Меню Содержимое
Главная arrow Главная arrow Универсальная энергосистеа транспортного средства

Случайное изображение

scan10210.jpg

Авторизация






Забыли пароль?
Ещё не зарегистрированы? Регистрация

Выбор шаблона сайта

Опросы

Как Вы узнали о нашем сайте?

Универсальная энергосистеа транспортного средства Печать E-mail
Рейтинг: / 0
ХудшаяЛучшая 
Автор Рыбаков Анатолий Александрович   
Универсальная энергосистема транспортного средства.

Разработка относится к моторостроению и приводам транспортных  средств. Энергосистема транспортного средства включает источник энергии - двигатель (варианты - механической, электрической, пневматической) и соответственно привод движителя (те же  варианты) - колеса, гребного винта и т.д. Универсальность энергосистемы состоит в том, что её составляющие – двигатель и привод - могут использоваться на транспортных средствах  всех назначений – наземных, водных, воздушных. Кроме того, двигатели и приводы могут использоваться в качестве индивидуальных, бесперебойных надёжных и экономичных источников энергии в отрыве от стационарных источников, созданием которых сегодня озабочен весь мир.

Обсудить новость в форуме. (0 сообщений) 

 

Все предлагаемые принципиальные схемы энергомодулей защищены патентами: №№ 2131525, 2206761, 23244060, 2324829, 2324830, 2328607, 2328608, 2340783, 2342546, 2345232, 2349765, 2352797. Поданы заявки на получение патентов №№ 2008118833, 2008127421, 2009101549, 2009104232, 2009105548, 2009115041, 2009115044. В процессе реализации проекта разработка неминуемо обрастёт массой патентов, что обеспечит её конкурентоспособность, а международное патентование - расширение рынка.

Экономический эффект от внедрения только лишь универсального двигателя – далее назовём его «энергомодуль».

По мнению аналитиков к 2010 г. Производство автотранспортных средств всех назначений в мире достигнет 100 миллионов ежегодно. Сегодня не редкость, когда к  новой модели автомобиля предлагаются два-три варианта двигателей.  Если, например, к этому времени вместо множества конструкций двигателей силовые установки всех автомобилей будут комплектоваться едиными универсальными энергомодулями, а их на каждую модель потребуется несколько штук, то общая потребность в них приблизится к миллиарду. Учитывая, что энергомодули  будут использоваться и в качестве автономных источников электроэнергии, это число значительно увеличится. Автоматизированное производство энергомодулей в таких объёмах снизит их стоимость в пересчёте на единицу мощности ниже стоимости самого дешёвого ДВС, тем более, что сложность конструкции и требовательность к материалам останутся на том же уровне.

Согласно докладу академика РАН Платэ «Некоторые аспекты создания экологически чистых топлив ХХI века», прочитанному в июле 2004 г. на Первом международном химическом саммите, неизбежное истощение природных нефтяных месторождений не грозит тотальным  дефицитом топлива. В обозримом будущем углеводородное топливо не сдаст своих позиций. Еще во время Второй мировой войны синтетическое топливо получаемое из угля практически полностью покрывало потребности немецкой авиации. Основные тезисы доклада по сей день не потеряли актуальности.  Сегодня считается перспективным использование растений, в основном сельскохозяйственных, в качестве сырья для синтетических топлив (биогаз, био-дизель, соя-керосин, рапсо-бензин), из ископаемого сырья - коксо-дизель, пропан, метан и т.д. Имеются сообщения о поистине неисчерпаемом источнике для этих целей – морских водорослей. Получаемое из них топливо по характеристикам полностью соответствует лучшим сортам бензина, правда, непривычно зелёного цвета. Свою лепту в преодоление топливного кризиса вносит и генная инженерия. В джунглях Патагонии обнаружен микроскопический грибок, паразитирующий на деревьях и производящий для защиты от конкурентов смесь из углеводородов, низкомолекулярных спиртов и эфиров. Это практически готовое биогорючее для двигателей. Если выращивать грибок в биореакторах на целлюлозе (отходах сельского хозяйства и бумажной промышленности), горючее удастся получить в больших масштабах. Не исключено, что, используя методы генной инженерии, биологи смогут увеличить выход топлива. Исследования в области нанотехнологий могут привести, в частности, к снижению стоимости высокотемпературных топливных элементов, использование которых желательно не только в качестве энергомодулей силовых установок транспортных средств, но и приборов бесперебойного питания для индивидуального автономного энергообеспечения: в коттеджах, на дачах, квартирах и т.д. Созданием подобных микроэлектростанций сейчас озабочена вся Европа. Высокотемпературные топливные элементы, характеристики которых декларируются разработчиками, с одной стороны весьма привлекательны поскольку «всеядны», было бы любое топливо. С другой – топливные элементы очень дороги: от 10 до 20 тысяч долларов за 1 кВт установочной мощности. И неясно как следует избавляться от не лучшим образом влияющих на экологию побочных продуктов при разложении топлив для получения водорода, в состав которых кроме извлекаемого водорода входят углерод и другие элементы, и когда можно будет возможно заливать водород в бак так же, как традиционное топливо. Созданы экологически чистые в полном смысле этого слова автомобили с силовыми установками на основе водородных топливных элементах, но они скорее носят рекламный характер. Назвать время широкого внедрения топливных элементов в практику, хотя бы ориентировочно, не берётся ни один серьёзный прогнозист. Следует иметь ввиду, что водород скорее не топливо, а теплоноситель. Какие бы технические усовершенствования не появятся в ближайшем будущем, утверждает американский журнал «Скептик», на выработку, хранение и транспортировку единицы массы водорода всегда придётся тратить больше энергии, чем заключено в ней самой. Поэтому отказываться от совершенствования тепловых поршневых машина углеводородном топливе явно преждевременно.                     

В развитии современной техники четко прослеживается тенденция перехода от моносистем к полисистемам модульной структуры. Модульное производство существенно снижает стоимость продукции. Прилагаются определенные усилия и в автомобилестроении по принципу – в автомобиле все, что не видно, должно быть одинаковым. Например, каждая ячейка  водородно-кислородного электрохимического генератора водородомобиля или аккумулятор электромобиля представляют собой энергомодуль. Предпринимались попытки в качестве энергомодулей  использовать несколько классических свободнопоршневых генераторов газов, работающих на общую турбину, или свободнопоршневых ДВС, сблокированных с линейными электрогенераторами. Однако получить энергосистему, отвечающую современным эксплуатационным требованиям, по множеству причин пока не удалось. Что касается электромобиля. Электроконденсаторные аккумуляторы при кпд близким к единице имеют низкую удельную мощность, а электрохимические - кроме неудовлетворительных кпд и удельной мощности отличаются и другими недостатками: большим временем зарядки, ограниченным ресурсом эксплуатации, проблемами утилизации и др. Тем не менее, идея создания универсального энергомодуля, подходящего для оснащения энергосистем транспортных средств всех назначений простым набором необходимого числа универсальных энергомодулей, остается весьма привлекательной, и не только в экономическом плане. Есть все основания быть уверенным, что в результате внедрения принципа модульности будет получена энергосистема транспортных средств с исключительными, присущими только им качествами.

Автомобили с гибридной силовой установкой уже перестали быть экзотикой, выпускаются несколькими фирмами и имеют повышенный спрос, так как отличаются высокой экономичностью (несколько литров топлива на 100 км при относительно большой массе) и предельно высокой экологичностью – практически нулевым выбросом токсичных веществ – качеством трудно переоценимым в эпоху тотальных пробок, особенно в городах. Из существующих принципиальных схем комбинированных силовых установок наиболее перспективна схема электромобиля с собственной зарядной станцией. Электростанция – ДВС сблокированный с электрогенератором – заблаговременно заряжает аккумулятор.  При ускоренном старте запускается ДВС и  энергия его генератора совместно с энергией аккумулятора подаётся на электромоторы привода колес. Отсюда высокие динамические показатели автомобиля. На промежуточных скоростях, не достигающих максимальной, для подзарядки аккумулятора по мере его разрядки периодически запускается ДВС. Режим работы ДВС оптимальный (максимальный кпд, максимальная экологичность). Коэффициент загрузки ДВС во всем диапазоне скоростей равен единице. Во время торможения электромоторы колес, действуя в режиме генератора, резервируют вырабатываемую энергию в аккумуляторе, способствуя экономичности силовой установки. Недостатки такой схемы: энергия на периодические запуски ДВС теряется безвозвратно, на максимальной скорости работает только ДВС, так как аккумулятор к этому времени уже разряжен и является бесполезным балластом,   

