ПОРШНЕВОЙ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F03C5/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, предназначено преимущественно для использования в транспортных средствах, в частности в легковых автомобилях и мотоциклах, может найти применение и в других отраслях машиностроения, например тракторостроении, тепловозостроении, авиастроении.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в дальнейшем расширении номенклатуры и области распространения машин и устройств, основанных на преобразовании энергии высоковольтного разряда в жидкой среде в полезную работу выходного звена машины, с целью создания экологичных и экономичных электрогидравлических двигателей, в частности поршневых для транспортных средств, альтернативных двигателям внутреннего сгорания.

Известны поршневые электрогидравлические двигатели (авторские свидетельства СССР №1767210, 1988 г. и №1767211, 1990 г. кл. F 03 C 1/00), содержащие несколько цилиндров с поршнями и рабочими камерами, периодически заполняемыми от подпиточной емкости рабочей жидкостью, в которых размещена по меньшей мере одна пара электродов, подключенных к системе питания. При подаче на электроды высоковольтного электрического импульса в заполненном жидкостью объеме рабочих камер формируется импульсный электрический разряд (ЭР), инициирующий гидравлическую ударную волну (ГУВ), под действием которой поршень перемещается и передает движение на связанное с ним выходное звено двигателя, например коленвал.

Импульсный режим заполнения объема рабочей камеры рабочей жидкостью в чередовании с ее сливом в первом аналоге приводит к энергетическим потерям, поскольку камеры в момент ЭР открыты в подпиточную емкость, а во втором аналоге обуславливает необходимость в дополнительном техническом средстве для замыкания камеры в момент ЭР.

Наиболее близким аналогом предлагаемого является поршневой электрогидравлический двигатель, реализующий способ по патенту России №2157893 С2, 1997 г., F 01 B 29/10, содержащий выходное звено, управляющий блок, систему питания с источником электроэнергии и блоком формирования высоковольтных импульсов, и силовой цилиндр, имеющий корпус, рабочую камеру с технологическим объемом жидкости, по меньшей мере одну пару подключенных к блоку питания электродов, установленных в корпусе с образованием между их погруженными в жидкость концами формирующего разряд промежутка, а также перемещающийся в рабочей камере поршень, взаимосвязанный с выходным звеном.

В нем рабочая камера цилиндра имеет постоянный заданный технологическими параметрами замкнутый объем рабочей жидкости - воды, а оба электрода жестко закреплены в корпусе.

Блок формирования высоковольтных импульсов выполнен в виде высоковольтного конденсатора, периодически заряжаемого от источника электроэнергии, и силового ключа.

С помощью силового ключа импульс от конденсатора подается на электроды, в результате между ними возникает ЭР, сопровождающийся образованием ГУВ, которая воздействует на поршень.

В аналоге промежуток между электродами не регулируется, поэтому в нем диапазон автоматического регулирования технологических параметров работы двигателя в пределах одного типоразмера машины ограничен разрешительными способностями функциональных элементов блока формирования высоковольтных импульсов и дальнейшее расширение диапазона параметров двигателя может быть достигнуто за счет предэксплуатационной переналадки двигателя, либо за счет расширения типоразмерного ряда, что следует отнести к недостаткам аналога.

К тому же в аналоге:

- принятая схема синхронизации моментов подачи ЭР с положением поршня допускает вероятность непроизводительных потерь ГУВ, снижающих коэффициент полезной работы выходного звена;

- при многоцилиндровом варианте исполнения двигателя с тактовым циклом работы его компоновочная схема будет перенасыщена электрическими элементами и связями;

- компенсация износа электродов путем регулировки межэлектродного промежутка в процессе работы двигателя не осуществима, требует его остановки и демонтажа.

Технический результат, обеспечиваемый при реализации предлагаемого решения, заключается в:

- повышении кпд выходного звена,

- обеспечении автоматической регулировки выходных параметров двигателя в процессе его работы,

- расширении диапазона служебных параметров двигателя в пределах одного типоразмера,

- повышении эксплуатационной надежности, в том числе в различных климатических условиях,

- исключении эксплуатационного расхода топливных горючих углеводородных материалов,

- исключении выхлопа продуктов сгорания,

- сокращении непроизводительных потерь мощности электрогидравлического удара.

