двигательная установка с двигателем внутреннего сгорания и не требующей регулирования автоматически запускаемой поршневой машиной

Формула изобретения

1. Двигательная установка с двигателем внутреннего сгорания (18), которая находится в кинематическом соединении с валом отбора мощности, и с поршневой расширительной машиной (19), которая находится в кинематическом соединении с коленчатым валом (8), причем вал отбора мощности через муфту (17) свободного хода (обгонную муфту) механически соединен с коленчатым валом (8) таким образом, что происходит передача крутящего момента от коленчатого вала (8) на вал отбора мощности, отличающаяся тем, что поршневая расширительная машина (19) имеет, по меньшей мере, два цилиндра (1, 16), во внутреннее пространство (6) которых при закрытом впускном клапане (2), по меньшей мере, временно через расположенный параллельно впускному клапану (2) байпасный клапан (3) может вводиться текучая среда из устройства (9) подачи текучей среды.

2. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один цилиндр (1) поршневой расширительной машины (19) имеет выпускной клапан (4), через который текучая среда из внутреннего пространства (6) цилиндра (1) может направляться в устройство отвода текучей среды.

3. Двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что освобождаемое байпасным клапаном (3) открытое поперечное сечение (14) составляет от 0,1 до 0,5 от величины открытого поперечного сечения (15), освобождаемого впускным клапаном (2).

4. Двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что клапаны (2, 3, 4) выполнены с возможностью управления таким образом, что байпасный клапан (3), по меньшей мере, временно открыт, когда впускной клапан (2) закрыт.

5. Двигательная установка по п.2, отличающаяся тем, что клапаны (2, 3, 4) выполнены с возможностью управления таким образом, что байпасный клапан (3), по меньшей мере, временно открыт, когда впускной (2) и выпускной (4) клапаны закрыты.

6. Двигательная установка по п.3, отличающаяся тем, что клапаны (2, 3, 4) выполнены с возможностью управления таким образом, что байпасный клапан (3), по меньшей мере, временно открыт, когда впускной (2) и выпускной (4) клапаны закрыты.

7. Двигательная установка по п.4, отличающаяся тем, что клапаны (2, 3, 4) выполнены с возможностью управления таким образом, что байпасный клапан (3), по меньшей мере, временно открыт, когда впускной (2) и выпускной (4) клапаны закрыты.

8. Двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что байпасный клапан (3) выполнен в виде подпружиненного шарового клапана.

9. Двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что впускной (2) и байпасный (3) клапан подключены к устройству (9) подачи текучей среды с блоком нагнетания для подачи в цилиндры (1, 16) паро- и/или газообразной текучей среды, а параметры блока нагнетания, а также открытого поперечного сечения (14) байпасного клапана (3) выбраны таким образом, что системное давление в устройстве (9) подачи текучей среды повышается, когда впускной клапан (2) закрыт, а байпасный клапан (3) открыт.

10. Двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поршневая расширительная машина (19) имеет нечетное количество цилиндров (1, 16).

11. Двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что поршневая расширительная машина (19) имеет пять цилиндров (1, 16).

12. Способ эксплуатации двигательной установки, у которой вал отбора мощности двигателя (18) внутреннего сгорания через муфту (17) свободного хода (обгонную муфту) механически соединен с коленчатым валом (8) поршневой расширительной машины (19), имеющей, по меньшей мере, два цилиндра (1), причем за счет отходящего тепла двигателя (18) внутреннего сгорания нагревают текучую среду и, по меньшей мере, частично переводят в паро- и/или газообразное состояние, текучую среду, находящуюся, по меньшей мере, частично в паро- и/или газообразном состоянии, через впускной клапан (2) направляют во внутреннее пространство цилиндра и при расширении текучей среды приводят в движение установленный подвижно внутри цилиндра (1) и механически связанный с коленчатым валом (8) поршень (5), отличающийся тем, что расположенный по потоку параллельно впускному клапану (2) байпасный клапан (3) открывают при закрытом впускном клапане (2), и текучую среду из устройства подачи текучей среды направляют во внутреннее пространство (6) цилиндра (1).

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что все предусмотренные в поршневой расширительной машине (19) байпасные клапаны (3) открывают прежде, чем начинают перемещать впускной клапан (2).

14. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что байпасный клапан (3) открывают в зависимости от системного давления в устройстве (9) подачи текучей среды.

15. Способ по п.12 или 13, отличающийся тем, что движение впускного клапана (2) вызывают за счет вращения коленчатого вала (8).

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается двигательной установки с двигателем внутреннего сгорания, который находится в кинематическом соединении с валом отбора мощности, и с поршневой расширительной машиной, которая находится в кинематическом соединении с коленчатым валом, причем вал отбора мощности через муфту свободного хода (обгонную муфту) механически связан с коленчатым валом таким образом, что происходит передача крутящего момента от коленчатого вала на вал отбора мощности.

При разработке или усовершенствовании двигателей внутреннего сграния в последние годы основное внимание уделялось работам, с одной стороны, по минимизации выброса вредных веществ, а с другой стороны, по повышению эффективности агрегатов. В этой связи возможность повышения эффективности современных двигателей внутреннего сгорания заключается в том, чтобы оптимально использовать тепло, выделяемое в области соответствующего двигателя внутреннего сгорания. С помощью предусмотренных соответствующих мероприятий можно как ограничить типоразмер необходимых систем охлаждения, так и использовать для других связанных с автомобилем целей тепловые потери, выделяемые в противном случае исключительно в окружающую среду.

Чтобы улучшить охлаждение двигателя, в последние годы двигатели внутреннего сгорания, в частности, автомобильные двигатели, были усовершенствованы таким образом, что соответствующие системы позволяют наиболее эффективным образом использовать тепло, выделяемое в области двигателя внутреннего сгорания. В этой связи, с одной стороны, существует возможность использования выделяющегося тепла для других предусмотренных в автомобиле потребителей тепла, или преобразования тепловой энергии с помощью соответствующих циклических процессов в механическую энергию, в частности энергию движения.

В этой связи из DE 102006028868 А1 известна двигательная установка, у которой двигатель внутреннего сгорания механически связан с поршневой машиной. В описанном техническом решении в отдельном рабочем цикле текучая среда испаряется за счет отходящего тепла (тепло отработавших газов) двигателя внутреннего сгорания, и полученный таким образом пар подается в цилиндр поршневой машины, чтобы привести в движение установленные в ней с возможностью перемещения поршни. Таким образом приводится в движение коленчатый вал поршневой машины, который механически связан с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. С помощью описанной системы можно использовать отходящее неиспользованное тепло двигателя внутреннего сгорания, чтобы посредством поршневой машины передавать крутящий момент на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания.

В соответствии с известными принципами конструирования существуют два принципиально возможных технических решения, позволяющих во время периодов прогрева системы рекуперации тепла гарантировать, чтобы расширитель, в частности поршневая машина, не становился дополнительной нагрузкой, одновременно приводимой в движение.

Из-за короткого времени впуска при наполнении цилиндра, в зависимости от точной фазы газораспределения, только при количестве цилиндров, начиная с 7-8, обеспечивается условие, что впускной клапан всегда открыт и расширитель при наличии пара запускается самостоятельно. В этом случае коленчатый вал самостоятельно запускающегося расширителя через муфту свободного хода (обгонную муфту) связан с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Эта муфта свободного хода гарантирует, что передача крутящего момента происходит исключительно от коленчатого вала расширителя на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Только если в цилиндры подается достаточное количество пара из системы рекуперации тепла, расширитель производит работу, в результате чего происходит передача крутящего момента на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания.

У расширителей, предусмотренных дополнительно к двигателю внутреннего сгорания, которые из-за малого количества цилиндров не запускаются самостоятельно, на стороне соединения между коленчатым валом расширителя и коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания предусмотрено соответствующее сцепление посредством муфты свободного хода. Посредством сенсоров обнаруживается наличие пара из контура рекуперации тепла, и сцепление между двумя коленчатыми валами замыкается, и таким образом расширитель приводится в движение двигателем внутреннего сгорания до тех пор, пока не откроется впускной клапан расширителя и расширитель не запустится.

