщена с накопителем пара, вал паровой турбины жестко связан с ведущим валом вариатора 7. Ведомый вал вариатора связан с главной передачей заднего моста автомобиля 8. После паровой турбины установлен конденсатор 9, в конденсаторе установлен насос 10. Кроме того, имеется электронный блок управления 11, соединенный электрической цепью с датчиками: на парогенераторе установлен датчик температуры 12, перед накопителем пара установлен обратный клапан 13, на накопителе пара установлен датчик давления 14, после накопителя установлен электромагнитный клапан подачи пара в паровую турбину 15, на паровой турбине установлен датчик оборотов вала турбины 16. На колесах автомобиля 17 установлен датчик угловой скорости колес 18. Электронный блок управления 11 функционирует согласно алгоритму, приведенному ниже (см. фиг.2).The power plant consists of an internal combustion engine 1, a gearbox 2 connected to the internal combustion engine, a steam generator 3 mounted on the exhaust manifold 4. The steam accumulator is in communication with the steam generator 3, the steam turbine 6 is in communication with the steam accumulator, the shaft of the steam turbine is rigidly connected to the drive shaft CVT 7. The driven shaft of the CVT is connected to the main gear of the rear axle of the vehicle 8. After the steam turbine, a condenser 9 is installed, a pump 10 is installed in the condenser. In addition, there is an electronic control unit 11 connected electric circuit with sensors: a temperature sensor 12 is installed on the steam generator, a check valve 13 is installed in front of the steam accumulator, a pressure sensor 14 is installed on the steam accumulator, an electromagnetic valve for supplying steam to the steam turbine 15 is installed on the steam accumulator, a turbine shaft speed sensor 16 is installed on the steam turbine. An angular velocity sensor of the wheels 18 is mounted on the wheels of the car 17. The electronic control unit 11 operates according to the algorithm below (see figure 2).

Наличие на данной установке ряда отличительных дополнительных устройств позволяет наиболее полно реализовать предлагаемое новое устройство использования энергии отработавших газов для повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.The presence on this installation of a number of distinctive additional devices allows you to fully realize the proposed new device for using the energy of exhaust gases to increase the efficiency of the internal combustion engine.

Силовая установка работает следующим образом.The power plant operates as follows.

При работе двигателя внутреннего сгорания 1 происходит нагрев выпускного коллектора 2. Жидкость, находящаяся в парогенераторе 3, установленном на выпускном коллекторе 4 двигателя внутреннего сгорания, под действием высокой температуры нагревается и превращается в пар, через обратный клапан 13 поступает в накопитель пара 5. После создания в накопителе пара необходимого давления электромагнитный клапан 15 по сигналу электронного блока управления 11 осуществляет подачу в паровую турбину 6, чтобы добиться оптимального расхода пара. Благодаря этому давление пара в накопителе пара поддерживается на относительно постоянном уровне. На режимах неполной нагрузки ДВС, когда интенсивность парообразования не будет достаточно велика, чтобы обеспечить быстрое возрастание давления в накопителе пара, подача пара в турбину должна ограничиваться электронным блоком управления. Недостаточная частота вращения вала паровой турбины компенсируется изменяющимся передаточным числом вариатора 7. Передаточное число выбирается электронным блоком управления на основе анализа условий движения таким образом, чтобы обеспечивался максимальный крутящий момент. После работы в паровой турбине пар конденсируется в конденсаторе 9, затем при помощи насоса 10 жидкость перекачивается в парогенератор. Цикл повторяется.When the internal combustion engine 1 is operating, the exhaust manifold 2 is heated. The liquid in the steam generator 3 installed on the exhaust manifold 4 of the internal combustion engine is heated and converted to steam by high temperature, through the check valve 13 it enters the steam accumulator 5. After creating in the steam accumulator of the required pressure, the electromagnetic valve 15, at the signal of the electronic control unit 11, feeds into the steam turbine 6 in order to achieve the optimal steam flow rate. Due to this, the vapor pressure in the steam accumulator is maintained at a relatively constant level. In part-load modes of the internal combustion engine, when the vaporization rate is not high enough to ensure a rapid increase in pressure in the steam accumulator, the steam supply to the turbine should be limited by the electronic control unit. The insufficient rotational speed of the steam turbine shaft is compensated by the varying gear ratio of the variator 7. The gear ratio is selected by the electronic control unit based on an analysis of the driving conditions in such a way as to ensure maximum torque. After working in a steam turbine, the steam condenses in the condenser 9, then, using the pump 10, the liquid is pumped to the steam generator. The cycle repeats.

Вышеописанная установка позволяет обеспечить эффективное управление силовой установкой двигателя внутреннего сгорания, повысить КПД двигателя внутреннего сгорания, уменьшить расхода топлива и снизить токсичность выхлопных газов.The above installation allows you to provide effective control of the power plant of the internal combustion engine, increase the efficiency of the internal combustion engine, reduce fuel consumption and reduce toxicity of exhaust gases.

Claims

A vehicle power plant comprising an internal combustion engine, a steam generator mounted on an exhaust manifold of an internal combustion engine, a condenser in communication with a steam generator, a steam turbine, a steam accumulator and a check valve installed in front of the accumulator, the steam generator being connected to the steam turbine through a steam accumulator, characterized the fact that the installation additionally contains an electronic control unit, a steam solenoid valve installed after the drive, a temperature sensor atura mounted on a steam generator, vehicle wheel angular velocity sensor, pressure sensor mounted on a steam storage device, steam turbine shaft speed sensor, variator, steam turbine kinematically connected to the variator, the control unit is electrically connected to a temperature sensor, pressure sensor, wheel angular speed sensor vehicle, steam turbine shaft speed sensor, steam solenoid valve and variator.