Статья: Интегрированные двигатели для гибкости эксплуатации автомобиля

Проблема заключается в противоречии между экономией, скоростью и безопасностью движения транспорта.

Идея состоит в том , чтобы разрешить эти противоречия путем эксплуатационной гибкости привода транспортного средства путем создания специальных двигателей, сочетающих в себе положительные качества известных двигателей в единой конструкции: поршневые, газотурбинные и электрические (т. Е. Integrated Engines - IntEn), но не имеющие их конкретные недостатки. Такой IntEn способен обеспечить 3 режима движения автомобиля: электрический, механический или электромеханический.

Решение заключается в оснащении транспортных средств IntEn, которые являются наиболее экономичными и экологически безопасными для поездок по дорогам в городах благодаря электрическому приводу и настолько мощными, что обеспечивают вертикальный взлет и посадку будущих AirMobiles в любом желаемом месте. (даже с / на крышу) для следующего безопасного высокоскоростного полета (≈ 350 км / ч) по прямой.

Уровень готовности технологии (TRL) IntEn составляет 4+.

Транспорт - локомотив экономики развитых стран. Степень мобильности транспорта определяется в первую очередь используемыми двигателями и может даже характеризовать современный технологический уровень цивилизации.

Ограничение мобильности существующего транспорта определяет применяемые двигатели. До сих пор нет достойной альтернативы тяжелым, громоздким и вредным многоцилиндровым ДВС. Основным недостатком появившихся электромобилей является полная зависимость их от стационарной электрической сети для зарядки аккумуляторов. Кроме того, большой проблемой является повторное использование батарей, которые содержат токсичные химические элементы.

Оперативная мобильность - это новое качество транспорта следующего поколения, что означает следующие возможности для движения:

• с помощью экономичного электропривода - для поездки на дешевом и экологически безопасном электричестве с зарядкой от внешней электросети для поездок по городам на короткие расстояния (150-200 км);
• с использованием роторно-гибридного ДВС - для выезда за пределы города в случае разряда электрических батарей, а также для вертикального взлета / посадки и высокоскоростного полета.

Решение задач оптимизации доставки полезного груза транспортом может осуществляться в двух сопряженных аспектах:

• сохранение и экологическая безопасность - с помощью электропривода для поездок по дорогам на сравнительно небольшие расстояния (например, в городах днем);
• скорость и безопасность движения - с помощью скоростного полета (300-400 км / ч) по прямой линии между населенными пунктами на расстояниях более 100 км.

1-й аспект: стоимость энергии от внешней электросети в 5-6 раз меньше стоимости углеводородного топлива. По этой причине использование электрических гибридных автомобилей имеет очевидные преимущества: путешествовать можно, используя экологически безопасную и дешевую электроэнергию, которая поступает от внешней электросети на относительно небольшие расстояния в городе и на большие расстояния вне городов - с использованием углеводородного топлива (см. рис.1).

Рисунок 1. Сравнение эффективности использования различных типов гибридных автомобилей.

2-й аспект: транспортным средствам (которые тяжелее воздуха) требуются мощные двигатели для высокоскоростных полетов, поскольку в этом случае затраты энергии на единицу времени во много раз выше, чем для других видов транспорта. Более того, вертикальный взлет и посадка (VTOL) необходим для того, чтобы летающие машины не были «привязаны» к дорогам, мостам и взлетно-посадочным полосам. Мощность в этом случае будет в 5-7 раз больше, чем при взлете с горизонтальным запуском (см. Рис. 2), т.е. для обеспечения VTOL необходимы очень мощные, легкие и экономичные двигатели.

Рис.2. Значение силы для: а) зависания, б) взлета; в) скоростной полет .

Но сегодня таких двигателей нет. Таким образом, было изобретено изобретение для революционного улучшения КПД маломощных газотурбинных двигателей (мощностью менее 1 МВт) путем замены обычного для ГТД рабочего процесса цикла Брайтона (в потоке воздуха без увеличения давление при сгорании топлива) по циклу Отто (в замкнутом объеме с увеличением давления при сгорании топлива) - см. рис.3,4 и наши патенты US8210151 B2 ; US8511277 B2 ; US8950377 B2 , Результатом этого нововведения является повышение теплового КПД ГТД малой мощности в 2-3 раза и большой удельной мощности двигателей (≈ 3 кВт / кг), аналогичной мощности ГТД. Двигатели с такими параметрами уже могут обеспечивать вертикальный взлет и посадку, а также достаточно высокую скорость полета транспортного средства между населенными пунктами.