то есть удельная мощность силовой установки заметно ниже таковой с традиционной механической передачей крутящего момента на колёса.Оба недостатка устранимы, если ДВС комбинированной силовой установки заменить группой унифицированных энергомодулей, а ёмкость аккумулятора уменьшить на столько, чтобы принимать только рекуперированную энергию торможения.                         На роль универсального энергомодуля  можно предложить несколько принципиальных схем. Одна из них, как это не парадоксально, свободнопоршневой ДВС сблокированный с линейным электрогенератором, потенциальные возможности которого до сих пор до конца не изучены. Бытует мнение, якобы линейный электрогенератор уступает в удельной мощности электрогенератору с вращающимся ротором. Однако отсутствие оси ротора и подшипников снижает его удельную массу. С физической точки зрения прямолинейные колебательные движения есть вырождение вращательного, и наоборот. При прочих равных условиях генерируемая за один рабочий ход якоря линейного электрогенератора электроэнергия эквивалентна электроэнергии генерируемой электрогенератором с вращающимся ротором за пол-оборота ротора.  Возможность управлять законом движения поршней энергомодуля позволяет добиться предельно совершенного термодинамического процесса во всем диапазоне нагрузок при использовании любого жидкого или газообразного моторного топлива. Для этого управление мощностью энергомодуля разделено на два независимых друг от друга процесса. Первый – управление текущей мощностью изменением длительности интервалов времени между рабочими циклами при постоянстве длительности каждого рабочего цикла (патент 2131525). Для этого система управления в конце каждого рабочего цикла задерживает  поршни в исходных для инициирования очередного рабочего цикла положениях на время обратно пропорциональное вырабатываемой мощности. Для обеспечения максимальной мощности рабочие циклы следуют друг за другом без задержки. При увеличении времени задержки от нуля до бесконечности вырабатываемая мощность соответственно снижается от максимальной до нуля. Переход от одного режима к другому, в том числе от нулевого до максимального и наоборот, происходит за время одного рабочего цикла, т.е. практически мгновенно. Холостой ход отсутствует.

Второй процесс – управление независящими от нагрузки на энергомодуль параметрами стационарного рабочего цикла (патент 2206761). Степень сжатия воздуха или топливной смеси в камере сгорания, фазы открытия и закрытия газораспределительных клапанов, продолжительность нахождения их в открытом положении, фаза момента подачи топлива, количество подаваемого топлива и время его сгорания определяются системой управления в соответствии с физико-химическими характеристиками применяемого в данный момент топлива и массы кислорода в камере сгорания с таким расчетом, чтобы при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель топливо сгорало до конечных продуктов окисления не оставляя при этом кислорода для образования оксидов азота. Для этого система управления фиксирует поршни в окрестностях их максимального схождения до полного сгорания топлива, после чего блокировка поршней снимается и начинается такт расширения продуктов сгорания.

  На рис. 1 приведены усреднённые сравнительные зависимости кпд и динамики развиваемой мощности от угловой скорости коленвала ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и частоты рабочих циклов универсального свободнопоршневого энергомодуля. Видно, что кпд энергомодуля (линия 1) остается максимальным во всем диапазоне нагрузок, а развиваемая мощность (линия 2) прямо пропорциональна  расходу топлива и Несмотря на определенный расход топлива на холостом ходу полезная работа ДВС с кривошипно-шатунным механизмом не производится, поэтому мощность и кпд равны нулю (точка 3). С увеличением подачи топлива мощность (кривая 4) растёт, но её прирост сокращается и на максимальных оборотах прекращается (точка 5). С ростом мощности возрастает и кпд (кривая 6), и на оптимальных оборотах, когда достигается наиболее полное сгорание топлива кпд, достигает максимума (точка 7). Дальнейшее увеличение подачи топлива ухудшает условия его сгорания и с некоторым ростом мощности  начинается резкое падение кпд (точка 8). При первом же рабочем цикле свободнопоршневого энергомодуля со стационарным рабочим циклом независимо от развиваемой мощности его кпд скачком возрастает от нуля (точка 9) до максимума (точка 10) и остается постоянным при всех режимах нагрузки (линия 1). В точке 11 кпд и максимальная мощность совпадают. Переход от одного режима нагрузки к другому, в том числе от  нулевого до максимального и наоборот, происходит за время одного рабочего цикла. Холостой ход отсутствует. 
<><><> <><><>

Рис. 1. Усреднённые сравнительные характеристики ДВС с кривошипно-шатунным механизмом и универсального энергомодуля. 

Известно, с повышением частоты рабочих циклов мощность машин дискретного преобразования энергии пропорциональна частоте. Снижая единичную мощность энергомодуля до рационального уровня, за счёт уменьшения массы подвижных деталей, например до нескольких киловатт, можно поднять частоту рабочих циклов до 20 и более тысяч в минуту, что также повысит его удельную мощность. Далее рассматривается энергомодуль с подобными характеристиками.

                                                                

ЭНЕРГОМОДУЛЬ В СОСТАВЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА Энергомодуль (рис. 3) состоит из свободнопоршневого ДВС 1, системы управления (на рисунке не показана) и линейного электрогенератора 2.Так как энергомодуль симметричен относительно плоскости А-А, взаимодействие деталей рассматривается только для его правой части. Перед пуском энергомодуля поршни двигателя 3 находятся в точках максимального схождения, клапан впуска воздуха 4 и выпуска отработавших газов 5 закрыт, клапан компрессора 6 открыт, клапан управления законом движения поршней 7 находится в нижнем положении.При пуске система управления форсункой 8 подает топливо в камеру сгорания и тем или иным способом воспламеняет его. Топливо горит и расширяющиеся продукты сгорания начинают разводить поршни двигателя 3, поршни компрессора 9 и якоря 10 генератора. Жидкость из полости якоря 10 через клапан 7 поступает в гидроаккумулятор 11 и заряжает его. Якорь 10 представляет собой постоянный магнит с разнесенными по вертикали полюсами. При движении якоря через зазор статорного магнитопровода 12 в нем возникает переменный магнитный поток, в результате чего в катушке генератора 13 генерируется электрический импульс. В момент близкий к максимальному расхождению поршней система управления открывает клапан 5 и отработавшие газы вытекают из цилиндра двигателя. В конце фазы выпуска давление отработавших газов становится меньше, чем давление воздуха в полости поршня компрессора 9, и воздух из его полости открывает клапан 4 и через клапан 5 продувает цилиндр. Пусковой рабочий цикл заканчивается и, если энергомодуль должен работать на полной мощности, сразу же начинается очередной рабочий цикл, отличающийся от предыдущего пускового тем, что в камере сгорания в результате сжатия оказывается больше воздуха и сгорает больше топлива. В конце такта расхождения поршней жидкость из гидроаккумулятора 11 через клапан 7 поступает в полость якоря 10 и поршни энергомодуля начинают встречное движение, клапан 4 возрастающим давлением продуктов сгорания в камере сгорания закрывается. Одновременно открывается клапан 6 и воздух из атмосферы засасывается в полость компрессора. В момент близкий к максимальному схождению поршней в камеру сгорания подается топливо. Далее процесс аналогичен происходящему при пусковом цикле. Рис. 2. Энергомодуль в составе свободнопоршневого двигателя со   стационарным рабочим циклом и линейного электрогенератора             Второй способ пуска энергомодуля заключается в следующем. Система управления подает электрический импульс на катушку генератора 13 такой полярности, при которой якорь 10 движется в сторону гидроаккумулятора  11 и, тем самым, заряжает его. После достижения поршнями крайних точек расхождения под воздействием поступающей из гидроаккумулятора жидкости поршни энергомодуля начинают сходиться, воздух в цилиндре сжимается и начинается очередной рабочий цикл.

На режиме максимальной мощности рабочие циклы следуют друг за другом без перерыва. Снижение вырабатываемой мощности осуществляется увеличением интервалов времени между рабочими циклами от нулевого при максимальной мощности до бесконечности, т.е. состояния покоя. Для этого система управления в конце каждого рабочего цикла переводит клапан 7 в закрытое (верхнее) положение. Поршни фиксируются в исходных для совершения очередного рабочего цикла положениях на время обратно пропорциональное задаваемой мощности. По истечению времени задержки система управления переводит клапан 7 в открытое (нижнее) положение и жидкость из гидроаккумулятора 11 приводит поршни энергомодуля во встречное движение – начинается очередной рабочий цикл. Оптимальная степень сжатия воздуха в камере сгорания в соответствии с физико-химическими характеристиками применяемого в каждый конкретный момент топлива и объемом кислорода в камере сгорания определяются системой управления прекращением генерирования электрического импульса, т.е. моментом  разрыва цепи  между катушкой генератора 13 и нагрузкой. Чем раньше это произойдет, тем до большего уровня зарядится гидроаккумулятор 11 и, следовательно, при схождении поршни приобретают бỏльшую кинетическую энергию, тем бỏльшая степень сжатия будет достигнута. Снижение степени сжатия происходит в обратном порядке.

