СИЛОВАЯ ГИБРИДНАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)
HYBRID POWER PLANT (EMBODIMENTS)

Изобретение «Силовая гибридная установка» может быть использовано в стационарных и передвижных генераторных станциях и установках, в приводах гибридных автомобилей, мотоциклах, в судостроении, в авиации - легкомоторные и спортивные самолеты, беспилотники, вертолеты.
Известны стационарные и передвижные генераторные станции и установки, состоящие из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), приводящего в движение генератор, который вырабатывает электрическую энергию, например промышленные генераторы Vanguard™ (1), передвижные генераторы Briggs & stratton (2).
В рамках Киотского протокола, подписанного в 1997 году, многие страны взяли на себя обязательство сократить вредные выбросы в атмосферу. Борьба за топливную экономичность и экологическую безопасность стала для многих стран очень острым вопросом. В результате чего, ведущие автомобильные компании стали разрабатывать и производить автомобили, оснащенные силовыми гибридными установками. Японская компания Toyota Motor стала первой компанией, массово внедрившей на рынке гибридные технологии практически во всех сегментах модельного ряда - от малолитражек до седанов, кроссоверов и полноценных внедорожников. Для автомобиля Тойота Приус Гибрид компания разработала силовую гибридную установку Hybrid Synergy Drive, состоящую из ДВС 2ZR-FXE, работающего по принципу Аткинсона, и электромотора мощностью 60 кВт. Автомобиль приводится в движение от ДВС, электромотора, а также может работать в синергетическом режиме. Автомобили, оснащенные силовой гибридной установкой более экономичны, снижено количество вредных выбросов в атмосферу, но они сложны в изготовлении и значительно дороже автомобилей с традиционными ДВС.
Авиастроительный концерн Airbus с компанией Aero Composite Saintonge разрабатывает электрический самолет E-Fan, оборудованный двумя электродвигателями суммарной мощностью 60 кВт и двумя литий-полимерными аккумуляторными батареями.
Наиболее близким аналогом изобретения, взятым в качестве прототипа, является «Двигатель внутреннего сгорания», патент РФ №2545109 (3).
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры со съемными головками, поршни с поршневыми кольцами, газораспределительный механизм, систему охлаждения, систему смазки, систему питания, систему зажигания, поршни, попарно соединенные через штанги с рамкой с зубчатыми рейками, таким образом, что если один поршень находится в верхней мертвой точке, то другой поршень - в нижней мертвой точке, преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала происходит за счет перемещения рамок с зубчатыми рейками, которые входят в зацепление с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, рамки выполнены с верхними и нижними зубчатыми рейками, верхние и нижние зубчатые рейки смещены относительно друг друга, верхняя часть рамки выполнена с одной зубчатой рейкой, а нижняя часть - с двумя зубчатыми рейками, продольные оси которых симметрично смещены относительно оси поршней. Рамки с зубчатыми рейками и выходной вал с зубчатыми секторами колес, установленных на выходном валу, обладают намагниченностью, в двигателе с противоположных сторон зубчатых реек установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток статора генератора, функцию якоря генератора выполняет выходной вал с зубчатыми секторами колес, установленными на выходном валу, на колесах с противоположной стороны зубчатых секторов установлены индукционные катушки, выполняющие функцию обмоток якоря генератора.
Недостатком данного ДВС является то, что зубчато-реечный механизм уступает кривошипно-шатунному механизму в надежности, а также появляется дополнительный изгибающий момент на рамке передающийся поршням, когда зубья рейки входят в зацепление с зубчатыми секторами колес установленных на выходном валу, кроме того реечный механизм является дополнительным источником шума.
Целью изобретения силовой гибридной установки является:
- упрощение конструкции силовой гибридной установки, за счет конструктивного объединения ДВС и генератора, где ротор или индуктор, или соленоид генератора установлен на концах поршневых штоков ДВС и при работе совершает возвратно-поступательные движения внутри статора генератора;
- повышение коэффициента полезного действия (КПД) силовой гибридной установки, за счет совмещения функции ДВС и генератора.
