ГИБРИДНЫЙ АВТОМОБИЛЬ Российский патент 2013 года по МПК B60L11/18 H02K44/00 H05H1/00 

Область техники. Изобретение относится к автомобильному транспорту, конкретно к гибридным автомобилям, использующим в качестве силового привода колес электродвигатели, с электропитанием от силовых аккумуляторных батарей, с подзарядкой последних от собственного источника электроэнергии, установленного на борту электромобиля.

Уровень техники. Данные экологических исследований Института проблем химической физики РАН, Института физики атмосферы РАН и экологических организаций [1] показывают, что атмосфера Земли стремительно теряет свой кислород. За последние 200 лет содержание кислорода в атмосфере сократилось с 38% до 21%. Общее количество кислорода в атмосфере ежегодно уменьшается на 10 млрд. тонн. Реактивный лайнер, перелетая за 8 часов из Европы в Америку, расходует 50-75 тонн кислорода, который производится за это же время территорией леса площадью 25-50 тыс. га. Кроме того, прогрессирующий рост количества наземных транспортных средств усугубляет проблему дефицита кислорода в атмосфере Земли, особенно в крупных городах типа Москвы и Петербурга. При этом автомобили с расходом топлива 6÷20 кг/час сжигают не менее 1.2÷4 кг/час атмосферного кислорода для окисления углеводородного топлива, создавая дефицит кислорода на пути движения автомобиля. Учитывая, что общее количество активно эксплуатируемых автомобилей в мире составляет 3500 млн. шт. при условии их работы по 8 часов/сутки, общий урон атмосфере Земли (без учета работы ТЭЦ и самолетов, сжигающих не менее 20 тонн/час атмосферного кислорода каждый) составляет (1.2÷4) л/час×8 час/сутки×3500 10⁶=(33,6÷112) млрд. т/сутки атмосферного кислорода. Единственным источником восполнения атмосферного кислорода на Земле является фотосинтез кислорода зелеными водорослями океана и растительностью на суше при поглощении ими солнечного света. Учитывая непрерывное хищническую вырубку лесопокрытых территорий (в среднем лес восстанавливается лишь на 5% вырубок), а также - лесные пожары, естественное воспроизводство атмосферного кислорода путем его фотосинтеза отстает от его потребления. Подтверждением нарастающего дефицита кислорода в атмосфере Земли является расширение за последние 2 года на 40% диаметра озонных дыр в атмосфере Земли. Согласно [2-5] это объясняется тем, что единственным природным источником озона, защищающим флору и фауну Земли от губительного УФ излучения Солнца, в атмосфере Земли является атмосферный кислород, преобразуемый в озон верхних слоях атмосферы корпускулярным излучением Солнца, и в нижних слоях - преимущественно энергией грозовых разрядов атмосферного электричества.

В связи с изложенным стоит задача экономии потребления атмосферного кислорода автомобильным транспортом ради сохранения жизни на Земле. Одним из направлений такой экономии является введение счетчиков воздухопотребления и налогов на кислород, потребляемый мощными автомашинами [6] взамен транспортного налога.

Другим направлением экономии атмосферного кислорода является снижение количества потребляемого кислорода транспортными средствами, к которому относится данное изобретение. Рассмотрим известные технические решения по данному направлению развития автомобильного транспорта.

Известны попытки переоборудования автомобилей [7÷13] с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) для работы на обедненной топливной смеси углеродного топлива и/или атмосферного воздуха путем подвода в камеру сгорания ДВС электромагнитного излучения в момент сжатия и поджига топливной смеси высоковольтным электрическим разрядом (попытки инициирования плазмохимической реакции топливной смеси, прим. авторов).

Однако эти попытки инициирования плазмохимической реакции [16, 24] в камере ДВС стандартных автомобилей к сожалению и к счастью испытателей не увенчались успехом. Это связано с тем, что при проведении указанных экспериментов не были учтены требуемые значения СВЧ-энергии возбуждения (Е_возб) и значения энергии выхода плазмохимической реакции (Е_вых). Согласно [16÷21, 24÷25] для возбуждения плазмохимической реакции газовой смеси при нормальном атмосферном давлении требуется создание плотности СВЧ-энергии ΔЕ_свч=(1-10) Дж/см³. При этом согласно [14÷15] с каждого см³ газовой смеси, например атмосферного воздуха, можно снять за счет плазмохимической реакции тепловую энергию ΔЕ_вых=(10⁵-10⁷) Дж/см³. Учитывая высокие требуемые значения плотности мощности (Р_свч=Е_свч/τ_сж) СВЧ-энергии из-за короткого времени сжатия (τ_сж) газовой смеси в цилиндре ДВС, а также изменяющийся объем камеры сгорания при вращении коленчатого вала ДВС периодическое и стабильное возбуждение плазмохимической реакции в ДВС автомобиля представляет трудно разрешимую техническую задачу. Численные значения величин Е_возб и Е_вых при одном обороте коленчатого вала ДВС могут быть найдены из условий:

,

где:

ΔЕ_свч - плотность СВЧ-энергии для инициирования плазмохимической реакции в одном цилиндре ДВС;

ΔЕ_вых - плотность энергии, выделяемая в каждом цилиндре ДВС при плазмохимической реакции;

ΔV≥ - объем камеры сгорания ДВС;

N - количество цилиндров в ДВС автомобиля.