Исходя из вышеназванного уровня техники и известных принципов конструирования для запуска поршневой расширительной машины в фазе пуска в основе изобретения лежит задача, предложить двигательную установку, а также способ ее эксплуатации, чтобы реализовать не требующий регулирования автоматический (самостоятельный) пуск поршневой расширительной машины с относительно низкими затратами на конструирование и регулирование. В частности, с одной стороны, должно быть возможно в качестве расширителя использовать поршневую машину с малым количеством цилиндров, а с другой стороны, отказаться от использования сцепления между коленчатыми валами расширителя и двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, должно быть создано техническое решение, которое позволит использовать отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания с помощью парового замкнутого процесса без дополнительных затрат, конструктивного пространства и без повышения затрат на регулирование.

При этом должна обеспечиваться работа парового и/или газового расширителя, механически связанного с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, не требующая большого количества процессов включения сцепления, связанного со сцеплением и расцеплением при каждом процессе торможения и каждом требовании нулевого момента. Соответствующее изобретению техническое решение должно, прежде всего, гарантировать, чтобы просто обеспечивалось увеличение эффективности при работе автомобильного двигателя, предпочтительным образом дизельного двигателя грузового автомобиля.

Описанная выше задача решается с помощью двигательной установки по пункту 1, а также способа по пункту 10. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов и поясняются подробнее в последующем описании со ссылкой на фигуры.

Выполненная в соответствии с изобретением двигательная установка имеет двигатель внутреннего сгорания, который соединен с валом отбора мощности, и поршневую расширительную машину, которая находится в кинематическом соединении с коленчатым валом, причем вал отбора мощности через муфту свободного хода механически соединен с коленчатым валом таким образом, что происходит передача крутящего момента от коленчатого вала на вал отбора мощности. Соответствующая изобретению двигательная установка характеризуется тем, что поршневая расширительная машина имеет, по меньшей мере, два цилиндра, во внутренние пространства которых через впускной клапан и расположенный параллельно ему байпасный клапан, по меньшей мере, временно может вводиться текучая среда из устройства подачи текучей среды. Под устройством подачи текучей среды при этом может подразумеваться любая область, находящаяся внутри или снаружи расширительной машины, в которой происходит нагнетание, по меньшей мере, частично парообразной текучей среды. Дополнительно к впускному, а также байпасному клапану, цилиндр поршневой расширительной машины имеет также выпускной клапан, через который расширяющаяся во внутреннем пространстве цилиндра парой/или газообразная текучая среда может направляться в устройство отвода текучей среды.

Изобретение характеризуется, таким образом, тем, что в области головки цилиндра дополнительно к впускному клапану предусмотрен байпасный клапан, через который текучая среда из устройства подачи текучей среды может направляться во внутреннее пространство цилиндра. Такого рода решение гарантирует, что даже при закрытом впускном клапане и одновременном превышении определенного предельного значения системного давления внутри устройства подачи текучей среды эта текучая среда, предпочтительным образом паро- и/или газообразная текучая среда, может направляться во внутреннее пространство, по меньшей мере, одного цилиндра.

Предусмотренный таким образом байпасный клапан в головке цилиндра поршневой расширительной машины объединяет преимущества небольших затрат на конструктивные элементы с преимуществом саморегулирующейся муфты свободного хода. Даже если все впускные клапаны у остановленной поршневой расширительной машины закрыты, паро- и/или газообразная текучая среда может через байпасный клапан втекать во внутренние пространства цилиндров, после того как потери тепла двигателя внутреннего сгорания окажутся достаточными. В результате это приводит, по меньшей мере, в одном цилиндре к тому, что поршень начинает совершать перемещение вниз в направлении нижней мертвой точки, и благодаря этому перемещению, по меньшей мере, в одном из других цилиндров открывается впускной клапан. Благодаря этому открытию впускного клапана паро- и/или газообразная текучая среда течет в других цилиндрах и поршневая расширительная машина начинает работать без необходимости сцепления или приведения в действие поршневой машины (т.н. буксировки) двигателем внутреннего сгорания. Надежное открытие впускного клапана, обусловленное перемещением другого цилиндра в направлении нижней мертвой точки, достигается, предпочтительным образом, за счет подходящих геометрических параметров кривошипного механизма. Предпочтительные меры, которые могут быть приняты для достижения подходящих геометрических параметров кривошипного механизма, представляют собой соответствующую установку смещения цилиндров и/или угла между цилиндрами.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения впускные клапаны кинематически соединены с коленчатом валом поршневой расширительной машины таким образом, что за счет вращения коленчатого вала происходит открытие, а также закрытие впускных клапанов. Предпочтительным образом вал отбора мощности имеет расположенные асимметрично относительно своей продольной центральной оси кулачки, которые воздействуют на толкатель впускного клапана, так что при перемещении кулачков по круговой траектории вокруг продольной центральной оси впускные клапаны приводятся в линейное движение вдоль своей направляющей, и таким образом происходит открытие, а также закрытие впускных клапанов.

