Способ управления дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором и устройство для его реализации
METHOD OF CONTROLLING DIESEL-ELECTRIC UNIT WITH FLYWHEEL BATTERY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области транспортных машин, таких как гибридные силовые установки с ДВС и электромобили, а также к устройствам для осуществления указанной технологии.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны способ управления рекуперацией энергии машины и устройство для его осуществления (патент РФ на изобретение №2488502 «Способ управления рекуперацией энергии машины и устройство для его осуществления», зарегистрированный 27 июля 2013 г. [1]), который заключается в изменении передаточного отношения вариатора, находящегося в кинематической цепи между трансмиссией транспортной машины и маховиком, отличающийся тем, что обеспечивается постоянное суммарное значение кинетической энергии трансмиссии машины и маховика по оптимальной зависимости, позволяющий в цикле движения транспортной машины обеспечивать частичное сохранение накопленной кинетической энергии в маховике при полном отключении дизеля на холостом ходу и в режиме торможения машины, заключающийся в том, что непосредственный обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины реализуется дифференциальным механизмом, который последовательно соединяет трансмиссию машины, коробку передач, маховик, сцепление и дизель; причем при торможении транспортной машины производят выключение дизеля с одновременным выключением сцепления, чем и сохраняют начальную скорость вращения маховика, равную скорости вращения перед торможением и, тем самым, сохраняют в маховике часть накопленной кинетической энергии; причем накопленная кинетическая энергия в маховике обеспечивает запуск и разгон дизеля.
Однако оптимальная зависимость изменения передаточного отношения вариатора приведена только для рекуперации энергии в режимах торможения, осуществляемых в механической системе в кинематической цепи между трансмиссией транспортной машины и маховиком. В дизель-электрических агрегатах, где энергия трансформируется с помощью электрических машин, эта зависимость и принцип управления применимы лишь частично. Поэтому по известному способу работы оптимальная зависимость изменения передаточного отношения вариатора и полная рекуперация энергии торможения невозможна во всех режимах, особенно в режимах движения под уклон при отсутствии силы сопротивления.
Известно устройство рекуперации энергии торможения (патент РФ на изобретение №2453749 «Устройство рекуперации энергии торможения», зарегистрированный 20 июня 2012 г. [2]), которое включает неподвижный корпус, дизель, сцепление, маховичный аккумулятор, планетарный дифференциал с двумя степенями свободы с тремя валами, коробку передач и трансмиссию с ведущими колесами, соединенные механически.
В дизель-электрическом агрегате известное устройство не может рекуперировать полностью энергию торможения в маховик, так как в нем происходит лишь частичное преобразование части механической энергии торможения, а энергия при движении транспортной машины под уклон не может быть реализована и запасена в маховике. Управление потоком энергии в маховик и обратно осуществляется через планетарный дифференциал с двумя степенями подвижности w=2, состоящий из двух центральных зубчатых колес (из которых одно центральное зубчатое колесо с внутренним зубом называется эпициклом, а другое центральное зубчатое колесо с внешним зубом называется солнечной шестерней), а также из водила и сателлита, расположенного на водиле и находящегося в зацеплении с двумя центральными зубчатыми колесами..
В известных устройствах [1, 2] в маховике запасается только часть энергии торможения при снижении скорости движения, а энергия при движении транспортной машины под уклон не может быть реализована и запасена в маховике. Не может быть реализована и запасенная энергия в маховике на преодоление сил полезного сопротивления движению при движении с постоянной скоростью. Таким образом при известном соединении элементов системы управления [1, 2] в дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором невозможно создание системы автоматического управления на принципах самовыравнивания кинетической энергии маховика и трансмиссии транспортной машины, что снижает ее экономичность.
Недостатками известных устройств является то, что ими не обеспечивается полная без потерь рекуперация энергии торможения на всех режимах движения машины, включая движение транспортной машины под уклон с постоянной скоростью, не обеспечивается отключение одного из двигателей - дизеля или тяговой обратимой электрической машины.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание таких способа и устройства, которые обеспечили бы полную рекуперацию энергии торможения путем автоматической работы на любых режимах движения транспортной машины, включая движение под уклон с постоянной скоростью отключением одного из двигателей - дизеля или тяговой обратимой электрической машины, а также путем переключения обратимых электрических машин в режим электродвигателя или электрогенератора.
