Транспортное средство с гибридной силовой установкой
VEHICLE WITH HYBRID POWER UNIT

Изобретение относится к содержащим трансмиссию наземным и водным транспортным средствам, снабженным гибридной силовой установкой, содержащей в своем составе тепловой двигатель, электрическую машину и накопитель электрической энергии. Под трансмиссией, исключительно в контексте данного изобретения, заявитель подразумевает совокупность узлов и агрегатов, посредством которой осуществляется передача крутящего момента, генерируемого гибридной силовой установкой, к рабочему органу транспортного средства. Под тепловым двигателем заявитель подразумевает любое снабженное валом устройство, осуществляющее преобразование энергии топлива, генерируемой в процессе его окисления кислородом воздуха, в механическую энергию вращения вала. Под электрической машиной заявитель подразумевает любое снабженное валом и выводами электрической обмотки устройство, осуществляющее преобразование электрической энергии, подведенной к выводам обмотки, в механическую энергию вращения вала или механической энергии вращения вала в электрическую энергию, генерируемую на выводах обмотки. Под накопителем электрической энергии заявитель подразумевает и электрохимические аккумуляторы, и электрохимические конденсаторы, снабженные присоединительными выводами, которые, в свою очередь, выполнены тем или иным образом (в том числе с помощью электронных преобразующих устройств) электрически соединенными с выводами электрической машины.
Из материалов к патенту US 8191660, 7МПК В60К 6/42, публ. 05.06.2012 г., известно транспортное средство, снабженное трансмиссией и гибридной силовой установкой, содержащей тепловой двигатель, электрическую машину и накопитель электрической энергии. В данном решении вал теплового двигателя выполнен кинематически соединенным и с трансмиссией транспортного средства, и с валом электрической машины. При этом кинематическая связь вала электрической машины с валом теплового двигателя осуществлена посредством зубчатой передачи постоянного зацепления, образованной зубчатым венцом маховика, закрепленного на валу теплового двигателя, и шестерней, закрепленной на валу электрической машины. Из описания к патенту известно также, что электрическая машина выполнена с возможностью ее установки на штатное, для серийно выпускаемого теплового двигателя, место расположения стартера, что транспортное средство может быть снабжено кинематически связанным с валом теплового двигателя известным из уровня техники и установленным известным образом дополнительным генератором электрической энергии, что транспортное средство снабжено дополнительным, к штатному, накопителем электрической энергии, который является усовершенствованным вариантом свинцово-кислотного электрохимического аккумулятора.
К недостаткам решения по патенту следует отнести:
- Достаточно большие габаритные размеры зубчатой передачи между валами теплового двигателя и электрической машины, т.к. в качестве зубчатого колеса использован маховик теплового двигателя. Повышенные потери в электрической машине, в случае ее работы в режиме генератора, при больших частотах вращения вала теплового двигателя.
- Неравномерность распределения веса гибридной силовой установки относительно продольной геометрической оси транспортного средства, обусловленную компоновочной привязкой электрической машины к тепловому двигателю.
- Невозможность дальнейшего использования транспортного средства в случае потери работоспособности теплового двигателя. Указанное явление обусловлено постоянной кинематической связью вала электрической машины с валом теплового двигателя и конверсией теплового двигателя, в случае его отказа, из источника механической энергии в пневмо-механический тормоз.
- Увеличенные механические потери гибридной силовой установки во время работы ее электрической машины в режиме генератора при полностью заряженном накопителе электрической энергии. Потери обусловлены постоянной кинематической связью вала электрической машины с валом теплового двигателя и конверсией, в данном режиме, вращающихся компонентов электрической машины в инерционную массу, величина которой находится в прямой пропорциональной зависимости от мощности применяемой электрической машины.
Из книги «Toyota PRIUS». Модели 2003-2009 гг. выпуска. Устройство, техническое обслуживание и ремонт», М. «Легион-Автодата», 2009, ISBN978-5-88850-359-9, стр. 6…9 известны транспортные средства, снабженные трансмиссией и гибридными силовыми установками, в состав которых входят тепловой двигатель, первая и вторая электрические машины, планетарный редуктор и накопитель электрической энергии, содержащий низковольтную и высоковольтную батареи. Планетарный редуктор включает в себя водило с сателлитами, солнечную и коронную шестерни. При этом вал теплового двигателя выполнен кинематически связанным, с возможностью передачи вращения, с водилом планетарного редуктора, вал первой электрической машины выполнен кинематически связанным, с возможностью передачи вращения, с солнечной шестерней планетарного редуктора, вал второй электрической машины выполнен кинематически связанным, с возможностью передачи вращения, с коронной шестерней планетарного редуктора, которая, в свою очередь, выполнена кинематически связанной, с возможностью передачи вращения, с трансмиссией транспортного средства. Первая электрическая машина выполнена с возможностью работы в режиме стартера при запуске теплового двигателя, в режиме генератора при избытке мощности, развиваемой тепловым двигателем, а также в режиме электромагнитного тормоза (совместно с планетарным редуктором является виртуальным механизмом сцепления). Вторая электрическая машина выполнена с возможностью работы в режиме тягового электродвигателя при разгоне транспортного средства и в режиме генератора (рекуператора) при его торможении.
Транспортные средства обладают следующими техническими характеристиками:
Вес транспортного средства 1250 кг, используемый запас энергии высоковольтной батареи составляет 2,56 МДж, что обеспечивает, без помощи теплового двигателя, 4 попытки разгона транспортного средства до 108 км/час; 1…5 минутная зарядка накопителя электрической энергии от штатного зарядного устройства или от аккумулятора - донора обеспечивает 2…3 пуска теплового двигателя.
При этом номинальный запас энергии высоковольтной батареи составляет 6,4 МДж, максимальный ток разряда 80 А, максимальный ток заряда 50 А, масса около 50 кг.
Из вышеприведенных данных видно, что:
- Мощность первой электрической машины (генератора, штатно пополняющего накопитель электрической энергии) в 2,4 (для модели NHW10) и в 5,4 раза (для модели ZVW30) меньше мощности теплового двигателя.
- Мощность второй электрической машины (тягового электродвигателя и рекуператора), в среднем, в 1,4 раза меньше мощности теплового двигателя.
- Мощность гибридной силовой установки на синергетическом режиме, в среднем, в 1,3 раза больше мощности теплового двигателя.
- Время работы накопителя в режиме отдачи энергии при максимально возможном ускорении транспортного средства на электрической тяге составляет, ориентировочно, от 40 до 60 сек.
- Удельная мощность высоковольтной батареи 128 кДж/кг.
Сопоставление приведенных выше параметров высоковольтных батарей моделей PRIUS с характеристиками электрохимических аккумуляторов и конденсаторов, упомянутых на интернет ресурсах https://alternativenergy.ru/tehnologii/471-akkumulyatory-razlichnyh-vidov.html и http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm, взято 27.03.2016, показывает, что в качестве высоковольтного накопителя электрической энергии использован электрохимический аккумулятор. Последнее, косвенно, подтверждается относительно малой электрической мощностью первой электрической машины, которая сохранялась неизменной для моделей PRIUS, продажи которых стартовали в 1997…2009 г.г., при 2-кратном росте мощностей теплового двигателя и второй электрической машины.
2
Ориентировочный расчет показывает, что при коэффициенте трения качения пневматической шины по сухому асфальту равном 0,011, при равномерном движении на горизонтальном участке дороги, при исключительном использовании энергии электрического накопителя транспортные средства семейства PRIUS способны преодолеть около 5 км. При этом развиваемое моделью ZVW30 ускорение равно 3 м/с(0,31g).
