Меню Содержимое
Главная arrow Главная arrow Комбинированная силовая установка транспортного средства

Случайное изображение

3d_plane.jpg

Авторизация






Забыли пароль?
Ещё не зарегистрированы? Регистрация

Выбор шаблона сайта

Опросы

Как Вы узнали о нашем сайте?

Комбинированная силовая установка транспортного средства Печать E-mail
Рейтинг: / 0
ХудшаяЛучшая 
Автор Рыбаков Анатолий Александрович   
 Комбинированная силовая установка транспортного средства (далее ТС) состоит из двух основных блоков – энергомодуля и насос-генератора - электропривода колёс. Энегомодуль преобразует химическую энергию моторного топлива в электроэнергию, а насос-генратор преобразует электроэнергию в механическую энергию вращения колёс ТС и рекуперирует энергию торможения в электроэнергию во всём диапазоне скоростей ТС.  Обсудить новость в форуме. (0 сообщений)   Область применения насос-генератора не ограничивается автомобилестроением – он может применяться в механизмах с частыми стоп-стартами для рекуперации энергии торможения.  Энергомодуль представляет собой двухцилиндровую однотактную свободнопоршневую машину совмещённую с линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей. Кроме основного назначения – оснащение ТС – энергомодуль может использоваться как автономный единичный источник электроэнергии в условия отсутствия централизованного электроснабжения, так и в составе комплекса энергомодулей, составляющих миниэлектростанции при авариях в полевых условиях. Все основные проблемы, принципиально препятствующие до сих пор реализации свободнопоршневых машин, решены. Подробнее о достоинствах предлагаемой комбинированной силовой установки см.заключительную часть статьи.Идея защищена патентами и заявками. Патенты:2328608 «Энергомодуль с ускорителем якоря».         2340783 «Блок поршней и якоря энергомодуля».         2342546 «Электрогенератор на основе свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания».         2349765 «Пневматический привод клапана однотактного свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания».         Заявки на выдачу патентов:         «Стационарная катушка подмагничиваия якоря линейной электрической машины», 2009105548, решение о выдаче патента от 15.03.2010.          «Пневматический привод топливной форсунки свободнопоршневого двигателя», 2008127421, решение о выдаче патента от 19.01.2010.         «Синхронизатор движения якорь-поршней свободнопоршневого насос-генератора»,  2010105428, отправлена 15.02.2010.          «Оптимизация процесса расширения продуктов сгорания свободнопоршневого энергомодуля с внешней камерой сгорания», 2010109474, отправлена 06.03.2010.         «Двухцилиндровый свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей», отправлена 05.04.2010.         «Способ охлаждения поршней двухцилиндрового однотактного энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением поршней», отправлена 15.04.2010.         «Синхронизация движения поршней спаренного энергомодуля», 16.04.2010.          Далее рассматривается принцип действия каждого агрегата, входящего в комбинированную силовую установку ТС. Для упрощения изложения сначала рассматривается принцип действия свободнопоршневого единичного энергомодуля с  внешней камерой сгорания, входящего в состав двухцилиндрового однотактного свободнопоршневого энергомодуля с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей.                   ЭНЕРГОМОДУЛЬ НА ОСНОВЕ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ      РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ 

         Энергомодуль действует следующим образом.

