Układ napędowy spalinowo-parowy

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy spalinowo-parowy, 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 spalinowy jest połączony z turbiną poprzez komorę wyrównującą wyposażoną w rurkę wychodzącą w okolicę wlotu spalin do tej komory, gdzie zamontowany jest przewód parowy. Rurka na swoim wlocie umieszczonym na obwodzie kanału wylotowego turbiny, ukształtowana jest w postaci chwytaka spalin.

Korzystnie, zbiornik wyrównawczy płynu chłodzącego silnik spalinowy stanowi o wiele większy zbiornik wody.

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 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 turbina o nominalnej mocy równej tylko części mocy silnika spalinowego w nim zastosowanego i połączona jest z nim komorą wyrównawczą. 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 przy mniejszych prędkościach i obciążeniach jest, wysprzęglone. Silnik spalinowy w nowym układzie napędza pojazd 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 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, 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.

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

Układ napędowy spalinowo-parowy 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 turbiny 7, napędzanej spalinami silnika 1 oraz parą z jego chłodzenia. 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 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 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. 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. 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 ze zmiennymi kątami otwarcia zaworu wydechowego. Używając komory wyrównawczej jako dopalacza należy liczyć się z dużym zużyciem paliwa, dlatego należy jej używać, do tego celu 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.