Одно из условий функционирования свободнопоршневого двигателя – синхронное движение его поршней в противофазе на протяжении всего рабочего цикла. Изготовить абсолютно идентичные по массе и форме  поршни и цилиндр невозможно. Кроме того, на характер движения поршней значительные влияния оказывают инерционные силы, возникающие в результате его непрогнозируемых перемещений в пространстве, а также вращение земли и её перемещения в пространстве. В отличие от традиционного способа синхронизации движения поршней свободнопоршневого двигателя механическими синхронизаторами в данном энергомодуле этот процесс осуществляется системой управления без каких-либо дополнительных механизмов уменьшением нагрузки на один из генераторов. Для этого система управления отслеживает скорость каждого поршня и по сигналу рассогласования скоростей поршней снижает нагрузку на генератор того поршня, скорость которого меньше скорости другого (патент 2328607). Если, например, при такте расширения продуктов сгорания скорость левого поршня больше правого, система управления отключает правую катушку генератора на время необходимое для уравнивания их скоростей, после чего клапан 7 возвращается в исходное положение.  При схождении поршней система управления переводит клапан 7 в частично закрытое положение того поршня, скорость которого больше скорости оппозитно движущегося поршня. Сопротивление движению потока жидкости из гидроаккумулятора 11 возрастает и скорость поршня снижается. Независимость закона движения поршней энергомодуля от нагрузки позволяет реализовать изохорный (при постоянном объёме) процесс сгорания топлива в камере сгорания (патент 2206761), для чего система управления в момент максимального схождения поршней переводит клапан 7 в закрытое положение. Время удержания поршней в этом положении определяется системой управления с учётом физико-химических характеристик применяемого в данный момент топлива до полного окисления продуктов сгорания, после чего клапан 7 возвращается в исходное положение и начинается очередной рабочий цикл. Очевидно – энергомодуль способен адаптироваться ко всем сортам моторных топлив в процессе работы без переналадки топливной аппаратуры, чем и обеспечивается его многотопливность.                                                       Ещё один способ увеличения удельной мощности энергомодуля. Рассмотренная схема позволяет генерировать за один рабочий цикл один импульс электроэнергии. Для увеличения удельной мощности достаточно разделить генерируемый импульс путем разрывания цепи катушки генератора на несколько отдельных импульсов. Чем выше рабочая частота, тем меньше масса  катушки и магнитопроводов. За счет увеличения частоты уменьшается масса электрогенератора и, следовательно, при равных прочих условиях увеличивается удельная мощность энергомодуля в целом.             ЭНЕРГОМОДУЛЬ В СОСТАВЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОГО       ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО СТАЦИОНАРНЫМ        РАБОЧИМ ЦИКЛОМ И ЛИНЕЙНОГО  ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА С        УМНОЖИТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ   Энергомодуль состоит из электрогенератора 1 (рис. 4), свободнопоршневого двигателя 2 и системы управления (на рисунке не показана). Схема энергомодуля симметрична отностительно плоскости А – А, поэтому взаимодействие его частей также рассматривается только для его правой части. Перед пуском якорь 3 и клапаны управления потоком жидкости 4, 5 находятся в крайнем правом положении. Поршень двигателя 6, соединенные с ним поршни компрессора 7, гидравлический поршень 8 и плунжер 9 – в точках максимального схождения. Клапан выпуска отработавших газов 10 и клапан впуска воздуха 11 закрыты, клапан 12 открыт. При пуске система управления форсункой 13 подает топливо в камеру сгорания  и тем или иным  способом воспламеняет его. Топливо горит и расширяющиеся продукты сгорания начинают разводить поршни двигателя. Клапан 12 закрывается и воздух в полости поршня компрессора 7 сжимается, жидкость из полости плунжера 9 заряжает гидроаккумулятор 14. Выдавливаемая из правой полости гидравлического поршня 8 жидкость по каналу 15 поступает в правую полость якоря 3 и он начинает движение справа налево, а жидкость из его левой полости по каналу 16 перетекает в левую полость поршня 8. Статорный магнит 17 является постоянным магнитом. При движении якоря 3 его торцы, выполненные из магнитомягкого материала, пересекают магнитные потоки в зазорах статорных магнитов 17, в теле якоря возникает магнитный поток и в катушке 18 генерируется электрический импульс. По достижению якорем 3 левого крайнего положения система управления переводит клапаны 4, 5 в левое положение, и жидкость из правой полости поршня 8 через открывшийся канал 19 поступает в левую полость якоря 3, а из правой полости через канал 20 - в левую полость поршня 8. Якорь движется слева направо, и в катушке 18 генерируется электрический импульс противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4, 5 из одного положения в другое, сообщает якорю колебательные движения до тех пор, пока энергии расширяющихся продуктов сгорания достаточно для одновременного обеспечения генерирования электроэнергии и разведения поршней. После этого система управления переводит один из клапанов 4 или 5 в противоположное положение. С этого момента жидкость из правой полости поршня 8 свободно перетекает по каналам 15, 19 и 16 в левую полость поршня 8 и гидроаккумулятор 14 заряжается. В момент близкий к максимальному расхождению поршней система управления открывает клапан 10 и отработавшие газы вытекают из цилиндра. В конце фазы выпуска давление сжимаемого в компрессоре воздуха превышает давление в камере сгорания, в результате чего открывается клапан 11 и происходит продувка цилиндра. Первый (пусковой) цикл заканчивается и начинается рабочий цикл.  Рис. 3. Энергомодуль в составе свободнопоршневого двигателя внутреннего       сгорания со стационарным рабочим циклом и электрогенератора с умножителем                         частоты.   Второй способ пуска энергомодуля состоит в следующем. Система управления подаёт переменное напряжение на катушку 18 и, перемещая клапаны 4, 5 из одного крайнего положения в другое, перекачивает жидкость из правой полости поршня 8 в левую. В этом случае энергомодуль действует в режиме насоса, разводя поршни и заряжая гидроаккумулятор 14. После полного расхождения поршней один из клапанов 4 или 5 переводится в противоположное положение. Под действием поступающей из гидроаккумулятора жидкости поршни начинают схождение. В момент близкий к полному схождению поршней в камеру сгорания 11 подаётся топливо. Далее процесс аналогичен показанному выше. Для оперативного управления мощностью система управления в конце каждого рабочего цикла прекращает переводить клапаны 4, 5 из одного положения в другое. Поскольку якорь 3 перекрывает поток жидкости из левой полости поршня 8 в правую, поршни энергомодуля фиксируются в исходных для инициирования очередного рабочего цикла положениях. По истечению времени, соответствующего задаваемой мощности, система управления переводит один из клапанов 4 или 5 противоположное положение. Жидкость получает возможность свободно перетекать из полости в полость поршня 8. Теперь жидкость из гидроаккумулятора 14, воздействуя на плунжер 9, приводит поршни во встречное движение. Оптимальная степень сжатия                                                                                                                                            воздуха в камере сгорания определяется моментом прекращения генерирования электроэнергии переводом одного из клапанов 4 или 5 в противоположное положение. Чем раньше это произойдет, тем до большего уровня зарядится гидроаккумулятор 14. При схождении поршни получают больше кинетической энергии и, следовательно, будет достигнута большая степень сжатия. Уменьшение степени сжатия происходит в обратном порядке.Синхронизация движения поршней при их расхождении аналогична предыдущему варианту – снятие нагрузки на тот электрогенератор, поршень которого имеет меньшую скорость, чем оппозитно движущийся на время необходимое для уравнивания скоростей поршней (патент 2324829), а при расхождении – частичным переводом одного из клапанов 4 или 5 в закрытое положение.                                                                                                  Изохорный процесс сгорания топлива осуществляется прекращением перевода клапанов 4, 5 из одного положение в другое. Якорь 3 запирает жидкость в правой полости поршня 8, чем обеспечивается постоянство объема камеры сгорания на время полного сгорания топлива.Оптимальное время для качественной продувки цилиндра обеспечивается также как и при задержке поршней для инициирования очередного рабочего цикла.           ЭНЕРГОМОДУЛЬ В СОСТАВЕ ОДНОТАКТНОГО               СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ    СГОРАНИЯ И ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА Энергомодуль преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию.
<><><> <><><>

                                                                                                                                                         Рис. 4. Энергомодуль в составе однотактного  свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора 