Сущность изобретения состоит в том, что поршневой электрогидравлический двигатель, содержащий выходное звено, систему питания с источником электрической энергии и блоком формирования высоковольтных импульсов, управляющий блок и как минимум один силовой цилиндр, имеющий корпус, рабочую камеру с технологическим объемом рабочей жидкости, по меньшей мере одну пару подключенных к системе питания электродов, установленных в корпусе с образованием между их погруженными в жидкость концами формирующего разряд промежутка, и перемещающийся в рабочей камере поршень, взаимосвязанный с выходным звеном, например коленвалом, в отличие от аналога снабжен микроконтроллером в качестве управляющего блока, компенсационной гидросистемой, к которой через управляющий блок подключена рабочая полость каждого цилиндра, и приводным механизмом для регулирования формирующего разряд промежутка. В нем один из пары электродов установлен в корпусе цилиндра с возможностью продольного смещения относительно другого и взаимосвязан с приводным механизмом, а ответный ему электрод жестко закреплен в корпусе, причем компенсационная гидросистема, система питания, силовые цилиндры и приводной механизм подключены по цепи управления к управляющему блоку с обеспечением мониторинга по температуре и давлению в рабочей камере, а так же по частоте вращения и крутящему моменту на выходном звене.

Дополнительные отличия изобретения заключаются:

- в наличии средств обратной связи для обеспечения мониторинга в виде датчиков температуры и давления, установленных на цилиндрах, и датчиков частоты вращения и крутящего момента, установленных на выходном звене;

- в вариантах подключения неподвижного электрода или к низковольтному источнику электроэнергии или к корпусу цилиндра.

В частных случаях реализации изобретение дополнительно отличается:

- выполнением блока формирования высоковольтных импульсов в виде последовательно соединенных между собой генератора импульсов, транзисторного коммутатора и повышающего трансформатора;

- выполнением приводного механизма для регулирования промежутка между парой электродов в виде винтовой пары втулка - электрод с приводом от шагового реверсивного электродвигателя, запитанного от источника электроэнергии;

- или в виде охватывающего электрод электромагнита.

Наличие компенсационной гидросистемы и ее связь с цилиндрами в автоматическом режиме позволяет предотвратить изменение рабочего объема жидкости вследствие эксплуатационных потерь, что обеспечивает надежность и постоянство работы двигателя при заданных режимах.

Использование в качестве управляющего блока микроконтроллера и осуществление мониторинга по давлению и температуре в рабочей камере цилиндра, а также по частоте вращения и крутящему моменту на выходном звене обеспечивает гибкую регулировку параметров работы двигателя в автоматическом режиме, позволяет избежать непроизводительных потерь мощности гидравлического удара, увеличить кпд двигателя путем подачи электрического импульса с определенным углом опережения, то есть подачи импульса еще до прихода поршня в ВМТ. Регулировка угла опережения осуществляется в широких пределах в зависимости от режима работы двигателя - скорости движения выходного звена и нагрузки.

Выполнение одного из пары электродов подвижным и его взаимосвязь с управляемым от микроконтроллера приводным механизмом позволяет автоматически регулировать длину межэлектродного промежутка, формируя параметры ЭР, что в совокупности с остальными существенными отличительными признаками изобретения:

- позволяет гибко регулировать частоту следования и мощность ЭР, чем обеспечивает стабильность параметров в пределах заданного алгоритма работы двигателя и необходимое соответствующее их регулирование при переходе с одного алгоритма на другой;

- при износе электродов обеспечивает автоматическое сохранение заданного алгоритмом размера межэлектродного промежутка, что увеличивает срок их службы, исключает негативное влияние износа электродов на выходные параметры двигателя, обеспечивает стабильность и надежность его работы;

- позволяет расширить функциональные возможности машины, повысить надежность в работе, в том числе в различных климатических условиях, за счет варьирования вида жидкости, используемой в качестве рабочей, позволяя выбрать наиболее надежный и экономичный для конкретных условий эксплуатации вариант с оптимальными параметрами по плотности и электропроводности, точке замерзания, антикоррозионных и смазочных свойств и т.п.