       Энергомодуль в составе однотактного  свободнопоршневого двигателя с внешней камерой сгорания и линейного электрогенератора. При пуске энергомодуля в камеру сгорания 1 (рис. 1) система управления (на рисунке не показана) форсункой 2 подает 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 (по рисунку) 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), через открытый клапан 11  воздух из атмосферы поступает в его левую полость. Магнитный поток движущегося якоря 7 пересекает витки статорной катушки 12, в результате чего в ней генерируется импульс электроэнергии (якорь может представлять собой постоянный магнит или электромагнит, намагничиваемый катушкой подмагничивания). По достижению поршнями крайней правовой точки схождения 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. Оперативное управление мощностью осуществляется изменением дозы подаваемого в камеру сгорания топлива и воздуха в стехиометрическом соотношении. 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 и нагрузки на энергомодуль. Отсюда вытекает многотопливность – способность работать на всех сортах моторного топлива, жидких и газообразных, без перенастройки топливной аппаратуры. Прототипом камеры сгорания данного энергомодуля 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.  ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ    ЭНЕРГОМОДУЛЯ          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.          Ещё один способ оптимизации процесса расширении продуктов сгорания состоит в следующем.Из описания явствует, что продукты сгорания из камеры сгорания поступают в цилиндры энергомодуля на всём протяжении движения его поршней от одной крайней точки до другой и, следовательно, давление продуктов сгорания в цилиндрах практически не отличается от давления их в камере сгорания. Основное расширение продуктов сгорания происходит при выпуске их в атмосферу в период от открытия до закрытия выпускных клапанов 10 или 14. Энергия расширения продуктов сгорания при этом не совершает полезной работы. С целью использования энергии расширения продуктов сгорания система управления переводит впускной клапан в закрытое положение того цилиндра, в который поступают продукты сгорания, раньше, чем поршни окажутся в крайней точке движения. С этого момента и до прихода поршней в крайнюю точку движения происходит расширение продуктов сгорания аналогично таковому в двигателях внутреннего сгорания. Энергия расширения продуктов сгорания трансформируется в кинетическую энергию поршней. Более того, появляется возможность управлять законом расширения продуктов сгорания в зависимости от сорта применяемого в конкретный момент топлива и нагрузки на энергомодуль, что в итоге повышает его кпд.        ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД  ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО    КЛАПАНА ЭНЕРГОМОДУЛЯ Кинетическая энергия поршней свободнопоршневых машин в крайних точках движения приближается к нулю, то есть в момент, когда требуется энергия для работы газораспределительных клапанов. Поэтому газообмен таких машин осуществляется через впускные и выпускные окна. Качество продувки цилиндра в этом случае оставляет желать лучшего. Более того, совершенно невозможно изменять фазы впуска и выпуска в зависимости от нагрузки на машину. Механический привод клапанов имеет сложную кинематическую схему и значительную массу, потребляет существенную долю индикаторной мощности. Множество пар трения снижают  надёжность, увеличивает габариты. Электрический привод клапанов энергоёмок, массу увеличивают катушки соленоидов. Электроэнергию необходимо сначала накопить в аккумуляторе по цепочке  - двигатель, генератор, аккумулятор, что приводит к её потерям.В свободнопоршневой машине любого типа в любом её состоянии  имеется источник сжатого воздуха (объём компрессора, пневмоаккумулятор  в период бездействия), энергия которого и используется напрямую для привода газораспределительного клапана.  Минимум подвижных деталей обеспечивает повышенную надёжность и увеличивает удельную мощность машины.

 

 Рис. 2. Газораспределительный клапан свободнопоршневой машины.

 

