Линейный дизельгенератор для транспортного средства.


Стоимость транспортного средства, для большинства людей, составляет 10…20 месячных заработков. Люди не могут себе позволить приобрести новый автомобиль за 8…12 тыс $, а на рынке нет автомобиля в ценовом диапазоне 1,5…2,5 тыс $. Использование линейного дизельгенератора, в качестве силового агрегата автомобиля, позволяет создать простое в эксплуатации, и недорогое транспортное средство.
Такое транспортное средство представляет собой двухместный легкий (250 кг) автомобиль. При управлении не требуется переключать скорости (две педали). За счет того, что генератор может развивать максимальную мощность, даже, при «трогании» с места (в отличие от обычного автомобиля), то разгонные характеристики, до небольших скоростей будут, как у спортивного автомобиля. Эффект усиления руля и системы ABS достигается программно, так как все необходимое «железо» уже есть (привод на каждое колесо позволяет управлять крутящим или тормозным моментом колеса, например, при повороте руля перераспределяется крутящий момент между правым и левым управляющим колесом, и колеса поворачиваются сами, водитель только разрешает им поворачиваться, то есть управление без усилий). Блочная компоновка позволяет компоновать автомобиль по желанию потребителя (можно без труда за несколько минут заменить генератор на более мощный).
Это обычный автомобиль только гораздо дешевле и легче аналогов.
Особенности — простота управления, дешевизна, быстрый набор скорости (до60 км/ч), невысокая максимальная скорость, 110 км/ч, при мощности 12 кВт, привод на все колеса (вездеход), то есть это автомобиль который стоит под окном и всегда «под рукой».
Транспортное средство с предложенным генератором, из-за специфической формы генератора, будет иметь очень низкий центр тяжести, поэтому будет очень высокая устойчивость при движении.
Также такое транспортное средство будет иметь очень высокие разгонные характеристики. Например, двигатель обычного автомобиля массой 800 кг, мощностью 60 кВт, при 6000 об. в мин , в момент трогания с места снижает обороты до 800…1000 об. мин, и мощность при этом падает до 8…12 кВт. То есть, хоть двигатель и мощный, но использовать всю его мощность нет возможности, в предложенном транспортном средстве может использоваться максимальная мощность при всем диапазоне скоростей.
В обычном двигателе очень много деталей, из-за их точной подгонки и балансировки они дорого стоят, то есть они высокотехнологичны. В предложенном мной двигателе, функцию этих деталей берет на себя электронный преобразователь ( маховик заменяет электрическая ёмкость, коленвал заменяет набор тиристоров, стартер заменяет электронный преобразователь и т. д.) .
Электронные элементы недорогие, не имеют высоких требований к монтажу (необходимо обеспечить только электрический контакт между элементами), при производстве почти не требуется применение ручного труда, высокая наработка на отказ, невысокая масса.
Предложенный двигатель, из-за отсутствия механического преобразователя возвратно-поступательного движения в круговое, может работать на частоте в два раза превышающей частоту обычного двигателя (количество оборотов в минуту в обычном двигателе), это дает возможность уменьшить габариты и вес двигателя, при этом сохранить мощность.
Распределенная масса силового агрегата не нагружает кузов автомобиля, поэтому его можно сделать дешевым, легким и простым.





В двигатель-генераторе нет необходимости сначала возвратно-поступательное движение преобразовывать во вращательное, а затем, в генераторе из этого вращательного движения извлекать прямолинейную составляющую, то есть делать два противоположных преобразования.
Можно сделать двигатель-генератор, в котором часть замкнутого электрического контура совершает не вращательное движение в магнитном поле, а возвратно-поступательное вместе с шатуном двигателя внутреннего сгорания. Схемы, поясняющие принцип работы традиционного и предложенного генератора, приведены на рис. 1.
В обычном генераторе для получения напряжения используется проволочная рамка, вращающаяся в магнитном поле и приводимая в движение внешним движителем. В предложенном генераторе проволочная рамка движется линейно в магнитном поле. Это небольшое и непринципиальное различие дает возможность значительно упростить и удешевить движитель, если в его качестве используется двигатель внутреннего сгорания.

