RU2411380C2

RU2411380C2 - Motor of electromobile with drive from turbine generator

Info

Publication number: RU2411380C2
Application number: RU2009105220/06A
Authority: RU
Inventors: Валерий Валентинович Квашенников (RU); Валерий Валентинович Квашенников; Александр Николаевич Малышев (RU); Александр Николаевич Малышев; Владимир Николаевич Сидоров (RU); Владимир Николаевич Сидоров
Original assignee: Валерий Валентинович Квашенников
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2011-02-10
Also published as: RU2009105220A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: motor of electromobile with drive from turbine electric generator includes two-stroke engine and catalyst chamber (14). Two-stroke engine includes two cylinder-and-piston groups and linear generator (10). Cylinder-and-piston groups are located in parallel between each other. Each pair of pistons (6) is connected to each other with two brackets (19). Brackets (19) are installed on gear racks (20). Racks (20) are kinematically connected to gear rollers (20). In central part of cylinder-and-piston group there located is fuel atomiser (9) and heating plug (22). Catalyst chamber (14) is equipped with steam generator (23). The latter is equipped with porous insert (24) made from heat-resistant steel with high nickel content. Power gas turbine (25) is connected through clutch coupling (26) to electric generator (27). Linear generator (10) is arranged on central engine axis. Linear generator (10) is equipped with two constant magnets in the form of cylinders (11,12). Magnets (11, 12) are made on Nd-Fe-B basis. One of magnets (11) serves as core. Other magnet (12) is equipped with outer winding (13) and inner cylindrical axial cavity.

EFFECT: motor of electromobile using hydrogen as fuel, which is transformed from natural gas - methane and water vapours, is designed.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к транспортному двигателестроению, а также к энергетическому машиностроению и может быть использовано в качестве модуля, дающего электроэнергию.The invention relates to a transport engine, as well as to power engineering and can be used as a module that provides electricity.