Отступление от моделей PRIUS:
1. Из интернет ресурса -
http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm известно:
1.1 Оснащенное гибридной силовой установкой транспортное средство, а именно Е-мобиль, накопитель электрической энергии которого, способен полностью зарядиться за 10 минут.
1.2 Выпускаемые серийно электрохимические конденсаторы - наиболее быстро заряжаемая разновидность накопителя электрической энергии, способны полностью зарядиться за время от 15 до 40 минут. Время заряда, в основном, зависит от возможностей зарядного устройства.
1.3 Удельная стоимость силовых конденсаторов, по состоянию на 2010 г., равна 1,28$ за 1 кДж запасенной энергии при ожидаемом сроке эксплуатации свыше 10 лет (по данным ресурса https://alternativenergy.ru/tehnologii/471-akkumulyatory-razlichnyh-vidov.html около 20 лет, в то время как срок эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов составляет от 3 до 5 лет).
2. Из интернет ресурса
2
2
2
2
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 известно, что величина ускорений для среднестатистического легкового автомобиля, при его разгоне, равна 1,5 м/с (0,2 g), при его аварийном торможении 4…6 м/с (0,5 g), гоночного автомобиля, при его разгоне, 8…9 м/с (1 g), космического корабля, при его старте и торможении, 40…60 м/с (4…6 g), где g - ускорение свободного падения.
Из интернет ресурса https://dtp-profi.ru, взято 04.05.2016. известно, что время реакции водителя, в зависимости от дорожно - событийной ситуации, изменяется от 0,6 с (когда водитель предполагает высокую вероятность событийного эксцесса), до 1,4 с (когда водитель не ожидает событийного эксцесса). При этом под временем реакции водителя (человека) заявитель понимает интервал времени, истекший от момента поступления информационного сигнала до ответной реакции организма на этот сигнал.
Кроме того, следует отметить, что соревнования гоночных автомобилей проводятся на специально организованных трассах, а управление транспортным средством при одновременном воздействии на пилота перегрузки, величина которой превышает 1 g, требует от последнего определенной подготовки.
3. Из интернет ресурса https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5, информация получена 26.03.2016, известно, что:
3.1. До тридцати процентов времени тепловые двигатели эксплуатируемых в городах транспортных средств работают на холостом ходу из-за остановок на светофорах, в пробках и при других помехах движению.
3.2. Алгоритм управления некоторых моделей автомобилей BMW и Audi, предусматривает возможность реализации режима «старт-стоп», в основе которого лежит правило - при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) мотор глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт).
3.3. На ряде транспортных средств, в частности на некоторых моделях автомобилей Volkswagen, в режиме их разгона, генератор выполнен с возможностью отключения, но при этом существуют условия, при которых исполнение режима старт - стоп блокировано. Одним из таких условий является низкий уровень заряда накопителя электрической энергии.
3.4. Тормозной путь автомобиля очень мал, по сравнению с проезжаемым им путем, и составляет от нескольких метров, до нескольких десятков метров (водитель обычно относительно резко тормозит у самого светофора или места назначения, или вообще подъезжает к месту назначения накатом).
3.5. Тормозной момент, развиваемый используемой для рекуперации электрической машиной, пропорционален разности между реальной скоростью транспортного средства и некоторой заданной «пороговой скоростью», зависящей от настройки системы управления рекуперативным торможением. При скорости транспортного средства ниже пороговой рекуперирующая электрическая машина будет тянуть, а не тормозить.
4. Из выложенной на интернет ресурсе http://technomag.edu.ru/doc/588384.html статьи «Совершенствование процесса рекуперации энергии гибридного автомобиля», авторы С.В. Бахмутов, А.И. Филонов, Е.Е. Баулина, Россия, ГНЦ ФГУП «НАМИ», Университет машиностроения (МАМИ), опубл. 07.06.2013 в электронном научно-техническом журнале МГТУ им. Н.Э. Баумана «Наука и образование», стр. 111, известно, что «…при торможении запасается лишь 12% от всей кинетической энергии, которую теоретически можно было бы вернуть в накопитель во время замедления. …процесс рекуперации невозможен при низких скоростях движения и по причине ограничения тока (а значит и мощности) зарядки во избежание разрушения свинцово-кислотных батарей, установленных на (описанном в статье, экспериментальном - прим. заявителя) автомобиле.» При этом заявитель хотел бы отметить, что в отличие от электрохимических конденсаторов, электрохимические аккумуляторные батареи характеризуются меньшими амплитудами безопасного (допустимого) зарядного тока, а также ограниченной способностью принимать заряд при отрицательных температурах; свинцово-кислотные аккумуляторные батареи характеризуются более высокой удельной мощностью, по сравнению с никель-металлгидридными и никель-металлполимерными аккумуляторными батареями, но относительно низким ресурсом работы.
5 - Из материалов к патенту на изобретение RU 2304231, 6МПК F02M 27/04, F02B 51/02 и 51/04, публ. 10.08.2006, известно, что серийно выпускаемые, на дату приоритета (25.02.2005) цитируемого изобретения, трехкомпонентные нейтрализаторы для бензиновых тепловых двигателей эффективно работают при температуре не менее 350°C, что время разогрева нейтрализатора до указанной температуры составляет не менее 4…6 мин, что количество токсичных компонентов, выброшенных через нейтрализатор остывшим двигателем в процессе его 10 запусков, сравнимо с количеством токсичных компонентов, выделенных двигателем через нейтрализатор при пробеге автомобилем 100 км в условиях города.
Энергетические затраты на запуск холодного теплового двигателя, повышенная токсичность процессов сгорания топлива в холодном тепловом двигателе, способность холодного теплового двигателя к отдаче полезной нагрузки, а также тепловая инерция нейтрализатора порочат целесообразность начала движения транспортного средства на электротяге с последующим (на ходу) запуском холодного теплового двигателя. Кроме того, теплоемкость нейтрализатора и его теплоотдача в окружающую внешнюю среду ограничивают допустимое, с экологической точки зрения, время простоя транспортного средства с неработающим тепловым двигателем.
6 - Из материалов к патенту на изобретение RU 2554158, 6МПК F01N 3/28, F02N 11/08, публ. 27.06.2015, известно, что температуры выхлопных газов тепловых дизельных двигателей небольшого объема, в городских условиях, при небольшой нагрузке (при малом расходе топлива), при частом использовании для движения автомобиля «инерции», не превышают 100…200°C.
7 - Из материалов к патенту на полезную модель RU 66630, 6МПК Н02Р 1/00, публ. 10.09.2007, известно, что величина электрического тока, необходимая для предварительного нагрева каталитического нейтрализатора, в случае если он снабжен электрическим подогревателем, сопоставима с величиной электрического тока, потребляемого стартером во время запуска теплового двигателя.
8 - Из материалов к патенту на полезную модель RU 12840, 7МПК F01N 3/28, публ. 10.02.2000, известен каталитический нейтрализатор для дизельного теплового двигателя, содержащий в своем составе тепловой аккумулятор.
Из пп. 1.3, 3.4, 3.5, 4 отступления следует, что реализация режима рекуперативного торможения, для транспортных средств, эксплуатируемых в апериодических условиях, будет иметь меньший эффект, по сравнению с транспортом, движущимся по маршруту с регулярными остановками, по сравнению со спецтехникой, те или иные органы которой совершают регулярные возвратно-поступательные движения.
