комбинированная двигательная установка

Формула изобретения

1. Комбинированная двигательная установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, соединенный валом с ротором электрогенераторами двигатель Стирлинга, отличающаяся тем, что генератор выполнен биротативным с двумя роторами, причем ко второму ротору электрогенератора присоединен вал двигателя Стирлинга.

2. Комбинированная двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что оба ротора электрогенератора выполнены с возможностью вращения в разные стороны.

3. Комбинированная двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она оборудована единой топливной системой для двигателя внутреннего сгорания и двигателя Стирлинга.

4. Комбинированная двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что топливные системы для двигателя внутреннего сгорания и двигателя Стирлинга выполнены раздельными.

5. Комбинированная двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит вентилятор, а двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр и, по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный за вентилятором по потоку воздуха.

6. Комбинированная двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что каждый расширительный цилиндр имеет кожух, образующий с этим цилиндром охлаждающую полость, вход в охлаждающую полость соединен с воздухозаборным патрубком, а выход из охлаждающей полости соединен с выхлопным патрубком.

7. Комбинированная двигательная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что к электрогенератору подключен, по меньшей мере, один электродвигатель.

8. Комбинированная двигательная установка по п.7, отличающаяся тем, что к электрогенератору через коммутатор подключен накопитель электроэнергии.

9. Комбинированная двигательная установка по п.7, отличающаяся тем, что электродвигатель установлен на оси двигателя внутреннего сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению.

Известен авиационный комбинированный двигатель по заявке РФ на изобретение №2002115896, содержащий ГТД и ракетный двигатель.

Недостаток - очень большой расход топлива, потребляемый ракетным двигателем.

Известна двигательная установка по патенту РФ №2211935, прототип, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло.

Недостаток - низкий КПД, большой удельный расход топлива, наличие значительного количества вредных веществ в выхлопном газе.

Задачи создания изобретения: улучшение экологических свойств, повышение КПД, снижение веса, стоимости и повышение надежности двигательной установки.

Решение указанных задач достигнуто в комбинированной двигательной установке, содержащей двигатель внутреннего сгорания, соединенный валом с ротором генератора, и двигатель Стирлинга, тем, что генератор выполнен биротативным с двумя роторами, причем ко второму ротору генератора присоединен вал двигателя Стирлинга. Оба ротора электрогенератора выполнены с возможностью вращения в разные стороны. Установка может быть оборудована или единой топливной системой для двигателя внутреннего сгорания и двигателя Стирлинга, или топливные системы для двигателя внутреннего сгорания и двигателя Стирлинга выполнены раздельными. Установка может содержать вентилятор, а двигатель Стирлинга содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр и, по меньшей мере, один расширительный цилиндр, установленный за вентилятором по потоку воздуха. Каждый расширительный цилиндр имеет кожух, образующий с этим цилиндром охлаждающую полость, вход в охлаждающую полость соединен с воздухозаборным патрубком, а выход из охлаждающей полости соединен с выхлопным патрубком. К электрогенератору подключен, по меньшей мере, один электродвигатель. К электрогенератору через коммутатор подключен накопитель электроэнергии. Электродвигатель установлен на оси двигателя внутреннего сгорания.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.

Комбинированными (гибридными) называются агрегаты, способные работать на нескольких видах горючего топлива, и двигатели с так называемым послойным смесеобразованием. Многотопливные моторы обладают достаточно сложной конструкцией и работают на чрезвычайно высоких степенях сжатия. Так, например, в двигателе MTU (Mercedes-Benz) последняя составляет 25 единиц. В то время как у современных массовых агрегатов, потребляющих высокооктановый бензин, степень сжатия колеблется от 9 до 10 единиц, а у дизелей лежит в пределах 16-17. Одним из простейших примеров подобных силовых установок можно считать мотор, работающий на бензине и газе (природном или полученном из нефти). Такие двигатели пользуются популярностью в странах с высокими ценами на бензин (Италия, государства Южной Америки). Послойное смесеобразование применяется в бензиновых агрегатах для снижения расхода топлива и вредных выбросов на средних нагрузках. Кроме двух вышеназванных типов существовал и еще один - гибридный, представляющий собой работающие в паре ДВС и электродвигатель. Почему-то создается ощущение, что данная технология родилась совсем недавно. На самом деле такой двигатель появились на рубеже XIX-XX-го веков. Более того, некоторым разработчикам удалось перейти от проектов к мелкосерийному производству. Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями. В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago "гибридные" грузовики сходили до 1940 года.