Для минимальных значений ΔЕ_свч≥1 Дж/см³, ΔV≥150 см³, N=4 из выражений (1÷2) находим Е_возб=0,6 кДж, ΔЕ_вых=0.6×(10⁸-10¹⁰) Дж на один оборот вала ДВС. Учитывая, что один килограмм тринитротолуола (ТНТ)=4,184×10⁶ Дж [23], рассчитанное значение выходной энергии ΔЕ_вых=0.6×(10⁸-10¹⁰) Дж эквивалентно взрыву от 14 кг до 1.4 тонны ТНТ для случая возбуждения плазмохимической реакции в ДВС автомобиля.

Отсюда видна бесперспективность и опасность переоборудования существующих автомобилей [7÷13] с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) на возбуждении плазмохимической реакции СВЧ - накачкой и электрическим разрядом для повышения КПД извлечения тепловой энергии атмосферного воздуха из-за относительно большого объема камер сжатия газовой смеси в цилиндрах ДВС автомобилей и потенциально высокой плазмохимической энергии атмосферного воздуха.

Известен электромобиль [26] без расхода атмосферного кислорода, использующий в качестве движителя электропривод вращения колес автомобиля с электропитанием от силового аккумулятора, периодически подзаряжаемого от внешней электросети по мере его разрядки и от электродвигателей вращения колес, возвращающих энергию в аккумулятор при торможении автомобиля.

Однако экономия атмосферного кислорода от использования электромобиля происходит только при подзарядке их аккумуляторов от электросети гидро-, ветро-, атомных и солнечных электростанций, которых на Земле пока явно недостаточно. Подзарядка электромобилей от тепловых электростанций, работающих на углеводородном топливе, из-за высокого кислородопотребления последних и низкого КПД преобразования тепловой энергии в электрическую, проблему экономии атмосферного кислорода не решает.

Известен гибридный автомобиль [27] с пониженным потреблением атмосферного кислорода, содержащий последовательно соединенные бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, электронный преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес, соединенные по сигнальным и управляющим входам/выходам через бортовую электронно-вычислительную машину (ЭВМ) с пультом управления автомобилем. При этом бортовой источник электрической энергии выполнен в виде высокооборотного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), на валу которого установлен генератор электрического тока. Снижение потребления атмосферного кислорода здесь происходит за счет стабильности вращения вала ДВС источника электроэнергии и отсутствия необходимости форсажа ДВС, требующего увеличенных затрат топливной смеси при движении обычных автомобилей по пересеченной местности.

Недостатком известного гибридного электромобиля являются относительно большие затраты атмосферного кислорода на окисление горючего бортового источника электроэнергии, сравнимые по весу и объему с расходом используемого углеводородного топлива в автомобильном транспорте с ДВС.

Постановка задачи. Задачей изобретения является снижение потребления автомобилем атмосферного кислорода.

Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является повышение КПД преобразования химической энергии топливной смеси в электрическую энергию зарядки аккумулятора и, как следствие, в механическую энергию движения гибридного автомобиля.

Сущность изобретения. Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что гибридный автомобиль, содержащий последовательно соединенные бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, электронный преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес, соединенные по сигнальным и управляющим входам/выходам через бортовую электронно-вычислительную машину (ЭВМ) с пультом управления автомобиля, согласно изобретению бортовой источник электрической энергии содержит плазмохимический реактор импульсного действия, на плазменном выходе которого последовательно установлены магнитогидродинамический (МГД) генератор и каталитический аккумулятор, соединенные по выходному напряжению с накопителем электрической энергии, электрический привод колес содержит электронный коммутатор питающего трехфазного напряжения и блок асинхронных электрических двигателей для вращения колес электромобиля, статорные обмотки которых по питающему трехфазному напряжению соединены с выходом электронного преобразователя через электронный коммутатор, управляющий вход которого через бортовую ЭВМ соединен с пультом управления автомобиля.

