СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С СИСТЕМОЙ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F02D29/00 B60L11/00 

Изобретение относится к области использования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в машинах и машинных агрегатах различного назначения, использующих накопители энергии, в частности, применительно к транспортным средствам (ТС) для перевозки грузов и пассажиров.

Энергетическая эффективность этих устройств достигается за счет использования в энергетической цепи ДВС - движитель буферных накопителей энергии, стабилизирующих работу ДВС при изменении нагрузочных режимов на ведущих колесах во время движения ТС.

Известны способы [1, 2] минимизации удельного расхода топлива ДВС транспортного средства с электромеханической трансмиссией, на которых в качестве буферного накопителя энергии используются химические источники тока (аккумуляторы) или конденсаторные батареи.

Известен способ [3, 4] выравнивания нагрузки на приводном валу ДВС за счет инерционного накопителя механической энергии (маховичный привод).

Как тот, так и другой способ имеют свои преимущества и недостатки.

Первый способ (накопитель электрической энергии)

Недостатки:

1) требуются дорогостоящие электрохимические источники тока или суперконденсаторы; стоимость батареи накопителей возрастает пропорционально ее емкости и может составлять более половины стоимости электрифицированного ТС;

2) недостаточная надежность накопителей энергии данного вида и, соответственно, значительные затраты на ремонт ТС при выходе их из строя;

3) конструктивно сложнее решается вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.

Преимущества:

1) идеально реализуется управление движителем ТС за счет наличия электромеханической трансмиссии, снабженной тяговым управляемым электродвигателем;

2) устраняется потребность в механических или гидромеханических устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;

3) надежно обеспечивается процесс рекуперации энергии в накопитель как при торможении транспортного средства, так и при движении его под уклон;

4) обеспечивается возможность управления величиной емкости накопителя энергии [2].

Второй способ (маховичный накопитель)

Недостатки:

1) увеличенная масса механической части привода, которая при заданной частоте вращения возрастает пропорционально моменту инерции маховика;

2) сохраняется потребность в устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;

3) очень сложно реализовать процесс рекуперации энергии путем передачи ее обратно маховику при торможении ТС (для передачи потока мощности в обратном направлении необходимо установить повышающий редуктор, включающийся строго на начальный момент торможения); практически возврат энергии на раскрутку маховика можно обеспечить только при движении транспортного средства под уклон.

Преимущества:

1) дешевизна конструкции;

2) высокая надежность;

3) идеально решается вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.

Предлагаемая комбинированная система имеет все положительные свойства, характерные для каждого прототипа в отдельности, и соответственно, свободна от недостатков прототипов, что определяет новизну и эффективность данного технического решения. Способов и устройств, обеспечивающих совместное функционирование накопителей первого и второго вида, не обнаружено, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствия существенные отличия.

Целью изобретения является повышение энергоэффективности (КПД) ДВС при работе его на транспортных средствах в условиях постоянно изменяющихся нагрузочных режимов.

Цель достигается тем, что комбинированная система реализует все положительные качества существующих накопителей энергии:

1) снижается стоимость электрохимических накопителей энергии (примерно в два раза), так как около половины (и даже более) накапливаемой энергии запасается в маховике;

2) сохраняется электромеханическая трансмиссия с тяговым управляемым электродвигателем, что исключает потребность в устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;

4) надежно обеспечивается процесс рекуперации энергии в накопители и при торможении транспортного средства, и при движении его под уклон;

5) обеспечивается возможность управления величиной емкости накопителя энергии;

6) идеально решается вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.

В конечном итоге за счет указанных преимуществ снижается стоимость конструкции, повышаются ее энергетическая эффективность и надежность.

Последнее свойство особенно полезно в условиях экстремальной эксплуатации ТС, поскольку оно сохраняет на определенное время способность к передвижению при выходе из строя одного (и даже двух) важнейших компонентов системы: ДВС, связанного с ним мотор-генератора, любого из двух накопителей энергии (один из накопителей энергии при выходе из строя ДВС должен функционировать).

На фиг.1 показано устройство для реализации данного способа.

Устройство включает в себя: ДВС 1, соединительную управляемую электромагнитную муфту 2, накопитель (Н-1) 3 маховикового типа, электромотор-генератор (ЭМГ-1) 4, химический (или конденсаторный) накопитель (Н-2) 5 энергии, электромотор-генератор (ЭМГ-2) 6, механическую трансмиссию 7, движитель 8, механическое тормозное устройство 9, систему управления (СУ) 10, механизм управления топливоподающим рабочим органом (ТПРО)11.

Заявленный способ реализуется с помощью представленного устройства.

Работа устройства характеризуется тремя состояниями.

Состояние 1 - запуск системы.

