СПОСОБ ПЕТРОСОВА ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ У АВТОМОБИЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК B60K6/10 F03G7/08 

Изобретение относится к области автомобилестроения и предназначено для повышения уровня эксплуатационных характеристик автомобилей (А.), преимущественно легковых и автобусов, за счет рекуперации энергии останавливающегося А. и использования ее для улучшения экологии и снижении расхода топлива при дальнейшей эксплуатации А., особенно в условиях города, где частые остановки А. неизбежны. Способ может быть применен при создании спортивных А.

Известны различные способы рекуперации энергии движущегося А. с преобразованием механической энергии привода А. в электрическую или механическую [1], а также способы рекуперации энергии колебания элементов А. с преобразованием ее в гидравлическую энергию [2]. Однако рекуперированная энергия в этих случаях не используется для начального движения А., оснащенного ДВС.

В технической учебной литературе практически нет описаний о реально применимых способах рекуперации для А. [например, см. 3].

Известен также способ рекуперации энергии у А. при помощи маховичных двигателей [4].

За прототип принят известный способ "стоп-старт", разработанный фирмой "фольксваген" [5, 6], позволяющий в городском цикле движения А. обеспечивать полное отключение двигателя на токсичных нетяговых режимах, холостом ходу и в режиме торможения. Согласно этому способу между двигателем и коробкой передач последовательно располагают дополнительное стартовое сцепление, маховик, установленный на отдельных подшипниках, и обычное сцепление, что обеспечивает в момент перехода двигателя с тяговых режимов на нетяговое автоматическое отключение обоих муфт сцепления, выключение зажигания двигателя. В результате чего маховик вращается с первоначальной скоростью, имея определенный запас кинетической энергии. При необходимости включается стартовое сцепление и двигатель запускается от вращающегося маховика. Величина рекуперированной энергии маховиком при этом определяется по соотношению [7, с. 490]

где
J = 3/5 mR² - момент инерции маховика в виде круглого цилиндра;
m - масса маховика;
R - радиус маховика;
ω = πn/ 30 - угловая скорость;
n - частота вращения маховика.

К недостаткам известного способа относится следующее.

1. Рекуперируется лишь доля энергии останавливаемого А., а именно только энергия инерции маховика, которая составляет лишь часть от инерционной энергии останавливающегося А.

2. Экологическая обстановка в зоне остановки А. изменяется незначительно. Это обосновано тем, что двигатель не работает на малом газу, когда наблюдается значительное содержание CO в отработавших газах [6], но только после остановки А. В то же время при страгивании А. с места, для преодоления его инерционности, водителю необходимо форсировать работу двигателя, когда в отработавших газах наблюдается повышенное содержание CO и других вредных компонентов.

3. Способ не предусматривает обеспечение страгивание А. без предварительного запуска двигателя.

4. Способ не обеспечивает ускорения А. при его движении за счет использования рекуперированной энергии.

Целью настоящего изобретения является создание такого способа рекуперации энергии А., который обеспечивает повышение эффективности рекуператора за счет увеличения запасенной энергии более чем на порядок по сравнению с прототипом, улучшение экологии в зоне частых остановок А., увеличение экономии топлива.

Дополнительной целью способа является расширение возможностей использования рекуперированной энергии за счет повышения приемистости и маневренности А., например, при страгивании или обгоне.

Поставленная цель достигается тем, что рекуперируется энергия инерционной массы всего движущегося А., которая по величине равна [7]

где
M - масса автомобиля, включая пассажиров;
V - скорость движения А. в момент подключения рекуператора;
β = V_к/ V_н - коэффициент, учитывающий изменение скорости движения А. в процессе рекуперации;
V_к - скорость А. в момент конца зарядки рекуператора.

При этом рекуперацию энергии А. осуществляют путем заневоливания упругого элемента, например витой плоской пружины, оснащенной храповым устройством и установленной вокруг оси одного из вращающихся валов в зоне между коробкой передач и ведущим мостом А. (например, вокруг карданного вала, ведущей шестерни заднего моста или выходного вала коробки передач), для зарядки и разрядки рекуператора в трансмиссию устанавливают два дополнительных сцепления, до и после рекуператора, причем одно из них обеспечивает непосредственное соединение вращающегося вала с пружиной, а второе - через зубчатое соединение, имеющее паразитную шестерню.

Дополнительная цель достигается тем, что рекуператор подключают к трансмиссии А. через механизм сцепления для разрядки рекуператора, выполненный в виде подпружиненных торцевых шлицев, обеспечивающих проскальзывание их относительно заведенного рекуператора, а после подключения последнего к трансмиссии автомобиля его энергия ускоряет частоту вращения ведущих колес автомобиля.

