Статья: Интегрированные двигатели для гибкой эксплуатации транспортных средств

          Транспорт - это локомотив экономики развитых стран. Степень транспортной мобильности определяется в основном используемыми двигателями и может даже характеризовать нынешний технологический уровень цивилизации.

Ограничение мобильности существующего транспорта определяется применяемыми двигателями. До сих пор нет достойной альтернативы тяжелым, громоздким и экоопасным многоцилиндровым ДВС. Основным недостатком появившихся электромобилей является их полная зависимость от стационарной электрической сети для зарядки батарей. Кроме того, большой проблемой является утилизация батарей, содержащих токсичные химические элементы

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

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

Решение задач оптимизации для доставки полезной нагрузки транспортом может выполняться в двух сопряженных аспектах:

• экономия и экологическая безопасность - с помощью электропривода для передвижения по дорогам на относительно небольших расстояниях (например, в городах в течение дня);
• скорость и безопасность движения - посредством скоростного полета (300-400 км / ч) по прямой линии между населенными пунктами на расстояние более 100 км.

1-й аспект: стоимость энергии от внешней сети питания в 5-6 раз меньше стоимости углеводородного топлива. По этой причине использование электрических гибридных автомобилей имеет очевидные преимущества: можно путешествовать с использованием экологически безопасной и дешевой электроэнергии, которая поступает из внешней электрической сети на относительно небольшие расстояния в городе и на большие расстояния за пределами городов - с использованием углеводородного топлива (см. рис.1).

2-й аспект: транспортные средства (которые тяжелее воздуха) нуждаются в мощных двигателях для высокоскоростных полетов, поскольку в этом случае затраты энергии в единицу времени во много раз больше, чем для других видов транспорта. Более того, вертикальный взлет и посадка (VTOL) необходимы для обеспечения того, чтобы летательные машины не были «привязаны» к дорогам, мостам и взлетно-посадочным полосам. Мощность в этом случае должна быть в 5-7 раз больше, чем взлет с горизонтальным запуском (см. Рис. 2), то есть для обеспечения VTOL необходимы очень мощные, легкие и экономичные двигатели.

Но сегодня таких двигателей нет. Поэтому было сделано изобретение для революционного повышения эффективности маломощных газотурбинных двигателей (с мощностью менее 1 МВт) путем замены обычного для рабочего процесса ГТД цикла Брайтона (в потоке воздуха без увеличения давления во время сжигание топлива) циклом Отто (в закрытом объеме с увеличением давления при сжигании топлива) - см. рис.3,4, а также наши патенты: US8210151 B2; US8511277 B2; US8950377 B2. Результатом этого новшества является увеличение тепловой эффективности ГТД малой мощности в 2-3 раза и большая удельная мощность двигателей (≈ 3 кВт / кг), аналогичная мощности ГТД. Двигатели с такими параметрами уже могут обеспечить вертикальный взлет и посадку, а также достаточно высокую скорость полета транспортного средства между населенными пунктами.

В нашем роторно-лопастном двигателе реализованы два изобретения. Он был назван «TurboMotor»:

Первым изобретением является создание запатентованной вращательной кинематики для современного ICE путем слияния в одной критической детали кинематического механизма 3 величайших изобретения человечества (см. Патент US8210151 B2):

1. рычаг Архимеда с двумя рычагами;
2. Само колесо;
3. Зубчатый редуктор - для обеспечения вращательно-колебательного движения двух роторов, имеющих лопасти.

Второе изобретение представляет собой гибридный рабочий цикл, который сочетает в себе положительные качества двух различных 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 - сжигание 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 роторной 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 является основной особенностью конструкции «ТурбоМотора». Он реализует скоординированное вращательно-колебательное движение обоих четырех-лопастных роторов в тороидальной рабочей полости двигателя. Лопасти роторов образуют 8 замкнутых объемов, которые постоянно изменяются по величине (см. Рис. 4). Таким образом, восемь 4-тактных рабочих процессов выполняются одновременно в одной рабочей полости «ТурбоМотора». В этом «секрет» его большой удельной мощности.
Кроме того, такой «гибридный» роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, который получается таким образом, синтезируется вместе с современной бесщеточной реверсивной электрической машиной (то есть вместе с электроприводом).