Указанная цель достигается тем, что силовая гибридная установка, состоящая из двухтактного оппозитного ДВС, жестко закрепленного на корпусе силовой установки, содержащая по меньшей мере два цилиндра с выполненными в них впускными, перепускными и продувочными клапанами, двух поршней с поршневыми штоками, размещенными в цилиндрах и разделяющие цилиндры на надпоршневую рабочую камеру, имеющую совмещенную систему продувки отработанных газов и впуска свежей воздушной смеси, систему впрыска топлива, систему воспламенения рабочей смеси и выпуска отработанных газов, и подпоршневую компрессорную камеру, ресивера (двух ресиверов), причем ресивер выполнен с возможностью соединения с подпоршневой компрессорной камерой и продувочным окном рабочей камеры. В корпусе силовой установки установлен генератор (генераторы), в статоре генератора размещен ротор, или индуктор, или соленоид, соединенные посредством поршневых штоков, через уплотнительные соединения и подшипники скольжения с поршнями ДВС. При работе силовой гибридной установки ротор совершает возвратно-поступательные движения внутри статора генератора
Силовая гибридная установка может иметь различное количество оппозитно расположенных поршней и, соответственно генераторов. Генераторы могут быть постоянного и переменного тока, синхронные, асинхронные, индукторные и гистерезисные.
Силовая гибридная установка (см. фиг. 1, 2, 3) состоит из двухцилиндрового двухтактного оппозитного ДВС, двух ресиверов 13, жестко закрепленных с разных сторон корпуса 1. В цилиндрах 2 установлены поршни 7 с поршневыми штоками 8, разделяющие полости цилиндров на надпоршневые рабочие камеры 9, имеющие системы подачи свежей порции воздушной смеси и продувки отработанных газов через клапаны 5. Систему впрыска топлива посредством форсунок 10, систему воспламенения рабочей смеси 11, и систему выпуска отработанных газов через клапаны 6. Подпоршневые компрессорные камеры 12, включающие системы подачи свежей порции воздушной смеси через клапаны 3, перепускные клапаны 4, пропускающие свежие порции воздуха из компрессорных камер 12 в ресиверы 13. В корпусе 1 установлен генератор 15, в котором статор 14 выполнен, например, из электротехнической стали, в статоре выполнены пазы, в которых размещены якорные обмотки 16. Поршни 7, посредством поршневых штоков 8, через уплотнительные соединения 17 и подшипники скольжения 18 в корпусе 1, соединены с ротором 19. В пазах ротора 19 размещена радиальная обмотка возбуждения 20. Силовая гибридная установка изображенная на фиг. 4, 5, 6 отличается от описанной выше тем, что в статоре 14 установлен ротор 19, в пазах которого установлены вставки из высокоэнергетических постоянных магнитов 26. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 7, 8 отличается тем, что в корпусе 1 установлен стержневой магнитопровод 22, на стержнях которого размещены обмотки 23, поршни 7, посредством поршневых штоков 8, через уплотнительные соединения 17 и подшипники скольжения 18 в корпусе 1, соединены с ротором 24. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 9, 10 состоит из четырехцилиндрового двухтактного оппозитного ДВС, двух ресиверов 13, двух генераторов 15, в пазах статоров 14 размещены якорные обмотки 16, двух роторов 19 с радиальными обмотками возбуждения 20. Силовая гибридная установка изображенная на фиг. 11, 12 отличается от описанной выше тем, что в пазах ротора 19 установлены вставки из высокоэнергетических постоянных магнитов 26. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 13, 14 отличается тем, что в пазах ротора 19 размещены осевые обмотки возбуждения 21. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 15, 16 отличается тем, что якорные обмотки 16 и обмотки возбуждения 21 размещены в пазах статоров 14. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 17, 18 отличается от установки изображенной на фиг. 9, 10 тем, что генераторы 15 экранированы друг от друга проводящим материалом 25. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 19, 20 отличается тем, что в корпусе 1 установлены два стержневых магнитопровода 22. Обмотка первичной цепи 27 размещена на двух сердечниках 22, вторичные обмотки 23 расположены на одиночных стержнях разноименных сердечников 22, роторы 24, в пазах которых установлены вставки из высокоэнергетических постоянных магнитов 26, размещены внутри стержневых магнитопроводов 22. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 21, 22 отличается тем, что в корпусе 1 установлены два тороидальных магнитопровода 28, на которых размещены обмотки 29, роторы 19, в пазах которых установлены вставки из высокоэнергетических постоянных магнитов 26, размещены внутри тороидальных магнитопроводов 28. Силовая гибридная установка, изображенная на фиг. 23, 24 отличается тем, что в корпусе 1 установлены два стержневых магнитопровода 22 с обмотками 23, роторы 24, с обмотками возбуждения 20, размещены внутри стержневых магнитопроводов 22, стержневые магнитопроводы 22 экранированы друг от друга проводящим материалом 25.
Заполнение ресиверов 13 можно пополнять и от дополнительного автономного воздушного или газовоздушного источника, в котором под давлением находится воздушная или горючая газовоздушная смесь с малой концентрацией горючего газа (например, пропана), которая трубопроводами через патрубки 30 (см. фиг. 1, 7, 9) связана с ресиверами 13 (на фиг. не показано).