При пуске энергомодуля в камеру сгорания 1 (рис. 5) система управления (на рисунке не показана) форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания через открытый клапан 4  поступают в левую полость поршня 5 и под их воздействием поршень 5, соединенные с ним штоком 6 якорь 7 и поршень 8 начинают движение слева направо. Площадь левой торцевой поверхности поршня 5 больше площади его противоположной поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6. Следовательно, давление сжимаемого в правой полости поршня 5 воздуха больше давления продуктов сгорания в его левой полости. Поэтому воздух из правой полости поршня 5 открывает клапан 9 и поступает в камеру сгорания 1, обеспечивая тем самым кислородом процесс горения топлива. Одновременно воздух из правой полости поршня 8 через открытый клапан 10 выбрасывается в атмосферу (при последующих рабочих циклах – отработавшие газы), воздух из атмосферы через открытый клапан 11 поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12, в результате чего в ней генерируется импульс электроэнергии. По достижению поршнями крайнего правого положения система управления переводит клапаны 4, 10, 13, 14 в противоположные положения. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через открывшийся клапан 13 поступают в правую полость поршня 8, поршни 5 и 8 и якорь 7 начинают движение справа налево. Воздух из левой полости поршня 8 закрывает клапан 11 и через открывшийся клапан 15 поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и воздух из атмосферы через открывшийся клапан 16 засасывается в правую полость поршня 5, а отработавшие газы через открывшийся клапан 14 выбрасываются в атмосферу. Магнитный поток якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12 и в ней генерируется импульс электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4, 10, 13, 14 из одного положения в противоположные, обеспечивает постоянную подачу воздуха в камеру сгорания. Якорь 7 совершает колебательные движения  и в статорной катушке 12 генерируются  электрические импульсы, энергия которых направляется потребителю (патент 2324060). Возникающая в результате реакции движения поршней вибрация гасится применением двух энергомодулей, ориентируемых так, что оси симметрии поршней располагаются на одной прямой, а их движение тем или иным способом организуется в противофазе. Так как при этом одновременно используются два энергомодуля с общей камерой сгорания, синхронизация движения их поршней может организовываться перераспределением потока продуктов сгорания из камеры сгорания таким образом, что подаваемый поток продуктов сгорания на энергомодуль, чей поршнь движется медленнее чем оппозитно движещиеся поршнь другого энергомодуля, увеличивается до того момента, когда скорости поршней обоих энергшомодулей не сравняются (патент 2345232). Два других способа синхронизации основаны на перераспределении нагрузок на энергомодули. При уменьшении скорости поршня одного энергомодуля нагрузка на него снижается до момента уравнивания скоростей поршней обоих энергомодулей (патенты 2324829, 2328607).

Оперативное управление мощностью осуществляется изменением дозы подаваемого в камеру сгорания топлива. Мощность, развиваемая энергомодулем, прямо пропорциональна расходу топлива. Время выхода на рабочий режим, в том числе максимальный, ничтожно мало. Холостой ход отсутствует.                        Управление параметрами процесса сгорания топлива сводится к автоматической подстройке стехиометрического соотношения топливо-окислитель в зависимости от физико-химических характеристик применяемого в конкретный момент топлива. Отсюда вытекает многотопливность – способность работать на всех сортах моторного топлива, жидких и газообразных, без перенастройки топливной аппаратуры. Прототипом камеры сгорания данного и рассматриваемых далее энергомодулей является камера сгорания газотурбинного двигателя и обладает всеми его достоинствами. Её можно представить в виде трубы, с одной стороны которой подаётся топливо и сжатый воздух, а с другой вытекают продукты сгорания. Зона горения топлива по ширине и месту горения может перемещаться вдоль камеры сгорания в зависимости от сорта применяемого в конкретный момент топлива. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ   И ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ СВОБОДНОПОРШНЕВЫХ МАШИН В традиционных свободнопоршневых генераторах газов генерируемый газ подается на силовую газовую турбину. Процесс наполнения цилиндра воздухом, выпуск отработавших газов из цилиндра и его продувка осуществляется через впускные и выпускные окна. Такой способ газообмена не позволяет в процессе работы двигателя менять фазы впуска и выпуска в зависимости от нагрузки, частоты рабочих циклов и используемого в данный момент топлива. Применение механического привода клапанов для этих целей проблематично, так как в моменты, когда необходимо приводить их в действие, кинетическая энергия поршней в окрестностях крайних точках движения приближается к нулю. Задача решается использованием непосредственно энергии сжимаемого компрессором воздуха (патент 2349765).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    Рис. 5. Пневматический привод газораспределительного клапана свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания                                          Пневматический привод газораспределительных клапанов однотактной свободнопоршневой машины действуют следующим образом.Сжатый воздух от компрессора (рис. 6, компрессор на рисунке не показан) по каналу 1 подаётся в камеру сгорания 2. На отрезке канала 1 от компрессора до камеры сгорания 2 сжатый компрессором воздух по каналам 3, 4 поступает в верхнюю полость поршня привода клапана 5. Под его воздействием поршень привода клапана 5 перемещается вниз и газораспределительный клапан 6 открывается. Для закрывания клапана система управления переводит золотник 7 в нижнее положение, пропуская. Теперь сжатый воздух из компрессора по каналам 3 и 8 поступает в нижнюю полость поршня привода клапана 5 и клапан 6 закрывается. В обоих случаях отработавший воздух из полостей поршня привода клапана 5 выбрасывается в атмосферу через каналы 9, 10. Таким образом, клапан 6 обеспечивает поступление воздуха из атмосферы и выброс продуктов сгорания из камеры сгорания по направлению 11. Пневматический привод газораспределительного клапана может применяться, например, в свободнопоршневом энергомодуле (см. рис. 5) для подачи продуктов сгорания из камеры сгорания 1, клапаны 4 и 13 в полости поршней привода компрессора 5 и 8 и для выброса отработавших продуктов сгорания из этих полостей в атмосферу через клапаны 10 и 14.Точно так же действует пневматический привод топливной форсунки данного двигателя. Отличие лишь в том, сжатый воздух приводит в действие не газораспределительный клапан, а поршень привода форсунки (заявка 2008127421).

Принцип действия привода распределительных клапанов жидким рабочим телом поршневой машины отличается от рассмотренных пневматических приводов только тем, что рабочим телом для их действия служит жидкость (патент 2352797).

 

   ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД-ГЕНЕРАТОР

              Рис 6.  Импульсный электрогидравлический насос-генератор.            

Импульсный электрогидравлический привод-генератор преобразует электроэнергию в механическую энергию вращения вала или наоборот - механическую энергию вращения вала в электроэнергию. Он относится к электрогидравлическим машинам и его применение в комбинированной силовой установке автомобиля меняет качество всей силовой энергосистемы в целом и даёт существенный экономический и экологический эффект в плане утилизации энергии торможения.

Он  состоит из двух насос-генераторов 1, 2 (рис. 7), гидравлического мотор-насоса 3 (далее мотор-насос) и системы управления (на рисунке не показана). В исходном положении якорь 4 находится в левой крайней точке, клапаны управления потоком жидкости 5, 6 – в точках максимального сближения, толкатели 7, 8 – в среднем, а толкатели 9, 10 – в нижнем положении.

            Для вращения вала привод-генератора система управления подаёт от источника питания электрический импульс на  катушку подмагничивания якоря 11 (заявка на получение патента №2009105548). Протекающий по ней ток создаёт на торцах якоря 4 магнитные полюса таких знаков, при которых его левый торец выталкивается из кольцевого зазора статорного магнита 12, а правый торец втягивается в его правый кольцевой зазор.  Якорь 4 движется слева направо и, действуя как плунжер, выдавливает жидкость из своей правой полости по каналу 14 в полость толкателя 8. Одновременно жидкость из полости толкателя 7 по каналу 15 поступает в левую торцевую полость якоря 4 и толкатели 7, 8 движутся справа налево. Между торцевыми поверхностями толкателей и рабочими поверхностями передаточной шайбы 16 происходит плоскопараллельное скольжение, при котором все точки передаточной шайбы 16 вращаются вокруг собственных центров  вращения с радиусом вращения равным эксцентриситету эксцентрика 17, сообщая тем самым вращение соединённому с эксцентриком валу 18. В момент достижения якорем 4 крайнего правого положения система управления меняет направление тока в катушке 11 на противоположное и переводит клапаны управления потоком жидкости 5, 6 в точки крайнего расхождения. Теперь жидкость из полости левого торца якоря 4 по трубопроводу 19 и каналу 14 поступает в полость толкателя 8, а из полости толкателя 7 по каналу 15 и трубопроводу 20 – в полость правого торца якоря 4. Таким образом, толкатели 7, 8, продолжают двигаться влево. Циклы изменения направления тока в катушке якоря 4 повторяются до достижения толкателями левого крайнего положения. После этого система управления меняет последовательность срабатывания клапанов управления потоком жидкости 5, 6 и жидкость начинает поступать в правую полость толкателя 8, а из левой полости толкателя 7 через клапан 5 к насос-генератору.  И вал 18 продолжает вращение по часовой стрелке. В дальнейшем система управления каждые пол-оборота вала меняет направление потока жидкости и вращение вала продолжается в том же направлении. Для сглаживания колебаний момента силы на валу действует насос-генератор 2, подавая жидкость к толкателям 9, 10 в зависимости от направления вращения вала в ту или иную сторону со сдвигом фазы в пол-оборота. Вибрация, возникающая в результате колебательных движений якоря, компенсируется  применением двух насос-генераторов, ориентированных таким образом, что их якоря совершают оппозитное движение, причём оси симметрии якорей совпадают с прямой, вдоль которой совершается движение якорей (см. далее описание насос-генератора с оппозитным движением поршней, стр. 17).