- обеспечивает регулирование ЭР по частоте следования и мощности не только за счет разрешительных способностей блока формирования высоковольтных импульсов, а в комплексе с такими простыми средствами, как автоматическое изменение длины межэлектродного промежутка, варьирование плотности рабочей жидкости, то есть путем подбора оптимального соотношения длины промежутка и плотности жидкости позволяет варьировать мощность двигателя, повысить его кпд.

Выполнение одного из электродов неподвижным и его подключение к корпусу цилиндра упрощает схему электрической развязки в многоцилиндровом исполнении двигателя, снижает вероятность отказов в работе.

На фиг.1 дан общий вид поршневого электрогидравлического двигателя в разрезе (пара электродов крайнего цилиндра условно повернута на 90°).

фиг.2 - разрез А-А на фиг.1, пример выполнения приводного механизма в виде винтовой пары.

фиг.3 - разрез А-А на фиг.1 с примером выполнения приводного механизма в виде электромагнита.

К управляющему блоку 1 по цепи управления подключены система электропитания 2, компенсационная гидросистема 3 и один или несколько силовых цилиндров 4.

В качестве управляющего блока 1 служит микроконтроллер или бортовой компьютер транспортного средства.

Система электропитания 2 содержит источник электрической энергии 5 и блок формирования высоковольтных импульсов 6, состоящий, например, из соединенных между собой последовательно генератора импульсов 7, транзисторного коммутатора 8 и повышающего трансформатора 9. Такое выполнение блока 6 наиболее оптимально, особенно при реализации изобретения на транспортном средстве, но он может быть выполнен и другим каким-либо известным образом. В предлагаемом варианте, представленном на фиг.1, генератор импульсов 7 запитан от источника электроэнергии 5 и на выходе к нему подключен своим входом транзисторный коммутатор 8, имеющий по количеству силовых цилиндров 4 число выходов, каждый из которых подключен к соответствующему ему входу повышающего трансформатора 9.

В корпусе 10 каждого силового цилиндра 4 размещена рабочая камера 11 с возвратно-поступательно перемещающимся в ней поршнем 12, кинематически связанным с конечным выходным звеном 13 (например, коленвалом) двигателя. Звено 13 жестко связано с инерционной массой 14 (например, маховиком). Рабочая камера 11 имеет постоянный замкнутый объем рабочей жидкости, задаваемый в зависимости от выходных служебных характеристик двигателя такими технологическими параметрами, например, как плотность и электропроводность рабочей жидкости, крутящий момент и максимальная частота вращения выходного звена.

По меньшей мере одна пара электродов 15 и 16 установлена в корпусе 10 с образованием между их погруженными в рабочую жидкость концами промежутка 17, формирующего ЭР.

Для поддержания объема рабочей жидкости в заданных параметрах служит управляемая от блока 1 компенсационная гидросистема 3, которая может иметь различное конструктивное исполнение, например, как показана на фиг.1, в виде наполненной рабочей жидкостью емкости 18 с насосом 19 низкого давления, предохранительным переливным клапаном 20 и фильтром 21. При этом цилиндры 4 имеют управляемые от блока 1 электромагнитные клапаны 22, которыми они подключены к компенсационной системе 3.

Электроды 15 и 16 установлены в корпусе 10 с обеспечением регулирования длины промежутка 17: для этого электрод 16 установлен с возможностью осевого продольного смещения относительно электрода 15 и взаимосвязан с приводным механизмом 23, а электрод 15 закреплен неподвижно.