Таким образом, если во время работы поршневой расширительной машины, выполненной в соответствии с данным изобретением, после произошедшего процесса пуска имеется достаточное количество паро- и/или газообразной текучей среды, находящейся под необходимым давлением в устройстве подачи текучей среды, текучая среда течет, по существу, через впускной клапан в цилиндр, там перемещает установленный с возможностью перемещения поршень в направлении нижней мертвой точки, так что в цилиндре происходит расширение текучей среды, после чего расширенная текучая среда, благодаря перемещению поршня вверх в направлении верхней мертвой точки, в итоге вытесняется через выпускной клапан.

Движение поршня поршневой расширительной машины передается на коленчатый вал, который, в свою очередь, механически связан с валом отбора мощности, т.е. также и с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Между коленчатым валом поршневой расширительной машины и валом отбора мощности двигателя внутреннего сгорания предусмотрена муфта свободного хода, также называемая обгонной муфтой, которая гарантирует, что передача крутящего момента происходит исключительно от коленчатого вала поршневой расширительной машины на вал отбора мощности двигателя внутреннего сгорания. Если внутри устройства для подачи текучей среды нет достаточного для привода поршневой расширительной машины количества пара, например, во время фазы нагрева двигательной установки, вал отбора мощности двигателя внутреннего сгорания вращается быстрее, чем коленчатый вал поршневой расширительной машины, при этом двигатель внутреннего сгорания не «вращает за собой» поршневую машину.

С помощью соответствующей изобретению двигательной установки гарантируется, что по окончании фазы нагрева двигателя внутреннего сгорания, то есть тогда, когда внутри устройства для подачи текучей среды будет иметься достаточное количество паро- и/или газообразной текучей среды, поршневая расширительная машина может запуститься, хотя все впускные клапаны будут закрыты. Если впускные клапаны поршневой расширительной машины закрыты, по меньшей мере, два цилиндра могут находиться соответственно либо в фазе расширения, либо в фазе выпуска. Поэтому необходимо гарантировать, что поршневая расширительная машина в любом случае при переходе из состояния остановки в состояние движения начнет двигаться в правильном направлении.

Соответствующее изобретению исполнение поршневой расширительной машины с помощью простых средств обеспечивает надежный пуск расширительной машины в правильном направлении по окончании фазы нагрева двигателя внутреннего сгорания. По окончании фазы нагрева двигателя внутреннего сгорания посредством теплообменного блока из охлаждающего контура двигателя внутреннего сгорания отбирается тепло и отдается устройству подачи текучей среды поршневой расширительной машины. В устройстве подачи текучей среды поршневой расширительной машины образуется паро- и/или газообразная текучая среда, которая с помощью, по меньшей мере, одного блока нагнетания направляется к впускному клапану, а также расположенному параллельно ему байпасному клапану. С помощью блока нагнетания системное давление в устройстве подачи текучей среды сначала повышается, так что при предельном значении системного давления открывается, по меньшей мере, один, предпочтительно подпружиненный, байпасный клапан, и текучая среда течет во внутреннее пространство, по меньшей мере, одного цилиндра.

Давление открытия байпасного клапана выбрано таким образом, что хотя оно и превышает рабочее давление поршневой расширительной машины, но оно меньше допустимого системного давления устройства подачи текучей среды. При этом открытое поперечное сечение байпасного клапана, по сравнению с открытым поперечным сечением впускного клапана, выбрано настолько малым, что, несмотря на открытие байпасного клапана, системное давление внутри устройства подачи текучей среды повышается дальше. В одном специальном усовершенствовании изобретения, таким образом, гарантируется, что благодаря описанному выше продолжающемуся повышению системного давления внутри устройства подачи текучей среды после открытия первого байпасного клапана открывается также, по меньшей мере, один другой байпасный клапан, по меньшей мере, одного другого цилиндра, прежде чем начнется движение первого впускного клапана. Это позволяет, прежде всего, скомпенсировать обусловленные допусками различия в отношении необходимого для, по меньшей мере, двух подпружиненных байпасных клапанов соответствующего давления открытия.