Почему же тогда идея электродвигателей и гибридов не прижилась? Бензиновый двигатель занял первое место по скорости и намного превзошел электрический по запасу хода, зато по надежности и КПД бензиновый ДВС проиграл. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в прежние времена еще не рассматривались. Продвижению же гибридного двигателя "в массы" тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания едва поспевает за предъявляемыми к ним требованиями. С одной стороны, потребителям нужен мощный и экономичный мотор, экологам ужесточающие нормы токсичности, геологи настойчиво напоминают об истощении запасов "черного золота". Эпоха ДВС как основного источника энергии на автомобиле подходит к логическому завершению. Подтверждение этому уже не опытные, а серийные модели с гибридными силовыми установками. Спустя ровно 110 лет (в 1997 году) после появления первого гибридного автомобиля компания Toyota представила массовую модель Prius. Изюминка Prius - электромотор, батарею которого не надо заряжать от внешней сети. Энергия для заряда аккумулятора вырабатывается прямо на борту автомобиля. Мощность 1,5-литрового бензинового двигателя этой модели - 53 кВт (57 кВт - Prius 2-го поколения), тягового электромотора - 33 кВт (50 кВт - Prius 2-го поколения). Максимальная скорость составляет 160 км/ч, а расход топлива 4,6 л (4 л - Prius 2-го поколения) на 100 км. В 2004 году на Международном конкурсе в Германии силовой агрегат Toyota Prius занял первые места сразу в четырех (!) номинациях, в том числе и в самой престижной - "Лучший двигатель 2004 года". Toyota Motor Corp приступила к продаже первого седана с гибридным электро-бензиновым двигателем марки Lexus в Японии. Второй по величине в мире автопроизводитель заявил, что стремится вдвое сократить расходы на производство гибридных двигателей и цену на них. В 2005 корпорация Toyota Motor разработала гибридный двигатель третьего поколения, совмещающий в себе бензин и электроэнергию. Этот двигатель меньшего размера, который позволит сократить затраты как на топливо, так и на производство, будет применяться на практике в 2008 году. Французский концерн PSA Peugeot/Citroen представил первый дизельный гибридный двигатель, состоящий из гибридного приводного узла и двигателя HDL, то есть объединяет в себе традиционный дизель и электромотор. По словам французов, новый силовой агрегат будет отличаться очень низким расходом топлива (ниже на 20% по сравнению с бензиновым двигателем =3,4 л на 100 км и выбросу CO₂ (90 г/км)), ведь дизельный мотор потребляет меньше горючего, чем его бензиновый аналог. При этом полностью сохраняя высокие динамические характеристики, присущие семейству дизельных двигателей типа Hdi плюс преимущества, свойственные гибридному приводному узлу (например, движение в режиме электромобиля на невысокой скорости). Однако появления гибридного дизеля на серийных машинах придется подождать - представители PSA заявили, что он пойдет в производство примерно в 2010 году. Компания Ford выпустила второй в 2005 году автомобиль, работающий на гибридном двигателе. Модель Mercury Mariner Hybrid поступила в продажу 11 июля. Этот автомобиль стоит $29840, что на $4190 дороже варианта с обычным двигателем. Вместе с тем. Mercury Mariner Hybrid позволяет сэкономить до 50% топлива по сравнению с традиционной машиной. В 2006 году планируется выпустить 2 тыс. экземпляров Mercury Mariner Hybrid. Volvo Group в марте 2006 года объявила о создание гибридного двигателя для тяжелых машин, таких как тягачи полуприцепов и автобусы. Компания заявляет, что их разработка позволяет получить 35% экономию топлива в условиях города с интенсивным движением. Важная часть новой гибридной технологии, получившая название I-SAM. Любое транспортное средство, которое имеет два или более источников энергии, остаточной для движения, можно назвать гибридным. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - гибридная машина имеет привычный бензиновый двигатель. Хотя современные высокие технологии позволяют делать его меньшим по габаритам, более экологичным и экономичным. Топливный бак - здесь хранится топливо для двигателя. Бензин обладает большим энергетическим запасом, нежели электрические батареи. Для примера, батареи весом 450 кг отдадут столько же энергии, сколько и 3,5 кг бензина. Электромотор - очень "продвинутый" элемент. Современная электроника делает его и мотором и генератором одновременно. Например, когда это необходимо, энергия берется из электрических батарей и ускоряет автомобиль. Но тормозя машину, двигатель переходит в режим генератора и восстанавливает энергию. Генератор - схож с электромотором, но работает только в режиме запасания энергии (используется, главным образом, в серийных гибридных автомобилях). Батареи - источник энергии для электромотора в отличие бензинового ДВС электромотор может не только "брать" энергию, но и запасать ее в батареях. Трансмиссия - функции те же, что и у трансмиссии на традиционных автомобилях с ДВС. Некоторые гибридные машины (Honda, например) имеют стандартную трансмиссию, другие же (Toyota Prius) оснащаются радикально новой.

