Роторный пневматический двигатель-компрессор с функцией двигателя внутреннего сгорания

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая полезная модель относится к области
двигателестроения, к классу машин для сжатия рабочего тела, в частности к роторным пластинчатым машинам, и может найти применение, например, при установке на электробус как элемент в составе гибридной пневмо-электрической силовой установки.
Роторный пневматический двигатель компрессор с функцией двигателя внутреннего сгорания (далее РПДК) в целом предназначен для применения на любом городском пассажирском транспорте, где присутствует разгон и торможение.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Конструкция роторной пластинчатой машины со смещенным эксцентрично ротором и с плавающими пластинами реализована, например, в шиберных насосах.
Из патента РФ № RU 181482 U1, опубл. 16.07.2018 г., известна полезная модель, которая относится к области гидропневмонасосов и моторов и может быть использована в машиностроении в узлах различного назначения. Устройство содержит статор с внутренней полостью и эксцентрично размещенный в полости статора цилиндрический ротор с продольным пазом, внутри которого помещена радиально подвижная пластина. Статор выполнен с внутренним замкнутым контуром, описанным концами пластины при ее возвратно-поступательном перемещении во вращающемся роторе. Часть внутреннего замкнутого контура ротора выполнена по дуге окружности с диаметром D, а пластина имеет длину 0,88-0,98D, превышающую диаметр ротора, а центр ротора смещен от центра дуги окружности на величину 0,08-0,230.
Из патента РФ № RU 2634994 С1, опубл. 08.11.2017 г., известно изобретение, которое относится к гидропневмонасосам и моторам и может быть использовано в машиностроении. Пластинчатая роторная объемная машина содержит одну пластину в сквозном пазу ротора, размещенного эксцентрично в некруглой полости корпуса. Кольцевой зазор между ротором и отверстием во фланце выполнен расширяющимся от паза с пластиной в роторе к подшипниковому узлу во фланце и уплотнен острой частью кольца, упруго поджатого к зазору. Зазор между ротором и корпусом уплотнен размещенным в корпусе уплотнителем, упруго прижатым к ротору своей вогнутой поверхностью, где радиус вогнутости близок к радиусу ротора, а ширина уплотнения превышает ширину паза ротора. Уплотнение зазора между ротором и некруглым внутренним контуром корпуса выполнено одним или несколькими уплотнителями, установленными в пазах корпуса и поджатыми к ротору плоскими волнистыми пружинами. При этом поверхность уплотнителей, поджатая к ротору, выполнена радиусной с радиусом, близким к радиусу ротора, а ширина уплотнителей превышает ширину паза. Корпус содержит также впускной канал и выпускной канал с полостями.
Из патента РФ № RU 2283961 С1, опубл. 20.09.2006 г., известна роторно-пластинчатая машина, которая содержит статор, расположенный в нем ротор со сквозным радиальным пазом, проходящим через центр вращения ротора, пластину, установленную в пазу ротора и контактирующую своими концами с внутренней поверхностью статора. Внутренняя поверхность статора в сечении, перпендикулярном оси вращения ротора, профилирована кривой с одной осью симметрии, состоящей из дуг окружностей радиусами, сопряженными переходными синусоидальными кривыми. Минимизируется вредный объем путем профилирования рабочей поверхности статора кривой, имеющей рациональное сочетание дуг окружностей и синусоидальных переходных кривых.
Из патента РФ №65976 U1, опубл. 27.08.2007 г., известна полезная модель, которая относится к области двигателестроения и представляет собой роторно-лопастной двигатель, который содержит цилиндрический корпус (статор), в котором эксцентрично расположен ротор так, что поверхности статора и ротора образуют серповидное рабочее пространство. Статор снабжен сплошной лопастью, расположенной диаметрально в торцевых сквозных пазах статора. При этом лопасть имеет возможность продольного перемещения в сквозных пазах статора за счет ее конструктивных особенностей.
