ГИБРИДНЫЙ СИЛОВОЙ АГРЕГАТ

Область техники
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в качестве силового агрегата как стационарных, так и транспортных машин, в частности автомобилей с гибридной силовой установкой, имеющих двигатель внутреннего сгорания, асинхронный малошумный двигатель и систему управления ими, включающую преобразователи, и может быть использовано в различных областях техники, например, в качестве силовой установки в таких транспортных средствах, как скутера, мотоциклы, квадроциклы, снегоходы и катера.
Уровень техники
Известны гибридные силовые агрегаты транспортных средств, включающие двигатель внутреннего сгорания, электроаккумуляторы, электромеханическую трансмиссию, имеющую в своем составе электрогенератор, электродвигатель, систему управления и механическую передачу с простым (однократным) разделением потока мощности, где присутствуют дифференциальные механизмы (Н.В. Гулиа, «Удивительная механика», М., ЭНАС, 2006, стр. 167, схема гибридного автомобиля Toyota Prius).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является то, что в приведенном устройстве Toyota Prius относительно невысокая удельная мощность при рекуперации энергии торможения, что, во-первых, связано с малой удельной мощностью электроаккумуляторов, а во-вторых, с пониженной мощностью электромашин в трансмиссии гибрида, не рассчитанной на прохождение полной мощности торможения транспортного средства.
Известен также гибридный силовой агрегат транспортного колесного средства, характеризующийся тем, что включает в себя первичный источник энергии, двигатель внутреннего сгорания с декомпрессором, который с расширением полученных функциональных возможностей двигателя внутреннего сгорания использует только два штатных режима работы: нагрузочный с выключенным декомпрессором и режим маховика, в виде вращающихся деталей двигателя внутреннего сгорания с включенным декомпрессором, накопитель энергии, в котором как минимум используются один супермаховик, маховик в виде вращающихся деталей двигателя внутреннего сгорания с включенным декомпрессором и электрохимический аккумулятор, а также привод, имеющий в своем составе трансмиссию для передачи вращательного момента с возможностью изменения числа оборотов вращения, передающую вращение на привод ведущих колес транспортного средства (RU патент №152878, 19.09.2014).
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата, является сложность конструкции и узкий диапазон эффективного регулирования передаточного отношения, низкий КПД.
За прототип взята конструкция гибридного двигателя (патент US 005343970 А, 1994-09-06). Гибридный двигатель содержит двигатель внутреннего сгорания, генератор и электродвигатель, механически связанные друг с другом и с колесами посредством планетарного редуктора, что позволяет произвольно изменять потоки мощности между этими узлами.
Причинами, по которым нельзя достичь технического результата является невысокая удельная мощность при рекуперации энергии торможения, потери КПД из-за наличия редуктора, а также сложность и дороговизна изготовления системы, механически отключаемой электродвигатель от двигателя внутреннего сгорания.
Технической проблемой является создание силового агрегата на основе двигателя внутреннего сгорания и асинхронного малошумного электродвигателя с системой управления, обеспечивающего высокий КПД и оптимальные режимы работы во всех режимах движения транспортного средства.
Технический результат заключается в снижении массогабаритных показателей и механических потерь отбора энергии для зарядки накопителя энергии и улучшении тяговых и скоростных характеристик двигателя на всех режимах работы при снижении расхода топлива двигателя внутреннего сгорания, то есть КПД.
Технический результат достигается тем, что гибридный силовой агрегат содержит двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, механически связанные друг с другом и с колесами, причем электродвигатель состоит из ротора, интегрированного или жестко посаженого на выходной вал двигателя внутреннего сгорания, статора, жестко закрепленного внутри ротора, системы управления асинхронным двигателем, образуемой статором и ротором, интегрированным с двигателем внутреннего сгорания, где статор и ротор имеют обмотки, собранных одна в звезду, другая в треугольник, большего, чем у стандартного двигателя с одной обмоткой, числа фаз и сложения магнитных полей этих двух обмоток, которая приводит к тому, что такой асинхронный двигатель характеризуется более «гладкой» и близкой к синусоиде кривой М.Д.С., при этом асинхронный электродвигатель обеспечивает свободный инерционный ход без механического отключения его от двигателя внутреннего сгорания из-за отсутствия механического трения между ротором и статор.