Известна «Комбинированная двигательная установка», содержащая двигатель внутреннего сгорания, соединенный валом с ротором электрогенераторами и двигатель Стирлинга, при этом генератор выполнен биротативным с двумя роторами, причем ко второму ротору электрогенератора присоединен вал двигателя Стирлинга. Патент РФ на изобретение №2334891, MПК: F02B 63/04; 2008.09.27. Аналогами также являются следующие российские и зарубежные изобретения: RU №2170625 С1, 20.11.2000; RU №2121586 С1, 10.11.1998; RU №2046967 С1, 27.10.1995; US №4532431 A, 30.07.1985; GB №1448879 A, 08.07.1976; FК №2542810 А1, 21.09.1984. Патент РФ №2176025 «Тепловая электрогенерирующая машина», МПК F02B 71/04, автор Квашенников В.В., 20.11.2001 г., в котором поставлена цель создания энергетического модуля от 40 кВт до 80 кВт для использования его в качестве автономного источника электроэнергии или же для применения его в электромобиле в отрасли двигателестроения. Недостатком этого изобретения является низкий КПД, хотя он прост в изготовлении и эксплуатации.Known "Combined propulsion system" containing an internal combustion engine connected by a shaft to the rotor of the electric generators and a Stirling engine, the generator is made biotative with two rotors, and the shaft of the Stirling engine is connected to the second rotor of the electric generator. RF patent for invention №2334891, IPC: F02B 63/04; 09.09.27. The following Russian and foreign inventions are also analogues: RU No. 2170625 C1, 11/20/2000; RU No. 2121586 C1, 10.11.1998; RU No. 2046967 C1, 10.27.1995; US No. 4532431 A, 07/30/1985; GB No. 1448879 A, 08/08/1976; FC No. 2542810 A1, 09/21/1984. RF patent No. 2176025 “Thermal power generating machine”, IPC F02B 71/04, author V.V. Kvashennikov, November 20, 2001, which sets the goal of creating an energy module from 40 kW to 80 kW for use as an autonomous source of electricity or for use in an electric vehicle in the engine industry. The disadvantage of this invention is the low efficiency, although it is simple to manufacture and operate.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Двухтактный аксиальный двигатель», включающий корпус с компрессионными камерами, две противолежащие ступенчатые цилиндровые группы, соединенные между собой штоками и цилиндром гидронасоса, имеющие два рабочих цилиндра с продувочными и выпускными окнами, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения, с размещенными в каждом из них неподвижным поршнем со сферической рабочей поверхностью, имеющим рубашки охлаждения, разделенную камеру сгорания с топливной форсункой и впускными клапанами, сообщенную с рабочей камерой, при этом связанной с нагнетателем воздуха и топливной форсункой, в буртике и пазах корпуса размещен линейный генератор и вибратор запуска, причем на якорях генераторов и на концах штоков магнитных впускных клапанов установлены постоянные магниты, выполненные на основе Nd-Fe-B, причем двигатель снабжен двумя каталитическими камерами в виде стальных цилиндров с насадкой из гранул никеля, входные патрубки камер связаны с коллекторами выхлопных окон рабочих камер двигателя, в свою очередь, выходные топливные патрубки каталитических камер связаны с камерами сгорания, кроме того, каталитическая камеры снабжена газоводом для подачи метана.The closest technical solution to the present invention is a "two-stroke axial engine", comprising a housing with compression chambers, two opposing stepped cylinder groups interconnected by rods and a hydraulic pump cylinder, having two working cylinders with purge and exhaust windows, mounted with a reciprocating movements, with a stationary piston placed in each of them with a spherical working surface having cooling jackets, a divided combustion chamber contact with the fuel nozzle and inlet valves, in communication with the working chamber, while connected to the air blower and the fuel nozzle, a linear generator and a launch vibrator are placed in the flanges and grooves of the housing, and permanent magnets are installed on the armature of the generators and at the ends of the rods of the magnetic inlet valves, made on the basis of Nd-Fe-B, and the engine is equipped with two catalytic chambers in the form of steel cylinders with a nozzle made of nickel granules, the inlet pipes of the chambers are connected to the collectors of the exhaust windows of the working chambers engine, in turn, the output fuel pipes of the catalytic chambers are connected to the combustion chambers, in addition, the catalytic chamber is equipped with a gas duct for supplying methane.

Патент РФ на изобретение №2268378, МКИ F02B 71/04; 20.01.06 г.RF patent for the invention No. 2268378, MKI F02B 71/04; 01/20/06

К недостаткам вышеописанных технических решений относятся невозможность совмещения работы поршневых пар и гидронасосов, приводящих во вращение силовую гидроэлектрическую турбину, а также низкая надежность и высокая стоимость некоторых деталей таких двигателей.The disadvantages of the above technical solutions include the impossibility of combining the operation of piston pairs and hydraulic pumps, which rotate the power hydroelectric turbine, as well as the low reliability and high cost of some parts of such engines.

Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении экономичности устройства, улучшении его экологических характеристик, за счет использования в качестве топлива водорода, трансформируемого из природного газа - метана и паров воды. Технический результат достигается благодаря тому, что двигатель электромобиля с приводом от турбоэлектрогенератора включает двухтактный двигатель с двумя цилиндропоршневыми группами и линейный генератор, а также каталитическую камеру. Две цилиндропоршневые группы расположены между собой параллельно, и каждая пара поршней соединена между собой двумя кронштейнами, установленными на зубчатых рейках, кинематически связанных с зубчатыми роликами. В центральной части цилиндропоршневой группы расположены топливная форсунка и свеча накаливания. Каталитическая камера снабжена парогенератором с температурой пара 800°С и пористой вставкой из жаропрочной стали с высоким содержанием никеля. При этом двигатель снабжен силовой газовой турбиной, связанной через муфту сцепления с электрогенератором. Последний служит для генерирования электрического тока и зарядки аккумуляторных и конденсаторных батарей, приводящих во вращение асинхронные электродвигатели с обратной связью и осуществляющих через планетарную передачу привод колес электромобиля. Линейный генератор, служащий одновременно вибратором запуска, размещен на центральной оси двигателя.The technical result of the proposed invention is to increase the efficiency of the device, improving its environmental characteristics, due to the use of hydrogen as a fuel, transformed from natural gas - methane and water vapor. The technical result is achieved due to the fact that the electric vehicle engine driven by a turboelectric generator includes a two-stroke engine with two piston groups and a linear generator, as well as a catalytic chamber. Two cylinder-piston groups are arranged in parallel with each other, and each pair of pistons is interconnected by two brackets mounted on gear racks kinematically connected with gear rollers. In the central part of the cylinder-piston group there is a fuel nozzle and a glow plug. The catalytic chamber is equipped with a steam generator with a steam temperature of 800 ° C and a porous insert made of heat-resistant steel with a high nickel content. The engine is equipped with a power gas turbine connected through a clutch with an electric generator. The latter serves to generate electric current and charge accumulator and capacitor banks, which drive asynchronous feedback motors and drive the wheels of an electric vehicle through a planetary gear. A linear generator, which simultaneously serves as a start vibrator, is located on the central axis of the engine.

Линейный генератор снабжен двумя постоянными магнитами в форме цилиндров, выполненными на основе Nd-Fe-В. Один из магнитов служит сердечником, а другой снабжен наружной обмоткой и выполненной внутри цилиндрической осевой полостью, служащей для отталкивающего взаимодействия с сердечником линейного генератора.The linear generator is equipped with two permanent magnets in the form of cylinders made on the basis of Nd-Fe-B. One of the magnets serves as the core, and the other is equipped with an external winding and a cylindrical axial cavity made inside, which serves to repel interaction with the core of the linear generator.

На фиг.1 показан общий вид двигателя электромобиля с приводом от электрогенератора.Figure 1 shows a General view of the engine of an electric vehicle driven by an electric generator.

На фиг.2 показан разрез А-А фиг.1 (показано размещение цилиндропоршневых групп, расположенных между собой параллельно и соединенных между собой двумя кронштейнами с зубчатыми рейками, кинематически связанными с зубчатыми роликами).In Fig.2 shows a section aa of Fig.1 (shows the placement of cylinder-piston groups located parallel to each other and interconnected by two brackets with gear racks, kinematically connected with gear rollers).