Рис. 1. Транспортное средство.
Проблемы линейного генератора, решаются с помощью элементов электронной техники:

1. Высокая масса подвижной части генератора. Масса подвижного железа электрогенератора 12 кВт, при классическом подходе, должна быть не менее 12 кг. Но в каждый момент времени необязательно должна работать вся обмотка генератора, может работать, например, только 1/12 её часть, но с моментальными токами в 12 раз превышающими номинальные, при этом действующие токи не превышают номинальные, рис.2. Это даёт возможность уменьшить массу «железа» подвижной части генератора 12 кВт до 0,8 кг
(рис. 2).

Рис. 2. Коммутация обмоток генератора.

Для линейного генератора масса подвижной части, например 12 кг, недопустима:
12 кг с частотой 50 Гц, (3000 об/мин) сложно колебать. Предлагается способ преодолеть это препятствие и уменьшить массу подвижной части в 12 раз. Генератор, в этом случае должен иметь вид -- рис. 2. Замыкается ключ только той обмотки, которую пересекает магнитный поток, остальные, в это время, охлаждаются. Этот прием используется в электронике. Например, через диод, для которого ток не может превышать 10 А, пропускают, при необходимости, ток 20 А, в течении 1/100 сек, за это время он не успевает нагреться до недопустимого уровня, затем включается второй диод, а цепь первого размыкается и первый диод -- охлаждается. Попеременно через каждый диод идёт ток в 2 раза превышающий номинальный, но диоды не перегреваются (действующая сила тока не превышает номинальное значение).
Для генератора это дает возможность снизить массу магнитопровода более чем в 12 раз, так как магнитопровод должен работать не для всей обмотки, а только для одной.
При частоте соответствующей 3000 об/мин и ходе шатуна 6 см, каждая обмотка будет нагреваться в течении 0.00083 сек, током в 12 раз превышающим номинальный, остальное время -- почти 0,01 сек, эта обмотка будет охлаждаться. При уменьшении рабочей частоты, время нагрева будет увеличиваться, но, соответственно, будет уменьшаться ток, который течет через обмотку и через нагрузку.
В качестве ключа, который замыкает и размыкает обмотки можно использовать симисторы (симметричные тиристоры). Цена на рынке одного симистора – 0,38$.
Симистор это выключатель (может замыкать или размыкать электрическую цепь). Замыкание и размыкание происходит автоматически. При движении постоянного магнита, как только магнитный поток начнет пересекать витки обмотки, то на концах обмотки появляется электрическое напряжение, это приводит к замыканию электрической цепи. При дальнейшем движении постоянного магнита, когда магнитный поток пересекает витки следующей обмотки, повышение напряжения на ее концах приводит к уменьшению напряжения на концах предыдущей обмотки, и это приводит к размыканию электрической цепи. Таким образом, нагрузка все время включена последовательно только с одной обмоткой генератора.

2. Высокая вибрация генератора. В поршневом двигателе есть части, которые совершают возвратно поступательные движения. В линейном двигателе таких частей будет две (они будут двигаться относительно друг друга и кожуха). За счет шарнирного подвеса вибрация не будет передаваться на внешнее ограждение. В мощных двигателях, более 12 кВт, два шатуна движутся в противофазе.
3. Неустойчивость работы. C помощью электронной схемы, отключаетcя нагрузка, при скорости шатуна приближающейся к скорости холостого хода. Например, это может быть реализовано с помощью датчика положения и скорости (один виток тонкого провода в окне силовой обмотки генератора) и аналогового компаратора, рис.3. При приближении скорости шатуна к скорости холостого хода, аналоговый компаратор, с помощью транзистора, размыкает электрическую цепь обмотки генератора, которая, в данный момент времени нагружена. Двигатель автоматически переходит в режим холостого хода, пока скорость шатуна не увеличится.


Рис.3. Автоматическое отключение нагрузки при недостаточной моментальной мощности двигателя.
Таким образом, нагрузка «приспосабливается» под порцию впрыскиваемого топлива.

