ОСЦИЛЛЯТОРНЫЙ ПЬЕЗОТРАНСФОРМАТОР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

Способ преобразования кинетической энергии поршня машины, например поршня ДВС, в электроэнергию и преобразования электроэнергии в кинетическую основан на пьезоэлектрическом эффекте - выделение электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллов, пьезоэлектриков при их механических деформациях и, наоборот, деформации пьезоэлектриков под воздействием приложения к ним зарядов.

Ближайший аналог осцилляторного пьезотрансформатора - запатентованный концерном Сименс АГ инжектор топлива ДВС с пьезоэлектрическим приводом /журнал: За рулем, N 3, 1999, стр. 44, "Быстрота и натиск"/. Цитата: "Изобретателям немецкой фирмы удалось создать 280-слойный пакет из пьезокерамики, расширяющийся на 80 мкм за 0,1 мс - достаточно, чтобы воздействовать на иглу форсунки с усилием 6300 H! При этом для управления используют напряжение бортсети автомобиля". Очевидно, что энергетические возможности пьезокерамического пакета инжектора /6300H • 80 мкм/ 0,1 мс = 6300 H • 80 • 10^-6/0,1 • 10^-3 = 5040 Вт/ одного порядка с удельной мощностью среднестатистического ДВС.

Сущность изобретения. Привлекательность преобразователей видов энергии на основе пьезоэффекта состоит в простоте их конструкции и высоком коэффициенте полезного действия. Однако их применение сдерживается низкой удельной мощностью единичного цикла преобразования. Задача увеличения удельной мощности взаимного превращения кинетической и электрической видов энергии решается увеличением числа циклов деформации пьезоэлектрика с помощью осцилляторного пьезотрансформатора при следующей совокупности существенных признаков изобретения:
осцилляторный пьезотрансформатор двигателя внутреннего сгорания для преобразования с помощью пьезоэлектрика кинетической энергии поршня в электрическую энергию, отличающийся тем, что кинетическая энергия поршня передается жидкому рабочему телу-посреднику, затем дробится на дискретные импульсы и в форме импульсов кинетической энергии жидкого рабочего тела передается на пьезоэлектрик, вызывая его деформацию и, как следствие деформации, выделение электрических зарядов на противоположных гранях в такт поступающих импульсов рабочего тела.

Сущность изобретения поясняется далее описанием принципа работы универсального энергетического модуля.

Универсальный двухцилиндровый энергетический модуль с осцилляторным пьезотрансформатором поясняется чертежом.

Состав модуля. В состав модуля входят два одноцилиндровых модульных двигателя 1, 2 /см. чертеж, далее - ОМД1 и ОМД 2/, два осцилляторных пьезотрансформатора 3, 4, системы управления автоматикой модуля и аккумулятор /система управления и аккумулятор на чертеже не показаны/.

Положение узлов модуля перед пуском. ОМД1 - поршни машины 5, соединенные с ними поршни компрессора 6 и плунжеры 7 находятся в крайних точках расхождения, впускные клапаны и продувки цилиндра воздухом /далее - впускные клапаны/ 8 открыты, выпускной клапан отработавших газов /далее выпускной клапан/ 9 и клапаны компрессора 10 закрыты. ОМД2 - поршни машины, соединенные с ними поршни компрессора и плунжеры находятся в точках максимального сближения, впускные и выпускные клапаны закрыты, а клапаны компрессора открыты. Клапаны управления потоком рабочей жидкости /далее - жидкость/ могут находиться попарно в открытом или закрытом положениях. Если клапаны 11, 12, 13, 14 открыты, то клапаны 15, 16, 17, 18 закрыты.

Принцип работы модуля. При инициировании рабочего цикла система управления подает с аккумулятора на активные грани пьезоэлементов 19, 20 напряжение одного знака, а на пьезоэлементы 21, 22 другого объемы первой пары пьезоэлементов увеличиваются, а второй пары - уменьшаются. Жидкость из полостей пьезоэлементов 19, 20 через клапаны 11, 13 вытесняется в полости 23, 24 и под ее воздействием поршни и плунжеры начинают сближаться.