Пример. Проводились сравнения технических характеристик двух одинаковых автомобилей ЗАЗ-1102, снабженных механическими рекуператорами, обеспечивающими рекуперацию энергию автомобиля, первый - по известному способу, второй - по предлагаемому.

Исходные данные при этом были следующими, с учетом приведенного в [6]
масса маховика m = 3,5 кг,
радиус маховика R = 65•10^-3 м,
частота вращения маховика n = 3000 об/мин,
масса автомобиля с пассажирами M ≈ 1000 кг,
скорость движения автомобиля перед остановкой v_н = 40 км/ч = 11 м/с,
конечная скорость при зарядке рекуператора, которая может гаситься тормозной системой А., v_к = 1 м/с,
коэффициент β = V_к/ V_н = 0,1.
Данные расчетов рекуперированной энергии приведены в таблице. Из приведенных данных видно, что по предлагаемому способу запасается энергия для данного случая малолитражного автомобиля больше по сравнению с исходным способом более чем в 20 раз. Эта цифра еще значительнее при рассмотрении рекуперации энергии у автобуса, например марки ЛиАз-677, имеющего массу с пассажирами более 12 т.

Накопленная энергия в первом случае использовалась только для запуска двигателя. Во втором же случае (предлагаемом) энергии достаточно было, чтобы при неработающем двигателе А. начал свое движение, достигнув скорости ≈v_ср, и при этом на удалении от остановки 10-20 м был произведен на ходу запуск двигателя. В свою очередь, снизило расход бензина по сравнению с прототипом еще на 5-10%.

Запуск двигателя на расстоянии от автобусной остановки (для городских автобусов), причем при движении А., когда отпала необходимость "газовать" прямо на стоянке, значительно улучшило экологическую обстановку в зоне маршрутных остановок пассажирского автотранспорта, а также в зоне городских перекрестков.

Испытание предлагаемого способа рекуперации энергии на спортивном автомобиле показало, что некоторое торможение на виражах за счет подключения рекуператора и возврат энергии последним на прямолинейных участках дало ощутимые результаты в увеличении скорости и в итоге - в зачетном времени.

Использование зарядки рекуператора А. перед стоянкой обеспечивает повышение приемистости двигателя, а также облегчает запуск двигателя в холодное время года.

Использование предлагаемого способа рекуперации энергии для автомобилей обеспечивает по сравнению с существующим способом следующие преимущества: улучшается экология в городах; повышается экономия топлива; улучшаются условия сохранения рекуперированной энергии; создается возможность подключения рекуперированной энергии к ускорению движения автомобиля; создается возможность применения рекуперированной энергии для улучшения технической характеристики А., а именно его приемистости, что в итоге повышает общий технический уровень автомобилей.

Использованные источники
1. Заявка ФРГ N 3825179, кл. F 03 G 7/08, РЖ ИСМ, кл. F 03, N 12, 1990.

2. Авторское свидетельство СССР N 1590631, кл. F 03 G 7/08.

3. Гуревич А.М. Конструкция тракторов и автомобилей. - М.: Агропромиздат, 1989, 368 с.

4. Гулиа Н.В. Предлагаем маховичный двигатель. ИР N 8 - 1989, с. 19.

5. Жегалин О.И., Лукачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. - М.: Транспорт, 1985, с. 63-64.

6. Гулиа Н.В. и др. Пуск двигателя с позиций "Буриданова осла". ИР, N 6, 1989, с. 12-13.

7. Воронков И.М. Курс теоретической механики. - М.: Наука, 1966, 596.

8. Карпов С. и др. Операция "Чистый воздух": новые итоги. - Автомобильный транспорт, 1991, N 2, с. 32-33.

Способ предназначен для рекуперации энергии у автомобиля. Накопление энергии автомобиля перед его остановкой осуществляют в механическом накопителе энергии, размещенном между двигателем и ходовой частью автомобиля, для использования этой энергии при следующем движении автомобиля. Механический накопитель в виде плоской пружины размещают соосно и вокруг оси вала, связывающего двигатель с ходовой частью автомобиля. Это приводит к экономии топлива и улучшению экологической обстановки. 1 табл.

Способ рекуперации энергии у автомобиля, заключающийся в накоплении энергии автомобиля перед его остановкой в механическом накопителе энергии, размещенном между двигателем и ходовой частью автомобиля, для использования этой энергии при последующем движении автомобиля, отличающийся тем, что энергию автомобиля накапливают в пружинном элементе, например в витой плоской пружине, заневоленном (скручиваемом) вокруг оси вала, связывающего двигатель с ходовой частью автомобиля.