В многих разработках применена последовательная схема работы. В данном случае ДВС приводит в движение генератор, а вырабатываемая последним электроэнергия питает электродвигатель, вращающий ведущие колеса. Последовательной установку называют потому, что поток мощности поступает на ведущие колеса, проходя ряд преобразований. От механической энергии, вырабатываемой ДВС в электрическую, вырабатываемую генератором, и опять в механическую. Данная схема позволяет использовать ДВС малой мощности с условием его постоянной работы в диапазоне максимального КПД. Это позволит стабильно генерировать достаточное количество энергии для питания электродвигателя и заряда аккумуляторной батареи.

Иногда применяют параллельную схему. Здесь ведущие колеса приводятся в движение и ДВС, и электродвигателем (обратимой машиной). Момент, поступающий от двух источников, распределяется в соответствии с условиями движения. Аккумулятор заряжается при переключении электродвигателя в режим генератора (например, при торможении), а запасенная батареей энергия питает обратимую машину, переключившуюся в режим электродвигателя, которая, в свою очередь, вращает ведущие колеса. Подобная конструкция достаточно проста, но имеет ряд недостатков, так как обратимая машина гибридной силовой установки не может одновременно приводить в движение колеса и заряжать батарею. Последовательно - параллельная схема. Эта схема объединяет в себе две предыдущие. Здесь в зависимости от условий движения используется тяга электродвигателя или одновременно ДВС и электродвигателя. Помимо этого в случае необходимости система способна приводить колеса в движение и одновременно вырабатывать электроэнергию, используя генератор. Таким образом, достигается максимальная эффективность силовой установки.

