КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ГИБРИДНОГО АВТОМОБИЛЯ
HYBRID AUTOMOBILE COMBINED POWER PLANT

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, точнее к комбинированным силовым установкам транспортных средств, предназначенным, преимущественно, для гибридных автомобилей многоцелевого назначения.
При разработке современных гибридных транспортных средств, в частности легковых автомобилей, технические решения, в основном, направлены на создание таких универсальных комбинированных силовых установок (КЭУ), которые обеспечивали бы в рамках одного автомобиля разнообразие схем подключения используемых источников энергии к ведущим колесам автомобиля (последовательная, параллельная или являющаяся совокупностью первых двух схем последовательно-параллельная схема) с возможностью быстрого перехода с одной схемы на другую, а также позволяли разнообразить подачу силового потока на ту или иную ведущую ось автомобиля, обеспечивая возможность использования разных типов привода (передний, задний привод, полный привод).
Из уровня техники известна комбинированная энергетическая установка (RU 2126507, 1999 г.), состоящая из теплового двигателя (например, ДВС) и электрической машины, которая может работать как двигатель и как генератор, и обеспечивающая достаточное разнообразие описанных выше схем. Так, ДВС в ней осуществляет самостоятельно привод передних колес или совместный привод передних колес и задних, либо совместно с электромашиной - привод передних и задних колес, либо электродвигатель один обеспечивает режим заднеприводного или полноприводного электромобиля. Однако, при этом наличие в установке только одной электромашины обуславливает необходимость в разветвленных кинематических связях между источниками энергии и ведущими колесами и повышенном числе промежуточных узлов трансмиссии.
Наибольшее распространение получили КЭУ, содержащие тепловой двигатель, первую электромашину с функциями мотор/генератора и вторую электромашину с функциями мотор/генератора, известные например из патентов: US 7213666, 2004 г.; EP 1433641 A1, 2004 г.; JP 3922965 B2, 2007 г.; US 7236873 B2, 2007 г.; US 7490685 B2, 2009 г. В них тепловой двигатель и первая электромашина образуют силовой блок, соединенный с возможностью выборочного подключения/отключения с первой осью колес автомобиля (задних или передних), а вторая электромашина подключена напрямую ко второй колесной оси автомобиля постоянно или с возможностью отсоединения. В линии передачи энергии от силового блока на ведущую колесную ось имеется узел (например, коробка передач) для ступенчатого или бесступенчатого регулирования числа передаточного отношения и один или два управляемых средств сцепления между блоком и коробкой передач, как правило муфт, для отсоединения блока на тех или иных режимах движения автомобиля.
Из них наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения определена комбинированная энергетическая установка гибридного автомобиля по патенту US 7490685 B2, 2009 г., содержащая тепловой двигатель и первый электромотор/генератор, взаимосвязанные между собой с образованием силового блока, который подключен посредством промежуточных средств к одной из колесных осей автомобиля с возможностью выборочного отключения от нее, а также отдельный второй электромотор/генератор, связанный со второй колесной осью постоянно. В прототипе реализуется полный привод от теплового двигателя и второй электрической машины на разные оси автомобиля - таким образом реализуется режим параллельной КЭУ. Существует возможность обеспечения последовательной схемы КЭУ - в этом случае фрикционное сцепление разомкнуто и обеспечение требуемого скоростного и тягового диапазона автомобиля осуществляется второй электрической машиной (ЭМ), а первая ЭМ функционирует в качестве генератора, вал которого приводится от вала теплового двигателя, функционирующего в стационарном режиме. Также предусмотрено движение на электротяге с использованием энергии только второй ЭМ. А в случае нехватки энергии накопителя имеется возможность его зарядки от первой электромашины, работающей в режиме генератора с приводом от теплового двигателя.
К недостаткам прототипа следует отнести сниженную функциональность и энергоэффективность КЭУ из-за невозможности механически отключить тепловой двигатель от ведущих колес транспортного средства в отдельных режимах движения. Это, во-первых, приводит к повышенным потерям на трение между деталями теплового двигателя. Во-вторых, приводит к ограничениям функционального диапазона первой электромашины, связанной с колесами передней оси, которая не имеет возможности функционировать в качестве двигателя, вырабатывающего энергию для привода транспортного средства. И, в-третьих, усложняет управление тепловым двигателем на режиме его холостого хода, вызванную необходимостью снижения потерь в тепловом двигателе при его функционировании в этом режиме (из-за невозможности механически отключить связь его вала и ведущих колес).