Силовая гибридная установка может работать:
- на бензиновом топливе, с непосредственным впрыском и искровой системой зажигания;
- в режиме воспламенения топливо-воздушной смеси сжатием Spark Controlled Compression Ignition (SCCI);
- на дизельном топливе.
Силовая гибридная установка работает следующим образом (см. фиг. 1…6).
Бортовой компьютер управляет работой силовой гибридной установки. При запуске силовой гибридной установки можно воспользоваться запасенной воздушной смесью из ресивера 13. Открывается клапан 5 цилиндра 2 и за счет избыточного давления воздуха в ресивере 13, и подачи импульса напряжения на якорную обмотку 16, например поршень 7, в левом цилиндре 2 перемещается в нижнюю мертвую точку, перемещая шток 8 с ротором 19 в статоре 14. Одновременно поршень 7, в оппозитном (правом) цилиндре 2 перемещается к верхней мертвой точке и создает разрежение в подпоршневой компрессорной камере 12. Под действием этого разрежения открывается впускной клапан 3 и свежая порция воздушной смеси засасывается в компрессорную камеру 12. При движении поршня 2 к верхней мертвой точке, перепускной клапан 4, продувочный клапан 5 и выпускной клапан 6 закрыты. Происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре 2. Бортовой компьютер подает команды, происходит подача импульса тока и открытие форсунки 10 и топливо под давлением распыляется в рабочую камеру 9, в районе свечи зажигания 11. Подается импульс напряжения на свечу зажигания 11, между электродами свечи проскакивает искра, рабочая смесь воспламеняется, происходит сгорание и расширение рабочей смеси, давление в цилиндре 2 повышается и поршень 7 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая ротор 19 в статоре 14, выпускной клапан 6, впускной клапан 3 закрыты, открывается клапан 4 цилиндра 2 и поршень 7 выталкивает свежую воздушную смесь из компрессорной камеры 12 в ресивер 13. В конце рабочего хода поршня 7, открываются выпускной клапан 6 и клапан 5 подачи свежей порции воздушной смеси из ресивера 13 в рабочую камеру 9 цилиндра 2. В результате этого осуществляется петлевая продувка рабочей камеры 9 цилиндра 2. Отработанные газы из рабочей камеры 9, через клапан 6 поступают в глушитель и далее в атмосферу. Таким образом происходят возвратно поступательные движения поршней 7 со штоками 8, на концах которых установлен ротор 19, который также совершает возвратно поступательные движения в статоре 14 генератора 15. На обмотку возбуждения 20 ротора 19 подают питание от источника постоянного тока или возбуждение ротора 19 происходит от высокоэнергетических постоянных магнитов 26, установленных в пазах ротора 19. При возвратно поступательном движении ротора 19 в статоре 14, поток возбуждения пересекает проводники якорных обмоток 16 статора 14 и индуцирует в обмотках 16 переменную электродвижущую силу (ЭДС) Е, при подключении якорных обмоток 16 к нагрузке, проходящий по этим обмоткам ток I создает изменяющееся магнитное поле, результирующий магнитный поток Ф создается совместным действием магнитодействующих сил: обмотки возбуждения 20, или энергией постоянных магнитов 26, установленных в пазах ротора 19, и изменяющимся магнитным полем якорных обмоток 16 статора 14.
Работа силовой гибридной установки в режиме воспламенения топливо-воздушной смеси сжатием (SCCI) происходит с обедненной смесью.
В конце рабочего хода поршня 7, открываются выпускной клапан 6 и клапан 5 подачи свежей порции воздушной смеси из ресивера 13 в рабочую камеру 9 цилиндра 2. Свежая порция воздушной смеси смешивается с остатками горячих отработанных газов, отработанные газы разогревают воздушную смесь, облегчая ее перемешивание внутри рабочей камеры 9. При движении поршня 2 к верхней мертвой точке, перепускной клапан 4, продувочный клапан 5 и выпускной клапан 6 закрыты. Бортовой компьютер подает команды, происходит подача импульса тока и открытие форсунки 10 и топливо под давлением распыляется в рабочую камеру 9, в результате чего, в цилиндре образуется сбалансированная однородная топливовоздушная смесь с предельно низким содержанием топлива. Поршень 7 сжимает топливовоздушную смесь в цилиндре 2 до определенного объема, давление и температура в цилиндре 2 повышается до точки самовоспламенения и смесь в цилиндре сгорает, поршень 7 перемещается к нижней мертвой точке, перемещая ротор 19 в статоре 14. Работа генератора 15 не отличается, от описанной выше.
