Система и способ получения энергии для питания транспортного средства Российский патент 2023 года по МПК F02B33/00 F02M21/02 B60K6/12 B60K17/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к транспортным средствам на колёсах, приводимых в движение с помощью сжатого воздуха и метана.

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 200 км. 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.

Так в уровне техники известна система и способ получения электроэнергии для движения транспортного средства городского назначения (RU 2764327). Данная система включает 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. 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. 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.

Недостатком данного решения является сложная конструкция всей системы. Также данная система имеет большие потери КПД, в связи с тем, что в процессе производства энергии присутствуют такие элементы, как генератор и электродвигатель каждый из которых поглощает от общего КПД 10%.

Данное решение выбрано в качестве наиболее близкого аналога к заявленному решению.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей, на решение которой направлено заявленное решение заключается в уменьшении потерь в силовой установки пневматического автобуса (пневмобуса) по сравнению с пневмоэлектрическим автобусом. Сокращение потерь неминуемо приведет к сокращению потребления топлива (метана в данном случае) и соответственно снизится эмиссия СО₂ в атмосферу.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в осуществлении рекуперации торможения транспортного средства (пневмобуса).

Указанный технический результат заявленного изобретения достигается благодаря тому что, система получения энергии для движения транспортного средства отличается тем, что включает силовой агрегат, ресивер низкого давления, ресивер высокого давления, баллоны с компримированным метаном, при этом силовой агрегат содержит компрессоры, каждый из которых снабжен многодисковой фрикционной муфтой, двигатели, каждый из которых снабжен пневмостартером и многодисковой фрикционной муфтой, вариаторы, каждый из которых соединен с компрессором через многодисковую фрикционную муфту, посредством, цепной передачи, и с двигателем через многодисковую фрикционную муфту, посредством зубчатой передачи, при этом вариаторы соединены с колесами транспортного средства, компрессоры соединены с ресивером низкого давления, посредством трубопровода, а двигатели соединены с ресивером низкого давления и баллонами с компримированным метаном, при этом ресиверы низкого и высокого давления соединены между собой, каждый двигатель содержит по меньшей мере одну электромагнитную форсунку.

Система включает компенсационную систему, содержащую двигатель с многодисковой фрикционной муфтой с пневмоприводом, компрессор, многодисковые фрикционные муфты с пневмоприводом, цепную передачу, соединяющую двигатель и компрессор, компрессор на 20 атм 18, соединенный с электродвигателем на 15 кВтч и компрессором, вспомогательный ДВС на метане 20, генератор на 20 кВтч 19.

Способ получения энергии для питания транспортного средства, осуществляемый посредством системы по п.1, включающий этапы, на которых при нажатии на педаль газа транспортного средства от 0 до 15% ее хода, пневмостарторы запускают двигатели, сжатый воздух из ресивера низкого давления совместно с метаном, посредством трубопроводов подаётся во внутреннее пространство двигателей посредством электромагнитных форсунок, при возвращении педали газа в начальное положение двигатели отключается, а компрессоры подключаются к вариаторам, при этом при подключении вариаторов к компрессорам передаточное число вариаторов составляет 0,5, при нажатии на педаль тормоза до 50% ее хода передаточное число вариаторов увеличивается до 2.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фигуре 1 представлен силовой агрегат системы для производства энергии при торможении транспортного средства.

На фигуре 2 представлена компенсационная система транспортного средства

На фигуре 3 представлен общий вид транспортного средства с системой получения энергии и вспомогательными системами.

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, которая может быть использована.

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

1. Ресивер низкого давления (в виде 19 баллонов)

2. Ресивер высокого давления (в виде 2 баллонов)

3. Баллоны для компримированного метана (3 шт.)

4. Li-Ion батареи (2 шт.)

5. Клапан для перекачки сжатого воздуха

6. Скруббер для улавливания СО₂ (3 шт.)

7. Двигатель (5 шт.)

8. Компрессор (5 шт.)

9. Многодисковая фрикционная муфта №1 (6 шт.)

10. Зубчатая передача (4 шт.)

11. Цепная передача (5 шт.)

12. Вариатор (4 шт.)

13. Многодисковая фрикционная муфта №2 (5 шт.)

14. Зубчатая передача (4 шт.)

15. Воздушный фильтр (5 шт.)

16. Балка заднего моста

17. Электродвигатель

18. Компрессор 20 атм

19. Генератор

20. Вспомогательный ДВС

21. Суперконденсатор.

В качестве транспортного средства в настоящем изобретении рассматривается городской пассажирский автобус, прототипом для которого (по габаритам и массе) служит ЛиАЗ 5292. Автобус снабжен педалями газа и тормоза, колесами и т.д.

