СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ РАСХОДА ТОПЛИВА ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С СИСТЕМОЙ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MINIMISE FUEL CONSUMPTION OF AUTOMOTIVE ICE WITH POWER ACCUMULATION SYSTEM AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области использования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в машинах и машинных агрегатах различного назначения, использующих накопители энергии, в частности, применительно к транспортным средствам (ТС) для перевозки грузов и пассажиров.
Энергетическая эффективность этих устройств достигается за счет использования в энергетической цепи ДВС - движитель буферных накопителей энергии, стабилизирующих работу ДВС при изменении нагрузочных режимов на ведущих колесах во время движения ТС.
Известны способы [1, 2] минимизации удельного расхода топлива ДВС транспортного средства с электромеханической трансмиссией, на которых в качестве буферного накопителя энергии используются химические источники тока (аккумуляторы) или конденсаторные батареи.
Известен способ [3, 4] выравнивания нагрузки на приводном валу ДВС за счет инерционного накопителя механической энергии (маховичный привод).
Как тот, так и другой способ имеют свои преимущества и недостатки.
Первый способ (накопитель электрической энергии)
Недостатки:
1) требуются дорогостоящие электрохимические источники тока или суперконденсаторы; стоимость батареи накопителей возрастает пропорционально ее емкости и может составлять более половины стоимости электрифицированного ТС;
2) недостаточная надежность накопителей энергии данного вида и, соответственно, значительные затраты на ремонт ТС при выходе их из строя;
3) конструктивно сложнее решается вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.
Преимущества:
1) идеально реализуется управление движителем ТС за счет наличия электромеханической трансмиссии, снабженной тяговым управляемым электродвигателем;
2) устраняется потребность в механических или гидромеханических устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;
3) надежно обеспечивается процесс рекуперации энергии в накопитель как при торможении транспортного средства, так и при движении его под уклон;
4) обеспечивается возможность управления величиной емкости накопителя энергии [2].
Второй способ (маховичный накопитель)
Недостатки:
1) увеличенная масса механической части привода, которая при заданной частоте вращения возрастает пропорционально моменту инерции маховика;
2) сохраняется потребность в устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;
3) очень сложно реализовать процесс рекуперации энергии путем передачи ее обратно маховику при торможении ТС (для передачи потока мощности в обратном направлении необходимо установить повышающий редуктор, включающийся строго на начальный момент торможения); практически возврат энергии на раскрутку маховика можно обеспечить только при движении транспортного средства под уклон.
Преимущества:
1) дешевизна конструкции;
2) высокая надежность;
3) идеально решается вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.
Предлагаемая комбинированная система имеет все положительные свойства, характерные для каждого прототипа в отдельности, и соответственно, свободна от недостатков прототипов, что определяет новизну и эффективность данного технического решения. Способов и устройств, обеспечивающих совместное функционирование накопителей первого и второго вида, не обнаружено, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствия существенные отличия.
Целью изобретения является повышение энергоэффективности (КПД) ДВС при работе его на транспортных средствах в условиях постоянно изменяющихся нагрузочных режимов.
Цель достигается тем, что комбинированная система реализует все положительные качества существующих накопителей энергии:
1) снижается стоимость электрохимических накопителей энергии (примерно в два раза), так как около половины (и даже более) накапливаемой энергии запасается в маховике;
2) сохраняется электромеханическая трансмиссия с тяговым управляемым электродвигателем, что исключает потребность в устройствах, регулирующих передаточное отношение трансмиссии;
4) надежно обеспечивается процесс рекуперации энергии в накопители и при торможении транспортного средства, и при движении его под уклон;
5) обеспечивается возможность управления величиной емкости накопителя энергии;
6) идеально решается вопрос повторного запуска ДВС в режимах кратковременного отключения-включения.
В конечном итоге за счет указанных преимуществ снижается стоимость конструкции, повышаются ее энергетическая эффективность и надежность.
Последнее свойство особенно полезно в условиях экстремальной эксплуатации ТС, поскольку оно сохраняет на определенное время способность к передвижению при выходе из строя одного (и даже двух) важнейших компонентов системы: ДВС, связанного с ним мотор-генератора, любого из двух накопителей энергии (один из накопителей энергии при выходе из строя ДВС должен функционировать).
На фиг.1 показано устройство для реализации данного способа.
Устройство включает в себя: ДВС 1, соединительную управляемую электромагнитную муфту 2, накопитель (Н-1) 3 маховикового типа, электромотор-генератор (ЭМГ-1) 4, химический (или конденсаторный) накопитель (Н-2) 5 энергии, электромотор-генератор (ЭМГ-2) 6, механическую трансмиссию 7, движитель 8, механическое тормозное устройство 9, систему управления (СУ) 10, механизм управления топливоподающим рабочим органом (ТПРО)11.
Заявленный способ реализуется с помощью представленного устройства.
Работа устройства характеризуется тремя состояниями.
Состояние 1 - запуск системы.
0
Водитель подает в систему управления (СУ) сигнал h1 на запуск ДВС 1, в результате чего электроэнергия от накопителя 5 поступает на электромотор-генератор 4. Последний, работая в режиме двигателя, раскручивает маховичный накопитель 3 до заданной (минимально необходимой для запуска ДВС) частоты ω вращения, по достижении которой СУ подает команду на плавное включение управляемой электромеханической муфты 2 и крутящий момент от маховика 3 через муфту 2 передается на вал ДВС 1. Одновременно СУ подает сигнал на включение ТПРО 10, в результате чего заводится ДВС 1. ДВС начинает раскручивать маховик 5 и жестко соединенный с последним вал ЭМГ-1 4, который в этот момент переключается в режим генерации электрической энергии.
