СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ УБОРОЧНАЯ МАШИНА С ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ
AGRICULTURAL HARVESTER WITH AUXILIARY POWER UNIT AND INTELLIGENT POWER MANAGEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сельскохозяйственным уборочным машинам и, в частности, к уборочным машинам, содержащим двигатель внутреннего сгорания, который может быть использован для привода первичных и внешних нагрузок.
Уровень техники
Рабочая машина, такая как сельскохозяйственная рабочая машина, строительная рабочая машина или лесохозяйственная рабочая машина, как правило, содержит силовую установку в виде двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может быть либо в виде двигателя с воспламенением от сжатия (например, дизельного двигателя), либо в виде двигателя с искровым зажиганием (например, бензинового двигателя). Для наиболее тяжеловесных рабочих машин силовая установка имеет форму дизельного двигателя, который имеет лучшие характеристики перегрузки двигателя, сброса нагрузки и крутящего момента для соответствующих рабочих операций.
Характеристика ступенчатой нагрузки двигателя внутреннего сгорания в переходном состоянии после ударной нагрузки наиболее сильно зависит от рабочего объема двигателя, аппаратной части двигателя (например, наличие стандартного турбокомпрессора, турбокомпрессора с перепускным клапаном или изменяемой геометрией и т.п.), а также от стратегии программного обеспечения для управления воздушными и топливными приводами (например, рециркуляции отработавших газов, алгоритма работы турбокомпрессора с турбиной изменяемой геометрии, конфигурации топливных инжекторов, и т.п.) относительно требований законодательства по выбросам (например, видимого дыма, оксидов азота (NOx) и т.п.), шуму или вибрации. Ударная нагрузка может быть результатом нагрузки трансмиссии (например, приспособление, буксируемое за рабочей машиной) или внешней нагрузки (то есть нагрузки, не связанной с трансмиссией). Внешние нагрузки могут быть классифицированы на паразитные нагрузки и вспомогательные нагрузки. Паразитные нагрузки представляют собой не связанные с трансмиссией нагрузки, которые образуются на двигателе при нормальном режиме работы рабочей машины, без вмешательства оператора (например, нагрузка охлаждающего вентилятора двигателя, насоса контура охлаждения гидравлической жидкости и т.п.). Вспомогательные нагрузки представляют собой не связанные с трансмиссией нагрузки, образуемые на двигателе при селективном вмешательстве оператора (например, вспомогательная гидравлическая нагрузка, такая как разгрузка шнека комбайна, переднего погрузочного устройства, навесного оборудования обратной лопаты и т.п.).
Во время применения проходящей нагрузки двигательные системы как целое реагируют линейным образом. Сначала нагрузка прилагается на ведущий вал двигателя внутреннего сгорания. Скорость двигателя внутреннего сгорания понижается, когда нагрузка увеличивается. Падение скорости двигателя зависит от того, является ли регулятор изохронным или он имеет падение скорости. Путем управления воздушными приводами поток воздуха увеличивается, чтобы предоставить дополнительное количество воздуха в двигатель внутреннего сгорания. Для достижения заданного значения воздушного потока требуется некоторая временная задержка. Количество впрыскиваемого топлива, которое регулируется почти мгновенно, увеличивается относительно предела дымности отработавших газов, а также максимально допустимого количества топлива. Тогда двигатель восстанавливает заданное значение скорости двигателя. Параметрами, связанными с характеристикой ступенчатой нагрузки двигателя в переходном процессе после ударной нагрузки, являются падение скорости и время на восстановление заданной скорости двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания может быть соединен с бесступенчатой трансмиссией, которая обеспечивает переменную скорость от нуля до максимума бесступенчатым образом. Бесступенчатая трансмиссия, как правило, содержит гидростатические и механические элементы зубчатой передачи. Гидростатические элементы преобразуют мощность вращающегося вала в гидравлический поток и наоборот. Поток мощности через бесступенчатую передачу может проходить только через гидростатические элементы, только через механические элементы или через комбинацию гидростатических и механических элементов, в зависимости от строения и выводимой скорости.