Практический пример

Новинка компании Toyota - Lexus RX400h, оснащенная последовательно-параллельной гибридной силовой установкой Hybrid Synergy Drive. Гибридная установка Lexus RX400h сочетает в себе бензиновый V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 3,3 л, мощностью 150 кВт, 2 электромотора мощностью 200 кВт, с рабочим напряжением 650 В и высоковольтную аккумуляторную батарею напряжением 288 В. Соединить напрямую ДВС, электромоторы и аккумулятор и добиться при этом согласованной работы невозможно. Бензиновый двигатель V-образная "шестерка" оснащена сложной компьютерной системой, осуществляющей непрерывную корректировку количества воздуха, поступающего в цилиндры. Благодаря этому удалось добиться соблюдения норм Евро-4. Высоковольтные моторы, по сути, являются обратимыми машинами, т.е. могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Располагаются в передней и задней частях автомобиля и приводят в движение соответственно колеса переднего и заднего мостов. Устройство распределения энергии - это связующее звено между ДВС, электромоторами и генератором. "Сердце" устройства распределения энергии - компактная планетарная передача. Она обладает малой массой и меньшим количеством движущихся частей в сравнении с 5- или 6-ступенчатыми АКПП автомобилей класса "люкс". Применение планетарной передачи позволило снизить потери на трение и шум при работе и в то же время повысить надежность и срок службы узла. Энергетический центр - уникальная система, управляющая созданием и распределением запасов электрической энергии, хранящейся в батарее. Основные компоненты энергетического центра: мощная высоковольтная батарея (NiMH), блок управления энергией, полупроводниковое коммутационное устройство, рекуперативная (регенеративная) тормозная система. Блок управления энергией и полупроводниковое устройство переключения управляют потоком энергии между генератором, батареей и электромоторами. Данные устройства осуществляют преобразование электроэнергии в соответствии с потребностями системы. Потребность в преобразовании продиктована следующими причинами: генератор и электромоторы - машины переменного тока, в то время как аккумуляторная батарея оперирует постоянным, кроме того, выходное напряжение батареи не соответствует выходному напряжению генератора, а также входному напряжению электромоторов. Инвертор - блок, преобразующий постоянный ток, поступающий от аккумуляторной батареи, в переменный, используемый для питания электромоторов. В гибридной силовой установке Lexus RX400h предусмотрена высоковольтная схема преобразования одного постоянного тока в другой, тоже постоянный. Но поскольку она повышает напряжение, то происходит равномерный рост электрической мощности при той же величине значения тока. В результате получают более высокую производительность и повышенный крутящий момент привода электромоторов. Рекуперативная (регенеративная) тормозная система - при торможении система переводит моторы в генераторный режим. Вырабатываемая при этом электроэнергия поступает на вход аккумуляторной батареи. Особо эффективную работу система показала в городских условиях, при чередовании режимов стоп - старт. Заметим, что в традиционных тормозных системах энергия, полученная при замедлении, теряется полностью. Система интегрированного управления динамикой автомобиля (VDIM) объединяет воедино системы активной безопасности, такие как антиблокировочная система тормозов (ABS), антипробуксовочная система (TRC), система курсовой устойчивости (VCS) и электроусилитель руля (EPS). VDIM не столь "навязчива", как обычные системы управления, но намного более эффективна. При помощи высокоскоростной технологии управления двигателем, тормозами и трансмиссией VDIM контролирует и сопоставляет все параметры, одновременно управляя крутящим моментом переднего и заднего электромоторов в соответствии с условиями движения.

Режимы движения

В этом разделе мы рассмотрим особенности работы системы при выполнении различных маневров.

Начало движения

Для начала движения и на малых скоростях используется только электромотор. При плавном наборе скорости энергия, запасенная в батарее, поступает на блок управления электропитанием. Последний, в свою очередь, направляет энергию на электромоторы, что позволяет автомобилю плавно трогаться с места. Движение в нормальном режиме: в этом случае момент на ведущие колеса поступает с ДВС и электромоторов; энергия бензинового двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генератор осуществляет заряд батареи, отдавая ей излишки энергии. В целях обеспечения максимальной эффективности распределение энергии контролируется электронным блоком управления.

При движении в нормальном режиме система автоматически переходит на передний привод, в то время как на всех остальных сохраняется полный. Разгон: бензиновый двигатель разгоняет машину, работая в нормальном режиме, при необходимости и для улучшения динамики дополнительная энергия поступает от электромоторов. Это создает ощущение, что ДВС гораздо мощнее, чем есть на самом деле. Интересно сравнить эту систему с турбированным двигателем. В то время как работа последнего может сопровождаться "турбозадержками", гибридный вариант обеспечивает практически мгновенную подачу дополнительной энергии, что позволяет получить плоскую характеристику крутящего момента. Для оптимизации количества сохраняемой энергии управляемая электроникой тормозная система принимает решение о том, когда следует использовать гидравлическую систему, а когда - рекуперативное (регенеративное) торможение (оно и является приоритетным). При рекуперативном торможении передний и задний электродвигатели работают в генераторном режиме, создавая тормозной момент на передней и задней осях. Вырабатываемая энергия поступает на блок управления электропитанием, а оттуда на высоковольтную аккумуляторную батарею.

