КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использована для более эффективной работы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
В настоящее время источниками механической энергии в автомобилях являются в основном тепловые двигатели, в первую очередь двигатели внутреннего сгорания. Преобразование энергии топлива в механическую энергию в них связано со значительными потерями. Основным недостатком ДВС является небольшой КПД (25-40%).
При работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую работу, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах. Усовершенствование ДВС идет по пути уменьшения потерь и достижения максимальной отдачи энергии, содержащейся в топливе.
Важным показателем является коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, показывающий, какое количество энергии топлива преобразуется в механическую работу.
Известны комбинированные двигатели, в которых повышение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания происходит за счет утилизации тепловой энергии двигателя, который включает основной ДВС с цилиндром и поршнем, и утилизационный двигатель.
Известен комбинированный двигатель по патенту на полезную модель №35844 [1], содержащий поршневой ДВС и соединенный с ним через выпускной коллектор и тепловой аккумулятор утилизационный двигатель. Поршень утилизационного двигателя является якорем, а на наружной части цилиндра расположена электрическая обмотка для выработки электрической энергии, в результате чего утилизационный двигатель представляет собой термоэлектрогенератор, не связанный механически с поршневым ДВС.
В процессе совершения рабочего цикла в цилиндре поршень-якорь перемещается внутри обмотки и возбуждает в ней ЭДС, действуя по принципу линейного генератора.
Выработанная электроэнергия может быть использована для привода агрегатов ДВС (вентилятора системы охлаждения, жидкостного насоса и насоса смазочной системы и т.п.), позволяет исключить затраты на привод штатного генератора, имеющегося на ДВС 1 и разгрузить ДВС от затрат энергии на привод агрегатов.
Недостатками известного комбинированного двигателя являются: 1. Сложность системы передачи энергии, вырабатываемой утилизационным двигателем, на ДВС.
2. Большие массогабаритные показатели комбинированного двигателя в целом за счет дополнительного утилизационного двигателя.
3. Необходимость подвода воды в утилизационный двигатель для совершения работы (хода) поршня.
Таким образом, основными недостатками известных комбинированных двигателей являются:
во-первых: значительное усложнение конструкции, т.к.фактически получается два тепловых двигателя;
во-вторых не решается вопрос с увеличением КПД основного двигателя. По совокупности признаков комбинированный двигатель по патенту на полезную модель №35844 [1] выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Задачей полезной модели является повышение эффективности поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Техническим результатом, достигаемым заявляемым комбинированным двигателем, является упрощение конструкции, снижение массогабаритных показателей и повышение КПД комбинированного двигателя.
Технический результат достигается тем, что в комбинированном двигателе, содержащем поршень, цилиндр с впускным и выпускным окнами, обеспечивающими периодическую смену рабочего тела, и линейный электрогенератор, состоящий из электрической обмотки и сердечника-якоря отличающийся тем, что сердечник-якорь расположен на одной оси с цилиндром, механически связан с поршнем и установлен на его штоке, входящем в пространство электрической обмотки, при этом шток поршня соединен с кривошипно-шатунным механизмом, который служит для обеспечения ему возвратно-поступательного движения.
Перечень фигур, иллюстрирующих заявляемую полезную модель.
Фиг.1 - общая схема комбинированного электротеплового двигателя;
эф
Фиг.2 - диаграмма зависимости эффективной силы F и скорости υ этой силы от положения L поршня.
2.1 - диаграмма скорости υ движения поршня; а - теплового двигателя, б - комбинированного электротеплового двигателя;
эф
2.2. - диаграмма эффективной силы F поршня; а - теплового двигателя, б - комбинированного электротеплового двигателя;
пол
2.3 - диаграмма полезной мощности N поршня; а - теплового двигателя, б - комбинированного электротеплового двигателя.
Фиг.3 - диаграмма крутящего момента для типового ДВС.
Фиг.4 - диаграмма, показывающая зависимость давления на поршень от положения поршня.
Перечень позиций на фиг.1:
1 - рабочий цилиндр;
2 - поршень;
3 - якорь;
4 - электрическая обмотка:
5 - шатун;
6 - кривошип;
7 - впускное окно;
8 - свеча зажигания;
9 - выпускное окно;
10 - пружина;
11 - шток поршня.
Комбинированный электротепловой двигатель (фиг.1) содержит рабочий цилиндр 1 с впускным 7 и выпускным 9 окнами, обеспечивающими периодическую смену рабочего тела, свечу 8 зажигания, поршень 2.
Линейный генератор для выработки электрической энергии расположен на одной оси с цилиндром 1 и состоит из сердечника-якоря 3 и электрической обмотки 4.
Электрическая обмотка 4 закреплена в двигателе неподвижно относительно цилиндра 1 и электрически (на схеме не показано) связана с потребителями:
электродвигатель, аккумулятор и т.п. Электрическая обмотка может быть изготовлена в виде цилиндра.
Сердечник-якорь 3 генератора механически связан с поршнем 2, т.е. соосно соединен со штоком 11 поршня и входит в пространство электрической обмотки 4. Сердечник-якорь 3 может представлять собой как постоянный магнит, например, цилиндрической формы, так и электромагнит, состоящий из сердечника магнитопроводящего материала и собственной электрической обмотки, с подводом электричества от внешнего источника (на схеме не показано)
Поршень 2 механически, посредством штока 11, связан с кривошипно-шатунным механизмом 5, 6, который служит для плавного торможения поршня с якорем в крайних положениях и обеспечивает им возвратное движение. Пружина 10 служит для амортизации ударных воздействий.
