Układ napędowy spalinowy tłokowo-turbinowy

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy spalinowy tłokowo-turbinowy, który służy do napędu wszelkiego typu pojazdów, szczególnie miejskich. Znane ze stosowania układy napędowe są wyposażone w bezkorbowodową lub korbowodową wytwornicę gazów oraz turbinę nimi napędzaną, która poprzez przekładnię redukującą jej wysokie obroty napędza pojazd. Układy te jazdę pojazdów bez zmiany biegów, w dużym zakresie prędkości. Są one sprawniejsze od silników turbinowych z wirowymi sprężarkami, co jest okupione większą ich masą. Jednak podczas jazdy w miastach lub osiedlach zużywają one dużo paliwa, z powodu bardzo małej sprawności częściowo obciążonej turbiny.

Istota układu napędowego według wynalazku polega na tym, że tłokowy silnik spalinowy wyposażony w sprzęgło rozruchowe, którego tarcza osadzona jest na jednym końcu wałka sprzęgłowego skrzyni biegów, zaś sprzęgło rozruchowe stanowi sprzęgło okresowo wysprzęglane. Z drugim końcem wałka sprzęgłowego połączony jest wałek turbiny przekładni redukującej, przy czym turbina połączona jest z silnikiem się poprzez komorę wyrównującą oraz rurkę, której wylot jest przy świecy żarowej. 
Korzystnym jest gdy, świecę żarową stanowi przepustnica. Korzystnym jest również to, że wlot rurki umieszczony na obwodzie kanału wylotowego turbiny, ukształtowany jest w postaci chwytaka spalin.

W układzie napędowym według wynalazku użyta jest turbina o nominalnej mocy równej tylko części mocy silnika spalinowego w nim zastosowanego, a połączona z nim komorą wyrównawczą ze świecą żarową. Powoduje to zwiększenie sprawności działania turbiny przy niepełnym obciążeniu układu, co ma miejsce podczas jazdy w osiedlach, gdzie użycie jej umożliwia jazdę bez zmiany biegów a nawet sprzęgła. Gdy obciążenie układu napędowego zostaje zwiększone włączane jest sprzęgło rozruchowe, które jest przy mniejszych prędkościach i obciążeniach jest wysprzęglone. Silnik spalinowy w nowym układzie napędza pojazd przede wszystkim bezpośrednio, a poprzez turbinę dodatkowo. Umożliwia to wykorzystanie ciepła chłodzenia silnika do napędu, co znacznie poprawia sprawność napędu zwłaszcza, gdy silnik jest chłodzony przez płukanie jego cylindrów powietrzem. Poza tym turbina wykorzystana jest jako wirówka do separacji cięższych frakcji spalin, które są zwracane do komory wyrównawczej łączącej ją z silnikiem, które są w niej dopalane a nie w cylindrze, co jest nie tylko korzystne ekologicznie, ale też zwiększa trwałość silnika.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia układ napędowy spalinowy tłokowo-turbinowy w ujęciu schematycznym.
Układ napędowy spalinowy tłokowo-turbinowy ma tłokowy silnik spalinowy 1 wyposażony w sprzęgło rozruchowe 2 z możliwością okresowego wysprzęgania, którego tarcza osadzona jest na jednym końcu wałka sprzęgłowego 3 skrzyni biegów 4. Z drugim końcem tego wałka połączone jest wał wyjściowy przekładni redukującej 5 wysokie obroty wałka 6 turbiny 7, napędzanej spalinami silnika 1. Silnik ten łączy się z turbiną poprzez komorę wyrównującą 8 oraz rurką 9 odprowadzającą cięższe frakcje spalin z turbiny, w okolicę wlotu spalin do tej komory gdzie, zamontowana jest świeca żarowa 10. Rurka ta na swoim wlocie umieszczonym na obwodzie kanału wylotowego turbiny 11 ukształtowana jest w postaci chwytaka spalin 12.

