Номера

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

Главная / №5 (23) Сентябрь-Октябрь 2008 / Тема номера

Линейный бензогенератор (дизель-генератор)

Исторически сложилось, что двигатель и генератор электрической энергии использовались как два различных агрегата и только при необходимости их соединяли в один. Так как вращательное движение удобнее для использования, то в двигателе возвратно-поступательное движение преобразовывалось во вращательное движение. Но 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 мною 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.
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. 2, 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. Также избыточное давление в предпускной камере управляет затвором для подачи топлива к форсунке впрыска топлива. Например, если в предпускной камере присутствует избыточное давление, то подача топлива к форсунке невозможна.

При достижении поршнем (компрессионными кольцами) продувных окон, рис. 3, 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. При этом давление в предпускной камере падает, это давление открывает затвор для подачи топлива, но топливо, пока не закрыты продувные окна, подаваться не может.

Далее при рабочем цикле в противоположном цилиндре осуществляется цикл сжатия.

При движении поршня справа налево, рис. 2, поршнем закрываются продувные окна, при совпадении топливного канала и канала управления впрыском осуществляется впрыск жидкого топлива, в этот момент воздух в камере сгорания находится под небольшим избыточным давлением начала цикла сжатия. 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.

Система вентиляции цилиндров изображена на рис. 3. Вентиляция цилиндров осуществляется путем продувки цилиндров через продувные окна.

В генераторе средней и высокой мощности синхронизация движения шатунов достигается путем уменьшения тока возбуждения отстающего шатуна, а также с помощью параллельного соединения обмоток генераторов (получаем высокий коэффициент усиления по отрицательной обратной связи).

Синхронизация осуществляется аналогично синхронизации нескольких генераторов, включенных в одну сеть, параллельным соединением силовых обмоток. При этом имеем высокий коэффициент усиления по отрицательной обратной связи. При рассинхронизации появляются большие силы, которые пытаются уравнять скорости шатунов синхронно работающих генераторов по аналогии включения нескольких генераторов переменного тока в одну сеть.

Система зажигания отсутствует. Зажигание осуществляется за счет компрессии в цилиндрах, так как верхняя мертвая точка в таком двигателе однозначно не определена.

Запуск осуществляется тремя короткими мощными импульсами тока, при этом генератор работает в режиме двигателя. Импульсы тока получаем с клемм конденсатора, предварительно зарядив его за некоторое время, через повышающий трансформатор (50-100 кГц) от маломощного источника питания. Также запуск можно осуществлять с помощью сжатого воздуха.

Регулирование выходного напряжения осуществляется путем изменения частоты работы генератора. Например, если выходное напряжение отклоняется от эталонного, то блок управления изменяет ток возбуждения электропривода топливного насоса, в результате его мощность изменяется и изменяется давление топлива перед форсункой впрыска топлива. При этом изменяется порция впрыска топлива, что приводит к обогащению или обеднению топливной смеси. Это приводит при неизменной нагрузке к изменению частоты движения шатуна.

Преимущества генератора прямого преобразования

  1. Малые габариты и вес из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма.
  2. Высокая наработка на отказ из-за отсутствия кривошип-но-шатунного механизма, системы зажигания и из-за присутствия только продольных нагрузок.
  3. Невысокая цена из-за отсутствия кривошипно-шатунно-го 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.

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 соос-ны, 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 магнитопро-вод не с отдельных пластин (для уменьшения вихревых токов), а с цельного куска материала, что значительно увеличит прочность магнитопровода и уменьшит трудоемкость изготовления.

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.

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.

Математическая модель генератора строится на основе законов Ньютона, рис. 6. 

Устройство для регулирования объема камеры сгорания изображено на рис. 7. 

Регулирование объема камеры сгорания осуществляется аналогично регулировке массы тестовой заготовки в тесто-делительной 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, рис. 7. 

Все вышеописанные узлы и агрегаты, принципы построения применялись раньше по отдельности и показали свою работоспособность. Например, продувка цилиндров в предложенном двигателе осуществляется по аналогии с продувкой цилиндров в двухтактном дизеле силового агрегата танка Т-64, только в двигателе танка наддув осуществляется с помощью турбины.

Основное применение описанного генератора — источник бесперебойного питания на предприятиях небольшой мощности, позволяющий подключенному оборудованию продолжительное время работать при пропадании сетевого напряжения или при выходе его параметров за допустимые нормы.

Такие генераторы могут применяться для обеспечения электрической энергией промышленного и бытового электрооборудования, в местах отсутствия электрических сетей, а также в качестве силового агрегата для транспортного средства.

Ю. Г. СКОРОМЕЦ.