Из патента США № US 5596963 А, опубл. 28.01.1997 г., известен двигатель, имеющий одну ступень сгорания между роторным компрессором и роторным двигателем и другую ступень сгорания в двигателе, включает лопасти ротора компрессора и двигателя, которые вращаются в соответствующих частях корпуса на общем приводном валу; текучая среда первого и второго переходных каналов соединена между соответствующими выпускными отверстиями компрессора и впускными отверстиями двигателя, причем первая и вторая камеры сгорания образованы в соответствующих переходных каналах, причем камеры сгорания периодически последовательно нагнетаются потоком газа из выпускных отверстий компрессора. Первый и третий кулачковые клапаны в первом и втором переходных каналах предотвращают поступление газа выше по потоку из соответствующих камер сгорания в компрессор. Второй и четвертый тарельчатые клапаны с приводом от кулачка в первом и втором переходных каналах предотвращают поступление газа вверх от двигателя в соответствующие камеры сгорания. Чередующаяся последовательность потока газа в переходных каналах и сгорания в камерах сгорания поддерживается работой первого и второго клапанов и третьего и четвертого клапанов в дополнительных полуоборотах первого и второго роторов, при этом сгорание происходит во время расширения газа из камеры сгорания в камеру расширения, причем выходной вал приводится в действие сгоранием в камерах сгорания и, кроме того, сгоранием в камере расширения.
Из патента РФ № RU 2170835 С1, опубл. 20.07.2001 г., известно изобретение, которое относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что машина содержит лопастной роторный двигатель с системами питания, смазки и охлаждения и смонтированные на его валу роторные нагнетатель и газосос. Цилиндр двигателя выполнен многослойным с внутренними газовыми рекуперационными каналами. В систему питания введен воздушный ресивер, выхлопной патрубок нагнетателя соединен с ресивером непосредственно, а камера выхлопа двигателя - с камерой всасывания газососа. Система смазки объединена с дополнительной системой масляного циркуляционного охлаждения внутренней полости ротора двигателя через внутренние отверстия и каналы. Ресивер может быть выполнен сварным из набора трубок, оси которых расположены в одной плоскости и образуют раму для размещения роторной машины.
Из патента РФ № RU 2241129 С1, опубл. 27.11.2004 г., известно изобретение, которое позволяет создать роторную машину с универсальной кинематической схемой, используемую в качестве двигателя внутреннего сгорания и насоса. Роторная машина содержит корпус и размещенный в нем ротор. Внутренняя поверхность корпуса имеет форму двух пересекающихся частей цилиндров различного диаметра с параллельными осями. Размещенный в корпусе ротор соосен цилиндру меньшего диаметра и состоит из, по меньшей мере, двух составных сегментных частей ротора, на которых установлены крышки ротора кольцевой формы, и, по меньшей мере, двух пар соединенных попарно кольцевых элементов, установленных с возможностью поворота относительно сегментных частей ротора. Машина содержит шарнирные элементы, размещенные между кольцевыми элементами каждой пары, рабочий орган, ось вращения которого совпадает с осью цилиндра большего диаметра и который размещен в отверстиях шарнирных элементов с возможностью перемещения в них и контакта своими рабочими поверхностями при вращении с внутренними рабочими поверхностями составных сегментных частей ротора, крышками ротора, а также с внутренними торцевыми и цилиндрической поверхностями корпуса с образованием внутренних рабочих камер переменного объема между составными сегментными частями ротора и рабочим органом, и наружных рабочих камер переменного объема между рабочим органом, внутренними поверхностями корпуса и наружными поверхностями ротора. По второму варианту в роторной машине, каждая пара элементов состоит из сегментного элемента и кольцевого элемента и выполнена с возможностью перемещения по кольцевым направляющим другой пары. Рабочий орган роторной машины содержит корпус, в каждой части которого, расположенной между осью его вращения и каждой из рабочих поверхностей, предназначенных для контакта с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, выполнены сообщающиеся внутренние камеры, одна из которых является рабочей камерой сгорания, а вторая камера предназначена для заполнения ее рабочим телом для последующей продувки рабочей камеры и выполнена с возможностью впрыскивания в нее топливной смеси и выпуска продуктов сгорания в основную рабочую камеру роторной машины. Двигательная установка содержит одну первую роторную машину, работающую в режиме насоса, и одну вторую роторную машину, работающую в режиме двигателя. Выпуск каждой первой роторной машины соединен с, по меньшей мере, одной рабочей камерой каждой второй роторной машины непосредственно или через ресивер.
