Układ napędowy parowo-spalinowy

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy parowo-spalinowy, 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 turbiny przekładni redukującej, 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 silnik jest połączony z układem turbin poprzez komorę wyrównującą z wężownicą, do której poprzez wymienniki ciepła wtłaczana jest pompą gorąca woda. Układ turbin ma kanał wylotowy pary i kanał wylotowy spalin oraz dwa wymienniki ciepła podgrzewające wodę tłoczoną pompą z silnika do wężownicy.

Korzystnie, pompa jest wysokociśnieniową pompą wodną, a turbina jest turbiną parową.

Korzystnym jest również to, że zbiornik wyrównawczy płynu chłodzącego silnik stanowi mocno użebrowany zbiornik wody.

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.

W układzie napędowym według wynalazku użyte są turbiny, których łączna moc równa jest tylko części mocy silnika spalinowego w nim zastosowanego. Powoduje to zwiększenie sprawności działania turbin 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 przy mniejszych prędkościach i obciążeniach jest wysprzęglone. Silnik spalinowy w nowym układzie napędza pojazd przede wszystkim poprzez turbiny. Umożliwia to wykorzystanie ciepła chłodzenia silnika do napędzania, przez co znacznie poprawia sprawność napędu. Ponadto wyposażenie nowego układu w przekładnię redukującą obroty wałka turbin 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, która przez to nie tylko wyrównuje ciśnienie spalin, ale służy też jako katalizator przez ich dopalanie w wysokiej temperaturze, zwiększając ją a przez to ich energię przed wlotem do turbiny oraz możliwość przegrzewania przez spaliny pary.

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

Układ napędowy parowo-spalinowy 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 wałka 6 turbin 7, napędzanych spalinami silnika 1 oraz parą wytworzoną w wężownicy 9. Silnik ten łączy się z turbinami 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 turbin 7 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.

Układ napędowy według wynalazku działa następująco: Zwiększając prędkość obrotową silnika 1 zwiększa się moment obrotowy na wałku 6 turbin 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. 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 turbiną spalinową na wałku 6, 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.

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 turbin 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 ze zmiennymi kątami otwarcia zaworu wydechowego. Używając komory wyrównawczej jako dopalacza należy liczyć się z dużym zużyciem paliwa, dlatego należy jej używać, w tym celu, chwilowo. Zwiększając obroty silnika można też zwiększyć moc turbin i to znacznie ponad ich wartość nominalną, kosztem sprawności napędu, która jest jednak wtedy znacznie większa niż przy użyciu dopalacza.