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1, 2.
Гибридный силовой агрегат, выполненный в соответствии с полезной моделью, содержит статор 2, жестко закрепленный внутри ротора 3, интегрированный или жестко посаженный на выходной вал 4 двигателя внутреннего сгорания 1, и систему управления 12 асинхронным двигателем 11, образуемую статором 2 и ротором 3, интегрированным с двигателем внутреннего сгорания 1, где статор и ротор имеют обмотки 7, собранные одна в звезду, другая в треугольник, большего, чем у стандартного двигателя с одной обмоткой, числа фаз и сложения магнитных полей этих двух обмоток, которая приводит к тому, что такой асинхронный двигатель характеризуется более «гладкой» и близкой к синусоиде кривой М.Д.С, накопитель энергии (батарея) 13, жгуты проводов 15, объединяющие двигатель внутреннего сгорания 1, асинхронного малошумного двигателя 11, управления ими (контролер 12 и преобразователи 14) и накопитель энергии 13, при этом управление сцеплением возможно механическое, гидравлическое или электроприводное. Принципиальным отличием системы управления является отсутствие отдельной педали сцепления. Функциональность достигается взаимодействием систем управления приводом сцепления с педалью (приводом) акселератора (газа).
Гибридный силовой агрегат работает следующим образом: система управления (контролер 12 и преобразователи 14) подает сигналы на подачу тока с накопителя энергии 13 на статор 2, возбуждая электромагнитное поле асинхронного двигателя 1. Статор 2 и ротор 3 имеют совмещенную обмотку и образуют асинхронный двигатель 1, при этом статор 2 и ротор 3 не имеют физического контакта (через щетки, магниты и др.) и взаимодействуют только через магнитное поле. Данная особенность обеспечивает долговечность двигателя, отсутствие механического сопротивления и электромагнитного при отсутствии подачи тока от накопителя энергии, что обеспечивает свободный инерционный ход. Совмещенная обмотка обеспечивает низкие пусковые токи и высокий пусковой момент.
При установлении магнитного поля ротор 3 начинает вращение, создавая тяговое усилие для запуска двигателя внутреннего сгорания 1, то есть работает как стартер.
Затем при запуске двигателя внутреннего сгорания 1 асинхронный двигатель играет роль дополнительного источника получения момента и мощности, работая с опережением от двигателя внутреннего сгорания 1 и придавая дополнительную мощность и момент на неоптимальных режимах работы двигателя внутреннего сгорания 1, т.е. для бензинового нетурбированного двигателя, к примеру, повышает момент на малых оборотах двигателя для придания большего ускорения. При отсутствии подачи тока с накопителя энергии 13 асинхронный двигатель 1, интегрированный в двигатель внутреннего сгорания, или выполняет роль маховика, отдавая системе накопленную энергию вращения, или рекуперирует энергию и подает ее для зарядки накопителя энергии 13, то есть работает как генератор. Контроль зарядки и динамических усилий проводит система управления через контроллер 12 и преобразователи 14.
Для своевременного включения и выключения асинхронного двигателя 1 используется система управление через контроллер 12 и преобразователи 14, управляющая подачей тока на асинхронный двигатель 11 и контролирующая скорость и момент его вращения. При этом отсутствие механического или электромагнитного сопротивления асинхронного двигателя 11 при отсутствии подачи тока не требует дополнительных устройств отсечения работы электродвигателя 11 от двигателя внутреннего сгорания 1. Отсутствие физического контакта между статором 2 и ротором 3 позволяет практически полностью исключить сопротивление движению при свободном инерционном ходе транспортного средства.
Такая конструкция позволяет также исключить отдельно стоящие в автомобилях традиционного исполнения стартер и генератор, что также снижает массу транспортного средства и механические потери отбора энергии для зарядки накопителя энергии. Для автоматической коробки передач и вариаторов педаль акселератора совмещена с педалью сцепления, и при ее нажатии происходит соединение сцепления трансмиссии с гибридным двигателем и передача крутящего момента по цепочке механизмов на колеса транспортного средства.