При этом МГД-генератор выполнен кондукционного или индукционного типа. Накопитель электрической энергии выполнен в виде химического или конденсаторного аккумулятора электрической энергии. Асинхронные электрические двигатели для вращения колес электромобиля выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес автомобиля через дифференциальную передачу или путем непосредственной установки колес на валах вращения асинхронных двигателей.

Доказательство решения поставленной задачи. Выполнение бортового источника электрической энергии в виде плазмохимического реактора импульсного действия, на плазменном выходе которого последовательно установлены МГД-генератор и каталитический аккумулятор, соединенные по выходному напряжению с накопителем электрической энергии, позволяет повысить коэффициент преобразования внутренней энергии топливной смеси в электрическую энергию за счет возбуждения детонационной плазмохимической реакции разложения (диссоциаций) молекул и атомов топливной смеси на составляющие заряженные частицы под комплексным воздействием электрического разряда и СВЧ- излучения. В свою очередь повышение КПД преобразования внутренней энергии топливной смеси в электрическую энергию позволяет увеличить глубину переработки топливной смеси и, как следствие, уменьшить затраты атмосферного кислорода для электропитания силовых агрегатов гибридного автомобиля и одновременно обеспечить (при использований в качестве топливной смеси составляющих газов атмосферного воздуха и/или паров воды) независимость автомобиля от АЗС и других наземных источников углеводородного топлива.

Выполнение МГД-генератора кондукционного или индукционного типа, накопителя электрической энергии - в виде химического или конденсаторного аккумулятора электрической энергии, асинхронных электрических двигателей для вращения колес электромобиля - с возможностью соединения их валов с валами вращения колес автомобиля через дифференциальную передачу или путем непосредственной установки колес на валах вращения асинхронных двигателей позволяет оптимально использовать известную элементную базу для реализации заявленного гибридного автомобиля и дальнейшего повышения его КПД.

Описание чертежей. На фиг.1 представлена функциональная схема гибридного автомобиля, на фиг.2 - функциональная схема его бортового источника электрической энергии, на фиг.3 - зависимость средней мощности возбуждения плазмохимической реакции и выходной мощности гибридного автомобиля от частоты следования энергетических импульсов бортового источника электропитания гибридного автомобиля в логарифмическом масштабе.