Рис. 2. Газораспределительный клапан свободнопоршневой машины. Принцип действия газораспределительного клапана с пневматическим приводом свободнопоршневой машины.В исходном положении (рис. 2) газораспределительный клапан 1 (далее – клапан)  находится в открытом положении. Камера сгорания 2 сообщается клапаном 1 с выхлопным или впускным трактом 3 в зависимости от его назначения (впускной или выпускной). Для перекрытия камеры сгорания 2 с газовым трактом 3 система управления (на рисунке не показана) устанавливает газораспределитель 4 в левое крайнее положение так, как показано на рисунке. Сжатый воздух от источника сжатого воздуха – компрессора или пневмоаккумулятора – по каналу 5 и газораспределитель 4 поступает в левую полость клапана 1 и перемещает его в правое крайнее положение. Головка клапана 6 садится на седло клапана 7 и закрывает отверстие клапана. Воздух из правой полости клапана по каналу 8 вытекает в атмосферу. Для открывания клапана система управления переводит газораспределитель 4 в правое крайнее положение. Воздух от источника сжатого воздуха по каналу 5 поступает в правую полость клапана и клапан 1 открывается (показано на рисунке). Для охлаждения клапана может использоваться принцип тепловой трубки. Охлаждающий газ или жидкость по каналу 9 омывает левую часть клапана 1, снижая её температуру. Испаряющаяся у головки клапана 6, пропитывающий фитимо ( капиллярную структуру) 10 хладоагент, испаряется и отбирает у головки клапана 6 тепло. В парообразном состоянии хладоагент перемещается в левую часть клапана, где конденсируется, впитывается в фитимо и в жидком состоянии перемещается по нему в сторону головки клапана 6.  Процесс протекает непрерывно.     ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ                    СВОБОДНОПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ Как и в случае с пневматическим приводом газораспределительного клапана, кинетической энергии сходящихся поршней свободнопоршневой машины в окрестностях точки их сближения недостаточно для привода форсунки с учётом возможностей менять фазу, длительность и дозу впрыскиваемого топлива в зависимости от нагрузки на двигатель и используемого сорта топлива. Предлагаемый пневматический привод топливной форсунки свободен от этих недостатков.

 

Рис. 3. Пневматический привод топливной форсунки свободно поршневого двигателя.

 

Рис. 3. Пневматический привод топливной форсунки свободно поршневого двигателя. Во время работы машины на пути движения воздуха от компрессора в камеру сгорания  1 (показано стрелкой 1, рис. 3) отбирается его часть и по каналу 2 через газораспределитель 3 поступает в верхнюю полость поршня привода форсунки 4. Так как нижняя полость поршня привода форсунки соединена с каналом 5, то воздух из неё вытекает в атмосферу по каналу 5. Поршень привода форсунки 4 и соединённый с ним плунжер 6 движутся вниз (по рисунку), впрыскивая дозу топлива через клапан 7 (обратный клапан 8 закрыт) в камеру сгорания 9. При достижении поршнем привода форсунки 4 и плунжером 6 нижнего крайнего положения система управления переводит газораспределитель 3 в нижнее положение. Теперь воздух от компрессора по каналу 5 поступает в нижнюю полость поршня привода форсунки 4, в результате чего он и соединённый с ним плунжер 6 перемещаются вверх. Топливо через клапан 8 засасывается в полость плунжера 6 из топливного бака (на рисунке не показан). Форсунка  готова к очередному рабочему циклу.      ДВУХЦИЛИНДРОВЫЙ  ОДНОТАКТНЫЙ СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ              ЭНЕРГОМОДУЛЬ  С ОБЩЕЙ ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И                 ЛИНЕЙНЫМ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ С ОППОЗИТНЫМ ДВИЖЕНИЕМ   ЯКОРЕЙ – СПАРЕННЫЙ ЭНЕРГОМОДУЛЬ Возникающая в результате реакции движения поршней и якорей энергомодуля вибрация гасится применением двух энергомодулей с общей камерой сгорания, ориентируемых так, что оси симметрии их поршней располагаются на одной прямой, а их движение тем или иным способом организуется в противофазе. Таким образом, получается машина с двумя энергомодулями и общей внешней камерой сгорания, поршни и якоря которой двигаются в противофазе - спаренный энергомодуль. Действует он следующим образом.

 

 

Рис. 4. Двухцилиндровый однотактный свободнопоршневой энергомодуль

 

 

