Гибридная энергетическая установка транспортного средства

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и может использоваться в автономных транспортных средствах и стационарных энергетических установках. Применение на транспортном средстве данной энергетической установки позволяет обеспечить работу двигателя в оптимальном режиме, снизить затраты на топливо и выбросы газов в атмосферу. Сущность изобретения: при включении двигателя 4 вращение передается от коленчатого вала через муфту сцепления 3 на обгонную муфту 2, далее на конический суммирующий редуктор 1. Через паразитные шестерни 1а и 1б передача идет на супермаховики, которые накапливают энергия и вращаясь в противоположные стороны, устраняют гироскопический эффект. Затем через шестерню 1в с полым валом, вращение передается на статор генератора 11. Ротор генератора 12 вращается шестерней 1г со сплошным валом. Встречное движение ротора 12 и статора 11 при скоростях их вращения вдвое меньшей обеспечивают подачу электроэнергии на пуль управления 9, далее на аккумуляторы 13 и двигатель постоянного тока (мотор-генератор) соединенный с дифференциалом заднего моста 15. При торможении в работу вступает муфта 3.1, расцепляя вал механизма «маховики-редуктор-генератор» и вал ведущий к колесам. Положительный результат: повышение экономичности транспортных средств за счет обеспечения оптимальной работы двигателя и повышение степени использования его мощности, путем двойного накопления энергии, в виде энергии в аккумуляторе и вращающихся маховиках. А также достижение эффекта накопления энергии на спусках и сокращения эксплуатационных затрат на поддержание накопителей энергии в рабочем состоянии. При снижении скорости вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) меньше скорости вращения маховиков, обгонная муфта отключает трансмиссию ДВС, и транспортное средство движется на энергии маховиков и аккумуляторов. В это время ДВС работает на холостом ходу, либо просто отключается. Обеспечение минимальных габаритов при размещении гибридного двигателя на автомобиле.

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к автомобилям с гибридными установками и накопителями энергии.

Целью полезной модели является повышение экономичности транспортных средств за счет обеспечения оптимальной работы двигателя и повышение степени использования его мощности, путем двойного накопления энергии, в виде энергии в аккумуляторах и вращающихся маховиках. А также достижение эффекта «сохранения энергии» на спусках и сокращения эксплуатационных затрат на поддержание накопителей энергии в рабочем состоянии. Обеспечение минимальных габаритов гибридного двигателя при размещении на шасси автомобиля.

В настоящее время известно большое количество транспортных средств с гибридными энергетическими и силовыми установками. Из известных аналогов можно выделить два.

Первая конструкция (патент RU 2132784 С1, дата публикации 1999.07.10), содержащая гибридную силовую установку, которая состоит из двигателя внутреннего сгорания с устройством изменения его литража и числа работающих цилиндров и стартера - генератора. Силовой установкой управляет микропроцессор, который получает сигналы от токорегулирующих устройств. Последние сопряжены соответственно с педалями систем управления и торможения.

Известен другой аналог (патент RU 2007305 С1, дата публикации 1994.02.15), состоящий из теплового двигателя, связанного с заполненной топливом емкостью, трехфазный генератор, сочлененный с тепловым двигателем, тяговые электродвигатели, подключенные к генератору через преобразователь переменного напряжения в постоянное и накопителя энергии. Накопитель выполнен сверхпроводниковым индуктивным, преобразователем напряжения - обратимым, а между выводами накопителя и входом генератора включен трехфазный криотронный преобразователь. При этом накопитель и криотронный преобразователь установлены в криостате, размещенном в емкости с топливом, в качестве которого использован сжиженный газ. Выводы криотронного преобразователя связаны с внешним источником электрической энергии через переключатель.

Недостатками этих силовых установок являются сложность конструкции, из-за чего могут возникнуть трудности при ее эксплуатации, а также низкая долговечность и ремонтопригодность некоторых составляющих.

В качестве прототипа заявленного устройства выбрана гибридная силовая установка, сконструированная на предприятии «Ижмаш» на базе «Орбиты», за основу взят универсал ИЖ -21261 (журнал «За рулем» 5, 1998 г., статья «Два мотора под одним капотом»). Конструкция состоит из двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, параллельно соединенного через выходной вал с мотор-генератором, в качестве которого выступает тяговый электродвигатель постоянного тока, вращающий момент передается через редуктор, а накопителями энергии служат восемь стандартных аккумуляторов.

Недостатками прототипа являются невысокий КПД электрических аккумуляторов, используемых в качестве накопителей энергии, и невозможность накопления энергии на спусках и при торможении.

Устройство гибридной энергетической установки транспортного средства поясняется чертежом. На фигуре 1 показана схема энергетической установки транспортного средства. Установка содержит двигатель внутреннего сгорания 4, коленчатый вал с обгонной муфтой 2, две муфты сцепления 3 и 3а, дифференциальный конический редуктор 1, супермаховики 5 в кожухах 7, магнитно-электрический генератор, включающий статор 11 с токосъемником статора 10 и ротор 12 с токосъемником ротора 8, несколько аккумуляторов 13, двигатель постоянного тока (мотор-генератор) 14, пульт управления 9, все элементы заключены в корпус установки 6.