            Импульсный электрогидравлический привод-генератор может действовать в режиме генератора. Для этого вал мотор-насоса 18 приводится во вращение внешним источником механической энергии, например колёсами автомобиля при его торможении. Соединённый с валом 18 эксцентрик 17 передаёт вращение передаточной шайбе 16 и толкатели 7, 8 совершают  возвратно-прямолинейное  движение, обеспечивая тем самым подачу жидкости к насос-генератору. Система управления клапанами управления потоком жидкости 5, 6 попеременно направляет жидкость в торцевые полости якоря 4, сообщая ему колебательное движение, в результате чего в катушке якоря 11 генерируются знакопеременные импульсы электроэнергии, энергия которых направляется потребителю, например в аккумулятор комбинированной энергосистемы автомобиля. Возможна реализация всех типов торможения транспортного средства или любой другой машины, блокировка колёс, в том числе стояночное торможение. Клапаны управления потоком жидкости 5 и 6 устанавливаются в одно из противоположных положений - либо расхождения, либо схождения. Путь движения жидкости между полостями толкателей 7, 8 перекрывается и вал 18 стопорится. Движение накатом – свободное вращение вала - оба клапана 5 и 6 устанавливаются либо вправо, либо влево и жидкость свободно перетекает из одной полости толкателя в другую через каналы 15, 19, 14, либо через 15, 20, 14. Промежуточное торможение от максимальной скорости вращения вала до нулевой осуществляется следующим друг за другом последовательными включениями насос-генератора для генерирования единичных импульсов электроэнергии. Если между импульсами нет промежутка времени, генерирование электроэнергии происходит в максимальном режиме. С появлением интервалов времени между единичными импульсами генерирования электроэнергии (импульсами торможения) уменьшается сопротивление вращению вала мотор-насоса 3. То есть чем меньше число импульсов торможения, тем меньше сопротивление вращению вала. Постоянство основных параметров импульсов - периода и амплитуды – позволяет настроить катушку насос-генератора 11 на резонансную частоту. Это значит, что кпд привода остаётся постоянным и максимальным во всём диапазоне нагрузок на привод-генератор. Оперативное управление моментом силы на валу мотор-насоса и его угловой скоростью осуществляется изменением длительности интервалов времени между подаваемыми на катушку якоря импульсами электроэнергии постоянной длительности и мощности. При непрерывном следовании импульсов обеспечивается максимальная мощность на валу мотор-насоса. С увеличением интервалов времени между импульсами от нуля до бесконечности передаваемая мотор-насосу энергия уменьшается обратно пропорционально интервалов времени между ними. Скорость вращения вала мотор-насоса может изменяться непрерывно или скачками от максимальной до малой и сверхмалой и наоборот, что исключительно важно для некоторых машин, например, автомобиля, оснащённого подобной комбинированной  силовой установкой или шпинделя токарного станка. Это качество позволяет автомобилю безопасно маневрировать в условиях ограниченного пространства – в складских помещениях, сутолоке дорожных пробок и т.д., сократить время технологических операций на токарном станке.     

            Реверсирование вращения вала мотор-насоса обеспечивается изменением направления потока жидкости в одним из насос-генераторов, причём мощность на валу не зависит от направления его вращения. Следует обратить внимание на катушку подмагничивания якоря, она неподвижна. На якоре нет обмотки, а значит и его масса меньше на массу обмотки, нет и контактов, соединяющих обмотку с источником или потребителем электроэнергии, что позволяет реализовывать высокие частоты колебания якоря. Это качество увеличивает удельную мощность агрегата, так как чем больше частота преобразования энергии машин дискретного действия, тем меньше масса агрегата при одной и той же преобразовываемой мощности.

            Специалисты утверждают, что эффективная рекуперация энергии торможения возможна только на высоких и, в лучшем случае, средних скоростях, так как для электрогенераторов с вращающимся ротором генерируемая электроэнергия убывает обратно пропорционально квадрату скорости вращения ротора. Как видно, этот порок электрогенераторов с вращающимся ротором у мотор-насоса отсутствует. Эффективная рекуперация осуществляется и на малых, и на сверхмалых скоростях движения автомобиля. В результате не только, пусть не на много, экономится топливо, но главное, снижается пресс загазованности окружающей среды, в особенности в городах.

  

НАСОС-ГЕНЕРАТОР С ОППОЗИТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОРШНЕЙ

 

            Любая машина с одним поршнем или якорем подвержена вибрации в результате реакции движения поршня. Приводится принцип действия насос-генератора свободным от этого порока (заявка на получение патента № 2009115041 от 20.04.2009г.).

            В состав насос-генератора входят (см. рис. 8) статорные магниты 1 и 2, якоря 3 и 4, катушки подмагничивания якорь-поршней (далее – катушки подмагничивания) 5 и 6, клапаны управления потоком жидкости 7 и 8, каналы и трубопроводы 9, 10, 11, 12, 14, 15 и система управления правления (на рисунке не показана).

               

            Рис 7. Насос-генератор с оппозитным движением якорь-поршней

 

            При работе насос-генератора в режиме генератора находящаяся под давлением рабочая жидкость от источника жидкости, например насоса, по каналу 9 и трубопроводу 10 подаётся в левую торцевую полость якоря 3 и правую торцевую полость якоря 4. Якоря начинают встречное движение и выдавливают жидкость из правой торцевой полости якоря 3 и левой торцевой полости якоря 4. Жидкость из этих полостей по трубопроводу 12 и каналу 13 возвращается к источнику жидкости. Якоря 3 и 4 изготовлены из магнитомягкого материала, а статорные магниты – постоянные магниты. Под действием магнитных полей статорных катушек 5 и 6 на торцах якорей 3 и 4 возникают магнитные полюса как показано на рисунке. При движении торцов якорей 3 и 4 в магнитных полях статорных магнитов 1 и 2 в телах якорей 3 и 4 индуцируются магнитные потоки, генерирующие в катушках подмагничивания якорей 5 и 6 импульсы электроэнергии. По достижению якорями крайних точек схождения, система управления переводит клапаны 7 и 8 в противоположные положения и жидкость от источника по каналу 9 и трубопроводам 14 и 12 начинает поступать в правую торцевую полость якоря 3 и левую торцевую полость якоря 4, Якоря меняют направление движения и жидкость из левой торцевой полости якоря 3 и правой торцевой полости якоря 4 по трубопроводам 10, 11, 15 и каналу 13 продолжает возвращаться к источнику. В дальнейшем система управления продолжает менять положение клапанов 7 и 8 и якоря 7 и 8 совершают оппозитные возвратно-прямолинейное движение. В катушках подмагничивания якорей 5 и 6 генерируются переменные электрические колебания, энергия которых направляется потребителю.

            При работе насос-генератора в режиме электропривода на катушки подмагничивания якорей 5 и 6 полаётся напряжение и на торцах якорей 3 и 4 возникают магнитные полюса. Если их положение таково, как показано на рисунке, то левый торец якоря 3 с северным магнитным полюсом выталкивается из левого кольцевого зазора  статорного магнита 1, а правый его торец с южным магнитным полюсом втягивается в левый кольцевой зазор статорного магнита 2. Аналогичным образом якорь 4 взаимодействует с правым кольцевыми зазорами статорных магнитов 1 и 2. Система управления устанавливает клапаны 7 и 8 в крайние точки схождения и жидкость по трубопроводам 12, 14 и каналу 9 поступает потребителю, например гидромотору, а по каналу 13 и трубопроводам 10 и 11 возвращается в левую торцевую полость якоря 3 и правую торцевую полость якоря 4. При достижении якорями крайних точек схождения система управления меняет направление тока в катушках подмагничивания якорей 5 и 6 и положение клапанов управлением потоком жидкости 7 и 8 и жидкость продолжает по каналу 9 поступать потребителю и возвращаться от него по каналу 13. Таким образом, оппозитный характер движения якорей нейтрализует воздействие сил реакции от движения якорей на корпус насос-генератора. Изготовить якоря абсолютно идентичными по форме и массе практически невозможно. Кроме того, на характер движения якорей влияют и другие факторы – непредсказуемые перемещения насос-генератора в пространстве, вращение земли и т.д., поэтому необходимо каким-либо образом обеспечивать их оппозитно синхронное движение. В данном случае синхронизация движения якорей достигается изменением нагрузки на одну из катушек якоря. Например, если скорость левого якоря меньше скорости правого, система управления разрывает цепь катушки подмагничивания левого якоря и скорость якоря увеличивается. Как только скорости якорей сравняются, система управления восстанавливает цепь катушки подмагничивания якоря (патент 2328607).