Недостатком вышеуказанного уровня техники является то, что все известные роторные пластинчатые машины работают в основном либо в качестве пневмодвигателя, либо в качестве компрессора, либо в качестве двигателя внутреннего сгорания. Есть машины, которые совмещают только две функции двигатель и компрессор. Известные конструкции подобного рода машин, используются в качестве гидропневмонасосов для перекачки жидкостей или для сжатия воздуха и других газов. Однако, широкого распространения в транспортных системах такие механизмы не получили из-за отсутствия универсальных качеств.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявляемый РПДК с функцией ДВС совмещает в себе три устройства в одном, и может работать как пневмодвигатель, и как компрессор, и как двигатель внутреннего сгорания.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеперечисленных недостатков предшествующего уровня техники, в частности создание универсального устройства, которое в составе гибридной пневмо-электрической силовой установки решает совершенно практические задачи:
- увеличение пробега электробуса на одной зарядке батарей;
- уменьшение веса электробуса;
- уменьшение стоимости электробуса;
- уменьшение загрязнением окружающей среды выхлопными газами.
Заявленный РПДК с функцией ДВС не имеет аналогов. РПДК с функцией ДВС отличается от известных конструкций тем, что он универсален. С помощью РПДК с функцией ДВС электробус может затормозить перед остановкой, и всю инерционную энергию движущегося электробуса сохранить в виде сжатого воздуха (режим компрессора). При начале движения, сохраненный сжатый воздух от торможения, используется для разгона электробуса (режим пневмодвигателя). Когда запасенный объем сжатого воздуха от торможения израсходован, включается режим ДВС и РПДК в этом режиме продолжает разгон, пока электробус не достигнет крейсерской скорости. Движение продолжается с помощью электродвигателя, а РПДК переходит в режим холостого хода.
Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей РПДК, которые позволяют ему совмещать в одном устройстве пневмодвигатель, компрессор и ДВС. Таким образом, РПДК имеет более широкие функциональные возможности, чем любой другой агрегат из класса роторно-пластинчатых машин. Это позволяет транспортному средству с помощью РПДК как тормозить, так и разгоняться, используя эффективно энергию от торможения.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции РПДК с функцией ДВС, который включает статор, в котором эксцентрично расположен ротор с образованием серповидного рабочего пространства, при этом ротор содержит сквозные пазы в которые вставляются диаметрально пластины. Количество рабочих секций должно быть четным. Статор снабжен группой отверстий, в которых зафиксированы впускной клапан, обратный клапан, нагнетательный клапан ресивера, выпускной клапан, электромагнитная форсунка и свеча зажигания.
Вышеуказанные и другие задачи, особенности, преимущества, а также техническая значимость данной полезной модели будут более понятны из нижеследующего подробного описания полезной модели со ссылками на сопровождающие чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 показана конструкция РПДК с функцией ДВС в поперечном разрезе;
На фигуре 2 показан принцип работы РПДК в режиме ДВС;
На фигуре 3 схематично показана гибридная пневмо-электрическая силовая установка целиком.
На фигуре 4 схематично показана конструкция электробуса.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фигуре 1 представлена конструкция РПДК с функцией ДВС в поперечном разрезе, где позициями на чертеже обозначены: 1 - ротор, 2 - статор, 3 - пластина, 4 -впускной клапан, 5 - обратный клапан, 6 - нагнетательный клапан ресивера, 7 - выпускной клапан, 8 электромагнитная форсунка для впрыска метана, 9 - свеча зажигания, 10 - шланг для подачи сжатого воздуха из ресивера (29), который находится на крыше электробуса и показан на фиг. 4.
Конструкция РПДК включает статор (2), в котором эксцентрично расположен ротор (1) так, что поверхности статора (2) и ротора (1) образуют серповидное рабочее пространство, при этом ротор (1) снабжен, по меньшей мере, одной пластиной (3), расположенной диаметрально в торцевых сквозных пазах ротора (1), образуя при этом четное количество секций в рабочем пространстве, а статор (2) содержит группу отверстий, в которых зафиксированы впускной клапан (4), обратный клапан (5), нагнетательный клапан (6) ресивера, выпускной клапан (7), электромагнитная форсунка (8) для впрыска метана и свеча зажигания (9).
Принцип работы РПДК с функцией ДВС.
Ресивер соединяется с впускным клапаном (4) и нагнетательным клапаном (6) посредством шлангов (10).
Ротор (1) прижат к статору в точке А и размещен эксцентрично по отношению к статору (2). Такое расположение ротора (1) и статора (2) образует серповидное рабочее пространство. Пластина (3) вставляется в сквозные прорези ротора (1) и имеет возможность продольного перемещения. Пластина (3) всегда прижата к внутренней поверхности статора (2), как бы не поворачивался ротор (1), поэтому при повороте ротора (1) образуются камеры, которые друг с другом не соединяются. Чтобы пластину (3) не заклинивало при повороте статора (2), внутренняя поверхность статора (2) выполнена в виде небольшого эллипса, а не в виде окружности.
