ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВОДА ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B37/10 F02B39/10 H02K51/00 

Изобретение относится к приводу турбонагнетателей двигателей внутреннего сгорания ДВС, работающих автономно.

Известна силовая установка с двигателей внутреннего сгорания (Швейцария, патент N 658884).

В силовой установке выхлопные газы обеспечивают привод двух турбин. Первая турбина приводит турбокомпрессор. Вторая турбина обеспечивает привод генератора, который с помощью статического устройства регулирования приводит во вращение электродвигатель, сочлененный с двигателем внутреннего сгорания. Передаточное отношение между второй турбиной и электродвигателем регулируется статическим устройством. Эта силовая установка может служить в качестве аналога.

Недостатки аналога наличие дополнительной второй турбины, наличие дополнительного статического устройства.

Известно устройство для привода турбонагнетателя, когда к свободному концу вала турбонагнетателя посредством редуктора присоединена электрическая машина, а вторая электрическая машина присоединена посредством редуктора к валу ДВС, обмотки якорей двух электрических машин электрически соединены между собой, (Патент Япония N 60-128935 от 10.07.85 кл. F 02 В 39/10.37/10. Техническое решение по патенту Японии N 60-128935 принято за прототип.

Недостатки прототипа:
1. Двигатель генераторное устройство по патенту Японии делает установку ДВС с турбонаддувом неустойчивой, поскольку в общей системе наддува и ДВС действуют положительные обратные связи: в режиме малых нагрузок ДВС вторая электрическая машина на валу ДВС работает в режиме генератора, а первая электрическая машина работает в режиме двигателя. При внезапном набросе нагрузки на ДВС его вал, а следовательно, ротор второй электрической машины затормаживается, тогда как первая электрическая машина имеет неизменную частоту вращения. Это приводит к тому, что вторая электрическая машина перейдет из генераторного режима в двигательный, а первая электрическая машина из двигательного в генераторный режим. В связи с этим турбонагреватель уменьшит подачу воздуха в ДВС, тогда как по условиям устойчивой работы необходимо повышение подачи воздуха нагнетателем.

2. В предлагаемых по патенту Японии машинах переменного тока практически вся избыточная мощность выхлопных газов переходит в потери скольжения. Это объясняется тем, что обеспечение подачи оптимального по условиям сгорания топлива расхода воздуха в ДВС требует независимого регулирования частоты вращения турбонагнетателя и ДВС. Отсутствие потерь скольжения в обеих электрических машинах возможно лишь при постоянном значении соотношения частот вращения турбонагнетателя и ДВС. Изменение нагрузки ДВС при его постоянной частоте вращения второй электрической машины требует соответствующего изменения частоты вращения турбонагнетателя, а следовательно, частота вращения будет отличаться от синхронной тем больше, чем больше изменение нагрузки двигателя внутреннего сгорания по отношения к его исходному режиму.

Цель изобретения является повышение экономичности и устойчивости работы двигателя внутреннего сгорания.

Указанная цель достигается тем, что первая вспомогательная машина выполнена в виде униполярной, а вторая вспомогательная машина выполнена синхронной и введены батарея конденсаторов, аккумуляторная батарея, подключенная к выходу трансформатора постоянного тока, клеммам первой вспомогательной машины и через обратимый преобразователь к клеммам второй вспомогательной машины; вход трансформатора постоянного тока подключен к секциям батареи конденсаторов, каждая из которых через управляемые ключи соединена с выходом выпрямителя, вход которого соединен с клеммами второй вспомогательной машины, кроме того, обратимый преобразователь состоит из униполярной машины и синхронной машины, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты общим кольцом, образуя ее индукторную обмотку, стержни одной полярности индукторной обмотки замкнуты вторым кольцом, стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток электрически соединены между собой; кроме того, трансформатор постоянного тока состоит из униполярной машины и вентильной машины, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты общим кольцом, образуя ее индукторную обмотку, стержня одной полярности индукторной обмотки замкнуты вторым кольцом, и стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток электрически соединены между собой.

Отличительные признаки предлагаемого изобретения:
аккумуляторная батарея с регулируемым обратимым преобразователем;
обратимый преобразователь регулируемой частоты тока с герметичными жидкометаллическими контактами, с индуктором синхронной машины, возбуждаемым рабочим током якоря униполярной машины;
две секции батарей конденсаторов с регулируемым трансформатором постоянного тока с герметичными жидкометаллическими контактами, с индуктором вентильной машины, возбуждаемым рабочим током якоря униполярной машины;
униполярная электрическая машина на двигателе внутреннего сгорания с герметичным жидкометаллическим контактом, с якорем, выполненным из полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными немагнитными высокопроводящими стержнями, обращенными к дополнительному ферромагнитному цилиндру;
дополнительный ферромагнитный цилиндр с пазами, числом равными числу высокопроводящих стержней якоря второй машины, установленный на валу двигателя внутреннего сгорания.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия", т.к. из известного перечня информации, установленного нормативным документом П. 127.33-1-74, технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображено электроэнергетическое устройство для привода турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания.

