Рекуператор энергии транспортного средства Советский патент 1983 года по МПК B60K9/04 

Изобретение относится к транспортным средствам и касается аккумулирования их кинетической энергии МО время торможения с последуквдим использованием накоплеЪной энергии при разгоне транспортного средства.

При торможении транспортного сре ства фрикционными жзрмозами и гидрозамедлителями кинетическая энергия движения, транспортного средства безвозвратно теряется, превращаясь в тепловую энергию. Для аккумулирования кинетической энергий транспорного средства разр абота ны ра зличные рекуператоры. Особенно целесообразно их использование в городских автобусах, которые имеют частые остановки.

Известен рекуператор энергии транспортного средства, содержащий маховик, связанный с валом трансмиссии транспортного средства посреством кинематической цепи, включающей в себя гидродинамическую передачу.

8 этом рекуператоре применена опрожняемая гидромуфта,, которая испол зуется и при торможении транспортного средства, ипри его разго

не Cl. .

Недостатком этого рекуператора энергии является то, что он имеет невысокий КПД из-за значительных потерь мощности в гидромуфте, так к ее режим работы при торможении транспортного средства и при его разгоне не одинаковые я поэтому не могут быть выбраны ептимальыыми.

Цель изобретения - повышение КПД

Поставленная цель достигается тем, что рекуператор энергии транспортного средства, содержащий махоэик, связанный с валом тра гсмкссии транспортного средствапосредством кинематической цепи, включающей в себя гидродинамическую передачу,, снабжен дололнительной кинематической цепью связи маховика с ,валом трансьтссии, включающей в себя гид родинаглическую передачу.

Кроме того, вторая из упомянутых кинематических цепей снабжена обгонмой муфтой., посредством которой турбинное колесо гидродинамической передачи соединено с валом трансмисся а первая - обгонной муфтой, ведоь-ий элемент которой соединен с турбинным колесом гидродинамической передачи этой цепи, и редуктором для связи ведущего элемента обгонной ivr/tH с axoвикoм.

Кроме того, каждая гидродинамическал передача представляет собой гидротрансформатор.

Кроме то го,, каждая гйд родин а,.шческай передача представляет собой гггдромуфту..

Йа фиг. 1 представлена принципиальная схема трансмиссии транспортного средства с рекуператоро1ч энергии; на фиг. 2 - г-рафик работы рекуператора; на фиг. 3 - гидромеханическая двухступенчатая коробка передач,, выполнеимая совместно с

рекуператором, на фиг. 4 - трехступенчатая гидромеханическая коробка пере,дг.ч с (рекуператором) на фиг. 5 передача с отдельно располо-кенншу рекуператором (вариант 1J; на фиг.бто же (вариант 2,);, на фиг. 7 то же (вариант 3)} на фиг,.- 8 - то же (вг,риант 4 ,f на фиг. 9 - вариант выполнения систеьш управ,пения регулятором энергии трансг ортного- средства.С коленчатым валом 1 двигателя чере§-сцепление 2 сое,пинена механическая коробка передач 3 с рекуператором 4. Выходной вал 5 коробки передач распо,ложен внутри рекуператора

4, С этим залом связана кинематическая цепь, имеющая гидродинами- i чесиут-о передачу 6, соатоящую из насосного колеса 7 и турбинного колеса 8. Турбикя,ое колесо о через вал

§j муфту 10 свободногр хода и шее- тер,ни 11, 12, 13 и 14 усв:оряющей зубчатой пефедачи связано с маховиком 15 е Маховик 15 св;,зан с валом ,5 также второй кинематической цепвю, .

-имеюшей rидpoдинa.v« чecкyю передачу 16, состоящую на насосного колеса 17 и турбинного колеса 15 Турбинное колесо 18 связано с валом 5 черезмуфту 19 свободного хода. Выходной

канал 20 вала 5 связан с ведущими колесг,мд транспортного средства.

Работа описанной зкаае тр,ансмиссии с рекулераго1эом осущсс:тБ.чяется следующим образом3 При подъезде транспортного средства, в -гастности городе кого бштобуса к остановке, в рабочую область ги,.продина.даческой передачи 6 подают рг1богую жидкость и заполняют ее. Вращаясь от ведущих,колес автобуса , вал 5 приводит во вращение на сосное кслесо 7 Крутяалй момент | с насосного колеса посредством рабочей жидкости передается ка туибняное ко.песо 8, которое черяэ ускоряющую аубчатуш передачу (шестерни 11, 12,