Рис.3. Повышение теплового КПД ГТД (для мощности менее 1 МВт) до 2-3 раз.

Рис.4. Принцип работы "ТурбоМотор".

Два изобретения реализованы в нашем роторно-лопастном двигателе. Он был назван "ТурбоМотор":

Первым изобретением является создание запатентованной вращательной кинематики для современного ДВС путем слияния в единую критическую деталь кинематического механизма 3 величайших изобретений человечества (см. Патент US8210151 B2 ):

1. Рычаг Архимеда с двумя руками;
2. Само колесо и
3. Зубчатая передача - для обеспечения вращательно-колебательного движения двух роторов с лопастями.

Второе изобретение представляет собой гибридный рабочий цикл, который сочетает в себе положительные качества двух разных рабочих процессов (см. Патент US8511277 B2 и фиг.3):

• Цикл Брайтона - постоянное сжигание топлива в специальных внешних небольших камерах сгорания, которые имеют постоянное избыточное давление (для обеспечения надежности воспламенения топливной смеси);
• Цикл Отто - сгорание топлива в замкнутом объеме между вращающимися лопастями со значительным увеличением давления рабочего газа (для обеспечения хорошей экономии топлива).

Идея работы «ТурбоМотора» такова (см. Рис.4): объединить качества вращательной кинематики газовой турбины (для получения высокой удельной мощности) с несколькими закрытыми рабочими объемами поршневого двигателя, которые имеют большой пик давление газа (для получения хорошей экономии топлива). Кинематический механизм - главная особенность конструкции "ТурбоМотор". Он реализует согласованное вращательно-колебательное движение обоих 4-х лопастных роторов в тороидальной рабочей полости двигателя. Лопасти роторов образуют 8 замкнутых объемов, которые постоянно меняются по величине (см. Рис.4). Таким образом, восемь 4-х тактных рабочих процессов выполняются одновременно в одной рабочей полости «ТурбоМотор». В этом и есть «секрет» его большой удельной силы.

Кроме того, такой «гибридный» двигатель внутреннего сгорания с вращающимися лопастями, полученный таким способом, синтезируется вместе с современной бесщеточной реверсивной электрической машиной (то есть вместе с электрическим приводом).

Результатом является сочетание электропривода (для экономии топлива и экологически безопасной работы в городах) и очень мощных «ТурбоМоторс» (для вертикального взлета и посадки, а также для высокоскоростного полета), чтобы объединить В одном агрегате лучшие качества 3 разных типов двигателей:

• Вращательная кинематика - от газотурбинных ДВС,
• Несколько закрытых рабочих объемов - от поршневых двигателей,
• Электродвигатель / генератор с силовой электроникой и аккумулятором - от электропривода -

- это Интегрированный двигатель (вкратце - IntEn ), который объединяет в одном блоке все 3 конструктивных особенности двигателей разных типов (см. рис. 5 справа).

Прорыв заключается в возможности создания многоместных высокоскоростных самолетов AirMobiles VTOL, когда они оснащены IntEn. Мы сказали, что проблема в том, что вертикальный взлет и посадка имеют кратковременную фазу «зависания» (в течение 20-30 секунд), которая требует мощности двигателя в 5-7 раз больше, чем мощность взлета при горизонтальном взлете ( см. рис. 2). У IntEn достаточно суммарного энергетического потенциала («ТурбоМотор» + электропривод), чтобы обеспечить вертикальный взлет и посадку в любом месте (даже от / до крыши дома) для последующего высокоскоростного полета на сотни километров. Но такой AirMobile может проехать по городу в общем потоке автомобилей, используя экологически безопасный электропривод с минимальными затратами энергии. Такой транспорт срочно необходим для служб экстренного вызова (скорой помощи, служб спасения и т. Д.), Для почтовых и экспедиторских служб, а также для повышения мобильности VIP-персон и бизнесменов.