Воздух (как сжатый из ресивера, так и атмосферный) попадает внутрь РПДК через впускной клапан (4), далее через обратный клапан (5). Впускной клапан (4) имеет положение 1 («атмосфера») и положение 2 («ресивер»), см. фиг. 1. Педаль газа управляет впускным клапаном (4) на открытие и закрытие. Нажатие водителем на педаль газа переводит впускной клапан 4 из положения 1 в положение 2. Сжатый воздух через обратный клапан попадет в рабочее пространство РПДК (режим пневмодвигателя). Сжатый воздух начинает давить во все стороны, в том числе и на пластину (3) статора (2) заставляя вращаться ротор (1). Появляется крутящий момент. Отпустив педаль газа, пружина возвращает обратно педаль, а, соответственно, впускной клапан (4) оказывается снова в положении 1. Выпускной клапан (7) открыт, поэтому сжатый воздух, сделав механическую работу, свободно покидает рабочее пространство РПДК. Педаль тормоза управляет выпускным клапаном (7) на открытие и закрытие. Нажатие на педаль тормоза переводит этот выпускной клапан (7) в положение 2. Выпускное отверстие перекрывается, и воздух не может покинуть рабочее пространство РПДК, так как он зажат между статором (2), ротором (1) и пластиной (3). Отпустив педаль тормоза, пружина возвращает педаль в исходное положение и соответственно выпускной клапан (7) оказывается в исходном положении 1 (выпуск открыт). Таким образом, чтобы перевести РПДК в режим пневмодвигателя, достаточно нажать на педаль газа. А, чтобы перевести РПДК в режим компрессора, нужно нажать на педаль тормоза.
Холостой ход. Если электробус находится в движении, т.е. ротор вращается, достаточно отпустить педаль газа и впускной клапан (4) окажется в положении 1 (ресивер в данный момент перекрыт). Атмосферный воздух свободно засасывается и затем выбрасывается через выпускной клапан (7). Никакой работы не совершается, просто «перемалывается» атмосферный воздух. Таким образом, в режиме холостого хода педаль газа и тормоза не нажаты, впускной клапан (4) в положении 1, выпускной клапан (7) в положении 1.
Режим торможения (или компрессора).
Чтобы произвести торможение, водитель отпускает педаль газа и нажимает педаль тормоза (как при езде с коробкой автомат). Впускной клапан (4) оказывается в положении 1 (засасывается атмосферный воздух), выпускной клапан (7) в положении 2 (закрыт). Инерционная сила двигающегося электробуса вращает ротор (1). Так как выпускное отверстие перекрыто, пластины ротора (1), поворачиваясь против часовой стрелки, сжимают воздух. Когда давление оказывается немного больше, чем в ресивере, срабатывает нагнетательный клапан (6) и порция сжатого воздуха отправляется в ресивер. Компрессор в процессе заготовки сжатого воздуха формирует обратный крутящий момент на роторе (1). Так как ротор постоянно зацеплен через главную передачу с колесами, электробус начинает плавно тормозить. Таким образом, чтобы активировать режим компрессора, нужно отпустить педаль газа и нажать на педаль тормоза.
