Силовой агрегат тракторов тягового класса 1,4 с интегрированным стартер-генератором

Источником электрической энергии трактора является генераторная установка, состоящая из генератора с его вспомогательными устройствами.
В отечественном и зарубежном тракторостроении применяют электро-стартерные системы пуска номинальным напряжением 12 и 24 В и системы пуска с вспомогательным бензиновым двигателем.
Без внешних средств облегчения воспламенения и сгорания топлива пуск тракторных дизелей может быть обеспечен в основном при температурах до минус 5°С, при электро-стартерной системе пуска и до минус 15-20°С при системе пуска с бензиновым пусковым двигателем.
Основным показателем, характеризующим пусковые качества дизеля, следует назвать ту мощность, которая необходима для пуска.
Пуск основного двигателя при помощи вспомогательного бензинового двигателя применяется на многих дизелях. Это система пуска надежна в любых температурных условиях, но ее обслуживание и операции при пуске сложнее, чем в случае пуска электрическим стартером.
Из уровня техники известно, что пуск тракторного двигателя при температуре ниже нуля с помощью электростартера недостаточно надежен из-за быстрой разрядки аккумуляторных батарей [Б.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др. Тракторные дизели: Справочник / под общ. редакцией Б.А. Взорова - М: Машиностроение, 1981. - 535 с].
Со сравнительно низким КПД традиционных генераторов удовлетворить растущие потребности к тракторам и его системам невозможно. Решением задачи увеличения мощности одновременно с увеличением КПД (до 85-90%) и ресурса генераторной установки, повышения экологичности и топливной экономичности тракторов, а так же уменьшения массы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)может послужить интегрированный стартер-генератор [И.Ю. Бунаков. Совмещенные системы стартер генераторов (обзор) // Молодежь и наука. Международный аграрный научный журнал. - 2013, - №2. - С. 23-28.].
Наиболее близкий к заявленной полезной модели аналог описывается в патенте DE 2221161. Силовой агрегат для транспортных средств содержащий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и коробку передач, передающую приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства. При этом первичный вал коробки передач имеет возможность кинематического соединения с валом ДВС, а также электрической машины, которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку с основной коробкой передач и имеет возможность переключения в режим электродвигателя-стартера для пуска ДВС и для питания электрической энергией бортовой сети. Существенным недостатком данного технического решения является наличие промежуточной коробки и управляемой муфты, что усложняет конструкцию.
Известно множество различных стартер-генераторов, предназначенных для транспорта, с использованием бесконтактной асинхронной машины (AM), питаемой от инвертора напряжения на транспорте отчасти потому, что не требует изменения компоновки отдельных узлов (двигателя, коробки передач и т.д.).
В патенте RU 2150602 описывается стартер-генератор устанавливаемый на штатное место стартера, что не требует изменения компоновки отдельных узлов двигателя и коробки, вал ротора которого соединен с ведущим зубчатым колесом планетарного редуктора, а выходной вал планетарного редуктора с помощью шестерен привода соединен с венцом маховика ДВС. Недостатком указанной конструкции является наличие дополнительного привода, что усложняет конструкцию.
Из патента US 4883973 А известен асинхронный стартер-генератор, подключенный к транзисторному инвертору напряжения, планетарным редуктором, выходной вал которого соединен с валом ДВС с помощью ременной передачи. Недостатком данного технического решения является малая надежность работы ременной передачи.
Технический результат достигается силовым агрегатом трактора, содержащим двигатель внутреннего сгорания, сцепление и коробку передач, передающее приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину, размещенную между блоком цилиндров ДВС и сцеплением, при этом ротор электрической машины, установленный на маховике, кинематически соединен с коленчатым валом двигателя и первичным валом коробки передач с возможностью обеспечения запуска ДВС в режиме электродвигателя, и обеспечения электрической энергией потребителей трактора в режиме генератора, причем электрическая машина имеет жидкостное охлаждение при помощи охлаждающей жидкости ДВС, циркулирующей через кольцевую проточку в корпусе-проставке статора.
Полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:
На фиг. 1 схема силового агрегата трактора тягового класса 1, 4.
На фиг. 2 функциональная блок-схема стартер-генераторного устройства.
На фиг. 3 схема установки электрической машины стартер-генераторного устройства.
На фиг. 4 конструкция корпуса-проставки (главный вид).
На фиг. 5 конструкция корпуса-проставки (поперечный разрез).
Силовой агрегат трактора содержит двигатель внутреннего сгорания, сцепление и коробку передач, передающее приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину, размещенную между блоком цилиндров ДВС и сцеплением, отличающийся тем, что ротор электрической машины, установленный на маховике кинематически соединен с коленчатым валом двигателя и первичным валом коробки передач с возможностью обеспечения запуска ДВС в режиме электродвигателя, и обеспечения электрической энергией потребителей трактора в режиме генератора.
