двигатель электромобиля с приводом от турбоэлектрогенератора

Формула изобретения

1. Двигатель электромобиля с приводом от турбоэлектрогенератора, включающий двухтактный двигатель с двумя цилиндропоршневыми группами и линейным генератором, а также каталитическую камеру, отличающийся тем, что две цилиндропоршневые группы расположены между собой параллельно и каждая пара поршней соединена между собой двумя кронштейнами, установленными на зубчатых рейках, кинематически связанных с зубчатыми роликами, в центральной части цилиндропоршневой группы расположены топливная форсунка и свеча накаливания, каталитическая камера снабжена парогенератором с температурой пара 800°С и пористой вставкой из жаропрочной стали с высоким содержанием никеля, при этом двигатель снабжен силовой газовой турбиной, связанной через муфту сцепления с электрогенератором, служащим для генерирования электрического тока и зарядки аккумуляторных и конденсаторных батарей, приводящих во вращение асинхронные электродвигатели с обратной связью и осуществляющих через планетарную передачу привод колес электромобиля.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что линейный генератор, служащий одновременно вибратором запуска, размещен на центральной оси двигателя, при этом он снабжен двумя постоянными магнитами в форме цилиндров, выполненными на основе Nd-Fe-B, причем один из магнитов служит сердечником, а другой снабжен наружной обмоткой и выполненной внутри цилиндрической осевой полостью, служащей для отталкивающего взаимодействия с сердечником линейного генератора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к транспортному двигателестроению, а также к энергетическому машиностроению и может быть использовано в качестве модуля, дающего электроэнергию.

Известна «Комбинированная двигательная установка», содержащая двигатель внутреннего сгорания, соединенный валом с ротором электрогенераторами и двигатель Стирлинга, при этом генератор выполнен биротативным с двумя роторами, причем ко второму ротору электрогенератора присоединен вал двигателя Стирлинга. Патент РФ на изобретение № 2334891, MПК: F02B 63/04; 2008.09.27. Аналогами также являются следующие российские и зарубежные изобретения: RU № 2170625 С1, 20.11.2000; RU № 2121586 С1, 10.11.1998; RU № 2046967 С1, 27.10.1995; US № 4532431 A, 30.07.1985; GB № 1448879 A, 08.07.1976; FК № 2542810 А1, 21.09.1984. Патент РФ № 2176025 «Тепловая электрогенерирующая машина», МПК F02B 71/04, автор Квашенников В.В., 20.11.2001 г., в котором поставлена цель создания энергетического модуля от 40 кВт до 80 кВт для использования его в качестве автономного источника электроэнергии или же для применения его в электромобиле в отрасли двигателестроения. Недостатком этого изобретения является низкий КПД, хотя он прост в изготовлении и эксплуатации.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Двухтактный аксиальный двигатель», включающий корпус с компрессионными камерами, две противолежащие ступенчатые цилиндровые группы, соединенные между собой штоками и цилиндром гидронасоса, имеющие два рабочих цилиндра с продувочными и выпускными окнами, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения, с размещенными в каждом из них неподвижным поршнем со сферической рабочей поверхностью, имеющим рубашки охлаждения, разделенную камеру сгорания с топливной форсункой и впускными клапанами, сообщенную с рабочей камерой, при этом связанной с нагнетателем воздуха и топливной форсункой, в буртике и пазах корпуса размещен линейный генератор и вибратор запуска, причем на якорях генераторов и на концах штоков магнитных впускных клапанов установлены постоянные магниты, выполненные на основе Nd-Fe-B, причем двигатель снабжен двумя каталитическими камерами в виде стальных цилиндров с насадкой из гранул никеля, входные патрубки камер связаны с коллекторами выхлопных окон рабочих камер двигателя, в свою очередь, выходные топливные патрубки каталитических камер связаны с камерами сгорания, кроме того, каталитическая камеры снабжена газоводом для подачи метана.

Патент РФ на изобретение № 2268378, МКИ F02B 71/04; 20.01.06 г.

К недостаткам вышеописанных технических решений относятся невозможность совмещения работы поршневых пар и гидронасосов, приводящих во вращение силовую гидроэлектрическую турбину, а также низкая надежность и высокая стоимость некоторых деталей таких двигателей.

Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении экономичности устройства, улучшении его экологических характеристик, за счет использования в качестве топлива водорода, трансформируемого из природного газа - метана и паров воды. Технический результат достигается благодаря тому, что двигатель электромобиля с приводом от турбоэлектрогенератора включает двухтактный двигатель с двумя цилиндропоршневыми группами и линейный генератор, а также каталитическую камеру. Две цилиндропоршневые группы расположены между собой параллельно, и каждая пара поршней соединена между собой двумя кронштейнами, установленными на зубчатых рейках, кинематически связанных с зубчатыми роликами. В центральной части цилиндропоршневой группы расположены топливная форсунка и свеча накаливания. Каталитическая камера снабжена парогенератором с температурой пара 800°С и пористой вставкой из жаропрочной стали с высоким содержанием никеля. При этом двигатель снабжен силовой газовой турбиной, связанной через муфту сцепления с электрогенератором. Последний служит для генерирования электрического тока и зарядки аккумуляторных и конденсаторных батарей, приводящих во вращение асинхронные электродвигатели с обратной связью и осуществляющих через планетарную передачу привод колес электромобиля. Линейный генератор, служащий одновременно вибратором запуска, размещен на центральной оси двигателя.

Линейный генератор снабжен двумя постоянными магнитами в форме цилиндров, выполненными на основе Nd-Fe-В. Один из магнитов служит сердечником, а другой снабжен наружной обмоткой и выполненной внутри цилиндрической осевой полостью, служащей для отталкивающего взаимодействия с сердечником линейного генератора.

На фиг.1 показан общий вид двигателя электромобиля с приводом от электрогенератора.

На фиг.2 показан разрез А-А фиг.1 (показано размещение цилиндропоршневых групп, расположенных между собой параллельно и соединенных между собой двумя кронштейнами с зубчатыми рейками, кинематически связанными с зубчатыми роликами).

Согласно фиг.1 и 2 двигатель электромобиля с приводом от турбоэлектрогенератора включает корпус 1 двухтактного аксиального двигателя с двумя цилиндропоршневыми группами, соединенными между собой штоками 2. Цилиндропоршневые группы имеют два рабочих цилиндра 3 с впускными 4 и выпускными окнами 5. Рабочие поршни 6 установлены с возможностью возвратно-поступательного движения в рабочих цилиндрах 3. Двигатель снабжен воздуховодами 7, связанными с центробежным нагнетателем воздуха 8 и топливными форсунками 9. На центральной оси двигателя размещен линейный генератор 10, служащий одновременно вибратором запуска, который кинематически связан со штоками 2 цилиндропоршневых групп. Линейный генератор 10 снабжен двумя постоянными магнитами 11 и 12, выполненными на основе Nd-Fe-B. Один из них 12 имеет наружную обмотку 13 и выполненную внутри цилиндрическую осевую полость, служащую для отталкивающего взаимодействия с постоянным магнитом 11, выполняющим роль сердечника линейного генератора 10. Двигатель снабжен каталитической камерой 14 в виде стального цилиндра, а входные патрубки 15 камеры 14 связаны с коллекторами 16 выхлопных окон рабочих цилиндров 3 двигателя. В свою очередь, выходные патрубки 17 каталитической камеры 14 связаны с топливными форсунками 9. Каталитическая камера 14 снабжена газоводом 18 для подачи метана. Цилиндропоршневые группы расположены между собой параллельно. Каждая пара поршней 6 соединена между собой двумя кронштейнами 19, установленными на зубчатых рейках 20, которые, в свою очередь, кинематически связаны с зубчатыми роликами 21. При этом конструктивное выполнение кронштейнов 19 и их установка на зубчатые рейки 20, связанные с зубчатыми роликами 21, позволяет осуществлять одновременно с линейным генератором 10 синхронизацию противофазного движения поршней 6 в левом и правом рабочих цилиндрах 3. В центральной части цилиндропоршневой группы расположены топливная форсунка 9 и свеча накаливания 22. Каталитическая камера 14, служащая для получения водорода в качестве топлива для двигателя, снабжена парогенератором 23 с температурой пара 800°С и пористой вставкой 24 из жаропрочной стали с высоким содержанием никеля. Кроме того, двигатель снабжен газовой турбиной 25, связанной через муфту сцепления 26 с электрогенератором 27. Последний служит для генерирования электрического тока и зарядки аккумуляторных и конденсаторных батарей, которые, в свою очередь, приводят во вращение асинхронные электродвигатели с обратной связью и осуществляют привод через планетарную передачу для колес электромобиля.