Известен способ управления дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором, позволяющий в цикле движения транспортной машины обеспечивать частичное сохранение накопленной кинетической энергии в маховике при полном отключении дизеля на холостом ходу и в режиме торможения машины, заключающийся в том, что непосредственный обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины реализуется дифференциальным механизмом, который последовательно соединяет трансмиссию машины, коробку передач, маховик, сцепление и дизель; причем при торможении транспортной машины производят выключение дизеля с одновременным выключением сцепления, чем и сохраняют начальную скорость вращения маховика, равную скорости вращения перед торможением и, тем самым, сохраняют в маховике часть накопленной кинетической энергии; причем накопленная кинетическая энергия в маховике обеспечивает запуск и разгон дизеля.
Полная рекуперация энергии торможения на любых режимах движения транспортной машины возможна только при использовании не только принципа автоматического управления Уатта-Ползунова по отклонению, но и использования принципа Понселе [3] без измерения отклонения от заданного значения текущей скорости. Такое соединение планетарного дифференциала с двумя двигателями обеспечивает снижение потерь кинетической энергии при торможении на любых режимах движения транспортной машины, включая движение под уклон с постоянной скоростью, а также отключение одного из двигателей - дизеля или тягового электродвигателя дизель-электрического агрегата, и еще путем переключения обратимых электрических машин в режим электродвигателя или электрогенератора.
Предлагается способ управления дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором, отличающийся тем, что в дизель-электрическом агрегате с маховичным аккумулятором обеспечивается механическое отключение как дизеля, так и тяговой обратимой электрической машины, выполняющей функции как электродвигателя, так и электрогенератора, с возможностью его обмена энергии с маховичным аккумулятором при помощи управляющей обратимой электрической машины и дифференциального механизма, обеспечивая возможность движения транспортной машины как с помощью только дизеля, так и с помощью только тяговой обратимой электрической машины, работающей в режиме электродвигателя, питаемого от маховичного аккумулятором при помощи управляющей обратимой электрической машины, работающей в режиме электрогенератора, причем при торможении транспортной машины производят выключение дизеля с одновременным выключением сцепления и осуществляют рекуперацию энергии торможения транспортной машины в маховичный аккумулятор при помощи управляющей обратимой электрической машины, работающей в режиме электродвигателя, и тяговой обратимой электрической машины, работающей в режиме электрогенератора и снабжающей электроэнергией управляющую обратимую электрическую машину.
Предлагается также способ управления дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором, отличающийся тем, что обеспечивается возможность движения транспортной машины одновременно и с помощью дизеля, и с помощью тяговой обратимой электрической машины, работающей в режиме электродвигателя и с помощью управляющей обратимой электрической машины, работающей в режиме электрогенератора, обеспечивая механическое отключение как дизеля, так и тяговой обратимой электрической машины, выполняющей функции как электродвигателя, так и электрогенератора, с возможностью его обмена энергии с маховичным аккумулятором при помощи управляющей обратимой электрической машины и дифференциального механизма.
Существенные признаки предлагаемого способа, которые совпадают с признаками известного, заключаются в том, что они позволяют в цикле движения транспортной машины обеспечивать частичное сохранение накопленной кинетической энергии в маховике при полном отключении дизеля на холостом ходу и в режиме торможения машины при снижении скорости.
Существенное отличие предлагаемого способа от известного заключается в том, что он обеспечивает полную рекуперацию энергии не только при торможении со снижением скорости транспортной машины, но и при движении с постоянной скоростью. Таким образом, существенное отличие предлагаемого способа от известного приводит к появлению новых свойств у предлагаемого способа, связанных с автоматическим управлением рекуперации энергии вне зависимости от скорости вращения маховика и скорости движения транспортной машины.