Предлагаемая конструкция силового агрегата тракторов тягового класса 1, 4 содержит двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг. 1), коробку передач 2, сцепление 3, передающую приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину 4, размещенную между блоком цилиндров двигателя и сцеплением и датчик положения ротора 5 установленный в носовой части ДВС на коленчатом валу.
Полезная модель относится к области электротехники и транспорта и касается, в частности электрооборудования двигателей внутреннего сгорания силовых агрегатов тракторов. Может быть использована на тракторах тягового класса 1,4 для запуска двигателей внутреннего сгорания и генерирования электрической энергии для нужд бортовой сети, двухуровневого напряжения 12-14 В и 36-42 В. Функциональная блок-схема стартер-генераторного устройства (СГУ) приведена на фиг. 2. В состав СГУ входят электрическая машина 4, силовой преобразователь энергии 6, блок управления 7.
Причем силовой преобразователь и индукторный двигатель могут быть включены в общую схему жидкостного охлаждения двигателя.
Электрическая машина выполняет функции стартер-генератора, силовой преобразователь напряжения обеспечивает его работу в режимах стартера и генератора, и поддерживает напряжение бортовой сети на двух уровнях 14 и 42 В. В режиме стартера питание обеспечивает аккумуляторная батарея 9, а также энергоемкий конденсатор 8.
На фиг. 3 показана компоновка электрической машины между двигателем и сцеплением трактора. Статор электрической машины 11 установлен в корпусе-проставке 10, которая в свою очередь крепится к блоку цилиндров двигателя. Ротор 12 электродвигателя устанавливается на маховике 13», который одновременно выполняет не только функции его раскрутки, но и маховой массы [Алиев А.Я., Алиев С.А., Изберов P.M. Интегрированный стартер-генератор для энергоэффективных транспортных средств. // Автомобильная промышленность. - 2015. - №10. - С. 14-15].
Принятая компоновка позволяет передавать значительную мощность в обоих направлениях и реализовать функции гашения крутильных колебании коленчатого вала при низких скоростях вращения, что существенно снижает шум и вибрацию ДВС.
Место, выбранное для размещения стартер-генератора на ДВС, по условиям работы не самое лучшее: высокая температура, запыленность, в том числе и абразивными продуктами износа дисков сцепления. По этой причине от применения электрической машины с коллектором отказались. Для этой цели больше подходят вентильные машины с постоянными магнитами, но у них высокая стоимость.
Поэтому в качестве электрической машины предлагается реактивный индукторный двигатель - бесконтактную электрическую машину синхронного типа. Она имеет ряд несомненных достоинств: шихтованный зубчатый ротор без обмотки, потери в котором, как известно, минимальны; многофазную обмотку статора, выполненную в виде отдельных концентрических катушек без пересечения лобовых частей, что упрощает конструкцию, повышает технологичность производства и увеличивает ее надежность в эксплуатации [М.Л. Костырев, А.И. Скороспешкин. Автономные синхронные генераторы с вентильным возбуждением. - М: Энергоатомиздат, 1993, - 160 с].
Преимущество предлагаемой конструкции СГУ, размешенной между двигателем и сцеплением силового агрегата, заключается в возможности использования электрической машины для пуска ДВС, которая в этом случае включается в режим электродвигателя, и в процессе работы ДВС переключается на генераторный режим, обеспечивая питание электрической энергией бортовую сеть.
Кроме того, объединение стартера и генератора в одном единственном узле позволяет значительно сократить затраты на изготовление и сборку такой конструкции, что является преимуществом с точки зрения производственных издержек, заменив генератор и стартер, и на некоторых тракторах пусковой поршневой двигатель.
Для обеспечения оптимального теплового режима предлагаемой электрической машины необходимо использовать жидкостное охлаждение, что можно реализовать путем подключения ее к системе жидкостного охлаждения ДВС. Циркуляция происходит через кольцевую проточку (фиг. 5) детали корпус-проставки 10 статора (фиг. 4), изготавливаемой из алюминиевого сплава.
Интегрированная стартер-генераторная установка с микропроцессорным управлением обладает функциональными возможностями совокупного совершенствования ДВС и трактора:
- обеспечивает высокий пусковой момент и эффективный запуск тракторного дизеля;
- генерирует многоуровневую электрическую энергию напряжением 12 и 42 В для всех потребителей, развивая электрическую мощность до 8 кВт;
- выполняет функции электромагнитного демпфирования крутильных колебаний вала ДВС;
- обеспечение оптимального теплового режима электрической машины путем применения корпуса-проставки 10 позволяющей охлаждать статор 11 за счет циркуляции жидкости из системы охлаждения ДВС.