Из п. 1.3 (тем более с учетом токсичности компонентов, содержащихся в накопителях электрической энергии) и п. 2 отступления следует, что повышение разгонной динамики сверх среднестатистических значений оправдано для спортивных автомобилей, передвигающихся по специально подготовленным трассам, и для спецтранспорта. Исходя же из загрузки дорог, которая зачастую приближается к их пропускной способности, целесообразней говорить о приведении разгонной динамики разных типов автомобилей к единому (стандартизованному) знаменателю.
Из пп. 3.2, 3.3, 5…8 отступления следует, что массовое внедрение на автомобилях режима «старт - стоп» приведет к усложнению систем, регулирующих выбросы отработанных газов теплового двигателя, и, соответственно, к увеличению их стоимости. При этом следует учитывать, что тепловой двигатель, при остановке автомобиля (в пробке, на светофоре и т.д.), обладает 100% избыточной мощностью (без учета затрат на энергообеспечение систем комфорта, освещения, связи и сигнализации).
Согласно материалов к патенту US 4365606, 3МПК F02M 31/00, публ. 17.01.1980 г., а также исходя из соотношения - 1 кал/сек - 4,1868 Вт, см. справочник «Физические величины» под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова, М. Энергоатомиздат 1991 г., стр. 32, транспортное средство, снабженное 2 л. бензиновым двигателем, при температуре окружающего воздуха 20°C и скорости движения около 70 км/час рассеивает с выхлопными газами около 2800 кал/сек (11,723 кВт) тепла, при скорости около 100 км/час - около 5600 кал/сек (23,446 кВт, температура выхлопных газов достигает 750°C при скорости потока 90 кг/час), а при скорости около 120 км/час - уже около 8300 кал/сек (34,750 кВт). Принимая во внимание, что полезная работа, совершаемая среднестатистическим, на дату публикации цитируемого патента, тепловым двигателем, составляла около 20% от количества тепла, рассеиваемого в атмосферу системой охлаждения и выхлопными газами - избыточная мощность, цитируемого в материалах к патенту US 4365606 теплового двигателя, при временной остановке транспортного средства, составляла не менее 2,4, 4,7 и 6,9 кВт на режимах работы теплового двигателя, соответствующих скоростям движения транспортного средства 70, 100 и 120 км/час. Аппроксимируя упомянутое и изложенное в начале данного абзаца, а также упомянутое п.п. 1.1, 1.2 отступления, приходим к гипотетическому (на текущий момент времени) режиму «старт - старт», в основе которого лежит правило - при остановке автомобиля (в пробке, на светофоре и т.д.) тепловой двигатель переводится в режим минимального удельного расхода топлива или близкий к нему (как правило, данный режим характеризуется довольно высоким крутящим моментом, развиваемым на валу теплового двигателя).
Сказанное уместно для разряженного накопителя электрической энергии. В случае если накопитель электрической энергии, в процессе временного простоя автомобиля, зарядился полностью, а процесс простоя продолжается - тепловой двигатель может быть переведен на режим минимально возможного расхода топлива или, если позволяет температура каталитического нейтрализатора токсичности отходящих газов, температура накопителя электрической энергии, а также собственная температура теплового двигателя, заглушен.
2
На первый взгляд режим «Старт-старт» неприемлем. Однако, из книги И.С. Туревского «Теория автомобиля», М. Высшая школа», 2005, стр. 23, а именно из математических выражений 2.17 и 2.18 известно, что мощность (N), затрачиваемая на преодоление силы инерции транспортного средства, может быть охарактеризована зависимостью N=m(1,05+0,05f)/v, где
m - масса транспортного средства;
f - передаточное отношение трансмиссии;
v - скорость транспортного средства.
При этом выражение в скобках показывает влияние момента инерции вращающихся масс маховика и колес.
Цитированную математическую зависимость наглядно иллюстрирует мгновенный расход топлива одним из автомобилей модели «Lada-Granta» с двухгодичным сроком эксплуатации:
- активный разгон с места на 1 передаче - до 38…40 л/100 км;
- разгон перед переходом на 3 передачу - до 8 л/100 км;
- равномерное движение на 4 передаче - около 5 л/100 км.
Таким образом, режим «Старт-старт» может не только иметь право на существование, но и, в ряде случаев, быть более эффективным, по сравнению с режимом рекуперации энергии.
При этом хотелось бы заметить, что при запуске ряда кривошипно-шатунных двигателей с принудительным зажиганием и опосредованной форсункой (форсунками) топливоподачей определение цилиндра, где будет инициирован электроискровой разряд, носит вероятностный характер. Данный технический момент, равно как и сниженная после останова ДВС температура стенок цилиндров и головки (в сравнении с их температурами, имеющими место в процессе работы), ведет к выбросу в систему выпуска отработанных газов несколько увеличенной части несгоревшего углеводородного топлива, которая непроизводительно сгорает в каталитическом нейтрализаторе. Существующие стандарты, регламентирующие токсичность выхлопных газов тепловых двигателей, ограничивают выбросы окисей углерода и азота, а также углеводородов, но не регламентируют расход кислорода. Массовое внедрение режима «Старт-стоп», скорее всего, будет способствовать, в условиях крупных городов, дополнительному (без выполнения полезной работы) снижению концентрации кислорода в воздухе. Производители и эксплуатанты тепловых двигателей оценивают экологические параметры последних в соответствие со стандартами, вряд ли кто оценивает экологичность процесса использования транспортного средства по величинам израсходованного кислорода и производительно использованной работы (в том числе запасенной), имеющим место в результате сжигания топлива. При этом известно, что снижение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе ведет к увеличению дыхательной активности легких, что неизбежно способствует росту количества поглощенных легкими пыли и газообразных, в том числе, токсичных компонентов. Упомянутый факт особенно опасен для детей дошкольного возраста, организм которых характеризуется меньшим ростом (находятся в зоне более высоких концентраций вредных компонентов), и более высоким, по сравнению со взрослыми, метаболизмом.
Устройства шумоподавления систем впуска воздуха и выпуска отработанных газов теплового двигателя, естественно, должны быть настроены на максимальное подавление акустических шумов, генерируемых именно на режиме «старт - старт». Напомним, что данный режим должен, предпочтительно, характеризоваться пониженным удельным расходом топлива и, одновременно, довольно высоким крутящим моментом, развиваемым на валу теплового двигателя.
Подавление акустических шумов может быть достигнуто применением широко известных из уровня техники звукоизолирующих панелей и виброизолирующих узлов, а также применением не имеющих, пока, широкого распространения пассивных шумоподавляющих модулей и/или активных шумоподавляющих средств. Одним из примеров применения пассивных шумоподавляющих модулей может служить решение по патенту RU 2512134, 6МПК B62D 25/08, B60R 13/08, G10K 11/16, публ. 10.04.2014, из которого известно транспортное средство, снабженное совокупностью акустических резонаторов и расширительных камер; одним из примеров применения активных шумоподавляющих средств может служить решение по патенту RU 2275520, 6МПК F02B 77/11, публ. 27.04.2006, из которого известен способ снижения шума транспортного средства, заключающийся в глушении спектра шумов, генерируемых тепловым двигателем, посредством излучения компенсирующих противофазных сигналов с амплитудами, эквивалентными амплитудам спектра заглушаемых шумов.
Субъективно: - существующие легковые автомобили обладают максимальной шумностью при их работе на режимах старта и разгона, при равномерном же движении транспортных средств на повышенных скоростях акустический шум шин становится сравнимым, а в ряде случаев даже более заметным, по сравнению с шумом теплового двигателя.
Возвращаясь к упомянутым выше моделям Toyota PRIUS выделим присущие им недостатки:
- Высокую стоимость транспортного средства, обусловленную наличием двух электрических машин, суммарная электрическая мощность которых сопоставима с мощностью теплового двигателя.