В каждом случае в фазе пуска сжатая паро- и/или газообразная текучая среда течет, по меньшей мере, через один байпасный клапан во внутреннее пространство, по меньшей мере, одного цилиндра поршневой расширительной машины, прежде чем начинается движение одного из впускных клапанов. Если поршень соответствующего цилиндра находится в фазе выпуска, то согласованный с ним впускной клапан закрыт, в то время как также предусмотренный выпускной клапан открыт. Благодаря такому положению вещей, несмотря на поступление паро- и/или газообразной текучей среды в цилиндр, повышения давления не происходит, так как текучая среда, текущая через байпасный клапан, снова вытекает из цилиндра через выпускной клапан. Благодаря этому мероприятию, предпочтительным образом, гарантируется, что поршень, благодаря протекающей через байпасный клапан текучей среде, не будет двигаться в неправильном направлении, и соответствующий коленчатый вал поршневой расширительной машины не будет вращаться в неправильном направлении.

Если поршень цилиндра находится, наоборот, в фазе расширения, то как впускной, так и выпускной клапаны закрыты. Если сжатая паро- и/или газообразная текучая среда втекает через байпасный клапан во внутреннее пространство цилиндра, то происходит нарастание давления внутри цилиндра, так что в результате поршень начинает перемещаться в направлении к нижней мертвой точке. Благодаря происходящему таким образом перемещению поршня коленчатый вал поршневой расширительной машины приводится во вращательное движение, так что, по меньшей мере, один другой поршень упомянутого, по меньшей мере, одного другого цилиндра выполняет линейное перемещение. В результате этого движения коленчатого вала открывается, по меньшей мере, один согласованный с другим цилиндром впускной клапан, и паро- и/или газообразная текучая среда втекает во внутреннее пространство цилиндра, так что наконец запускается поршневая расширительная машина. После пуска поршневой расширительной машины системное давление внутри устройства подачи текучей среды опускается до величины рабочего давления поршневой машины, так что байпасные клапаны во время нормальной работы поршневой расширительной машины не работают.

Еще один предпочтительный вариант осуществления предусматривает, что соответствующая изобретению поршневая расширительная машина имеет нечетное количество цилиндров. При этом совершенно особый случай представляет собой использование пяти цилиндров.

В одном специальном усовершенствовании изобретения байпасный клапан выполнен таким образом, что освобождаемое байпасным клапаном открытое поперечное сечение составляет от 0,1 до 0,5, а в совершенно особом предпочтительном случае 0,2 от величины освобождаемого впускным клапаном открытого поперечного сечения. Такой выбор параметров (размеров) открытого поперечного сечения байпасного клапана, предпочтительным образом, гарантирует, что, несмотря на обусловленные допусками неравенства отдельных байпасных клапанов, системное давление внутри устройства подачи текучей среды повышается даже после открытия одного байпасного клапана, и только после того, как все предусмотренные в поршневой расширительной машине байпасные клапаны откроются, благодаря перемещению, по меньшей мере, одного поршня, или соответственно коленчатого вала, начинает двигаться впускной клапан.

В остальном изобретение касается способа эксплуатации двигательной установки, у которой вал отбора мощности двигателя внутреннего сгорания через муфту свободного хода механически соединен с коленчатым валом поршневой расширительной машины, имеющей, по меньшей мере, два цилиндра, причем посредством отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания текучая среда нагревается и, по меньшей мере, частично переводится в паро- и/или газообразную фазу. Текучая среда, находящаяся, по меньшей мере, частично в паро- и/или газообразном состоянии, вводится через впускной клапан во внутреннее пространство цилиндра, и при расширении текучей среды приводится в движение установленный с возможностью перемещения внутри цилиндра и механически связанный с коленчатым валом поршень. Соответствующий изобретению способ характеризуется тем, что расположенный по потоку параллельно впускному клапану байпасный клапан открывается, и таким образом открывается пропускное отверстие во внутреннее пространство цилиндра, даже если впускной клапан закрыт.

