Способ производства энергии для питания электродвигателей и система для производства энергии Российский патент 2022 года по МПК B60K6/12 B60K6/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к транспортным средствам на колёсах, приводимых в движение с помощью тяговых электродвигателей, подключённых к ведущим колёсам, в частности к системе и способу производства энергии для питания электродвигателей.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

На сегодняшний день существуют несколько типов городского пассажирского автобуса (по силовому агрегату). Автобус, использующий двигатель внутреннего сгорания (дизельный или на компримированном газе) и электробус.

Недостаток автобусов использующих ДВС: неэкологичность и невозможность применить рекуперацию торможения.

Недостаток электробуса это маленький автономный пробег в городском цикле - максимум 200км. Нужно не менее 300 км, так что бы этот транспорт считался коммерческим. Электробус в отличие от автобусов с силовым агрегатом ДВС имеет возможность частичной рекуперации торможения, но эффективность очень низкая. Это тоже недостаток. Электродвигатели современного электробуса на 90 % питаются от бортовых батарей и на 10% энергией сохраненной при торможении.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение заключается в том, что бы основным источником питания электродвигателей городского пневмоэлектрического автобуса стала энергия, получаемая при рекуперации торможения, а не бортовая литий-ионная батарея или баллоны со сжатым природным газом (метаном).

Технический результат заявляемого изобретения заключается в увеличение пробега до 300км в городском цикле автобусом использующего электрические двигатели без подзарядки от стационарных средств зарядки с одновременным существенным и улучшение экологичности, за счет сокращения выбросов в атмосферу СО₂.

Указанный технический результат заявленного изобретения достигается благодаря тому что, система для производства энергии при торможении транспортного средства с электродвигателем, включающая передний мост транспортного средства, содержащий ось, задний мост транспортного средства, содержащий ось, три контура торможения, размещенных на переднем и заднем мостах, два электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, размещенные на заднем мосте, один электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором, размещенный на переднем мосте, при этом первый контур торможения включает два компрессора, размещенных на заднем мосте транспортного средства, две фрикционные электромагнитные муфты, каждая из которых соединена с одним из компрессоров при этом две фрикционные электромагнитные муфты соединены с осью заднего моста транспортного средства, посредством цепной передачи, второй контур торможения включает два компрессора, размещенных на заднем мосте транспортного средства и один компрессор, размещенный на переднем мосте, три фрикционные электромагнитные муфты, каждая из которых соединена с одним из компрессоров, при этом все фрикционные электромагнитные муфты соединены с осями мостов транспортного средства, посредством цепной передачи, третий контур торможения включает один компрессор, размещенный на переднем мосте транспортного средства, одну фрикционную электромагнитную муфту, которая соединена с компрессором, при этом фрикционная электромагнитная муфта соединена с осью переднего моста транспортного средства, посредством цепной передачи, ресивер, соединенный с компрессорами, посредством трубопроводов, пневмодвигатель с функцией ДВС, соединенный с ресивером и баллонами с компримированным метаном посредством трубопроводов, генератор, соединенный с пневмодвигателем с функцией ДВС, суперконденсатор, соединенный с генератором и электродвигателями переменного тока, педаль газа и педаль тормоза, снабженные контактами, соединенными с фрикционными муфтами. Способ производства электроэнергии для питания электродвигателя транспортного средства, осуществляемый посредством системы, включающий этапы на которых после отпускания педали газа включается первый контур торможения, посредством замыкания контакта на педали газа, что приводит к срабатыванию фрикционных электромагнитных муфт первого контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер, после нажатия на педаль тормоза до 15% хода педали, включается второй контур торможения, посредством размыкания контакта на педали тормоза, что приводит к срабатыванию фрикционных электромагнитных муфт второго контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер, после нажатия на педаль тормоза от 15% до 25% хода педали тормоза включается третий контур торможения, что приводит к срабатыванию фрикционной электромагнитной муфты третьего контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер, сжатый воздух совместно с метаном, посредством трубопроводов подаётся порциями во внутреннее пространство пневмодвигателя с функцией ДВС, раскручивает генератор, который заряжает суперконденсатор.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 представлена система для производства энергии при торможении транспортного средства с электродвигателями.

На фигуре 2 представлен вид соединения фрикционной электромагнитной многодисковой муфты с осью транспортного средства

На фигурах 3-8 представлены схемы РПДК.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Городской автобус работает в ярко выраженной цикличности : разгон, равномерное движение, торможение. На дистанции 450-500 метров случается несколько торможений или притормаживаний автобуса. Соответственно выделяется большая кинетическая энергия неиспользуемая в должной мере автобусами с ДВС и электробусами. Для пневмоэлектрического городского автобуса эта энергия становится основным источником для передвижения от одной остановки к следующей. Пневмоэлектрический городской автобус в определённом диапазоне тормозящего момента использует компрессоры, а не штатную тормозную систему.

На фиг.1 и на фиг.2 представлена схема системы для производства энергии при торможении транспортного средства с электродвигателем, которая содержит:

1. Электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором (3 шт.)

2. Компрессор в комплекте с электромагнитной фрикционной муфтой (6 шт.)

3. Пневмодвигатель с функцией ДВС (1 шт.)

4. Генератор (1 шт.)

5. Накопитель мощности (суперконденсатор) (1 шт.)

6. Инвертор (1 шт.)

7. Датчик давления в пневмосистеме (1 шт.)

8. Трубопровод для сжатого воздуха с ресивером.

9. Компенсационный механизм давления сжатого воздуха.

10. Баллоны для компримированного метана (3 шт.)

11. Трубопровод для метана.

12. Литий-ионная батарея (2 шт.)

13. Фрикционная электромагнитная многодисковая муфта (6 шт.).

14. Цепная передача.

15. Редуктор (планетарный)

16 Ресивер

В качестве транспортного средства в настоящем изобретении рассматривается городской пассажирский автобус, прототипом для которого (по габаритам и массе) служит ЛиАЗ 5292. Система торможения у пневмоэлектрического автобуса комбинированная. До значения тормозящего момента 13630Нм на ведущих осях, работает только пневматическая система (торможение производится компрессорами). 90-95% всех торможений городские автобусы такого класса производят в пределах этой величины тормозящего момента, что обеспечивает плавность и комфорт для пассажиров. Если требуется более быстрое и более резкое торможение, то оно обеспечивается включением штатной тормозной системой (диски, тормозные колодки).

Тормозящий момент создаваемый компрессорами (максимальное значение 13630Нм) разбивается на три части, что бы водитель мог регулировать интенсивность торможения, т.е. создается вариативность значений тормозящего момента. В данной конструкции предлагается три варианта значений тормозящего момента (три контура торможения). Первый контур торможения имеет значение 3407Нм и включает в себя два компрессора (2), размещенных на заднем мосте транспортного средства, две фрикционные электромагнитные муфты (13), каждая из которых соединена с одним из компрессоров через ведущий вал, при этом две фрикционные электромагнитные муфты соединены с осью заднего моста транспортного средства, посредством цепной передачи (14). Первый контур торможения автобуса включается после того как водитель отпускает педаль газа и она возвращается в начальное положение. (контакт замыкается ,две электромагнитные фрикционные муфты срабатывают в результате чего задние колёса начинают тормозить двумя компрессорами).

Второй контур торможения имеет значение тормозящего момента 10222Нм и включает в себя два компрессора (2), размещенных на заднем мосте транспортного средства, один компрессор, размещенный на переднем мосте, три фрикционных электромагнитных муфт (13), каждая из которых соединяет компрессор с колесом посредством цепной передачи (14). Включается второй контур, если водитель отпустив педаль газа слегка нажимает на педаль тормоза, что приводит к размыканию контакта и срабатывают ещё три электромагнитные муфты и соответственно ещё три компрессора подключаются к колесам (два компрессора сзади уже были подключены первым контуром, плюс ещё три добавляет второй контур. Итого тормозят уже пять компрессоров).