Приводной механизм 23 может иметь различное конструктивное исполнение, выбираемое в зависимости от назначения двигателя по соображениям экономичности, конструктивной целесообразности и надежности срабатывания. Он может быть выполнен в виде винтовой пары втулка 24 - электрод 16 с приводом от шагового реверсивного электродвигателя 25 (фиг.2) или в виде электромагнита 26, в котором электрод 16 выполняет роль сердечника (фиг.3).

Электрод 16 подключен к силовому выходу повышающего трансформатора 9, а электрод 15 - либо к источнику электрической энергии 5 либо (преимущественно в транспортных средствах) замкнут на массу блока цилиндров 4.

Система электропитания 2 и компенсационная гидросистема 3, силовые цилиндры 4 и приводной механизм 23 по цепи управления подключены к управляющему блоку 1 через систему обратной связи, которая для обеспечения мониторинга по температуре и давлению в рабочей камере 11 силового цилиндра 4, а также по частоте вращения и крутящему моменту на выходном звене 13 включает в себя быстросрабатывающие датчики: датчик температуры 27 (например, датчики сопротивления) и датчик давления 28 (например, пьезометрические), размещенные в силовых цилиндрах 4, а также датчик частоты вращения 29 (например, датчик Холла) и датчик крутящего момента 30, размещенные на выходном звене 13.

В качестве рабочей жидкости используется разнообразная жидкость, например синтетические масла, обладающая антикоррозионными и смазывающими свойствами с наибольшей удельной электропроводностью.

Работа двигателя поясняется на конкретном примере исполнения четырехцилиндрового двигателя с коленчатым валом, с одной парой электродов в каждом цилиндре и бортовой ЭВМ в качестве управляющего блока (фиг.1)

Поршневой электрогидравлический двигатель работает следующим образом.

При включении источника электроэнергии 5 управляющий блок 1 загружается и проводит мониторинг всех систем, подает управляющие сигналы на блок формирования высоковольтных импульсов 6. Генератор импульсов 7 и транзисторный коммутатор 8 соответствующим образом формируют импульсы установленной частоты и силы тока, которые в свою очередь повышающим трансформатором 9 преобразуются в импульсы высокого напряжения (30-70 кВ) и подаются в промежуток 17 между электродами 15 и 16 для разряда в рабочей камере 11 крайнего левого и крайнего правого силовых цилиндров 4. Электрод 16 надежно изолирован от корпуса 10 цилиндра во избежание электрических потерь.

Блок управления 1 отслеживает сигналы, поступающие от датчиков температуры 27, давления 28, частоты вращения выходного звена 29, крутящего момента 30, и сравнивает их с заложенным в программу алгоритмом работы двигателя, подает команду на формирование соответствующих электрических разрядов в рабочих камерах 11 силовых цилиндров 4. По командам от управляющего блока 1 приводной механизм 23 устанавливает заданный промежуток 17 между электродами 16 и 17, что дает возможность гибко управлять работой поршневого электрогидравлического двигателя при его эксплуатации без остановки и переналадки.

При разряде в рабочих камерах 11 крайнего правого и крайнего левого цилиндров 4 рабочая жидкость мгновенно «вскипает», образуется парогазовая смесь, которая, расширяясь, создает ударную волну давления, воздействующую на поршни 12, перемещает их в НМТ, что соответствует половине оборота коленвала 13 (рабочий ход). Под действием поворота коленвала 13 поршни 12 средних (левого и правого по фиг.1) силовых цилиндров 4 за счет кинематической связи с коленвалом 13 перемещаются из НМТ в ВМТ. Далее высоковольтный разряд подается на электроды средних силовых цилиндров 4 и происходит «вскипание» рабочей жидкости, и поршни 12 этих цилиндров под действием давления перемещаются в НМТ. Поршни 12 крайних силовых цилиндров 4 при этом возвращаются в ВМТ вследствие того, что парогазовая смесь, активно перемешиваясь с остальной жидкостью, охлаждается и конденсируется, что приводит к резкому понижению давления в рабочих камерах 11. Далее рабочий цикл повторяется.