Одно предпочтительное усовершенствование изобретения предусматривает, что в поршневой расширительной машине предусмотрены, по меньшей мере, два цилиндра, каждый с впускным и байпасным клапаном, и все байпасные клапаны открываются до того, как откроется впускной клапан.

Таким образом, соответствующий изобретению способ представляет собой, так же, как и соответствующая двигательная установка, техническое решение, которое позволяет осуществить не требующий регулирования автоматический пуск поршневой расширительной машины даже с малым количеством цилиндров, без необходимости наличия сцепления, служащего для механического соединения коленчатого вала поршневой расширительной машины с валом отбора мощности двигателя внутреннего сгорания.

Далее изобретение поясняется подробнее без ограничения общей идеи изобретения со ссылкой на фигуры с изображенными примерами осуществления. Показано:

Фиг.1 - цилиндр поршневой расширительной машины с впускным и выпускным клапаном, а также байпасным клапаном.

Фиг.2 - фрагмент головки цилиндров поршневой расширительной машины с впускным клапаном и расположенным параллельно ему байпасным клапаном.

Фиг.3 - изображение потока пара при пуске из фазы впуска.

Фиг.4 - изображение потока пара при пуске из фазы расширения.

Фиг.5 - изображение потока пара при пуске из фазы выпуска.

Фиг.6 - изображение сцепления поршневой расширительной машины, выполненной в соответствии с изобретением, с двигателем внутреннего сгорания.

На фиг.1 показан цилиндр 1 поршневой расширительной машины, выполненной в соответствии с изобретением, с впускным клапаном 2 и выпускным клапаном 4, а также байпасным клапаном 3, в сечении. Поршневая расширительная машина через муфту 17 свободного хода (обгонную муфту) механически связана с валом отбора мощности дизельного двигателя грузового автомобиля. Как только в дизельном двигателе после пуска образуются потери тепла, в теплообменнике происходит, по меньшей мере, частичный фазовый переход текучей рабочей среды. По меньшей мере, частично парообразная текучая среда с помощью насоса нагнетается через устройство 9 подачи текучей среды к впускным клапанам 2 и байпасным клапанам 3.

На стороне выпуска показанного на фиг.1 цилиндра находится выпускной клапан 4, который во время фазы выпуска поршня 5 открывается, чтобы расширенная текучая среда могла вытолкнуться из внутреннего пространства 6 цилиндра в устройство 10 отвода текучей среды.

Поршень 5 цилиндра 1 через шатун 7 с соответствующими опорами соединен с коленчатым валом 8 поршневой расширительной машины. Благодаря линейному перемещению поршня 5 внутри внутреннего пространства 6 цилиндра коленчатый вал 8 поршневой расширительной машины приводится во вращательное движение. Коленчатый вал 8 выполнен таким образом, что в зависимости от движения коленчатого вала 8 происходит открытие и закрытие впускного 2 и выпускного 4 клапана за счет приведения в возвратно-поступательное движение толкателей 11 впускного 2 и выпускного 4 клапанов. Так как, кроме того, дополнительно к показанному поршню 5, по меньшей мере, еще один другой поршень поршневой расширительной машины механически соединен с коленчатым валом 8, при движении коленчатого вала 8 приводятся в движение также и впускные и выпускные клапаны этих других цилиндров. Поэтому, чтобы обеспечить пуск поршневой расширительной машины, необходимо привести в движение, по меньшей мере, один из поршней 8 этой машины.

Внутри устройства 9 подачи текучей среды, по меньшей мере, двух цилиндров 1 находится по окончании фазы нагрева (подогрева) парообразная текучая среда, которая с помощью насоса нагнетается к впускным клапанам 2 и байпасным клапанам 3. Как только внутри устройства 9 установится системное давление, и на байпасный клапан 3 будет действовать сила, превышающая силу, с которой пружина 12 действует на байпасный клапан 3, байпасный клапан 3 независимо от положения прочих клапанов откроется, и парообразная текучая среда потечет во внутреннее пространство 6 цилиндра 1.