- Относительно длительный интервал времени заряда высоковольтной батареи (Ni содержащего) накопителя электрической энергии, что не позволяет максимально эффективно использовать наличную в период кратковременного простоя транспортного средства избыточную мощность теплового двигателя.
- Невозможность использования транспортного средства в случае отказа первой электрической машины, что обусловлено опосредованным этой машиной управлением тепловым двигателем.
- Увеличенные механические потери гибридной силовой установки во время ее работы при разряженном или заряженном, но не отдающем энергии, накопителе электрической энергии. Рост механических потерь обусловлен конверсией второй электрической машины в инерционную массу, величина которой находится в прямой пропорциональной зависимости от мощности электрической машины, постоянно связанную с трансмиссией автомобиля.
- Сложность диагностики теплового двигателя; из статьи «Неисправности гибридных установок автомобилей», автор В.А. Раков, Технические науки: современные проблемы и перспективы развития. Сборник материалов 1 Международной научно-практической конференции, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, «Типография «Вертикаль», 2013 г., ISBN - 978-5-905371-41-7, так же размещено на интернет ресурсе http://mgutupenza.ru/mni/content/files/2012_Rakov.pdf, известно, что проверить работу теплового двигателя гибридной силовой установки затруднительно, т.к. его запуск и управление осуществляет электронный блок управления и только в режиме потребления мощности; что отказы теплового двигателя составляют 71% от суммы всех отказов гибридной силовой установки; что отказы накопителя электрической энергии, за указанный в статье период эксплуатации, составили 2,5% от общего числа неисправностей. При этом в статье отмечается, что причиной выхода из строя накопителя электрической энергии (весьма дорогого компонента транспортного средства) являлись неисправности теплового двигателя.
В качестве прототипа изобретения принято известное из материалов к патенту RU 2557103, 6МПК В60W 10/02, публ. 20.07.2015 г., конвекционный приоритет 01.07.2011 JP 2011-147035, транспортное средство, снабженное трансмиссией и гибридной силовой установкой, в состав которой входят первое и второе фрикционные сцепления, тепловой двигатель, электрическая машина и накопитель электрической энергии. В данном техническом решении вал электрической машины выполнен соединенным посредством первого фрикционного сцепления с выходным валом теплового двигателя и посредством второго фрикционного сцепления с трансмиссией транспортного средства. Первое и второе фрикционные сцепления выполнены управляемыми посредством электронно-гидравлических систем.
При разомкнутом (расцепленном) первом фрикционном сцеплении и замкнутом (сцепленном) втором фрикционном сцеплении гибридная силовая установка обеспечивает перемещение транспортного средства посредством электрической машины, работающей в режиме тягового электрического двигателя, получающего энергию от накопителя электрической энергии.
При замкнутом первом и втором фрикционных сцеплениях гибридная силовая установка обеспечивает перемещение транспортного средства:
- если накопитель электрической энергии в достаточной степени заряжен - посредством теплового двигателя и электрической машины, работающей в режиме тягового электрического двигателя, получающего энергию от накопителя электрической энергии.
- если накопитель электрической энергии разряжен - посредством теплового двигателя; в данном режиме электрическая машина выполнена с возможностью ее работы в режиме генератора, обеспечивающего заряд накопителя электрической энергии.
При разомкнутом втором фрикционном сцеплении и замкнутом первом фрикционном сцеплении электрическая машина выполнена с возможностью ее работы в режиме стартера, обеспечивающего запуск теплового двигателя, или в режиме генератора, обеспечивающего заряд накопителя электрической энергии. При этом прямое (без редуцирования) соединение электрической машины и теплового двигателя предполагает использование в транспортном средстве по патенту RU 2557103 высоко моментной электрической машины (фактически, как и в моделях PRIUS), которая, в свою очередь, предполагает предпочтительное использование в качестве накопителя электрической энергии электрохимического аккумулятора.
К недостаткам решения по патенту RU 2557103 следует отнести:
- Увеличенные механические потери гибридной силовой установки во время ее работы при разряженном или заряженном, но не отдающем энергии, накопителе электрической энергии. Рост механических потерь обусловлен конверсией электрической машины в инерционную массу, величина которой находится в прямой пропорциональной зависимости от мощности электрической машины, постоянно связанную с трансмиссией автомобиля.
- Значительное падение напряжения в бортовой сети транспортного средства в момент запуска теплового двигателя, что может приводить к временной потере работоспособности некоторых систем транспортного средства; возможность существования указанного явления упомянута в материалах к заявке WO 2012/008305, 6МПК F02N 11/08, публ. 19.01.2012 г.
- Малый пробег транспортного средства при использовании в качестве накопителя электрической энергии электрохимических конденсаторов.
- Увеличенные механические потери гибридной силовой установки, обусловленные применением двух (первого и второго) фрикционных сцеплений (из сложившейся практики конструирования тепловых двигателей - величины инерционных масс фрикционных сцеплений, обычно, несколько выше величин инерционных масс маховиков, необходимых для вывода кривошипно-шатунных механизмов тепловых двигателей из положений, соответствующих «мертвым точкам»).
Задачей изобретения было создание транспортного средства с максимально возможной, на современном этапе развития техники, эффективностью использования топлива. При этом силовая установка должна обеспечивать надежную диагностику технического состояния и теплового двигателя, и электрической машины, а также способность к выполнению, пусть и с меньшей эффективностью, возложенных на транспортное средство функций при отказе одного из ее энергетических агрегатов (или теплового двигателя, или электрической машины, или накопителя электрической энергии).
Задача решается в транспортном средстве, включающем в себя трансмиссию и гибридную силовую установку, далее ГСУ, содержащую тепловой двигатель, далее ТД, снабженный валом, электрическую машину, далее ЭМ, снабженную валом и выводами электрической обмотки, а также накопитель электрической энергии, далее НЭ, снабженный присоединительными выводами электрически соединенными, в том числе с помощью электронных преобразующих устройств, с выводами ЭМ.
Задача решается тем, что ГСУ ТС выполнена снабженной зубчатым планетарным четырехзвенным механизмом, далее ПМ, содержащим солнечную и коронную шестерни, водило и, по меньшей мере, одну шестерню-сателлит, а также обгонной муфтой (муфтой свободного хода), далее ОМ, содержащей первую и вторую (топонимика условна) полумуфты. Где, вал ТД выполнен кинематически, с возможностью передачи вращения, связанным с водилом ПМ, вал ЭМ выполнен кинематически, с возможностью передачи вращения, связанным со второй полумуфтой ОМ, первая полумуфта ОМ выполнена кинематически, с возможностью передачи вращения, связанной с солнечной шестерней ПМ, коронная шестерня выполнена кинематически, с возможностью передачи вращения, связанной с трансмиссией транспортного средства.
При этом ПМ и ОМ выполнены с возможностью:
- кинематического соединения валов ЭМ и ТД при угловых скоростях вращения вала ТД величины которых меньше превентивно заданного интервала величин угловых скоростей вращения вала ЭМ, работающей в режиме электродвигателя, с учетом передаточного отношения ПМ;
- кинематического разъединения валов ЭМ и ТД при угловых скоростях вращения вала ТД, величины которых больше превентивно заданного интервала величин угловых скоростей вращения вала ЭМ, работающей в режиме электродвигателя, с учетом передаточного отношения ПМ;
Задача дополнительно может решаться тем, что:
- ГСУ выполнена снабженной фрикционной муфтой, выполненной с возможностью торможения солнечной шестерни ПМ;
- ОМ выполнена с возможностью реверсирования;
- НЭ выполнен образованным ионисторами (электрохимическими конденсаторами) и электрохимическими аккумуляторами.