2
Режим ДВС имеет возможность включиться, только если ротор вращается, т.е. электробус находится в движении. В статичном положении режим ДВС не возможно активировать. При торможении (тормозной путь составляет примерно 65 метров), компрессор заготавливает определенное количество сжатого воздуха. В начале торможения скорость составляет, например, 50 км/ч, в конце 0 км/ч. В начале торможения давление в ресивере показывает 6,5 атм, в конце торможения - 7 атм. (когда электробус остановился). Давление в ресивере будет расти пропорционально увеличению объема воздуха, отправленного в него в процессе торможения. После остановки, электробус начинает движение. Водитель нажимает на педаль газа до упора, активируя тем самым режим пневмодвигатель. Сжатый воздух через впускной клапан (4) и обратный клапан (5) поступает в рабочее пространство РПДК. Ротор начинает вращаться, на колесах появляется необходимый крутящий момент 9500 Нм. Электробус весом 18 т начинает разгон с ускорением 0,925 м/с. Примерно через 21 метр после начала движения электробуса, датчик давления в ресивере показывает 6,5 атм. Это говорит о том, что весь запасенный сжатый воздух при торможении израсходован и в данный момент активируется режим ДВС. Включение данного режима заключается в том, что после срабатывания датчика давления в ресивере, автоматика включит в работу электромагнитную форсунку (8) для впрыскивания метана и свечу зажигания (9). Начало впрыска происходит, когда пластина (3) ротора (1) подходит к точке 1 (см. фиг. 2), длительность впрыска - 7 мс. При прохождении точки 2, свеча зажигания дает искру. Смесь воздуха с метаном (пропорция примерно 1:10) взрывается. Давление мгновенно увеличивается в 7 раз с 6,5 атм до 42-44 атм. Взрывная волна подбрасывает шайбу обратного клапана (5) вверх (см. фиг. 3). Из положения 1 шайба окажется в положении 2. Так как снизу шайбы давление гораздо больше, чем сверху, шайба плотно прижимается к упорной втулке и тем самым не дает расширяющемуся раскаленному воздуху по шлангам (10) попасть в ресивер. Расширяющийся газ давит на пластину (3), и поворачивает ротор (1). Когда процесс расширения завершится, давление в рабочей зоне составит 5,5 атм. Нижняя часть пластины (3) достигает точки 3 (см. фиг. 2). Сила, давящая на шайбу сверху, будет больше, чем снизу. Шайба опускается вниз. Следовательно, при прохождении верхней части пластины (3) под обратный клапан (5) начинается подача сжатого воздуха из ресивера под давлением 6,5 атм во внутреннее пространство РПДК. Далее при достижении пластиной (3) места расположения форсунки, последняя начинает распылять метан (точка 1, фиг. 2), при достижении точки 2 свеча зажигания (9) дает искру. Происходит взрыв, и все повторяется. За один оборот ротора (1) происходит два воспламенения воздушно-метановой смеси.
Еще один аспект работы РПДК в режиме ДВС заключается в том, что РПДК имеет четное количество рабочих секций. Если рассматривать РПДК с четырьмя рабочими секциями, то в режиме пневмодвигателя работают все четыре секции, в режиме компрессора работают также все четыре секции, а в режиме ДВС две секции работают, как ДВС (расходуют запас воздуха из ресивера), а две другие работают, как компрессор, т.е. восстанавливают запас сжатого воздуха в ресивере. Поэтому давление в ресивере не падает ниже 6, 5 атм. Сколько две камеры заберут воздуха для ДВС, столько же две другие камеры (компрессор) воздуха накачают. Другими словами РПДК в режиме ДВС самодостаточен с точки зрения снабжения сжатым воздухом.
Когда датчик давления (32) в ресивере (30) показывает значение 6,5 атм (запас воздуха от рекуперации торможения израсходован), то это сигнал не только для включения форсунки (8) и свечи зажигания (9). По этому сигналу у двух секций работающих, как компрессор, закрываются выпускные клапаны (7) (фиг. 1), а впускные клапаны (4) становятся в положение 1 («атмосфера»). Эти две секции становятся компрессорами. Подача метана рассчитывается так, что бы РПДК в режиме ДВС имел такой же крутящий момент, как и при режиме пневмодвигателя, когда работают все четыре секции от сжатого воздуха.
РПДК отработает в режиме ДВС примерно 10 с и электробус проедет за это время приблизительно 70 м. Когда требуемая скорость (в нашем случае 50 км/ч) будет достигнута, водитель снимает ногу с педали газа и РПДК, отработав, как разгонный блок, перейдет в режим холостого хода. Дальнейшее движение электробус продолжит на электродвигателе, задача которого будет поддерживать набранную скорость. Так как ток переменный, его можно регулировать от минимального до максимального значения. Поэтому у электродвигателя есть определенный маневр по крутящему моменту, например, чтобы преодолеть небольшой уклон.
На фиг. 3 схематично показана гибридная пневмоэлектрическая силовая установка, где 16 - главная передача (передаточное число -7:1); 17 - заднее (ведущее) колесо электробуса; 18 - карданный вал; 19 - редуктор (передаточное число - 2,7); 20 - планетарный редуктор (передаточное отношение солнечной шестерни к водилу - 2,1); 21 РПДК; 22 - электродвигатель; 23 - вал солнечной шестерни планетарного редуктора; 24 - водило планетарного редуктора; 25 -коронная шестерня планетарного редуктора (эпицикл).