1.Пневмобус снабжен системой получения энергии для его движения включающую: силовой агрегат, ресивер низкого давления 1, ресивер высокого давления 2, баллоны с компримированным метаном 3. При этом силовой агрегат содержит: компрессоры 8, каждый из которых снабжен многодисковой фрикционной муфтой, двигатели 7, каждый из которых снабжен пневмостартером и многодисковой фрикционной муфтой. Вариаторы 12, каждый из которых соединен с компрессорами 8 через многодисковую фрикционную муфту 9, посредством, цепной передачи, при этом вариаторы соединены с колёсами транспортного средства. Компрессоры соединены с ресивером низкого давления 1, посредством трубопровода. Двигатели соединены с ресивером низкого давления 1 и баллонами с компримированным метаном 3, при этом ресиверы низкого 1 и высокого 2 давления соединены между собой посредством перепускного клапана. Каждый двигатель 7 содержит по меньшей мере одну электромагнитную форсунку.

Система включает компенсационную систему содержащую двигатель с многодисковой фрикционной муфтой с пневмоприводом, компрессор 8, многодисковые фрикционные муфты с пневмоприводом, цепную передачу 11, соединяющую двигатель и компрессор, компрессор на 20 атм соединенный с электродвигателем на 15 кВтч и компрессором, вспомогательный ДВС на метане 20, генератор на 20 кВтч 19.

Способ получения энергии для питания транспортного средства, осуществляемый посредством системы включающий этапы на которых при нажатии на педаль газа транспортного средства от 0 до 15% её хода, пневмостартеры запускают двигатели, сжатый воздух из ресивера низкого давления совместно с метаном, посредством трубопроводов подаётся во внутреннее пространство двигателей посредством электромагнитных форсунок.

При возвращении педали газа в начальное положение двигатели отключаются, а компрессоры подключаются к вариаторам, при этом при подключении вариаторов к компрессорам передаточное число вариаторов минимально и составляет 0,5. При нажатии на педаль тормоза до 50% её хода передаточное число вариаторов увеличивается до максимума и составляет 2.

Силовой агрегат заявленного транспортного средства (пневмобуса) - это механическая система (так как в ней отсутствуют электрические компоненты). Она проще и производительней, чем гибридный силовой агрегат транспортного средства (пневмоэлектробуса). Отсутствует необходимость настройки взаимодействия работы механических систем и электрических. Все составные части силового агрегата пневмобуса надежно закреплены на балке заднего моста транспортного средства.

Рассмотрим кратко взаимодействие элементов силового агрегата. Двигатель 7 системой трубопроводов подключён к ресиверу 1 низкого давления. Если впускной клапан двигателя откроется, сжатый воздух начнёт поступать во внутреннее пространство двигателя, если клапан закроется, подача сжатого воздуха прекратится. Выпуск отработанных газов осуществляется через скруббер 6 по улавливанию СО₂. Компрессор 8 приводимый в движение колёсами транспортного средства, через вариатор 12, засасывает атмосферный воздух, через фильтр 15, сжимает его до ~7 атм и отправляет на кратковременное хранение в ресивер низкого давления 1. Фрикционные муфты 9 и 13 предназначены для того что бы подключать к вариатору 12 либо двигатель 7 (для движения), либо компрессор 8 (для торможения).

Рассмотрим кратко взаимодействие таких элементов как ресивер низкого давления 1, ресивер высокого давления 2 с компенсационной системой. Ресивер низкого давления 1 предназначен для кратковременного хранения сжатого воздуха полученного при рекуперации энергии торможения. Он состоит из 18 баллонов общим объёмом 8 м³. Объём сжатого воздуха, получаемого при торможении небольшой в сравнении с тем объёмом, который хранится в ресивере низкого давления 1. Поэтому прибытие (при торможении) и убытие (для обеспечения движения) небольшого количества воздуха относительно значительного хранящегося в ресивере низкого давления 1 не приведет к существенным колебаниям давления внутри ресивера низкого давления 1. Для нормального функционирования системы нужно чтобы в ресивере низкого давления 1 и трубопроводах, подсоединённых к нему, не было значительных колебаний давления.

Ресивер высокого давления 2, предназначен для хранения запаса сжатого воздуха, так как может создастся ситуация, что в процессе движения израсходуется весь воздух, заготовленный при торможении, а движение ещё не завершено. Этот дефицит должен быть быстро покрыт. Давление в ресивере высокого давления 2 составляет порядка 20 атм, а в ресивере низкого давления 1 составляет 6,5-7,9 атм. Если открыть клапан 5, соединяющий оба ресивера, то за счёт перепада давления необходимое количество воздуха перетечёт из ресивера высокого давления 2 в ресивер низкого давления 1. Дефицит будет покрыт и транспортное средство доедет до следующей остановки.

