ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
ELECTRIC POWER GENERATOR

Электрогенератор состоит из четырех электрических машин и четырех двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Электромашина встроена в ДВС и образует с ДВС единый блок. Блоки расположены в ряд на картере ДВС, поршни, соединенные штоками и совершающие прямолинейное возвратно-поступательное движение. На штоках между поршнями размещены подвижные части электромашин. Неподвижные части электромашин размещены между цилиндрами ДВС и соединены с картером. Соединение ДВС и электромашины упрощает конструкцию. При рабочем ходе ДВС электромашина работает как генератор, а при вспомогательных тактах ДВС - как двигатель. Это обеспечивает простоту конструкции.
При прямолинейном возвратно-поступательном движении поршней и штоков давление поршней на стенки цилиндров значительно меньше, чем в кривошипно-шатунном механизме. Это уменьшает потери на трение в ДВС и повышает моторесурс. Все ДВС связаны между собой механически. Поршни двух крайних и двух средних ДВС и, соответственно, электромашины двигаются разнонаправлено, что позволяет уменьшить вибрацию.
На фиг.1-4 показано устройство электрогенератора. Картер 1, цилиндры 2, поршни 3, штоки 4, жестко соединяющие поршни, пальцы, расположенные на штоках. Пальцы 9 двигаются в пазах между верхней 5 и нижней частью 6 электромашины и препятствуют повороту штока и поршня вокруг своей оси. Втулки 10, жестко соединяющие пальцы штоков средних цилиндров. Зубчатые рейки 11, расположенные на пальцах крайнего и среднего штоков. Пальцы крайних штоков свободны с наружной стороны. Зубчатые колеса 12, упорные ролики 13. Зубчатые рейки соединяют штоки через зубчатые колеса 12 и обеспечивают встречное или противоположное движение поршней крайних и средних цилиндров. Свечи зажигания 14. Тарелки 15 расположены на штоках и служат опорой штоков. Тарелки опираются на части 5 и 6 электромашины, которые находятся в зоне нормальных температур, где смазочные масла имеют максимальные свойства и потери на трение минимальные по сравнению с трением между поршнем и цилиндром в кривошипно-шатунном механизме, где давление между поршнем и цилиндром существенно больше. К ДВС относятся также аварийные приводы выпускных клапанов 17, пружины 18 крепления цилиндров к картеру и шпильки 19.
Электрическая часть состоит из четырех отдельных импульсных линейных двигателей-генераторов и состоит из неподвижных частей -верхней 5 и нижней 6, соединенной с картером. На неподвижных частях расположены электрические катушки 7. Подвижные части электромашин размещены на штоках и содержат электрические катушки 8 и датчики положения и скорости движения подвижных частей эл. машины 20. К электрической части относятся также электромагнитные клапаны 16.
Электрическая часть - электрогенератор и электродвигатель составляют неотъемлемую часть ДВС, т.к. без электрической части ДВС работать не могут.
Уже известны конструкции ДВС, в которых цилиндры расположены оппозитно. Поршни в цилиндрах соединены штоками и двигаются как единое целое. Шатунов в таких двигателях нет - бесшатунные (Л.1. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. Машиностроение, 1972 г., стр.4.). В этих двигателях существенно уменьшена сила прижатия поршня к цилиндру по сравнению с кривошипно-шатунными механизмами. Такие двигатели обладают топливной экономичностью, повышенным моторесурсом, надежностью и др. Но конструктивное исполнение привело к тому, что эти неудобны в эксплуатации на подвижных установках типа автомобилей и вытеснены рядными или V-образными ДВС.
ДВС. См. Л.2. Патент РФ 2296871. Этот патент принят за прототип.
Недостатки прототипа:
1. Отсутствуют свечи зажигания или форсунки, без чего невозможна работа ДВС.
2. Отсутствуют устройства для регулировки клапанов.
3. Сложность конструкции - большое число цилиндров - 16.
4. Неуравновешенность конструкции.
Если соединить, мысленно, линии, соединяющие центры поршней двигающихся вверх, и центры поршней, двигающихся вниз, то их оси не совпадут с осью всего устройства и находятся на разных расстояниях от этой оси. Это источник вибраций.
5. Сложность ремонта и обслуживания.
Работа предлагаемой конструкции
На штоках установлены ограничительные тарелки 15 (Фиг1), которые одновременно служат опорой подвижных частей электромашин. В нормальных условиях тарелки не доходят на 0,8-1,0 мм до нижнего торца цилиндра. Это расстояние, на котором должен сработать электромагнитный тормоз в случае, если подвижная часть электромашины выйдет за нормальные допуски. Сигнал для включения электромагнитного тормоза выдают датчики положения и скорости 20, а сигнал на аварийное торможение выдает блок 24. Если же тормоз сработает недостаточно эффективно, то тарелка 15 ударит в торец цилиндра 2 и удар смягчат пружины 18. См. Фиг.4.
В ДВС могут быть нарушения в системах зажигания и питания типичное нарушение в системе зажигания 'пропала искра'. В этом случае выручит система связи поршней. Для каждого поршня есть свой дублер. См. Фиг.5. Взаимно дублируют работу цилиндры 1 и 4, 2 и 3, 6 и 7, 5 и 8, и ДВС продолжит работу.
Нарушения в системе питания - некачественное топливо - детонация в цилиндрах. При нормальном режиме сгорания топлива цилиндры неподвижны по отношению к картеру. В случае некачественного топлива может произойти детонация топливной смеси и резкое увеличение давления газов в цилиндре, что вредно для ДВС Давление выше нормального приведет к сдвигу цилиндра и тяга 17 откроет выпускной клапан. См. фиг.4. При нормальном сгорании топлива сила нажатия пружин 18 удерживает цилиндр неподвижным.