Третий контур торможения имеет значение тормозящего момента 13630Нм и задействует ещё один компрессор на переднем мосте. Т.е. всего включены уже все шесть компрессоров (четыре на задней оси и два на передней). Включается третий контур , если ход педали тормоза находится в пределах 15% - 25%.

Штатная система торможения включится, если ход педали тормоза превысит 25%.

Компрессоры 2 соединены с трубопроводом 8 для перевода сжатого воздуха в ресивер 16. Компрессор снабжен фильтром для очистки воздуха. В данной системе используется пластинчато-роторный компрессор, основа конструкции которого изложена в патенте №193641. Также система включает в себя, пневмодвигатель 3 с функцией ДВС соединенный с трубопроводом 8 для подачи в него сжатого воздуха по сигналу датчика давления 7. Также пневмодвигатель подсоединён и к трубопроводу 11 для подачи в него метана из баллонов 10. Конструкция пневмодвигателя с функцией ДВС также описана в патенте №193641. Генератор 4, соединен с пневмодвигателем 3 с функцией ДВС и с суперконденсатором 5, где и хранится выработанная генератором электроэнергия. Электродвигатели 1 переменного тока получают необходимую мощность из суперконденсатора через инвертор 6, который управляет параметрами электрического тока в зависимости от степени нажатия водителем на педаль газа.

Ресивер 15 соединен с компенсационным механизмом 9 давления сжатого воздуха.

Педаль газа и педаль тормоза, снабжены контактами, соединение и разъединение которых управляет электромагнитными фрикционными муфтами 13.

Дополнительно пневмодвигатель 3 с функцией ДВС соединен со скруббером для улавливания СО₂ и датчиком давления 7, обеспечивающим сброс излишне нагнетенного воздуха.

Способ производства энергии при торможении транспортного средства с электродвигателем заключается в следующем:

Автобус совершает равномерное движение. Чтобы включить первый контур торможения, водитель отпускает педаль тормоза и она возвращается в начальное положение. Замыкание контакта на педали тормоза приводит к срабатыванию двух фрикционных электромагнитных муфт 13. Каждая муфта 13 соединена с компрессором 2. Ведомый вал муфты 13 снабжен звездочкой, на оси транспортного средства расположен планетарный редуктор 15, который соединен с ведомым валом муфты 13 цепью, образуя цепную передачу 14 тем самым обеспечивая соединение вращающихся колес транспортного средства с соответствующим компрессором 2 (фиг.2). Торможение компрессорами 2 собирает высвобождающуюся энергию инерционно движущегося автобуса в виде сжатого в ресивере 16 воздуха (давление 6,5 Бар).

Чтобы задействовать второй контур торможения водитель нажимает на педаль тормоза (от 0 до 15 % хода педали), что приводит к размыканию контура и подключению еще трех компрессоров 2 по аналогии с первым контуром. Тормозящий момент увеличивается, как и сбор сжатого воздуха в ресивер 16. При дальнейшем нажатии на педаль тормоза (ход педали от 15 до 25%), происходит подключение еще одного компрессора, размещенного не переднем мосту транспортного средства приводит к срабатыванию фрикционной электромагнитной муфты третьего контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер Таким образом, энергия инерционно двигающегося автобуса сохраняется в виде сжатого воздуха, который кратковременно хранится в ресивере 16.

После того, как воздух собран в ресивер 16 после торможения автобуса, он по трубопроводу 8 поступает во внутреннее пространство пневмодвигателя 3 с функцией ДВС небольшими порциями. В каждый такой объём сжатого воздуха электромагнитная форсунка впрыскивает порцию метана. Свеча в определенном положении ротора воспламеняет воздушно-газовую смесь. Пневмодвигатель 3 переходит в режим ДВС, который работает 20-25 сек. За это время весь объем заготовленного сжатого воздуха от одного торможения перерабатывается в электроэнергию, за счет того, что пневмодвигатель 3 вращает генератор 4, от которого выработанная электроэнергия поступает в суперконденсатор 5.

Технические результаты достигается за счёт более эффективного, чем у других транспортных средств, сбора и использование энергии тормозного цикла.

Расчёт объёма сжатого воздуха ,который заготавливается при торможении

- Находим необходимый диапазон тормозящего момента, который должен создавать силовой агрегат (штатная тормозная система на этих значениях Мтормж не задействуется). Речь идёт о комфортном для пассажиров диапазоне замедлений ,в котором проходят 90-95% всех торможений городского автобуса. Речь не идёт об экстренном торможении и глобальной подмене штатной тормозной системы.

- Подбираем под необходимое значение тормозящего момента параметры компрессоров на базе РПДК патент №193641 ( статора, ротора, ширина пластины, количество секций компрессора)

- Определяем количество сжатого воздуха (вернее сказать определяем объём) который соберут компрессоры на определённой дистанции торможения.

Расчёт количества электроэнергии, которую можно получить, используя полученный объем сжатого воздуха

- Даём характеристику, что такое городской цикл работы автобуса (количественное измерение)

- расчёт необходимого количества электроэнергии в кВтч на 1 км пробега автобуса в городском цикле.

- непосредственно расчёт количества электроэнергии, которое можно произвести посредством сжатого воздуха полученного от торможения. Сравнение этой величины с необходимой.

Расчёт тормозящего момента который должен создать силовой агрегат на ведущих колёсах автобуса. Расчёт проводим для Автобуса (за прототип берём автобус большого класса типа ЛиАЗ 5292) с полной загрузкой (17,5т) так что бы он мог останавливаться с помощью компрессоров с замедлением 1,85м/с² не прибегая к штатной тормозной системе.

Такой уровень замедления характерен для городского транспорта. Со скорости 55км/ч до 0 автобус останавливается за 8,25 сек и тормозной путь составляет 63 метра. Это комфортные значения для пассажиров.

Следовательно F_тормж=17500кг*1,85 м/с²=32375Н

Т.к. существует трение качения, сопротивление воздуха и трение в трансмиссии ,то эти силы замедляют автобус естественным образом,

F_тормж =F_{замедлен силов агрегт}+(F_{трен качен} +F_{сопрт возд} +F_{трен трансм});

F_{трен качен}=n* m*g, где n коэффициент трения качения (для автобуса с шинами по асфальту он подойдёт в районе 0,015)

F_{трен качен}=0,015*17 500кг*9,81 м/с²=2575Н;

F_{сопр возд}=Сх* S* V²*р* 0,5;

Сх-коэффициент аэродинамического сопротивления для автобуса -0,6

S - площадь поперечной проекции 6.25 м²) (для автобуса шириной 2,5м и высотой2,5м);

V - средняя скорость в м/с = 9,7м/с (35 км/ч);

Р - плотность воздуха 1,36 кг/м³;

F_{сопрт возд}= 0,6*6,25 м² * (9,7м/с )² *1,36кг/м³*0,5=239,9 Н;

F_{трен в трансмис}=F_{первонач}* n_{трен в трансм};

n_{трен в трансм}.=0,98 ⁿ1*0.97 ⁿ2*0.995 ⁿ3

ⁿ1 - количество прямых передач

ⁿ2 - количество конических передач

ⁿ3 - количество карданных шарниров

n_{трен в трансм} смысл этого коэффициента в том чтобы скорректировать величину мощности (или крутящего момента) снимаемой с двигателя по пути к колёсам. В нашем случае этот коэффициент. будет порядка 0,95. Т.е. около 5 % крутящего момента по пути от силового агрегата к колёсам потеряется из-за трения в трансмиссии. Силовой агрегат - это 3 электродвигателя общей мощностью 140 кВтч которые через редуктор на ведущих колёсах создают 10 160Нм. 5% от 10160Нм это 558,8Нм. И соответственно Fтрен в трансмис=1164Н (558,8Нм/0,48м ,где 0,48м это радиус колеса с дисками 22,5дюйма устанавливаем на ЛиАЗ 5292)

Подставим данные в уравнение

32375Н= Fзамедлен силов агрегт +(2575Н+239,9Н+1164Н)

F_{замедлен силв агрегт}=32375Н-3978,9Н=28396Н такую тормозящую силу должен создать силовой агрегат автобуса.