Работа силовой гибридной установки на дизельном топливе происходит в обычном режиме.
Работа силовой гибридной установки с четырехцилиндровым двухтактным оппозитным ДВС происходит аналогичным образом (см. фиг. 9, 10, 11, 12). Отличия заключаются в том, что ресиверы 13 подключены и работают на два цилиндра 2. Перепускные клапана 4 могут работать в автоматическом режиме. При рабочем ходе, в под-поршневой компрессорной камере 12 одного цилиндра 2 создается избыточное давление, под действием которого перепускной клапан 4 открывается, свежая воздушная смесь из подпоршневой компрессорной камеры 12 поступает в ресивер 13, автоматически закрывая перепускной клапан 4 другого цилиндра 2.
В корпусе 1 установлены два генератора 15, в статорах 14 которых совершают возвратно поступательные движения два ротора 19, закрепленные на концах поршневых штоков 8. При работе ДВС поршни 7 совершают возвратно-поступательные движения в цилиндрах 2, возвратно-поступательные движения в статорах 14 генераторов 15 совершают и роторы 19, установленные на концах поршневых штоков 8. На обмотки возбуждения 20 роторов 19 подают питание от источника постоянного тока, или возбуждение роторов происходит от высокоэнергетических постоянных магнитов 26, установленных в пазах роторов 19. При возвратно-поступательных движениях роторов 19, поток возбуждения пересекает проводники якорных обмоток 16 и индуцирует в них переменную электродвижущую силу (ЭДС) Е. При подключении якорных обмоток 16 к нагрузке, проходящий по этим обмоткам 16 ток I создает изменяющееся магнитное поле. Результирующий магнитный поток Ф создается совместным действием магнитодействующих сил: обмоток возбуждения 20 роторов 19, или энергией постоянных магнитов 26 роторов 19, и якорными обмотками 16 статоров 14.
Работа силовых гибридных установок с генераторами на стержневых 22 и тороидальных 28 магнитопроводах (см. фиг. 19, 20, 21, 22), отличается тем, что возвратно-поступательные движения роторов 24 и 19, установленных на концах поршневых штоков 8, происходят в окнах магнитопроводов 22 и 28. Возбуждение роторов 24 и 19 происходит от высокоэнергетических постоянных магнитов 26, установленных в пазах роторов 24 и 19. При возвратно-поступательном движении роторов 24 и 19, поток возбуждения пересекает проводники обмоток 23 и 29 установленных на магнитопроводах 22 и 28, и индуцирует в них переменную электродвижущую силу Е. При подключении обмоток 23 и 29 к нагрузке, проходящий по этим обмоткам 23 и 29 ток I создает изменяющееся магнитное поле. Результирующий магнитный поток Ф создается совместным действием магнитодействующих сил: энергией постоянных магнитов 26 роторов 19 и 24 и обмотками 23 и 29 магнитопроводов 22 и 28.
Вторичные обмотки 23, расположенные на одиночных стержнях разноименных сердечников 22 (см. фиг. 19, 20 и 23, 24) могут состоять из последовательных контуров вторичных обмоток 23 и конденсаторов С настроенных в резонанс напряжений, при этом полезная нагрузка подключается к клеммам обмоток 23 или клеммам емкости конденсаторов С (на фиг. не показаны).
Якорные обмотки, в зависимости от назначения, можно соединять различным способом, последовательно, параллельно, звездой с общей точкой, треугольником, образовывать различное число фаз и т.д.
Силовая гибридная установка может работать автономно в качестве генератора питающего подключенную к нему нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие силовые гибридные установки. Например, силовая гибридная установка с однофазным генератором с номинальным напряжение 230 В, частотой 50 Гц, или трехфазным генератором с номинальным напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Номинальная мощность генераторной установки может увеличиваться путем параллельного подключения дополнительных силовых гибридных установок. Силовые гибридные установки могут комплектоваться генераторами с разными номинальными напряжениями, например в силовой гибридной установке с четырехцилиндровым оппозитным двухтактным ДВС устанавливаются, один однофазный генератор с номинальным напряжением 230 В, другой трехфазный генератор с номинальным напряжением 380 В. В силовых гибридных двух генераторных установках, один генератор может использоваться как основной, а другой в качестве резервного, например в авиации, в военной технике.