В рабочей машине, содержащей двигатель внутреннего сгорания с бесступенчатой трансмиссией, может возникнуть два вида проблем. Во-первых, внезапные нагрузки на трансмиссию или гидравлические функции транспортного средства вызывают падение скорости двигателя. Время отклика, требуемое для изменения коэффициента бесступенчатой передачи для уменьшения нагрузки двигателя, больше времени, необходимого для предотвращения существенного падения скорости двигателя, а иногда и глушения двигателя. Во-вторых, когда к двигателю внутреннего сгорания прилагается внешняя нагрузка, такая как при наполнении ковша фронтального погрузчика на транспортном средстве с бесступенчатой трансмиссией, оператор может подать команду повышения скорости транспортного средства, которое существенно больше возможностей двигателя внутреннего сгорания. В этих условиях выводимый бесступенчатой трансмиссией крутящий момент и скорость могут привести к чрезмерной пробуксовке колес и другим нежелательным явлениям. Аналогично, если активируется внешняя нагрузка на трансмиссию от другой внешней функции, такой как гидравлические функции, то эта внешняя нагрузка в сочетании с нагрузочной способностью трансмиссии могут привести к перегрузке двигателя.
В течение следующего десятилетия значительно повысятся требования к производительности и экономии топлива для сельскохозяйственных машин. Для комбайнов необходимость повышения производительности будет сочетаться с добавлением других функциональных возможностей, сверх вымолота и очищения зерна. Внедрение приспособлений для сбора биомассы, измельчение стеблей для обработки остатков и тонкое измельчение соломы являются лишь некоторыми примерами использования комбайна не только для сбора зерна, но также для сбора остатков для переработки этанола или для сбора измельченных остатков для более эффективного удобрения почвы. Эти функции требуют значительных величин мощности двигателя, сверх обычной функции сбора урожая. Поскольку уровни вывода двигателя во временных рамках уровня 4 (Т4) будут ограничены, потребуются другие пути обеспечения повышения производительности, дополнительных функций и экономии топлива, чтобы обеспечить достаточную мощность для этих дополнительных функций.
В настоящее время для кукурузоуборочной приставки с интегрированной функцией измельчения стеблей блок управления двигателем выбирает кривую с более высоким крутящим моментом. Благодаря этому двигатель внутреннего сгорания вырабатывает больше мощности, чтобы компенсировать возросшую потребность в мощности для реализации функции размельчения стеблей. Это называется «Интеллектуальное Управление Энергопотреблением» или ИУЭ. В частности, вывод мощности двигателя автоматически управляется таким образом, чтобы вырабатываемое количество мощности определялось как функция от требуемого объема вымолота, передвижения и измельчения остатков. ИУЭ предоставляет возможность оператору конфигурировать комбайн посредством подходящей жатки либо с размельчением стеблей, либо без него, и трансмиссия автоматически выбирает подходящую кривую крутящего момента, чтобы предоставить достаточно мощности для обеспечения соответствующей предсказуемой производительности и хорошей экономии топлива. В случае необходимости может быть выбран вывод большей мощности, либо может быть выбрана кривая для работы без измельчения, причем без заметных различий в выработке машины. Если оператор не выполняет измельчения, то с помощью кривой меньшего крутящего момента может быть сокращено потребление топлива.
Основная проблема заключается в том, что выходная мощность доступных в настоящее время двигателей внутреннего сгорания ограничена. Поскольку комбайны становятся все больше и добавляются дополнительные функции, такие как сбор биомассы, двигатель внутреннего сгорания не сможет выработать достаточно мощности, и в результате кривую высокого крутящего момента будет невозможно выбрать. Само собой разумеется, что в этих условиях производительность комбайна будет ограничена.
Необходима сельскохозяйственная уборочная машина и соответствующий способ работы, обеспечивающий стабильную высокую допустимую мощность для выполнения дополнительных функций во время сбора урожая.