Водитель подает в систему управления (СУ) сигнал h1 на запуск ДВС 1, в результате чего электроэнергия от накопителя 5 поступает на электромотор-генератор 4. Последний, работая в режиме двигателя, раскручивает маховичный накопитель 3 до заданной (минимально необходимой для запуска ДВС) частоты ω₀ вращения, по достижении которой СУ подает команду на плавное включение управляемой электромеханической муфты 2 и крутящий момент от маховика 3 через муфту 2 передается на вал ДВС 1. Одновременно СУ подает сигнал на включение ТПРО 10, в результате чего заводится ДВС 1. ДВС начинает раскручивать маховик 5 и жестко соединенный с последним вал ЭМГ-1 4, который в этот момент переключается в режим генерации электрической энергии.

Состояние 2 - работа системы при движении ТС.

Водитель подает в СУ сигнал h2 на управление тяговым электромотором ЭМГ-2 6, который через трансмиссию 7 сообщает крутящий момент движителю (колесу) 8 и ТС приводится в движение. ЭМГ-2 имеет возможность получать питание как от накопителя Н-2 (аккумуляторной батареи), так и непосредственно от ЭМГ-1 (работающего в режиме генератора), допускается также совместная работа указанных источников электроэнергии на тяговый электромотор ЭМГ-2.

При движении ТС по горизонтальному участку пути на малых и средних скоростях ЭМГ-2 получает питание только от накопителя Н-2, степень «заряженности» которого определяется величиной напряжения на клеммах: U_max - максимальное и U_min минимальное напряжение. Как только напряжение на клеммах накопителя Н-2 снижается до значения U_min, СУ вырабатывает сигнал на включение обмотки возбуждения ЭМГ-1, который начинает вырабатывать электроэнергию на два потребителя: ЭМГ-2 и Н-2.

Если ЭМГ-2 не потребляет энергию (ТС стоит на месте или движется по инерции), то вся энергия от ЭМГ-2 передается на Н-2, который принимает заряд до полной емкости, то есть до момента достижения напряжения U_max, после чего ЭМГ-1 прекращает работу (возбуждение отключается).

При работе ЭМГ-2 на больших нагрузках (при движении ТС на повышенных скоростях или на подъем) тяговый электродвигатель получает питание как от Н-2, так и от ЭМГ-1.

В свою очередь ЭМГ-1 получает механическую энергию от выходного вала маховичного накопителя Н-1. Частота вращения последнего (а соответственно и ЭМГ-1) контролируется системой управления (СУ) в заданных пределах: ω_max - максимальное, ω_min - минимальное значение. Максимальная частота может устанавливаться в пределах частоты работы ДВС (наиболее желаемое значение частоты вращения, при которой ДВС имеет наибольший крутящий момент, а следовательно, и наибольший КПД). Минимальная частота определяется устойчивостью работы ДВС и не должна быть ниже ω₀. При этом учитывается также и характеристики ЭМГ-1, а именно его способность генерировать электроэнергию с заданными параметрами, что зависит от частоты вращения ротора.

В начальный момент ЭМГ-1 получает механическую энергию, которая была запасена маховичным накопителем Н-1. По мере расхода этой энергии потребителями частота вращения маховика снижается до порогового значения ω_min. В этот момент СУ подает сигнал на включение электромагнитной муфты 2, ТПРО 10 в результате ДВС, раскрученный до частоты ω_min, включается в работу и начинает разгонять маховик вплоть до заданного максимального значения частоты ω_max. После чего муфта 2 и ТПРО 10 снова отключаются и ДВС останавливается.

Особенностью работы ДВС в рассматриваемой системе является то, что ТПРО всегда обеспечивает максимальную подачу топлива, то есть ДВС работает только на внешней скоростной характеристике, где достигается минимальный удельный расход топлива. Кроме того, ω_max может выбираться водителем с учетом скоростного и нагрузочного режима движения ТС. Очевидно, что чем больше потребляемая мощность ЭМГ-2, которая зависит от дорожных условий и стиля вождения водителя, тем больше устанавливается величина ω_max.

Состояние 3 - работа системы в режиме рекуперации и торможения.

При начальном периоде включения водителем тормозной системы (плавное нажатие на педаль тормоза) с целью торможения и остановки ТС (или с целью замедления ТС, движущегося под уклон) в СУ поступает сигнал h3, действие которого обеспечивает перевод ЭМГ-2 в режим генератора. Вырабатываемая последним электроэнергия передается в управляемый по принципу разделения (объединения) элементов (см. [2]) накопитель Н-2. Когда рекуперация в накопитель Н-2 становится невозможной (достигается предельное напряжение U_max), электроэнергия, вырабатываемая ЭМГ-2, направляется на ЭМГ-1, при этом СУ обеспечивает работу последнего в режиме двигателя. ЭМГ-1 начинает раскручивать маховик, отключенный от ДВС, (рекуперируя в него механическую энергию). Это может быть достигнуто только в пределах частоты вращения маховика, не превышающих ω_max. После чего возбуждение ЭМГ-1 и ЭМГ-2 отключается, и на этом электродинамическое торможение ТС заканчивается.