М_тормж =28396Н*0,48м=13630Нм (0,48м -это радиус колеса) Такой тормозящий момент должен создать силовой агрегат на ведущих колёсах , что бы автобус весом 17,5т без тормозных колодок смог за 8,25сек затормозить со скорости 55км/ч до 0км/ч. Другими словами обеспечить замедление равное 1,85м/с². Длинна пути = 1,85м/с²*(8,25с)²/2=63м

Рассчитаем, какое замедление будет иметь автобус с 50% загрузки пассажиров (вес автобуса14500к) при такой величине тормозящего момента. Скорректируем значение F_{трен качен} так как изменилась масса автобуса (значение F_{трен в трансмис} и F_{сопр возд} не поменяются т.к они не зависят от массы автобуса)

F_{трен качен}=0,015*14 500кг*9,81 м/с²=2133,7Н и подставим в уравнение

F_тормж =Fзамедлен силов агрегт +(Fтрен качен +Fсопрт возд +Fтрен трансм)

F_тормж=28625Н+(2133,7Н+239,9Н+1164Н)=32162Н

Найдём значение замедление а= Fтормж/массу=32162кг м/с²/14500кг = 2,218 м/с²

Время торможения составит с 55км/ч (15,27м/с) до 0 = 15,27/2,218=6,88сек

Тормозной путь = 0,5* 2,218м/с² * (6,88с)² = 52,53метра

Подбираем под М тормж параметры компрессоров на базе РПДК.

Так как уже параметры заранее были рассчитаны необходимо просто проверить эти параметры на соответствие необходимому тормозящему моменту 13 630Нм.

Диаметр статора - 210мм, диаметр ротора - 140мм, ширина пластины 142мм. Это размеры одной секции. Всего будет участвовать 16 таких секций (по 8 на заднем и переднем мосту соответственно, которые объеденены в 6 компрессоров). Необходимо подсчитать, какой тормозящий момент окажут эти 16 секций компрессоров через редуктор с передаточным число 3,96 на ведущие колёса автобуса и какой объём сжатого воздуха удастся заготовить при торможении.

Ответы на эти вопросы даются в таблицах №1-3 ниже.

Таблица 1

ПАРАМЕТРЫ КОМПРЕССОРА Статор диаметр 210 мм Ротор диаметр 140мм Ширина пластины 142 мм По-
зи-
ция Град. Площадь (мм²) сектора Вылет (мм) Плечо (мм) Коэф мм² в см² Объем см³ Объем между пластинами Давление в данной точке Коэф мм в см Вылет в см Ширина пластины в см S поверхн см² F сопротв в кг Коэф мм в м Плеяо в м Момент тормж 0 0-0 0,0 0,00 70,00 0,01 0 0,1 0 14,2 161,68 10 0-10 3,00 0,75 70,36 0,01 0,43 0,1 0,075 14,2 184,60 20 10-20 20,80 2,81 71,42 0,01 2,95 0,1 0,281 14,2 208,54 30 20-30 55,60 6,17 73,08 0,01 7,90 0,1 0,617 14,2 232,99 40 30-40 108 10,64 75,33 0,01 15,34 0,1 1,064 14,2 260,67 50 40-50 178 16,01 78,02 0,01 25,28 0,1 1,601 14,2 288,49 60 50-60 264 21,98 81,01 0,01 37,49 0,1 2,198 14,2 319,02 70 60-70 362 28,34 84,17 0,01 51,40 0,1 2,834 14,2 353,09 80 70-80 472 34,74 87,30 0,01 67,02 0,1 3,474 14,2 279,33 90 80-90 577 41,02 90,39 0,01 81,93 0,1 4,102 14,2 221,32 100 90-100 706 46,88 93,22 0,01 100,25 0,1 4,688 14,2 169,91 110 100-110 821 52,24 96,12 0,01 116,58 0,1 5,224 14,2 126,38 120 110-120 929 56,99 98,45 0,01 131,92 0,1 5,699 14,2 90,13 130 120-130 1024 60,97 100,41 0,01 145,41 2198 0,99 0,1 6,097 14,2 86,58 85,37 0,001 0,10041 60,50 140 130-140 1108 63,85 102,40 0,01 157,34 2053,7 1,056 0,1 6,385 14,2 90,67 95,73 0,001 0,1024 127,69 150 140-150 1176 66,48 103,42 0,01 166,99 1894,6 1,144 0,1 6,648 14,2 94,40 108,04 0,001 0,10342 126,58 160 150-160 1226 68,59 104,33 0,01 174,09 1724,5 1,257 0,1 6,859 14,2 97,40 122,47 0,001 0,10433 132,38 170 160-170 1262 69,63 104,76 0,01 179,20 1546,7 1,402 0,1 6,963 14,2 98,87 138,61 0,001 0,10476 142,31 180 170-180 1279 69,59 105,12 0,01 181,62 1365,3 1,588 0,1 6,959 14,2 98,82 156,94 0,001 0,10512 161,68 190 180-190 1277 69,24 104,61 0,01 181,33 1184,0 1,831 0,1 6,924 14,2 98,32 180,07 0,001 0,10461 184,60 200 190-200 1244 67,26 103,50 0,01 176,65 1007,3 2,153 0,1 6,726 14,2 95,51 205,60 0,001 0,1035 208,54 210 200-210 1178 63,71 101,81 0,01 167,28 840,1 2,581 0,1 6,371 14,2 90,47 233,52 0,001 0,10181 232,99 220 210-220 1086 59,37 99,79 0,01 154,21 685,8 3,162 0,1 5,937 14,2 84,31 266,55 0,001 0,09979 260,67 230 220-230 973 53,98 97,00 0,01 138,17 547,7 3,959 0,1 5,398 14,2 76,65 303,49 0,001 0,097 288,49 240 230-240 851 47,95 94,11 0,01 120,84 426,8 5,080 0,1 4,795 14,2 68,09 345,91 0,001 0,09411 319,02 250 240-250 724 41,72 90,88 0,01 102,81 324,0 6,692 0,1 4,172 14,2 59,24 396,46 0,001 0,09088 353,09 260 250-260 599 35,22 87,68 0,01 85,06 239,0 6,500 0,1 3,522 14,2 50,01 325,08 0,001 0,08768 279,33 270 260-270 481 28,97 84,46 0,01 68,30 6,50 0,1 2,897 14,2 41,14 267,39 0,001 0,08446 221,32 280 270-280 377 23,09 81,35 0,01 53,53 6,5 0,1 2,309 14,2 32,79 213,12 0,001 0,08135 169,91 290 280-290 285 17,73 78,80 0,01 40,47 6,5 0,1 1,773 14,2 25,18 163,65 0,001 0,0788 126,38 300 290-300 207 13,03 76,47 0,01 29,39 6,5 0,1 1,303 14,2 18,50 120,27 0,001 0,07647 90,13 310 300-310 144 8,98 74,48 0,01 20,45 6,5 0,1 0,898 14,2 12,75 82,89 0,001 0,07448 60,50 320 310-320 94 5,73 72,85 0,01 13,35 6,5 0,1 0,573 14,2 8,14 52,89 0,001 0,07285 37,76 330 320-330 55,6 3,20 71,61 0,01 7,90 6,5 0,1 0,32 14,2 4,54 29,54 0,001 0,07161 20,73 340 330-340 27,9 1,39 70,69 0,01 3,96 6,5 0,1 0,139 14,2 1,97 12,83 0,001 0,07069 8,89 350 340-350 10,0 0,33 70,17 0,01 1,42 6,5 0,1 0,033 14,2 0,47 3,05 0,001 0,07017 2,09 360 350-360 1,36 0,00 70,00 0,01 0,19 6,5 0,1 0 14,2 0 0,00 0,001 0,07 0,00 21186,00 3483 191,96