Безопасность полета по прямой намного безопаснее, чем утомительное движение на дальние расстояния по извилистым дорогам с двусторонним движением, когда разница в скорости встречных транспортных средств может составлять 200 км / ч или когда скорость автомобиля составляет 100 км / ч и расстояние до обочины составляет 1 м.

Нашими задачами является создание линии мощностей «атмосферных» IntEn 60, 110 и 260 кВт с возможностью их модернизации турбонагнетателями до 320 кВт для обеспечения коренной модернизации существующего транспорта, а также для оценки их пригодности для создания будущих AirMobiles VTOL. Такая оценка проводится путем измерения статической тяги винтов, которые приводятся в действие Интенами различной мощности, а также испытаниями компьютерных и натуральных моделей самолетов AirMobiles VTOL с проверкой их характеристик в свободном полете. Невозможно модернизировать огромное количество существующих автомобилей только с одним размером двигателя. Поэтому мы предлагаем IntEn различной мощности от 60 до 320 кВт, которые в настоящее время наиболее востребованы на транспортном рынке (см. Рис. 5).

Рис.5. Три основных размера InMot: 60, 110 и 260 кВт (80, 150 и 350 л.с.) и запланированные автомобили для их тестирования.

Структурная схема s IntEn (последовательная и параллельная) показана на примере колесного привода на рис. 6, 7.

Последовательная схема («чистый» электропривод). Эта схема оптимизирована для относительно небольшой мощности с зарядкой от внешней сети и с экономичными затратами энергии. «ТурбоМотор» здесь в основном используется в качестве вспомогательного автономного источника энергии, например, в качестве удлинителя автомобиля. Особенность такого электропривода заключается в том, что между «Турбомотором» и нагрузкой имеется только электрическое соединение (см. Рис.6).

Рис.6. Схема последовательного электропривода и его основных компонентов.

Параллельная схема (электромеханический привод). Эта схема оптимизирована для передачи большой мощности в нагрузку (см. Фиг.7). Его особенностью является наличие реверсивной электрической машины - двигателя / генератора и сцепления между ним и «Турбомотором».

Инвертор управляет работой двигателя / генератора и сцепления. Это позволяет осуществлять различные комбинации передачи энергии между: «ТурбоМотор», электрическим аккумулятором и нагрузкой. Возможность кратковременного подключения электродвигателя к нагрузке позволяет осуществлять импульсное увеличение мощности, что очень ценно для авиационной техники.

Рис.7. Схема параллельного электромеханического привода и его основные компоненты.

Компоненты электропривода - двигатель / генератор на пиковую мощность 100 кВт и универсальный инвертор на 300 кВт - у нас уже есть они для наших экспериментов в качестве рабочих прототипов (см. Рис. 8).

Рис.9. Испытание инвертора 300 кВт в сочетании с двигателем / генератором 100 кВт.

VTOL AirMobiles - это очень реализуемый новый вид транспорта, если они будут оснащены легким и компактным IntEn соответствующей вместимости. В частности, мы провели предварительные исследования по оценке необходимой мощности двигателя для самолета, способного выполнять вертикальный взлет и посадку, что описано в патенте Airbus: Pub. №: US2016 / 0236774 A1 (см. Рис.10). Мощность 45 кВт * 4 = 180 кВт необходима для обеспечения скорости вертикального взлета 1 м / с для такого 4-местного самолета такого типа (взлетная масса 800 кг), который имеет 4 подъемных винта диаметром 2 м со скоростью вращения 1910 об / мин. Мощность двигателя должна составлять 140 кВт, чтобы обеспечить крейсерскую скорость 350 км / ч самолета, аэродинамическое качество которого равно 10. Таким образом, общая мощность двигателей этого самолета должна составлять около 300 кВт. Эта мощность может быть обеспечена типичным IntEn 260 кВт, когда его мощность будет увеличена до 320 кВт с помощью турбокомпрессора.

Рис.10. Самолет, способный к вертикальному взлету и посадке на аэробусе ( видео )

Могут быть и другие возможные формы самолетов AirMobiles (см. Рис.11).

Рис.11. Другая возможная форма AirMobile VTOL по VTOL AEROSPACE ,

Похожие