ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 621.313.5/.8.001.57 https://doi.org/10.18503/2311-8318-2018-2(39)-70-74
Соколова Е.М., Мощинский Ю.А., Шумов К.В.
Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
ЛИНЕЙНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ В СХЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АМОРТИЗАТОРА
Рассмотрены вопросы создания линейных генераторов с постоянными магнитами возвратно-поступательного движения. Применение высокоэнергетических постоянных магнитов делают перспективы их разработки вполне реальными, в частности при создании электрических амортизаторов, которые являются альтернативным вариантом амортизаторов гидравлических, широко применяемых в автомобилестроении. В электрическом амортизаторе кинетическая энергия колеблющегося элемента подвески преобразуется в электрическую. Эта энергия может быть использована для питания различных приборов автомобиля. Показано, что при выборе конструкции амортизатора предпочтительной оказалась конструкция с коротким наружным индуктором, в пазах которого расположена трехфазная обмотка генератора. Вторичный элемент имеет радиально намагниченные постоянные магниты на основе редкоземельных материалов. Вследствие относительного линейного перемещения элементов первичного с обмоткой и вторичного с постоянными магнитами, в обмотке индуцируется переменное напряжение, которое выпрямляется трехфазным выпрямителем и подается на аккумулятор. Представляет интерес оценить, какая часть энергии колебаний преобразуется в электрическую, а также электромагнитную силу, ее пиковые значения, время переходного процесса, число колебаний. Представлена математическая модель электрического амортизатора в пакете МАТЬАВЛЗгтиНпк, позволяющая исследовать переходные процессы при различных законах изменения возмущающей силы. Приведены результаты исследования движущей силы, тока, скорости и перемещения от времени. Исследования показали, что для улучшения работы амортизатора необходимо параллельно аккумулятору подключить добавочное сопротивление, величина которого определяется для каждого конкретного случая. Предложенная математическая модель может быть использована в алгоритмах управления микропроцессоров систем подвески автомобилей и других средств передвижения.
Ключевые слова: электрический амортизатор, линейный генератор, постоянные магниты, Simulink-модель.
Введение
В современных технологиях успешно применяются линейные генераторы малой и средней мощности возвратно-поступательного движения. В частности, возникли предпосылки для создания таких генераторов мощностью в несколько десятков киловатт для гибридных автомобилей. Применение в линейных генераторах высокоэнергетических постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов делает перспективу их разработки вполне реальной.
В автомобилях одной из важных составляющих для обеспечения максимального комфорта является система подвеса, при которой пассажир не ощущает тряску при езде по неровной дороге. Для этого служат гидравлические амортизаторы. При колебаниях упругого элемента подвески залитая в амортизатор жидкость перетекает из одной полости в другую через небольшие отверстия, которые оказывают сопротивление этому перетеканию. Альтернативой такому гидравлическому амортизатору может быть электрический амортизатор, в котором кинетическая энергия колеблющегося элемента подвески преобразуется в электрическую энергию .
Эта энергия может быть использована для зарядки аккумулятора, который является ее накопителем, и в дальнейшем может быть использована для питания контрольно-измерительных приборов, освещения панели приборов управления, радиоприемника, магнитолы, вентилятора, электростеклопакета.
© Соколова Е.М., Мощинский Ю.А., Шумов К.В., 2018
Основные проблемы
Электрический амортизатор представлен на рис. 1. Он состоит из линейного генератора, пружины и накопителя электрической энергии. Были рассмотрены различные варианты конструкции линейного генератора. Предпочтительной оказалась конструкция с коротким наружным индуктором, в пазах которого расположена трехфазная обмотка генератора. Вторичный элемент имеет радиально намагниченные постоянные магниты. В качестве постоянных магнитов используются магниты на основе редкоземельных материалов №-Ре-Б, поскольку они обладают более высокой удельной магнитной энергией при сравнительно низкой стоимости исходных материалов по сравнению с другими марками магнитов.
Во время колебаний автомобиля вторичный элемент пермещается относительно индуктора. Вследствие относительного линейного перемещения элементов — первичного с обмоткой и вторичного с постоянными магнитами в обмотке индуцируется переменное напряжение, которое затем выпрямляется трехфазным выпрямителем и подается на аккумулятор. Здесь аккумулятор является накопителем электрической энергии. Так как магнитное поле, созданное постоянными магнитами, меняется относительно индуктора, его сердечник выполняется шихтованным, чтобы уменьшить магнитные потери на гистерезис и вихревые токи.
Существует ряд научных проблем, которые необходимо решить при создании электрического амортизатора. В частности, представляет интерес определить, какая часть энергии колебаний преобразуется в электрическую энергию, также важно оценить электромагнитную силу, ее пиковое значение, время переходного процесса, число и размах колебаний.
Рис. 1. Конструкция электрического амортизатора
При разработке электромеханического амортизатора основной задачей является оценка качества переходного процесса с целью учета влияния параметров схемы амортизатора на динамический процесс. Такую оценку дает приложение силы в виде ступени (внезапный наброс нагрузки). Ступенчатое возмущение достаточно широко используется в теории автоматического регулирования при исследовании динамических свойств объекта.
Решение поставленной задачи
Для ответа на эти вопросы была создана математическая модель амортизатора, которая включала параметры линейного генератора, пружины, выпрямитель и аккумулятор. Предварительно был рассчитан генератор с постоянными магнитами и на основе его характеристик разработана пружина.
Расчет генератора проводился по известным методикам . Линейный генератор с постоянными магнитами заменяет гидравлический амортизатор, поэтому его характеристики должны соответствовать характеристикам последнего. Основной характеристикой механического амортизаторов является зависимость демпфирующей силы Fd, действующей на
поршень, от скорости его перемещения V: Fd=kd^vd Была выбрана стандартная характеристика гидравлического амортизатора, установленного на задней подвеске автомобиля с передним приводом . При скорости поршня vdmax=0,52 м/с, максимальная демпфирующая сила, согласно обобщенной характеристики, составляет Fdmax=1450 Н. Поэтому генератор проектировался на эту максимальную силу, развиваемую при скорости вторичного элемента v=0,52 м/с, и напряжении на выходе выпрямителя, равном напряжению аккумулятора иак=24 В.
Размеры линейного генератора и его выходные показатели приведены ниже.
Основные выходные показатели линейного генератора: выходное напряжение ивых=24 В; максимальная сила сжатия, развиваемая генератором при скорости у=0,5 м/с, F=1450 Н.
При проектировании пружины принималось, что она должна работать на сжатие, и может быть изготовлена из хромованадиевой или хромоникелевой стали, Режим работы пружины периодический, с большим интервалом пауз.
Электрическая схема амортизатора и ее элементы представлена на рис. 2.