Описание изобретения в статике. Гибридный автомобиль (фиг.1) содержит последовательно соединенные бортовой источник 1 электрической энергии, накопитель 2 электрической энергии, электронный преобразователь 3 электрической энергии накопителя 2 в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес 4, соединенные по сигнальным и управляющим входам/выходам через бортовую ЭВМ 5 с пультом 6 управления автомобилем интерфейсной линией связи 7. Электрический привод колес 4 включает электронный коммутатор 8 и блок асинхронных электрических двигателей 9 для вращения колес 4 автомобиля. Статорные обмотки двигателей 9 по питающему трехфазному напряжению соединены с выходом электронного преобразователя 3 через электронный коммутатор 8. Управляющие входы преобразователя 3 и коммутатора 8 через интерфейсную линию связи 7 и бортовую ЭВМ 5 соединены с пультом 6 управления автомобилем. Асинхронные электрические двигатели 9 для вращения колес 4 электромобиля выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес 4 автомобиля через дифференциальную передачу или путем непосредственной установки колес на валах вращения асинхронных двигателей 9. Бортовой источник 1 (фиг.2) электрической энергии выполнен по схеме плазмохимического реактора [17, 18] и содержит детонационную камеру 1.1 с обратным клапаном 1.2 подачи газовой смеси: атмосферного воздуха с влажностью не ниже 70%, дымовых газов (СО₂ - 80%) и/или паров воды. На корпусе камеры 1.1 установлены СВЧ-генератор 1.3 с выводом СВЧ-излучения в полость камеры 1.1, а также установлены электроды 1.2 разрядника 1.4. Разрядник 1.4 выполнен по схеме электрошокера с цифровым управлением по частоте поджига электроразрядной плазмы в полости камеры 1.1 и содержит последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь, электронный коммутатор питающего напряжения и умножитель напряжения с удельным выходным напряжением 32 кВ/см. Вход цифроаналогового преобразователя разрядника 1.4 соединен через интерфейсную линию 7 связи - с ЭВМ 5. Электропитающие входы разрядника 1.4 и модулятора 1.5 соединены через преобразователь напряжения 1.14 с электродами накопителя 2, а их управляющие входы по частоте следования импульсов возбуждения плазмохимической реакции в камере 1.1 через интерфейсную линию связи 7 - с ЭВМ 5. Для уменьшения энергетических затрат на инициирование плазмохимической реакции в полости камеры 1.1 СВЧ-генератор 1.3 выполнен с длинной волны 1.2 см и/или 5 мм, попадающей в полосу поглощения молекул и атомов атмосферного воздуха и паров воды. На плазменном выходе камеры 1.1 последовательно установлены МГД-генератор 1.6 индукционного или кондукционного типа и каталитический аккумулятор 1.7 для непосредственного преобразования энергии истекающей плазмы в электрическую энергию. МГД-генератор 1.6 и каталитический аккумулятор 1.7 соединены по выходному напряжению с накопителем 2 электрической энергии. Каталитический аккумулятор 1.7 содержит расширительную камеру для адиабатического охлаждения плазмы с входным 1.8 и выходным 1.9 соплами. Сопло 1.8 выполнено в виде сопла Ловаля, а сопло 1.9 - в виде сопла Маха. Выход сопла 1.9 по отработанной газовой плазме соединен трубопроводом 1.10 с входом нейтрализатора 1.11 вредных выбросов. Нейтрализатор 1.11 содержит последовательно соединенные трубопроводами вентилятор, катализатор с внутренним покрытием из редкоземельных материалов и разделительный фильтр, один выход которого по недостаточно отработанной (имеющей энергетическую ценность) газовой смеси соединен через клапан 1.12 с входом камеры 1.1, а по отработанной - с выхлопной трубой 1.13 непосредственно или дополнительно к ней через сборник твердых отходов плазмохимической реакции (на фигурах не показано). Корпус каталитического аккумулятора 1.7 выполнен из немагнитного материала и снабжен с двух противоположных сторон магнитными пластинами, создающими внутри аккумулятора 1.7 постоянное магнитное поле, перпендикулярное направлению движения плазмы. Внутри корпуса аккумулятора 1.7 установлен также блок пластинчатых конденсаторов, электрические пластины которых с одноименным зарядом соединенных между собой и с электродами аккумулятора 1.7. Пластины пластинчатых конденсаторов установлены параллельно вдоль направления движения плазмы и перпендикулярно направлению магнитного поля в аккумуляторе 1.7, образуя соответствующие протоки плазмы между разноименными по заряду пластинами. Электроды каталитического аккумулятора 1.7 а также МГД-генератора 1.6 соединены через блок 1.14 преобразователей напряжений (адаптеров) и зарядных устройств с накопителем 2 электрической энергии. Накопитель 2 выполнен в виде химического или конденсаторного аккумулятора электрической энергии и соединен по питающему выходу с преобразователем 3 постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение, а по возвратному входу электрической энергии торможения автомобиля - через электронный коммутатор 8 с генераторными выходами электродвигателей 9. Для облегчения запуска бортового источника 1 электропитания после длительной стоянки автомобиля и разряде аккумуляторных батарей накопителя 2, последний снабжен электрическим разъемом 2.1 для подключения к внешней электрической сети. Для снижения энергетических затрат на возбуждение детонационной экзотермической реакции в камере 1.1 сгорания и защиты последней от перегрева источник 1 электропитания может быть выполнен со следующими параметрами: длина волны электромагнитного излучения λ=0.5 или 1.2 см, длительность СВЧ-импульса τ≤10^-7 с, энергия в импульсе Е^вх _и=1-10 Дж, диапазон регулировки частоты следования электромагнитных импульсов ΔF= от 1 до 300 Гц. Камера 1.1 сгорания (фиг.2) источника 1 выполнена шаровидной формы с внутренним диаметром, кратным λ/2. Корпус камеры 1.1 выполнен из стали и покрыт с внешней стороны слоем свинца (для исключения выхода рентгеновского излучения из полости камеры 1.1), а с внутренней - слоем термостойкого диэлектрика, например керамики или фарфора. Внутренний объем камеры 1.1 сгорания составляет единицы см³. Конкретное значение объема V камеры 1.1 определяется из условия V=Е_и ^вых/ΔЕ_уд ^плазмы, где Е_и ^вых, ΔЕ_уд ^плазмы - предельно допустимое значение энергии (Дж) детонации плазмы в камере 1.1, исключающей разрыв последней, и удельная энергия (Дж/см³) атмосферного воздуха соответственно. Для создания стримера (ионизации окиси углерода, входящей в состав атмосферного воздуха с плотностью N_CO=10⁷-10⁸ см^-3), выходное напряжение V_вых разрядника 1.4 выбрано не менее V_вых=30 кВ/см×L, где L - расстояние между электродами 1.15 в камере 1.1 сгорания.

