СИСТЕМА ТЕПЛО- И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ
VEHICLE HEAT- AND ELECTRIC POWER FEED SYSTEM

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и предназначено для снабжения автотранспортных средств теплом и электрической энергией при неработающем двигателе.
Прототипом является устройство для кондиционирования автомобиля, содержащее систему кондиционирования, систему снабжения теплым воздухом с источником тепла и системой для подачи подогретого воздуха во внутреннее пространство автомобиля, систему топливных элементов для продуцирования электрической энергии и тепла, а также теплообменную систему для переноса возникающего в зоне системы топливных элементов тепла в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство автомобиля. [Пат. РФ 2260517, МПК B60LH 1/22, 2005].
Недостатками прототипа являются:
- сложная конструкция системы кондиционирования;
- необходимость наличия на борту транспортного средства второго вида топлива (водорода) для работы топливных элементов, что вызывает неудобство в эксплуатации.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции и повышение эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в системе тепло- и электроснабжения автомобиля, содержащей устройства продуцирования электрической и тепловой энергий, и теплообменник для переноса тепловой энергии, возникающей в зоне ее продуцирования, в воздух, подаваемый во внутреннее пространство автомобиля, она дополнительно содержит сцепную и обгонную муфты, а устройство продуцирования тепловой энергии выполнено в виде кривошипно-шатунного механизма, системы охлаждения которого и ДВС автомобиля объединены, причем в головке цилиндра с возможностью вращения установлены кинематически связанные с кривошипом и с одной половиной сцепной муфты цилиндрический ротор с лопастями и ролики, имеющие впадины для пропуска лопаток и разделяющие пространство между головкой цилиндра и ротором на кольцевые камеры, из которых, по крайней мере, одна сообщена с полостью цилиндра, при этом другая половина сцепной муфты соединена с валом автомобильного генератора, который киннематически связан через обгонную муфту с коленчатым валом ДВС.
Кривошип кривошипно-шатунного механизма размещен в картере ДВС автомобиля. В головке цилиндра камера сгорания образована лопатками, поверхностью ротора между ними и поршнем. В головке цилиндра патрубок для выхода отработавших газов соединен с выхлопной системой ДВС автомобиля. Генератор выполнен с неравномерной обратимостью, имеющей приоритетную функцию генератора.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Дополнение системы сцепной и обгонной муфтами позволяет довольно просто отсоединять кривошипно-шатунный механизм от генератора автомобиля при работающем ДВС, а при неработающем ДВС отключать от него указанный генератор и вращать его указанным механизмом. Это уменьшает «холостой пробег» ДВС, упрощает конструкцию и повышает эксплуатационные характеристики системы.
Выполнение устройства продуцирования тепловой энергии в виде кривошипно-шатунного механизма опрощает конструкцию, так как, во-первых, позволяет сжигать топливо в малом объеме с применением имеющегося на ДВС или немного доработанного оборудования, например топливного насоса, блока зажигания, а также использовать аналогичные узлы и детали, например цилиндропоршневую группу, форсунку и т.п., вырабатывая при этом тепловую энергию. Во-вторых, указанный механизм дает возможность получить одновременно крутящий момент, используемый для вращения генератора автомобиля, производя тем самым электроэнергию для разных систем. Это также повышает эксплуатационные характеристики.
Объединение систем охлаждения ДВС автомобиля и кривошипно-шатунного механизма позволяет упростить конструкцию путем интегрирования последнего с имеющимся уже источником тепла - ДВС. При этом для производства тепла и поддержания оптимальной температуры ДВС используются штатные системы автомобиля, что повышает эксплуатационные характеристики.
Установка в головке цилиндра с возможностью вращения кинематически связанных с кривошипом и с одной половиной сцепной муфты цилиндрического ротора с лопастями и роликов, имеющих впадины для пропуска лопаток и разделяющих пространство между головкой цилиндра и ротором на кольцевые камеры, из которых, по крайней мере, одна сообщена с полостью цилиндра упрощает конструкцию, так как позволяет отказаться от газораспределительного механизма, имеющегося в классическом поршневом двигателе. Кроме того, при этом значительно упрощается и система смазки кривошипно-шатунного механизма, требующего, по существу, только смазки поршня при движении его в цилиндре.