Работа всех силовых цилиндров 4 синхронизирована между собой и кинематически жестко связана через коленвал 13, подача разрядов в рабочих камерах 11 производится в точно определенное время (когда поршни 12 находятся около ВМТ) по команде от микроконтроллера 1 в соответствии с заданным алгоритмом и текущими условиями эксплуатации. Высоковольтные импульсы подаются в рабочие камеры 11 силовых цилиндров 4 с заданными углами опережения в соответствии с режимом работы двигателя и определенных характеристик (частота, напряжение, сила тока) по командам от управляющего блока 1 (бортовой ЭВМ), тем самым достигается эффективная работа двигателя. Инерционные массы 14, жестко прикрепленные к коленвалу 13, служат для уменьшения неравномерности вращения коленвала 13 и работы двигателя в целом.

В случае изменения объема рабочей жидкости в рабочей камере 11, вследствие утечки ее через соединения силовой цилиндр 4 - поршень 12 и электрод 16 - корпус 10 цилиндра блок управления 1 подает командный сигнал на электромагнитный клапан 22, открывает его, и компенсационная гидросистема 3 через трубопроводы компенсирует потери рабочей жидкости, восстанавливая прежний ее объем.

Приводной механизм 23 предпочтительно выполнить в виде винтовой пары втулка 24 - электрод 16 с приводом от шагового реверсивного электродвигателя 25, поскольку такое исполнение обеспечит меньшие утечки жидкости через винтовую пару и уплотнения в данном соединении.

Работа двигателя не требует расхода топливных ресурсов, не загрязняет окружающую среду.

Двигатель предназначен для использования в транспортных средствах. Двигатель содержит микроконтроллер, систему питания, силовые цилиндры с рабочей жидкостью и с, по меньшей мере, одной парой электродов, установленных с возможностью автоматической регулировки промежутка между их погруженными в жидкость концами с помощью управляемого приводного механизма, что позволяет уменьшить износ электродов, а также изменять технологические параметры электрического разряда с целью регулировки выходной мощности двигателя. Изобретение обеспечивает оптимальным подбором плотности и электропроводности рабочей жидкости и длины промежутка создание экономичного и надежного в работе двигателя, повышение кпд. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поршневой электрогидравлический двигатель, содержащий выходное звено, систему питания с источником электрической энергии и блоком формирования высоковольтных импульсов, управляющий блок и, как минимум, один силовой цилиндр, имеющий корпус, рабочую камеру с технологическим объемом рабочей жидкости, по меньшей мере, одну пару подключенных к системе питания электродов, установленных в корпусе с образованием между их погруженными в жидкость концами формирующего разряд промежутка, и перемещающийся в рабочей камере поршень, взаимосвязанный с выходным звеном, например, коленвалом, отличающийся тем, что он снабжен микроконтроллером в качестве управляющего блока, компенсационной гидросистемой, к которой через управляющий блок подключена рабочая полость каждого цилиндра, и приводным механизмом для регулирования формирующего разряд промежутка, один из пары электродов установлен в корпусе с возможностью продольного смещения относительно другого и взаимосвязан с этим приводным механизмом, а ответный ему электрод закреплен в корпусе неподвижно, при этом компенсационная гидросистема, система питания, силовые цилиндры и приводной механизм подключены по цепи управления к управляющему блоку с обеспечением мониторинга по температуре и давлению в рабочей камере и частоте вращения и крутящему моменту на выходном звене.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что блок формирования высоковольтных импульсов выполнен в виде последовательно соединенных между собой генератора импульсов, транзитного коммутатора и повышающего трансформатора.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что неподвижно закрепленный в корпусе электрод подключен к источнику электрической энергии или замкнут на массу корпуса цилиндра.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения мониторинга он снабжен средствами обратной связи в виде датчиков давления и температуры, установленных на цилиндрах, и датчиков частоты вращения и крутящего момента, установленных на выходном звене.5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что приводной механизм выполнен в виде винтовой пары втулка-электрод с приводом от шагового реверсивного электродвигателя, запитанного от источника электроэнергии.6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что приводной механизм выполнен в виде охватывающего электрод электромагнита.