Согласно фиг.1 и 2 двигатель электромобиля с приводом от турбоэлектрогенератора включает корпус 1 двухтактного аксиального двигателя с двумя цилиндропоршневыми группами, соединенными между собой штоками 2. Цилиндропоршневые группы имеют два рабочих цилиндра 3 с впускными 4 и выпускными окнами 5. Рабочие поршни 6 установлены с возможностью возвратно-поступательного движения в рабочих цилиндрах 3. Двигатель снабжен воздуховодами 7, связанными с центробежным нагнетателем воздуха 8 и топливными форсунками 9. На центральной оси двигателя размещен линейный генератор 10, служащий одновременно вибратором запуска, который кинематически связан со штоками 2 цилиндропоршневых групп. Линейный генератор 10 снабжен двумя постоянными магнитами 11 и 12, выполненными на основе Nd-Fe-B. Один из них 12 имеет наружную обмотку 13 и выполненную внутри цилиндрическую осевую полость, служащую для отталкивающего взаимодействия с постоянным магнитом 11, выполняющим роль сердечника линейного генератора 10. Двигатель снабжен каталитической камерой 14 в виде стального цилиндра, а входные патрубки 15 камеры 14 связаны с коллекторами 16 выхлопных окон рабочих цилиндров 3 двигателя. В свою очередь, выходные патрубки 17 каталитической камеры 14 связаны с топливными форсунками 9. Каталитическая камера 14 снабжена газоводом 18 для подачи метана. Цилиндропоршневые группы расположены между собой параллельно. Каждая пара поршней 6 соединена между собой двумя кронштейнами 19, установленными на зубчатых рейках 20, которые, в свою очередь, кинематически связаны с зубчатыми роликами 21. При этом конструктивное выполнение кронштейнов 19 и их установка на зубчатые рейки 20, связанные с зубчатыми роликами 21, позволяет осуществлять одновременно с линейным генератором 10 синхронизацию противофазного движения поршней 6 в левом и правом рабочих цилиндрах 3. В центральной части цилиндропоршневой группы расположены топливная форсунка 9 и свеча накаливания 22. Каталитическая камера 14, служащая для получения водорода в качестве топлива для двигателя, снабжена парогенератором 23 с температурой пара 800°С и пористой вставкой 24 из жаропрочной стали с высоким содержанием никеля. Кроме того, двигатель снабжен газовой турбиной 25, связанной через муфту сцепления 26 с электрогенератором 27. Последний служит для генерирования электрического тока и зарядки аккумуляторных и конденсаторных батарей, которые, в свою очередь, приводят во вращение асинхронные электродвигатели с обратной связью и осуществляют привод через планетарную передачу для колес электромобиля.According to figures 1 and 2, an electric vehicle engine driven by a turboelectric generator includes a two-stroke axial engine housing 1 with two piston and cylinder groups interconnected by rods 2. The piston and cylinder groups have two working cylinders 3 with inlet 4 and exhaust windows 5. The working pistons 6 are mounted reciprocating motion in working cylinders 3. The engine is equipped with air ducts 7 connected to a centrifugal air blower 8 and fuel nozzles 9. On the central axis of the engine, ene linear alternator 10, which serves both launch vibrator which is kinematically connected to the rod 2 of the cylinder group. The linear generator 10 is equipped with two permanent magnets 11 and 12, made on the basis of Nd-Fe-B. One of them 12 has an external winding 13 and a cylindrical axial cavity made inside for repulsive interaction with a permanent magnet 11 acting as the core of the linear generator 10. The engine is equipped with a catalytic chamber 14 in the form of a steel cylinder, and the inlet pipes 15 of the chamber 14 are connected to the collectors 16 exhaust windows of working cylinders 3 engines. In turn, the outlet pipes 17 of the catalytic chamber 14 are connected to the fuel nozzles 9. The catalytic chamber 14 is provided with a gas duct 18 for supplying methane. Cylinder-piston groups are located in parallel with each other. Each pair of pistons 6 is interconnected by two brackets 19 mounted on the gear racks 20, which, in turn, are kinematically connected with the gear rollers 21. In this case, the constructive implementation of the brackets 19 and their installation on the gear racks 20 associated with the gear rollers 21, allows simultaneous synchronization of the out-of-phase movement of the pistons 6 with the linear generator 10 in the left and right working cylinders 3. In the central part of the cylinder-piston group there are a fuel nozzle 9 and an glow plug 22. Cat The analytical chamber 14, which serves to produce hydrogen as a fuel for the engine, is equipped with a steam generator 23 with a steam temperature of 800 ° C and a porous insert 24 made of heat-resistant steel with a high nickel content. In addition, the engine is equipped with a gas turbine 25 connected through a clutch 26 to an electric generator 27. The latter serves to generate electric current and charge the battery and capacitor banks, which, in turn, drive asynchronous motors with feedback and rotate through the planetary gear for electric car wheels.

В выходном патрубке из корпуса двигателя на входе в газовую турбину 25 установлены перепускные клапаны, их количество совпадает с количеством форсунок, а также между радиатором охлаждения 28 и входным патрубком 15 в парогенератор 23 также установлен перепускной клапан.Bypass valves are installed in the outlet pipe from the engine casing at the entrance to the gas turbine 25, their number coincides with the number of nozzles, and a bypass valve is also installed between the cooling radiator 28 and the inlet pipe 15 to the steam generator 23.