Способ управления дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором, позволяющий в цикле движения транспортной машины обеспечивать частичное сохранение накопленной кинетической энергии в маховике при полном отключении дизеля на холостом ходу и в режиме торможения машины, заключается в том, что непосредственный обмен кинетической энергии между маховиком и трансмиссией машины реализуется дифференциальным механизмом, который последовательно соединяет трансмиссию машины, коробку передач, маховик, сцепление и дизель; причем при торможении транспортной машины производят выключение дизеля с одновременным выключением сцепления, чем и сохраняют начальную скорость вращения маховика, равную скорости вращения перед торможением и, тем самым, сохраняют в маховике часть накопленной кинетической энергии; причем накопленная кинетическая энергия в маховике обеспечивает запуск и разгон дизеля, отличается тем, что в дизель-электрическом агрегате с маховичным аккумулятором обеспечивается механическое отключение как дизеля, так и тяговой обратимой электрической машины, выполняющей функции как электродвигателя, так и электрогенератора, с возможностью его обмена энергии с маховичным аккумулятором при помощи управляющей обратимой электрической машины и дифференциального механизма, обеспечивая возможность движения транспортной машины как с помощью только дизеля, так и с помощью только тяговой обратимой электрической машины, работающей в режиме электродвигателя, питаемого от маховичного аккумулятором при помощи управляющей обратимой электрической машины, работающей в режиме электрогенератора, причем при торможении транспортной машины производят выключение дизеля с одновременным выключением сцепления и осуществляют рекуперацию энергии торможения транспортной машины в маховичный аккумулятор при помощи управляющей обратимой электрической машины, работающей в режиме электродвигателя, и тяговой обратимой электрической машины, работающей в режиме электрогенератора и снабжающей электроэнергией управляющую обратимую электрическую машину.
Способ управления дизель-электрическим агрегатом с маховичным аккумулятором, отличающийся также тем, что обеспечивается возможность движения транспортной машины одновременно и с помощью дизеля, и с помощью тяговой обратимой электрической машины, работающей в режиме электродвигателя, и с помощью управляющей обратимой электрической машины, работающей в режиме электрогенератора, обеспечивая механическое отключение как дизеля, так и тяговой обратимой электрической машины, выполняющей функции как электродвигателя, так и электрогенератора, с возможностью его обмена энергии с маховичным аккумулятором при помощи управляющей обратимой электрической машины и дифференциального механизма.
Известен дизель-электрический агрегат с маховичным аккумулятором, включающим неподвижный корпус, дизель, сцепление, маховичный аккумулятор, планетарный дифференциал с двумя степенями свободы с тремя валами, коробку передач и трансмиссию с ведущими колесами, соединенные механически [1, 2].
Недостатками известных дизель-электрических агрегатов с маховичным аккумулятором является то, что они не обеспечивают без потерь полной рекуперации энергии на любых режимах движения транспортной машины. Полная рекуперация энергии на любых режимах движения транспортной машины возможны только при соединении дизеля и/или тяговой обратимой электрической машины с помощью планетарного дифференциала, который образует механический регулятор прямого действия, работающий по принципу Понселе [3] без измерения отклонения от заданного значения текущей скорости. Такое соединение планетарного дифференциала с двумя двигателями обеспечивает снижение потерь кинетической энергии при торможении на любых режимах движения транспортной машины, включая движение под уклон с постоянной скоростью, а также отключением одного из двигателей - дизеля или тягового электродвигателя дизель-электрического агрегата, а также путем переключения обратимых электрических машин в режим электродвигателя или электрогенератора.
Предлагаемое устройство отличается тем, что снабжено дополнительно электрическим аккумулятором, управляющим устройством, тяговой обратимой электрической машиной, соединенной с планетарным дифференциалом, и управляющей обратимой электрической машиной, соединенной с маховиком, электрическими цепями, соединяющими их, причем обе обратимые электрические машины обладают возможностью работать в качестве электродвигателя или электрогенератора в зависимости от сигнала управляющего устройства, что тем, что снабжено дополнительно двумя сцеплениями и тремя тормозами, установленными на валах планетарного дифференциала и действующими в зависимости от сигнала управляющего устройства.
Предлагаемое устройство также отличается тем, что планетарный дифференциал соединен валами посредством расположенных на них сцеплениями и тормозами с тяговой обратимой электрической машиной, дизелем и коробкой передач.
Предлагаемое устройство также отличается тем, что тяговая обратимая электрическая машина соединена электрической цепью с управляющей обратимой электрической машиной, допускающей перекачку электроэнергии в обоих направлениях.
Существенные признаки предлагаемого устройства, которые совпадают с признаками известного способа, заключаются в том, что оно включает неподвижный корпус, дизель, главное сцепление, планетарный дифференциал с двумя степенями свободы с тремя валами, коробку передач и трансмиссию с ведущими колесами, соединенные механически, включающее также маховик, соединенные валами с планетарным дифференциалом.
Существенное отличие предлагаемого устройства от известного заключается в том, что оно дополнительно снабжено электрическим аккумулятором, управляющим устройством, тяговой обратимой электрической машиной, соединенной с планетарным дифференциалом и управляющей обратимой электрической машиной, соединенной с маховиком, электрическими цепями, соединяющими их, причем обе обратимые электрические машины обладают возможностью работать в качестве электродвигателя или электрогенератора в зависимости от сигнала управляющего устройства, а также тем, что снабжено дополнительно двумя сцеплениями и тремя тормозами, установленными на валах планетарного дифференциала и действующими в зависимости от сигнала управляющего устройства.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства от известного заключается в том, что планетарный дифференциал соединен валами посредством расположенных на них сцеплениями и тормозами с тяговой обратимой электрической машиной, дизелем и коробкой передач.