Устройство содержит турбонагнетатель ТН 1 с высокочастотной синхронной машиной ВСМ 2, установленными на корпусе ДВС 3. Выходные клеммы ВСМ 2 подключены к входным клеммам переменного тока регулируемого обратимого преобразователя ОП 4, а его выходные клеммы постоянного тока подключены к аккумуляторной батарее АБ 5. Выходные клеммы ВСМ 2 посредством выпрямителя В 6 и ключей к 7, управляемых системой управления СУ 8 ДВС, подключены по крайней мере к двум секциям конденсаторных батарей 9 и посредством трансформатора постоянного тока ТПТ 10 подключены к АБ 5. АБ 5 электрически соединена с униполярной машиной 11 на ДВС 3. На валу ДВС 3 установлен ферромагнитный цилиндр 12 с пазами, служащий внутренними внутренним магнитопроводом униполярной машины 11. Силовой вал ДВС соединен с валом приводного механизма М 13.

На фиг. 2 изображена конструктивная схема ОП 4. ОП 4 содержит униполярную машину 14 с кольцевой обмоткой возбуждения 15. якорем 16, кольцевую герметичную камеру 17 и синхронную машину 18. Индуктор 19 синхронной машины 18 жестко сочленен с якорем униполярной машины 16, образуя единый полый цилиндр, установленный на подшипниковых опорах 20.

На фиг. 3 изображено сечение А-А на фиг. 2 Якорь 16 состоит из ферромагнитного полого цилиндра 21 с высокопроводящими немагнитными стержнями 22, замкнутыми с торцов и в зоне обмотки 15 высокопроводящими немагнитными короткозамыкающими кольцами 23, 24 и 25 (фиг. 2).

На фиг. 4 изображено сечение Б-Б на фиг. 2 Индуктор 19 состоит из ферромагнитного полого цилиндра, разделенного вдоль образующей диэлектриком 25 на разноименные полюса 27 и 28, в данном случае на 2 полюса, с высокопроводящими немагнитными стержнями 29, замкнутыми с одного торца высокопроводящими немагнитными стержнями 29, замкнутыми с одного торца высокопроводящим немагнитным короткозамыкающим кольцом 30, с другой стержни 29 полюса 27 соединяются немагнитным короткозамыкающим кольцом 31, изолированным от якоря 16, кольца 25 и полюса 27 диэлектриком 32 (фиг. 2).

Кольца 23, 24 и 31 соединены с выходными клеммами постоянного тока 33 посредством жидкометаллических контактов 34.

Обмотка якоря 35 синхронной машины соединена с выходными клеммами 36 переменного тока.

На фиг. 5 изображена конструктивная схема ТПТ 10. Эта схема принципиально аналогична конструктивной схеме ОП 4 на фиг. 2. за исключением того, что обмотка якоря 37 вентильной машины посредством полупроводникового коммутатора соединена с выходными клеммами постоянного тока повышенного напряжения 39. Статор 40 униполярной машины 211 (фиг. 6, 7) выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра с пазами, заполненными высокопроводящими немагнитными стержнями 44, обращенными высокопроводящими стержнями к ферромагнитному цилиндру 12. Стержни 44 замкнуты высокопроводящими немагнитными короткозамыкающими кольцами 45 и соединены посредством жидкометаллических контактов 46 с выходными клеммами 47. Якорь 43 установлен на подшипниковых опорах 48. Герметизация кольцевой камеры 42 обеспечивается защитным цилиндром 49.

Электроэнергетическое устройство работает следующим образом.

При больших нагрузках в установившихся процессах ДВС 3 (фиг. 1) мощность выхлопных газов превосходит мощность ТН1, необходимую для подачи оптимального расхода воздуха в ДВС, в связи с чем избыточная мощность генерируется ВСМ 2 посредством ОП 4 подается на зарядку АБ5. При невысоких нагрузках в установившихся процессах ДВС 3 мощность выхлопных газов недостаточна для обеспечения подачи оптимального расхода воздуха ТН1 в ДВС 3, в этом случае ВСМ 2 работает в режиме двигателя, получая питание от АБ 5, через ОП 4. Обеспечение требуемой частоты вращения ТН 1 осуществляется за счет регулирования частоты вращения индуктора 19 синхронной машины 18(фиг. 2). Плавное регулирование частоты вращения синхронной машины 18 достигается изменением величины тока возбуждения в обмотке 15 (фиг.2).