Рис. 4. Двухцилиндровый однотактный свободнопоршневой энергомодуль с общей внешней камерой сгорания и линейным электрогенератором с оппозитным движением якорей – спаренный энергомодуль. Действует он следующим образом.      
    Продукты сгорания из камеры сгорания 1 (Рис. 4) по трубопроводу 2  через газораспределительный клапан 3 поступают в правую (по рисунку) торцевую полость поршня 4 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и газораспределительный клапан 7 – в левую полсть поршня 8 правой расширительной машины 9. Под действием расширяющихся продуктов сгорания поршни расширительных машин 4 и 8 и соединённые с ними якоря линейных электрогенераторов 10 и 11 начинают встречные движение. Якоря 10 и 11 могут представлять собой постоянные магниты, либо электромагниты, намагничиваемые катушкой подмагничивания 12 при протекании по  её виткам тока подмагничивания. В обоих случаях магнитный поток замыкается по контуру – якорь 11, статорный магнит 13, якорь 10, якорь 11. При оппозитном движении якорей 10 и 11 (в данном случае движении расхождения) пересекаются магнитные линии их магнитных полей, в результате чего в статорном магните 13 и якорях 10 и 11 изменяется магнитный поток и, как следствие, в статорной катушке 14 генерируется импульс электроэнергии. При достижении поршнями и якорями точек крайнего расхождения система управления (на рисунке не показана) переводит газораспределительные клапаны 3, 7, 15, 16 в противоположные положения. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания 1 по трубопроводу 2 и через газораспределительный клапан 15 поступают в левую полость поршня 17 левой расширительной машины 5, а по трубопроводу 6 и через газораспределительный клапан 16 – в правую полость поршня 18 правой расширительной машины 9. Поршни расширительных машин и соединённые с ними якоря электрогенераторов начинают сходиться. В статорной катушке 14 генерируется импульс противоположного знака. Отработавшие газы при расхождении поршней 17, 18 выбрасываются в атмосферу через газораспределительные клапаны 15 и 16, а при схождении – через газораспределительные клапаны 3 и 7. Одновременно при рабочих тактах расширительных машин 5, 9 через обратные клапаны 19, 20, 21, 22 из соответствующих полостей поршней расширительных машин 5, 9 по трубопроводам 23, 24 для обеспечения процесса горения топлива в камеру сгорания 1 подаётся воздух, а через обратные клапаны 25, 26, 27, 28  из атмосферы засасывается воздух.           Следует отметить – поскольку якоря движутся оппозитно, скорость их относительно друг друга в два раза больше скорости каждого из них относительно корпуса расширительной машины. Скорость пересечения магнитных линий магнитных полей якорей при этом так же в два раза больше скорости, если один якорь движется относительно другого,  неподвижного якоря. Следовательно, и частота генерируемой электроэнергии в два раза выше. Эффективность преобразования энергии машин дискретного действия прямо пропорциональна частоте рабочих циклов преобразования. В данном случае с увеличением частоты генерирования электроэнергии для получения максимальной добротности контура требуется меньшее число витков обмотки генератора и меньшая масса сердечника катушки, что увеличивает удельную мощность электрогенератора и, следовательно, удельную мощность энергомодуля в целом. 
СИНХРОНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЙ СПАРЕННОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ В силу того, что невозможно изготовить оба цилиндра свободнопоршневых с оппозитным движением поршней машин идеальной цилиндрической формы, а поршни, к тому же, и равными по массе,  и по ряду других причин (вращение земли, непредсказуемое перемещение машины в пространстве и т.д.), скорости движения поршней каждой расширительной машины в каждый текущий момент могут быть различными. Эти факторы вызывают вибрацию его корпуса в результате реакции движения поршней. Для нейтрализации их необходимо обеспечить синхронное движение поршней в противофазе, которая осуществляется следующим образом.          Предположим, что скорость поршней расширительной машины 5 (тот же рис. 4) меньше, чем скорость поршней расширительной машины 8.
 Система управления переводит один из газораспределительных клапанов 7 или 16 в противоположное положение. Если переводится газораспределительный клапан 7, то левая полость поршня 8 и правая полость поршня 18 через газораспределительные  клапаны 7 и 18 соединяются с атмосферой, расширительная машина 9 прекращает преобразовывать энергию расширяющихся продуктов сгорания в электроэнергию. Скорость движения поршней расширительной машины 9 уменьшается. В момент, когда скорости движения обоих расширительных машин сравняются, система управления переводитгазораспределительный клапан 7 в предыдущее положение. Если же переводится в противоположное положение газораспределительный клапан 16, -  продукты сгорания поступают в обе полости поршней расширительной машины 9. Давление продуктов сгорания в них уравнивается и происходит то же самое, что и в предыдущем случае. Если скорость поршней расширительной машины 9 меньше, чем скорость расширительной машины 5, система управления действует в обратном порядке в отношении газораспределительных клапанов 3 и 15.      
 СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОРШНЕЙ СПАРЕННОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ          При работе спаренного энергомодуля поршни и штоки, соединяющие их и якоря, испытывают значительные термические нагрузки. Частичное охлаждение поршней и штоков происходит при действии поршней 4, 8, 17, 18 в качестве поршней  компрессора.  Всасываемый из атмосферы через клапаны 25, 26, 27, 28 воздух прежде чем попасть через клапаны 19, 20, 21, 22 в камеру сгорания 1 отбирает определённую долю тепла от поршней и соединяющих их штоков. Но поскольку спаренный энергомодуль отличается высокой удельной мощностью, несмотря на охлаждение атмосферным воздухом, температура поршней и штоков будет мало отличаться от температуры продуктов сгорания, а она может достигать тысяч градусов. В таких условиях могут работать только керамические материалы, что сулит повышение кпд и удельной мощности. Тем более, что процесс сгорания топлива не отличается резкими, почти ударными, нагрузками, как это происходит в камере сгорания ДВС. По этой причине попытки использования их в ДВС не увенчались успехом. Относительно хрупкие керамические материалы могут оказаться вполне работоспособными в машинах с внешней камерой сгорания.Но пока предложение применить керамические материалы в свободнопоршневых машинах вызывает скепсис, необходимо предусмотреть принудительное охлаждение поршней и штоков расширительных машин. Такое охлаждение осуществляется следующим образом.