Силовыми гибридными установками могут комплектоваться и автомобили, например четырехцилиндровым двухтактным оппозитным ДВС с двумя генераторами. Бортовой компьютер посредством инвертора, преобразует постоянный ток высоковольтной аккумуляторной батареи (например, литий-ионной) в переменный трехфазный ток, и питает тяговой электродвигатель автомобиля. При снижении уровня зарядки высоковольтной батарей ниже установленного предела, компьютер отключает ее от тягового электродвигателя и подключает к тяговому электродвигателю трехфазный генератор, который питает его. Электроэнергия вырабатываемая другим генератором, по команде с бортового компьютера, через инвертор идет на подзарядку высоковольтной аккумуляторной батареи. При полной зарядке высоковольтной аккумуляторной батареи, компьютер отключает ее от инвертора и подключает к тяговому электродвигателю, отключая от тягового электродвигателя генератор. Зарядка высоковольтной аккумуляторной батареи может происходить и за счет энергии ДВС, при незначительной нагрузке, а так же за счет рекуперации энергии при торможении, в результате этих действий происходит экономия топлива и уменьшается выброс токсичных веществ в атмосферу.
Для подзарядки вспомогательной свинцово-кислотной аккумуляторной батарей и питания различного бортового электрического оборудования автомобиля, может быть выделена якорная обмотка генератора с выпрямителем и реле-регулятором или устанавливается специальный преобразователь, преобразующий постоянный ток высоковольтной батарей в постоянный ток напряжением 12-14 В.
Высокоэнергетические постоянные магниты, установленные в пазах ротора, существенно повышают надежность работы генераторов, благодаря отсутствию обмоток возбуждения и скользящих контактов, для подвода к ним тока.
Коэффициент полезного действия (КПД) бензиновых четырехтактных ДВС находится в диапазоне от 20 до 25%, а дизельных может достигать 40%. Самым эффективным, на данный момент времени, считается электрический двигатель, его КПД может достигать 90-95%. Если в качестве тягового электродвигателя на автомобиль установить асинхронный электродвигатель, то это позволит практически полностью исключить техническое обслуживание электродвигателя в течении назначенного безопасного ресурса работы автомобиля, или электродвигатели установить непосредственно в колеса автомобиля, обеспечив защиту от воздействия окружающей среды.
КПД генератора зависит от конструкции генератора, толщины пакета статора, величины сопротивления обмоток, конструкции ротора и т.д., но главным образом от мощности генератора, чем генератор мощнее, тем выше его КПД и может достигать 90-95%.
КПД предлагаемой силовой гибридной установки может достигать 75-85% за счет конструктивного совмещения двухтактного оппозитного ДВС и генератора, так как ротор, или индуктор, или соленоид генератора является элементом соединения оппозитно расположенных поршней друг с другом.
Если сравнивать, например традиционную силовую гибридную установку оснащенную четырехцилиндровым четырехтактным ДВС и генератором, установленным между ДВС и стандартной коробкой переключения передач, с предлагаемой силовой гибридной установкой, то эффект достигается за счет сокращения:
- механических потерь - попарно соединенные поршни обеспечивают строго возвратно-поступательное движение поршней, благодаря этому отсутствуют боковые силы, действующие на стенки цилиндров со стороны поршней. Снижается трение и износ в цилиндропоршневой группе, упрощается конструкция поршня и самого двигателя. ДВС становится проще, технологичней (нет кривошипно-шатунного механизма, коробки переключения передач, зубчатых и ременных передач, подшипников качения и т.д.);
- тепловых потерь;
- топливной эффективности, особенно - в режиме воспламенения топливовоздушной смеси сжатием (SCCI), характеризующейся отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой сгорания. В результате чего доля сгоревшего топлива возрастает до 95-97%.;
- металлоемкости;
- себестоимости.
Преимуществом предлагаемой силовой гибридной установки является и почти полное отсутствие вибрации во время работы. Такой эффект достигается за счет расположения поршней, которые уравновешивают друг друга, в результате чего существенно увеличивает ресурс силовой гибридной установки, кроме того они обеспечивают автомобилю низкий центр тяжести, что благоприятно скажется на устойчивости автомобиля.
Масса высоковольтной аккумуляторной батареи превышает массу силовой гибридной установки, учитывая оптимальную рабочую температуру например, литий-ионной аккумуляторной батареи, которая находится в диапазоне от +15° до +35°С, то работа автомобиля в жестких климатических условиях (-50° до +60°С) становится проблематичной. В этом случае, силовая гибридная установка может питать тяговый электродвигатель без использования высоковольтной аккумуляторной батареи.
Источники информации
1. Промышленные генераторы Vanguard™, каталог
2. Передвижные генераторы Briggs & stratton, каталог.
3. Патент РФ на изобретение 2545109, «Двигатель внутреннего сгорания».
4. Электрические машины. Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. М., «Высшая школа» 1987.
5. Автомобили, оснащенные силовыми гибридными установками. Интернет.