- ГСУ выполнена снабженной дополнительной нормально замкнутой, муфтой, выполненной и установленной, преимущественно, с образованием кинематической, с возможностью передачи вращения, связи между солнечной шестерней ПМ или диском фрикционной муфты и первой полумуфтой ОМ, а также с возможностью кинематического разъединения солнечной шестерни ПМ или диска фрикционной муфты и первой полумуфты ОМ, по меньшей мере, на период буксировки ТС.
Изобретение поясняется следующими рисунками:
- Фиг. 1, где изображена концептуальная кинематическая схема ТС.
- Фиг. 2, где показано вариативное изменение концептуальной кинематической схемы ТС в случае использования в составе ТС фрикционной муфты.
- Фиг. 3, где показано вариативное изменение концептуальной кинематической схемы ТС в случае использования в составе ТС фрикционной муфты и дополнительной муфты (для наглядности показана конусная односторонняя фрикционная муфта).
- Фиг. 4*, где изображены иллюстративные схемы работы ПМ (слева) и ОМ (справа) с указанием векторов угловых скоростей вращения водила и шестерен ПМ, а также первой и второй полумуфт ОМ, характерных для режима запуска ТД посредством ЭМ, работающей в режиме электродвигателя.
- Фиг. 5*, где изображены иллюстративные схемы работы ПМ (слева) и ОМ (справа) с указанием векторов угловых скоростей вращения водила и шестерен ПМ, а также первой и второй полумуфт реверсированной ОМ, характерных для режима «Старт-Старт» при совместной работе ТД и ЭМ, работающей в режиме генератора.
- Фиг. 6, где изображены иллюстративные внешние скоростные характеристики ТД и ЭМ, работающей в режиме электродвигателя.
Примечание:
1* - Направления векторов угловых скоростей вращения водила и шестерен ПМ, а также первой и второй полумуфт ОМ показаны исходя из следующих допущений (если смотреть на плоскость чертежа):
- работе ТД соответствует вращение вала ТД (водила ПМ) «по часовой стрелке»;
- движению ТС вперед соответствует вращение коронной шестерни ПМ «по часовой стрелке».
2. - В силу широкой известности примененных в изобретении узлов и ясности графических изображений цифровая нумерация узлов и входящих в них деталей на чертежах и ниже по тексту не показана.
Изобретение может быть реализовано в любом из ниже описанных вариантов, каждый из которых, в зависимости от решаемой создателями ТС конкретной задачи, имеет свои преимущества.
Вариант базовый.
Изобретение может быть реализовано в ТС включающем в себя трансмиссию и ГСУ, содержащую тепловой двигатель, далее ТД, снабженный валом, электрическую машину, далее ЭМ, снабженную валом и выводами электрической обмотки (не показаны), а также накопитель электрической энергии, далее НЭ, снабженный присоединительными выводами электрически соединенными, в том числе с помощью электронных преобразующих устройств, с выводами ЭМ (накопитель, электрические цепи и электронные преобразующие устройства не показаны). ГСУ выполнена снабженной ПМ, содержащим солнечную и коронную шестерни, водило и, например, три шестерни-сателлита, а также ОМ, содержащей первую и вторую (нумерация условна) полумуфты. При этом шестерни-сателлиты (далее сателлиты) выполнены установленными с возможностью зацепления их зубчатых венцов с зубчатыми венцами коронной и солнечной шестерен, а также кинематически связанными, с возможностью вращения относительно своих продольных геометрических осей, с водилом ПМ.
В общем случае, под термином «обгонная муфта» заявитель подразумевает любую разновидность сцепных самоуправляющихся муфт, иначе - муфт свободного хода, передающих вращающий момент только в одном направлении. При этом заявитель различает нереверсивные, выполненные с возможностью передачи вращающего момента исключительно в одном, обусловленном конструкцией ОМ, направлении, и реверсивные, содержащие в своем составе механизм реверса, обеспечивающий возможность превентивного задания направления передачи усилия. Некоторое множество кинематических схем обгонных муфт проиллюстрировано в книге А.Ф. Крайнева «Словарь-справочник по механизмам.» - 2-е изд. - М.: Машиностроение. - 1987, стр. 408-411.
Возвращаясь к реализующему изобретение ТС добавим, что вал ТД выполнен кинематически, с возможностью передачи вращения, связанным с водилом ПМ, вал ЭМ выполнен кинематически, с возможностью передачи вращения, связанным со второй полумуфтой ОМ, первая полумуфта ОМ выполнена кинематически, с возможностью передачи вращения, связанной с солнечной шестерней ПМ, коронная шестерня выполнена кинематически, с возможностью передачи вращения, связанной с трансмиссией транспортного средства.
ПМ и ОМ выполнены с возможностью кинематического соединения валов ЭМ и ТД при угловых скоростях вращения вала ТД, величины которых меньше превентивно заданного интервала величин угловых скоростей вращения вала ЭМ, работающей в режиме электродвигателя, с учетом передаточного отношения ПМ, и кинематического разъединения валов ЭМ и ТД при угловых скоростях вращения вала ТД величины которых больше превентивно заданного интервала величин угловых скоростей вращения вала ЭМ, работающей в режиме электродвигателя, с учетом передаточного отношения ПМ. При этом величины превентивно заданного интервала угловых скоростей, при которых обеспечены передача ОМ вращающего момента или обгон определяются, в том числе, соотношением крутящих моментов и частот вращения, реализуемых на валах ТД и ЭМ, работающей в режиме электродвигателя, примененных в конкретном ТС.
Кинематическая связь коронной шестерни ПМ с трансмиссией ТС может быть выполнена фрикционной, зубчатой, цепной или ременной, в зависимости от технических требований, предъявляемых к ТС. При этом на чертеже Фиг. 1, исключительно для графического (визуального) отделения трансмиссии, показана реализация упомянутой кинематической связи посредством цепной передачи.
Итак, в соответствии с иллюстрацией Фиг. 1, трансмиссия ТС может быть выполнена содержащей прямую зубчатую передачу, включающую в себя ведущую звездочку, ведомую звездочку и цепь, посредством которой соединены зубчатые венцы ведущей и ведомой звездочек. Где ведущая звездочка выполнена кинематически, с возможностью передачи вращающего момента, связанной с коронной шестерней ПМ. Иллюстрирующая изобретение трансмиссия ТС включает в себя также промежуточный вал, первый и второй карданные валы, а также первый и второй дифференциальные механизмы. При этом ведомая звездочка прямой зубчатой передачи выполнена кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенной с промежуточным валом трансмиссии ТС, оппозитные концы промежуточного вала выполнены кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенными, соответственно, с первым и вторым карданными валами противолежащие, относительно промежуточного вала, концы которых, в свою очередь, выполнены, кинематически, с возможностью передачи вращения, соединенными, соответственно, с первым и вторым дифференциальными механизмами, каждый из которых, в свою очередь, кинематически, с возможностью передачи вращения, выполнен соединенным с двумя оппозитно расположенными рабочими органами. На иллюстрации показана трансмиссия ТС (автомобиля), снабженного двумя ведущими мостами и четырьмя ведущими рабочими органами (колесами). В принципе, может быть реализована любая иная, известная из уровня техники, схема распределения рабочих органов ТС, трансмиссия ТС может быть выполнена снабженной, по меньшей мере, одним межосевым дифференциальным механизмом, в качестве рабочих органов могут быть использованы иные, отличные от колес, движители (например, шнековые или винтовые…), взамен карданных валов могут быть использованы валы, снабженные шарнирами, предпочтительно, равных угловых скоростей.