К достоинствам гибридного автомобиля можно отнести то, что он гораздо меньше по сравнению с обычным автомобилем и при этом более эффективен. Но как же такой маленький автомобиль может уживаться на дороге со своими более мощными собратьями? Если сравним Chevrolet Camaro с его огромной V-образной "восьмеркой" с нашей гибридной машиной, с ее маленьким ДВС и электромотором. Мощности двигателя Camaro вполне достаточно для того, чтобы справиться с любой дорожной ситуацией. Мотора же гибрида достаточно для движения по ровной дороге, но как только нужно въехать на склон, он получает дополнительную мощность от электромотора с его батареями. Эта система и предоставляет необходимую добавку энергии.

Большинству автомобилей достаточно 20 л.с. для движения со скоростью около 100 км/час. Так зачем же тогда вам нужен двигатель мощностью до 300 л.с? Полная мощность может быть никогда не использована. Расход же топлива у ДВС всегда в десятки раз больше и пропорционально больше выделение вредных веществ в атмосферу.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1...8, где:

на фиг.1 приведена схема двигательной установки с единой топливной системой для ДВС и двигателя Стерлинга,

на фиг.2 и 3 приведена схема двигателя Стерлинга,

на фиг.4 приведена электрическая схема установки с одним электродвигателем,

на фиг.5 приведена схема установки с двумя электродвигателями,

на фиг.6 приведена схема установки с электродвигателем, установленным на одном валу с ДВС,

на фиг.7 приведена схема установки с двумя электродвигателем, причем один из них установлен на валу ДВС,

на фиг.8 приведена схема двигательной установки с раздельными топливными системами для ДВС и для двигателя Стерлинга

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит установленные на раме 1 двигатель внутреннего сгорания 2, двигатель Стерлинга 3 и электрогенератор 4. Двигатель Стерлинга 3 закреплен на раме 1 при помощи кронштейна 5, а электрогенератор 4 установлен на опоре 6, которая также закреплена на раме 1.

Двигатель внутреннего сгорания 2 содержит кожух радиатора 7, радиатор 8, вентилятор 9, цилиндры 10 с поршнями 11, вал двигателя внутреннего сгорания 12, систему жидкостного охлаждения 13 с насосом 14 и полостью охлаждения «А» между цилиндрами 10, воздухозаборные патрубки 15 в выхлопные трубы 16. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания 2 и двигатель Стерлинга 3 оборудованы или единой топливной системой 17 (фиг.1), или раздельными топливными системами (фиг.7). Единая топливная система 17 (фиг.1) содержит топливный насос 18 с топливопроводами 19, регуляторами расхода топлива 20 и топливными форсунками 21. Двигатель Стирлинга 3 состоит, по меньшей мере, из одного рабочего цилиндра и, по меньшей мере, одного расширительного цилиндра 23, соединенных трубопроводами 24, вала двигателя Стирлинга 25 и выхлопных патрубков 26, концы которых выходят в полость «Б», внутри выхлопного устройства установки 27. Кроме того, к расширительным цилиндрам 23 подведены от кожуха радиатора 7 воздуховоды 28, а к выхлопным патрубкам 16 подсоединены воздушные патрубки 29 с регуляторами расхода 30 для подвода дополнительного воздуха к двигателю Стирлинга 3, конкретно к его рабочим цилиндрам 22.