Рассмотрим режим торможения электробуса. Что бы произвести торможение двигающегося электробуса, необходимо РПДК перевести в режим компрессора (для формирования обратного крутящего момента на колесах).
Для этого достаточно нажать на педаль тормоза. Выпускной клапан закроется, и РПДК начнет нагнетать сжатый воздух в ресивер (30) (см. фиг. 6) за счет инерционной энергии электробуса. При нажатии на педаль тормоза происходит не только перекрытие выпускного клапана (7), но и застопоривается коронная шестерня (25) планетарного редуктора 20 (фиг. 3). Так как ротор (1) непосредственно соединен с валом солнечной шестерни (23) планетарного редуктора (20), он начинает вращаться в 2,1 раза быстрее, чем карданный вал (18), соединенный с водилом (24) планетарного редуктора (20). Расчеты показывают, что именно при таком условии РПДК развивает необходимый обратный крутящий момент, чтобы затормозить электробус весом 18 т (с пассажирами) за 9 секунд при скорости движения от 50 км/ч до 0 км/ч, при этом тормозной путь составит 65 метров. Когда электробус заполнен пассажирами на половину, тормозной путь составит 55 метров. До начала момента торможения, давление в ресивере (30), который расположен на крыше электробуса (см. фиг. 4) составит 6,5 атм. После торможения давление в ресивере (30) естественным образом поднимется, так как компрессор накачает воздух, при этом давление составит 7 атм. Наличие датчика давления (32) в воздушном ресивере (30) позволяет легко определить размер запаса воздуха для разгона. Таким образом, при разгоне используется только тот запас воздуха, который был заготовлен при торможении. Давление в ресивере (30) не может упасть ниже 6,5 атм, так как автоматически включится режим ДВС.
РПДК в режиме компрессора не заменяет штатную тормозную систему. РПДК не приспособлен для экстренного торможения, так как 30% хода педали тормоза - это зона активирования компрессора. Если водителю не достаточно степени торможения компрессором, то он давит на педаль дальше, что приводит к срабатыванию колодок и к тормозному усилию РПДК добавляется усилие штатной тормозной системы электробуса.
Разгон. Нажатие на педаль газа (впускной клапан (4) из положения 1 («атмосфера») переводится в положение 2 («ресивер») приводит к тому, что РПДК (21) (см. фиг. 3) становится пневмодвигателем, который начинает вращать карданный вал и передавать на колеса крутящий момент. В этом режиме все шестерни планетарного редуктора (20) (см. фиг. 3) освобождены, и он, по сути, работает как вал, поэтому угловая скорость вращения ротора (1) равна скорости карданного вала (18). РПДК, вращая карданный вал (18) и колеса, также вращает и электродвигатель. В этот момент обороты электродвигателя в 2,7 раза больше, чем у ротора (1) РПДК. Но, так как в разгоне электродвигатель не участвует, он крутится на холостом ходу, не потребляя энергию с батарей. Как только датчик давления (32) показывает 6,5 атм, РПДК переходит в режим ДВС для продолжения разгона, который в свою очередь отключается после достижения крейсерской скорости, например 50 км/ч (водитель при достижении этой скорости просто отпускает педаль газа).
Движение без ускорения продолжается на электродвигателе (22) (фиг. 5). Крутящий момент с электродвигателя (22) увеличивается на колесах в 18,9 раз. Это число вычисляется как произведение передаточного числа редуктора 19) и передаточного числа главной передачи (16): 2,7*7=18,9. РПДК в данном режиме находится на холостом ходу (охлаждается после режима ДВС). Водитель с помощью отдельной педали или ручки регулирует подачу силы тока (соответственно, мощности) на электродвигатель (22) и находит оптимальный режим движения на электродвигателе. Электробус движется на электротяге вплоть до момента торможения.
На фигуре 4 схематично показан электробус, где 26 - гибридная силовая установка;
27 - карданный вал; 28 - главная передача; 29 - литий-ионные батареи; 30 - воздушный ресивер; 31 - шланги; 32 - датчик давления; 33 - ресивер с метаном.
Карданный вал (27) передает крутящий момент на главную передачу (28). На крыше электробуса расположены воздушный ресивер (30) с сжатым воздухом и ресивер (33) с метаном. Воздушный ресивер (30) оборудован датчиком давления (32). Шланги (31) подключены к впускному клапану (4) и нагнетательному клапану (6) ресивера. В салоне под сидениями для пассажиров расположены литий-ионные батареи (29) для питания электродвигателя.