На фиг.2 показан детальный вид представленной на фиг.1 области «А». Здесь показан фрагмент выполненной в соответствии с данным изобретением головки цилиндра, на котором представлено расположение впускного клапана 2 и возможное исполнение байпасного клапана 3. В области толкателя 11 впускного клапана 2 находится отверстие 13, которое обеспечивает соединение по потоку между устройством 9 подачи текучей среды и байпасным клапаном 3 или соответствующим отверстием клапана, освобождаемым байпасным клапаном. Если благодаря установившемуся в устройстве 9 системному давлению на байпасный клапан 3 действует сила большей величины, чем сила пружины 12, то выполненный в виде шарового клапана байпасный клапан 3 открывается, и парообразная текучая среда течет из области устройства 9 во внутреннее пространство цилиндра 6.

Как только, благодаря втеканию текучей среды, во внутреннем пространстве 6 цилиндра установится рабочее давление, поршень 5 начинает двигаться вниз в направлении нижней мертвой точки, и приводит в движение, как уже описано со ссылкой на фиг.1, коленчатый вал, так что впускной клапан другого цилиндра открывается и поршневая расширительная машина запускается.

Как ясно видно на фиг.2, открытое поперечное сечение 14 байпасного клапана 3 существенно меньше, чем открытое поперечное сечение 15 впускного клапана 2. Открытое поперечное сечение 15 впускного клапана 2 в показанном на фиг.2 примере осуществления приблизительно в пять раз больше, чем открытое поперечное сечение 14 байпасного клапана 3. Благодаря такому выбору размеров открытого поперечного сечения 14 байпасного клапана 3 гарантируется, что системное давление внутри устройства 9 подачи текучей среды будет повышаться дальше даже тогда, когда байпасный клапан 3 уже открыт. Продолжающееся повышение системного давления в этом случае объясняется тем, что гидравлическое сопротивление имеющего малые размеры открытого поперечного сечения 14 относительно велико по сравнению с количеством пара, нагнетаемым блоком нагнетания устройства 9 подачи текучей среды.

На фиг.3 показано положение впускного 2 и выпускного 4 клапанов, а также байпасного клапана 3 цилиндра 1 во время фазы впуска, а также поток пара при пуске из фазы расширения. Впускной клапан 2 открыт, так что пар из устройства 9 поступает во внутреннее пространство 6 цилиндра 1. Благодаря этому поршень 5 совершает линейное перемещение вниз в направлении нижней мертвой точки. Так как такого рода движение поршня 5 при повторно закрытом впускном клапане 2 приводит к увеличению объема пара во внутреннем пространстве цилиндра, пар, находящийся во внутреннем пространстве 6 цилиндра, расширяется благодаря движению поршня 5 вниз. Благодаря перемещению поршня 5 приводятся в движение коленчатый вал 8, толкатель 11 клапана, а также, по меньшей мере, еще один другой поршень 16 с принадлежащими ему впускными и выпускными клапанами. В показанном на фиг.3 рабочем состоянии цилиндра 1 байпасный клапан 3 не работает.

На фиг.4 представлено изображение потока пара в фазе расширения цилиндра 1 с соответствующим положением поршня 5. По окончании фазы нагрева (прогрева) двигателя внутреннего сгорания имеется достаточное количество отходящего тепла, чтобы получить пар внутри устройства 9 подачи текучей среды. Этот пар с помощью блока нагнетания циркулирует внутри устройства 9 подачи текучей среды. При достижении заданного системного давления внутри устройства 9, в результате которого на байпасный клапан 3 начинает действовать сила, превышающая одновременно действующую силу пружины 12, бапасный клапан 3 открывается и пар вытекает из устройства 9 подачи текучей среды во внутреннее пространство 6 цилиндра 1.

При втекании пара против закрытых впускном 2 и выпускном 4 клапанах давление внутри цилиндра 1 повышается. Благодаря этому повышению давления поршень 5 начинает медленно двигаться в направлении нижней мертвой точки и приводит во вращательное движение связанный с ним коленчатый вал 8. Так как коленчатый вал выполнен таким образом, что он обусловливает перемещение впускного 2 и выпускного 4 клапанов, то в другом цилиндре 15 соответствующий впускной клапан открывается в результате перемещения поршня и, соответственно, связанного с ним коленчатого вала 8. Благодаря этому открытию другого, не показанного на фиг.4, впускного клапана поршневая расширительная машина начинает работать. Во время рабочей фазы байпасный клапан 3 снова не работает.