Фланцы цилиндров присоединены к картеру на шпильках 19, а между фланцем и гайками поставлены пружины 18, сила нажатия которых позволяет цилиндру двигаться только в аварийном режиме.
Устройство электрогенератора из четырех одинаковых блоков позволяет свести вибрации к минимуму. Для этого достаточно обеспечить разнонаправленное движение штоков двух крайних и двух средних ДВС. В этом случае силы инерции подвижных частей ДВС будут взаимно компенсировать эти силы. Путем дополнительной настройки можно сумму этих сил свести к нулю и устранить остатки вибрации. Разнонаправленное движение подвижных частей ДВС и электромашин обеспечивают зубчатые рейки 11, зубчатые колеса 12.
Втулки 10 обеспечивают синхронное движение поршней средних цилиндров.
Механическая связь всех штоков уменьшает неравномерности работы одного цилиндра. Силу удара ограничительной тарелки в торец цилиндра смягчают пружины 18, которые позволяют двигаться цилиндру в аварийном режиме в пределах 2-;; -3 мм.
Работа устройства
Датчики положения и скорости 20 (Фиг.1) штоков с поршнями и те, которые расположены на неподвижной части, выдают сигналы в общий блок управления 21 (Фиг.6), который управляет работой всех устройств электротехники, электроники и имеющихся в них устройств электроники. Из блока 22 поступают сигналы управления работой клапанов ДВС и электродвигателями. Работу обеспечивает аккумулятор 23, а порядок и продолжительность работы - блок 21. Блок 21 регулирует подачу напряжения на электромашину в режиме двигателя.
Электромашина в режиме генератора выдает напряжение в виде импульсов разной полярности. Эти импульсы через выпрямители 24 поступают на блок конденсаторов 25, который способен заряжаться мгновенно и запасать электроэнергию, а затем, во время вспомогательных тактов ДВС, передавать через преобразователь 26 энергию аккумулятору 23 в виде, который может принять аккумулятор. Большинство тяговых двигателей 28 гибридомобилей синхронные (См. Л.7. Ципленков Я. и др. Приусадебное хозяйство. Авторевю 3/2010, стр.45) или асинхронные (См. Л.8. Арутин В., 95 процентов, Авторевю 10/2009, стр.71). Во всех случаях эти двигатели требуют переменного напряжения повышенной частоты. Для этого служит преобразователь 27.
При работе тягового двигателя в режиме рекуперативного торможения тяговый двигатель работает в режиме генератора. Эта энергия поступает в блок конденсаторов 25 через выпрямитель 31. Здесь перечислены основные задачи управления устройств гибридомобиля и они сопоставимы с задачами, которые решает система управления многоточечным впрыском топлива. При малых и средних нагрузках электрогенератор обеспечивает работу тягового двигателя и заряд аккумулятора. При максимальных нагрузках используется параллельная работа ДВС и аккумулятора. В этом случае суммарная мощность может существенно превысить мощность ДВС. При малых нагрузках и там, где работа ДВС запрещена, гибридомобиль работает только от аккумулятора. Общий блок управления 21 получает от тягового аккумулятора данные о степени заряда и включает в работу ДВС.
Кроме тягового аккумулятора, необходимо иметь аккумулятор 12 вольт для освещения, сигнализации, контроля и др. От этого аккумулятора через преобразователь 30 можно зарядить блок конденсаторов 25 и запустить ДВС. Это в случае полного разряда тяговой батареи. Возможен также вариант запуска "с буксира" или "прикурить" от другого тяговой батареи.
Технический результат - упрощение конструкции, применены ДВС бесшатунного типа, отличающиеся пониженными потерями на трение и имеющие повышенный моторесурс. Это обеспечивает экономический эффект.
Возможность работы гибридомобиля только от аккумулятора обеспечивает минимальный выброс вредных веществ в атмосферу - это экологический эффект.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 - схема электрогенератора с восьмицилиндровым двигателем внутреннего сгорания (ДВС).
Фиг.2 - электромашина, разрез по А-А.
Фиг.3 - ограничительная тарелка и палец.
Фиг.4 - привод аварийного открытия выпускного клапана.
Фиг.5 - чередование тактов в восьмицилиндровом ДВС.
Фиг.6 - блок-схема гибридомобиля с комбинированной энерго-установкой
Обозначения на чертежах
1 Картер
2 Цилиндр
3 Поршень
4 Шток
5 Верхняя часть электромашины
6 Нижняя часть электромашины
7 Неподвижные катушки эл. машины
8 Подвижные катушки эл. машины
9 Палец
10 Втулка
11 Зубчатая рейка
12 Зубчатое колесо
13 Упорный ролик
14 Свеча зажигания
15 Тарелка
16 Электромагнитный клапан
17 Тяга механического привода выпускного клапана
18 Пружина
19 Шпилька крепления цилиндра
20 Датчики положения и скорости подвижной части эл. машины
21 Общий блок управления
22 Блок питания клапанов и электродвигателя ДВС
23 Тяговый аккумулятор
24 Электромашина
25 Блок конденсаторов
26 Преобразователь постоянных напряжений
27 Преобразователь постоянного напряжения в переменное повышенной частоты
29 Аккумулятор 12 вольт
30 Преобразователь постоянных напряжений
31 Выпрямитель напряжения, получаемого при рекуперативном торможении.