Układ napędowy parowo-spalinowo-elektryczny

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy parowo-spalinowo-elektryczny, który służy do napędu wszelkiego typu pojazdów, szczególnie miejskich. Znany jest z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr P 366411, układ napędowy spalinowy tłokowo-turbinowy. Układ ten ma 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 przekładni redukującej wysokie obroty turbiny, przy czym turbina połączona jest z silnikiem się poprzez komorę wyrównującą oraz rurkę, której wylot jest przy świecy żarowej w postaci przepustnicy, zaś wlot rurki umieszczony na obwodzie kanału wylotowego turbiny, ukształtowany jest w postaci chwytaka spalin. Umożliwia to wykorzystanie ciepła chłodzenia silnika do napędu, co znacznie poprawia sprawność napędu zwłaszcza, gdy silnik jest chłodzony przez płukanie jego cylindrów powietrzem.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że drugi koniec wałka sprzęgłowego połączony jest z wałem wyjściowym przekładni redukującej, na którym osadzone są maszyna elektryczna i turbina napędzana parą wytworzoną wężownicy. Silnik jest połączony z turbiną poprzez komorę wyrównującą z wężownicą, do której poprzez wymienniki ciepła, korzystnie dwa, wtłaczana jest gorąca woda za pomocą pompy.

Korzystnie, pompa jest połączona z wężownicą poprzez zawór zwrotny.

Za turbiną znajduje się przekładnia redukująca na wale, której z jednej strony zamontowany jest wirnik turbiny, a na drugim jej końcu wirnik maszyny elektrycznej.

Korzystnie, wirnik turbiny połączony jest z wałem przekładni redukującej za pomocą sprzęgła.

Zasadniczą zaletą zastosowanego układu jest prawie całkowite wykorzystanie energii paliwa oraz zamknięty obieg wody, którą trzeba uzupełniać tylko sporadycznie. Uzyskano to przez odparowywanie w wysokim ciśnieniu wody za pomocą ciepła spalin i dalszego wykorzystywania tego ciepła do jej podgrzewania oraz doładowywania akumulatorów.

W układzie napędowym, użyta jest maszyna elektryczna o nominalnej mocy równej części mocy silnika spalinowego w nim zastosowanego, potrzebnej podczas jazdy w osiedlach, gdzie użycie jej umożliwia jazdę bez zmiany biegów a nawet sprzęgła. Gdy obciążenie układu napędowego zostaje zwiększone włączane jest silnik spalinowy i maszyna ta wspomagana jest turbiną zasilaną parą wodną, gdy silnik zostanie odpowiednio nagrzany. W razie, gdy moc turbiny jest za mała włączane jest sprzęgło rozruchowe, które przy mniejszych prędkościach i obciążeniach jest, wysprzęglone. Silnik spalinowy w nowym układzie napędza pojazd oraz maszynę elektryczną przede wszystkim poprzez turbinę. Umożliwia to wykorzystanie w znacznym stopniu ciepła chłodzenia silnika do napędzania, co znacznie poprawia sprawność napędu. Ponadto wyposażenie nowego układu w przekładnię redukującą obroty wałka turbiny w przekładnię cierno-zębatą ułatwia napęd pojazdu za pomocą maszyny elektrycznej oraz odzyskowe jego hamowanie. Przekładnia ta może być wyposażona w prosty hamulec wspomagający działanie synchronizatorów podczas zmiany biegów.

Komora wyrównująca może być wyłożona materiałem katalitycznym, wtedy nie tylko wyrównuje ciśnienie spalin, ale służy też jako katalizator przez ich dopalanie, w wysokiej temperaturze, a przez to podnosi jej wartość i energię pary wlatującej do turbiny.

Akumulatory mogą być doładowywane za pomocą maszyny elektrycznej nie tylko w czasie pracy silnika spalinowego, ale też po jej zakończeniu za pomocą turbiny napędzanej parą wodną.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia układ napędowy parowo-spalinowo-elektryczny w ujęciu schematycznym.

Układ napędowy parowo-spalinowo-elektryczny ma silnik spalinowy 1, wyposażony w sprzęgło rozruchowe 2 z możliwością okresowego wysprzęglania, 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 maszyny elektrycznej 6 i turbin 7, napędzanej parą wytworzoną w wężownicy 9. Silnik ten łączy się z turbina poprzez komorę wyrównującą 8 oraz wężownicą, 9 do której poprzez wymienniki ciepła wtłaczana jest gorąca woda za pomocą pompy 10, co czyni z tego układu kocioł wodno-rurkowy. Układ ma dwa kanały wylotowe, pary 11 oraz spalin 12. W układzie tym zainstalowano też dwa wymienniki ciepła do podgrzewania wody tłoczonej z silnika 1 za pomocą pompy 10 do wężownicy 9. Zawór zwrotny 13 uniemożliwia zwiększanie, ponad miarę, ciśnienia w płaszczy wodnym silnika, którą utrzymuje pompa zasilająca płaszcz wodny silnika. Układ według wynalazku wyposażony jest też w baterię akumulatorów jak i w mocno powiększony użebrowany zbiornik wody zamiast zbiornika płynu chłodzącego, a wirnik turbiny wyposażony jest w sprzęgło jednokierunkowe eliminujące obciążenie jego momentem oporowym układu.

Układ napędowy według wynalazku działa następująco: Zwiększając prędkość obrotową maszyny elektrycznej 6 zwiesza się prędkość pojazdu do momentu osiągnięcia jej maksymalnej mocy. Następnie zostaje uruchomiony silnik  1, co zwiększa moment obrotowy na wałku sprzęgłowym 3, początkowo za pomocą sprzęgła 2, powodując zwiększanie prędkości jazdy, której wartość zależy od prędkości obrotowej silnika i przełożenia w skrzyni biegów 4. Następnie po nagrzaniu silnika następuje nagrzewanie chłodzącej go wody, która pompą 10 wtłaczana jest poprzez dwie nagrzewnice do wężownicy 9 w komorze wyrównującej  8 a stąd do turbiny parowej zamocowanej wraz wirnikiem maszyny elektrycznej na wałku wejściowym przekładni 5, co zwiększa ich moc. Para z kanału wylotowego 11 wlatuje poprzez pierwszy wymiennik ciepła do chłodnicy silnika, a stąd jako woda do zbiornika mocno użebrowanego zbiornika, gdzie następuje jej dalsze ochładzanie. Spaliny z kału wylotowego 12, wlatują do układu wydechowego silnika poprzez drugi wymiennik ciepła, gdzie podgrzewają też wodę chłodzącą silnik sprężoną za pomocą pompy 10. Akumulatory są też doładowywane za pomocą maszyny elektrycznej nie tylko w czasie pracy silnika spalinowego, ale też po jej zakończeniu za pomocą turbiny 7 napędzanej parą wodną, na postoju, poprzez zawór zwrotny 13.