Сжатый воздух циркулирует от компрессора 8 в ресивер низкого давления 1 при торможении и обратно из этого ресивера 1 к двигателю 7, когда транспортное средство (пневмобус) совершает движение. Таким образом, совершается переход энергии, собираемой при торможении в энергию необходимую для движения. Но, так как невозможно заранее точно знать сколько силовой агрегат транспортного средства (пневмобуса) соберет сжатого воздуха при очередном торможении и сколько будет потрачено его при движении (которое всегда следует после торможении), то нужна какая-то система, которая будет урегулировать эти значения с целью обеспечения гарантированного передвижения транспортного средства (пневмобуса) от одной остановки до другой. Компенсационная система следит за тем что бы перед началом движения, давление в ресивере низкого давления 1 соответствовало значению 7,9 атм и в процессе движения не падало ниже 6,5 атм, а давление в ресивере высокого давления 2 соответствовало 20 атм и суперконденсатор 21 был всегда заряжен. В случае, если в ресивере высокого давления 2 давление падает ниже 20 атм, то компенсационная система в кратчайшие сроки должна его вернуть к прежнему значению. Эту задачу выполняет компрессор 18 на 20 атм. Данный компрессор 18 перекачивает сжатый воздух из ресивера низкого давления 1 в ресивер высокого давления 2. Приводится в движение данный компрессор 18 электродвигателем 17 на 15 кВтч. Также данный компрессор 18 на 20 атм может работать, если к нему подключится вспомогательный ДВС 20 через муфту 9 (это в случае если разрядится суперконденсатор 21 и литий-ионные батареи 4. Двигатель 7 через муфты 9 может быть подключен либо к генератору 20 кВтч 19, либо к компрессору 8. Подключение к генератору 19 происходит в том случае, когда в ресивере низкого давления 1 есть избыток воздуха, но в тоже самое время давление в ресивере высокого давления 2 20 атм (т.е. запас полный). И этот излишек сжатого воздуха перерабатывается в электричество, сохраняемое в суперконденсаторе 21. В случае дефицита сжатого воздуха в ресивере низкого давления 1, двигатель 7 подключается уже к компрессору 8, который устраняет этот дефицит.

Подводя итог о компенсационной системе, можно сказать следующее: основным источником пополнения сжатым воздухом ресивера низкого давления 1 является торможение (работа четырех компрессоров). Но, если возникает дисбаланс между наличием сжатого воздуха и потребности в нём для работы двигателей 7, этот дисбаланс устраняется с помощью компенсационной системы. Дисбалансом может быть, как переизбыток сжатого воздуха, как и его недостаток. Переизбыток перерабатывается в электричество. Недостаток компенсируется нагнетанием сжатого воздуха из внешней среды.

Каким образом работает силовой агрегат транспортного средства (пневмобуса). Всё управление завязано на две педали: газ и тормоз.

Рассмотрим, как организован процесс движения в транспортном средстве (пневмобусе). При небольшом нажатии на педаль газа (до 15% хода педали), пневмостартеры запускают синхронно двигатели 7. Так как у данного двигателя 7 нет такта сжатия (это его характерная особенность), пуск осуществится легко. В двигатель 7 подаётся сжатый воздух из ресивера низкого давления 1 и метан из баллонов 3 через электромагнитную форсунку. Метан подаётся в постоянном количестве (подача метана не увеличивается при нажатии на педаль газа как в обычном автомобиле). То есть двигатель 7 на любых оборотах имеет одно и то же значение крутящего момента. Исключение составляет момент начала движения транспортного средства (пневмобуса). После запуска двигателя, через секунду срабатывает фрикционная муфта 13 и двигатель 7 подключается к вариатору 12 и далее через зубчатую передачу 14 к колесу заднего моста транспортного средства (пневмобуса). Начинается движение транспортного средства (пневмобуса). Нажатие на педаль газа меняет передаточное число вариатора 12 с 0,5 до 2. Тем самым регулируется величина крутящего момента на ведущих колесах (соответственно обороты вращения двигателя 7).

Когда педаль газа нажата до конца, транспортное средство с ускорением начинает разгоняться. Достигнув крейсерской скорости, водитель отпускает педаль газа до положения ~15% хода, вариатор 12 возвращается к своему минимальному передаточному отношению и минимальному значению крутящего момента, что вполне достаточно для поддержания набранной скорости.