На ней трехфазная обмотка генератора соединена с выпрямителем, который подключен к накопителю. Для обеспечения передачи энергии генератора к аккумулятору необходимо, чтобы величина ЭДС Е, индуцируемая в обмотке индуктора, превосходила напряжение аккумулятора на величину Аиа.
Для исследования основных показателей амортизатора, а также зависимости их от параметров электрической системы использовалась упрощенная эквивалентная схема замещения электрического амортизатора, представленная на рис. 3. Ключ К1, изображенной на схеме, отражает работу полупроводникового элемента — диода. Ключ закрыт, и ток проходит через него только в том случае, когда мгновенная величина ЭДС е, превышает напряжение аккумулятора.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Рис. 2. Электрическая схема амортизатора
■CZH
Ф
U,
■t
Рис. 3. Эквивалентная схема электрического амортизатора с диодом (ключ К1)
Уравнение равновесия напряжений и ЭДС для этой схемы имеет вид
e = Us + (2Ra + R )• i + L-.
(1)
где Rs, Us — сопротивление и напряжение аккумулятора; L=2La — общая индуктивность линейного генератора при работе на выпрямитель; La — индуктивность фазы.
Линейные напряжения трехфазного генератора, подключенные к трехфазному выпрямителю, могут быть записаны в следующем виде:
eAB = Ke ;
eBC = Ke ; (2)
eCA = Ke ,
где Ke = Е/ивых >1 — коэффициент ЭДС, который уточняется в процессе расчета.
Средняя величина ЭДС на выходе выпрямителя равна
E = 3л/3Еф/ ж.
(3)
Механическая система автомобиля при действии всех сил описывается следующей системой дифференциальных уравнений второго порядка :
d2 х
F + Fd = Fem + + Ff + F,
(4)
где т — расчетная масса автомобиля, приходящаяся на один амортизатор; Fem=KE•i — электромагнитная сила, i — выходной ток; Fg=m •g; g — гравитационная постоянная; Fd — движущая сила; Fs=Ksx — усилие пружины; К — постоянная пружины; х — линейное перемещение вторичного элемента линейного генератора относительно индуктора; Fj=v — сила трения; Df — коэффициент трения; V — относительная скорость вторичного элемента; Рвых=ивых/’ — мгновенная выходная мощность; ивых — выходное напряжение.
На рис. 4 приведена блок-схема модели электрического амортизатора, построенная на основании вышеприведенных уравнений в физико-математическом пакете МЛТ1АВ-^ти1М .
Начальные условия для всех интеграторов, за исключением интегратора перемещения, приняты нулевыми. Начальное условие последнего находится из решения уравнения (4) при подстановке в него значений i=v=0, йх/ск=0 и Fd=0, т. е.
mg + Fd = Ks •х.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
(5)
Тогда начальное значение х0= m g/Ks =0,093 м. После приложения ступенчатого воздействия система амортизатора реагирует на это воздействие, начинается колебательный процесс, после которого она приходит в новое положение равновесия, отличающееся от начального наличием силы Fd. Поэтому хуст определяется с учетом действия этой силы на основе баланса всех сил после завершения переходного процесса, как x^^mg+Fd/K^O^? м.
Для анализа работы электрического амортизатора в динамических режимах были проведены исследования зависимости движущей силы, тока, скорости и перемещения от времени. При моделировании были использованы следующие параметры и коэффициенты: активное сопротивление фазы генератора Ra=1,3 Ом; индуктивность фазы генератора Za=6,1 мГн; коэффициент связи напряжения и скорости KE=72 В^с/м; расчетная масса автомобиля (масса кузова, двигателя и водителя малолитражного автомобиля принята равной 400, кг) на один амортизатор m=100 кг; постоянная пружины Ks =10,3 •Ю3 Н/м; коэффициент трения £¡=0,12 Нх/м; гравитационная постоянная g=9,8 м/с2; сопротивление источника Rs=0,1 Ом; напряжение источника Us=24 В. Движущая сила представляет собой динамическую силу, действующую на амортизатор, когда автомобиль попадает на неровность во время движения, она принимается равной максимальной силе Fd= 1450 Н. Эта сила прикладывается к амортизатору после 0,1 секунды от начала моделирования. Величина и характер силы задаются в свойствах блока «Signal Builder» модели (см. рис. 4). Результаты моделирования при ступенчатом воздействии движущей силы показаны на рис. 5. На графиках представлены временные зависимости перемещения индуктора амортизатора х и скорости v.
Характер зависимости перемещения x показывает, что, после того как к амортизатору приложена усилие, колебания будут затухать до тех пор, пока ЭДС генератора превышает напряжения аккумулятора (e>Us). Эти колебания возникают, если скорость движущейся части линейного генератора превышает определенное значение. Ниже этого значения скорости индуцируемое напряжение меньше напряжения аккумулятора (e<Us). В результате ток генератора стремиться к нулю, и демпфирующая электромагнитная сила, развиваемая генератором, также стремиться к нулю, что приводит к установившимся колебаниям механической системы около установившегося значения хуст, которое равно хуст =0,235 м (см. рис. 5).
Signal Builder Terminator
Рис. 4. Модель электрического амортизатора в физико-математическом пакете MATLAB-SIMULINK
элемента при воздействии возмущающей силы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования показали, что для улучшения работы амортизатора необходимо параллельно аккумулятору подключать небольшое добавочное сопротивление, величина которого определяется для каждого конкретного случая. При включении сопротивления генератор переходит в режим, близкий к короткому замыканию, и колебания механической системы затухают гораздо быстрее, чем при его отсутствии.
В результате проделанной работы предложена математическая модель электрического амортизатора для транспортного средства, позволяющая исследовать динамические процессы и изучать качество его работы на основе анализа мгновенных значений тока, выход-
Information in English
ного напряжения, мощности, скорости и перемещения вторичного элемента.
Данная математическая модель позволяет значительно снизить затраты расчетного времени при разработке линейных генераторов с постоянными магнитами. Эта модель также может быть использована в алгоритмах управления микропроцессоров систем подвески автомобиля.
Список литературы
2. Gieras J.F., Piech Z.J. Linear Synchronous Motors. CRS, Press. 2000.
4. Мощинский Ю.А. Расчет синхронных генераторов с постоянными магнитами. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 31 с.
5. Соколова Е.М., Мощинский Ю.А. Цилиндрические линейные асинхронные двигатели. М.: Изд-во МЭИ, 1998. 26 с.
6. Проектирование электрических машин / под общ. ред. Копылова И.П. М.: Энергия, 1980. 495 с.
7. Дербаремдикер А.Д. Гидравлические амортизаторы автомобилей. М.: Машиностроение, 1969. 236 с.
8. Черных И.В. Simulink: среда создания инженерных приложений / под общ. ред. Потемкина В.Г. М.: Диалог-МИФИ, 2003. 496 с.