13 и 14 / приводит во зращеиие махояил 15, ГФЕ: этом кинетическая энергия Е тобуса преобразуется в ни-i кетическук энергию r.-i :-O3KKa, одновре менно осу1иеств,,пя,ч ,гп-дедление автобуса,

На фиг, - 3 координалах п-, t („частота вращйвия, время,) представ-,; .пена работа рекупзратора : Величина V- обоз качает частоту врашения коробни передаче В данном случае

частота враТ п

-fe - М м

щения насосного колеса Точка oj ;осГВ€;ТСТн ет началу замадления авто-ёуса При этом часто1:а вращения на сосного колеса 7 уменьшается; а частота вращения fi. турбинного колеса 8 увеличивается. В точке Ъ тур бинное колесо 8 достигает максимал ной частоты вращения также, как и маховик 15, Далее благодаря rv1yфтe 10 свободного хода маховик 15 отключается от турбинного колеса и в щается по инерции с постоянной час тотой вращения. Частота вращения т бинного колеса 8 начинает снижаться, однако благодаря опорожнению рабочей полости и первой гидродина мической передачи 6 снижение часто вращения- этого колеса далее происходит менее интенсивно, причем ndc ле опорожнения рабочей полости тур бинное колесо 8 также вращается по инерции. Для полной остановки .автобуса на конечной стадия тор1 эжения используются KOJiecHbJS тормоза, В точке с , соответству1яц1 ей останов ке автобуса, к IH Б то же время к моменту окончания торкоженин В- маховике накапливается зна чительная кинетическая энергия, а его частота вращения достигает определенной величины, например 6000 об/мин, Точка d соответствует начапу движения автобуса после остановки. Чтобы использовать кинетическую энергию маховика 15, заполняется жидкостью рабочая полость второй гидродинамической передачи 16. При этом насосное колесо 17, вра шаясь от маховика 15, приводит во вращение турбинное колесо 18, а ту бинное колесо 18 через муфту 19 св бодного хода приводит во вращение вал 5, связаяггЕгй с колесами автобу са, В результате кинетическая энерги jpaHee накопленная в маховике, используется для разгона автобуса, 3 процессе разгона автобуса частота вращения, п маховика 15 снижается, а частота вращения вала 5 и скорост автобуса увеличивается (фиг, 2L В процессе разгона мощность на ВЫХОДНОЙ вгш 5 трансмиссии передается двумя потоками от двигателя и от вращающегося маховика 15, По меЕзе замедления маховика мощность, передаваемая от маховика, уменьшается и в точке .С , где -fj П, становитс.я: равной нулю,, В д,пь нейшем турбинное колесо 16 отключается от вала 5 с помощью уфтн 19 свободного хода. В этом огучае в-зл 5 может вращаться быстрее турбинног коле.са 18 и вся мощность на выходной вал и, следовательно, на ведущие колеса передается исключительно от двигателя После отключения турбинного колеса 18 происходит также опорожнение рабочей полости гидро динамической передачи 16- чтобы исключить в длальнейшем переда-гу мощности от вращающегося маховикг- на стадии замедления автобуса. Далее происходит замедление, автобуса (точка f/ , и цикл работы рекуператора поБторяется, Особенно удобно использовать инерционный рекуператор мощности в сочетании с гидромеханическими короб- кам передач, так как в этом случае для создания давления в системе управления рекуператором можно использовать масляный насос, имеющийся в гидромеханической коробке передач , Для повьлшения эффективности работы рекуператора, снижения размеров гидродинамических передач и веса маховика 15 целесообразно применять ускоряющие зубчатые передачи между валом трансмиссий и гидродинамз1чес;кимя передачами (фиг, 3 и 4К На фиг, 4 показана гидромеханическая двухступенчатая коробка передач, выполненная совместно с ц екуператором, 3 этой гидромеханической коробке передач вторичный вал 21 связан с входным валом 22 рекуператора. Чтобы уменьшить активные диаметры гидродинамических передач, входной вал 22 рекуператора связан с промежуточным валом 23 рекуператора через ускоряющую перэдачу,, в данном случае, плгнетарную. Планетарная передача включает водило 24, коронную шестерню 25 и солнечную шестерню 26. В связи с при замедлении автобуса насосное колесо 7,-связанное с валом 23., вр.ащается быстрее выхо.цного вала, В связи с этим при относит-ельно малых размерах активного диаметра насосного колеса 7 .мо;кно реализовать ;удовлетворитёлькое замедление автобуса и накопить зкачительную энергию в маховике 15. Турбинное колесо 8 связано с маховиком 15 через ускоряю цую передачу (в данном случае планетарного типа) и включает води;1О 27, солнечную шестерню 28 и коронную шестерню 29. Для отключения турбинного колеса используется муфта 10 свободного хода. Работа этого рекуператора протекает так.же,- как описано выше. К особенностям рекуператора, иэобра.женного на фиг. 3, следует отf.c-.;.-.r:: использование в качестве гидродй.