Рассмотрим процесс торможения транспортного средства, как этот процесс осуществляется и как управляется. Движущейся объект большой массы обладает значительной энергией. Задача силового агрегата транспортного средства плавно затормозить, но при этом высвобождающуюся энергию собрать и разместить её в ресивере низкого давления 1 в виде сжатого воздуха. Двигаясь на скорости, например, 55км/ч, транспортное средство (пневмобус) приближается к остановке. Водитель убирает ногу с педали газа и переносит её на педаль тормоза. Как только педаль газа вернётся в своё начальное положение (0% хода педали), сразу фрикционная муфта 13 разомкнёт соединение двигателя 7 с вариатором 12 и соответственно с ведущими колёсами и в этот же момент сработает фрикционная муфта 9, которая обеспечивает подключение к вращающемуся входному валу вариатора 12 компрессора 8. Компрессор 8 в независимости от угловой скорости вращения имеет постоянный тормозящий момент. Он равен 470 Нм. В момент подключения компрессора 8 передаточное число вариатора 12 равно 0,5 (так как педаль газа в начальном положении). 4 компрессора 8 начнут тормозить транспортное средство (пневмобус), при этом сжатый воздух нагнетается в ресивер низкого давления 1. Регулирование интенсивности торможения происходит за счёт изменения передаточного числа четырех вариаторов 12, которые в свою очередь управляются педалью тормоза.

Обобщим материал, касающийся торможения транспортного средства.

При возврате педали газа в начальное положение, двигатели 7 отключаются, а компрессоры 8 подключаются к вариаторам 12 (и соответственно к колёсам). Инерционно двигающееся транспортное средство вращает 4 компрессора 8. Происходит торможение и одновременно нагнетание сжатого воздуха в ресивер низкого давления 1. При начальном подключении компрессора 8 передаточное число вариатора 12 равно 0,5, поэтому тормозящий момент минимален. Нажатие на педаль тормоза (до 50% хода), синхронно меняет передаточное число четырёх вариаторов 12 от 0,5 до 2. Соответственно на колёсах тормозящий момент меняется от минимума до максимума, что приводит к изменению интенсивности торможения, соответственно и к интенсивности нагнетания сжатого воздуха в ресивер низкого давления 1. Если нужен тормозящий момент больше максимального значения, который может выдать силовой агрегат (пневмобуса), то водитель жмет педаль тормоза больше чем 50% хода. Срабатывает штатная система торможения (диски, колодки).

90-95% всех торможений городского автобуса не превышают те значения тормозящего момента, который развивает силовой агрегат транспортного средства (пневмобуса).

Дистанция разгона равна 117,7 м, значит, колесо сделает 39,05 оборота (117,7/3,014). Следовательно, пневмодвигатель сделает 210,8 оборотов (39,05*5,4)

Расход сжатого воздуха при разгоне составит 725 152 см³ (210,8(кол-во оборотов двигателя 7) * 860 см³ (расход 1 двигателя 7)*4 (количество двигателей 7)).

Дистанция равномерного движения равна 319,9 м, значит, колесо сделает 106,2 оборота (319,9/3,014). Следовательно, пневмодвигатель сделает 143,3 оборотов (106,2*1,35)

Расход сжатого воздуха при равномерном движении составит 492 952м³ (143,3(кол-во оборотов двигателя 7) *860см³ (расход 1 двигателя 7)*4 (количество двигателей 7)).

Общий расход сжатого воздуха давлением 7 атм равен 725 152 см³+492 952 м³ =1 218104 см³.

В стандартной ситуации сжатого воздуха заготавливается несколько больше, чем его требуется для движения транспортного средства. И этот излишек (1,891 м³ - 1,218 м³) перерабатывается в электричество. Подключая двигатель 7, работающий на сжатом воздухе и метане к генератору 19, такой излишек принесёт ~0,45 кВт электроэнергии, которая будет сохранена в суперконденсаторе 21. Необходимо подчеркнуть, что такая ситуация с профицитом воздуха в ресивере низкого давления 1 и невостребованость запаса в ресивере высокого давления 2 происходит в 60-70% случаев. Излишек воздуха в этом случае перерабатывается в электричество. Но помимо стандартной ситуации будут случаться и нестандартные, когда в процессе движения будет расходоваться запас сжатого воздуха из ресивера высокого давления 2 и когда торможение будет не столь эффективным и заготовленного при торможении воздуха не будет хватать для дальнейшего движения и т.д.

Рассмотрим на цифрах несколько вариантов которые могут произойти в реальных условиях и рассмотрим алгоритм по которому сработает “компенсационная система” обеспечивая гарантированное перемещение транспортного средства до следующей остановки.

Пример №1

Исходные данные: давление в ресивере низкого давления 7,9 атм, давление в ресивере высокого давления 20атм. Транспортное средство разгоняется до 55 км/ч, далее равномерно двигается на этой скорости и тормозит перед остановкой. Будут использованы данные из расчётов приведенных выше.