Поступила в редакцию 13 января 2018 г.
Linear Generator with Permanent Magnets in the Electric Shock Absorber Circuit
Jurij A. Moshhinskij
Elena M. Sokolova
Kirill V. Shumov
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Keywords: electric shock absorber, linear generator,
permanent magnets, Simulink-model.
2. Gieras J.F., Piech Z.J. Linear Synchronous Motors. CRS, Press. 2000.
Несмотря ни на что работа мысли продолжается. Так было и так всегда будет. Человек являет миру все новые, и новые изобретения. Вот и сегодня вниманию читателей мы представляем линейный генератор Олега Гунякова. Имеет ли эта разработка право на жизнь? Свой ответ на этот вопрос дает Владимир Гуревич. Отдать предпочтение одному из авторов можете и вы, приняв участие в опросе. Комментарии и обсуждения на форуме.
Содержание
Олег Гуняков: линейный генератор
Исторически сложилось, что традиционные устройства для выработки электрической энергии используют вращательное движение для перемещения обмоток в магнитном поле. В движения такие устройства приводятся различными движителями: гидротурбинами, газовыми турбинами, ветром и т.д. Одним из движителей является и традиционный двигатель внутреннего сгорания. В таких движителях химическая энергия топлива проходит многократные преобразования: сначала в поступательное движение поршней, а затем — во вращательное движение коленвала. Необходимость такого преобразования приводит, как к механическим потерям, так и к усложнению конструкции движителя в целом. Мы все на опытах физики видели одну и туже картину: преподаватель берет постоянный магнит, и начинает возвратно-поступательно его двигать в катушке индуктивности. При этом на клеммах катушки появляется напряжение. В этой статье я рассмотрел возможность использования возвратно-поступательного движения для выработки электрического тока без промежуточных преобразований во вращательное движение. Такие механизмы получили название ЛИНЕЙНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.
Предлагаемый тип линейного генератора рассчитан для использование в промышленных целях, в первую очередь на судах.
Краткое описание
В данном линейном генераторе (далее ЛГ) вместо крышек цилиндра устанавливаются два внешних поршня, которые жестко между собой закреплены. Такое технологическое решение обусловлено следующим: в традиционных цилиндрах при взрыве топлива поршень начинает двигаться в одну сторону, но по законам инерции сам цилиндр ведь тоже начинает двигаться в противоположную. И если такой генератор заставить вырабатывать большие мощности, то силы продольного смещения будут вызывать огромную вибрацию и повреждение фундаментных болтов. Для компенсации возникающих усилий и устанавливаются дополнительные внешние поршни. При условии что масса внутренних поршней и масса внешних поршней одинаковы, то и возникающие силы инерции тоже будут одинаковы. Такие силы будут взаимно гаситься, и на корпус передаваться не будут. Катушки, с которых будет сниматься напряжение крепятся к неподвижному корпусу. А в качестве индуктора будет использоваться набор постоянных магнатов трапециевидной формы.
Синхронизация движения поршней будет обеспечиваться за счет сопротивления движению постоянных магнитов при выработке электрической энергии. При условии, что обмотки электрической части имеют одинаковое сопротивление, сопротивление движению постоянных магнитов также одинаково. Но для увеличения надежности и предотвращения аварий в ЛГ устанавливают механический синхронизатор, представляющий собой две зубчатые рейки, двигающиеся относительно друг друга, и зубчатого колеса, закрепленного на неподвижной оси и вращающегося лишь от движения реек.
Более подробное описание конструкции смотрите ниже.
Работа генератора
После разгона поршней до пусковой частоты, в первый цилиндр подается топливо, происходит сгорание и начинается расширение образовавшихся газов. Во вторм цилиндре в этот момент идет сжатие воздуха.
При достижении внешнего поршня в первом цилиндре выпускных клапанов начинается выпуск отработавших газов.
При достижении внутреннего поршня в первом цилиндре продувочных окон начинается процесс продувки. В данном ЛГ продувка прямоточная, что обеспечивает наименьший коэффициент остаточных газов. Это, в свою очередь, увеличивает массовый заряд воздуха в цилиндре, что приводит к полному сгорания топлива и т.д. В этот момент поршни достигают своих крайних положений.
Расширение газов во втором цилиндре приводят в движение поршни первого цилиндра. Внутренний поршень достигает продувочных окон и перекрывает их, в то время, как выхлопные окна все еще открыты. Это приводит к потере массового заряда воздуха в цилиндре, но данной потерей можно пренебречь из-за низкого коэффициента остаточных газов в цилиндре. Внешний поршень достигает выхлопных окон, перекрывает их, и тем самым обеспечивает процесс сжатия в первом цилиндре, в то время, как во втором идет расширение. И цикл повторяется.
Технологический разрез линейного генератора
Корпус двигателя 1 — сварной стальной, цилиндрической формы, имеет внутри опоры 2, 3 и 4 для установки втулки рабочего цилиндра 5. Втулка крепится нажимным кольцом 6 на 8-ми шпильках. Шпильки крепятся в толстостенной фундаментной плите 7. Далее на втулку одевается цилиндрический водяной коллектор 8. После коллектора на втулку цилиндра одевается газовыхлопной коллектор-улитка 9.
Проточка втулки и улитки на посадочных поверхностях устроены таким образом, что между ступеньками зажимается теплостойкая асбестовая прографиченная прокладка. Улитка при работе нагревается и может расширяться в линейном направлении. Для возможности расширения улитка крепится на длинных шпильках 10, проходящих через трубки 11, гайками 12, которые создают нажимной усилия на улитку через пружины 13. После улитку на втулку одевается водяной коллектор 14.
Втулка рабочего цилиндра 5 цельная. Центральная часть втулки имеет утолщение так же, как и в месте крепления втулки — гребень 15. В центральной части втулка имеет отверстия для 2-х насос-форсунок 16. Так же втулка имеет с каждой стороны от центра по 6 отверстий для штуцеров лубрикаторной смазки (на чертеже не показана). Во втулке в центральной части внешне сделана цилиндрическая проточка для отвода и сбора охлаждающей воды с тангециальних сверлений охлаждающих каналов 17. На втулке есть 17-ть канавок для резиновых уплотнительных колец системы охлаждения. Во втулке со стороны выхлопа и со стороны продувки является тангенциальные расположены окна.
Линейный генератор имеет силовой сварной корпус 18 и легкий корпус для обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Легкий корпус закрывается с торцов двигателя крышками 18 на фланцах.
Поршневая группа каждого линейного генератора состоит из 2-х поршней 20. Внутренний поршень крепится к корпусу индуктора 21 на 8-ми шпильках 22. Внешний поршень крепится к траверс-диска 23 на 8-ми шпильках 24. Траверса-диск цилиндрической формы подкреплен в радиальном направлении треугольными косынками 25 с двух сторон, которые крепятся сваркой. Каждый поршень имеет по 6 колец: 4 компрессионных и 2 маслосъемных. Во избежание ударов поршней друг о друге при высоких степенях сжатия в линейном генераторе, днища поршней имеют плоскую конфигурацию.