Таблица 2

расчёты сделаны для автобуса весом 17.5 тонн (100% загрузка) 333,60 см³ качает за пол оборота 1 секция 667,20 см³ качает за оборот 1 секция 10675,18 см³ качает за оборот 16 секций 63 метров дистанция торможения 20,93 кол-во оборотов колеса на дистанции 63 (длина окружности колеса 3,01м) 82,88 кол-во оборотов ротора компрессора (передаточное число редуктора 3,96) 884798,99 кол-во сжат воздуха собранного на дистанции 63 м 2654396,98 кол-во сжат воздуха собранного на дистанции пробега 1 км (3 торможения по 63м) 191,96 такой крутящий момент развивает одна секция без учёта трения 23,23 влияние трения на крутящий момент 215,19 такой крутящий момент развивает одна секция с учётом трения 13634,44 такой суммарный крутящий момент сформируют 16 секций, передаточное число редуктора 3,96

Таблица 3

расчёты сделаны для автобуса весом 14.5 тонн (50% загрузки) 333,60 см³ качает за пол оборота 1 секция 667,20 см³ качает за оборот 1 секция 10675,18 см³ качает за оборот 16 секций 52,53 метров дистанция торможения 17,45 кол-во оборотов колеса на дистанции 63 (длина окружности колеса 3,01м) 69,109 кол-во оборотов ротора компрессора (передаточное число редуктора 3,96) 737753,83 кол-во сжат воздуха собранного на дистанции 52,53 м 2213261,48 кол-во сжат воздуха собранного на дистанции пробега 1 км (3 торможения по 52,53м) 191,96 такой крутящий момент развивает одна секция без учёта трения 23,23 влияние трения на крутящий момент 215,19 такой крутящий момент развивает одна секция с учётом трения 13634,44 такой суммарный крутящий момент сформируют 16 секций, передаточное число редуктора 3,96

Основной смысл данных таблиц заключается в том, чтобы показать средний тормозящий момент одной секции компрессора за 1 оборот и показать какой объём сжатого воздуха давлением 6,5атм отправится в ресивер за один оборот (так сказать отразить в цифровом измерении результат сохранения энергии высвобождающейся при торможении).

Тормозящий момент рассчитывается для 36 позиций ротора и затем вычисляется среднее значение для одного оборота. Тормозящий момент это произведение силы сжатого воздуха в определённой точке умноженная на плечо. Соответственно сила это произведение давления на площадь поверхности. Площадь поверхности - это произведение вылета в определённой точке (расстояние между статором и ротором по линии пластины) на ширину пластины.

Между каждой градусной мерой даётся изменение площади. Например столбец 'градусы' показывает что между положением 50 и 60 площадь поверхности равна 264мм² или 2,64см². Объём этого сектора показан в столбце 'объём' и равен 37,49см³ (2,64см² * 14,2см ширина пластины).

Так как при вращении ротора объём зажатого воздуха между статором и ротором и пластиной будет меняться, то и давление тоже будет меняться по формуле. P1*V1= P2*V2. Конечно, при сжатии воздуха он будет нагреваться и это тоже будет способствовать росту давления. Но этот фактор в расчётах учитываться не будет. Нагретый воздух после сжатия через нагнетательный клапан попадает в трубопровод ресивера, где взаимодействует с более холодным воздухом. И кроме того при подаче в пневмодвигатель воздух расширяется и охлаждается , поэтому кратковременное влияние температуры на давление нивелируется.

Хотя принцип работы РПДК в режиме компрессора подробно описан в патенте №193641, напомним основные моменты (фиг.3).

Далее ротор вращается вместе с пластинами от точки 30 до точки 140. Объём пространства, где сжат захваченный воздух уменьшается и давление начинает расти. В точке 140 объём внутреннего пространства составляет уже 2054см³. В таблице это сумма объёмов между точкой 140 и 320 (166,99+174,09+179,2+181,33+……+20,45+13,35=2054см³). Рассчитаем для примера тормозящий момент для точки 140 (фиг.4).

F1= Р140* вылет аб*ширину пластины= 1,056кг/см² *6,385см*14,2см=95,74кг

F2= Р140* вылет в точке 320* ширину пластины=1,056кг/см²*0,573см*14,2см=8,59кг

F3= Р320* вылет в точке 320* ширину пластины=6,5кг/см²*0,573см*14,2см=52,89кг

Найдём значения моментов, создаваемые силами F1 F2 F3

М1= F1* Н1=95,74кг*0.1024м*9,8м/с²=96,07Нм

М2= F2* H2=8,59кг*0,07285м*9,8м/с²=6,13 Нм

М3= F3* H2=52,89кг*0,07285м*9,8м/с²=37,76 Нм

Суммарный момент в точке 140 равен ∑М= М1+ М3- М2=96,07+37,76-6,13=127,69 Нм

Именно такое значение тормозящего момента и отражено для точки 140 в таблице №1

Для проверки, найдём тормозящий момент ещё в какой-нибудь точке , например в точке 180

Объём внутреннего пространства для этой точки равно сумме объёмов участков от точки 180 до точки 0.

V_180-0=1365.31см³ (181,33+176,65+167,28+……+7,9+3,96+1,42+0,19)

Соответственно давление для этой точки равно

P180=P140*V140/V180=1.056*2054/1365.31=1.588 атм (именно такое значение стоит в таблице №1

Находим силу сопротивления (Фиг.5) в этой точке F=P180* аб (вылет в точке 180) *ширину пластины=1,588кг/см² *6,959см*14,2см=156,9кг

Находим тормозящий момент

М=F*H (плечо в точке 180)= 156,9кг*0,10512м=16,5кг

или 16,5кг*9,81м/с²=161,68Нм

именно это значение находится в таблице №1

И таким образом находится тормозящий момент в каждой точке через каждые 10°

Среднее значение М_тормж за 1оборот =191,96Нм

Теперь необходимо проверить, как посчитано в таблице №1 значение объёма сжатого воздуха давлением 6,5атм за пол оборота ротора (собственно результат сохранения энергии от торможения). В точке 240 давление 5,08атм и объём здесь 426,8см³, дальше если пластина дойдёт до точки 250 то здесь давление должно быть 6,692атм (это в случае если нагнетательный клапан не откроется). Но на самом деле он откроется сразу после прохождения точки 240 и внутреннее пространство компрессора соединиться с пространством ресивера ,где давление 6,5 атм. На открытие клапана потребуется какое то время, поэтому кратковременно из-за скопления сжатого воздуха в точке 250 может быть достигнуто давление 6,692, а затем давление выравнивается и становится как в ресивере т.е. 6,5атм.

Значит точка соответствующая объёму сжатого воздуха который отправится в ресивер, находится где то между 240 и 250. Этот объём сжатого воздуха давлением 6,5 атм и является результатом сохранения энергии выделяемой при торможении за пол оборота ротора.

Vрезулт=V240*P240/6.5=426,8*5.08/6.5=333,6см³. Именно это значение отражено в таблице №1 За целый оборот сохраняется 333,6 см³ *2 =667,2см³ (одна секция компрессора). Фиг.6

Зная значение тормозящего момента создаваемого при сжатии воздуха одной секцией можно найти тормозящий момент на ведущих колёсах от 16 секций компрессоров.