 

ГАЗОПОРШНЕВОЙ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ ГЕНЕРАТОР                                                               РАБОЧИХ ГАЗОВ

 

Газопоршневой свободнопоршневой генератор рабочих газов (далее – генератор газов) является дальнейшим развитием газотурбинного двигателя и машины на основе свободнопоршневого генератора газов. Основной недостаток газотурбинного двигателя при использовании его в качестве автомобильного двигателя – высокий удельный расход топлива на малых и средних скоростях вращения вала. Для силовой установке со свободнопоршневым генератором газов при его работе на тяговую турбину – неприемлимо высокая удельная масса. Ещё в начале прошлого века делались попытки установить дизельный двигатель на железнодорожный локомотив. Поскольку механизмы сцепления и перемены передач вызывали серьёзные проблемы при управлении, пошли по пути использования продуктов сгорания дизеля для привода расширительной машины паровозного типа. Затем родилась идея свободнопоршневого генератора рабочих газов для питания расширительной тяговой машины (Шелест П. А. «Безвальные генераторы газов»,  М.  Машгиз, 1960).

Работа предлагаемого  газопоршневого генератора рабочих газов основана на генерировании газов высокого давления и температуры в свободнопоршневой машине с последующей подачей их на расширительную тяговую машину (патент 2324060). Действует он следующим образом.

Рис. 8. Газопоршневой свободнопоршневой генератор рабочих газов с двумя поршнями привода компрессора.

 

При пуске генератора газов (рис. 9) в камеру сгорания 1 форсункой 2 подаётся топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Топливо загорается, давление и температура продуктов сгорания увеличиваются и они через клапан 4 (клапан в левом крайнем положении) поступают в левую полость цилиндра поршня привода компрессора 5. Так как площадь левого торца поршня 5 больше площади его правой торцевой поверхности на величину площади поперечного сечения штока 6, то давление  воздуха в правой полости  поршня 5 больше давления продуктов сгорания в его левой полости, в результате чего возникает сила направленная слева направо вдоль  оси штока 6 и поршень 5, шток 6, поршень 7 движутся слева направо. Сжимаемый в правой полости цилиндра поршня 5 воздух закрывает клапан 8, открывает клапан 9 и поступает в камеру сгорания 1, пополняя в ней расход воздуха в процессе горения топлива. Воздух из правой полости цилиндра поршня 7 через клапан 10 (клапан в левом крайнем положении) выбрасывается в атмосферу. Клапан 11 закрывается и через открывшийся клапан 12 воздух из атмосферы засасывается в левую полость цилиндра поршня 7. По достижению поршнями крайнего правого положения система управления (на рисунке не показана) переводит клапаны 4 и 10 в правое крайнее положение. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания 1через открывшийся клапан 10 поступают в правую полость цилиндра поршня 7 и поршни 5 и 7 начинают движение справа налево. Клапан 12 закрывается и сжимаемый в левой полости цилиндра поршня 7 воздух открывает клапан 11 и поступает в камеру сгорания 1. Клапан 9 закрывается и через открывшийся клапан 8 воздух из атмосферы засасывается в правую полость цилиндра поршня 5, а из его левой полости через клапан 4 отработавшие продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4 и 10 из одного положения в другое, обеспечивает подачу воздух в камеру сгорания. Пульсация подаваемого в камеру сгорания воздуха сглаживается ресиверами (на рисунке не показаны). При достижении рабочего давления на выходе из  камеры сгорания 1 система управления открывает заслонку 13 и продукты сгорания поступают к расширительной машине. Вибрация, возникающая в результате реакции движения поршней, компенсируется применением двух энергомодулей, поршни которых движутся оппозитно по прямой совпадающей с осью симметрии поршней. Принцип компенсации вибраций изложен в главе «Насос-генератор с оппозитным движением поршней».

В данном варианте рассматривался генератор газов с двумя поршнями привода поршня компрессора. Далее показан вариант генератора газов с одним поршнем привода поршней компрессора (патент 2324830).

При пуске газового генератора (рис. 10) в камеру сгорания 1 форсункой 2 подаётся топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1по каналу 4 поступают в правую полость цилиндра поршня привода компрессора 5, с которым соединены поршни компрессора 6 и 7. Так как торцевая площадь поршня 5 больше торцевой поверхности поршня 6, сила давления продуктов сгорания на поршень 5 больше, чем сила давления сжимаемого в полости цилиндра поршня компрессора 6 воздуха, и поршни 5, 6, и 7 начинают движение справа налево. Клапан 8 закрывается и сжимаемый в полости цилиндра поршня компрессора 6 воздух открывает клапан 9 и поступает в камеру сгорания 1. Одновременно через клапан 10 в полость цилиндра поршня 7 засасывается воздух из атмосферы, а воздух (в дальнейшем отработавшие газы) по каналу 12 выбрасываются в атмосферу. По достижению поршнями крайнего правого  положения система управления (на рисунке не показана) переводит клапаны 13, 14 в крайнее правое положение. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания 1 через открывшийся клапан 13 поступают в левую полость поршня цилиндра поршня 5 и поршни начинают движение вправо, а отработавшие газы из его правой полости через канал 15 выбрасываются в атмосферу. Клапан 10 закрывается, а через открывшийся клапан 11 воздух поступает в камеру сгорания 1. После достижения в камере сгорания 1 рабочего давления продуктов сгорания они по каналу 16 поступают к расширительной машине, для чего система управления открывает заслонку 17. Вибрация от реакции движения поршней компенсируется аналогичным для предыдущего варианта способом.

     

 

Рис. 9. Газопоршневой свободнопоршневой генератор рабочих газов с одним поршнем привода компрессора.

 

Газотурбинный двигатель обладает определенными достоинствами. Кратко о принципе его действия. Турбина компрессора засасывает воздух из атмосферы и подаёт его в камеру сгорания. Туда же впрыскивается топливо и воспламеняется свечой зажигания, в результате чего в камере сгорания повышается температура и давление газового потока, который через сопловой аппарат  поступает на лопатки привода турбины компрессора, соединённого валом с турбиной компрессора, нагнетающего воздух из атмосферы в камеру сгорания. После турбины привода компрессора газы поступают в сопловой аппарат тяговой турбины, создавая момент силы на её валу. Основное качество газотурбинного двигателя – благоприятная тяговая характеристика для использования его в качестве автомобильного двигателя. Момент вращения тяговой турбины при постоянных параметрах газа обратно пропорционален числу оборотов  вала, что делает ненужным механизм перемены передач. Однако, низкий адиабатический коэффициент процесса сгорания топлива на малых и средних оборотах вследствие перетечек газов между периферией лопаток и корпусом турбины приводит к неприемлемо высокому удельному расходу топлива. У силового агрегата на основе классического свободнопоршневого генератора газов и тяговой турбины есть свой порок. Действует такой агрегат так. Свободнопоршневой генератор газов создаёт поток газов повышенного давления и температуры и направляет его на тяговую турбину. Но поскольку давление генерируемых газов в конце такта расширения, то есть на  входе в турбину, не превышает нескольких атмосфер, степень расширения газов в тяговой турбине недостаточно высока, что приводит к низкой удельной мощности.