Описание изобретения в динамике. Гибридный автомобиль работает следующим образом. Перед первым запуском бортового источника 1 электропитания к разъему 2.1 накопителя 2 энергии подключают внешнее электропитание для зарядки его аккумуляторов. После зарядки аккумуляторов и отключения накопителя 2 от внешней электросети водитель с пульта 6 съемным ключом зажигания выдает на бортовую ЭВМ 5 сигнал включения бортового источника 1 электропитания автомобиля. При этом ЭВМ 5 по заданной в ее памяти программе включения бортового источника 1 электропитания вырабатывает в цифровой форме серию запускающих импульсов, которые выдаются с соответствующим временным сдвигом через интерфейсную линию связи 7 на разрядник 1.4 и модулятор 1.5. При этом вначале включается разрядник 1.4, повышенное напряжение которого инициирует электрический пробой газовой среды между электродами 1.15 в камере 1.1. При этом в камере 1.1 образуется стример с плотностью плазмы n_e≈10⁷ см^-3. Дальнейшее увеличение плотности плазмы производится за счет энергии ударной ионизации СВЧ-излучением генератора 1.3. При достижении плотности плазмы n_e≥10¹⁴ см^-3 и в условиях ограничения ее релаксации в камере 1.1 возникает плазмохимическая реакция детонационного типа, связанная с частичным разрушением молекулярных и атомных связей за счет собственного корпускулярного излучения плазмы. При этом плотность плазмы лавинно повышается до предельно допустимой (в камере 1.1) величины n_e≈n₀=10¹⁹÷10²¹ см^-3, где n₀ - максимально возможная плотность нейтральных частиц в нижних до 300 м слоях атмосферы. При этом согласно [14÷19] плотность выходной энергии при каждом импульсе поджига плазмы может достичь значения ΔЕ_вых=10⁵÷10⁷ Дж/см³ при затратах энергии на инициирование плазмохимической реакции ΔЕ_вх=(1÷10) Дж/см³. Такая потенциальная энергия газовой смеси на выходе камеры 1.1 превышает плотность энергии тротила (ΔЕ=2×10³ Дж/см^-3) на 2-4 порядка. Для исключения разрыва камеры 1.1 при детонации плазмы необходимо снижать объем камеры 1.1 и/или снижать плотность n₀ (частичное вакуумирование) нейтральной газовой среды перед дозированной подачей ее на вход камеры 1.1. При детонации плазмы в камере 1.1 обратный клапан 1.2 закрывается, и плазма n_e выбрасывается через сопло 1.8 Ловаля в каталитический аккумулятор 1.7. Проходящая через сопло 1.6 Ловаля импульсная энергия движущейся плазмы МГД-генератором 1.6 частично преобразуется в электрическую энергию, обеспечивающую подзарядку силовых аккумуляторов накопителя 2, и частично нейтрализуется, образуя нейтральные частицы, положительные и отрицательные ионы. Остаточная энергия плазмы на выходе сопла 1.8 поступает на вход каталитического конденсатора 1.7, где происходит ее расширение (адиабатическое охлаждение) и дополнительное прямое преобразование ее энергии в электрическую энергию. Под действием силы Лоренца плазма, проходящая между токопроводящими обкладками конденсатора 1.7 перпендикулярно магнитному полю, образованному магнитными пластинами, закрепленными на корпусе конденсатора 1.7, разделяется на два разноименных по электрическому заряду потока положительных и отрицательных частиц плазмы. При этом применительно к конденсатору 1.7, представленному на фиг.2, под действием силы Лоренца на отрицательной обкладке конденсатора 1.7 накапливаются электроны и отрицательные ионы, а на положительной - положительные ионы. Разность потенциалов с конденсатора 1.7 передается через блок 1.14 преобразователей напряжений и зарядных устройств на накопитель 2 для дополнительной к МГД-генератору 1.6 подзарядки силовых аккумуляторов накопителя 2 электрической энергии. Нейтральная часть плазмы с нулевым зарядом, состоящая из химических элементов, вновь образованных в результате плазмохимической реакции, например диоксид азота, а также не прореагировавшая в камере 1.1 часть нейтральных атомов газовой смеси отсасывается из конденсатора 1.7 через сопло 1.9 Маха и трубопровод 1.10 в нейтрализатор 1.11 его насосом. В нейтрализаторе 1.11 производится очищение результатов плазмохимической реакции от вредных выбросов путем их фильтрации от твердых отходов, разложения вредных газовых выбросов с помощью микрофильтров с редкоземельными элементами на безвредные составляющие. Очищенные газы выбрасываются в выхлопную трубу, а восстановленные газовые составляющие, способные к дальнейшей переработке, через клапаны 1.12 и 1.2 возвращаются в камеру 1.1 для дальнейшей переработки. После засорения фильтров вредными выбросами плазмохимической реакции последние подлежат утилизации. Для увеличения дальности пробега автомобиля может быть предусмотрен бак накопитель фильтров и/или бак сборник твердых и жидких отходов плазмохимической реакции. Адиабатическое расширение импульсного потока плазмы в корпусе конденсатора 1.7, а также непрерывное отсасывание из него продуктов плазмохимической реакции обеспечивают сглаживание процесса преобразования энергии движения ионизированных газов в электрическую энергию каталитического конденсатора 1.7 и энергообеспечения силовых аккумуляторов накопителя 2. После зарядки накопителя 2 до номинального значения водитель автомобиля на пульте 6 включает режим движения. При этом ЭВМ 5 подает управляющий сигнал на преобразователь 3 для его подключения к силовым аккумуляторам накопителя 2 и преобразования постоянного напряжения указанных аккумуляторов в переменное трехфазное напряжение. Далее водитель включает направление движения автомобиля рычагом «вперед-назад». При этом ЭВМ 5 выдает сигнал на электронный коммутатор 8 для переключения статорных обмоток двигателей 9 в выбранное направление вращения колес 4. Затем водитель педалью скорости движения автомобиля задает через ЭВМ 5 на преобразователь 3 частоту трехфазного напряжения, пропорциональную скорости вращения колес 5. При этом трехфазное напряжение заданной частоты преобразователя 3 через электронный коммутатор 8 подается одновременно на статорные обмотки двигателей 9, передних и/или задних колес 4 в зависимости от выбранного водителем режима движения исходя из качества дороги и скоростных ограничений. Нажатие водителем на педаль тормоза обеспечивает выдачу ЭВМ 5 команд на коммутатор 3 для переключения обмоток статора двигателей 5 на обратное движение и команд на преобразователь 3 для изменения частоты напряжения, пропорциональной силе нажатия на педаль тормоза. При этом двигатели 9 переходят на режим генерации электроэнергии, а именно преобразования при торможении колес энергии инерции автомобиля в электрическую энергию. При этом электроэнергия торможения с обмоток двигателя 9 через электронный коммутатор 8 и соответствующий адаптер накопителя 2 возвращается для подзарядки силовых аккумуляторов накопителя 2, осуществляя экономию электроэнергии источника 1. В дальнейшем при длительном простое автомобиля ЭВМ 1.5 контролирует уровень зарядки аккумуляторов накопителя 2. При снижении напряжения силовых аккумуляторов накопителя 2 ниже допустимого предела ЭВМ 5 автоматически запускает источник 1 электропитания и после зарядки аккумуляторов автоматически отключает источник 1. Далее процесс использования гибридного автомобиля повторяется.

