Линейный дизельгенератор, 12 кВт, для гибридного автомобиля
Автор Skoromets   

Линейный дизельгенератор, 12 кВт, для гибридного автомобиля Исторически сложилось, что двигатель и генератор электрической энергии использовались как два различных агрегата и только при необходимости их соединяли в один. Так как вращательное движение удобнее для использования, то в двигателе возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращательное движение. Но в двигатель-генераторе нет необходимости сначала возвратно-поступательное движение преобразовывать во вращательное, а затем, в генераторе из этого вращательного движения извлекать прямолинейную составляющую, то есть делать два противоположных преобразования (запатентовал ещё Яблочков?). Можно сделать двигатель-генератор, в котором часть замкнутого электрического контура совершает не вращательное движение в магнитном поле, а возвратно-поступательное вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания. Схемы, поясняющие принцип работы традиционного и предложенного генератора, приведены на рис. 1.

dvs_disel_electro.png

 

 Обсудить новость в форуме. (0 сообщений)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В обычном генераторе для получения напряжения используется проволочная рамка, вращающаяся в магнитном поле и приводимая в движение внешним движителем. В предложенном генераторе проволочная рамка движется линейно в магнитном поле. Это небольшое и непринципиальное различие дает возможность значительно упростить и удешевить движитель, если в его качестве используется двигатель внутреннего сгорания.

Предложенный двигатель-генератор — это электростанция, которая работает на жидком топливе: дизтопливо, бензин или смеси (дизтопливо-масло, бензин-спирт).

 

Рис.2 dvs_diesel_electro_2.jpg

При рабочем цикле в левом цилиндре, рис. 2, поршень под действием давления в камере сгорания движется слева направо. Под действием избыточного давления в предпускной камере предпускной клапан закрыт, и здесь происходит сжатие воздуха для вентиляции цилиндра. При достижении поршнем (компрессионными кольцами) продувных окон, давление в камере сгорания резко падает, и далее поршень с шатуном движется по инерции, то есть масса подвижной части генератора играет роль маховика в обычном двигателе. При этом полностью открываются продувные окна и сжатый в предвпускной камере воздух под действием разницы давлений (давление в предпускной камере и атмосферное давление) продувает цилиндр. Далее при рабочем цикле в противоположном цилиндре осуществляется цикл сжатия.

Рис. 3

 

dvs_diesel_electro_3.jpg

 dvs_diesel_electro_4.jpgРис. 4

При движении поршня справа налево, рис. 2, поршнем закрываются продувные окна. При дальнейшем сжатии, как только температура горючей смеси станет равной температуре возгорания, начнется рабочий цикл и процесс повторится. При этом двигатель внутреннего сгорания представляет собой только два соосных и противоположно размещенных цилиндра и поршня, связанных между собой механически. В генераторе средней и высокой мощности синхронизация движения шатунов осуществляется механически.Зажигание осуществляется за счет компрессии в цилиндрах. Запуск осуществляется тремя короткими мощными импульсами тока, при этом генератор работает в режиме двигателя. Импульсы тока получаем с клемм конденсатора, предварительно зарядив его за некоторое время, через повышающий трансформатор (50-100 кГц) от маломощного источника питания. Также запуск можно осуществлять с помощью сжатого воздуха.      Большинство деталей генератора прямого преобразования образованы поверхностью вращения, то есть имеют цилиндрические формы.  Это дает возможность изготавливать их с помощью самых дешевых и поддающихся автоматизации токарных операций.     Регулирование объема камеры сгорания осуществляется аналогично регулировке массы тестовой заготовки в тесто-делительной машине. При вращении выходного вала шагового электродвигателя вращается шестерня, которая находится в зацеплении с шестерней-втулкой. В подвижной шестерне-втулке находится правая и левая резьба, и при ее вращении поршни или съезжаются или разъезжаются, таким образом, меняется расстояние между поршнями и соответственно изменяется объем камеры сгорания. 

В основном ресурс двигателей внутреннего сгорания ограничен по таким причинам:

1.     В двигателе с кривошипно-шатунным механизмом силы, действующие на поршень, в рабочем режиме не соос-ны, и результирующая сила прижимает поршень к стенке цилиндра, где наблюдается повышенное трение поршня о цилиндр, при этом со временем поршень приобретает форму овала, компрессия в цилиндре падает и двигатель выходит со строя. 2.     Вкладыши — подшипники скольжения, находящиеся на шейке коленвала, со временем стираются. Между ними образуется пространство, через которое начинает проходить подаваемое для смазки масло, давление масла при этом падает до недопустимого уровня. 3.     В процессе эксплуатации стираются кулачки приводов клапанов, в результате клапаны недооткрываются и мощность падает до недопустимого уровня. 4.     Прогорают края горячего клапана. В предложенном двигателе эти звенья отсутствуют и не будут влиять на ресурс двигателя.     Что касается самого генератора, то магнитное поле предложенного генератора, в основной части, всегда постоянно, это дает возможность изготавливать магнитопро-вод не с отдельных пластин (для уменьшения вихревых токов), а с цельного куска материала, что значительно увеличит прочность магнитопровода и уменьшит трудоемкость изготовления.     Регулирование мощности генератора осуществляется путем объёма впрыска топлива. Например, если выходное напряжение отклоняется от эталонного, то блок управления, усиливает напряжение разбаланса опорного напряжения и выходного, это напряжение управляет электродвигателем, рис. 5, который, в свою очередь, управляет величиной объёма впрыска топлива. При этом изменяется порция впрыска топлива, что приводит к обогащению или обеднению топливной смеси. Это приводит, при неизменной нагрузке, к изменению частоты движения шатуна.