Но нужно уточнить один момент. 191,96 Нм - это тормозящий момент непосредственно от сопротивления сжатого воздуха. Но есть ещё и трение в механизме ,которое увеличивает сопротивление при вращении ротора. Поэтому значение 191,96 нужно увеличить порядка на 12% и конечное значение тормозящего момента принимается 215,2Нм

215,2Нм*16 (кол-во секций)*3,96 (передаточное число редуктора)=13635Нм это максимальный ∑М_тормж на ведущих колёсах автобуса.

Теперь необходимо рассчитать какой объём сжатого воздуха собирается на дистанции торможения.

Ранее мы установили дистанцию торможения (при создании М_тормж=13630Нм на ведущих колёсах) со скорости 55км/ч до 0 как для автобуса весом 17,5т (100% загрузка) и для веса 14,5т (50% загрузка автобуса). Для массы 17,5т тормозной путь -63 метра , а для 14,5 т - 52,53метра.

Длина окружности колеса радиусом 0,48м равна 2*3,14*0,48=3,01м, следовательно 63/3,01=20,93 это будет такое количество оборотов колеса на дистанции торможения 63 метра.

20,93*3,96 (передаточное отношение редуктора)=82,88 количество оборотов ротора компрессора на дистанции торможения 63 метра.

16- кол-во секций принимающих участие в торможен.667,2см³ сбор воздуха за 1 оборот 1 секция

Таким образом общий объём собранного воздуха давленим 6,5атм составит:

667,2*16*82,88=884760см³ (автобус весом 17,5т тормозит с 55км/ч до 0 на дистанции 63м).

На дистанции торможения 52,53м кол-во оборотов ротора компрессора составляет

(52,53 / 3,01)*3,96=69,109

Таким образом общий объём собранного воздуха давлением 6,5атм составит:

667,2*16*69,109=737753,8см³ (автобус весом 14,5т тормозит с 55км/ч до 0 на дистанции 52,53м).

Обращаясь к схеме доказательства достижения технического результата№1- следующим пунктом идёт расчёт количества электроэнергии , которую можно получить используя добытый сжатый воздух при торможении.

Прежде чем рассчитать сколько можно получить электроэнергии, необходимо ответить на вопрос ,а сколько нужно? Например, электробус Волгабас СитиРитм с ночной подзарядкой и батареей 300кВтч проезжает в городском цикле 200 км. Значит на 1км он тратит 1,5кВт (300кВт/200км), но это с учётом рекуперации. Если отключить режим электродинамического торможения он будет тратить 1,6кВт.

Электробус КаМаз6282 на батарее 77кВтч в городском цикле проезжает 49км. Значит на 1 км он тратит 1,57кВтч с рекуперацией. Без рекуперации 1,73кВт. Получается что на 1 км в городском цикле рекуперация торможения должна генерировать примерно 1,6-1,7кВт. И при таких условиях автобус сможет двигаться от остановке к следующей остановке на энергии от торможения. Остаётся дать характеристику, а что такое городской цикл. Совершенно очевидно что это повторение циклов разгона, равномерного движения и торможения. Но сколько например в среднем торможений производит автобус на дистанции 1км? И какой вес автобуса нужно принять в среднем. Ведь автобус не загружен целый день на 100% и не ездит пустым целый день. В часы пик он загружен на 80-100% ,а в остальные часы 30-45%. Справедливо принять среднюю дневную загрузку - 50%. Вес автобуса (вместе с пассажирами) в таком случае составит 14500кг.

Теперь необходимо определиться с количеством торможений и соответственно разгонов на дистанции 1 км в городском цикле. Примем что 1 км это две остановки (расстояние между остановками 500м). В идеальном случае на 1 км будет два торможения (непосредственно перед остановками). Но на практике такого не бывает, так как автобус ещё по середине дистанции может затормозить перед светофором, перед пешеходным переходом, притормозить из-за трафика и т.д. В связи с этим предлагается принять следующую схему. Первые 500 метров автобус проезжает с одним полным торможением. Вторые 500 метров проезжает с двумя полными торможениями. Это будет похоже на реальность. Определились с весом автобуса (14500кг), и с количеством торможений на 1 км городского цикла (3 полных торможения), осталось определиться с крейсерской скоростью автобуса. Предлагается значение 55км/ч. Т.е. автобус трогается с остановки, разгоняется до 55км/ч, с этой скоростью двигается до момента начала торможения, затем само торможение. Вот такая предлагается схема описания городского цикла. И на такую схему движения автобусу на электротяге требуется от 1,6-1,7 кВт на 1 км пробега. Ранее было подсчитано, что автобус весом 14500кг тормозя компрессорами (максимальное число 16 секций) на дистанции торможения 52,53м собирает 737 753,8см³ сжатого воздуха давлением 6,5атм. Тогда 3 торможения дадут 737 753,8*3=2 213 261,4см³. Округлим до 2 200 000см³ что бы не завышать результат.

Генератор мощностью 90кВтч за час вырабатывает 90кВтч электроэнергии, при условии, что обороты вращения ротора генератора 1500об/мин. Это возможно если двигатель создаёт 800 Нм крутящего момента (это данные любой дизель-электростанции на 90кВтч). Получается, что за одну минуту генератора имея 1500 оборотов, генерирует 1,5квтч. Т.е. 1500 оборотов генератора это 1,5кВт. А 1700 оборотов это 1,7кВт. Значит задача сводится к тому чтобы удалить из схемы дизель-электростанции на 90 кВтч дизельный двигатель и заменить его на другое устройство, имеющее такой же крутящий момент и которое используя полученные 2200000см³ сжатого воздуха, сможет провернуть генератор не меньше чем 1700 раз. Такое устройство - РПДК с функцией ДВС, патент№193641. 2 200 000см³/1700оборотов = 1294,1см³ такой объём сжатого воздуха потребуется на 1 оборот РПДК. Примем что будет три секции, значит на одну секцию придётся 431,3см³ (1294,1 /3). На пол оборота для одной секции потребуется 431,3см³ / 2= 215,7см³ сжатого воздуха давлением 6,5 атм. Размеры одной секции РПДК: Ǿ статора 210мм, Ǿ ротора 140мм, ширина пластины 105,7 мм.

Фиг.7. Схема работы пневмодвигателя в режиме двигателя внутреннего сгорания описана в патенте №193641. Напомним основные моменты. Основное отличие от классического ДВС заключается в том, что отсутствует такт сжатия. Так как сжатый воздух уже имеется (заготавливается при торможении) он подаётся во внутреннее пространство РПДК через гравитационный обратный клапан (ГОК). При подачи воздуха, электромагнитная форсунка впрыскивает порцию метана и в определённом положении ротора свеча зажигания даёт искру. Воздушно метановая смесь вспыхивает. Резко поднимается давление (с 6,5 атм до 18,5 атм). Сразу после вспышки ГОК срабатывает на запирание подачи сжатого воздуха. Подача воздуха прерывается при значении 215,7см³. (это соответствует точке 90 на схеме). Дальше начинается такт расширения. Газы давят на пластину ротора, создавая крутящий момент. По мере поворота ротора (на схеме от точки 90 до точки 210) объём внутреннего пространства увеличивается и давление пропорционально падает. При достижении точки 210 пластиной ротора давление упадёт на столько что ГОК откроется и поступит новая порция сжатого воздуха , впрыск метана, искра, вспышка и всё повторяется. За один оборот ротора происходит два такта расширения. Необходимо сконцентрировать внимание на том ,что сжатый воздух подаётся порционно (так работает ГОК) и в каждую такую порцию форсунка впрыскивает порцию метана. Так как это происходит и в классическом ДВС. Вспышка поднимает удельную энергоёмкость сжатого воздуха в три раза (давление поднимается с 6,5 до 18,5атм). Таким образом РПДК в режиме ДВС маленькими частями (по 215,7см³) перерабатывает весь накопленный от торможения воздух (2 200 000см³). Три секции РПДК (размеры одной секции указаны выше) создают 804,4Нм крутящего момента и ротор генератора делает 1700 оборотов примерно за 30-35 сек., так как РПДК на прямую ,без редуктора подключается к генератору 90кВтч. Соответственно вырабатывается 1,7кВт электроэнергии и сохраняется в накопителе - суперконденсатор. Таким образом, электродвигатели получают необходимую энергию что бы перемещать автобус от одной остановки до другой используя энергию тормозного цикла а не мощность из бортовых аккумуляторов.