Электрогенератор 4 выполнен биротативным и содержит статор 31 с обмоткой возбуждения 32, внешний ротор 33 с группой внешних постоянных магнитов 34, внутренний ротор 35 с группой внутренних постоянных магнитов 36, установленной на нем. Внутренний ротор 35 соединен с валом двигателя внутреннего сгорания 12, а внешний ротор 33 соединен с валом двигателя Стирлинга 25. Статор 31 находится между роторами 33 и 35.

На фиг.2 и 3 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 3, который содержит группу рабочих цилиндров 22, имеющих оребрение 36 с установленным внутри каждого из них в полости «Г» рабочим поршнем 37, который шатуном 38 соединен с валом двигателя внутреннего сгорания 12, и группу расширительных цилиндров 23 с установленным внутри каждого из них в полости «В» вытеснительным поршнем 41. Каждый расширительный цилиндр 23 оборудован снаружи кожухом 39, образующим полость «Д» для охлаждения расширительного цилиндра 23, на котором выполнены ребра 40. Вытеснительный поршень 41 соединен шатуном 42 с валом двигателя Стирлинга 25. Трубопровод 24 соединяет полости «Г» и «Д» для перетекания рабочего тела из рабочего цилиндра 22 в расширительный цилиндр 23. К полости «В» подсоединены воздуховоды 28 для подвода охлаждающего воздуха. Выхлопные патрубки 26 соединяют полость «Д» с внутренней полостью «Б» выхлопного устройства установки 27 (фиг.1).

К выходным клеммам 43 электрогенератора 4 подключены электрическими связями 44 коммутатор 45, инвертор 46 для преобразования постоянного тока в переменный, электродвигатель (или электродвигатели) 48. К коммутатору 45 подсоединен накопитель электроэнергии 49, например аккумулятор (фиг.4).

При работе топливо подается по топливной системе 17 топливным насосом 18 или в двигатель внутреннего сгорания 2 или в двигатель Стерлинга 3 или одновременно в оба двигателя. Топливо воспламеняется при помощи электрозапальников (на фиг.1...3 не показано). Выхлопные газы проходят по выхлопным трубам 16 к рабочим цилиндрам 22 двигателя Стерлинга 3 и нагревают рабочее тело внутри полости «Г». Далее рабочее тело расширяется в полости в полости «Г».

Шатуны 24 и 27 и поршни 37 и 39 двигателя Стерлинга 3 приводятся в действие при помощи вала двигателя Стерлинга 25, имеющего механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное (этот механизм на фиг.1...8 детально не показан, но он может быть выполнен в виде коленчатого вала). Выхлопные газы нагревают через оребрение 22 рабочее тело внутри рабочих цилиндров 19. Для работы двигателя Стерлинга 3 достаточно иметь разницу температур на двух группах цилиндров 22 и 23. Примерно через 5...10 мин по мере прогрева рабочего тела внутри рабочих цилиндров 22 двигателя Стерлинга 3 он выходит на расчетный режим работы. Медленный выход двигателя Стерлинга на расчетный режим работы является одним из его недостатков, но высокий КПД, надежность и хорошие экологические свойства в сочетании с ГТД, имеющим хорошие характеристики запуска, делает предложенный двигатель чрезвычайно интересным по всем показателям одновременно, и кроме того, позволит частично утилизировать тепло выхлопных газов.

В результате использования утилизации тепла выхлопных газов в двигателе Стерлинга КПД двигательной установки возрастает дополнительно на 10...15%.

Применение изобретения позволило:

1. Значительно повысить КПД двигателя за счет использования для получения энергии на валу нагрузки кроме ГТД двигателя Стерлинга, который утилизирует тепло, раньше сбрасываемое в выхлопное устройство и в атмосферу.

3. Снизить эмиссию токсичных веществ в атмосферу за счет того, что двигатель Стерлинга имеет значительно лучшие экологические показатели по сравнению с другими типами двигателей.

4. Повысить надежность двигателя за счет возможности его эксплуатации при отказе одного из них.

5. Использовать низкосортное топливо для двигателя Стерлинга.