В подпоршневом пространстве рабочих цилиндров 3 выполнены четыре отверстия для охлаждения и улучшения хода поршня. Для осуществления работы двигателя на метане к каталитической камере 14 подключен через патрубок 18 с обратным клапаном баллон 29 с метаном.In the under-piston space of the working cylinders 3 there are four openings for cooling and improving the piston stroke. For the operation of the engine on methane to the catalytic chamber 14 is connected through a pipe 18 with a non-return valve cylinder 29 with methane.

Устройство работает следующим образом. Центробежный воздушный нагнетатель 8, вращаемый электродвигателем, через воздуховоды 7 и через впускные окна 4 подает охлаждающий воздух в рабочие цилиндры 3, заключенные в корпус 1 для сбора газовой смеси. Воздух поступает в камеры сгорания рабочих цилиндров 3, которые имеют топливные форсунки 9 прямоточной продувкой и вытесняет через выпускные окна 5 и коллектор 16 нагретые газы на вход газовой турбины 25.The device operates as follows. A centrifugal air blower 8, rotated by an electric motor, through the air ducts 7 and through the inlet windows 4 supplies cooling air to the working cylinders 3 enclosed in the housing 1 for collecting the gas mixture. Air enters the combustion chambers of the working cylinders 3, which have fuel nozzles 9 with direct-flow purging and displace heated gases through the exhaust ports 5 and the collector 16 to the inlet of the gas turbine 25.

Оппозитно расположенные, со встречным движением рабочие поршни 6, пригнанные к двум параллельно расположенным рабочим цилиндрам 3 совершают при этом противофазное возвратно-поступательное движение. Линейный генератор 10, служащий одновременно вибратором запуска, размещен на центральной оси двигателя и кинематически связан со штоками 2 цилиндропоршневых групп. Линейный генератор 10 снабжен двумя постоянными магнитами 11 и 12 в форме цилиндров, выполненными на основе Nd-Fe-В. Один из магнитов 11 служит сердечником, а другой 12 снабжен наружной обмоткой 13 и выполненной внутри цилиндрической осевой полостью, служащей для отталкивающего взаимодействия с сердечником линейного генератора 11, что обеспечивает возможность прохождения верхней и нижней «мертвых точек» рабочими поршнями 6 в рабочих цилиндрах 3 и подстройку противофазного движения поршней.The oppositely positioned, opposing working pistons 6, fitted to two parallel working cylinders 3, perform an out-of-phase reciprocating motion. The linear generator 10, which simultaneously serves as a start vibrator, is located on the central axis of the engine and is kinematically connected with the rods 2 of the piston-cylinder groups. The linear generator 10 is equipped with two permanent magnets 11 and 12 in the form of cylinders made on the basis of Nd-Fe-B. One of the magnets 11 serves as the core, and the other 12 is equipped with an external winding 13 and a cylindrical axial cavity inside, which serves to repel interaction with the core of the linear generator 11, which allows the upper and lower dead points to pass through the working pistons 6 in the working cylinders 3 and adjustment of the out-of-phase movement of the pistons.