В предлагаемом газопоршневом свободнопоршневом генераторе рабочих газов генерируется газ повышенного давления (десятки атмосфер и более)  и повышенной температуры на входе в расширительную машину. Следовательно, и степень его расширения в турбине или в цилиндрах расширительной машины значительно выше. Отсюда и высокая удельная мощность и кпд. Тяговая характеристика аналогична паровой машине: чем меньше число оборотов вала, тем выше момент силы на валу. Время выхода генератора газов на максимальный режим составляет доли секунды и поэтому позволяет обойтись без механизмов перемены передач в расширительной машине поршневого типа. Расход топлива прямо пропорционален развиваемой мощности, то есть кпд постоянен во всём диапазоне нагрузок на двигатель. В отличие от классического ДВС меньшая требовательность к физико-химическим характеристикам топлива – многотопливность. Применение жаропрочных и керамических материалов позволяет реализовывать сгорание топлива при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель без мероприятий по снижению температуры процесса сгорания. Относительные затраты на привод компрессора минимальны, а кпд максимален. Охлаждение стенок цилиндра и коллектора даёт возможность применять высокотемпературное воздушное охлаждение – тепло отбирается от стенок камеры сгорания и выпускного коллектора  и снова направляется в камеру сгорания. По сути это не система охлаждения, а система рекуперации тепловой энергии. Отсутствие жидкостного охлаждения обеспечивает высокие пусковые качества при любой температуре и быстрый выход на режим максимальной мощности без предварительного прогрева двигателя. Такие силовые установки окажутся полезными для применения не только в автомобилях, но и на большегрузных автомобилях, судах, кораблях, железнодорожных локомотивах и везде, где предпочтительна большая единичная мощность силовой установки . Да и железные дороги не везде электрифицированы, а в некоторых условиях электрификация просто нерентабельна. Маневровые локомотивы с их частыми остановками-стартами для рекуперации энергии торможения могут снабжаться пневмоаккумуляторами. При торможении тяговая машина действует как компрессор, закачивающий воздух в пневмоаккумулятор, откуда при разгоне сжатый воздух совместно с газовым генратором подаётся на тяговую машину (патенты 2324060, 2324830).

 

          ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ

 

Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания – иначе можно называть газопоршневой двигатель - преобразует химическую энергию моторного топлива в механическую энергию вращения вала отбора мощности и предназначается для использования в качестве механического привода общего назначения, в том числе и как силовой агрегат транспортных средств всех назначений, преимущественно для большегрузных автомобилей, железнодорожных локомотивов и т.д.(заявка на получение патента № 2009115044 от 20.04.2009г.).

При пуске двигателя в камеру сгорания 1 (см. рис. 10) форсункой 2 подаётся топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через газораспределительный клапан 4 (клапан находится в правом крайнем положении) поступают в надпоршневую полость силового поршня 5, в результате чего поршень 5 начинает движение вниз. Поступательное движение поршня 5 кривошипно-шатунным механизмом преобразуется во вращательное движение соединительного вала 7, которое передаётся кривошипно-шатунному механизму компрессора 8 таким образом, что поршень компрессора 9 движется вверх. Сжимаемый в надпоршневой полости поршня компрессора 9 воздух через открытый перепускной клапан 10 поступает в пневмоаккумулятор 11 и камеру сгорания 1, пополняя расход кислорода воздуха  в камере сгорания 1 в процессе горения топлива. После того как силовой поршень 5 окажется в нижней мёртвоё точке, а поршень компрессора 9 в верхней мёртвой точке, кинетическая энергия маховика 12 меняет направление движения обоих поршней. Перепускной клапан 10 закрывается, а клапан впуска воздуха 13 открывается и воздух из атмосферы поступает в надпоршневую полость поршня компрессора 9. Одновременно газораспределительный клапан 4 переводится в левое крайнее положение и отработавшие продукты сгорания по выпускному каналу 14 выбрасываются в атмосферу. В течение этого такта процесс сгорания топлива   в камере сгорания  1  поддерживается  поступающим  из  пневмоаккумулятора  11  воздухом.

 

Рис. Рис. 10. Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания.

 

 В конце такта газораспределительный клапан 4 снова переводится в левое положение, перепускной клапан 10 и клапан впуска воздуха 13 приходят в исходные положения и начинается очередной рабочий цикл. Площадь силового поршня 5 больше площади поршня компрессора 9 и поэтому давление воздуха на входе в камеру сгорания 1 больше, чем давление продуктов сгорания на её выходе. Эта разность давлений и обеспечивает работоспособность двигателя. Энергия на валу отбора мощности 15 определяется разностью среднего давления продуктов сгорания в надпоршневой полости силового поршня 5 и среднего давления воздуха в надпоршневой полости поршня компрессора 9.

Здесь рассматривался принцип действия двигателя с одним цилиндром силового поршня и одним цилиндром компрессора. Относительно устойчивый момент силы на валу отбора мощности обеспечивается в двигателе с двумя силовыми цилиндрами. При трёх силовых цилиндрах и более возможно реверсирование вращения вала отбора мощности путём изменения порядка срабатывания газораспределительных клапанов силовых цилиндров. Что касается равномерности подачи воздуха в камеру сгорания, то она обеспечивается оптимальным соотношением числа цилиндров компрессора и ёмкостью пневмоаккумулятора. Это соотношение имеет обратную зависимость. Чем больше ёмкость пневмоаккумулятора, тем меньше число цилиндров компрессора, и наоборот. Двухтактность двигателя увеличивает его удельную мощность вдвое по сравнению с черырёхтактным двигателем. Разделение процессов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания обеспечивает многотопливность – может использоваться любое моторное топливо, как жидкое, так и газообразное, без переналадки топливной аппаратуры. Сгорания топлива происходит при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель до конечных продуктов окисления, не оставляя кислорода для образования оксидов азота. Кроме того, двигатель имеет благоприятную тяговую характеристику при использовании его в качестве силового агрегата автомобиля. Чем больше нагрузка на двигатель, тем, до определённых пределов, выше давление продуктов сгорания и тем больше момент силы на валу. Двигатель не нуждается в механизме перемены передач. Можно заметить, что если нет необходимости снимать с вала момент силы, то двигатель может использоваться в качестве генератора газов.

 

ДОСТОИНСТВА СВОБОДНПОРШНЕВЫХ МАШИН

            В классическом ДВС вследствие воздействия шатуна на поршень присутствует сила бокового давления поршня на стенку цилиндра. Максимальная величина этой силы возникает в средней части пути  поршня между крайними точками движения. Трение поршня о стенку цилиндра поглощает определённую долю индикаторной мощности, вызывает повышенный износ её. Продукты износа, выбрасываемые в атмосферу, снижают экологичность двигателя.  В свободнопоршневой машине нет сил бокового давления поршня, нет связанных с ним негативных эффектов. В свободнопоршневой машине колебания давления продуктов сгорания значительно меньше, чем в цилиндре ДВС, в котором при детонации могут возникать и ударные нагрузки, поэтому перспектива создания «керамического» двигателя близка к реальности, так как хрупкость керамики уже не имеет решающего значения. Большинство керамических материалов  обладают высоким температурным градиентом, высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, что позволяет отказаться от смазки. Всё это в совокупности повышает экологичность и экономичность силовой установки в целом (патенты 2328608, 2340783, 2342546).

            В  отличие от ДВС с кривошипно-шатунным механизмом в свободнопоршневых машинах отсутствуют такие массивные детали как поршневые пальцы, шатуны, коленвал, маховик, картер и т.д. В силовом приводе автомобиля нет сцепления, коробки передач, трансмиссии, дифференцала. В линейном электрогенераторе нет оси якоря и подшипников. Это означает, что при одной и той же мощности масса энергомодуля меньше на сумму перечисленных узлов и деталей. Уже один этот факт существенно влияет на удельную мощность. Далее, в четырёхтактном ДВС поршень выполняет функции насоса и рабочего поршня. На один рабочий цикл приходится четыре такта, четыре хода поршня.  В свободнопоршневой расширительной машине внутреннего сгорания на два такта приходится один рабочий цикл, а в свободнопоршневой - с внешней камерой сгорания - каждый такт рабочий. При одной и той же средней скорости поршня выигрыш в рабочей частоте соответственно двух- и четырёхкратный: это ещё один факт, увеличивающий удельную мощность.  То есть, свободнопоршневая расширительная машина с внешней камерой сгорания по сути дела представляет собой новый однотактный двигатель.

            Определённое повышение удельной мощности может быть достигнуто за счёт увеличения средней скорости якоря. Чем выше рабочая частота электрогенератора, тем меньше его удельная масса и выше удельная мощность. На пути движения из камеры сгорания в цилиндр продукты сгорания испытывают определённое динамическое сопротивление в трубопроводах и клапанах. Движение поршней начинается при давлении продуктов сгорания ниже, чем в камере сгорания. Если каким-либо способом удерживать поршни в исходном для начала рабочего цикла положении, например специальными фиксаторами на время необходимое, чтобы давление продуктов сгорания в цилиндре сравнялось с давлением в камере сгорания, их средняя скорость увеличится, то есть увеличивается и удельная мощность (патент 2328608).

