ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ELECTROMECHANICAL SYSTEM FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромеханическим системам, повышающим эффективность работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Из уровня техники известна «Энергетическая установка транспортного средства» по патенту на изобретение RU №2398683 от 02.07.2009 г., МПК В60К 15/10, F02B 43/10, в которой генератор приводится в движение с помощью ветроколеса - турбинкой малой величины, для преобразования энергии потока выхлопных газов при работе двигателя внутреннего сгорания в электрическую. Далее электроэнергия направляется в электролизер для выработки горючей газовой смеси для ДВС.
К недостаткам данной установки относится не использование тепловой энергии потока выхлопных газов, а также низкий общий КПД системы регенерации, а именно: кинетической энергии потока выхлопного газа.
Из уровня техники известна также «Система с циклом Ранкина и транспортное средство» по патенту на изобретение US 7475541 В2 от 13.01.09 г., МПК F01K 23/10. Гибридное транспортное средство снабжено двигателем внутреннего сгорания, двигателем-генератором и системой с циклом Ранкина для регенерации тепловой энергии выхлопного газа. Выходная электрическая энергия системы с циклом Ранкина используется для заряда аккумуляторной батареи и для питания тягового электродвигателя.
Недостатками такой системы являются: отсутствие использования кинетической энергии выхлопных газов ДВС и сложность кинематических цепей транспортного средства.
Из уровня техники известно «Гибридное транспортное средство с турбогенератором с приводом от выхлопных газов» по патенту на изобретение US2006/0046894 А1 МПК В60К 1/02, 2.03.06 г.
Гибридное транспортное средство, включающее ДВС, использующий топливо, электрический привод, аккумуляторные батареи для накопления электрической энергии и использования с электрическим приводом, турбину, расположенную на входе выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, а также электрический генератор, вращаемый турбиной для обеспечения электроэнергией: аккумуляторных батарей, системы электропривода, кинематическую цепь для передачи энергии электродвигателя для вращения колес транспортного средства.
Недостатками такой системы являются отсутствие использования тепловой энергии выхлопных газов и сложность кинематических цепей транспортного средства.
Наиболее близко к предлагаемому изобретению «Устройство для управления стартером-генератором ДВС» по патенту на изобретение JP 4078890 В2 от 17.06.2002 г., МПК 8 F02N 11/04, принятое нами за прототип.
Устройство включает стартер - генератор с ротором, закрепленным на коленчатом валу ДВС, устройство управления, аккумуляторную батарею и предназначено для пуска ДВС и вырабатывания электроэнергии при работе ДВС.
К недостаткам данного устройства относится отсутствие регенерации энергий потока выхлопных газов.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) за счет регенерации как кинетической, так и тепловой энергий потока выхлопных газов ДВС.
Сущность изобретения заключается в том, что электромеханическая система для ДВС содержит накопитель электрической энергии, например емкостной или аккумулятор, электрически связанный с устройством управления, включающий в себя широтно-импульсный преобразователь напряжения, коммутатор и/или преобразователь частоты и напряжения, и вращающуюся электрическую машину, например вентильную, синхронную или асинхронную, ротор которой является маховиком ДВС.
Отличие предложенного изобретения состоит в том, что система дополнительно снабжена преобразователем одновременно и кинетической, и тепловой энергии потока выхлопных газов в электрическую энергию, выполненным в виде последовательно размещенных на одном валу с электрогенератором газовой турбины, парового электрогенератора, причем вход преобразователя энергии соединен с выхлопным коллектором ДВС, а электрический выход связан с устройством управления.
Предлагаемая система иллюстрируется чертежом, на котором изображена структурная схема электромеханической системы для ДВС.
В схеме приняты обозначения:
НЭЭ - накопитель электрической энергии;
УУ - устройство управления;
ВЭМ - вращающаяся электрическая машина;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ПЭ - преобразователь энергии.
Система состоит из накопителя электрической энергии (НЭЭ), например емкостного, или аккумулятора, или сочетания этих устройств, электрически связанного с устройством управления (УУ), электрическая схема которого может быть различной, в зависимости от типа используемой вращающейся электрической машины. В предложенном изобретении можно использовать типовые УУ, например, для синхронных или асинхронных электрических машин, которые преобразуют постоянное напряжение преобразователя энергии (ПЭ) в переменное многофазное напряжение определенной частоты и амплитуды, а для вентильных же электрических машин УУ выполняется на основе широтно-импульсного регулятора напряжения и коммутатора, распределяющего напряжение по обмоткам статора. Все типы УУ снабжены задатчиком режима работы ВЭМ.
В качестве ПЭ возможно использование различных устройств.
- газовая турбина, приводимая в движение выхлопными газами ДВС, на валу которой расположен электрогенератор, например трехфазный синхронный с выпрямителем;
- компактный паровой электрогенератор, работающий по термодинамическому циклу Ранкина, горячие выхлопные газы которого поступают в конвектор с испарителем, где образуется пар с температурой 400-500°С и давлением 7-9 МПа. Этот пар, вращая генератор, охлаждается, конденсируется и вновь поступает в бак с насосом. В ходе испытаний на гибридном автомобиле Honda Stream с двухлитровым бензиновым двигателем паровая установка работала с максимальной мощностью 32 кВт. Термический КПД установки пока не слишком высок - 13%.
В предлагаемом изобретении в качестве преобразователя энергии используется сочетание газовой турбины, парового электрогенератора и паровой турбины, причем вход преобразователя энергии соединен с выхлопным коллектором ДВС, а электрический выход связан с устройством управления.
Система по предлагаемому изобретению работает следующим образом.
Вращающаяся электрическая машина (ВЭМ), используя энергию накопителя электрической энергии (НЭЭ), запускает двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работая в двигательном режиме. После запуска ДВС поток выхлопных газов поступает вначале в газовую турбину, отдавая кинетическую энергию, затем в паровой электрогенератор, отдавая тепловую энергию. Преобразователь энергии (ПЭ) начинает вырабатывать электроэнергию для зарядки НЭЭ и питания бортовой электросети. Излишек электроэнергии направляется для питания ВЭМ, которая работает в двигательном режиме, передавая механическую энергию на коленчатый вал ДВС. При торможении транспортного средства ВЭМ работает как генератор в режиме рекуперативного торможения, отдавая электроэнергию в НЭЭ. В итоге происходит экономия топлива и снижение токсичности выхлопных газов.
Предлагаемую систему можно использовать для автомобилей, тепловозов, теплоходов и тепловых электростанций.