В заявляемом комбинированном двигателе передача энергии нагретого газа на рабочий орган (колесо, эл. генератор, аккумулятор и т.п.) происходит с помощью линейного электрогенератора, расположенного на одной оси с поршнем 2, и преобразующего давление движущегося поршня 2 в электрический ток (в процессе совершения рабочего цикла в цилиндре поршень-якорь перемещается внутри обмотки и возбуждает в ней ЭДС, действуя по принципу линейного генератора).
Возможен как четырехтактный, так и двухтактный рабочий цикл.
Заявляемый комбинированный двигатель работает по четырехтактному циклу следующим образом.
1. Впуск. В течение этого такта поршень 2 опускается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ), через впускное окно 7 в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. Поршень идет из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. 4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускное окно 8, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршня ВМТ выпускное окно закрывается, и цикл начинается сначала.
В процессе совершения рабочего цикла в цилиндре 1 сердечник-якорь 3 линейного генератора, механически связанный с поршнем 2, перемещается внутри электрической обмотки 4 и возбуждает в ней ЭДС.
Образующийся в результате хода поршня 2 линейный генератор имеет мощность, достаточную, чтоб воспринимать большую часть энергии, чем кривошипно-шатунный механизм.
эф
Когда поршень находится в мертвой точке, то величина силы F, создающей крутящий момент на валу равна нулю. В этом положении величина давления P - наибольшая.
эф
Сравнительные диаграммы эффективной силы F и, соответственно, полезной мощности N при одинаковой скорости V движения поршня показаны на графике 2.2а, б, 2.3а, б.
За счет увеличения мощности (фиг.2.3б, заштрихованный участок) коэффициент полезного действия заявляемого комбинированного электротеплового двигателя может быть увеличен в 1,5 раза
В подтверждение достижения технического результата - повышение КПД, приведем следующие доводы.
эф
Обычно для характеристики двигателя внутреннего сгорания используется понятие крутящего момента (фиг.3) (см. ж-л «Техника молодежи» №916, 2010 г., рис.6, стр.39). Однако, для характеристики линейного движения (как у якоря электромагнита) можно пользоваться только понятием силы. Поэтому вместо крутящего момента используем понятие силы, перпендикулярной плечу кривошипа, при различных положениях поршня. Обозначим эту силу, идущую непосредственно на вращение кривошипа (коленчатого вала), как F.
эф
эф.
Как и крутящий момент, эта сила меняется от F=0 в верхней мертвой точке, с дальнейшим изменением, аналогично крутящему моменту. Для простоты изложения будем считать, что эта сила меняется по синусоиде, и максимального значения (F max) достигает при среднем положении поршня, как на графике фиг.2.2 а.
эф
ср
В этой точке F max=P×S. Здесь P - давление в цилиндре при среднем положении поршня, S - площадь поршня.
эф
При построении графика F=P×S для заявляемого двигателя можно считать, что вся эта сила преобразуется в электроэнергию, начиная с верхней мертвой точки, где эта сила - наибольшая (рис.2.2б). Такое допущение можно сделать благодаря отказу от кривошипно-шатунного механизма, как преобразователя энергии.
Диаграмма, показывающая зависимость давления на поршень от положения поршня L показана на фиг.4 - диаграмма цикла Отто - термодинамического цикла, описывающего рабочий процесс ДВС (http://ru.wikipedia.org).
пол
пол
эф
Для сопоставимости результатов, т.е. полезной мощности N. Представим скорость движения поршня υ одинаковой, по синусоиде (фиг.2.1а, б) для обоих типов двигателей. Тогда, после сложения графиков скорости и силы получим графики мощности (фиг 2.3а, б), т.к. N.=υ×F.
(× - знак умножения).
Сравнивая графики мощности фиг.2.3,а) и б) мы видим, что площадь графика мощности (фиг.2.3б) для предлагаемого двигателя примерно в полтора раза больше, чем известного. Соответственно, в 1,5 раза больше и КПД, что подтверждает достижение технического результата.
Заявляемый комбинированный электротепловой двигатель, является поршневым тепловым двигателем, работающим за счет энергии нагретого газа, имеющим кривошипно-шатунный механизм, но часть энергии газа в нем может преобразовываться в электрическую энергию посредством линейного электрогенератора, электрическая обмотка и якорь которого установлены соосно с рабочим цилиндром и связаны механически с ним и с поршнем; причем, чем большая доля мощности (по сравнению с мощностью, передаваемой на кривошипно-шатунный механизм) приходится на линейный электрогенератор, тем больше увеличение КПД. Максимальное увеличение КПД, согласно графическим выкладкам, может достигнуть 1,5; т.е теоретически возможный КПД предложенного двигателя - 60%
По сравнению с прототипом, который фактически состоит из двух тепловых двигателей, заявляемый комбинированный двигатель имеет более простую конструкцию, а, следовательно, и меньшие массогабаритные показатели.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Патент на полезную модель №35844.Комбинированный двигатель. Опубликовано - 10.02.2004 - наиболее близкий аналог
2. Журнал «Техника молодежи» №916, 2010 г., статья «Цикл Червякова, или как повысить эффективность ДВС», рис.6 на стр.39.