Дополнительное отличие предлагаемого устройства от известного заключается также в том, что тяговая обратимая электрическая машина соединена электрической цепью с управляющей обратимой электрической машиной, допускающей перекачку электроэнергии в обоих направлениях.
Таким образом, существенное отличие предлагаемого устройства от аналога заключается в том, что изменение и установление новых соединений уже известных элементов приводит к появлению новых свойств у предлагаемого устройства, связанных с автоматическим управлением рекуперации энергии вне зависимости от скорости вращения маховика и скорости движения транспортной машины.
Дизель-электрический агрегат с маховичным аккумулятором, включающим неподвижный корпус, дизель, сцепление, маховичный аккумулятор, планетарный дифференциал с двумя степенями свободы с тремя валами, коробку передач и трансмиссию с ведущими колесами, соединенные механически, отличается тем, что снабжен дополнительно электрическим аккумулятором, управляющим устройством, тяговой обратимой электрической машиной, соединенной с планетарным дифференциалом и управляющей обратимой электрической машиной, соединенной с маховиком, электрическими цепями, соединяющими их, причем обе обратимые электрические машины обладают возможностью работать в качестве электродвигателя или электрогенератора в зависимости от сигнала управляющего устройства, а также тем, что снабжен дополнительно двумя сцеплениями и тремя тормозами, установленными на валах планетарного дифференциала и действующими в зависимости от сигнала управляющего устройства.
Лучший вариант устройства отличается тем, что планетарный дифференциал соединен валами посредством расположенных на них сцеплениями и тормозами с тяговой обратимой электрической машиной, дизелем и коробкой передач, а также и тем, что тяговая обратимая электрическая машина соединена электрической цепью с управляющей обратимой электрической машиной, допускающей перекачку электроэнергии в обоих направлениях.
Сравнение свойств заявляемого и известного решений показывает, что у заявляемого решения появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных решений, и что заявляемое решение обладает существенными отличиями.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема дизель-электрического агрегата с маховичным аккумулятором.
Мощность от дизеля 1 передается трансмиссией на ведущие колеса 15 через сцепление 9, планетарный дифференциал 2, сцепление 11 и коробку передач 3, соединенную трансмиссией с ведущими колесами 15 транспортной машины. Таким образом реализуется первая степень свободы планетарного дифференциала 2.
Вторая степень свободы планетарного дифференциала 2 реализуется при передаче мощности от тяговой обратимой электромашины 4 сцеплением 13, соединенным механически с тяговой обратимой электромашиной 4, которая силовой электрической цепью связана с электрическим аккумулятором 7, управляющим устройством 6 и управляющей обратимой электромашиной 5. Маховик 8 механически связан с валом управляющей обратимой электромашины 5, образуя с ней так называемый маховичный аккумулятор.
Тормоз 10, тормоз 12 и тормоз 14 расположены на соответствующих валах планетарного дифференциала 2, устройство и принцип работы которого общеизвестны [4]. Планетарный дифференциал 2 имеет два центральных зубчатых колеса (из которых одно центральное зубчатое колесо с внутренним зубом - называемое эпициклом, а другое центральное зубчатое колесо с внешним зубом называется центральной шестерней), вращающихся в неподвижном корпусе 16 и зацепляющихся с сателлитом, размещенным с возможностью вращения на водиле, которое имеет возможность вращения в неподвижном корпусе и соединено со сцеплением 11. Причем одно из центральных зубчатых колес планетарного дифференциала 2 посредством сцепления 9 соединено с дизелем 1, второе центральное зубчатое колесо посредством сцепления 13 соединено механически с тяговой обратимой электромашиной 4.
Лучший вариант устройства
Лучший вариант предлагаемого устройства заключается в том, что маховик 8 механически связан с валом управляющей обратимой электромашины 5 при помощи дополнительной повышающей скорость вращения передачей (так называемым мультипликатором с неподвижными осями вращения, не показанной на схеме и устройство которого общеизвестно [4]).