Размещение кривошипа кривошипно-шатунного механизма в картере ДВС автомобиля упрощает конструкцию, так как дает возможность использовать, по крайней мере, масло ДВС. При этом на неработающем ДВС масло в холодную погоду будет подогреваться. Это улучшает эксплуатационные характеристики.
Образование в головке цилиндра камеры сгорания лопатками, поверхностью ротора между ними и поршнем позволяет отказаться от традиционного газораспределительного механизма, а также улучшает процесс горения смеси путем турбулизации ее движущимися лопатками. Это упрощает конструкцию и повышает эксплуатационные характеристики.
Соединение в головке цилиндра патрубка для выхода отработавших газов с выхлопной системой ДВС автомобиля упрощает конструкцию, так как позволяет воспользоваться имеющимися у ДВС узлами - глушителем и катализатором.
Выполнение генератора с неравномерной обратимостью, имеющей приоритетную функцию генератора, позволяет улучшить эксплуатационные характеристики, так как электрогенератор будет иметь несколько больший кпд, чем используемый в качестве генератора соответствующий по размерам электродвигатель.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема положения деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ) в момент начала удаления продуктов горения. На фиг. 2 изображена схема положения деталей КШМ в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки. На фиг. 3 изображена схема положения деталей КШМ в момент окончания заполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью. На фиг. 4 изображена схема положения деталей КШМ в момент начала горения смеси. На фиг. 5 изображена схема соединения КШМ с ДВС автомобиля.
Система тепло- и электроснабжения автомобиля содержит КШМ, состоящий из головки 1 цилиндра с впускным 2 и выпускным 3 окнами, в которой с возможностью вращения установлены кинематически связанные с кривошипом и с одной половиной сцепной муфты 4 цилиндрический ротор 5 с лопатками 6 и ролики 7, имеющие впадины 8 для пропуска лопаток и разделяющие пространство головки цилиндра и ротором на кольцевые камеры 9 и 10, из которых, по крайней мере, последняя сообщена с полостью 11 цилиндра, в которой с возможностью перемещения вдоль оси размещен поршень 12, соединенный через шатун с кривошипом. В камере сгорания, образованной лопатками 6, поверхностью ротора 5 между ними и поршнем 12, могут быть установлены форсунка и свеча зажигания 13, сообщающиеся с полостью 11. Другая половина сцепной муфты 4 соединена с валом 14 автомобильного генератора 15, который киннематически связан через обгонную муфту 16 с коленчатым валом 17 ДВС 18 автомобиля, имеющего выхлопную 19 и охлаждения 20 системы, которые соответственно соединены с окном 3 и рубашкой 21 КШМ, имеющей охлаждающую жидкость 22.
Работает система тепло- и электроснабжения автомобиля следующим образом.
При использовании в КШМ трехлопастного ротора передаточное отношение от кривошипа к ротору 5 должно быть равно 6, а от роликов 7 к ротору - 1,5. После окончания рабочего хода поршня 12 и прохождения им нижней мертвой точки (НМТ) происходит удаление продуктов сгорания из камеры 10 и полости 11 цилиндра через выпускное окно 3 (фиг. 1). Продукты сгорания будут удаляться не только посредством поршня 12, но и с помощью лопатки II ротора 5, которая в процессе движения (поворота) будет перемещать их в сторону выпускного окна 3. Одновременно за этой лопаткой, создающей за собой разрежение, движется свежая горючая смесь, поступающая через входное окно 2. Большая часть сечения полости цилиндра оказывается соединенной с выпускным окном 3, поэтому основная масса продуктов сгорания будет уходить в выпускное окно 3, к тому же, поступлению продуктов сгорании в левую (от лопатки II) часть камеры 10 препятствует находящаяся там свежая смесь. Однако нельзя исключить возможность частичного попадания туда (перемешивания со смесью) небольшого количества продуктов горения, в результате чего будет иметь место эффект рециркуляции дымовых газов.
При прохождении поршнем расстояния от НМТ до верхней мертвой точки (ВМТ) кривошип повернется на угол 180°, а ротор 5 - на 30°. В результате этого лопатка II займет вертикальное положение, разделяя сечение камеры 10 головки цилиндра на две равные части (фиг. 2). Лопатка II будет продолжать вытеснять продукты сгорания в выпускное окно 3, увеличивая при этом площадь камеры 10, сообщаемую с впускным окном 2, и уменьшая соответственно ту часть камеры, которая связана с выпускным окном 3. Поршень 12 будет двигаться вниз, осуществляя интенсивное всасывание свежей смеси из впускного окна 2 в полость 11 цилиндра.