Układ napędowy według wynalazku działa następująco: Zwiększając prędkość obrotową silnika 1 zwiększa się moment obrotowy na wałku 6 turbiny 7, który poprzez przekładnię redukującą 5 przekazuje energię na wałek sprzęgłowy 3 powodując ruszanie pojazdu i jego jazdę na mniejszych prędkościach, której wartość zależy od jego obciążenia i prędkości obrotowej silnika 1. Działając też jako wirówka turbina 7 zawraca cięższe frakcje spalin do komory wyrównawczej 8 rurką 9 gdzie są dopalane. Dalsze zwiększanie prędkości jazdy następuje poprzez zasprzęglenie sprzęgła 2 oraz przez zmianę biegów w skrzyni biegów 4. Przez zwiększenie ilości dostarczanego paliwa ponad możliwości spalania go w silniku można nagle zwiększyć moment na wałku 6 turbiny 7 przez jego dopalanie w komorze wyrównawczej 8, co powoduje znaczne przyspieszenie pojazdu. Do tego dopalania potrzebne jest powietrze, dlatego korzystnym jest użycie do napędu silnika spalinowego pracującego z nadmiarem powietrza, do jakich należą silniki wysokoprężne lub niskoprężne, chłodzone przez płukanie jego cylindrów powietrzem, co zwiększa energię spalin. Używając komory wyrównawczej jako dopalacza należy liczyć się z dużym zużyciem paliwa, dlatego należy jej używać chwilowo. Zwiększając obroty silnika można też zwiększyć moc turbiny i to znacznie ponad jej wartość nominalną, kosztem sprawności napędu, która jest jednak wtedy znacznie większa niż przy użyciu dopalacza.

Ponadto wyposażenie nowego układu w przekładnię redukującą obroty wałka turbiny przekładni cierno-zębatej ułatwia napęd pojazdu za pomocą maszyny elektrycznej oraz odzyskowe jego hamowanie. Przekładnia może być wyposażona w prosty hamulec wspomagający działanie synchronizatorów podczas zmiany biegów.

Świecę żarową, która służy do utrzymywania wysokiej temperatury na wlocie komory wyrównawczej, korzystnie jest stosować jako przepustnicę, w postaci przedstawionej na rysunku z użebrowaną przesłoną wykonaną z materiału ceramicznego o działaniu katalitycznym, która może też służyć do regulowania natężenia wypływu spalin z silnika. Korzystnie jest też wyłożyć komorę wyrównującą materiałem katalitycznym, która nie tylko wyrównuje ciśnienie spalin, ale służy też jako katalizator przez ich dopalanie, w wysokiej temperaturze, zwiększając ich energię przed wlotem do turbiny.

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ napędowy spalinowy tłokowo-turbinowy ma tłokowy silnik spalinowy wyposażony w sprzęgło rozruchowe, znamienny tym, że tłokowy silnik spalinowy (1) wyposażony w sprzęgło rozruchowe (2), którego tarcza osadzona jest na jednym końcu wałka sprzęgłowego (3) skrzyni biegów (4), przy czym z drugim końcem wałka sprzęgłowego (3) połączony jest wałek (6) turbiny (7) przekładni redukującej (5), przy czym turbina (7) połączona jest z silnikiem się poprzez komorę wyrównującą (8) oraz rurką (9), której wylot jest przy świecy żarowej (10).
2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że świecę żarową (10) stanowi przepustnica (10).
3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że wlot rurki (9) umieszczony na obwodzie kanału wylotowego turbiny (11) ukształtowany jest w postaci chwytaka spalin (12).
4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że sprzęgło rozruchowe (2) z stanowi sprzęgło okresowo wysprzęglane (2).

Sktrót opisu

Układ charakteryzuje się tym, że tłokowy silnik spalinowy (1) wyposażony jest w sprzęgło rozruchowe (2), którego tarcza osadzona jest na jednym końcu wałka sprzęgłowego (3) skrzyni biegów (4), przy czym z drugim końcem wałka sprzęgłowego (3) połączony jest wałek (6) turbiny (7) przekładni redukującej (5), przy czym turbina (7) połączona jest z silnikiem się poprzez komorę wyrównującą (8) oraz rurką (9), której wylot jest przy świecy żarowej (10).

Wykaz oznaczeń na rysunku:

1. tłokowy silnik spalinowy
2. sprzęgło rozruchowe
3. wałek sprzęgłowy
4. skrzynia biegów
5. przekładnia redukująca
6. wałek
7. turbina
8. komora wyrównawcza
9. rurka
10. świeca żarowa
11. kanał wylotowy turbiny
12. chwytak spalin