Из иллюстрации Фиг. 1 видно, что, по меньшей мере, ПМ и ОМ ГСУ, промежуточный вал и прямая передача трансмиссии могут быть выполнены расположенными в едином, цельном или составном, корпусе, к которому, при необходимости, может быть пристыкована раздаточная коробка и/или коробка отбора мощности (раздаточная коробка и/или коробка отбора мощности могут быть выполнены размещенными в полости корпуса), в котором могут быть размещены фрикционная и дополнительная муфты (будут показаны ниже), а в ряде случаев и межосевой дифференциальный механизм (не показан). При этом упомянутый корпус может быть выполнен агрегатированным с ТД или с ЭМ, агрегатированным и с ТД и с ЭМ, а также может быть выполнен отдельно расположенным. Последнее, в совокупности с размещением НЭ на ТС, обеспечивает возможность создания транспортного средства с оптимальным, в зависимости от назначения, продольным и поперечным весовым распределением (центровкой) входящих в его состав агрегатов, что, косвенно, также способствует повышению эффективности использования топлива (повышает проходимость в сложных дорожных условиях). Возможность же выделения ПМ и ОМ ГСУ, промежуточного вала и прямой передачи трансмиссии (а также, по меньшей мере, фрикционной и дополнительной муфт, о которых будет сказано ниже), в единый агрегат, не реализованная в моделях «Toyota PRIUS», повышает ремонтопригодность ТС, а при наличии резервных агрегатов, обеспечивает быстрое восстановление его работоспособности. Исходя из возможности и целесообразности выделения упомянутого выше в локальный агрегат, возникает необходимость терминологического обозначения этого агрегата. Заявитель предлагает использовать, по меньшей мере, будет использовать в дальнейшем описании данного изобретения, термин альтернатор - производный от латинского слова alternation - чередование.
ТС, в описанном выше варианте реализации, работает следующим образом:
1. Режим запуска ТД, см. Фиг. 4.
В начальный момент времени ТС остановлено (коронная шестерня ПМ остановлена), ТД остановлен (водило ПМ остановлено), ЭМ обесточена (солнечная шестерня ПМ остановлена). При подаче напряжения, опосредованного электрическими цепями и электронными преобразующими устройствами, от присоединительных выводов НЭ к выводам электрической обмотки ЭМ, последняя переводится в режим электродвигателя, далее ЭД.
Примечание:
1. В дальнейшем описании направления векторов угловых скоростей вращения водила и шестерен ПМ, а также первой и второй полумуфт ОМ будут указаны исходя из следующих допущений (если смотреть на плоскость чертежей Фиг. 4, 5):
- работе ТД соответствует вращение вала ТД (водила ПМ) «по часовой стрелке»;
- движению ТС вперед соответствует вращение коронной шестерни ПМ «по часовой стрелке».
2. Исключительно для наглядности иллюстрирования совместной работы ПМ, ОМ, ЭМ и ТД ГСУ на чертежах Фиг. 4, 5, а также в тексте описания схематически показана работа одинарной одностороннего действия роликовой обгонной муфты, показанной в упомянутой выше книге А.Ф. Крайнева «Словарь-справочник по механизмам.», изд. 2-е, М. Машиностроение, 1987, стр. 409, Фиг. а. Последняя содержит первую, кинематически связанную с солнечной шестерней ПМ, вторую, кинематически связанную с валом ЭМ, полумуфты, а также тела качения, выполненные в виде роликов. Первая полумуфта выполнена снабженной цилиндрической расточкой. Вторая полумуфта выполнена снабженной цилиндрической проточкой, расположенной коаксиально, относительно расточки первой полумуфты, а также выполненными на радиальной поверхности проточки фасонными пазами (на Фиг. 4, 5): - поперечный профиль пазов показан, для наглядности, трех угольным). При этом пазы второй полумуфты и цилиндрическая расточка первой полумуфты выполнены с образованием клиновых полостей ОМ в которых и расположены тела качения ОМ, установленные с возможностью их перемещения из широкой части полости в узкую и обратно.
Далее. Вращение «по часовой стрелке» вала ЭД, см. Фиг. 4, приводит к вращению второй полумуфты ОМ «по часовой стрелке», смещению тел качения в узкую часть клиновых полостей ОМ и прихвату первой полумуфты. Первая полумуфта ОМ, нагруженная моментом сопротивления вращению, развиваемым цилиндро-поршневой группой ТД, опосредованным солнечной шестерней, водилом и коронной шестерней ПМ, вращается с меньшей, относительно второй полумуфты, угловой скоростью, что способствует перемещению тел качения в узкую часть клиновых полостей ОМ и прихвату первой полумуфты (сцеплению первой и второй полумуфт). Далее вал ЭД и солнечная шестерня начинают вращаться с одинаковой угловой скоростью. Вращение солнечной шестерни «по часовой стрелке» инициирует вращение шестерен - сателлитов «против часовой стрелки», что, при заторможенной коронной шестерне, приводит к вращению водила «по часовой стрелке», вала ТД «по часовой стрелке» и, в конечном итоге к запуску ТД. Увеличение частоты вращения вала ТД (водила ПМ), соответствующее работе ТД, по меньшей мере, на оборотах холостого хода, в описываемом режиме коронная шестерня по прежнему заторможена, приводит к увеличению угловой скорости вращения солнечной шестерни при сохранении ее первоначального направления вращения. На определенном этапе первая полумуфта ОМ начинает вращаться с большей, чем вторая полумуфта ОМ, угловой скоростью (с опережением), что способствует смещению тел качения ОМ в широкую часть клиновых полостей и расцеплению первой и второй полумуфт ОМ. ЭД переходит на режим холостого хода (непроизводительного потребления электрической энергии). Дальнейшая работа ЭД в режиме запуска ТД ГСУ при отсутствии возможности реверсирования ОМ, энергетически нецелесообразна, ЭМ может быть и должна быть обесточена.
Исходя из того, что последующие после останова ТД режимы страгивания ТС с места и разгона ТС требуют от ТД повышенной мощности (способности преодолеть, по меньшей мере силы инерции) применение на ТС режима «запуска ТД с ходу» (ТС начинает движение на электротяге, запуск ТД происходит во время перемещения ТС) энергетически, а также в силу ограниченной емкости НЭ, нецелесообразно, особенно на ТС с ТД малой удельной мощности или с ТД, характеризующимися достаточно длительным временем предварительного теплового прогрева, необходимого для вывода ТД на тепловой режим, обеспечивающий генерирование достаточной для движения ТС энергии. Данный режим, в заявляемом ТС, возможен, но в свете выше сказанного рассматриваться не будет (работа ТС и ГСУ в режиме «запуска с ходу» понятна специалисту из приложенных чертежей и приведенного описания).
2. Режим генерации электроэнергии при неподвижном ТС («Старт-Старт» режим).
На валу ЭМ, работающей в режиме электрогенератора, далее ЭГ, создается момент сопротивления вращению (тормозной момент ЭГ), величина которого увеличивается в прямой пропорциональной зависимости от величины амплитуды активной составляющей тока, отдаваемого в электрическую сеть ТС. Нагружение второй полумуфты упомянутым выше тормозным моментом ЭГ, вектор которого направлен в противоположную, относительно направления вращения первой полумуфты, сторону, способствуют подтормаживанию второй полумуфты ОМ, относительно первой полумуфты ОМ, и, как следствие, к расцеплению полумуфт ОМ - работа ГСУ в режиме ЭГ, во время простоя ТС при работающем ТД и при применении нереверсируемой ОМ, невозможна. Последнее снижает энергетическую эффективность сухопутных ТС с ГСУ и, практически, исключает возможность использования ГСУ на водном транспорте (полное отсутствие возможности рекуперации энергии торможения ТС, время заряда НЭ ограничено, преимущественно, временем работы ТД при избытке мощности ТД и величиной зарядной емкости НЭ).