4. Принцип первоначального запуска.
Линейный генератор – это синхронная электрическая машина, соответственно может работать в режиме двигателя. Как и в любой синхронной электрической машине с независимым возбуждением, имеется два конца обмотки возбуждения и два конца силовой обмотки. Если по ним пустить электрический ток, то статор и «ротор» начнут взаимодействовать и придут в движение относительно друг друга. Когда подвижная часть достигнет крайнего положения, то необходимо в обмотке подвижной части поменять направление тока (с помощью изменения полюсов питания обмотки возбуждения). Таким образом для запуска необходимо три импульса тока:
Первый импульс: постановка поршней в исходное положение (в одно из крайних положений).
Второй импульс: сжатие воздуха в предвпускной камере и вентиляция цилиндра (в противоположное положение).
Третий импульс – запуск (опять в противоположное положение).
Не проблема поменять полярность на выводах, проблема согласовать работу в режиме двигателя и генератора. Например, в режиме генератора обмотка должна работать на 110 вольт, а в режиме двигателя питаться от аккумулятора – 12 В. В этом случае, проще всего, при запуске, зарядить от аккумулятора 12 В, через высокочастотный трансформатор,100 кГц (имеет маленькие габариты и вес из-за высокой частоты работы), конденсатор до 130 в (30… 60 сек), и затем переключить его для запуска двигателя (рис. 4).
Рис. 4. Схема запуска двигателя.
5. Высокая стоимость автомобиля при применении гибридной схемы.
При небольших мощностях, до 15 кВт, генератора, стоимость и масса силовых электрических элементов (электродвигателей 3 кВт) невысока. Например, токи, которые должны коммутироваться для управления трёхфазными тяговыми двигателями не превышают 10 А, что позволяет использовать в преобразователе обычные транзисторы и т. д..
6. Непостоянство объёма камеры сгорания.
Линейный двигатель, в отличие от кривошипно-шатунного, имеет глубокую обратную связь, и непостоянство объёма камеры сгорания не критично, хотя может незначительно снизить КПД двигателя при неоптимальных условиях работы.

Конструкция линейного генератора представлена на рис. 5.




Рис. 5. Линейный бензогенератор.


Предложенный двигатель-генератор — это электростанция, которая работает на жидком топливе: дизтопливо, бензин или смеси (дизтопливо-масло, бензин-спирт).
При рабочем цикле в левом цилиндре, рис. 6, рис. 7, поршень под действием давления в камере сгорания движется слева направо. Под действием избыточного давления в предпускной камере предпускной клапан закрыт, и здесь происходит сжатие воздуха для вентиляции цилиндра. При достижении поршнем (компрессионными кольцами) продувных окон, давление в камере сгорания резко падает, и далее поршень с шатуном движется по инерции, то есть масса подвижной части генератора играет роль маховика в обычном двигателе. При этом полностью открываются продувные окна и сжатый в предвпускной камере воздух под действием разницы давлений (давление в предпускной камере и атмосферное давление) продувает цилиндр. Далее при рабочем цикле в противоположном цилиндре осуществляется цикл сжатия.
При движении поршня справа налево, поршнем закрываются продувные окна. При дальнейшем сжатии, как только температура горючей смеси станет равной температуре возгорания, начнется рабочий цикл и процесс повторится. При этом двигатель внутреннего сгорания представляет собой только два соосных и противоположно размещенных цилиндра и поршня, связанных между собой механически.


Рис. 6. Система вентиляции. Клапана расположены таким образом, что их инерция помогает им закрываться и открываться, то есть ими управляет не только разность давлений, но и их собственная инерционность.


















Рис.7. Система вентиляции маломощного генератора.

Большинство деталей генератора прямого преобразования образованы поверхностью вращения, то есть имеют цилиндрические формы. Это дает возможность изготавливать их с помощью самых дешевых и поддающихся автоматизации токарных операций.
Регулирование объема камеры сгорания осуществляется аналогично регулировке массы тестовой заготовки в тестоделительной машине. При вращении выходного вала шагового электродвигателя вращается шестерня, которая находится в зацеплении с шестерней-втулкой. В подвижной шестерне-втулке находится правая и левая резьба, и при ее вращении поршни или съезжаются или разъезжаются, таким образом, меняется расстояние между поршнями и соответственно изменяется объем камеры сгорания.