Отработавшие газы направляются на лопатки газовой турбины 25, которая связана с электрогенератором 27. Вылетающие из турбины 25 пары воды, охлаждаются в генераторе пара 23. Следовательно, двигатель может использовать в качестве топлива воду (контейнер с водой) 30 и метан (баллон с метаном) 29. Синхронизация противофазного движения поршней 6 осуществляется благодаря кронштейнам 19, установленным на зубчатых рейках 20, которые, в свою очередь, кинематически связаны с зубчатыми роликами 21. При этом конструктивное выполнение кронштейнов 19 и их расположение на зубчатых рейках 20, связанных с зубчатыми роликами 21, позволяет осуществлять одновременно с линейным генератором 10 синхронизацию противофазного движения поршней 6 в левом и правом рабочих цилиндрах 3. В парогенераторе 23 вода подогревается до температуры 800°С и подается в каталитическую камеру 14 из жаропрочной стали, имеющей пористую вставку 24 (с высоким содержанием Ni), а по патрубку 18 с обратным клапаном одновременно из баллона 29 подается метан высокого давления. Происходит химическая реакция окисления метана водяными парами в присутствии никелевого катализатора CH₄+Н₂О ---- 3Н₂+СО.The exhaust gases are directed to the blades of a gas turbine 25, which is connected to an electric generator 27. Water vapor escaping from the turbine 25 is cooled in a steam generator 23. Therefore, the engine can use water (a container with water) 30 and methane (a cylinder with methane) as fuel 29. Synchronization of the antiphase movement of the pistons 6 is carried out thanks to the brackets 19 mounted on the gear racks 20, which, in turn, are kinematically connected with the gear rollers 21. Moreover, the constructive implementation of the brackets 19 and their location The operation on the gear racks 20, connected with the gear rollers 21, allows simultaneous synchronization of the out-of-phase movement of the pistons 6 with the linear generator 10 in the left and right working cylinders 3. In the steam generator 23, the water is heated to a temperature of 800 ° C and is supplied to the catalytic chamber 14 from heat resistant steel, having a porous insert 24 (with a high Ni content), and high pressure methane is supplied simultaneously from the cylinder 29 through the pipe 18 with a non-return valve. A chemical reaction of methane oxidation with water vapor occurs in the presence of a nickel catalyst CH ₄ + Н ₂ О ---- 3Н ₂ + СО.

Через топливные форсунки 9 топливная смесь подается в камеры сгорания рабочих цилиндров 3. Отработавшие горючие газы выводятся в радиатор охлаждения 28 с целью рециркуляции воды и подачи ее в парогенератор 23. Высокая скорость сгорания водородно-воздушной смеси так же, как температура сгорания, достигающая 2045°С, позволяют повысить кпд и снизить затраты топлива. Свечи накаливания 22 способствуют зажиганию водородно-воздушной смеси при температуре 574°С. Вода является хорошим оксидантом, а ее рециркуляция уменьшает количество экологически вредных веществ в выхлопных газах, что снижает засорение атмосферы и парниковый эффект над городами.Through the fuel nozzles 9, the fuel mixture is supplied to the combustion chambers of the working cylinders 3. Exhaust combustible gases are discharged to the cooling radiator 28 to recirculate the water and supply it to the steam generator 23. The high rate of combustion of the hydrogen-air mixture is the same as the temperature of combustion, reaching 2045 ° C, allow to increase efficiency and reduce fuel consumption. Glow plugs 22 contribute to the ignition of a hydrogen-air mixture at a temperature of 574 ° C. Water is a good oxidant, and its recirculation reduces the amount of environmentally harmful substances in the exhaust gases, which reduces the clogging of the atmosphere and the greenhouse effect over cities.

Claims

1. An electric vehicle engine driven by a turboelectric generator, including a two-stroke engine with two cylinder-piston groups and a linear generator, as well as a catalytic chamber, characterized in that the two cylinder-piston groups are parallel to each other and each pair of pistons is interconnected by two brackets mounted on gear racks kinematically connected with gear rollers, in the central part of the cylinder-piston group are the fuel nozzle and glow plug, catalytic converter The steam generator is equipped with a steam generator with a steam temperature of 800 ° C and a porous insert made of heat-resistant steel with a high nickel content, while the engine is equipped with a power gas turbine connected through a clutch to an electric generator, which serves to generate electric current and charge the battery and capacitor banks, which rotate Asynchronous motors with feedback and through the planetary gear drive the wheels of an electric vehicle.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the linear generator, which simultaneously serves as a start vibrator, is located on the central axis of the engine, while it is equipped with two permanent magnets in the form of cylinders made on the basis of Nd-Fe-B, and one of the magnets serves as a core, and the other is equipped with an external winding and a cylindrical axial cavity made inside, which serves to repel interaction with the core of the linear generator.