Вариант дополнительный 1.
Указанный недостаток легко устраним применением в альтернаторе ГСУ заявляемого ТС реверсивной ОМ, содержащей в своем составе механизм реверса, обеспечивающий возможность изменения предустановки направления передачи усилия ОМ. Примерами реализации такой муфты являются известные, в частности, из патентов RU 2298711, 6МПК F16D 41/08, F16H 3/44, F16H 29/12, F16H 31/00, публ. 10.05.2007, RU 2353836, 6МПК F16D 41/08, F16H 3/44, F16H 31/00, публ. 27.04.2009 содержащие первую и вторую полумуфты обгонные муфты, выполненные с возможностью передачи больших моментов вращения, частых переключений и реверса. При этом указанные муфты дополнительно характеризуются тем, что в роли ведущей полумуфты может быть как первая, так и вторая полумуфты. Описание решений по патентам RU 2298711, RU 2353836, чтобы не загромождать описание, не показаны.
Продолжим рассмотрение работы ГСУ в режиме генерации электроэнергии при неподвижном ТС на примере одинарной одностороннего действия роликовой обгонной муфты, но, в отличие от предыдущего режима, реверсированной, см. Фиг. 5.
Вращение «по часовой стрелке» вала ТД (водила ПМ), при заторможенной коронной шестерне, приводит к перемещению сателлитов «по часовой стрелке» и одновременному их вращению «против часовой стрелки», что, в свою очередь, приводит к вращению солнечной шестерни «по часовой стрелке».
Вращение первой полумуфты реверсированной ОМ «по часовой стрелке» приводит к смещению тел качения в узкую часть клиновых полостей ОМ и прихвату второй полумуфты. На валу ЭГ, как упоминалось выше, создается момент сопротивления вращению, величина которого увеличивается в прямой пропорциональной зависимости от электрической мощности, отдаваемой в электрическую сеть ТС. Указанный тормозной момент способствует фиксации первой и второй полумуфт, что приводит к выравниванию угловых скоростей солнечной шестерни ПМ и вала ЭГ и передаче развиваемой ТД энергии, опосредованной ПМ, валу ЭГ. ЭГ обеспечивает заряд НЭ. Исходя из располагаемой мощности ТД в режиме простоя ТС, а также из электрических характеристик НЭ, ТС, в данном режиме, предпочтительно, выполнить снабженным ионисторным (конденсаторным) НЭ.
3. Режим разгона ТС при исправных ТД и ЭД, см. Фиг. 1 и Фиг. 6:
При растормаживании коронной шестерни (механизм тормоза не показан, как вариант, это может быть штатная тормозная система ТС), коронная шестерня получает возможность вращения.
В начальный момент времени ЭД располагает большим крутящим моментом, по сравнению с ТД. Указанное ведет к опережающему вращению второй полумуфты ОМ, относительно первой полумуфты ОМ, к смещению тел качения в узкую часть клиновых полостей, к прихвату полумуфт и к передаче вращающего момента от ЭД к солнечной шестерне ПМ. ПМ относится к статически неопределенным редукторам, взаимное положение составляющих его звеньев и передаточные отношения между ними зависят от соотношения угловых скоростей звеньев. При выравнивании угловых скоростей вращения валов ЭД (солнечной шестерни) и ТД (водила ПМ) сателлиты прекращают вращение вокруг своих геометрических осей вращения, а крутящие моменты ЭД и ТД суммируются, полнота передачи зависит от конструктивных особенностей ОМ, передаваясь коронной шесте ПМ.
Опережающее, относительно вала ЭД, вращение водила ПМ (вала ТД) ведет к опережающему вращению первой полумуфты ОМ, относительно второй полумуфты ОМ, к смещению тел качения в широкую часть клиновых полостей, к расфиксации полумуфт ОМ и прекращению передачи вращающего момента от вала ЭД (время переключения ОМ в режим обгона зависит от ее конструктивных особенностей). Разгруженная солнечная шестерня увеличивает скорость вращения в направлении «по часовой стрелке», что способствует удержанию первой и второй полумуфт ОМ в расцепленном состоянии. При этом величина вращающего момента, который может быть передан коронной шестерне ПМ от вала ТД (водила ПМ), ограничена моментом сопротивления вращению солнечной шестерни ПМ. ЭМ должна быть переведена или в режим электромагнитного тормоза (энергопотребления) или в режим генератора. Мощности ЭД и ТД, которые могут быть использованы в ТС с альтернатором согласно Фиг. 1, ограничены точкой пересечения, см. Фиг. 6, их внешних скоростных характеристик. Для более эффективного использования мощностных резервов ТД, а также исходя из того, что запасы энергии в НЭ ограничены и совместная работа ЭД и ТД ограничена по времени, альтернатор ТС, в предпочтительном варианте, должен быть выполнен снабженным фрикционной муфтой, выполненной с возможностью торможения солнечной шестерни ПМ.
4. Режим разгона ТС при обесточенном ЭД:
Указанный режим возможен, в частности, при исчерпании запасов энергии в НЭ. Обесточивание обмотки ЭД равносильно превращению его ротора в инерционную массу, момент сопротивления вращению которой много меньше момента сопротивления движению ТС, приложенного к коронной шестерне ПМ. Вращение водила ПМ «по часовой стрелке», при нагруженной моментом сопротивления движению ТС коронной шестерне и разгруженной солнечной шестерне, приводит к вращению сателлита, относительно его геометрической оси вращения, «против часовой стрелки», а солнечной шестерни в направлении «по часовой стрелке», что способствует расцеплению первой и второй полумуфт ОМ. Величина вращающего момента, который может быть передан коронной шестерне ПМ от вала ТД (водила ПМ), ограничена моментом сопротивления вращению солнечной шестерни ПМ. Для обеспечения возможности передачи коронной шестерне ПМ всей располагаемой ТД мощности солнечная шестерня должна быть выполнена с возможностью блокирования ее вращения. Указанное обеспечивается введением в состав альтернатора фрикционной муфты, выполненной с возможностью торможения солнечной шестерни, см. Фиг. 2.
В случае фиксации солнечной шестерни, вращение водила ПМ «по часовой стрелке», ведет к проворачиванию сателлитов, относительно их геометрических осей вращения, также «по часовой стрелке» и, соответственно, к вращению коронной шестерни «по часовой стрелке».
5. Режим разгона ТС при неработающем ТД:
В данном режиме ТД остановлен, водило ПМ нагружено моментом сопротивления вращению цилиндро-поршневой группы ТД. При этом момент сопротивления вращению неработающего ТД может быть принудительно увеличен применением, например, любой из известных из уровня техники управляемых заглушек, установленной в выпускном тракте ТД.
Вращение солнечной шестерни ПМ «против часовой стрелки» ведет к вращению сателлитов вокруг их геометрических осей вращения «по часовой стрелке» и, соответственно, к вращению коронной шестерни ПМ «по часовой стрелке». Возможность реверсирования синхронного ЭД из уровня техники известна, но вот передача вращающего момента от вала ЭД солнечной шестерне возможна только при использовании реверсированной ОМ, упомянутой выше в описании режима генерации электроэнергии при неподвижном ТС.
Вариант дополнительный 2.
Таким образом, улучшенный вариант изобретения может быть реализован в ТС, ГСУ которого снабжена фрикционной муфтой, выполненной с возможностью торможения солнечной шестерни ПМ, а ОМ выполнена с возможностью ее принудительного реверсирования.