ка:,;ических передач гидротрансформаторсз , ексного типа, имеющих регкт-эр 30. Пркмгнение гидротрансформаторов( ПС сравнению с гидромуфтами, позволяет повысить эффективность рекуператора, поскольку преобразование энергии в этом случае происходит с более высоким КПД. При разгоне маховика н при его замедлеНИИ передаточное отношение гидродинамических передач изменяется от до i- 0,8 (на основных ре жимах преобразования энергии ). Сред нее значгение КПД для гидромуфты в указанном диапазоне можно принять 0,85, для гидротрансформаторов комплексного типа - 0,45 - 0,55, В связи с более высоким КПД можно принять равным О при использовании гидротрансформаторов эффективность работы рекуператора выше, чем при применении гидромуфт. Еще выше КПД может иметь место в специально разработанных .конструкциях гидротрансформаторов, включая двухтурбинные, где средний КПД в диапазоне указанных передаточных отношений 0,6-0,7. Однако применение таких конструкций усложняет конструкцию гидроддинамического привода, ввиду чего их применение не всегда Возможно, На фиг. 4 показана трехступенчатая гидромеханическая .коробка передач, предназначенная для городеких автобусов, выполненная совместн с рекуператором. Ее работа аналогич на рассмотренной выше. Особенностью является установка ускоряющей передачи 31 (в данном случае планетарного типа ) непосредственно перед на сосным колесом 7 первой планетарной передачи. Планетарная передача вклю чает водило 32, солнечную шестерню 33 и коронную шестерню 34, В результате разгон маховика производит ся в использованием ускоряющей передачи, а передача энергии с маховика на выходной вал коробки передач происходит, инyя эту передачу. Такая конструктивная схема в некоторых случаях оказывается более эффективной с точки зрения рекуперации энергии. Приведенные выше конструктивные схемы могут вызвать определенные за труднения для размещения гидродинаг«1ческих передач и маховика ввиду м лого межцентрового расстояния между валами гидромеханической коробки передач. Поэтому во многих случаях целесообразно применять зубчат передачу с отдельно встроенным реку ператором (фиг. 5, б, 7 и 8). Они включают зубчатую передачу 35, которая соединяет выходной вал 36 кор ки передач с валом 37 рекуператора, Возможно использовать различные варианты зубчатых передач. Зубчатая передача выполняется ускоряющей,- чт позволяет уменьшить размеры гидремеханических передач и маховика, и дост.аточно успешно решить компоновочные вопросы, связанные с размещением рекуператора. На фиг, 5 пека зана зубчатая передача, включающая одну пару шестерен . В и 39, На фиг, 6 показана пе}.)сдача, -клю--;ающая три шестерки 38, 40 и 41. В этом случае можно использовать млховик 15 относител1,но больших размеров, так кдк расстояние между валом 36 коробкл породат и .валом 37 рекуператора бо.ль.1е , чем на фиг. 5. ria фиг. 7 иоказанд передача, включающая четыре шестерни .38, 42, 43 и 44. Такая перед.ача позволяет реализовать еще большие возможности по подбору передаточных -чисел и также выбору расстояния между валами коро.бки передач и рекуператора лля размещения маховика соответствующих размеров. При использовании автобусных гидромеханических коробок передач приставной рекуператор -целесообразно соединить фиг, 8: через зубчатую п-еред;ачу 35, состоящую из шестерни 45, станавливаемой :-аа вторичном валу гидромеханической коро.бки передач, и шестерни 46, - В этом случае между валом 36 и валом рекуперато-. ра можно реализовать сравнительно б-ольшое расстояние, что позволяет разместит:;, маховик значительных размеров , Для управления работой гидрод1-1намических передач могут быть использ-овакы следующие способы: заполнение рс1бочих полостей под избыточHbjvi давлением с их последующим опорожнением, установка шиберных устройств в гидроггереде.чах или поворотных ло- пастей; яапрр мер в реакторе, которые г::олностью перекрывая проходи -1ыe . сеченяя в соответствующие моменты, прекращают или обеспечиБают циркуляцию рабочей жидкости в гидродинамических передачах, 3 качестве примера системы управления ре:куператором энергии предлагае-тся система (фиг, 9), Работа ее осуществляется следующим образом. Шестеренчатый масляный насос. 47 через маслоприемник 48 нагнетает рабочую жиг;кость под давлением в главную магистраль 49, Давление в этой магистрали ре1улируется при помощи -регулятора давления 50. Для включения идродиЕгак гческой передачи 6, через которую приводится во вращение маховик 15 (фиг, 1 к 3) золотник 51 устаг- авливается з крййкее правое пол-ожение„ При этом рабочая л идкоать (масло) из главной магистрали 4-9 через золотник 51 поступает в мас.лопровод 52, Далее масло заполняет рабочую полость,, при этом крутящий момент с насосного колеса 7 посредством рабсэчей ЖИТ1КОСТИ передается на турбинное колесо 8. которое через зубч;атую передачу приводит во вращение маховик 15 Через сливные калиброванные отверстия 53 часть жид.кости сливается из рабочей полости 54, однако благодаря достаточной про изводительности масляного насоса 47 рабочая полост.ь гидродинамической передачи на этом режиме заполняется полностью. Перед остановкой автобуса (точка с на фиг. 2) золотник 51 перемещается в крайнее левое положение, при этом маслопровод 32 перекрывается, и прекращается поступление масла из главной магистрали в рабочую полость. Благодаря сливным отверстиям масло под действием центробежных сил выходит из рабочей полости и последняя опорожняется. При этом масло далее через трубопровод 55 поступает в поддон рекуператора.