 

 

Рис. 5. Принципиальная схема охлаждения поршней

 

 

 

Рис. 5. Принципиальная схема охлаждения поршней и штоков спаренного энергомодуля.          На рис. 5 показана левая расширительная машина  5, рис. 4, спаренного энергомодуля, отделённа линией разрыва.     При поступлении продуктов сгорания из камеры сгорания 1 (рис. 5) через газораспределительный клапан 2 в правую полость поршня 3 поршни 3, 4 начинают движение справа налево (по рисунку). Так как объём полости между внутренней поверхностью штока 5 и внешней поверхностью трубы 6  уменьшается, охлаждающий агент (далее - хладоагент), занимающий этот объём и отбирающий тепло при соприкосновении  с их поверхностью, по внутреннему каналу трубы 6 через обратный клапан 7 и радиатор 8, где он охлаждается, поступает в гидроаккумулятор 9. По достижению поршнями левого крайнего положения система управления переводит газораспределительные клапаны 2, 10 в противоположные положения. Поршни движутся слева направо, жидкость из гидроаккумулятора 9 через обратный клапан 11 поступает в полость между штоком 5 и трубой 6. Рельеф внутренней поверхности штока и поршней повторяет рельеф их внешней поверхности. Внутри каждого поршня имеется перегородка с окном 12 (хотя можно обойтись и без перегородки). При движении в полости между штоком 5 и трубой 6 хладоагент   перетекает с одной стороны перегородки в другую через окно 12, более эффективно отнимая тепло от поверхности поршней.          Таким образом, поддерживается температура поршней, штока и, при необходимости, якоря в рабочих пределах.           
СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ НАСОС-ГЕНЕРАТОР Насос-генератор преобразует механическую энергию торможения вала машины в электроэнергию и, наоборот, электроэнергию в механическую энергию вращения вала. Назначение - привод вала машины (станок, колесо автомобиля и т.д.) и электрогенератора при рекуперации энергии торможения  вала машины, в том числе привода колеса автомобиля.Достоинство - рекуперация энергии торможения во всём диапазоне скоростей вращения вала, даже самых малых, при постоянном кпд.         Автомобили с гибридной силовой установкой неуклонно завоёвывают рынок. Они отличаются практически «нулевым» выбросом вредных веществ и высокой экономичностью. В определённой степени этому качеству обязана рекуперация энергии торможения. В одной из схем комбинированной силовой установке при торможении тяговая электрическая машина с вращающимся ротором действует в режиме генератора, заряжая аккумулятор, энергия которого при разгоне подаётся на ту же тяговую электрическую машину, работающую уже в режиме двигателя. Однако, эффективная рекуперация энергии торможения при этом возможна только на максимальных и близких к ним оборотах, так как для генераторов с вращающимся ротором эффективность генерирования электроэнергия со снижением скорости вращения ротора резко убывает. Рассматриваемый рекуператор полностью преобразует энергию торможения в электроэнергию во всём диапазоне скоростей вращения колёс вплоть до почти нулевой. В результате  не только экономится топливо, но, главное, снижается пресс загазованности окружающей среды, в особенности в городах за счёт снижения расхода топлива.         Функции рекуператора энергии торможения выполняет насос-генератор с оппозитным движением поршней.  