Для подсчёта давлений и объёмов сжатого воздуха используются следующие формулы P2=P1*(V1/V2)ᵏ; V2= V1*(P1/P2)1/k, где k - коэффициент политропы для этих уровней давление примем 1,31,

V₁ > V₂, P₂ > P₁

Для корректности расчётов объёмы воздуха должны подсчитываться в пересчёте на атмосферное давление.

Итак, ресивер низкого давления 1 имеет объём 8 м³ и давление составляет 7,9 атм. Значит, в них содержится 38,78 м³ атмосферного воздуха 38,78 = 8/(1/7,9)^1/1,31.

Т.е. если 38,78 м³ атмосферного воздуха поместить в объём 8 м³, то давление этого воздуха станет 7,9 атм.

По тому же принципу в ресивере высокого давления 2 объёмом 1 м³ с давлением 20 атм содержится 9,84 м³ атмосферного воздуха 9,84=1/(1/20) ^1/1,31.

Транспортное средство начинает движение. На разгон и равномерное движение потратил 5,38 м³ атмосферного воздуха 5,38 =1,218/(1/71)^1/1,31.

Значит, в ресивере низкого давления объём воздуха упадёт 38,78 м³ - 5,38 м³ =33,4 м³.

Тогда давление составит 1*(33,4/8)^1,31=6,5 атм (это нижний предел, но ещё допустимое значение).

Далее транспортное средство начинает тормозить перед остановкой и сбор атмосферного воздуха составит 8,35 м³: 8,35=1,891/(1/7)^1/1,31.

После нагнетания 8,35 м³ в ресивер низкого давления, при торможении, общий объём атмосферного воздуха составит 33,4 м³ + 8,34 м³ =41,75 м³. Следовательно, давление поднимется до значения 8,71 атм: 8,71=1*(41,75/8) ^1,31.

А по условиям в ресивере низкого давления 1 не должно быть больше 7,9 атм (которое соответствует объёму 38,78 м³ атмосферного воздуха). Значит, излишек воздуха составляет 41,75-38,78=2,97 м³ воздуха необходимо удалить. Этот излишек компенсационная система перерабатывает в электричество (это порядка 0,45 кВт электроэнергии) по схеме двигатель через муфту 13, вращает генератор 19 на 20 кВтч. В данном примере была рассмотрена стандартная наиболее часто встречающаяся ситуация. По окончании торможения имеем давление в ресивере низкого давления 1 - 7,9 атм, давление в ресивере высокого давления 2-20 атм (не было необходимости расходовать запас из ресивера высокого давления 2). Суперконденсатор 21 подзарядился на 0,45 кВт электроэнергией.

Пример №2

Те же исходные данные, что и в Примере №1. Рассмотрим вариант, когда транспортное средство движется в гору. То есть расход воздуха для движения будет больше чем в примере №1 и он составил 9 м³ вместо 5,38 м³.

По условиям, компенсационная система не должна допускать падение давление в ресивере низкого давления 1 ниже 6,5 атм. Поэтому недостаток воздуха 3,62 м³ (9-5,38) который необходим для продолжения движения, она возьмет из ресивера высокого давления 2 (путем открытия клапана). До начала торможения давление будет поддерживаться 6,5 атм за счёт перетока сжатого воздуха из ресивера высокого давления 2 в ресивер низкого давления 1 через клапан 5. При торможении в ресивер низкого давления 1 так же накачается 8,35 м³ как и в примере №1, что приведёт к избытку воздуха в нём 2,97 м³.

В конце торможения имеется следующая ситуация. В ресивере низкого давления 1 имеется избыток воздуха 2,97 м³, а в ресивере высокого давления 2 имеется дефицит воздуха в размере 3,62 м³. Компенсационная система уже не будет вырабатывать электричество, а перекачает весь избыток из ресивера низкого давления 1 в ресивер высокого давления 2. Для выполнения этой задачи электродвигатель 17 на 15 кВтч будет вращать компрессор 18 на 20 атм. После перекачки излишка из ресивера низкого давления 1, в ресивере высокого давления 2 всё равно останется дефицит (3,62-2,97=0,65 м³). После того как излишек воздуха 2,97 м³ был удален из ресивера низкого давления 1 давление в нём установилось 7,9 атм и оно уже не должно падать ниже. Для этого компенсационная система включит в работу компрессор 18 путем подключения к нему через муфту 13 двигателя 7. Данный компрессор 8 закачивает атмосферный воздух в ресивер низкого давления 1, что скомпенсирует изъятие из него воздуха для работы компрессора 18 на 20 атм, и двигателя 7. Другими словами, перекачка воздуха из ресивера низкого давления 1 в ресивер высокого давления 2 продолжится в размере 0,65 м³, но это не приведёт к падению давления ниже 7,9 атм в ресивере низкого давления 1 (так как в него в объёме изъятия подкачивается воздух из атмосферы). Для функционирования электродвигателя 17 на 15 кВтч (вращающего компрессор 18 на 20 атм) потребуется примерно 0,3кВт электроэнергии. В итоге перед началом движения, давления в обоих ресиверах будут иметь стандартные значения (7,9 и 20 атм), суперконденсатор 21 отдаст 0,3 кВт, транспортное средство будет полностью готово к движению.