Поршни имеют водяное охлаждение. Вода во внешние поршни подается по внутренней телескопической неподвижной трубке 26 с соплом на конце. Охлаждающая вода возвращается по телескопической средней трубке 27. Трубка 27 движется в неподвижной трубке 28. Между трубками 27 и 28 находятся уплотнения 29.
Внутренний поршень также охлаждается водой. Вода подводится по телескопической трубке 30, которая крепится к корпусу индуктора 21 с помощью фланца. В индукторе и в опорном фланце поршня есть канал. Далее вода движется по трубке 31 и охлаждает поршень. Возвращается вода по трубке 32, по аналогичному пути и по телескопии 33 отводится уже подогретая.
Внешние поршни связаны между собой посредством траверза-диска 23, 6-ти штанг 34 и корпуса индуктора 35. На концах штанги имеют резьбу и крепятся за счет гаек, зажимаемых гидродомкратом. Движение внутренних и внешних поршневых групп сдвинуты на 180 градусов. Синхронизм обеспечивается за счет механизма синхронизатора — 3-х шестерен 36 6-ти зубчатых реек.
Три рейки 37, относящиеся к внутренней группе, имеют в части, ближней к корпусу индуктора 21 цилиндрическое сечение и проходят через сальники 38. Далее сечение рейки переходит в квадратное. Рейки, относящихся к внешней группе, — это 3 из 6-ти штанг 34, на которые с помощью болтов прикреплены зубчатые рейки. Все 3 механизма синхронизаторов расположены в отдельных выгородках и имеют в своем объеме масло для смазки механизма.
Сравнение ЛГ и традиционного дизеля.
- В ЛГ производство и сборка двигателя существенно упрощается из-за отсутствия таких дорогих и сложных в производстве деталей как распределительный вал и коленчатый вал.
- Уменьшение расхода топлива за счет увеличения механического КПД из-за отсутствия коленвала и распредвала.
- Уменьшение вибрации из-за взаимного гашения возникающих инерционных сил.
- Повышенная надежность ЛГ за счет уменьшения количества движущихся деталей.
- В ЛГ невозможно обеспечить ровную синусоиду генерируемого тока из-за неравномерности скорости перемещения магнитов относительно катушек. Но при современном уровне развития преобразовательной техники эта проблема не является неразрешимой.
- Повышенная неустойчивость работы ЛГ из-за наличия всего двух цилиндров и отсутствия маховика. При пропуске вспышки в одном из цилиндров ЛГ остановится, так как во втором цилиндре не произойдет сжатия воздуха достаточного для воспламенения топлива. Поэтому для решения этой проблемы возникает необходимость в установке как минимум двух форсунок на один цилиндр.
Олег Гуняков
Отзыв на статью О. Гунякова
Начать придется издалека, а именно со статьи «Линейный бензогенератор (дизель-генератор)» автора Скоромца Ю. Г., опубликованной в журнале «Электротехнический рынок», 2008, № 5(23), а также, параллельно, на многих Интернет сайтах. В этой статье описан принцип построения силовой установки относительно небольшой мощности, предназначенной для выработки электроэнергии, отличающийся тем, что в нем двигатель внутреннего сгорания объединен с электрогенератором, при этом вращательное движение ротора генератора заменено возвратно-поступательным движением магнитопровода с заложенной в него обмоткой возбуждения. Основной целью такой замены, по мнению автора, является устранение из системы кривошипно-шатунного механизма, включая коленвал, преобразующего возвратно-поступательное движение поршней двигателя внутреннего сгорания во вращательное движение ротора генератора в обычном дизель-электрическом агрегате. Идея, на первый взгляд, неплохая, хотя ее изложение вызывает массу недоуменных вопросов. Не будем комментировать некоторые высказывания автора этой статьи, а лишь процитируем, чтобы читатель мог сам оценить его вопиющий дилетантизм в области электротехники:
- В генераторе средней и высокой мощности синхронизация движения шатунов достигается путем уменьшения тока возбуждения отстающего шатуна.
- Регулирование выходного напряжения осуществляется путем изменения частоты работы генератора.
- 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.
- Ток нагрузки генератора не влияет на магнитное поле генератора, а значит и на характеристики генератора.
- Что касается самого генератора, то магнитное поле предложенного генератора, в основной части, всегда постоянно, это дает возможность изготавливать магнитопровод не с отдельных пластин (для уменьшения вихревых токов), а с цельного куска материала, что значительно увеличит прочность магнитопровода и уменьшит трудоемкость изготовления.
А теперь относительно самой идеи. Как следует из написанного автором, целью его проекта является устранение из системы двигатель-генератор кривошипно-шатунного механизма, преобразующего один вид движения (возвратно-поступательный) в другой (вращательный). Однако, с точки зрения поставленной задачи эта проблема уже давным-давно решена. В широко известном роторно-поршневом двигателе Ванкеля вращательное движение выходного вала получается без всяких кривошипно-шатунных механизмов, рис. 1.
Рис. 1. Роторно-поршневой двигатель Ванкеля и принцип его действия
Роторно-поршневые двигатели по схеме Ванкеля известны уже более пятидесяти лет. В 1960-х годах из двадцати наиболее крупных автомобилестроительных компаний 11 фирм приобрели лицензионные права на разработку и производство этих двигателей. На долю этих фирм приходилось около 70% мирового автомобильного производства, в т.ч. 80% производства легковых автомобилей США, 71% Японии, 44% Западно-европейских стран.
Проблемой этого двигателя долгое время считался быстрый износ уплотнителей. Однако в последствие эта проблема была преодолена и эти двигатели стали применять в автомобилестроении. Первый серийный автомобиль с роторным двигателем — немецкий спорткар NSU Wankelspider. Первый массовый (37204 экземпляра) — немецкий седан бизнес-класса NSU Ro80. В 1967 году японская Mazda начала продажи первого автомобиля «Cosmo Sport» оснащенного роторным двигателем мощностью в 110 лошадиных сил. Дальнейшие исследования помогли на 40 процентов снизить расход топлива и улучшить экологичность этих двигателей. К 1970 году суммарная продажа автомобилей с роторными двигателями достигла 100 тыс., в 1975 — 500 тыс., а к 1978 — перевалила за миллион. Двухцилиндровый двигатель «Renesis» фирмы Mazda объёмом всего 1,3 л выдавал мощность уже в 250 л. с. и занимал гораздо меньше места в моторном отсеке, чем обычные двигатели внутреннего сгорания. Современная модель двигателя Renesis-2 16X имеет еще меньший объём при большей мощности и меньше нагревается, рис. 2.
