Układ napędowy spalinowo-parowo-elektryczny

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy spalinowo-parowo-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 ta 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 na pierwszym końcu wału wyjściowego przekładni redukującej osadzona jest maszyna elektryczna, zaś na drugim końcu wału wyjściowego osadzona jest turbina napędzana spalinami silnika oraz parą doprowadzaną przewodem parowym z układu chłodzenia silnika w okolicę wlotu spalin do komory wyrównawczej.

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

Zaletą układu według wynalazku, jest zastosowanie silnika chłodzonego płynem, jako silnika chłodzonego przez odparowywanie w nim wody, w którym zainstalowano przewód odprowadzający parę do komory wyrównującej. Chłodnica silnika służy do nagrzewania wody chłodzącej, za pomocą mieszanki spalin i pary wodnej, ale może też ją chłodzić powietrzem, gdy jest za mało wody w zbiorniku. W tym celu w układzie wydechowym silnika zainstalowane są dwa obiegi.

Zasadniczą zaletą nowego układu jest prawie całkowite wykorzystanie energii paliwa. Uzyskano to przez zastosowanie maszyny elektrycznej i odparowywanie wody w płaszczu wodnym silnika oraz przegrzewanie pary za pomocą ciepła spalin i dalszego wykorzystywania tego ciepła do podgrzewania wody.

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 początkowo napędzana spalinami. Gdy silnik zostanie odpowiednio nagrzany też i para wodna. W razie, gdy moc 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, przez co zwiększa energię przed wlotem 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 spalinowo-parowo-elektryczny w ujęciu schematycznym.

Układ napędowy spalinowo-parowo-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 3 połączony jest wał wyjściowy przekładni redukującej 5 wysokie obroty wałka maszyny elektrycznej 6 oraz turbiny 7, napędzanej spalinami silnika 1 oraz parą z jego chłodzenia. Silnik 1 jest połączony z turbiną 7 poprzez komorę wyrównującą 8 oraz rurką 9 odprowadzającą cięższe frakcje spalin z turbiny 7, w okolicę wlotu spalin do tej komory 8, gdzie zamontowany jest przewód parowy 10. Rurka 9 na swoim wlocie umieszczonym na obwodzie kanału wylotowego turbiny 11 ukształtowana jest w postaci chwytaka spalin 12. Układ według wynalazku wyposażony jest też w baterię akumulatorów jak i w powiększony 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: Zwiększanie prędkości obrotowej maszyny elektrycznej 6 zwiększa się prędkość pojazdu do momentu osiągnięcia jej maksymalnej mocy. Następnie zostaje uruchamia się silnik  1, co zwiększa moment obrotowy na wałku sprzęgłowym 3, początkowo za pomocą turbiny 7, która poprzez przekładnię redukującą 5 przekazuje energię na ten wałek 3 i zwiększa prędkości jazdy, której wartość zależy od obciążenia i prędkości obrotowej silnika 1. Turbina 7 działa też jak wirówka, która zawraca cięższe frakcje spalin do komory wyrównawczej 8 rurką 9 gdzie są dopalane. Następnie po nagrzaniu silnika następuje odparowywanie chłodzącej go wody, która to para przewodem 10 wlatuje do komory wyrównującej 8 a stąd wraz ze spalinami do turbiny 7, co zwiększa jej moc. Dalsze zwiększanie prędkości jazdy następuje poprzez zasprzęglenie sprzęgła 2 oraz przez zmianę biegów w skrzyni biegów 4. 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 przewód parowy 13.