Состояние 2 - работа системы при движении ТС.
Водитель подает в СУ сигнал h2 на управление тяговым электромотором ЭМГ-2 6, который через трансмиссию 7 сообщает крутящий момент движителю (колесу) 8 и ТС приводится в движение. ЭМГ-2 имеет возможность получать питание как от накопителя Н-2 (аккумуляторной батареи), так и непосредственно от ЭМГ-1 (работающего в режиме генератора), допускается также совместная работа указанных источников электроэнергии на тяговый электромотор ЭМГ-2.
max
min
min
При движении ТС по горизонтальному участку пути на малых и средних скоростях ЭМГ-2 получает питание только от накопителя Н-2, степень «заряженности» которого определяется величиной напряжения на клеммах: U - максимальное и U минимальное напряжение. Как только напряжение на клеммах накопителя Н-2 снижается до значения U, СУ вырабатывает сигнал на включение обмотки возбуждения ЭМГ-1, который начинает вырабатывать электроэнергию на два потребителя: ЭМГ-2 и Н-2.
max
Если ЭМГ-2 не потребляет энергию (ТС стоит на месте или движется по инерции), то вся энергия от ЭМГ-2 передается на Н-2, который принимает заряд до полной емкости, то есть до момента достижения напряжения U, после чего ЭМГ-1 прекращает работу (возбуждение отключается).
При работе ЭМГ-2 на больших нагрузках (при движении ТС на повышенных скоростях или на подъем) тяговый электродвигатель получает питание как от Н-2, так и от ЭМГ-1.
max
min
0
В свою очередь ЭМГ-1 получает механическую энергию от выходного вала маховичного накопителя Н-1. Частота вращения последнего (а соответственно и ЭМГ-1) контролируется системой управления (СУ) в заданных пределах: ω - максимальное, ω - минимальное значение. Максимальная частота может устанавливаться в пределах частоты работы ДВС (наиболее желаемое значение частоты вращения, при которой ДВС имеет наибольший крутящий момент, а следовательно, и наибольший КПД). Минимальная частота определяется устойчивостью работы ДВС и не должна быть ниже ω. При этом учитывается также и характеристики ЭМГ-1, а именно его способность генерировать электроэнергию с заданными параметрами, что зависит от частоты вращения ротора.
min
min
max
В начальный момент ЭМГ-1 получает механическую энергию, которая была запасена маховичным накопителем Н-1. По мере расхода этой энергии потребителями частота вращения маховика снижается до порогового значения ω. В этот момент СУ подает сигнал на включение электромагнитной муфты 2, ТПРО 10 в результате ДВС, раскрученный до частоты ω, включается в работу и начинает разгонять маховик вплоть до заданного максимального значения частоты ω. После чего муфта 2 и ТПРО 10 снова отключаются и ДВС останавливается.
max
max
Особенностью работы ДВС в рассматриваемой системе является то, что ТПРО всегда обеспечивает максимальную подачу топлива, то есть ДВС работает только на внешней скоростной характеристике, где достигается минимальный удельный расход топлива. Кроме того, ω может выбираться водителем с учетом скоростного и нагрузочного режима движения ТС. Очевидно, что чем больше потребляемая мощность ЭМГ-2, которая зависит от дорожных условий и стиля вождения водителя, тем больше устанавливается величина ω.
Состояние 3 - работа системы в режиме рекуперации и торможения.
max
max
При начальном периоде включения водителем тормозной системы (плавное нажатие на педаль тормоза) с целью торможения и остановки ТС (или с целью замедления ТС, движущегося под уклон) в СУ поступает сигнал h3, действие которого обеспечивает перевод ЭМГ-2 в режим генератора. Вырабатываемая последним электроэнергия передается в управляемый по принципу разделения (объединения) элементов (см. [2]) накопитель Н-2. Когда рекуперация в накопитель Н-2 становится невозможной (достигается предельное напряжение U), электроэнергия, вырабатываемая ЭМГ-2, направляется на ЭМГ-1, при этом СУ обеспечивает работу последнего в режиме двигателя. ЭМГ-1 начинает раскручивать маховик, отключенный от ДВС, (рекуперируя в него механическую энергию). Это может быть достигнуто только в пределах частоты вращения маховика, не превышающих ω. После чего возбуждение ЭМГ-1 и ЭМГ-2 отключается, и на этом электродинамическое торможение ТС заканчивается.
Если водитель продолжает удерживать педаль тормоза, то возникает сигнал h4, который включает механическое тормозное устройство 9, и ТС останавливается.
Использование данного способа и устройства увеличивает эффективность работы ДВС особенно при движении ТС в режиме частых разгонов-торможений транспортного средства (движение ТС в городе). Это обеспечивается в первую очередь за счет того, что: 1) ДВС работает только на внешней скоростной характеристике; 2) при наличии двух накопителей энергии и совместной их работе увеличивается объем рекуперируемой энергии торможения ТС; 3) надежный запуск ДВС от маховика исключает режим холостого хода ДВС при отсутствии на нем нагрузки (что не характерно для прототипов).
Литература
1. Патент №2338081 РФ, МПК F02D 17/04, F02D 41/30. Опубл. в БИ №31 10.11.2008
2. Патент №2418185 РФ, МПК F02D 41/04, B60W 10/10. Опубл. в БИ №13 10.05.2011.
3. Гулиа, Н.В. Накопители энергии / Н.В. Гулиа. - М.: Наука, 1980. - 152 с.
4. Патент №2033560 РФ, МПК F03G 3/00, F16F 15/30. Опубл. 20.04.1995.