Результатом является слияние электропривода (для экономии топлива и экологически безопасной работы в городах) и очень мощных «ТурбоМоторов» (для вертикального взлета и посадки, а также для высокоскоростного полета), чтобы объединить в одном устройстве лучшие качества трех различных типов двигателей:

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

- это интегрированный мотор (кратко - ИнМот), который объединяет в одном устройстве все 3 конструктивные особенности двигателей разных типов (см. рис. 5, справа).

Прорыв заключается в возможности создания многоместных высокоскоростных АэроМобилей вертикального взлёта и посадки (ВВП), когда они оснащены двигателями ИнМот. Мы уже говорили, что проблема заключается в том, что вертикальный взлет и посадка имеют кратковременную фазу «зависания» (на 20-30 секунд), что требует мощности двигателя в 5-7 раз больше от взлетной мощности при горизонтальном взлете ( см. Рис.2). ИнМот обладает достаточным суммарным энергетическим потенциалом («TurboMotor» + электропривод) для обеспечения вертикального взлета и посадки в любом месте (даже с / на крышу дома) для последующего высокоскоростного полета на сотни километров. Но такой АэроМобиль может проехать через город в общем потоке автомобилей, используя экологически безопасный электропривод с минимальными затратами энергии. Такой транспорт очень необходим для служб экстренного вызова (скорая помощь, спасательные службы и т.д.), для почтовых и экспедиторских услуг, а также как средство повышения мобильности VIP-клиентов и бизнесменов.

Безопасность полета по прямой является гораздо больше, чем утомляющая дальняя дорога, ведущая по извилистым дорогам с двухсторонним движением, когда разница в скорости встречно движущихся транспортных средств может составлять 200 км/ч или когда скорость автомобиля составляет 100 км / ч при расстоянии до обочины дороги - 1 м.

Наши задачи - это создать мощной ряд «атмосферных» двигателей ИнМот различной мощности, например: 60, 110 и 260 кВт с возможностью их модернизации турбонагнетателями до мощности в 320 кВт для обеспечения радикальной модернизации существующего транспорта, а также для оценки их пригодности для создания будущих АэроМобилей ВВП. Такая оценка проводится путем измерения статической тяги пропеллеров, которые приводятся в движение ИнМот различной мощности, а также тестирования с помощью компьютерных и натурных моделей АэроМобилей ВВП с проверкой их характеристик в свободном полете. Невозможно модернизировать огромное количество существующих автомобилей с одним типоразмером двигателя. Поэтому мы предлагаем двигатели ИнМот различной мощности от 60 до 320 кВт, которые в настоящее время являются наиболее востребованными на транспортном рынке (см. Рис. 5).

Структурные схемы ИнМот (последовательные и параллельные) показаны на примере привода колес на Рис. 6, 7.

Последовательная схема («чистый» электропривод). Эта схема оптимизирована для относительно небольшой мощности с зарядкой от внешней сети и с экономичным расходом энергии. «Турбомотор» здесь в основном используется в качестве вспомогательного автономного источника энергии, например, в качестве расширителя диапазона автомобилей. Особенность такого электропривода заключается в том, что существует только электрическое соединение между «Турбомотором» и нагрузкой (см. Рис. 6).

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

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

Компоненты электропривода - двигатель / генератор с максимальной мощностью 100 кВт и универсальный инвертор мощности на 300 кВт - мы уже имеем их для наших экспериментов в качестве рабочих прототипов (см. Рис. 8).

АэроМобили ВВП - это реальный новый вид транспорта ближайшего будущего, если они будут оснащены легким и компактным двигателями ИнМот соответствующей мощности. В частности, мы провели предварительные исследования по оценке требуемой мощности двигателя для самолета с вертикальным взлетом и посадкой, который описан в патенте Airbus №: US20160236774 A1 (см. Рис.10). Мощность 45 кВт * 4 = 180 кВт необходима для обеспечения вертикальной скорости взлета 1 м / с для таких четырехместных самолетов этого типа (взлетная масса 800 кг), которая имеет 4 подъемных пропеллера с диаметром 2 м со скоростью вращения 1910 об / мин. Мощность двигателя должна составлять 140 кВт, чтобы обеспечить крейсерскую скорость 350 км / ч самолета с аэродинамическим качеством, равным 10. Таким образом, общая мощность двигателей этого самолета должна составлять около 300 кВт. Эта мощность может обеспечивать типичный ИнМот мощностью 260 кВт, когда его мощность будет увеличена до 320 кВт с помощью турбонагнетателя.

May be other possible forms of AirMobiles VTOLs (see Fig.11).