Раскрытие изобретения
В одном аспекте настоящее изобретение направлено на сельскохозяйственную уборочную машину, содержащую первичную силовую установку, выполненную с возможностью соединения с, по меньшей мере, одной первичной нагрузкой, включающей в себя нагрузку системы обмолота, вспомогательную силовую установку, которая механически независима от первичной силовой установки, причем вспомогательная силовая установка выполнена с возможностью соединения с, по меньшей мере, одним устройством обработки биомассы, независимо от нагрузки системы обмолота, первичный двигатель-генератор, механически соединенный с первичной силовой установкой, вспомогательный двигатель-генератор, механически соединенный с вспомогательной силовой установкой и выполненный с возможностью электрического приведения в действие по меньшей мере одного устройства обработки биомассы, и при этом первичный двигатель-генератор и вспомогательный двигатель-генератор электрически соединены друг с другом для передачи электрической мощности в двух направлениях.
Машина предпочтительно представляет собой сельскохозяйственный комбайн, причем нагрузка системы обмолота соответствует, по меньшей мере, одному из платформенного хедера, жатки, приемной камеры молотилки, ротора, и сепаратора.
По меньшей мере, одна первичная нагрузка предпочтительно включает в себя нагрузку продвижения.
Первичная силовая установка предпочтительно содержит первичную трансмиссию, а вспомогательная силовая установка содержит вспомогательную трансмиссию, причем каждая первичная нагрузка приводится в действие посредством первичной трансмиссии, а каждое устройство обработки биомассы приводится в действие посредством вспомогательной трансмиссии.
Машина предпочтительно представляет собой сельскохозяйственный комбайн, причем устройство обработки биомассы соответствует, по меньшей мере, одному из измельчителя стеблей на кукурузоуборочной приставке, соломоизмельчителя тонкой нарезки, нагнетателя, распределителя, и системы сбора биомассы.
Система сбора биомассы предпочтительно содержит интегрированный измельчитель и нагнетатель.
Первичная силовая установка предпочтительно имеет номинальную первичную мощность, а вспомогательная силовая установка имеет номинальную вспомогательную мощность, которая меньше номинальной первичной мощности.
Первичная силовая установка предпочтительно представляет собой первичный двигатель внутреннего сгорания, а вспомогательная силовая установка представляет собой вспомогательный двигатель внутреннего сгорания.
Машина предпочтительно содержит, по меньшей мере, одну электронную схему обработки, выполненную с возможностью избирательного соединения первичной силовой установки с, по меньшей мере, одной первичной нагрузкой, и избирательного соединения вспомогательной силовой установки с, по меньшей мере, одним устройством обработки биомассы.
Вспомогательная силовая установка предпочтительно выполнена с возможностью соединения с, по меньшей мере, одной внешней нагрузкой, причем, по меньшей мере, одна внешняя нагрузка включает в себя нагрузку, инициированную оператором.
В еще одном аспекте настоящее изобретение направлено на способ работы сельскохозяйственной уборочной машины, включающий этапы, на которых: приводят в действие нагрузку системы обмолота посредством первичной силовой установки, приводят в действие устройство обработки биомассы посредством вспомогательной силовой установки, независимо от нагрузки системы обмолота, при этом вспомогательная силовая установка механически независима от первичной силовой установки, причем первичный двигатель-генератор механически соединен с первичной силовой установкой, вспомогательный двигатель-генератор механически соединен с вспомогательной силовой установкой и выполнен с возможностью электрического приведения в действие, по меньшей мере, одного устройства обработки биомассы, и при этом первичный двигатель-генератор и вспомогательный двигатель-генератор электрически соединены друг с другом для передачи электрической мощности в двух направлениях.
Сельскохозяйственная уборочная машина предпочтительно представляет собой сельскохозяйственный комбайн, причем устройство обработки биомассы соответствует, по меньшей мере, одному из измельчителя стеблей на кукурузоуборочной приставке, соломоизмельчителя тонкой нарезки, нагнетателя, распределителя, и системы сбора биомассы.
Система сбора биомассы предпочтительно содержит интегрированный измельчитель и нагнетатель.