Рис. 2. Серийный автомобильный двигатель роторно-поршневого типа (Renesis-2 16X) компании Mazda
В этой связи возникает вполне правомерный вопрос: «а был ли мальчик?», то бишь была ли вообще проблема (а может быть и была, но не верно сформулирована)?
Кроме того, необходимость наличия весьма дорогостоящего полупроводникового преобразователя, рассчитанного на полную мощность генератора (необходимого, по утверждению автора, для обеспечения синусоидального выходного напряжения), резко снижает экономическую эффективность предлагаемого решения (если она вообще была!), не говоря уже о тысячах других, не решенных в этом проекте проблем, на которых, в виду вышесказанного, на данном этапе просто нет смысла останавливаться.
Господин О. Гуняков публикует все ту же (то есть, чужую) идею без всяких ссылок на ее истинного автора, слегка изменив конструкцию. Основное (то есть принципиальное, а не в мелких и ничего не значащих деталях) отличие его проекта от проекта Ю. Г. Скоромца) заключается в замене обмотки возбуждения генератора — постоянным магнитом и расширение области применения его установки в область больших мощностей (из переписки с автором выяснилось, что он рассчитывает на применение такого принципа в генераторах мощностью в мегаватты). Поскольку, с одной стороны, для идеи линейного дизель-генератора не важно, как будет выполнен источник магнитного поля (обмотка или постоянный магнит), а с другой стороны и для магнита не важно, в какой именно конструкции генератора он будет использован (с вращательным или возвратно-поступательным движением), то отсюда следует, что идея замены обмотки возбуждения генератора постоянным магнитом не имеет никакого отношения к конкретной конструкции генератора, а относится ко всем генераторам вообще. Но тут сразу возникает вопрос: если в генераторе мощностью в несколько мегаватт можно заменить сложную и дорогую обмотку возбуждения постоянным магнитом из современных сплавов (например, из широко известного сплава NdFeB), то почему же этого не делают сейчас, а используют это решение лишь в небольших маломощных генераторах? Совершенно очевидно, что для этого есть веские причины. Обсуждение этих причин должно содержать слишком много подробностей «из жизни генераторов» и «из жизни магнитов», для того, чтобы подробно освещать их в данном отзыве, но даже не это сейчас главное, а то, что эта идея О. Гунякова о применении постоянных магнитов никак не связана с идеей Ю. Г. Скоромца о линейном дизель-генераторе. Попытка О. Гунякова «привязать» свою идею с постоянными магнитами (которая, сама по себе, давным-давно известна и ничего нового не содержит) к чужой должна служить, по-видимому, для поднятия значимости его идеи.
Даже если не учитывать того обстоятельства, что постоянные магниты применяются только в генераторах очень ограниченной мощности, дополнительная проблема конкретной конструкции О. Гунякова заключается в том, что его генератор расположен в зоне высокой температуры, а постоянные магниты имеют довольно незначительную верхнюю рабочую температуру, ограниченную так называемой точкой Кюри, при которой магнит полностью теряет свои магнитные свойства. Так вот, для сплава NdFeB точка Кюри находится в пределах 300-350°С, а максимальная рабочая температура ограничена величиной 100-150°С. А теперь вспомним, какая температура бывает внутри камеры сгорания ДВС. Правильно, от 300 до 2000°С (во время разных циклов). Какая средняя температура будет на поверхности камеры сгорания, в зоне расположения магнитов? Правильно, намного больше той, на которую рассчитаны постоянные магниты. Следовательно, нужно обеспечить очень эффективное охлаждение магнитов. Как и чем? Весьма сомнительно, что температуру в области расположения магнитов можно снизить до 100°С приемлемыми, а не фантастическим способом. В этой связи следует отметить, что и вопрос об охлаждении самого линейного дизель-генератора не проработан в должной мере. Предлагаемое автором водяное охлаждение далеко не везде применимо. Например, на современных дизель-генераторных установках мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт, предназначенных для резервного или аварийного электроснабжения (а это очень большой сектор рынка таких агрегатов), не используется водяное охлаждение. Такой агрегат охлаждается огромным (до двух метров в диаметре) вентилятором, насаженным на валу дизеля. Почему это сделано понятно: в аварийных ситуациях неоткуда и нечем подавать воду. Но где взять вращающийся вал для вентилятора в предлагаемой конструкции? Ага, использовать отдельный мощный электромотор, способный вращать двухметровый вентилятор… И тут наш проект начинает обрастать…
В заключение хотелось бы отметить, что ни Ю. Г. Скоромец, ни О. Гуняков не являются ни первооткрывателями этой идеи, ни авторами лучшей из конструкций. Идея эта сама по себе была известна задолго до публикаций обоих авторов. За последние годы были предложены и более удачные конструкции, чем те, которые мы обсуждаем. Например, в конструкции, предложенной Ondřej Vysoký, Josef Božek и др. из Чешского политехнического университета в 2007 году (то есть до публикации статьи Ю. Г. Скоромца) также используются постоянные магниты (авторы не претендуют на мощности в мегаватты), но в ней нет проблемы с нагревом магнитов, так как они могут находиться далеко от камер сгорания и могут быть отделены теплоизолирующей вставкой вала, на котором они закреплены. Изготовлены и испытаны небольшие лабораторные образцы таких агрегатов, рис. 3. В англоязычной литературе такие установки называются «Linear Combustion Engine (LCE)».
Рис. 3. Конструктивная схема и лабораторные образцы линейных дизель-электрических агрегатов, разработанных в Чехии
Имеется много публикаций на эту тему и в Интернете, и виде статьей и даже в виде книг (см. например, «Modeling and Control of Linear Combustion Engine»), хотя реально существующих изделий, присутствующих на рынке еще нет, как и нет каких бы то ни было технико-экономических обоснований, сравнения, например, с тем же двигателем Ванкеля. В этой связи для читателей журнала была бы, на наш взгляд, очень интересна квалифицированная обзорная информация о принципах построения таких систем, их сравнительная характеристика с другими устройствами для получения электроэнергии, информация о проблемах технических и экономических, о достигнутых результатах, а не подробное описание каких-то второстепенных деталей доморощенных конструкций, обладающих массой очевидных недостатков, но выдаваемых за величайшее достижение. Можно было бы только приветствовать публикацию автором такой обзорной статьи.