Задача, решаемая изобретением, и достигаемый технический результат состоят в расширении арсенала технических средств - комбинированных энергетических установкой гибридных автомобилей путем улучшения их функциональных свойств за счет расширения числа вариантов использования приводных компонентов и повышения энергоэффективности всей установки.
Сущность изобретения заключается в том, что в комбинированной энергетической установке гибридного автомобиля, содержащей тепловой двигатель и первый электромотор/генератор, взаимосвязанные между собой с образованием силового блока, который подключен посредством промежуточных средств к одной из колесных осей автомобиля с возможностью выборочного отключения от нее, а также второй электромотор/генератор, связанный с другой колесной осью постоянно, согласно изобретению связь между составляющими силовой блок тепловым двигателем и первым электромотором/генератором выполнена с возможностью размыкания и выборочного независимого от другого отключения/подключения каждого из составляющих блока к оси колес.
При этом дополнительные отличия состоят в том, что:
- тепловой двигатель и первый электромотор/генератор в силовом блоке взаимосвязаны между собой управляемым узлом сцепления, причем узел сцепления может быть выполнен по типу нормально разомкнутого сцепления или нормально замкнутого сцепления;
- между силовым блоком и осью колес имеется управляемая муфта сцепления для выборочного отключения его от этой оси, которая также может быть выполнена по типу нормально разомкнутого или нормально замкнутого сцепления;
- передача потока мощности от силового блока на ось ведущих колес обеспечивается путем изменения передаточного числа, например посредством ступенчатой или бесступенчатой трансмиссии, размещенной между блоком и муфтой сцепления;
- либо передача потока мощности от силового блока на ось ведущих колес обеспечивается без изменения передаточного числа при прямом соединении силового блока с муфтой сцепления.
На прилагаемом чертеже дана схема предлагаемой комбинированной энергетической установки (пример).
Комбинированная энергетическая установка (КЭУ) содержит расположенные последовательно друг за другом тепловой двигатель, например ДВС 1, и первую электрическую машину 2, взаимосвязанные между собой посредством узла сцепления 3, которые образуют силовой блок, соединенный с возможностью выборочного подключения/отключения через муфту сцепления 4 с валом 5 привода колес первой ведущей оси 6 (передней или задней; на представленном чертеже - задней). Причем узел 3 обеспечивает дополнительные варианты индивидуального, также выборочного подключения (отсоединения) к оси 6 каждой из составляющих силовой блок машин 1 или 2 независимо от другой. Узел 3 и муфта 4 связаны с блоком управления 7 и выполнены любым известным образом, например по типу нормально замкнутого или нормально разомкнутого сцепления, причем в любой целесообразной комбинации.
Вторая электрическая машина 8 соединена постоянно с валом 9 привода колес другой ведущей оси 10 (соответственно, передней или задней).
Обе электрические машины 2 и 8 являются обратимыми, в зависимости от режима работы КЭУ могут функционировать в качестве как тяговых моторов, так и генераторов и подключены к накопителю 11 электрической энергии и преобразователю 12.
В качестве теплового двигателя наряду с бензиновым ДВС может быть использован дизельный, газотурбинный, паровой или двигатель любого другого типа.
Тип накопителя 11 электрической энергии также может быть любым - электрохимический накопитель (аккумуляторная батарея), конденсатор.
При работе КЭУ крутящий момент на вал 5 привода колес первой ведущей оси 6 передается от ДВС 1 через узел сцепления 3, а также от расположенной с ним на одной оси относительно продольной оси автомобиля первой электрической машины 2 через муфту сцепления 4. Крутящий момент на вал 9 привода колес второй ведущей оси 10 передается непосредственно от связанной с ним напрямую второй электрической машины 8. При этом возможны варианты конкретных исполнений КЭУ, когда передача потока мощности от силового блока на ось 6 ведущих колес обеспечивается путем изменения передаточного числа крутящего момента, например посредством ступенчатой или бесступенчатой трансмиссии, размещенной между блоком и муфтой 4 (на представленном чертеже условно не показана); либо без изменения передаточного числа при прямом соединении силового блока с муфтой 4, и обеспечивается, например, за счет управления работой электродвигателями.