В основном, ресурс двигателей внутреннего сгорания ограничен по таким причинам:
1. В двигателе с кривошипно-шатунным механизмом силы, действующие на поршень, в рабочем режиме не соосны, и результирующая сила прижимает поршень к стенке цилиндра, где наблюдается повышенное трение поршня о цилиндр, при этом, со временем, поршень приобретает форму овала, компрессия в цилиндре падает и двигатель выходит со строя.
2. Вкладыши — подшипники скольжения, находящиеся на шейке коленвала, со временем стираются. Между ними образуется пространство, через которое начинает проходить подаваемое для смазки масло, давление масла при этом падает до недопустимого уровня.
3. В процессе эксплуатации стираются кулачки приводов клапанов, в результате клапаны недооткрываются и мощность падает до недопустимого уровня.
4. Прогорают края горячего клапана.
В предложенном двигателе эти звенья отсутствуют, и не будут влиять на ресурс двигателя.
Что касается самого генератора, то магнитное поле предложенного генератора, в основной части, всегда постоянно, это дает возможность изготавливать магнитопровод не с отдельных пластин (для уменьшения вихревых токов), а с цельного куска материала, что значительно увеличит прочность магнитопровода и уменьшит трудоемкость изготовления.
Регулирование мощности генератора осуществляется путем изменения объёма впрыска топлива. Например, если выходное напряжение отклоняется от эталонного, то блок управления, усиливает напряжение разбаланса опорного напряжения и выходного, это напряжение управляет электродвигателем, рис. 8, который, в свою очередь, управляет величиной объёма впрыска топлива. При этом изменяется порция впрыска топлива. Это приводит, при неизменной нагрузке, к изменению частоты движения шатуна.


Рис. 8. Система впрыска топлива.







Преимущества генератора прямого преобразования
1. Малые габариты и вес из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
2. Высокая наработка на отказ из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма, системы зажигания и из-за присутствия только продольных нагрузок.
3. Невысокая цена из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
4. Технологичность — для изготовления деталей необходимы только нетрудоемкие операции, токарные и сверлильные.
5. Возможность регулирования объема камеры сгорания без остановки двигателя.
6. Отсутствие скользящих контактов.
7. Возможность работы на разных видах топлива, так как имеется возможность регулирования объема камеры сгорания без остановки двигателя.
8. Отсутствие системы зажигания.
9. Ток нагрузки генератора не влияет на магнитное поле генератора, а значит, и на характеристики генератора.

Недостатки
Cложность получения выходного напряжения в виде синусоиды, но при современном развитии электронной и преобразовательной техники этот недостаток не имеет большого значения.
Наличие нескольких цилиндров двигателя внутреннего сгорания.

Для создания генератора необходимо составить математическую модель.
Математическая модель генератора строится на основе законов Ньютона, или закона сохранения энергии, рис. 10.

Рис. 10. Построение математической модели.

После составления уравнения и его расчета (есть программы для решения дифуравнений) мы получим зависимость расстояния, скорости, ускорения поршня в линейном двигателе от времени. То есть, подставив размеры: диаметр поршня, объём пред впускной камеры, ход до продувных окон и т. д., мы получим график движения поршня.
Мат. Модель генератора дает возможность виртуально просчитать сотни вариантов, и выбрать самый оптимальный.


Также такой генератор можно использовать в качестве мобильного генератора электрической энергии.
Например, генератор электрической энергии в виде дипломата (чемодана, сумки). Пользователь берет с собой в места, где нет электрических сетей (стройка, поход, загородный дом, и т. д.) При необходимости, нажав на кнопку «пуск», генератор запускается и питает электрической энергией подключенные к нему электрические приборы: электроинструмент, бытовые приборы. Это обычный источник электрической энергии только гораздо дешевле и легче аналогов.


С уважением, Юрий Скоромец.