В технике существуют миллионы красивых, на первый взгляд, идей, не имеющих под собой экономической базы, или не учитывающих реальные технические проблемы, или просто не достаточно проработанных и поэтому не получивших реального воплощения. Достаточно обратиться к патентному фонду любой страны, чтобы увидеть миллионы оригинальных идей, пылящихся на полках. Такая же, по нашему мнению, судьба уготована и конкретным проектам Ю. Г. Скоромца и О. Гунякова. Тем не менее, нельзя утверждать, что миллионы не используемых сегодня патентов абсолютно бесполезны. Их очевидная польза состоит уже в том, что они стимулируют человеческую мысль и являются основой для новых идей. Как мы видим, творческая мысль продолжает активно работать и в рассмотренном направлении. Будем надеяться, что в недалеком будущем появится много новых перспективных идей в этом направлении, количество которых со временем перерастет в качество и они смогут когда-нибудь стать достаточно привлекательными для промышленности.
Владимир Гуревич
Полезная модель относится к области электротехники, точнее к линейным генераторам электрической энергии, выполненным с приводом от свободнопоршневых двигателей внутреннего сгорания, и предназначена для использования в различных отраслях в качестве автономных источников энергии или в составе комбинированных энергоустановок гибридных транспортных средств в транспортном машиностроении.
Известен линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (СПД), представляющим собой одноцилиндровый двигатель с двухсторонним поршнем, являющимся якорем с обмотками возбуждения, перемещающемся относительно статорных обмоток, расположенных в корпусе, (US №7318506, 2008 г.). В нем имеется система контроля и регулирования положения поршня, наличие которой позволяет управлять впусками и выпусками с целью управления сгоранием топливной смеси в камерах сгорания цилиндра, однако то обстоятельство, что поршень — якорь подвержен нагреву в процессе работы до высоких температур, превышающих рабочие температуры постоянных магнитов, препятствует использованию последних, что могло бы способствовать дальнейшему увеличению энергоемкости такого генератора.
Известен линейный генератор с приводом также от одноцилиндрового СПД, но с двумя оппозитно установленными на общем штоке поршнями, в котором якорем является установленный на средней части штока вспомогательный поршень с постоянными магнитами, в какой-то степени защищенный от воздействия высоких рабочих температур камер сгорания цилиндров (RU №2500905, 2013 г.).
В этом аналоге предусмотрено ограничение хода поршня для предотвращения механических повреждений конструкции от несанкционированных перемещений поршней, но отсутствует возможность позиционирования поршня во время работы в различных промежуточных позициях, что следует отнести к его основному недостатку, поскольку препятствует созданию условий, необходимых для повышения эффективности термодинамического цикла работы.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является линейный генератор с приводом от двухцилиндрового СПД (RU №2150014, 2000 г.), который содержит расположенные вдоль его центральной оси корпус, статорную обмотку возбуждения и якорь, размещенные в корпусе, а также датчики перемещения якоря, и в котором свободнопоршневой двигатель выполнен в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых имеет поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем, поршни цилиндров и якорь взаимосвязаны общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль, а датчики положения якоря и форсунки имеют электрическую связь с электронной системой блоком управления, включающей в себя ряд функциональных блоков.
Недостатки прототипа заключаются в том, что в нем не предусмотрено осуществление функций устройства по выполнению векторного управления магнитным полем статорной обмотки, по позиционированию модуля в рабочих положениях и предотвращению неуправляемого движения модуля, вследствие чего, в нем не реализован высокоэффективный термодинамический цикл работы СПД, позволяющий достичь высоких показателей по выходной мощности двигателя и экологическим характеристикам его работы.
Отсутствие постоянных магнитов в конструкции якоря линейного генератора ограничивает удельные показатели генератора, например его удельную мощность.
К тому же в прототипе выполнение магнитной системы генерирования тока с использованием якоря в виде отдельно выполненной детали из магнитопроницаемого материала и предлагаемое изготовление поршней и общего штока между ними также из магнитопроницаемых материалов может привести к увеличению массогабаритных параметров единого совершающего возвратно-поступательные движения вдоль центральной оси генератора модуля, образованного поршнями с якорем.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на увеличение удельных показателей линейного генератора в части генерации электрической энергии и повышение мощностных и экологических характеристик СПД.
Технический результат состоит в реализации заявленной задачи.
Сущность полезной модели заключается в том, что линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащий расположенные вдоль его центральной оси корпус, размещенные в корпусе статорную обмотку возбуждения и якорь, свободнопоршневой двигатель, выполненный в виде двух оппозитно закрепленных на корпусе генератора цилиндров, каждый из которых содержит поршень, камеру сгорания, топливную форсунку, канал впуска воздуха и канал выпуска продуктов сгорания, причем поршни цилиндров взаимосвязаны между собой и с якорем общим штоком в единый подвижный вдоль центральной оси модуль; а также датчики контроля положения модуля и электронную систему управления, содержащую ряд функциональных блоков, обеспечивающих требуемый алгоритм его работы, в отличие от прототипа, выполнен с возможностью обеспечения позиционирования модуля в рабочих положениях, предотвращения неуправляемого движения модуля и векторного управления магнитным полем статорной обмотки, и электронная система управления в нем дополнительно снабжена блоком определения положения модуля, блоком торможения и позиционирования модуля и системой векторного управления магнитным полем статорной обмотки, включающей в себя блок расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления; статорная обмотка выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, питаемых от системы векторного управления, якорем служит средняя часть общего штока с установленными на ней постоянными магнитами, которые по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки, и при этом блок определения положения модуля включает в себя упомянутые датчики перемещения модуля, выполненные индуктивными или магнитными, установленные между катушками или группами катушек статорной обмотки, блок торможения и позиционирования модуля выполнен логическим, выдающим в качестве выходных сигналов значения силы и сигналы о пропуске зажигания, используемые системой векторного управления; свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания оснащен регулируемым турбокомпрессором, связанным с каналами впуска и выпуска и установленным на выходе канала выпуска выпускным клапаном с электромагнитным приводом, подключенным к электронной системе управления, а каждый из цилиндров дополнительно имеет устройство воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания, используемое для поджига топливной смеси в период начального запуска СПД и содержит элементы для обеспечения прямоточной клапанно-щелевой продувки.
Дополнительные отличия генератора состоят в том, что в частных случаях исполнения:
— поршни в нем могут быть выполнены из алюминиевого сплава;
— корпус снабжен съемными боковыми крышками, служащими для крепления цилиндров свободнопоршневого двигателя и размещения общего штока.
Турбокомпрессор и выпускной клапан с электромагнитным (бескулачковым) приводом в совокупности с возможностью выборочного позиционирования якоря генератора в задаваемой алгоритмом работы устройства позиции позволяют реализовать высокоэффективный термодинамический цикл благодаря тому, что процесс сгорания происходит с непосредственным впрыском топлива и воспламенением от сжатия, процесс прямоточной клапанно-щелевой продувки обеспечивает высокую эффективность очистки цилиндра от отработавших газов (ОГ), а регулируемое позиционирование якоря генератора позволяет варьировать величину степени сжатия.