Коэффициент полезного действия (КПД) источника 1 электрической энергии гибридного автомобиля с камерой 1.1, внутренний объемом которой составляет V_1.1=1 см³, может быть рассчитан в первом приближении из выражения

где:

- Е^{атм.газ} _{топлива}=(10⁵÷10⁷) Дж/см³ - удельная энергия выхода при плазмохимической реакции атмосферного воздуха [14÷15];

- Е² _потери - потери энергии в источнике 1;

- Е¹² _{возбуждения} =1 Дж/см³ - требуемая удельная энергия возбуждения плазмохимической реакции в камере 1.1 источника 1 электрической энергии [17];

- η_1.6, η_1.7, η₂, η_1.4, η_1.5, η_1.3 - коэффициент полезного действия МГД-генератора 1.6, каталитического аккумулятора 1.7, накопителя энергии 2, разрядника 1.4, модулятора 1.5 и СВЧ-генератора 1.3 по преобразованию соответствующего им вида энергии,

Для пессимистических оценок коэффициента полезного действия (КПД¹ _мин) источника 1 выберем наихудшие значения указанных параметров, известные из уровня техники, а именно Е^{атм.газ} _{топлива}=10⁵ Дж/см³, η_1.6=0.3, η_1.7=0.6, η₂=0.7, η_1.4=0.1, η_1.5=0,7, η_1.3=0.01. Тогда, подставляя выбранные значения параметров в выражения (1÷2), получим минимальное значение КПД¹ _мин=0.7. При Е^{атм.газ} _{топлива}=10⁷ Дж/см³ и тех же значениях КПД элементов 12÷14 максимальное значение KПД²=КПД²мах может превышать значение 0,9. Реальное КПД источника 1 может быть несколько ниже расчетных значений, поскольку доля кинетической энергии детонационной волны в общем потоке энергии, излучаемой разогретой плазмой, может составлять не более 80%. Высокое значение КПД¹ бортового источника 1 электропитания связано с превышением на 5-7 порядков удельной энергии выхода результатов плазмохимической реакции газов атмосферного воздуха по сравнению с энергией на возбуждение этой реакции.