 Рси. 5.

dvs_diesel_electro_5.jpg

Преимущества генератора прямого преобразования

1.     Малые габариты и вес из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма. 2.     Высокая наработка на отказ из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма, системы зажигания и из-за присутствия только продольных нагрузок. 3.     Невысокая цена из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма. 4.     Технологичность — для изготовления деталей необходимы только нетрудоемкие операции, токарные и сверлильные. 5.     Возможность регулирования объема камеры сгорания без остановки двигателя. 6.     Отсутствие скользящих контактов. 7.     Возможность работы на разных видах топлива, так как имеется возможность регулирования объема камеры сгорания без остановки двигателя. 8.     Отсутствие системы зажигания. 9.     Ток нагрузки генератора не влияет на магнитное поле генератора, а значит, и на характеристики генератора. Недостатки
  • Cложность получения выходного напряжения в виде синусоиды, но при современном развитии электронной и преобразовательной техники этот недостаток не имеет большого значения.
  • Наличие нескольких цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
    Основное применение описанного генератора — источник бесперебойного питания на предприятиях небольшой мощности, позволяющий подключенному оборудованию продолжительное время работать при пропадании сетевого напряжения или при выходе его параметров за допустимые нормы.    Такие генераторы могут применяться для обеспечения электрической энергией промышленного и бытового электрооборудования, в местах отсутствия электрических сетей, а также в качестве силового агрегата для транспортного средства (гибридный автомобиль).     Теперь немного о самом линейном генераторе, вернее, для чего он нужен.   Бензогенераторы продаются на каждом шагу, но покупают их, в основном, юридические лица, то есть, это не продукт массового потребления.     Очень давно пытаются сделать транспортное средство, что-то между мотороллером и автомобилем, с объёмом двигателя до 50 см³. Такое транспортное средство не надо регистрировать и платить за него налоги, им могут управлять лица достигшие 16 летнего возвраста. Сейчас подобные автомобили стоят от 14000$ до 16000$, естественно про массовость не может быть и речи. Такие автомобили делаются по классической схеме. При электрической тяге двигатель может развить максимальную мощность при всём диапазоне скоростей, рис. 6.. Кроме того, можно использовать накопленную энергию.

     Линейный генератор объём двигателя, которого составляет 50 см³, может развить мощность 8 кВт. Отношение мощности к массе снаряжённого автомобиля, при этом, в три раза выше, чем, например, у троллейбуса ЗИУ-9. 

dvs_diesel_electro_6.jpgЗабегая наперёд, сообщу о «подводных камнях» работы линейного генератора:1.     Высокая масса подвижной части генератора. Масса подвижного железа электрогенератора 12 кВт, при классическом подходе, должна быть не менее 15 кг. Но в каждый момент времени необязательно должна работать вся обмотка генератора, может работать, например, только 1/12 её часть, но с моментальными токами в 12 раз превышающими номинальные, при этом действующие токи не превышают номинальные, рис.7. Это даёт возможность уменьшить массу «железа» подвижной части генератора 12 кВт до 0,8 кг.

Рис. 7.2.     Высокая вибрация генератора. В поршневом двигателе есть части, которые совершают возвратно поступательные движения. В линейном двигателе таких частей будет две (они будут двигаться относительно друг друга и кожуха). За счет шарнирного подвеса вибрация не будет передаваться на внешнее ограждение.3.     Неустойчивость работы.  C помощью электронной схемы,  отключаетcя нагрузка, при скорости шатуна приближающейся к скорости холостого хода. Например, это может быть реализовано с помощью датчика положения и скорости (один виток тонкого провода в окне силовой обмотки генератора) и аналогового компаратора, рис.8.  При  приближении скорости шатуна к скорости холостого хода, аналоговый компаратор, с помощью транзистора, размыкает электрическую цепь  обмотки генератора, которая, в данный момент времени нагружена. Двигатель автоматически переходит в режим холостого хода, пока скорость шатуна не увеличится.    

Рис.8.4.     Непостоянный объём камеры сгорания. Например, высокая надёжность и низкая цена автомата Калашникова, несмотря на его многочисленные недостатки, сделали самым распространённым автоматом в мире.5.     Высокая стоимость автомобиля при применении гибридной схемы.При небольших мощностях, до 15 кВт, генератора, стоимость и масса силовых электрических элементов (электродвигателей 2 кВт) невысока. Например, токи, которые должны коммутироваться для управления трёхфазными тяговыми двигателями не превышают 10 А, что позволяет использовать в преобразователе обычные транзисторы и т. д..