Теперь необходимо на цифрах показать, что РПДК состоящий из трёх секций (Ǿ статор 210мм, Ǿ ротор 140мм, ширина пластин 105,7 мм -это размеры одной секции) способен создать крутящий момент порядка 800Нм и провернуть ротор генератора 1700 раз. Для этого были сделаны таблицы №4 и № 5.

Таблица 4

ПНЕВМОДВИГАТЕЛЬ Статор 210 мм Ротор 140 мм По-
зи-
ция Град. Площадь (мм²) Вылет (мм) Плечо (мм) ширина пласт см объем см³ Площадь пластины Давление сила плечо, м момент Σ момент 0 0-0 0,0 0,00 70,00 0,01 10,57 0 0,1 0 6,5 0 0,001 0,07 0,00 247,19 1 0-10 3,00 0,75 70,36 0,01 10,57 0,3171 0,1 0,79 6,5 5,15288 0,001 0,07036 3,55 223,98 2 10-20 20,80 2,81 71,42 0,01 10,57 2,19856 0,1 2,97 6,5 19,3061 0,001 0,07142 13,51 206,67 3 20-30 55,60 6,17 73,08 0,01 10,57 5,87692 0,1 6,52 6,5 42,391 0,001 0,07308 30,36 131,14 4 30-40 108 10,64 75,33 0,01 10,57 11,4156 0,1 11,25 6,5 73,1021 0,001 0,07533 53,97 53,97 5 40-50 178 16,01 78,02 0,01 10,57 18,8146 0,1 16,92 6,5 109,997 0,001 0,07802 84,10 84,10 6 50-60 264 21,98 81,01 0,01 10,57 27,9048 0,1 23,23 6,5 151,014 0,001 0,08101 119,89 119,89 7 60-70 362 28,34 84,17 0,01 10,57 38,2634 0,1 29,96 6,5 194,71 0,001 0,08417 160,61 160,61 8 70-80 472 34,74 87,30 0,01 10,57 49,8904 0,1 36,72 10 367,202 0,001 0,0873 314,16 314,16 9 80-90 577 41,02 90,39 0,01 10,57 60,9889 0,1 43,36 18,5 215,67 802,126 0,001 0,09039 710,54 710,54 10 90-100 706 46,88 93,22 0,01 10,57 74,6242 0,1 49,55 13,74 290,29 681,061 0,001 0,09322 622,19 622,19 11 100-110 821 52,24 96,12 0,01 10,57 86,7797 0,1 55,22 10,58 377,07 584,27 0,001 0,09612 550,37 550,37 12 110-120 929 56,99 98,45 0,01 10,57 98,1953 0,1 60,24 8,40 475,27 505,703 0,001 0,09845 487,91 487,91 13 120-130 1024 60,97 100,41 0,01 10,57 108,2368 0,1 64,45 6,84 583,51 440,664 0,001 0,10041 433,62 433,62 14 130-140 1108 63,85 102,40 0,01 10,57 117,1156 0,1 67,49 5,69 700,62 384,339 0,001 0,1024 385,69 385,69 15 140-150 1176 66,48 103,42 0,01 10,57 124,3032 0,1 70,27 4,84 824,93 339,871 0,001 0,10342 344,46 344,46 16 150-160 1226 68,59 104,33 0,01 10,57 129,5882 0,1 72,50 4,18 954,51 303,051 0,001 0,10433 309,85 309,85 17 160-170 1262 69,63 104,76 0,01 10,57 133,3934 0,1 73,60 3,67 1087,91 269,924 0,001 0,10476 277,12 277,12 18 170-180 1279 69,59 105,12 0,01 10,57 135,1903 0,1 73,56 3,26 1223,10 239,951 0,001 0,10512 247,19 247,19 19 180-190 1277 69,24 104,61 0,01 10,57 134,9789 0,1 73,19 2,94 1358,08 215,016 0,001 0,10461 220,43 220,43 20 190-200 1244 67,26 103,50 0,01 10,57 131,4908 0,1 71,09 2,68 1489,57 190,429 0,001 0,1035 193,15 193,15 21 200-210 1178 63,71 101,81 0,01 10,57 124,5146 0,1 67,34 1,5 1614,08 101,012 0,001 0,10181 100,78 100,78 22 210-220 1086 59,37 99,79 0,01 10,57 114,7902 0,1 62,75 53,97 23 220-230 973 53,98 97,00 0,01 10,57 102,8461 0,1 57,06 84,10 24 230-240 851 47,95 94,11 0,01 10,57 89,9507 0,1 50,68 119,89 25 240-250 724 41,72 90,88 0,01 10,57 76,5268 0,1 44,10 160,61 26 250-260 599 35,22 87,68 0,01 10,57 63,3143 0,1 37,23 314,16 27 260-270 481 28,97 84,46 0,01 10,57 50,8417 0,1 30,62 710,54 28 270-280 377 23,09 81,35 0,01 10,57 39,8489 0,1 24,41 622,19 29 280-290 285 17,73 78,80 0,01 10,57 30,1245 0,1 18,74 550,37 30 290-300 207 13,03 76,47 0,01 10,57 21,8799 0,1 13,77 487,91 31 300-310 144 8,98 74,48 0,01 10,57 15,2208 0,1 9,49 433,62 32 310-320 94 5,73 72,85 0,01 10,57 9,9358 0,1 6,06 385,69 33 320-330 55,6 3,20 71,61 0,01 10,57 5,87692 0,1 3,38 344,46 34 330-340 27,9 1,39 70,69 0,01 10,57 2,94903 0,1 1,47 309,85 35 340-350 10,0 0,33 70,17 0,01 10,57 1,057 0,1 0,35 277,12 36 350-360 1,36 0,00 70,00 0,01 10,57 0,143752 0,1 0,00 247,19

Таблица 5

2200000
919,40 полученный объём сжатого воздуха при трёх торможениях
три секции пневмодвигателя в режим ДВС за 1 оборот создают крутящий момент 804,4 уменьшаем на 12,5% этот крутящий момент из-за трения 215,7 расход воздуха в см³ одной секции за пол оборота 1294,0
2200000,0
1700,1 расход воздуха в см³ трёх секции за один оборот
общий сбор воздуха при торможении на дистанции 1 км (три полных торможения)
количество оборотов ротора пневмодвигателя и соответственно генератора 1,7 столько выработает генератор 90 кВтч сделав 1816 оборотов

Принцип её аналогичный, как и в таблице №1. Поворот ротора разбивается через каждые 10°. И в каждой такой точке высчитывается крутящий момент. Затем считается среднее значение за один оборот.