Пример №3

Исходные данные те же, что и в примере №1. Смоделируем самую сложную ситуацию, которая заключается в то, что и расход воздуха будет больше, чем это предусмотрено стандартной ситуацией, и в процессе торможения будет заготовлено сжатого воздуха в два раза меньше, чем обычно. Другими словами, после торможения перед остановкой у транспортного средства будет дефицит в обоих ресиверах и низкого давления 1 и высокого 2. В цифрах это будет выглядеть следующим образом.

Ресивер низкого давления 1: 38,78 м³ - 9 м³ (расход для движения) + 3,62 м³ (компенсация из ресивера высокого давления 2 +4 м³ (приход от торможения) = 37,4 м³ такой запас воздуха в ресивере низкого давления 1 будет после окончания торможения, что соответствует давлению 7,54 атм (1*(37,4/8)^1,31 =7,54),а нужно 7,9 атм.

Ресивер высокого давления 2: 9,84 м³ - 3,62 м³ (расход для компенсации дефицита в ресивере низкого давления 1 при движении) = 6,22 м³ такой запас воздуха в ресивере 2 обеспечит давление 10,96 атм (1*(6,22/1)^1,31 =10,96), а нужно 20 атм.

Каким образом, компенсационная система отреагирует на создавшуюся ситуацию.

Действие 1. Чтобы в ресивере низкого давления 1 было 7,9 атм не хватает 1,38 м³ (38,78-37,4=1,38). Это количество воздуха будет изъято из ресивера высокого давления 2 (разница давление позволяет это сделать). После быстрого перетока 1,38 м³, давление в ресивере высокого давления 2 составит 7,9 атм (1*((6,22-1,38)/1)^1,31=7,9 атм. То есть после открытия клапана осуществится переток сжатого воздуха из ресивера с большим давлением в ресивер с меньшим давлением до момента, когда давления уровняются в обоих ресиверах. Но если давление в ресивере низкого давления 1 соответствует стандартному значению, то в ресивере высокого давления 2 наблюдается большой дефицит сжатого воздуха (так как весь запас был израсходован) и эту проблему должна решить компенсационная система.

Действие 2 Электродвигатель 17 на 15 кВтч вращает компрессор 18 на 20 атм, который начнет перекачивать сжатый воздух из ресивера низкого давления 1 в ресивер высокого давления 2 (дожимая воздух давлением 7,9 атм до давления 20 атм). Чтобы не падало давление в ресивере низкого давления 1 ниже 7,9 атм (из него же изымается воздух), двигатель 7 через муфту 9 подключится к компрессору 8, что позволит нагнетать атмосферный воздух в ресивер низкого давления 1. Таким образом, через 15-17 сек давление в обоих ресиверах будет иметь стандартные значения (7,9 атм и 20 атм), при этом суперконденсатор 21 потратит порядка 0,41кВт электроэнергии.

Пример 4.

Рассмотрим ситуацию, когда транспортное средство на дистанции между остановками 500 м делает не одно, а два полных торможения (соответственно два полных разгона). Соответственно, увеличивается в два раза сбор воздуха в сравнении с примером №1 (конечно в два раза и увеличится расход на разгон). Но в итоге в таком варианте суммарный излишек составит 9,367 м³ (по сравнению с 2,97 м³ в первом примере). Понятно, что электричества будет выработано в три раза больше. Соответственно, можно утверждать, что суперконденсатор 21, как и литий-ионные батареи 4 практически всегда будут подзаряжены.

Четыре примера описывают совершенно разные ситуации. Если говорить о степени вероятности, что та или иная ситуация случится, то цифры выглядят примерно так: в 70% случаев произойдёт ситуация, описанная в примере 1 и 4. В 20% случаев это пример 2. В 10% случаев это пример 3. Можно говорить о том, что система рекуперации торможения совместно с компенсационной системой обеспечит гарантированное передвижение транспортного средства от одной остановки до другой при любых вариантах развития ситуации.