При включении двигателя внутреннего сгорания 4 вращение передается от коленчатого вала через муфту сцепления 3 на обгонную муфту 2, далее на дифференциальный конический редуктор 1. Через паразитные шестерни 1а и 1б передача идет на супермаховики 5, которые вращаются в противоположные стороны, устраняя гироскопический эффект. Затем через шестерню 1в с полым валом, вращение передается на статор генератора 11. Ротор генератора 12 вращается шестерней 1г со сплошным валом. Встречное движение ротора и статора магнитно-электрического генератора при вдвое меньшей скорости вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания обеспечивает номинальную подачу напряжения на пульт управления 9 и далее на аккумуляторы 13. Таким образом, происходит двойное накопление энергии. В виде энергии вращающихся маховиков и энергии в аккумуляторах. В случае если необходимо затормозить или остановиться предусмотрен специальный механизм торможения, при нажатии педали «тормоз», на валу одновременно расцепляются две муфты (3 и 3а), что переводит в автономный режим работы механизм «маховики-редуктор-генератор» при этом дифференциал привода на колеса не соединен с двигателем внутреннего сгорания, что не препятствует работе супермаховиков и двигателя постоянного тока. Обгонная муфта 3 при снижении скорости вращения двигателя внутреннего сгорания или при его полной остановки отсоединяет дифференциальный редуктор от коленчатого вала, тем самым движение автомобиля может продолжаться за счет энергии супермаховиков и электрохимических аккумуляторов. Система управления включает пульт управления 9, через который осуществляется не только координация работы энергетической установки, но и включение в нее аккумуляторов.

За счет применения специальных магнитных подвесов супермаховиков можно свести к минимуму потери энергии от трения в опорах, снижающих затраты энергии на раскрутку супермаховиков и уменьшающих нагрузку в соединениях вал-подшипник дифференциального редуктора. Суть данного метода в том, что над маховиком с определенным зазором по радиусу устанавливаются постоянные магниты, которые притягивают его к себе, уменьшая вес супермаховика. Мощность двигателя используется в основном для поддержания равномерного движения автомобиля, а для резких разгонов "одалживается" энергия супермаховика, который потом подкручивается на участках равномерного движения. Преимущество супермаховика в том, что он может мгновенно развивать огромную мощность. Еще супермаховик может работать рекуператором энергии: когда машина тормозит, ее кинетическая энергия не теряется, а тратится на раскрутку супермаховика. На стоящем автомобиле с выключенным двигателем супермаховик может по инерции вращаться 10-12 часов. Это облегчит зимние пуски двигателя - если аккумулятор садится после двух - трех попыток провернуть загустевшее масло, то энергии, запасенной в супермаховике, с избытком хватит на запуск нескольких двигателей. Вместе с тем электрохимический аккумулятор хранит энергию в основном гораздо дольше маховиков. При совместном применении в автомобиле эти два аккумулятора образуют отличный "симбиоз". При движении по ровной дороге с обычной скоростью используется энергия электроаккумуляторов, а когда их мощности недостаточно, вступает в работу супермаховик, обеспечивая необходимые динамические качества.

По сравнению с прототипом предложенная энергетическая установка транспортного средства обладает следующими технико-экономическими преимуществами.

Двигатель внутреннего сгорания используется только для раскрутки маховиков и накопления энергии в электрохимических аккумуляторах, в последующем он выступает как источник энергии в необходимых случаях.

По сравнению с изобретением US 3403066 (03.02.1970) отсутствуют турбозарядное устройство и механическая коробка передач, роль которой, в заявленной модели, выполняет пульт управления, чем обеспечивается облегчение конструкции и плавное наращивание (уменьшение) скорости движения автотранспорта.

Повышается степень использования мощности двигателя за счет добавления механического накопителя энергии с более высоким КПД, появляется возможность накопления энергии, а также сокращается время и путь разгона транспортного средства, и его расход топлива. Появляется возможность двигаться по ровной дороге и на спусках при неработающем двигателе внутреннего сгорания. То есть, сокращается время работы двигателя, тем самым уменьшаются выбросы отработанного газа в атмосферу.

1. Энергетическая установка транспортного средства, состоящая из двигателя внутреннего сгорания, обгонной муфты, двух муфт сцепления на валу, дифференциального конического редуктора, двух супермаховиков, магнитно-электрического генератора, электрохимических аккумуляторов, двигателя постоянного тока (мотор-генератор) и пульта управления, отличающаяся тем, что содержит два супермаховика, имеющих магнитный подвес, снижающих затраты энергии на их раскрутку и уменьшающих нагрузку в соединенях вал-подшипник дифференциального редуктора, при этом дифференциал привода на колеса не соединен с двигателем внутреннего сгорания, что не препятствует работе супермаховиков и двигателя постоянного тока.

2. Энергетическая установка транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что встречное движение ротора и статора магнитно-электрического генератора обеспечивает номинальную подачу напряжения при вдвое меньшей скорости вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, чем у прототипа.

3. Энергетическая установка транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрен специальный механизм торможения: на валу одновременно расцепляются две муфты, что переводит в автономный режим работы механизм «маховики-редуктор-генератор», тем самым достигается эффект накопления энергии, и маховики не вращают вал и не препятствуют быстрому торможению.

4. Энергетическая установка транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что обгонная муфта при снижении скорости вращения двигателя внутреннего сгорания или его полной остановки отсоединяет дифференциальный редуктор от коленчатого вала, тем самым движение автомобиля может продолжаться за счет энергии супермаховиков и электрохимических аккумуляторов.

5. Энергетическая установка транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что двигатель внутреннего сгорания используется только для раскрутки маховиков и накопления энергии в электрохимических аккумуляторах, в последующем выступает как источник энергии в необходимых случаях.

6. Энергетическая установка транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что отсутствует турбозарядное устройство и механическая коробка передач, роль которой выполняет пульт управления, чем обеспечивается облегчение конструкции и плавное наращивание (уменьшение) скорости движения автотранспорта.