На фиг.5 показан поток пара при автоматическом пуске поршневой расширительной машины, находящейся в рабочем цикле фазы выпуска. Впускной клапан 2 закрыт, в то время как выпускной клапан 4 открыт. Благодаря открытому под действием системного давления в устройстве 9 подачи текучей среды байпасному клапану 3 новый пар течет из устройства 9 во внутреннее пространство 6 цилиндра. Впрочем, из-за открытого положения выпускного клапана 4 давление во внутреннем пространстве 6 цилиндра не повышается, так что поршень 5 не приводится в движение. Благодаря этому техническому мероприятию, в частности, гарантируется, что поршень 5 не будет двигаться в неправильном направлении, и таким образом коленчатый вал 8 не будет вращаться в неправильном направлении. Тем самым удается простым способом предотвратить пуск поршневой расширительной машины в непредусмотренном для этого направлении.

На фиг.6 показано предпочтительное расположение или соответствующее сцепление поршневой расширительной машины 19, выполненной в соответствии с изобретением, с двигателем 18 внутреннего сгорания, причем на фиг.6а) показано изображение в смонтированном состоянии между лонжеронами 20 рамы с крыльчаткой 21 вентилятора, в то время как на фиг.6b) для лучшей наглядности крыльчатка 21 вентилятора и лонжероны рамы 20 не показаны.

Поршневая расширительная машина 19, имеющая пять цилиндров 1, 16, в этом случае выполнена в виде звездообразного двигателя, расположенного между крыльчаткой 21 вентилятора и лонжеронами 20 рамы. Поршневая расширительная машина 19 имеет коленчатый вал 8 (на этом виде закрыт), который через муфту 17 свободного хода (обгонную муфту) связан с коленчатым валом двигателя 18 внутреннего сгорания. Муфта 17 свободного хода гарантирует, что передача крутящего момента осуществляется исключительно от коленчатого вала 8 поршневой расширительной машины на коленчатый вал двигателя 18 внутреннего сгорания, а не в обратном направлении. Таким образом, с одной стороны, гарантируется, что указанная передача осуществляется всегда тогда, когда имеется достаточное количество пара для работы поршневой расширительной машины 19 для поддержки двигателя 18 внутреннего сгорания, а с другой стороны, что не может наступить рабочее состояние, в котором двигатель 18 внутреннего сгорания приводил бы в движение поршневую расширительную машину 19 (так сказать, «вращал бы ее за собой»).

Как показывают приведенные выше варианты осуществления, наличие байпасного клапана 3, который, как описано, расположен параллельно впускному клапану 2 цилиндра 1, представляет собой простую и эффективную возможность реализации автоматического (самостоятельного) пуска поршневой расширительной машины, механически связанной с двигателем внутреннего сгорания. С помощью изобретения, таким образом, наиболее выгодным способом обеспечивается возможность путем вторичного теплового контура использовать отходящее тепло двигателя внутреннего сгорания, в частности двигателя грузового автомобиля. При этом во вторичном тепловом контуре предпочтительно текучая при нормальных условиях рабочая среда переводится, по меньшей мере, частично в парообразую фазу, и полученный таким образом пар расширяется с помощью поршневой расширительной машины, для того чтобы преобразовать энергию, содержащуюся в отходящем тепле двигателя внутреннего сгорания, в энергию движения. «Рекуперированная» таким образом энергия движения, отдаваемая двигательной установке, в итоге обеспечивает повышение эффективности всей системы. Такого рода комбинированные системы, состоящие из традиционного двигателя внутреннего сгорания, в частности, дизельного двигателя, и пароприводной поршневой расширительной машины, служат непосредственно для повышения КПД двигательной установки и приводят, тем самым, к сокращению выброса вредных веществ и повышению экономичности.

Список позиций

1 Цилиндр

2 Впускной клапан

3 Байпасный клапан

4 Выпускной клапан

5 Поршень

6 Внутреннее пространство цилиндра

7 Шатун

8 Коленчатый вал

9 Устройство подачи текучей среды

10 Устройство отвода текучей среды

11 Толкатель клапана

12 Пружина

13 Отверстие

14 Открытое поперечное сечение байпасного клапана

15 Открытое поперечное сечение впускного клапана

16 Другой цилиндр

17 Муфта свободного хода (обгонная муфта)

18 Двигатель внутреннего сгорания

19 Поршневая расширительная машина

20 Лонжероны рамы

21 Крыльчатка вентилятора