Сначала необходимо разобраться с объёмом сжатого воздуха 215,7см³. Если в таблице №4 сложить все площади от точки 0 по точку 90 включительно (3,00мм²+20,8мм²+55,6+108+……+472+577мм²) и затем полученную сумму умножить на 0,01 (перевод из мм² в см²) и за тем умножить на 10,57см (ширина пластины) то получим значение объёма пространства одной секции РПДК от точки 0 до точки 90 равное 215,7см³. Начальное давление 6,5 атм. Задача состоит в том, что бы подобрать количество метана которое за счёт вспышки поднимет давление до 18,5 атм. Подобрать, конечно, получится только опытным путём. Единственно, что можно сказать на этом этапе, то что объём метана относительно воздуха должен располагаться в процентном соотношении от 5-15%. Если объём метана меньше 5% от объёма воздуха ,он не загорится, если его больше чем 15% он просто горит, как например газ в кухонных плитах. А если он находится в пропорциях от 5-15% то он воспламеняется по типу вспышка (резкий набор давления). Оптимальное соотношение воздушно-метановой смеси для достижения результата - из давления 6,5 сделать 18,5атм необходимо будет подобрать проведя опыты.

После вспышки объём воздуха 215,7см³ (точка 90) уже имеет 18,5атм. Теперь задача сводится к тому что бы замерить значение давления в каждой точке вращения ротора через 10°. Это будет легко сделать, зная как меняется объём от точки к точке. Обладая информацией какое будет давление в каждой точке мы можем вычислить силу (давление умноженное на площадь поверхности в этой точке), ну и затем посчитать крутящий момент в каждой точке (силу умножить на плечо). Раз мы начали с точки 90 ,посчитаем для этой точки крутящий момент.

Сумма объёмов от точки 0 до точки 90 = 215,7см³. (Фиг.8) Можно проверить по таблице №4. Давление 18,5атм (после вспышки) площадь поверхности на которую давит давление равно АБ (вылет в точке 90 =4.102см) умножить на ширину пластины (10,57см) S=4.102*10.57=43.36cм. Тогда F=18,5кг/см² *43.36cм²=802,13кг

Плечо приложения силы в точке 90 равно 90,39мм или 0,09039метра

Мкрутщ 90= F1*H1=802,13кг*0,09039м*9,8м/с²=710,54Н (что соответствует данным таблицы №4)

Для проверки найдём ещё значение крутящего момента в какой-нибудь точке например 180

P90*V90=P180*V180 P180= P90*V90/ V180=18.5*215,7/1223,09=3,26атм Что соответствует таблице №4

Площадь поверхности = СД (вылет) умножить на ширину пластины S=6.959см*10,57см=73,56см²

F2=P180*S180=3.26кг/см² * 73,56 см² =239,9кг что соответствует таблице

Mкрутщ180= F2*Н2(плечо в точке 180)=239,9кг*0,10512м*9,8м/с²=247,19Нм что соответствует таблице №4

Таким образом находится крутящим момент для каждой точки при повороте ротора через каждые 10°. Все значения этих моментов отражено в таблице №4.

И высчитывается среднее значение крутящего момента. Оно равно 306,45Нм

Это крутящий момент одной секции. Трёх секций 306,45Нм*3=919,35Нм

Так как существует трение при работе РПДК ,то полученный результат следует уменьшить на 12% и получится 919,35Нм-12%=809Нм По условиям ,чтобы РПДК смог крутить генератор мощностью 90кВтч с оборотами 1500об/мин, он должен обладать крутящим моментом не ниже 800Нм.

Вывод :Компрессоры (16 секций) смогут затормозить автобус весом 14,5т с комфортными для пассажиров значением замедления 2,218м/с² на дистанции 52,53м. На 1 км при работе в городском цикле автобус произведёт три торможения и соберёт порядка 2 200 000 см³ сжатого воздуха давлением 6,5атм.

РПДК в режиме ДВС сможет на этом объёме сжатого воздуха сделать 1700 оборотов и генератор 90 кВтч выработает 1,7кВт электроэнергии. Эта энергия сохраняется в суперконденсаторе и её будет достаточно для питания электродвигателей, так что бы автобус передвигался от остановки к следующей остановке практически не потребляя мощности аккумуляторов.

Если пневмоэлектрический автобус сможет проехать расстояние от одной остановки до другой используя преимущественно энергию полученную от торможения, то он сможет любое практически расстояние проехать, так как нет привязки к возможностям бортовой батареи и торможение будет всегда, соответственно всегда можно пополнить запасы электроэнергии в суперконденсаторе. Конечно, запас метана в баллонах должен быть так как это тоже влияет на результат.

Произведём сравнение выбросов СО2 автобуса на компримированном метане, электробуса и гибридного пневмо-электрического автобуса. Дизельный двигатель не рассматриваем , так как он априори на 30% делает больше выбросов углекислого газа чем ДВС на природном газе.

Рассчитаем выбросы СО2 всех трёх вариантов из расчёта пробега 300 км в городском цикле.

Автобус на газу тратит на такой пробег 131кг метана (данные Мосавтотранса). Расчёт по молярным массам показывает, что горение 131кг метана даёт 360,2 кг СО2 (131*2,75=360,2)

Чтобы электробусу проехать 300км в городском цикле ему потребуется 450 квт электроэнергии. Чтобы получить 450квт в бортовых батареях, нужно выработать порядка 495квт. Электроэнергию нужно произвести, подвести по сетям к пантографам, затем её там преобразовать до значений удовлетворяющих быстрой зарядки и только потом зарядить аккумуляторы. Такие манипуляции приводят как минимум к 10% потерям. В России примерно 70 % генерации происходит на теплоэлектростанциях (80% из них работают на газе и 20% на угле).

495*0,7=346,5квт столько будет выработано электроэнергии с помощью сжигания углеводородов.

Эти 346,5квт поделятся на 277,2 кВТ электростанции на газу и 69,3 квт станции на угле.

Чтобы получить 1квт электроэнергии сжигается порядка 0,23кг метана или 0,5кг угля. Коэффициент получения СО2 из угля равен 3,7 по молярным массам.

277,2*0,23*2,75+69,3*0,5*3,7=175,3+128,2=303,5кг СО2 Столько электробус будет способствовать выделению в атмосферу углекислого газа проехав 300 км в городском цикле в нынешних условиях. (1квт электроэнергии выработанный с помощью углеводородов даёт 0,88кг СО2 346,5 кВт/303,5кг=0,88).

Что бы рассчитать углеродный след РПДК в режиме ДВС необходимо построить прототип, испытать его и сделать замеры расхода метана на дистанции 300км в городском цикле. Только так можно получить точные данные. Но такой возможности сейчас нет. Поэтому необходимо провести параллели с классическим ДВС у которого известно точное значение затрат топлива. Исходим из того, что оба варианта (ДВС на метане и РПДК) выдают одинаковый результат (300 км пробега автобуса в городском режиме), оба работают в одинаковых условиях, имеют сходные характеристики по крутящему моменту. Суть заключается в том, что моделируется ситуацию в которой ДВС обладает свойствами и возможностями РПДК, сколько бы в таком случае классический ДВС потратил метана на 300 км в городском цикле? Чтобы ответить на этот вопрос необходимо посмотреть на структуру затрат топлива у обоих вариантов.

1 - РПДК включается только тогда когда нужно. У него нет такого понятия как холостая работа. Двигатель газового автобуса (как в принципе и дизельного) работает всегда. И когда автобус стоит на остановке и на светофоре и перед пешеходным переходом и когда автобус тормозит и т.д. Холостая работа и прогрев ДВС съедает порядка 10% топлива.

2 - 40% от расхода топлива тратится, что бы осуществить такт сжатия. В одном каком то цилиндре ДВС идет такт расширения , а в другом цилиндре идет обязательно такт сжатия воздуха, который забирает 40% мощности у первого цилиндра (соответственно 40% топлива идет на обеспечение самодостаточности ДВС). РПДК в режиме ДВС использует сжатый воздух добытый при торможении. Поэтому эти 40% расходов топлива не случаются. Легко продемонстрировать, что такое такт сжатия. Можно взять какой-нибудь бытовой бензиновый агрегат, например бензопилу или газонокосилку. Выкрутить свечу и подергать ручной стартер (шнур). В таком положении даже ребёнок сможет без труда крутить колен вал бензопилы. Как только закрутить свечу на место, даже взрослый, физически сильный человек с трудом может прокрутить ручным стартером колен вал , так как поршень совершает сжатие воздуха.