Сельскохозяйственная уборочная машина предпочтительно представляет собой сельскохозяйственный комбайн, причем нагрузка системы обмолота соответствует, по меньшей мере, одному из платформенного хедера, жатки, приемной камеры молотилки, ротора и сепаратора.
По меньшей мере, одна первичная нагрузка предпочтительно включает в себя нагрузку продвижения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1A и 1B представляют собой схематичные иллюстрации одного варианта осуществления сельскохозяйственной уборочной машины настоящего изобретения в виде сельскохозяйственного комбайна.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показана схематичная иллюстрация одного варианта осуществления сельскохозяйственной уборочной машины 10 настоящего изобретения. Предполагается, что уборочная машина 10 представляет собой сельскохозяйственный комбайн производства компании John Deere, но она также может представлять собой другой тип уборочной машины.
Уборочная машина 10 содержит первичную силовую установку в виде первичного двигателя 12 внутреннего сгорания и вспомогательную силовую установку в виде вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания. В проиллюстрированном варианте осуществления предполагается, что первичный двигатель 12 внутреннего сгорания и вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания представляют собой дизельные двигатели, однако они также могут являться бензиновыми двигателями, двигателями на пропане и т.п.
Первичный двигатель 12 внутреннего сгорания имеет первичную трансмиссию, как правило, содержащую выходной коленчатый вал 16, с номинальной первичной выходной мощностью, которая приводит в действие одну или более первичных нагрузок 18. Первичная нагрузка(и), приводимая в действие первичным двигателем 12 внутреннего сгорания, включает в себя два типа нагрузок, приводимых в действие трансмиссией, то есть нагрузки, связанные с гидравлическим поступательным движением 20, и нагрузки, связанные с системой 22 обмолота.
Для движущейся уборочной машины 10 бесступенчатая трансмиссия 20 в виде гидростатической трансмиссии может селективно сцепляться/расцепляться от коленчатого вала 16, и она передает движущую силу одному или более ведущим колесам (не показаны). Само собой разумеется, что в случае рабочей машины гусеничного типа, коленчатый вал 16 может быть соединен с гусеницами, соприкасающимися с землей.
Нагрузки системы обмолота обычно представляют собой нагрузки трансмиссии, связанные с очисткой и сепарацией урожая на зерновой и незерновой материал. Нагрузки системы обмолота, как правило, являются высокими нагрузками, которые связаны с одним или более из следующих: платформенного хедера; жатки; приемной камеры молотилки; ротора и сепаратора.
Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания механически независим от первичного двигателя 12 внутреннего сгорания. Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания имеет вспомогательную трансмиссию, как правило, содержащую выходной коленчатый вал 24 для приведения в действие ряда внешних нагрузок, включающих в себя одно или более устройств 26 обработки биомассы. Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания имеет номинальную вспомогательную мощность, которая равна или меньше номинальной мощности первичного двигателя 12 внутреннего сгорания. В показанном варианте осуществления предполагается, что вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания имеет номинальную вспомогательную мощность, которая меньше номинальной первичной мощности первичного двигателя 12 внутреннего сгорания. В частности, предполагается, что первичный двигатель 12 внутреннего сгорания имеет объем 13,5 л и номинальную мощность 425 кВт, а вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания имеет объем 2,4 л и номинальную мощность 56 кВт.
Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания приводит в действие одну или более внешних нагрузок, которые включают в себя одну или более вспомогательных нагрузок 28, и могут включать в себя одну или более паразитных нагрузок. Паразитные нагрузки представляют собой несвязанные с трансмиссией нагрузки, образуемые на вспомогательном двигателе 14 внутреннего сгорания во время нормального режима работы уборочной машины без вмешательства оператора (например, нагрузка электрического двигателя охлаждающего вентилятора для первичного двигателя 12 внутреннего сгорания и т.п.).