При приближении поршня к НМТ лопатка III начнет перекрывать впускное окно 2 и затем разобщать его с полостью 10 цилиндра, а лопатка II  разобщать указанную полость с выпускным окном 3 (фиг. 3). После прохождение поршнем НМТ начнется сжимание свежей смеси.
К моменту подхода поршня к ВМТ смесь окажется сжатой в камере сгорания, образованной лопатками II, III, поверхностью ротора 5, находящейся между ними, и стенками головки 1 цилиндра (частью камеры 10) (фиг. 4). Сжатую смесь поджигают посредством свечи 13 зажигания известным способом, в результате чего поршень совершает рабочий ход. В процессе сгорания лопатка III перемещает (пододвигает) смесь к источнику зажигания (к фронту пламени), в результате чего увеличивается скорость ее сгорания, а также происходит турбулизация смеси. После прохождения лопаткой I ролика 7 ее можно охлаждать, например ,струей воздуха, омывающего ее поверхности и поверхность ротора 4. Благодаря этому устраняется существенный недостаток, присущий роторно-лопастным двигателям, в которых лопатки испытывают большую тепловую нагрузку. Поскольку давление газов одинаково действует на обе лопатки, то практически никакого противодействия повороту ротора оно не оказывает. После этого цикл работы КШМ повторяется.
Аналогичным образом КШМ будет работать в режиме дизеля, если вместо смеси засасывать окислитель (воздух), а зажигание заменить впрыском топлива. Возможна также работа КШМ с впрыском топлива и поджиганием последнего свечой.
Если во время стоянки автомобиля (с неработающим ДВС) требуется поддержание в его салоне комфортной температуры, а также нагрев стекол и зеркал заднего вида (например, в снегопад), то перед выключением ДВС 18 включают муфту 4, подают в окно 2 горючую смесь и включают зажигание свечи 13. Кривошип КШМ начинает вращаться от вала 14 генератора и инициирует работу КШМ описанным способом (фиг. 5). Затем выключают ДВС автомобиля. При этом после остановки коленчатого вала 17 благодаря обгонной муфте 16 генератор 15 будет беспрепятственно продолжать вращение от КШМ. Нагреваемая в рубашке 21 КШМ охлаждающая жидкость 22 будет циркулировать в системе 20 охлаждения ДВС, доставляя тепло в отопитель (печку) автомобиля. Вырабатываемая генератором 15 электроэнергия может быть использована для питания системы кондиционирования автомобиля, нагрева стекол, зеркал и т.п. В результате этого все задействованные системы автомобиля работают в штатном (обычном как при работе от ДВС) режиме. Образующиеся продукты сгорания КШМ удаляются через выхлопную систему 19 автомобиля. После окончания стоянки выключают муфту 4, прекращают подачу в окно 2 горючей смеси, выключают зажигание свечи 13 и ДВС автомобиля.
Если требуется создать комфортные условия в салоне автомобиля после длительной (например, ночной) стоянки с отключенными ДВС и КШМ, то включают муфту 4, подают в окно 2 горючую смесь, подключают зажигание свечи 13 и подают напряжение на генератор 15, который начинает работать в качестве электродвигателя, вращая через вал 14 и муфту 4 кривошип КШМ. После начала работы КШМ снимают напряжение с генератора 15, который, вращаясь от КШМ, вырабатывает электрическую энергию. Заметим, что запуск КШМ можно производить и от стартера, вращая его в сторону, противоположную вращению при запуске ДВС автомобиля. Через некоторое время в салоне автомобиля будет происходить изменение температуры и состояния других устройств, использующих тепловую и электрическую энергию, вырабатываемую КШМ.
КШМ может быть установлен в картере (видоизмененном) автомобиля или в виде самостоятельного агрегата.
Внедрение изобретения позволит создать простую и надежную систему тепло- и электроснабжения автомобиля, технология изготовления деталей и узлов которой на сегодняшний день хорошо отработана.