Режимы работы КЭУ
1. Последовательный режим.
В данном режиме муфта 4 разомкнута, а узел сцепления 3 замкнут. Первая электрическая машина 2 работает в качестве генератора, преобразуя механическую энергию ДВС 1 в электрическую, которая затем поступает во вторую электрическую машину 8, связанную с колесами второй ведущей оси 9, которые приводят транспортное средство в движение. В данном режиме двигатель 1 не связан с колесами какой-либо из ведущих осей автомобиля и режим его работы не зависит от режима движения.
2. Параллельный режим.
В этом режиме узел 3 и муфта 4 замкнуты. Автомобиль приводится в движение как двигателем 1, подключенным к колесам первой ведущей оси 6, так и первой электрической машиной 2, соединенной с двигателем 1 в единый силовой блок, и второй электромашиной 8, от которой крутящий момент передается второй ведущей оси 9.
При этом возможно движение с помощью тяги только колес первой ведущей оси 6, а также в режиме полного привода, когда ведущими являются колеса обеих ведущих осей 6 и 9. В режиме привода ТС от колес первой ведущей оси 6 энергия для приведения во вращение колес этой оси вырабатывается совместно тепловым двигателем 1 и первой электрической машиной 2. Вторая электрическая машина 8 при этом не функционирует. В режиме полного привода колеса первой ведущей оси 6 приводятся во вращение ДВС 1, а колеса второй ведущей оси 9 - второй электрической машиной 8, получающей энергию от первой электрической машины 2, работающей в режиме генератора. При этом часть вырабатываемой энергии может направляться в накопитель электрической энергии 11. В случае необходимости в большой величине тяги в этом режиме возможно использование для привода автомобилей в движение тяги от обеих электрических машин 2 и 8. В этом случае электрическая энергия берется из накопителя электрической энергии 11.
3. Режим «через дорогу».
В этом режиме узел 3 и муфта 4 замкнуты. Вторая электромашина 8 работает в качестве генератора, нагружая двигатель 1, связанный с колесами первой ведущей 6 и вырабатывающий энергию для приведения их во вращение. Вырабатываемая второй электромашиной 8 энергия может направляться в накопитель электрической энергии 11, а в случае необходимости в большой величине тяги данная энергия может использоваться для питания первой электрической машины 2, в этом случае работающей в режиме тягового мотора, и совместно с двигателем 1 вырабатывающей энергию для приведения во вращение колес первой ведущей оси 6.
4. Режим электромобиля.
В таком режиме узел 3 разомкнут, а муфта 4 может находиться как в разомкнутом, так и в замкнутом состоянии. Обе электрические машины 3 и 8 работают в режиме тяговых моторов и получают энергию из накопителя электрической энергии 11. При этом для привода автомобиля в движение может использоваться только первая электрическая машина 2 (используется привод колес первой ведущей оси 6); только вторая электрическая машина 8 (используется привод колес второй ведущей оси 9) или обе электрические машины 2 и 8 - одновременно (используется привод автомобиля от колес обеих ведущих осей 6 и 9).
Таким образом, из описанного выше видно, что введением в силовой блок «тепловой двигатель - первая электромашина/генератор» управляемого узла сцепления, который предназначен для выборочного подключения к оси колес той или иной машины данного блока независимо от другой машины блока, в совокупности с возможностью механического отключения посредством муфты 4 потока энергии от этого блока на ведущую ось автомобиля в предлагаемой КЭУ обеспечивается ее функционирование по последовательно-параллельной схеме.
Кроме того, возможность размыкания механической связи между тепловым двигателем и первой ЭМ посредством установленного между ними узла сцепления позволяет повысить кпд энергетической установки за счет того, что на режимах движения автомобиля, в которых тепловой двигатель не вырабатывает энергию для его привода (например, торможения или холостого хода), вращательное движение колес первой ведущей оси не передается на вал двигателя, вследствие чего отсутствует трение между его деталями. К тому же изобретение позволяет упростить систему управления тепловым двигателем, т.к. в отличие от аналогов, в предлагаемой КЭУ снимается необходимость в дополнительных средствах, предназначенных для уменьшения потерь энергии путем регулирования топливоподачи в двигателе на режиме его холостого хода.