Если водитель продолжает удерживать педаль тормоза, то возникает сигнал h4, который включает механическое тормозное устройство 9, и ТС останавливается.

Использование данного способа и устройства увеличивает эффективность работы ДВС особенно при движении ТС в режиме частых разгонов-торможений транспортного средства (движение ТС в городе). Это обеспечивается в первую очередь за счет того, что: 1) ДВС работает только на внешней скоростной характеристике; 2) при наличии двух накопителей энергии и совместной их работе увеличивается объем рекуперируемой энергии торможения ТС; 3) надежный запуск ДВС от маховика исключает режим холостого хода ДВС при отсутствии на нем нагрузки (что не характерно для прототипов).

Литература

1. Патент №2338081 РФ, МПК F02D 17/04, F02D 41/30. Опубл. в БИ №31 10.11.2008

2. Патент №2418185 РФ, МПК F02D 41/04, B60W 10/10. Опубл. в БИ №13 10.05.2011.

3. Гулиа, Н.В. Накопители энергии / Н.В. Гулиа. - М.: Наука, 1980. - 152 с.

4. Патент №2033560 РФ, МПК F03G 3/00, F16F 15/30. Опубл. 20.04.1995.

Изобретение может быть использовано в транспортных средствах (ТС), использующих электромеханическую трансмиссию, где минимизация удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивается за счет применения накопителей энергии. Устройство минимизации расхода топлива ДВС содержит управляемый топливоподающий рабочий орган (ТПРО), снабженный системой автоматического регулирования с обратными связями с элементами электромеханической трансмиссии и управляемым электрическим накопителем энергии, и снабжено маховичным накопителем энергии, соединенным с валом ДВС посредством управляемой электромагнитной муфты. Система управления (СУ) определяет взаимодействие обоих накопителей как при движении ТС, когда тяговый электродвигатель потребляет электроэнергию, так и при торможении ТС, когда тяговый двигатель, работающий в режиме генератора, отдает энергию в систему привода. СУ обеспечивает рекуперацию энергии поочередно в электрический и маховичный накопители энергии. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ минимизации расхода топлива за счет автоматического регулирования режима работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соединенного с генератором электрической энергии, обеспечивающим питание электромеханической передачи транспортного средства (ТС), регулируемый на основе обратных связей с тяговым электромотором движителя и накопителем электрической энергии, отличающийся тем, что в целях повышения эффективности работы ДВС используется дополнительный маховичный накопитель механической энергии, соединяемый с ДВС посредством управляемой электромагнитной муфты, запуск ДВС осуществляется от маховика, приводимого в действие от генератора, работающего в режиме двигателя и получающего энергию от электрохимического накопителя при работе ДВС, когда оба накопителя насыщаются энергией, а частота вращения ДВС достигает максимально допустимого значения, система управления (СУ) отключает ДВС, по мере движения ТС и потребления энергии тяговым двигателем частота вращения маховикового накопителя снижается до минимально допустимого значения, тогда СУ обеспечивает включение ДВС, который вновь совершает «подкачку» системы накопителей, во время торможения ТС обеспечивается рекуперация энергии, вырабатываемой тяговым электродвигателем, работающим в режиме генератора, при этом ДВС посредством электромагнитной муфты отключается, а генерируемая энергия сначала насыщает полностью электрохимический накопитель, а затем поступает на генератор, работающий в режиме двигателя, и раскручивает маховик до установленного максимального значения.

2. Устройство минимизации расхода топлива ДВС, содержащее управляемый ТПРО (топливоподающий рабочий орган), снабженный системой автоматического регулирования с обратными связями с элементами электромеханической трансмиссии и управляемым электрическим накопителем энергии, отличающееся тем, что дополнительно содержит соединенный с ДВС посредством управляемой электромагнитной муфты маховичный накопитель энергии, систему управления, определяющую взаимодействие обоих накопителей как при движении ТС, когда тяговый электродвигатель потребляет электроэнергию, так и при торможении ТС, когда тяговый двигатель, работающий в режиме генератора, отдает энергию в систему привода, при этом СУ обеспечивает рекуперацию энергии поочередно в каждый накопитель энергии.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что при первичном запуске непрогретого ДВС автоматическая система управления отключается, при этом используется штатная (установленная заводом-изготовителем) система управления ТПРО вплоть до прогрева ДВС до рабочей температуры.