 

 

Рис. 6. Насос-генератор с оппозитным движением якорь-поршней.

 

 

 

Рис. 6. Насос-генератор с оппозитным движением якорь-поршней.          В состав насос-генератора входят (рис. 6) статорные магниты (постоянные магниты) 1 и 2, якоря 3 и 4 (изготовлены из магнитомягкого материала), 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 (на рисунке не показана).          Действие насос-генерстора в режиме электропривода.  На катушки подмагничивания якорей 5 и 6 подаётся 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 правыми кольцевыми зазорами статорных магнитов 1 и 2. Жидкость по трубопроводам 12, и каналу 13 поступает насос-генератору, а по каналу 9 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 7 и 8, и жидкость по каналу 13 продолжает поступать потребителю и возвращаться от него по каналу 9.  Вал продолжает вращается в том же направлении.           
         Действие насос-генератора в режиме электрогенератора. В исходном положении клапаны 7 и 8 находятся в точках максимального схождения. Рабочая жидкость под давлением от насос-генератора, действующего в режиме насоса во время торможения, поступает по каналу 9 и трубопроводу 10 в левую торцевую полость якоря 3, а по каналу 9 и трубопроводу 11 - в 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. При движении якорей 3 и 4  в магнитных полях статорных магнитов 1 и 2 в их телах индуцируются переменные магнитные потоки. В результате в катушках подмагничивания 5 и 6 генерируются импульсы электроэнергии, энергия которых направляется потребителю. При достижении якорями крайних точек схождения система управления переводит клапаны 7 и 8 в крайние точки расхождения. Теперь жидкость от источника жидкости по каналу 9, трубопроводам 14 и 12 поступает в правую полость якоря 3 и в левую полость якоря 4. Якоря расходятся и в катушках подмагничивания якорей 5 и 6 генерируются импульсы электроэнергии противоположного знака. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 7 и 8 из одних крайних положений в другие, обеспечивает непрерывное генерирование электроэнергии в катушках подмагничивания якорей.Синхронизация движения якорей достигается изменением нагрузки на одну из катушек подмагничивания 5 или 6. Например, если скорость левого якоря меньше скорости правого, система управления разрывает цепь катушки его подмагничивания и скорость якоря увеличивается. Как только скорости якорей сравняются, система управления восстанавливает цепь катушки подмагничивания якоря.          Принцип импульсной рекуперации энергии торможения во всём диапазоне скоростей состоит в следующем. При непрерывном колебательном  движении якорей (максимальная скорость торможения) энергия жидкости также непрерывно преобразуется в электроэнергию. Для выключения торможения система управления переводит один из клапанов 7 или 8 в противоположное положение, например клапан 7 в левое положение.  Жидкость от насоса-генератора по каналу 9, трубопроводу 14 и каналу 19 перетекает на вход насоса без сопротивления. Для снижения темпа торможения система управления  выключает генерирование электроэнергии (позволяет жидкости свободно перетекать через клапаны 7 и 8) на время пропорциональное темпу торможения. То есть, чем больше пауза в генерировании электроэнергии, тем с меньшим темпом тормозится вал привода. Ясно, что с уменьшением скорости вращения вала пропорционально ей уменьшаются и скорости движения якорей, что приводит к уменьшению коэффициента преобразования механической энергии якорей в электроэнергию обратно пропорционально квадрату их скоростей, точно так же, как и для электрогенератора с вращающимся ротором. Следовательно, насос-генератор не имеет преимуществ перед генератором с вращающимся ротором. Прежде чем показать как преодолеть этот