Реализация высокоэффективного термодинамического цикла в СПД позволяет достичь высоких экологических характеристик и повышения выходной мощности двигателя, что позволяет использовать их в качестве привода линейных генераторов высокой электрической мощности.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображен линейный генератор с приводом от свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания.
Корпус 1 генератора выполнен в виде тонкостенного цилиндра с боковыми съемными крышками 2. В корпусе вдоль его центральной оси с креплением на крышках 2 оппозитно расположены цилиндры 3 и 4 СПД с размещенными в них поршнями 5 и 6, связанными между собой общим штоком 7, установленным в линейных подшипниках, размещенных в центральных отверстиях крышек 2, а также статорная обмотка 8 и якорь 9, в качестве которого служит средняя часть штока 7 с установленными на ней постоянными магнитами 10, например неодимовыми. Статорная обмотка возбуждения 8 выполнена многофазной, не менее чем трехфазной, и состоит из нескольких независимых катушек или соединенных последовательно или параллельно групп катушек, и магниты 10 по числу и размерам соответствуют катушкам или катушечным группам статорной обмотки 8.
Поршни 3 и 4 могут быть изготовлены из алюминиевого сплава, а шток 7 — стальным.
Каждый из цилиндров 3 и 4 снабжен установленными на их торцевой поверхности со стороны камер сгорания 11 и 12, соответственно, топливными форсунками 13 и 14 и устройствами воспламенения рабочей смеси в камерах сгорания, например свечами зажигания 15 и 16, и каналами выпуска 17 и 18 ОГ с установленными в них выпускными клапанами 19 и 20 с электромагнитным (бескулачковым) приводом, а также конструктивными элементами для принудительного воздушного или жидкостного охлаждения (на чертеже не показаны). На боковых поверхностях цилиндров 3 и 4 имеются каналы впуска 21, предназначенные для подачи воздуха внутрь цилиндров.
СПД оснащен регулируемым турбокомпрессором 22, связанным с каналами впуска 21 и выпуска 17 и 18. Турбокомпрессор 22 в совокупности с каналами впуска 21, выпускными клапанами 19 и 20 и каналами выпуска 17 и 18 обеспечивает процесс газообмена двигателя с прямоточной клапанно-щелевой продувкой.
Электронная система управления (ЭСУ) 23 включает в себя ряд типовых функциональных блоков, предназначенных для обеспечения требуемого заложенной в ней программой алгоритма работы генератора (на чертеже условно не показаны в виду их известности) и дополнительно содержит блок 24 определения положения модуля, включающий в себя датчики перемещения 25, выполненные индуктивного или магнитного типа, которые установлены между катушками или группами катушек статорной обмотки 8; блок 26 торможения и позиционирования модуля, предотвращающий удары и неуправляемое движение модуля в случае пропуска зажигания, а также позиционирующий модуль в положении запуска и перезапуска, и систему 27 векторного управления (СВУ) магнитным полем статорной обмотки 8, включающую в себя блок 28 расчета векторов магнитного поля и силовой блок управления 29, связанный со статорной обмоткой 8 электрической шиной 30.
Каждый электрически управляемый компонент линейного генератора, а также датчики перемещения 25 имеют электрическую связь с ЭСУ 23.
Работа линейного генератора сводится к функционированию на следующих режимах: пуск, генерация электроэнергии, перезапуск, останов.
В режиме «Пуск» выполняются следующие действия:
ЭСУ 23 задает блоку 26 определенное пусковое положение модуля, соответствующее положению модуля вблизи ВМТ в момент подачи высокого напряжения на свечи зажигания 15 и 16. Следует отметить, что в описании работы линейного генератора термин ВМТ носит условный характер, т.к. в предлагаемом СПД существует возможность выборочного позиционирования модуля в задаваемой алгоритмом работы устройства позиции и положение ВМТ может варьироваться в зависимости от нагрузочного режима работы линейного генератора.
Блок 24 рассчитывает линейное положение якоря на основании информации от датчиков перемещения 25. Блок 26 отрабатывает заданное положение, выдавая сигнал управления силой на СВУ 27, при этом получая сигнал обратной связи по положению, получаемому от блока 24.
СВУ 27, также получая информацию от блока 24, с помощью блока 29 силового управления по заданному алгоритму формирует токи в статорной обмотке 8 и, таким образом, создает заданную электромагнитную силу, необходимую для движения модуля вдоль центральной оси линейного генератора.
В результате действия электромагнитных сил, возбуждаемых статорной обмоткой 8 и действующих на постоянные магниты 10 якоря 9, модуль начинает движение вдоль центральной оси цилиндров 3 и 4. Примем, что модуль движется в сторону камеры сгорания 12 цилиндра 4, при этом в цилиндре 4 при закрытом выпускном клапане 20 совершается такт сжатия. Топливо впрыскивается форсункой 14 до прихода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ), причем пуск холодного или непрогретого двигателя всегда осуществляется с использованием свечей зажигания 15 и 16, поэтому, когда модуль занимает необходимое пусковое положение, на свечу зажигания 16 подается высокое напряжение. После воспламенения топливной смеси происходит рабочий ход, при котором нарастающее давление в камере сгорания 12 цилиндра 4 заставляет поршень 6 двигаться в сторону камеры сгорания 11 цилиндра 3. Выход ОГ из цилиндра 12 осуществляется через выпускной клапан 20 по каналу выпуска 18. Перед выходом ОГ в атмосферу часть их энергии передается турбокомпрессору 22, который обеспечивает принудительную подачу воздуха в цилиндры СПД. В цилиндре 3, в котором также происходит впуск воздуха, впрыск топлива с последующим сжатием топливной смеси, ее воспламенение и рабочий ход, новый цикл повторяется в том же порядке. Циклы СПД организованы так, что во время такта сжатия и рабочего хода в одном цилиндре, в противоположном цилиндре протекают такты рабочего хода и выпуска.
После запуска СПД линейный генератор переходит в режим генерации электроэнергии, в процессе которого вырабатываемый электрический ток через выводные клеммы ЭСУ 23 (на чертеже не показаны) поступает потребителю.
Во время работы линейного генератора в этом режиме СВУ 27 осуществляет управление электромагнитной силой линейного генератора по заданному алгоритму. Система посредством блока 28 расчета векторов магнитного поля определяет электромагнитные параметры работы линейного генератора в каждый момент времени на основании информации от датчиков фазных тока и напряжения (на чертеже не показаны), а также информации о текущем линейном положении модуля. Последнюю информацию СВУ 27 получает от блока 24. В соответствии с заложенной моделью и заданным алгоритмом СВУ 27 посредством силового блока управления 29 и электрической шины 30 формирует токи в статорной обмотке 8 линейного генератора. Таким образом, СВУ 27 отрабатывает заданную линейную электромагнитную силу.