В выходном патрубке из корпуса двигателя на входе в газовую турбину 25 установлены перепускные клапаны, их количество совпадает с количеством форсунок, а также между радиатором охлаждения 28 и входным патрубком 15 в парогенератор 23 также установлен перепускной клапан.

В подпоршневом пространстве рабочих цилиндров 3 выполнены четыре отверстия для охлаждения и улучшения хода поршня. Для осуществления работы двигателя на метане к каталитической камере 14 подключен через патрубок 18 с обратным клапаном баллон 29 с метаном.

Устройство работает следующим образом. Центробежный воздушный нагнетатель 8, вращаемый электродвигателем, через воздуховоды 7 и через впускные окна 4 подает охлаждающий воздух в рабочие цилиндры 3, заключенные в корпус 1 для сбора газовой смеси. Воздух поступает в камеры сгорания рабочих цилиндров 3, которые имеют топливные форсунки 9 прямоточной продувкой и вытесняет через выпускные окна 5 и коллектор 16 нагретые газы на вход газовой турбины 25.

Оппозитно расположенные, со встречным движением рабочие поршни 6, пригнанные к двум параллельно расположенным рабочим цилиндрам 3 совершают при этом противофазное возвратно-поступательное движение. Линейный генератор 10, служащий одновременно вибратором запуска, размещен на центральной оси двигателя и кинематически связан со штоками 2 цилиндропоршневых групп. Линейный генератор 10 снабжен двумя постоянными магнитами 11 и 12 в форме цилиндров, выполненными на основе Nd-Fe-В. Один из магнитов 11 служит сердечником, а другой 12 снабжен наружной обмоткой 13 и выполненной внутри цилиндрической осевой полостью, служащей для отталкивающего взаимодействия с сердечником линейного генератора 11, что обеспечивает возможность прохождения верхней и нижней «мертвых точек» рабочими поршнями 6 в рабочих цилиндрах 3 и подстройку противофазного движения поршней.

Отработавшие газы направляются на лопатки газовой турбины 25, которая связана с электрогенератором 27. Вылетающие из турбины 25 пары воды, охлаждаются в генераторе пара 23. Следовательно, двигатель может использовать в качестве топлива воду (контейнер с водой) 30 и метан (баллон с метаном) 29. Синхронизация противофазного движения поршней 6 осуществляется благодаря кронштейнам 19, установленным на зубчатых рейках 20, которые, в свою очередь, кинематически связаны с зубчатыми роликами 21. При этом конструктивное выполнение кронштейнов 19 и их расположение на зубчатых рейках 20, связанных с зубчатыми роликами 21, позволяет осуществлять одновременно с линейным генератором 10 синхронизацию противофазного движения поршней 6 в левом и правом рабочих цилиндрах 3. В парогенераторе 23 вода подогревается до температуры 800°С и подается в каталитическую камеру 14 из жаропрочной стали, имеющей пористую вставку 24 (с высоким содержанием Ni), а по патрубку 18 с обратным клапаном одновременно из баллона 29 подается метан высокого давления. Происходит химическая реакция окисления метана водяными парами в присутствии никелевого катализатора CH ₄+Н₂О ---- 3Н₂+СО.

Через топливные форсунки 9 топливная смесь подается в камеры сгорания рабочих цилиндров 3. Отработавшие горючие газы выводятся в радиатор охлаждения 28 с целью рециркуляции воды и подачи ее в парогенератор 23. Высокая скорость сгорания водородно-воздушной смеси так же, как температура сгорания, достигающая 2045°С, позволяют повысить кпд и снизить затраты топлива. Свечи накаливания 22 способствуют зажиганию водородно-воздушной смеси при температуре 574°С. Вода является хорошим оксидантом, а ее рециркуляция уменьшает количество экологически вредных веществ в выхлопных газах, что снижает засорение атмосферы и парниковый эффект над городами.