Вспомогательные нагрузки 28 представляют собой несвязанные с трансмиссией гидравлические и электрические нагрузки, образуемые на вспомогательном двигателе 14 внутреннего сгорания при селективном вмешательстве оператора. В варианте осуществления, показанном на фиг.1A и 1B, вспомогательные нагрузки 28, за исключением нагрузок устройства обработки биомассы, связаны с одним или более из следующих объектов: система обогрева и кондиционирования воздуха; привод мотовила; привод зерноочистки; воздушный компрессор для функции очистки; система освещения транспортного средства; система разгрузки очищенного зерна; привод очистительного вентилятора; привод режущего аппарата/шнека; элеватор очищенного зерна; и вспомогательная электрическая розетка.
Все эти вспомогательные нагрузки 28 (за исключением системы освещения и вспомогательной электрической розетки) обозначены как электрические нагрузки, приводимые в действие посредством соответствующих электрических двигателей (каждый из которых обозначен буквой «М»). Различные двигатели М селективно включаются посредством электронной схемы 30 (схематически показанной в виде блока), которая может включать в себя контроллер, выпрямитель и инвертор постоянного тока. Электронная схема 30 электрически соединяет вспомогательный двигатель-генератор 32 с двигателем М, связанным с выбранной вспомогательной нагрузкой 28. Очевидно, что при подаче электрической мощности на одну или более вспомогательных нагрузок 28, вспомогательный двигатель-генератор 32 работает как двигатель-генератор с выводом электрической мощности. Вспомогательные нагрузки также могут включать в себя одну или более инициированных оператором гидравлических нагрузок, обеспеченных гидравлическими насосами 40.
Несмотря на то, что это в явном виде не показано, контроллер внутри электронной схемы 30 может включать в себя первый Блок Управления Двигателем (БУД), связанный с управлением первичного двигателя 12 внутреннего сгорания, и второй БУД, связанный с управлением вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания. Очевидно, что также может быть предусмотрен общий БУД для управления работой первичного двигателя 12 внутреннего сгорания и вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания. Электронная схема 30 также может включать в себя Блок Управления Трансмиссией (БУТ) для управления работой бесступенчатой трансмиссии 20, а также Блок Управления Транспортным Средством (БУТС) для приема команд оператора и управления работой различных вспомогательных нагрузок 28.
Устройство(а) 26 обработки биомассы используется для обработки незернового материала для его возврата в поле в требуемом состоянии, либо для его дальнейшего использования, такого как, например, производство этанола или заготовка корма для скота. Устройство(а) 26 обработки биомассы может быть использовано для измельчения или размалывания незернового материала до требуемой консистенции, разброса незернового материала обратно в поле, или для перемещения незернового материала в тележку или т.п. для его дальнейшей транспортировки с поля.
Например, соломоизмельчитель, установленный на задней части комбайна, как правило, включает в себя, интегрированный измельчитель, нагнетатель и распределить, которые предназначены для возврата незернового материала обратно в поле. Измельчитель содержит ротор, расположенный внутри корпуса. Ротор несет радиально направленные ножи, которые вращаются мимо стационарных ножей, проходящих радиально внутрь от корпуса. Степень измельчения незернового материала регулируется посредством передвижения стационарных ножей радиально внутрь или наружу внутри корпуса. Измельчитель можно перевести в режим обхода путем простого перемещения стационарных ножей в положение вне корпуса, используя вращающиеся ножи в качестве нагнетателя.
В качестве еще одного примера кукурузоуборочная приставка в передней части комбайна может быть снабжена измельчителем стеблей для измельчения стеблей кукурузы до их возврата в поле. Примером кукурузоуборочной приставки является модель №612C, производимая заявителем настоящего изобретения. По существу, вращающееся лезвие расположено ниже снимающих зерна вальцов для каждого ряда. Вращающееся лезвие измельчает стебли после того, как они проходят через снимающие зерна вальцы. Вращающиеся лезвия обычно приводятся в движение посредством взаимосвязанных коробок передачи и валов.