Впускные клапаны закрываются, а клапаны компрессора открываются, и воздух из атмосферы поступает в полости компрессора. Одновременно жидкость из полостей 25, 26 по каналам 27, 28 вытесняется в полости 29, 30, а из полостей 31, 32 в полости пьезоэлементов 21, 22. Под действием поступающей в полости 29, 30 жидкости плунжеры и поршни ОМД2 начинают расходиться, клапаны его компрессора закрываются и воздух из полостей компрессора поступает в цилиндр. Поскольку изменение объемов пьезоэлементов много меньше объема необходимой для обеспечения полного хода поршней жидкости, производится многократное повторение циклов перекачки. Единичный цикл перекачки завершается переключением клапанов 11, 12 и 13, 14 из открытого в закрытое положения с одновременным изменением знака, подаваемого на активные грани пьезоэлементов напряжения. Циклы перекачки продолжаются до полного перемещения поршней и плунжеров в противоположные крайние точки. В момент, близкий к максимальному сближению поршней ОМД1, система управления подает топливо в цилиндр форсункой 33, топливо воспламеняется и расширяющиеся продукты сгорания меняют направление движения обоих ОМД. С этого момента режим работы пьезотрансформаторов меняется с насосного на генераторный. Плунжеры ОМД1 вытесняют жидкость в полости 31, 32, а осцилляторный блок системы управления клапанами 11 - 18 попеременно направляет поток жидкости в полости пьезоэлементов, вызывая тем самым знакопеременные деформации, в результате которых на активных гранях пьезоэлементов выделяются электрические заряды. Генерируемая таким образом электроэнергия направляется потребителю за вычетом той части, которая необходима для питания системы управления и дозарядки аккумулятора. В момент, близкий к полному расхождению поршней ОМД1, выпускной клапан открывается и отработавшие газы вытекают в атмосферу, а затем открываются впускные клапаны и воздух из компрессора через выпускной клапан продувает цилиндр. По достижению поршнями обоих ОМД крайних точек рабочий цикл ОМД1 завершается и одновременно, если требуется непрерывная работа модуля, начинается рабочий цикл ОМД2. Управление оперативной мощностью энергетического модуля осуществляется путем задержки очередного рабочего цикла на интервал времени обратно пропорциональный снижению величины вырабатываемой энергии. В этом случае энергия инициирования очередного рабочего цикла черпается из аккумулятора. При работе модуля на максимальной мощности рабочие циклы следуют без перерыва и, следовательно, для инициирования рабочего цикла используется энергия предыдущего рабочего цикла.

Увеличение удельной энергии преобразования видов энергии пропорционально частоте циклов деформации пьезоэлектрика.

Таким образом, осцилляторный пьезотрансформатор в случае работы в составе ДВС выполняет функции электрогенератора и стартера.

На чертеже изображена принципиальная схема универсального двухцилиндрового энергетического модуля с осцилляторным пьезотрансформатором.

Изобретение относится к машиностроению и предназначается для преобразования кинетической энергии поршня, в частности поршня ДВС, в электроэнергию с помощью пьезоэлектрика и обратного преобразования электроэнергии в кинетическую энергию поршня. С целью повышения удельной мощности преобразования в первом случае кинетическая энергия поршня передается жидкости, однонаправленное движение которой осциллятором преобразуется в знакопеременное давление жидкости на пьезоэлектрик, в результате деформации которого на его активных гранях выделяются электрические заряды. Во втором случае преобразование электроэнергии в кинетическую энергию поршня осуществляется в обратном порядке: электрические заряды подаются на активные грани пьезоэлектрика, в такт электрическим импульсам пьезоэлектрик деформируется и тем самым формирует знакопеременные импульсы давления жидкости. Осциллятор преобразует импульсное давление жидкости в однонаправленный поток, энергия давления которого передается поршню. 1 ил.

Осцилляторный пьезотрансформатор двигателя внутреннего сгорания для преобразования с помощью пьезоэлектрика кинетической энергии поршня в электрическую энергию, отличающийся тем, что кинетическая энергия поршня передается жидкому рабочему телу-посреднику, затем дробится на дискретные импульсы и в форме импульсов кинетической энергии жидкого рабочего тела передается на пьезоэлектрик, вызывая его деформацию и, как следствие деформации, выделение электрических зарядов на противоположных гранях в такт поступающих импульсов рабочего тела.