СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
METHOD TO GENERATE ELECTRIC POWER IN PISTON ICE AND ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к приспособлениям поршневых ДВС для получения электроэнергии, питающей электрооборудование автомобиля.
Из уровня техники известна заявка на изобретение способа генерирования электрической энергии в поршневом двигателе внутреннего сгорания (заявка №2006138304, кл. F02B 63/04, опубл. 2008.05.10). Способ основан на преобразовании на тактах всасывания и рабочего хода кинетической энергии движения поршней в электрическую путем линейного перемещения последних с расположенными на них постоянными кольцевыми магнитами вдоль цилиндров, на внутренней поверхности которых смонтированы статорные обмотки.
Недостатком способа является уменьшение мощности ДВС за счет увеличения массы поршней и отрицательное влияние на ход поршней магнитной индукции.
Известны способ и устройство "Tigers" для преобразования кинетической энергии выхлопных газов в электрическую с помощью турбогенератора, при этом используют энергию выхлопных газов для запуска турбогенератора, который установлен на отводной трубе, присоединенной прямо под выхлопным патрубком двигателя, кроме того, устройство снабжено клапаном, соединенным с системой управления двигателем. Устройство позволяет питать все потребляющие электроэнергию системы автомобиля (http://www.3dnews.ru/auto/elektrocars/).
Недостатком таких способа и устройства является неспособность вырабатывать достаточное количество электроэнергии на малых оборотах ДВС, что приводит к необходимости в режиме холостого хода использовать обычный генератор.
Технической задачей изобретения является создание надежного электрогенератора для питания электрической системы автомобиля на всех режимах работы ДВС, который позволит отказаться от механического отбора энергии с ДВС, обеспечит экономию топлива и повысит экологичность двигателя.
Технический результат изобретения по способу достигается тем, что в способе генерирования электрической энергии в поршневом двигателе внутреннего сгорания, основанном на преобразовании кинетической энергии выхлопных газов ДВС в электрическую, преобразуют кинетическую энергию пульсации выхлопных газов ДВС с помощью пьезоэлектрических преобразователей, имеющих разную частоту собственных колебаний за счет разной массы подвижных частей, в связи с чем хотя бы один из пьезоэлектрических преобразователей работает в режиме резонанса, в электрические импульсы, которые преобразуют в постоянное стабилизированное напряжение.
Способ реализуется в электрогенераторе, установленном в выхлопных патрубках ДВС, содержащем пьезоэлектрические преобразователи, имеющие разную частоту собственных колебаний за счет разной массы подвижных частей, и блок преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение, при этом выходы пьезоэлектрических преобразователей соединены с соответствующими входами блока преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение, выход которого соединен с электрической системой автомобиля.
Существенными отличительными признаками, отраженными в формуле изобретения, по способу является следующая совокупность действий: преобразуют кинетическую энергию пульсации выхлопных газов ДВС с помощью пьезоэлектрических преобразователей, имеющих разную частоту собственных колебаний за счет разной массы подвижных частей, в электрические импульсы, используя эффект резонанса; преобразуют электрические импульсы в постоянное стабилизированное напряжение.
По устройству - наличие пьезоэлектрических преобразователей с разной частотой собственных колебаний за счет разной массы подвижных частей и блока преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение.
Технический результат изобретения достигнут при использовании эффекта резонанса пьезоэлектрических преобразователей за счет использования существующих и новых элементов и новых связей между ними.
Частота выхлопа в патрубке цилиндра ДВС определяется выражением , где N - частота оборотов ДВС, об/мин. В зависимости от режима работы двигателя частота выхлопа может принимать значения от минимального , имеющей место на холостых оборотах двигателя, до  - при максимальных оборотах.
Наиболее сложным режимом работы ДВС с точки зрения генерирования электрической энергии является режим холостого хода, которому свойственны малые частота и кинетическая энергия выхлопа.
Для возможности питания электрической системы автомобиля на холостом ходу предлагается использовать явление резонанса.
Частота собственных колебаний пьезоэлектрического преобразователя без учета потерь на генерирование электрической энергии и трения подвижных частей (сопротивление колебанию влияет на амплитуду и не влияет на частоту) выражается следующей формулой , где k - коэффициент жесткости пьезоэлемента, m - масса инерционной подвижной части пьезоэлектрического преобразователя.
Условие возникновения резонанса  или , откуда масса инерционной подвижной части пьезоэлектрического преобразователя выражается .
Предлагается устанавливать на каждый выхлопной патрубок I пьезоэлектрических преобразователей, имеющих массы инерционных подвижных частей . Тогда частоты собственных колебаний пьезоэлектрических преобразователей будут соотноситься . Таким образом, на всем диапазоне режимов работы ДВС хотя бы один пьезоэлектрический преобразователь будет находиться в резонансе.
На чертеже представлена схема электрогенератора.
В выхлопном патрубке 1 цилиндра ДВС установлен корпус блока пьезоэлектрических преобразователей 2, выполненный из материала с низкой теплопроводностью, в котором размещены термостойкие пьзоэлементы 3 с токосъемными пластинами, приклеенные с одной стороны через эластичные диэлектрические прокладки 4 к инерционным подвижным частям 5, 6, 7, выполненным из материала с низкой теплопроводностью и имеющим различную массу, причем , где k - коэффициент жесткости пьезоэлемента, N - частота оборотов ДВС, об/мин, а с другой - к электроизоляционной подложке 8; одни токосъемные пластины термостойких пьзоэлементов 3 закорочены на массу, а другие соединены с соответствующими входами блока 9 преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение, выход которого соединен с электрической системой автомобиля.
Устройство работает следующим образом.
При выхлопе из цилиндра ДВС в выхлопном патрубке 1 проходит фронт возрастания давления ΔР. На рабочей поверхности инерционных подвижных частей 5, 6, 7 создается сила F=ΔP·S, где S - площадь рабочей поверхности инерционной подвижной части. Сила F придает ускорение инерционным подвижным частям 5, 6, 7, которые через эластичные диэлектрические прокладки 4 создают усилие сжатия на термостойких пьзоэлементах 3, на токосъемных пластинах которых создаются разности потенциалов, которые в виде импульса положительной полярности поступают на соответствующие входы блока 9 преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение. После прохода выхлопа давление в выхлопном патрубке 1 снижается, и инерционным подвижным частям 5, 6, 7 придается противоположное по знаку ускорение усилием со стороны пьезоэлемента 3 F1=-k·x, где k - коэффициент жесткости, x - величина сжатия пьезоэлемента. Противоположное по знаку ускорение инерционных подвижных частей 5, 6,7 вызывает усилие растяжения термостойких пьзоэлементов 3, за счет чего с их токосъемных пластин в соответствующие входы блока 9 преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение проходят импульсы отрицательной полярности. Каждый пьезоэлектрический преобразователь имеет свою отличающуюся от других частоту собственных колебаний ,
i
где m - масса инерционной подвижной части i-го пьезоэлектрического преобразователя, причем  и, следовательно, , где N - частота оборотов ДВС, об/мин. Таким образом, при любой частоте оборотов ДВС найдется i-й пьезоэлектрический преобразователь, частота собственных колебаний которого равна или близка частоте выхлопа. Другими словами, хотя бы один пьезоэлектрический преобразователь будет находиться в режиме резонанса и генерировать основную долю электрической энергии в виде чередующихся импульсов положительной и отрицательной полярности. Последовательность импульсов преобразуется в блоке 9 преобразования электрических импульсов в постоянное стабилизированное напряжение, с выхода которого электрическая энергия поступает в электрическую систему автомобиля.