В неустановившихся кратковременных процессах ДВС 3, например, при сбросе нагрузки АБ5 не может принять избыточную энергию вследствие большой инерционности АБ. В этом случае СУ 8 подает сигнал на открытие К 7, при этом избыточная электроэнергия в цепи ВСМ 2 идет через В 6 на зарядку малоинерционного конденсатора 9. При достижении полной зарядки конденсатора 9 ток в цепи зарядки становится равным нулю или близок к нулю, конденсатор 9 отключается от цепи ВСМ 2. После окончания переходного процесса в ДВС конденсатор 9 постепенно разряжается на ОБ 5. Регулирование тока зарядки АБ 5 и практически полной разрядки конденсатора 9 достигается с использованием ТПТ 10, фиг. 1, 5. Плавное регулирование тока возбуждения в обмотке 15 позволяет изменять частоту вращения якоря 16 униполярной машины 14 и индуктора 19 вентильной машины 18. Этим достигается плавное регулирование напряжения на клеммах низкого напряжения 33 и клеммах высокого напряжения 39.

Полупроводниковый коммутатор 38 позволяет дополнительно регулировать напряжение на выходных клеммах 39. Поскольку за короткое время может быть несколько неустановившихся процессов, целесообразно конденсаторную батарею 9 разбить на ряд секций, при этом емкость каждой из них определится сбросом ДВС величины энергии, характерной для одного переходного процесса. Порядок включения и отключения секций конденсаторной батареи 9 производится СУ 8. Сброс энергии ДВС в переходном процессе происходит не только через ТН 1, но и через униполярную машины 11, при этом электроэнергия, генерируемая униполярной машиной 11, также идет на зарядку конденсатора 9 через ТПТ 10.

Преимущество предлагаемого электроэнергетического устройства по сравнению с прототипом заключается в том, что оно снабжено высокоинерционным АБ накопителем электроэнергии, при этом две электрические машины ДВС 2 и 11 электрически непосредственно не связаны друг с другом, что делает устойчивой работу устройства; кроме того, оно снабжено регулируемыми электрическими машинами и преобразователями, что исключает потери скольжения в установившихся процессах и повышает экономичность ДВАС; кроме того, оно снабжено регулируемым малоинерционным накопителем электроэнергии конденсаторной батареей 9 и ТРТ 10, что исключает потери в неустановившихся процессах и повышает экономичность ДВС.

Использование: в приводах турбонагнетателей двигателей внутреннего сгорания, работающих автономно. Сущность: электроэнергетическое устройство для привода турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания содержит две вспомогательные электрические машины: униполярную и синхронную, батарею конденсаторов и аккумуляторную батарею, которая подключена к первой вспомогательной машине непосредственно, а ко второй - через обратимый преобразователь. Батарея конденсаторов подключена к клеммам второй вспомогательной машины через общий выпрямитель и ключи в каждой ветви батареи конденсаторов, а через трансформатор постоянного тока - к аккумуляторной батарее. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электроэнергетическое устройство, содержащее двигатель внутреннего сгорания с турбонагнетателем, вал которого соединен с валом приводного механизма, первую вспомогательную электрическую машину, вторую вспомогательную электрическую машину, размещенную на свободном конце вала турбонагнетателя, отличающееся тем, что первая вспомогательная машина выполнена униполярной, а вторая вспомогательная машина синхронной и введены батарея конденсаторов, аккумуляторная батарея, подключенная к выходу трансформатора постоянного тока, клеммам первой вспомогательной машины и через обратный преобразователь к клеммам второй вспомогательной машины, вход трансформатора постоянного тока подключен к секциям батареи конденсаторов, каждая из которых через управляемый ключ соединена с выходом выпрямителя, вход которого соединен с клеммами второй вспомогательной машины. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обратный преобразователь составлен из униполярной и синхронной машины, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой, и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты кольцами, образуя ее обмотку, стержни синхронной машины с одного торца замкнуты общим кольцом, образуя ее индукторную обмотку, стержни одной полярности индукторной обмотки замкнуты вторым кольцом, а стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток электрически соединены между собой. 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что трансформатор постоянного тока составлен из униполярной и вентильной машин постоянного тока, статоры которых конструктивно объединены и образуют кольцевую герметичную камеру, в которой размещены роторы этих машин, механически жестко соединенные между собой, и каждый из которых выполнен в виде полого цилиндра с пазами, заполненными стержнями из немагнитного высокопроводящего материала, стержни униполярной машины с обоих торцов замкнуты кольцами, образуя ее обмотку, стержни вентильной машины с одного конца замкнуты общим кольцом, образуя якорную обмотку, стержни одной полярности которой замкнуты вторым кольцом, а стержни другой полярности третьим, стержни одноименных полярностей указанных обмоток соединены между собой, а якорная обмотка вентильной машины соединена с входными клеммами.