Самая главная цель заявленного изобретения - предложить пассажирский городской транспорт, который будет в разы меньше выбрасывать углекислый газ в атмосферу, чем автобус на природном газе или электробус. При этом данное транспортное средство должно иметь эксплуатационные характеристики не хуже чем автобус на природном газе. Рассмотрим, как цель «снижение выбросов СО₂» будет достигаться. Для этого рассмотрим энергетический баланс движения и торможения транспортного средства, весом 18 т на дистанции 500 м (на базе расчётов произведённых выше).

Разгон, дистанция 117,7 м, чтобы иметь ускорение чуть больше 1 м/с², сила, которая должна быть приложена к транспортному средству равная 21655Н. Значит, энергия для разгона оценивается как 21655Н*117,7м=2548,8 кДж.

Равномерное движение, дистанция 319,9 м, чтобы поддерживать скорость 55 км/ч, необходима сила 3693Н. Значит, энергия для поддержания скорости 55 км/ч равна 3693Н*319,9 м =1181,4 кДж.

Для разгона и прямолинейного движения требуется 2548,8 кДж+1181,4 кДж=3730,2 кДж.

Автобус на компримированном природном газе имеет двигатель, КПД которого равен 30%. Значит, к такому двигателю нужно подвести тепловой энергии 12434 кДж (12434*0,3=3730,2), чтобы проехать 500 м от одной остановке до другой.

12434кДж / 3238,7кДж = 3,84 раза меньше потребуется метана транспортному средству по сравнению с автобусом на природном газе для обеспечения движения. Соответственно во столько же раз будут меньше выбросы СО₂.

Сравним значение КПД классического двигателя внутреннего сгорания работающего на бензине или газе с КПД двигателя, который планируется установить на силовой установке пневмобуса.

Q_общ=(Q_ог+Q_ож) + Q_нт + Q_сж + Q_трен +Q_раб

100=(34) +10 +15 +11 +30 классический двигатель внутреннего сгорания

100=(27) +5 +0 +5 +63 двигатель пневмобуса

Q_общ - общее количество тепла подведенное к двигателю

Q_ог -.потери тепла с отработанными газами

Q_ож - потери тепла, которые отводятся охлаждающей жидкостью из-за нагрева металлических частей

Q_нт - потери тепла из-за несгоревшего топлива

Q_сж - потери тепла на осуществление такта сжатия

Q_трен - потери тепла на преодоление трения в двигателе

Q_раб - потери тепла на совершение полезной работы (собственно это КПД)

Рассмотрим значения основных реперных точек у ДВС. Т₁=20°С, Р₁=0,95 атм (впуск).

Т₂=350°С, Р₂=15 атм (сжатие). Т₃=2000°С, Р₃=50 атм (вспышка). Т₄=800°С, Р₄=4 атм (выпуск).

У классического ДВС температура в ВМТ (начало такта расширения) ~2000°С и давление в этой точке ~50 атм. Такие высокие температуры приводят к сильному нагреванию металлических частей двигателя и, соответственно, к большим потерям тепла, которое отводит охлаждающая жидкость. В НМТ (конец такта расширения) температура соответствует значению ~800°С. Отработанные газы с такой температурой покидают внутреннее пространство ДВС. Получается, что тепло потраченное на нагрев воздуха атмосферной температурой 20°С до температуры 800°С просто теряется. Этим и объясняется такая высокая цифра 34 (Q_ог+Q_ож) у классического ДВС. Диаметр кривошипа примерно равен диаметру цилиндра у ДВС. И это небольшое плечо прикладывания силы. Единственный ресурс получения приемлемого значения крутящего момента у ДВС это сильный подъём давления в ВМТ. Это происходит только посредством подвода большого количества тепла и как правило на больших оборотах вращения коленвала (5500-6000 об/мин). Тепловой двигатель пневмобуса сконструирован на других принципах, чем классический ДВС. Одна из его особенностей - большое плечо прикладывания силы при формировании крутящего момента. При сравнимых рабочих объёмах, плечо у двигателя пневмобуса больше ~2,8 раза, чем плечо прикладывания силы у ДВС. Соответственно отпадает необходимость так сильно поднимать давление в начале такта расширения. Ещё одна особенность двигателя пневмобуса- отсутствие такта сжатия (сжатый воздух заготавливается при торможении и непосредственно подаётся в двигатель). Рассмотрим значения основных реперных точек у двигателя пневмобуса Т₁=20°С, Р₁=0,95 атм (впуск). Т₂=250°С, Р₂=7 атм (сжатие осуществляется не двигателем, а компрессорами при торможении). Т₃=865°С, Р₃=15 атм (вспышка). Т₄=265°С, Р₄=1,2 атм (выпуск).