Работа устройства
Дизель-электрический агрегат может осуществлять движение транспортной машины с маховичным аккумулятором, используя мощность дизеля 1, передаваемую через сцепление 9, и мощность тяговой обратимой электромашины 4, работающей в режиме электродвигателя, которая передается сцеплением 13 и реализуется с помощью маховичного аккумулятора, образованного маховиком 8 и управляющей обратимой электромашиной 5, работающей в режиме электрогенератора. Параллельная работа обоих двигателей используется в случае необходимости реализации максимальной мощности, например, при разгоне транспортной машины или движения на подъеме. Суммирование мощностей двух двигателей (дизеля и тягового электродвигателя) осуществляется при помощи планетарного дифференциала 2, подключение которого к коробке передач осуществляется сцеплениями 9, 11 и 13.
Работа дизель-электрического агрегата возможна и при использовании мощности только дизеля 1 при выключении сцепления 13 и затормаживании тормоза 14, лишающего планетарный дифференциал 2 одной степени свободы.
Работа дизель-электрического агрегата возможна и при использовании мощности только тяговой обратимой электрической машины 4 при выключении сцепления 9 и затормаживании тормоза 10, лишающего планетарный дифференциал 2 одной степени свободы.
Зарядка маховичного аккумулятора может осуществляться на стоянке транспортной машины, при ее движении и торможении. Индикатором степени зарядки маховичного аккумулятора может служить датчик скорости вращения маховика, не показанный на фиг. 1, так как принцип работы которого общеизвестен [3]. Зарядка маховичного аккумулятора на стоянке транспортной машины осуществляется от работающего дизеля 1, подключаемого сцеплением 9 к планетарному дифференциалу 2, отключением сцепления 11, включением тормоза 12 и включением сцепления 13, соединяющего планетарный дифференциал 2 с тяговой обратимой электромашиной 4, переключаемой в режим работы электрогенератора управляющим устройством 6. При этом вырабатываемая электроэнергия передается силовой электрической цепью управляющей обратимой электромашине 5, переключаемой в режим работы электродвигателя и приводящей в движение маховик 8.
Зарядка маховичного аккумулятора может осуществляется от работающего дизеля 1, при движении транспортной машины при включении сцепления 9 и 11, соединяющего планетарный дифференциал 2 с коробкой передач 3 и ведущими колесами 15, и выключении тормозов 10 и 12.
Зарядка маховичного аккумулятора может осуществляется и при торможении транспортной машины (так называемая рекуперация энергии торможения) и при неработающем дизеле 1 путем отключения сцепления 9 и включении тормоза 10. При этом происходят включение сцепления 11, соединяющего планетарный дифференциал 2 с коробкой передач 3 и ведущими колесами 15, и выключение тормоза 14. Одновременно подключается дифференциал 2 сцеплением 13 к тяговой обратимой электромашине 4, переключаемой в режим работы электрогенератора управляющим устройством 6. Вырабатываемая электроэнергия передается управляющей обратимой электромашине 5, вращающей маховик и производящей зарядку маховичного аккумулятора.
Зарядка маховичного аккумулятора может осуществляться и при движении под уклон при постоянной скорости транспортной машины при неработающем дизеле 1 путем отключения сцепления 9 и включении тормоза 10. При этом происходят включение сцепления 11, соединяющего планетарный дифференциал 2 с коробкой передач 3 и ведущими колесами 15, и выключение тормоза 12. Одновременно подключается дифференциал 2 сцеплением 13 к тяговой обратимой электромашине 4, переключаемой в режим работы электрогенератора управляющим устройством 6. Вырабатываемая электроэнергия передается управляющей обратимой электромашине 5, вращающей маховик и производящей зарядку маховичного аккумулятора.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Заявляемые способ и устройство позволяют повысить эффективность транспортных машин и снизить расход энергии по сравнению с известными устройствами. Применение их позволяет снизить потери энергии и повысить экономичность транспортных машин на любых установившихся и неустановившихся режимах работы путем переключения сцеплений и тормозов, что позволяет производить полную рекуперацию энергии торможения. Организация переключений может производиться автоматически с помощью управляющего устройства. Лучшими качествами обладает устройство, объединенное с автоматической коробкой передач.
Литература
1. Леонов И.В. Патент РФ на изобретение №2488502, зарегистр. 27 июля 2013.
2. Леонов И.В. Патент РФ на изобретение №2453749, зарегистр. 20 июня 2012 г.
3. Крутов В.И. Автоматическое регулирование ДВС. М.: Машгиз, 1963, 600 с.
4. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1975, 640 с.