Промышленная применимость. Предлагаемый гибридный автомобиль с плазмохимическим источником энергии может быть использован в качестве индивидуального, пассажирского и грузового транспорта, обеспечивающего снижение потребление кислорода не менее чем на порядок по сравнению с транспортом аналогичной мощности, работающим на бензине, горючем газе и дизельном топливе. В качестве топлива в нем могут использоваться негорючие в нормальном состоянии газы, например дымовые газы (СО₂ - 80%), атмосферный воздух (азот, кислород, окись и двуокись углерода, пары воды и др.) и/или пары воды (Н₂О), являющиеся преимущественно источником кинетической энергии, выделяющейся при плазмохимической реакции взрывного типа. При этом с атомов кислорода, азота, паров воды и других газов, составляющих атмосферный воздух, слетают верхние электронные оболочки, образуются ионы и другие активные частицы, с кумулятивным выбросом энергии частичного ядерного распада атомов [10, 11, 14, 15, 24]. Экспресс-оценка средних значений входной Р_вх и выходной Р_вых мощности гибридного автомобиля в зависимости от частоты поджигающих импульсов представлена на фиг.3 в логарифмическом масштабе. Из энергетических зависимостей, представленных на фиг.3, видно, что источник 1 при частоте F следования импульсов генератора 1.5 и разрядника 1.4 для поджига атмосферного воздуха в камере 1.1 сгорания, равной F=5, может обеспечить мощность тяги автомобиля не менее 250 л.с. При этом средний расход атмосферного кислорода (О₂) на час движения гибридного автомобиля не превышает 25 грамм. Для сравнения малолитражный автомобиль с расходом бензина 6 кг/час для окисления этого количества бензина потребляет в час не менее 1.2 кг кислорода.

Отсюда видна перспективность использования гибридных автомобилей с бортовым плазмохимическим источником энергии, не требующим дорогостоящего углеродного топлива и снижающим расход атмосферного кислорода не менее чем в 48 раз по сравнению с известными автомобилями аналогичной мощности.

Источники информации

1. Амирханова Н.А., Минченкова Н.Х., Сабуров И.С. Дефицит кислорода в атмосфере. «Экология», http://zonaeco.ru/, март, 2011.

2. Звонов А.А., Ратова Е.Н. Лазерная электростанция. RU 2076470, МПК: H05F 7/0, 1997.

3. Звонов А.А., Тарасенко В.Ф. Лазерная антенна. RU 2081488, МПК: H01Q 13/20, 1997.

4. Герман Дж. Р., Гольберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

5. Справочник по системотехнике. Под ред. Р.Макола. М.: Советское радио, 1970, с.59.

6. Матвеев В.А., Звонов А.А. Расчетно-платежная система учета и оплаты использования воздухопотребляющего оборудования. RU 95148, G06F 17/60, 2010.

7. Ивченко В.И. и др. Способ обработки топлива двигателей внутреннего сгорания. МПК: F02M 27/00, F02B 51/00, 1984.

8. Андреев Е.И. и др. Способ подготовки топливно-воздушной смеси и устройство для его осуществления. RU 2229619, МПК: F02M 27/00, F02B 51/00, 2004.

9. Андреев Е.И. и др. Устройство для обработки воздуха топливно-воздушной смеси. RU 2229619, МПК: F02M 27/00, F02B 51/00, 2004.

10. Whittaker D.G.M. Method of energising a working fluid and deriving useful work. GB 2241746, МПК: F02B 43/10; F02B 51/04; F02P 9/00; F02P 23/04; F02B 1/04; F02B 3/06; F02B 43/00; F02B 51/00; F02P 9/00; F02P 23/00; F02B 1/00; F02B 3/00, 1991.

11. Ward M. Combustion in an internal combustion engine. GB 1515148, F02P 23/00; F02P 23/04; F02B 3/06; F02P 23/00; F02B 3/00, 1978.

12. Монич А.Е. и др. Mode of operation of an internal combustion engine. EA 4214, МПК: F02B 1/12; F02B 51/04, 2004.

13. Gonze Е.V. Combustion engine with multi-fuel capability. CA 1324426, 1993.

14. Чуканов К.Б. Methods and systems for generating high energy photons or quantum energy. US 2003094911, G21B 1/00; G21K 1/00; G21B 1/00; G21K 1/00, 2003.

15. Чуканов К.Б. Transition of a substance to a new state through use of energizer such as RF energy. US 5537009, МПК: Н05В 41/24; H05B 41/24, 1996.

16. Матвеев В.А., Звонов А.А. Микроволновый плазменный двигатель внутреннего сгорания. WO 2011005135, 2010.

17. Матвеев В.А., Звонов А.А. Газовый реактор. RU 2408418, МПК: Н02К 44/08; Н05Н 1/24, 2011.