В еще одном примере предусмотрена возможность обеспечения комбайна системой сбора биомассы в задней части комбайна для перемещения незернового материала в тележку или т.п., и для его дальнейшей транспортировки на внеплощадочный объект (например завод по производству спирта или по заготовке корма для скота). Подобная система может быть предусмотрена таким же образом, что и измельчитель силоса и устройство нагнетателя, за исключением того, что оно устраивается в задней части комбайна. Пример подобной системы сбора биомассы был построен и протестирован Университетом Штата Айова. Упомянутая система была установлена на базе комбайна 9750 STS производства John Deere с приставкой 653А для сбора всего урожая, которая собирает растение целиком. С этим примером можно ознакомиться в статье «Сбор и уплотнение биомассы» по адресу http://www.ag.iastate.edu/farms/04reports/central/BiomassHarvest.pdf.
В случае, если вспомогательный двигатель 14 не работает и для временного питания одного или более устройств 26 обработки биомассы или вспомогательных нагрузок 28 требуется электрическая мощность, можно использовать электрический аккумулятор 34, который также соединен с электронной схемой 30. Самой собой разумеется, что для обеспечения высокой емкости (ампер*час) может быть собрана группа из соединенных друг с другом аккумуляторов. Мощность аккумулятора 34 может быть использована в форме постоянного тока, либо преобразована и использована в форме переменного тока.
При наличии вышеописанного устройства обработки биомассы потребность в мощности может быть значительной. Согласно одному аспекту настоящего изобретения вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания используется для приведения в действие устройства (устройств) обработки биомассы, так что эти нагрузки не накладываются на первичный двигатель 12 внутреннего сгорания, и предотвращается его перегрузка. Устройства 26 обработки биомассы, также как и другие вспомогательные нагрузки 28, могут быть нагрузками, которые приводятся в движение электрическим или гидравлическим образом, и они могут управляться посредством электронной схемы 30. Устройства обработки биомассы могут иметь жесткую проводную связь с электронной схемой 30, вспомогательным двигателем-генератором 32 и/или аккумулятором 34, или, в качестве альтернативы, они могут быть соединены посредством модульных соединителей или разъемов (например, посредством одного или более электрических разъемов, показанных на фиг.1A).
Кроме того, устройства обработки биомассы могут быть приведены в действие на той же скорости, что и первичный двигатель 12 внутреннего сгорания, либо на другой скорости. Это позволяет выполнять функции обработки биомассы на скорости, отличной от скорости функций обмолота и передвижения, что может быть важно для определенных рабочих условий, таких как при работе вечером, когда жесткость продукта урожая повышается.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения первичный двигатель 12 внутреннего сгорания может быть соединен с первичным двигателем-генератором 36. Первичный двигатель-генератор 36 и вспомогательный двигатель-генератор 32 электрически соединены вместе, как показано посредством электрических линий 38 передачи. Это обеспечивает возможность Интеллектуальному Управлению Энергопотреблением разделять потребности в мощности между первичным двигателем 12 внутреннего сгорания и вспомогательным двигателем 14 внутреннего сгорания. Электрическая мощность может быть передана от первичного двигателя-генератора 36 во вспомогательный двигатель-генератор 32 и, наоборот, в зависимости от потребностей в мощности, связанных с первичными нагрузками 18 или внешними нагрузками 28.
В вышеописанном варианте осуществления первичный двигатель 12 внутреннего сгорания напрямую приводит в действие только нагрузки, связанные с передвижением, и нагрузки системы обмолота. Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания приводит в действие внешние нагрузки, включающие в себя нагрузки устройств 26 обработки биомассы и другие вспомогательные нагрузки 28. Тем не менее, в зависимости от размера и конфигурации двигателей 12 и 14 внутреннего сгорания, может быть желательным приводить в движение, по меньшей мере, некоторые внешние нагрузки, отличные от устройств обработки биомассы, посредством первичного 12 двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, для некоторых приложений может быть желательным приводить в действие одно или более устройств обработки биомассы посредством первичного двигателя 12 внутреннего сгорания. В любом случае, достаточная доля устройств 26 обработки биомассы и при необходимости других вспомогательных нагрузок 28 приводится в действие посредством вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания, так что во время работы первичный двигатель 12 внутреннего сгорания не попадает в состояние перегрузки.
Очевидно, что в рамках объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения, могут быть выполнены различные изменения.