Блок 24 определяет линейное положение якоря 9 и, соответственно, постоянных магнитов 10 относительно статорной обмотки 8, получая информацию от датчиков перемещения 25, на которые воздействуют постоянные магниты 10 якоря 9. Расположение датчиков 25 с шагом, который меньше шага расположения магнитов 10 на якоре 9, позволяет блоку 24 определять линейное положение якоря 9 с достаточной точностью. Информация об установленном блоком 24 положении якоря передается в СБУ 27, а также в блок 26.
Во время работы линейного генератора блок 26 в качестве выходных сигналов выдает данные о значении силы в СВУ 27, и при необходимости сигнал о пропуске зажигания, используемый ЭСУ 23 для перевода работы устройства в режим перезапуска. Блок 26 представляет собой замкнутую систему управления линейным положением якоря 9, выполненную на базе ПИД-регулятора, и с осуществлением обратной связи по информации от датчиков перемещения 25.
В режиме «Генерация электроэнергии» при возвратно-поступательном движении модуля вдоль центральной оси в статорной обмотке 8 наводится электродвижущая сила. При подключенной нагрузке это приводит к протеканию электрического тока и осуществляется выработка электрической энергии.
В данном режиме ЭСУ 23 работает в виде замкнутой системы управления с регулировкой отдаваемой в нагрузку электрической мощности. ЭСУ 23 измеряет отдаваемую в нагрузку электрическую мощность, регулируя ее с помощью задания силы сопротивления движению модуля в СВУ 27, которая отрабатывает заданное на модуле усилие. При этом, в случае изменения направления движения модуля, ЭСУ 23 меняет знак уставки электромагнитного усилия для СВУ 27 на противоположный. Таким образом, СВУ 27 все время создает заданную силу, направление которой противоположно движению модуля.
Для поддержания заданной частоты работы СПД ЭСУ 23 управляет также цикловой подачей топлива и воздуха в цилиндры 3 и 4 двигателя.
Параллельно свою работу осуществляет блок 26, который контролирует параметры движения модуля по его положению, данные о котором поступают от блока 24.
Во время работы линейного генератора ЭСУ 23 определяет достаточность условий для переключения СПД в работу по высокоэффективному термодинамическому циклу, при котором происходит самовоспламенение топливной смеси.
При работе линейного генератора по высокоэффективному термодинамическому циклу выключается устройство воспламенения топливной смеси 15 и 16, а необходимая температура для самовоспламенения топливной смеси в конце такта сжатия достигается за счет регулируемой степени сжатия СПД, а также варьируемой подачи воздуха в цилиндры 3 и 4, обеспечиваемой регулируемым турбокомпрессором 22.
Поскольку впускные каналы 21 цилиндров 3 и 4 СПД имеют фиксированную конфигурацию, то изменение мощности СПД время работы линейного генератора, а также осуществление прямоточной клапанно-щелевой продувки, происходит с помощью переменных фазы открытия и закрытия выпускных клапанов 19 и 20.
Фазы открытия и закрытия выпускного клапана изменяются в зависимости от позиции поршней 5 и 6 двигателя. Для получения максимальной мощности СПД, и, соответственно, максимальной электрической мощности линейного генератора, выпускные клапаны 19 и 20 открываются согласно рассчитанным значениям, заложенным в ЭСУ 23, при которых обеспечивается высокая степень расширения газов при хорошей продувке цилиндров 5 и 6, обеспечивающей снижение содержания ОГ в камерах сгорания 11 и 12 СПД (известно, что увеличение доли остаточных ОГ приводит разбавлению свежего заряда с последующим ухудшением качества сгорания).
Во время работы СПД момент начала самовоспламенения фиксируется СВУ 27 по изменению данных о скорости движения модуля, которые определяются блоком 26. Начало самовоспламенения контролируется фазой впрыска топлива форсунками 13 и 14.
Для достижения высоких мощностных и экологических характеристик СПД впрыск топлива происходит в фазе, при которой происходит выгорание около 50% топлива и достигается максимум скорости тепловыделения в непосредственной близости к установленной ВМТ на данном нагрузочном режиме. В этом случае реализуется высокоэффективный термодинамический цикл, а выделение теплоты в цикле происходит при почти неподвижном поршне (модуле), т.е. в условиях почти неизменного объема камеры сгорания.
Контроль фазы впрыска в СПД имеет существенное значение в достижении высоких характеристик линейного генератора. Поскольку при раннем начале сгорания (большое опережение впрыска топлива) степень сжатия уменьшается вследствие раннего тепловыделения, то модуль в этом случае раньше изменит направление своего движения и начнет движение в сторону оппозитного цилиндра. Это явление сокращает ход поршня и снижает степень сжатия, что в совокупности оказывает отрицательное влияние на термический КПД двигателя.
В том случае, когда топливо впрыскивается в цилиндры слишком поздно, в цилиндрах образуется высокое давление сгорания, которое изменяет направление движения поршня до момента полного выгорания топлива. Точка 50% выгорания топлива, а также максимум кривой скорости тепловыделения находятся далеко за ВМТ, в результате чего эффективность сгорания становится низкой и увеличивается удельный расход топлива СПД.
В предлагаемом же решении совокупность регулируемого турбокомпрессора 22, выпускных клапанов с электромагнитным (бескулачковым) приводом 19 и 20, регулируемой фазы впрыска и регулируемого позиционирования поршней СПД позволяют избежать таких негативных явлений, как увеличение доли остаточных ОГ в камере сгорания с последующим ухудшением качества сгорания, снижение степени сжатия вследствие раннего тепловыделения и низкая эффективность сгорания, и реализовать высокоэффективный термодинамический цикл, характеризующийся самовоспламенение топливной смеси. При пропусках самовоспламенения нарушается равномерное движение модуля линейного генератора, что может выражаться как в выходе модуля за пределы ожидаемой ВМТ, так и в изменении закономерности в скорости движения модуля. При появлении любого из перечисленных признаков пропуска самовоспламенения блок 26 передает сигнал в ЭСУ 23, а также задает тормозное усилие на модуле с целью его полной остановки.
В этот момент ЭСУ 23 линейного генератора при получении сигнала о пропуске зажигания переходит в режим «Перезапуск» и дает команду на кратковременную продувку цилиндров от остатков несгоревшего топлива, выполняемую с помощью линейного генератора, работающего в режиме электродвигателя, после чего ЭСУ 23 переходит в режим «Пуск», последовательность которого приведена выше.
Режим «Останов» — для останова линейного генератора происходит переключение линейного генератора в режим электродвигателя, при этом отключаются топливные форсунки 13 и 14, выпускные клапаны 19 и 20 закрываются.
На статорную обмотку 8 подается ток, создающий электромагнитные силы, направление которых противоположно движению модуля линейного генератора. В результате действия сил происходит быстрое торможение модуля с его последующим остановом.