Для. начала движения автобуса после остановки (точка d на фиг. 2 ) . золотник 56 перемещается в крайнее левое положение. При этом из главной магистрали через золотник 56 и маслопровод 57 масло поступает в гидродинамическую передачу 16 и заполняет ее рабочую полость. Момент, возни кающий-на насосном колесе 17 в связи с замедлением маховика 15, посредством рабочей жидкости передается на турбинное колесо 18 и далее на ведущие колеса автобуса. В результате кинетическая энергия маховика используется для разгона автобуса. Когда обороты маховика снижаются (точка с на фиг. 2 /, происходит опорожнение рабочей полости гидродинамической передачи 16. Для этого золотник 56 перемещается в крайнее правое положение (фиг. 9) В результате маслопровод 57 перекрывается, и благодаря сливным отверстиям 58 рабочая полость гидродинамической передачи 16 опорожняется .

Далее, когда автобус подъезжает к остановке, опять при помощи золотника 51 происходит заполнение рабочей полости гидродинамической передачи 6, и цикл работы повторяется.

Коэффициент эффективнос±и рекуператора можно определит, следуюtiWM образом

1p t« irl2r K

10

где /ц механический КПД зубчатых передач рекуператора (принимаем 1 0,95),

5 j..- средние значения гидравлических КПД первой и второй гидродинамических передач;

- коэффициент использования

0 кинематической энергии автобуса, принимаемый fl 0,85.

При использовании гидротрансформаторов (. а2р 0,5) коэффициент

5 эффективности рекуператора равен

,.95-0,5-0,50,85 0,2 20%

Учитываем, что ,6-0,7,

0

и, где 8ц - расход топлива за цикл;

Q - расход топлива в фазе разгона.

Если принять Йр 0,06, то эко5номия топлива составляет

Эт Qpn.p 0,2 0,6 0,12 12%.

Таким образом, применение реку0ператора снижает расход топлива до 12%.

Изобретение позволяет улучшить динамику разгона, уменьшить износ тормозов, а также снизить токсичность работы двигателя.

1. РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащий маховик, связанный с валом трансмиссии транспортного средства посредством кинематической цепи, включающей в себя гидродинамическую передаотличающийся тем. чу, что, с целью повышения КПД, он снаб|Жен дополнительной кинематической цепью связи маховика с валом транс миссии, включающей в себя гидроди-намическую передачу. 2.Рекуператор по п. 1, о т я ичающий ся тем, что вторая из упомянутых кинематических цепей снабжена обгонной муфтой, посредством .которой турбинное колесо гидродинамической передачи соединено с валом трансмиссии,- а первая - обгонной муфтой, ведомый элемент которой соединен с турбинным колесом гидродинамической передачи этой цепи, и редуктором для связи ведущего элемента обгонной муфты с маховиком. 3.Рекуператор по п. 1, о т Л ич а ю ш и и с я тем, что каждая гидродинамическая передача пред- , ставляет собой гидротрансформатор. , 4.Рекуператор по п. -1, от(Л личающийся тем, что каждая .гидродинамическая передача представ:ляет собой гидромуфту. 103 7 6 8 f 4 М СО О

J b- т tJ J, ij 5 11 318 W 758 T Т 22 v:r 15 23 28 20

t

±.

. с

mJjy PC J57