Есть явные отличия 865°С против 2000°С (температура в начале такта расширения)

265°С против 800°С (температура в конце такта расширения). Очевидно, что и теплонапряжёность деталей двигателя и потери тепла с отработанными газами у двигателя пневмобуса будут гораздо ниже. Отсюда и такое значение (Q_ог+Q_ож) = 27.

Как уже было сказано, приемлемые значения крутящего момента у ДВС достигаются на больших оборотах. Соответственно часть топлива не успевает сгореть из-за скоротечности смен циклов. Большие обороты приводят к большим потерям на трение. У двигателя пневмобуса крутящий момент не зависит от оборотов в минуту. Он примерно одинаков на всех оборотах. Максимальное значение оборотов вращения предполагается 1600 об/мин, номинальные 800-1000 об/мин. Во время отведенное на сгорание топлива увеличивается в разы, а затраты на трение уменьшаются. Также при сравнении конструкций обеих двигателей, необходимо обратить внимание, что трущихся площадей у двигателя пневмобуса будет как минимум в три раза меньше. Вот почему такие цифры Q_нт и Q_трен. А так как такта сжатия у двигателя пневмобуса нет, то нет и потерь на этот процесс. Если просуммировать все перечисленные факторы влияющие на значение КПД, то цифра в ~60% становится реальной, что является одной из основных причин снижения выбросов СО₂ более чем в три раза.

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

- описание принципа работы транспортного средства https://youtu.be/8FK141WZNp4

- расчет характеристик транспортного средства https://youtu.be/_iBFqFSKMYw

- описание принципа работы двигателя 7 https://youtu.be/Q6KN1s1cIYY

- описание принципа работы компрессора 8 https://youtu.be/9JeDuoVmZUI

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Система получения энергии для движения транспортного средства включает силовой агрегат, ресивер (1) низкого давления, ресивер (2) высокого давления, баллоны (3) с компримированным метаном. Силовой агрегат содержит компрессоры, каждый из которых снабжен многодисковой фрикционной муфтой. Каждый двигатель снабжен пневмостартером и многодисковой фрикционной муфтой. Каждый вариатор соединен с компрессором через многодисковую фрикционную муфту посредством цепной передачи, а с двигателем через многодисковую фрикционную муфту посредством зубчатой передачи. Вариаторы соединены с колесами транспортного средства, компрессоры соединены с ресивером (1) низкого давления посредством трубопровода, а двигатели соединены с ресивером (1) низкого давления и баллонами (3) с компримированным метаном. Ресиверы (1) низкого и высокого давления соединены между собой. Каждый двигатель содержит по меньшей мере одну электромагнитную форсунку. Также раскрыт способ получения энергии для питания транспортного средства. Технический результат заключается в осуществлении рекуперации торможения транспортного средства. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система получения энергии для движения транспортного средства, включающая силовой агрегат, ресивер низкого давления, ресивер высокого давления, баллоны с компримированным метаном, при этом силовой агрегат содержит компрессоры, каждый из которых снабжен многодисковой фрикционной муфтой, двигатели, каждый из которых снабжен пневмостартером и многодисковой фрикционной муфтой, вариаторы, каждый из которых соединен с компрессором через многодисковую фрикционную муфту посредством цепной передачи, а с двигателем через многодисковую фрикционную муфту посредством зубчатой передачи, при этом вариаторы соединены с колесами транспортного средства, компрессоры соединены с ресивером низкого давления посредством трубопровода, а двигатели соединены с ресивером низкого давления и баллонами с компримированным метаном, при этом ресиверы низкого и высокого давления соединены между собой, каждый двигатель содержит по меньшей мере одну электромагнитную форсунку.

2. Система по п.1, которая включает компенсационную систему, содержащую двигатель с многодисковой фрикционной муфтой с пневмоприводом, компрессор, многодисковые фрикционные муфты с пневмоприводом, цепную передачу, соединяющую двигатель и компрессор, компрессор на 20 атм, соединенный с электродвигателем на 15 кВтч и компрессором, вспомогательный ДВС на метане, генератор на 20 кВтч.

3. Способ получения энергии для питания транспортного средства, осуществляемый посредством системы по п.1, включающий этапы, на которых при нажатии на педаль газа транспортного средства от 0 до 15% ее хода пневмостартеры запускают двигатели, сжатый воздух из ресиверов низкого давления совместно с метаном, посредством трубопроводов подаётся во внутреннее пространство двигателей посредством электромагнитных форсунок, при возвращении педали газа в начальное положение двигатели отключаются, а компрессоры подключаются к вариаторам, при этом при подключении вариаторов к компрессорам передаточное число вариаторов составляет 0,5, при нажатии на педаль тормоза до 50% ее хода передаточное число вариаторов увеличивается до 2.