            Состояние современного материаловедения позволяет получить камеру сгорания свободнопоршневой расширительной машины с внешней камерой сгорания, в которой отсутствуют резкие перепады давления, из жаропрочных (в большинстве своём хрупких) материалов выдерживающих температуру сгорания при стехиометрическом  соотношении топливо-окислитель, при котором топливо сгорает до конечных продуктов окисления не оставляя кислорода для образования оксидов азота. Высокотемпературное охлаждение – охлаждение воздухом без посредничества жидкости – существенно повышает кпд машины. Воздух из атмосферы после компрессора обтекает поверхности выхлопного коллекторы, цилиндров и камеры сгорания, отбирает от них тепло и снова направляет его в камеру сгорания. Потери на охлаждение сводятся к минимуму, по сути это не столько охлаждение, сколько  рекуперация тепловой энергии продуктов сгорания.

            Многотопливность, а точнее всетопливность, всех вариантов энергомодулей вытекает из управляемости процессов сгорания топлива. Годится любое жидкое и газообразное топливо. И даже твёрдое, если камеру сгорания построить наподобие топки паровой машины. Воздух из атмосферы нагнетается компрессором в расположенные  в топке жаровые трубы. Проходя по ним воздух нагревается и поступает в расширительную машину – вариант двигателя внешнего сгорания, двигателя Стирлинга.

 

                  ДОСТОИНСТВА МНОГОМОДУЛЬНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

 

            Энергосистема,  состоящая из нескольких энергомодулей, обладает уникальной живучестью. Выход из строя по внутренним причинам или в результате внешнего воздействия одного и даже всех энергомодулей за исключением одного, не лишает транспортное средство подвижности, а лишь снижает его динамические характеристики. Если для непрерывного движения недостаточно энергетических возможностей одного или оставшихся исправными энергомодулей, можно двигаться поэтапно. Сначала энергомодуль заряжает буферный аккумулятор, служащий одновременно  для приёма рекуперированной энергии торможения, а затем совместно с ним подаёт энергию на привод колёс и транспортное средство преодолевает часть пути, после чего цикл повторяется. Это свойство в экстремальных условиях, например в бою, имеет жизненноважное значение.

            Многомодульная энергосистема  отличается ещё одним замечательным качеством – уникальной надёжностью, определяемой в первую очередь не столько надёжностью каждого энергомодуля, сколько их количеством. Вероятность выхода из строя  всей энергосистемы в целом равна произведению вероятностей выхода из строя одного энергомодуля и с ростом их числа убывает по экспоненциальному закону, подобно тому как это происходит  в биологических системах. Ремонт энергосистемы в основном производится заменой неисправных энергомодулей на исправные. Трудоёмкость замены дефектного энергомодуля не больше чем при замене колеса. Энергомодули обладают свойством расходного материала. Поэтому ресурс многомодульной энергосистемы в целом практически бесконечен. Возможность размещения энергомодулей на транспортном средстве совокупно и в разброс, и даже в различных секциях составного автопоезда, расширяет технические характеристики и эксплуатационные возможности силовой установки транспортного средства.

 ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОДГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО КЛАПАНА И ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 

Кроме рассмотренных энергосистем следует обратить внимание на старого доброго знакомого труженика – двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом. Со дня  рождения в него внесено столько усовершенствований, что, кажется, ничего существенно нового придумать невозможно. Но при внимательном рассмотрении обнаруживаются резервы модернизации и для него. Например, применив пневматический способ привода газораспределительных клапанов и форсунки, вполне реально добиться

определённого улучшения технических характеристик ДВС. Механический привод газораспределительного механизма и форсунки, применяемых до сих пор в ДВС, позволяет прекрасно оптимизировать его основные параметры: максимальную мощность и равномерность крутящего момента при минимальном расходе топлива и наименьшей токсичности выхлопных газов. Но только при вполне определённой нагрузке. Стоит ей измениться, как параметры выходят за пределы оптимального уровня.. В какой-то мере это можно компенсировать изменением угла опережения зажигания или момента подачи топлива и т.д. Но все эти мероприятия, улучшая один параметр, ухудшают другой. Конструкторы не оставляют попыток создать эффективный газораспределительный ме разработок можно выделить механические, гидравлические, пневматические и электрические этих устройств и их комбинации. Гидравлические и пневматические - нуждаются в отдельных источниках энергии давления жидкости или газа. Электрические приводы весьма громоздки и энергоёмки, что  негативно отражается на кпд двигателя и его удельной мощности. Механические - отличаются сложностью кинематических схем. Предлагаемые схемы пневматических приводов газораспределительных клапанов и топливной форсунки в значительной степени снижают энергопотребление, их удельный объём и увеличивают удельную мощность ДВС. Эффект достигается использованием напрямую энергии сжимаемого в цилиндре при такте сжатия рабочего тела (воздуха или топливной смеси) в зависимости от типа двигателя и энергии расширяющихся продуктов сгорания.  Отпадает необходимость в компрессоре или насосе, масса подвижных деталей и объём устройств сводятся к минимуму. Пневматический привод с отбором рабочего тела из цилиндра двигателя обеспечивает гибкое управление фазами газораспределения,  временем открытия-закрытия, продолжительностью открытия и величиной хода газораспределительного клапана при не значительных энергозатратах и массе механизма. Электроника способна организовывать их движение без ударов – основной причины поломок. То же относится и к пневматическому приводу форсунки – доза и характер подачи топлива автоматически оптимизируются в зависимости от нагрузки на двигатель и числа его оборотов (заявки на выдачу патентов 2008118833, 2009101549, 2009104232).  

Рис. 11. Пневматический привод газораспределительного клапана.

 

Далее рассматривается принцип действия пневматического привода газораспределительного клапана ДВС с автоматическим клапаном-отсечкой. Поскольку приводы газораспределительного клапана и форсунки аналогичны и отличаются только объектом привода (клапана или форсунки), поясняется принцип действия только пневматическогопривода газораспределительного клапана.

 Поршень ДВС 1 (рис. 1) при такте сжатия сжимает рабочее тело (воздух или топливную смесь) в камере сгорания 2. При этом часть рабочего тела из камеры сгорания 2 по трубопроводу 3 через клапан-отсечку 4 и обратный клапан 5 поступает в пневмоаккумулятор 6 и заряжает его. Электронная система управления пневматическим приводом газораспределительного клапана (далее – система управления, на рисунке не показана) отслеживает текущее положение поршня ДВС 1 и, в момент, когда требуется открыть газораспределительный клапан 7, устанавливает золотник 8 в положение как показано на рисунке. Рабочее тело из пневмоаккумулятора 6 по каналам 9 и 10 поступает в верхнюю полость поршня привода клапана 11, в результате чего газораспределительный клапан 7, если он впускной, открывает доступ воздуху из атмосферы в камеру сгорания 2, или, если он выпускной, вытекать из камеры сгорания. Для закрытия газораспределительного клапана 7 система управления переводит золотник 8 в нижнее положение. Рабочее тело по каналам 9 и 13 поступает в нижнюю полость поршня привода газораспределительного клапана 11, и газораспределительный клапан 7 закрывается, В обоих случаях отработавшее рабочее тело по каналам 10, 13, 14, 15 выбрасывается в атмосферу, а в карбюраторном двигателе, где рабочее тело представляет собой топливную смесь, по соображению экономии подаётся в воздухозаборный тракт двигателя. Следует иметь в виду, что зарядка пневмоаккумулятора может происходить не только при такте сжатия, но и при такте расширения продуктов сгорания, когда давление продуктов сгорания в камере сгорания достигает сотен атмосфер и более. А для обеспечения работоспособности пневматического привода достаточно давление рабочего тела на один-два порядка меньше. Попадание топливной смеси (бензиновый двигатель) при сгорании в пневмоаккумуляторе только повышает уровень его зарядки. Ограничение давления рабочего тела в пневмоаккумуляторе  до оптимального обеспечивает автоматический клапан-отсечка 4. В момент, когда давление поступающего из камеры сгорания рабочего тела превысит оптимум, часть рабочего тела из пневмоаккумулятора 6 по трубопроводу 16 поступит в нижнюю полость поршня клапана-отсечки 17. Под его воздействием поршень клапана-отсечки 17 и соединённый с ним запорный клапан 18 переместятся вверх и канал 19 перекроется. Таким образом, уровень зарядки пневмоаккумулятора рабочим телом определяется жёсткостью пружины 20. Чем больше жёсткость пружины, тем до более высокого уровня зарядится пневмоаккумулятор. И наоборот – меньше жёсткость пружины – меньше уровень зарядки.     
 
« Пред.   След. »
Locations of visitors to this page регистрация доменов Мы поможем воплотить проект в жизнь RosBazar.ru
Разные статьи