порок, следует пояснить принцип действия стояночного торможения – система управления прекращает переводить клапаны 7 и 8 из одного положения в другое, как это происходит при генерировании электроэнергии. Тогда жидкость от насос-генератора через канал 9 и трубопровод 10 переводит якорь 3 в правое положение, а якорь 4 -  по трубопроводу 11 в левое. Поскольку клапаны 7 и 8 остаются в прежнем положении, путь жидкости перекрыт, вал стопорится. Если якоря находятся в крайних точках сближения, эффект будет тот же. При этом давление жидкости  в полостях насос-генератора и трубопроводах  увеличится до величины,  при котором действуют якоря 7 и 8 при непрерывном генерировании электроэнергии. В этот момент система управления переводит клапаны 7 и 8 в противоположные положения и якоря совершают рабочий ход. Условия генерирования электроэнергии остаются постоянными, поэтому электрические параметры катушки подмагничивания и магнитов настраиваются на максимальный режим преобразования энергии, чем обеспечивается постоянный (максимальный)  кпд насос-генератора на всех режимах скоростей вращения вала. Снижение массы якорей приводит к увеличению частоты их колебаний, то есть к увеличению удельной мощности насос-генератора. 
ДОСТОИНСТВА СВОБОДНПОРШНЕВЫХ МАШИН       
  В классическом ДВС вследствие воздействия шатуна на поршень присутствует сила бокового давления поршня на стенку цилиндра. Трение поршня о стенку цилиндра поглощает определённую долю индикаторной мощности, вызывает повышенный износ их поверхностей. Продукты износа, выбрасываемые в атмосферу, ухудшают 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, некоторые из них низким коэффициентом трения, что позволяет отказаться от смазки. Всё это в совокупности повышает экологичность и экономичность силовой установки в целом. 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 и т.д.. В линейном электрогенераторе нет оси якоря и подшипников. Это означает, что при одной и той же мощности масса спаренного энергомодуля меньше на сумму перечисленных узлов и деталей. Уже один этот фактор 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 фактор, увеличивающий удельную мощность.  То есть, свободнопоршневая расширительная машина с внешней камерой сгорания по сути дела представляет собой новый однотактный двигатель.         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 коллектора, 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 спаренного энергомодуля вытекает из управляемости процессов сгорания топлива и возможности автоматической подстройки стехиометрического соотношения топливо-окислитель.
Годится любое жидкое и газообразное топливо.                      МНОГОМОДУЛЬНАЯ ЭНЕРГОСИСТЕМА                              ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА 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 генераторов газов, работающих на общую турбину,  сблокированных с линейными электрогенераторами. Однако получить энергосистему, отвечающую современным эксплуатационным требованиям, по множеству причин пока не удалось. Что касается электромобиля, то 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.         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 жизненно важное 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 вышедших из строя 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.        
 Габариты энергомодуля специфичны. Длина кратно превосходит поперечные размеры. Но этот недостаток, если считать его недостатком, исчезает при комплектовании батареи из нескольких идентичных энергомодулей. О достоинствах батарейного комплектования энергомодулей говорилось выше.
 
« Пред.   След. »
Locations of visitors to this page регистрация доменов Мы поможем воплотить проект в жизнь RosBazar.ru
Разные статьи