18. Матвеев В.А., Звонов А.А. Газовый реактор с СВЧ-возбуждением. RU 91498, МПК: Н02К 44/08; Н05Н 1/24, 2010.

19. Матвеев В.А., Звонов А.А. Электрореактивный плазменный двигатель импульсного действия. МПК: F02P 23/08, RU 91385, 2010.

20. Звонов А.А., Басаргин О.С. Устройство для утилизации дымовых газов. WO 2010123391, МПК: B01D 53/32, F01N 3/027, 2009.

21. Матвеев В.А., Звонов А.А. Устройство для получения энергии из дымовых газов, WO 2010128877, МПК: Н03Н 1/24, Y 0244/08, 2009.

22. Звонов Д.А., Звонов А.А. Устройство конструкции Звоновых для сварки и резки материалов. МПК: В23К 28/02, В23К 9/00, В23К 26/00, В23К 15/00, В23К 17/00, 1998.

23. А.С.Енохович. Краткий справочник по физике. М:. Высшая школа, 1969, с.32.

24. В.М.Батенин и др. СВЧ - генераторы плазмы. Энергоатомиздат, 1988, с.28-29.

25. У.Хоре. Физика плазмы. Энергоатомиздат, 1986.

26. Григорчук В.С. Электромобиль. RU 2385238, МПК: B60L 11/12, 2010.

27. Кикути Йосиаки. Гибридное транспортное средство, способ управления гибридным транспортным средством и устройство выдачи мощности. RU 2334624, МПК: В60К 6/00, B60L 11/00, B60W 20/00, 2008.

Изобретение относится к автомобильному транспорту, использующему в качестве силового привода колес электродвигатели. Гибридный автомобиль содержит бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, электронный преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение, электрический привод колес, бортовую электронно-вычислительную машину (ЭВМ), пульт управления автомобиля. Бортовой источник электрической энергии содержит плазмохимический реактор импульсного действия. На плазменном выходе плазмохимического реактора последовательно установлены магнитогидродинамический (МГД) генератор и каталитический аккумулятор. МГД-генератор и каталитический аккумулятор соединены по выходному напряжению с накопителем электрической энергии. Электрический привод колес содержит электронный коммутатор питающего трехфазного напряжения и блок асинхронных электрических двигателей. Статорные обмотки асинхронных электрических двигателей по питающему трехфазному напряжению соединены с выходом электронного преобразователя через электронный коммутатор. Управляющий вход электронного коммутатора через бортовую ЭВМ соединен с пультом управления автомобиля. Технический результат заключается в повышении КПД гибридного автомобиля. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Гибридный автомобиль, содержащий последовательно соединенные бортовой источник электрической энергии, накопитель электрической энергии, электронный преобразователь электрической энергии накопителя в трехфазное переменное напряжение и электрический привод колес, соединенные по сигнальным и управляющим входам/выходам через бортовую электронно-вычислительную машину (ЭВМ) с пультом управления автомобиля, отличающийся тем, что бортовой источник электрической энергии содержит плазмохимический реактор импульсного действия, на плазменном выходе которого последовательно установлены магнитогидродинамический (МГД) генератор и каталитический аккумулятор, соединенные по выходному напряжению с накопителем электрической энергии, электрический привод колес содержит электронный коммутатор питающего трехфазного напряжения и блок асинхронных электрических двигателей для вращения колес автомобиля, статорные обмотки которых по питающему трехфазному напряжению соединены с выходом электронного преобразователя через электронный коммутатор, управляющий вход которого через бортовую ЭВМ соединен с пультом управления автомобиля.

2. Гибридный автомобиль по п.1, отличающийся тем, что МГД-генератор выполнен кондукционного или индукционного типа, а каталитический аккумулятор содержит корпус из немагнитного материала, снабженный с двух противоположных наружных сторон магнитными пластинами, создающими внутри аккумулятора постоянное магнитное поле, перпендикулярное направлению движения плазмы, внутри корпуса аккумулятора установлен блок пластинчатых конденсаторов, пластины которых установлены параллельно вдоль направления движения плазмы и перпендикулярно направлению магнитного поля в аккумуляторе, образуя соответствующие протоки плазмы между разноименными по заряду пластинами, соединенными с соответствующими электродами аккумулятора.

3. Гибридный автомобиль по п.1, отличающийся тем, что накопитель электрической энергии выполнен в виде химического или конденсаторного аккумулятора электрической энергии.

4. Гибридный автомобиль по п.1, отличающийся тем, что асинхронные электрические двигатели для вращения колес автомобиля выполнены с возможностью соединения их валов с валами вращения колес автомобиля через дифференциальную передачу или путем непосредственной установки колес на валах вращения асинхронных двигателей.