Электробус с силовой установкой, работающей полностью на электричестве имеет смысл, если электричество для зарядки батарей производится исключительно экологичным способом. А если это не так, то использование гибридной пневмо-электрической силовой установки является разумным компромиссом между экологичностью и экономичностью. Электробус, снабженный РПДК с функцией ДВС, едет на метане всего лишь 70-75 метров, а не 450 метров (средняя дистанция между остановками). Кроме того, необходимо отметить, что когда электробус стоит, ДВС не работает. Исходя из этого, можно сказать, что загрязнение окружающей среды РПДК в режиме ДВС производит в 3-4 раз меньше, чем любой автобус работающий только на метане, не говоря уже про бензин и дизель. При этом стоимость электробуса с РПДК будет гораздо меньше, чем электробус полностью на электрической тяге. Пример.
Пример реализации настоящей полезной модели рассмотрим на электробусе Волгабас-5270Е (он же «СитиРитм-12Е»), который имеет электродвигатель мощностью 115 кВт, литий-ионные батареи емкостью 300 кВт*ч, пробег на одной зарядке 200 км в городском цикле. Стоимость около 25-30 млн. руб.
Расчет показывает, что на 1 км пробега расходуется 1,5 кВт*ч (300 кВт*ч : 200 км=1,5 кВт*ч на 1 км) энергии. Что бы увеличить пробег, нужно существенно уменьшить потребление электрической энергии с батарей. Это легко можно сделать, уменьшив мощность электродвигателя с 115 кВт до 40 кВт (в три раза). Соответственно, в три раза упадет потребление электроэнергии. Плюс к этому, предлагается не использовать электродвигатель для разгона электробуса (в момент разгона на двигатель подаются максимальные токи, что приводит к быстрой разрядке батарей). Это дает еще 25% экономии. Математически это выглядит так: (1,5 кВтч : 3) - 25%=0, 375 кВт*ч на 1 км пробега. Округлим до 0,4 кВт*ч на 1 км. Таким образом, можно добиться потребления 0,4 кВт*ч на 1 км вместо 1,5 кВт*ч. В этом случае батарея емкостью 100 кВт*ч обеспечивает 250 км пробега (100 кВт*ч : 0,4 кВт*ч на 1 км=250 км). Однако, электродвигатель мощностью 40 кВт*ч обеспечивает только прямолинейное движение уже набравшего крейсерскую скорость электробуса. Для режима разгона электродвигатель мощностью 40 кВт*ч не подходит, так как он не сможет обеспечить необходимый крутящий момент. Поэтому функцию разгона будет выполнять РПДК, находящийся в постоянном механическом зацеплении с электродвигателем и с колесами электробуса (т.е. электродвигатель, РПДК и колеса работают как единый механизм).
Как показывает расчет, для ускоренного движения электробусу требуется примерно в 5 раз больше крутящего момента (Мкр), чем для прямолинейного движения без ускорения. Чтобы электробус весом 18 т разогнать за 15 сек до скорости 50 км/ч, на колесах потребуется Мкр=9500 Нм. А чтобы этот же электробус просто ехал по прямой с постоянной скоростью 50 км/ч, требуется всего 1900 Нм. Т.е. разгон и прямолинейное движение это совершенно разные процессы, хотя они являются составными частями такого явления - как передвижение электробуса в пространстве. Гибридная установка более оптимально использует различного рода энергии, нежели силовая установка на базе только электродвигателя.
Таким образом, РПДК в составе гибридной пневмо-электросиловой установки берет на себя торможение электробуса, производя рекуперацию инерционной энергии и обеспечение движения электробуса с ускорением (самого энергоемкого процесса). Электродвигатель обеспечивает только прямолинейное движение без ускорений (самый экономичный, комфортный режим потребления электроэнергии, когда электродвигатель работает на номинальных токах). В итоге, вместо батареи 300 кВт*ч, весом 3 тонны и стоимостью 8,1 млн. руб., при применении заявленной полезной модели в гибридной силовой установки электробуса, можно использовать батарею 100 кВт*ч, весом 1 тонна и стоимостью 2,7 млн. руб. При этом пробег транспортного средства увеличится с 200 км до 250 км.