3 - Классический ДВС основан на принципе преобразования возвратно-поступательных движений во вращательные. При такой конструкции необходимы массивные компоненты кривошипно-шатунного механизма и масса трущихся элементов. Так же достаточно много вспомогательных механизмов, которые тоже приводятся в действие от колен вала. Расходы топлива на преодоление трения в классическом ДВС оцениваются как 20%. Конструкция РПДК выполнена так что поверхности трущихся деталей и кол-во вспомогательных механизмов сокращено минимум в два раза. Это видно при сравнении двух конструкций двигателей.

Исходя из вышеизложенного сформируем структуру расхода метана классическим ДВС обладай он возможностями и свойствами РПДК

10% (131*10%=13кг) расходы на холостой ход и прогрев. Остаток 131-13=118кг

40 % расходуется топлива для осуществления такта сжатия (118*40%=47,2кг)

20% расходуется на преодоления трения и привод вспомогательных механизмов (118*20%=23,6кг)

Всё что осталось, это тепловые потери и непосредственно КПД (то , что реально невозможно уменьшить) 118- 47,2- 23,6=47,2кг

И теперь обратным счётом найдём предполагаемые расходы метана, в случае если классический ДВС обладал бы свойствами и возможностями РПДК.

47,2кг (расходы которые в любом случае произойдут)+11,8кг (половина от 23,6кг, т.к. предполагаемый уровень трения в 2 раза меньше)=59кг. Вот сколько предположительно затратит метана автобус с ДВС, если бы у него не было расходов на холостой ход, если он не будет тратить энергию на сжатие и если у него в два раза упадут потери на трение. Поэтому проводя параллели между классическим ДВС и пневмодвигателем с режимом ДВС, можно принять для последнего значение 59кг метана на 300км в городском цикле.

Но пневмодвигатель в режиме ДВС вращает генератор а не колеса. Т.е. в кинематической схеме появляется ещё один источник трения, который оценивается как 10%. Окончательный расход 59кг+10%=64,9кг СН4 округлим до 65

65 кг метана это по молярным массам (2,75) равно 178,8 кг СО2

Но так как, предполагается что автобус с пневмоэлектрическим силовым агрегатом в течении дня всё таки воспользуется аккумуляторами и потратить 50кВтч, то это ещё 44кг СО2 (50*0,88)

Итого автобус с пневмоэлектрическим силовым агрегатом за 300км пробега в городском цикле предположительно выбросит в атмосферу 178,8+44=222,8кг СО2.

Это в 1,36 раза меньше электробуса (303,5/222,8) и в 1,62 раза меньше автобуса на компримированном метане (360,2/222,8). Это результаты без учёта электроэнергии получаемой из солнечных батарей. За день при нормальных условиях солнечные батареи ёмкостью 3 квтч размещённые на крыше автобуса могут дать от 17-22 квтч, что позволит несколько уменьшить выбросы СО2 (либо сделать систему энергоснабжения более стабильной).

Наглядная демонстрация принципов работы заявленного изобретения и отдельных узлов представлена в следующих видеороликах:

- устройство пневмодвигателя с функцией ДВС (РПДК) https://youtu.be/l_zQme7TZq0

- принцип работы пневмодвигателя с функцией ДВС https://youtu.be/CE6p4JGZ2 o

- пневмоэлектрический городской автобус (обзор) https://youtu.be/iK9nIYrYftQ

- пневмоэлектрический городской автобус (работа) https://youtu.be/KrEQkVbnrvk

- устройство компрессора https://youtu.be/9JeDuoVmZUI

- система для производства электроэнергии https://drive.google.com/file/d/1UfXFDcNh5Fl8pIVWGAsQ0ACvd2PfxMJc/view?usp=sharing

Изобретение относится к транспортным средствам. Система для производства энергии при торможении транспортного средства с электродвигателем включает три контура торможения, два электродвигателя на заднем мосте и один на переднем мосте. Первый контур включает два компрессора на заднем мосте, две муфты, каждая из которых соединена с одним из компрессоров. Муфты соединены с осью заднего моста посредством цепной передачи. Второй контур включает два компрессора на заднем мосте, компрессор на переднем мосте, три муфты, каждая из которых соединена с одним из компрессоров. Муфты соединены с осями мостов посредством цепной передачи. Третий контур включает компрессор на переднем мосте, муфту, соединенную с компрессором. Муфта соединена с осью переднего моста посредством цепной передачи. Ресивер соединен с компрессорами. Пневмодвигатель с функцией ДВС соединен с ресивером и баллонами с компримированным метаном. Генератор соединен с пневмодвигателем. Суперконденсатор соединен с генератором и электродвигателями. Педали газа и тормоза соединены с муфтами. Увеличивается пробег и улучшается экологичность. 2 н.п. ф-лы, 8 ил., 5 табл.

1. Система для производства энергии при торможении транспортного средства с электродвигателем, включающего передний мост, содержащий ось, задний мост, содержащий ось,

включает три контура торможения, размещенных на переднем и заднем мостах, два электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, размещенные на заднем мосте,

один электродвигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором, размещенный на переднем мосте,

при этом первый контур торможения включает

два компрессора, размещенных на заднем мосте транспортного средства,

две фрикционные электромагнитные муфты, каждая из которых соединена с одним из компрессоров, при этом две фрикционные электромагнитные муфты соединены с осью заднего моста транспортного средства посредством цепной передачи,

второй контур торможения включает

два компрессора, размещенных на заднем мосте транспортного средства, и

один компрессор, размещенный на переднем мосте,

три фрикционные электромагнитные муфты, каждая из которых соединена с одним из компрессоров,

при этом все фрикционные электромагнитные муфты соединены с осями мостов транспортного средства посредством цепной передачи,

третий контур торможения включает

один компрессор, размещенный на переднем мосте транспортного средства,

одну фрикционную электромагнитную муфту, которая соединена с компрессором,

при этом фрикционная электромагнитная муфта соединена с осью переднего моста транспортного средства посредством цепной передачи,

ресивер, соединенный с компрессорами посредством трубопроводов,

пневмодвигатель с функцией ДВС, соединенный с ресивером и баллонами с компримированным метаном посредством трубопроводов,

генератор, соединенный с пневмодвигателем с функцией ДВС,

суперконденсатор, соединенный с генератором и электродвигателями переменного тока, педаль газа и педаль тормоза, снабженные контактами, соединенными с фрикционными муфтами.

2. Способ производства электроэнергии для питания электродвигателя транспортного средства, осуществляемый посредством системы по п.1, включающий этапы на которых

после отпускания педали газа включается первый контур торможения, посредством замыкания контакта на педали газа, что приводит к срабатыванию фрикционных электромагнитных муфт первого контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер,

после нажатия на педаль тормоза до 15% хода педали включается второй контур торможения, посредством размыкания контакта на педали тормоза, что приводит к срабатыванию фрикционных электромагнитных муфт второго контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер,

после нажатия на педаль тормоза от 15 до 25% хода педали тормоза включается третий контур торможения, что приводит к срабатыванию фрикционной электромагнитной муфты третьего контура торможения и к нагнетанию воздуха в ресивер,

сжатый воздух совместно с метаном посредством трубопроводов подаётся порциями во внутреннее пространство пневмодвигателя с функцией ДВС, раскручивает генератор, который заряжает суперконденсатор.