Работа ГСУ с применением реверсируемой ОМ, понятна из описаний приведенных выше режимов, дополнительные комментарии следуют ниже.
В качестве фрикционной муфты в составе ГСУ может быть использована любая из известных из уровня техники фрикционных муфт, но предпочтительно использование дисковой муфты, содержащей диск и суппорт, снабженный управляемым фрикционным механизмом, далее фрикционом. Диск фрикционной муфты выполнен, преимущественно, из железосодержащего материала, кинематически, с возможностью передачи тормозящего момента, соединенным с солнечной шестерней ПМ альтернатора. При этом диск фрикционной муфты может быть выполнен снабженным известными из уровня техники гасителем крутильных колебаний и/или фрикционными накладками. Суппорт фрикционной муфты выполнен неподвижно соединенным с корпусом альтернатора. Суппорт и фрикцион выполнены и установлены с возможностью плавного торможения, плавного растормаживания и удержания в неподвижном состоянии диска фрикционной муфты.
Работа ГСУ, в случае применения в составе ее альтернатора фрикционной муфты, происходит следующим образом:
Как было показано в описаниях «режима разгона ТС при исправных ТД и ЭД» и «режима разгона ТС при обесточенном ЭД» блокировка вращения солнечной шестерни ПМ обеспечивает полную передачу вращающего момента, развиваемого на валу ТД (водиле ПМ) коронной шестерне ПМ. При этом в описаниях «режима разгона ТС при обесточенном ЭД» было упомянуто, что величина вращающего момента, который может быть передан коронной шестерне ПМ от вала ТД (водила ПМ), ограничена моментом сопротивления вращению солнечной шестерни ПМ. Последнее позволяет отказаться от применения в составе ТД, применяемого на заявляемом ТС, фрикционного механизма сцепления, который может быть заменен расположенной в составе альтернатора совокупностью ПМ и описанной выше фрикционной муфты. Указанное обеспечивает движение и управление ТС при использовании исключительно энергии ТД (и мускульной силы человека для управления фрикционом) при поврежденном ЭД и/или разряженном НЭ. Кроме того, описываемая фрикционная муфта характеризуется малой, относительно инерционной массы вращения широко применяемых на транспорте механизмов сцепления, инерционной массой вращения диска, что улучшает динамику ТС и повышает его экономичность.
Вращение коронной шестерни, опосредованное трансмиссией ТС, передается рабочим органам ТС, которые и приводят ТС в движение.
Процессы, происходящие в ГСУ на режиме равномерного движения ТС на ЭД, при остановленном ТД, идентичны приведенным выше процессам, характерным для режима разгона на ЭД. Длительность процесса равномерного движения ТС на электротяге зависит от состояния НЭ и условий движения ТС. Процессы, происходящие в ГСУ на режиме равномерного движения ТС на ТД, при остановленном ЭД, идентичны приведенным выше процессам, характерным для режима разгона на ТД. Длительность процесса равномерного движения ТС на тяге от ТД зависит от емкости топливного бака и условий движения ТС; при имеющемся на настоящий момент времени уровне развития электронакопительной техники вероятная длительность движения ТС на ТД больше вероятностной длительности движения ТС на электротяге.
6. Режим равномерного движения ТС при избытке мощности ТД, при наличии исправных ЭМ и НЭ:
На данном режиме просматриваются три ситуации - когда величина угловой скорости вращения водила больше величины угловой скорости вращения коронной шестерни, когда величина угловой скорости вращения водила равна величине угловой скорости вращения коронной шестерни и когда величина угловой скорости вращения водила меньше величины угловой скорости вращения коронной шестерни (последняя ситуация - режим движения накатом или под горку).
В случае, если величина угловой скорости вращения водила ПМ равна величине угловой скорости вращения коронной шестерни ПМ: водило вращается «по часовой стрелке», коронная шестерня вращается «по часовой стрелке», солнечная шестерня вращается также «по часовой стрелке» и с угловой скоростью вращения, величина которой равна величинам угловых скоростей вращения водила и коронной шестерни. В случае, если величина угловой скорости вращения водила ПМ больше величины угловой скорости вращения коронной шестерни ПМ: водило вращается «по часовой стрелке», коронная шестерня также вращается «по часовой стрелке». Сателлиты получают вращение вокруг своих геометрических осей вращения в направлении «против часовой стрелки», что увеличивает величину угловой скорости вращения солнечной шестерни (вала ЭМ).
Наличие реверсируемой ОМ, переключенной в положение, характерное для «Старт-Старт» режима (описано выше) обеспечивает вращение вала ЭМ и перевод ее в режим ЭГ. В первом случае - реализуемый на коронной шестерне ПМ крутящий момент равен разности между крутящим моментом, развиваемым на валу ТД, и моментом сопротивления вращению солнечной шестерни, величина которого прямо пропорциональна величине амплитуды генерируемого ЭМ тока. Во втором случае - избыточная мощность, реализуемая ТД на водиле ПМ, передается на солнечную шестерню ПМ и далее на вал ЭМ. Реализуемый на коронной шестерне ПМ крутящий момент равен разности между крутящим моментом, развиваемым на валу ТД, и моментом сопротивления вращению солнечной шестерни, с учетом передаточного отношения ПМ, величина которого прямо пропорциональна величине амплитуды генерируемого ЭМ тока.
Исходя из располагаемой мощности ТД, а также из электрических характеристик НЭ, ТС, в данном режиме, предпочтительно, выполнить снабженным электрохимическим НЭ.
В случае полного заряда НЭ ЭМ, с целью уменьшения вращающихся инерционных масс ТС, может быть отключена, а фрикционная муфта переведена в положение замкнуто. При этом ОМ может быть переведена в положение, характерное для режима «Запуск ТД», а дополнительная муфта (будет показана ниже) может быть переведена в положение разомкнуто.
7. Режим движения ТС «под горку»:
В случае если до начала наступления данного режима ТС двигалось на тяге ТД при заторможенной солнечной шестерне ПМ, увеличение угловой скорости вращения коронной шестерни ПМ в направлении «по часовой стрелке» ведет к увеличению угловой скорости вращения водила ПМ в направлении «по часовой стрелке», которая ограничена опосредованным ПМ моментом сопротивления вращению вала ТД (зависит от заданного ТД режима). В случае если до начала наступления данного режима ТС двигалось на совместной тяге ТД и ЭД, увеличение угловой скорости вращения коронной шестерни ПМ в направлении «по часовой стрелке» ведет к уменьшению угловой скорости вращения солнечной шестерни ПМ в направлении «по часовой стрелке», а в ряде случаев и к реверсированию направления вращения солнечной шестерни (инерционная масса ротора ЭМ будет дополнительно нагружать детали ПМ). Уменьшение угловой скорости вращения солнечной шестерни способствует удержанию полумуфт ОМ в сцепленном состоянии - вал ЭД нагружается синфазным, опосредованным ПМ, вращающим моментом скатывающегося с горки ТС; Реверсирование направления вращения солнечной шестерни или обесточивание ЭД ведет к расцеплению полумуфт ОМ и разгрузке солнечной шестерни. Нежелательное ускорение ТС может быть предотвращено блокированием солнечной шестерни ПМ фрикционной муфтой (если это не было осуществлено ранее) и приведением в действие штатной тормозной системы ТС.
Перед длительным спуском ОМ может быть заблаговременно реверсирована (переведена на режим «Старт-Старт») а ЭМ, в начале спуска, переведена в режим ЭГ.
8. Режим торможения ТС «двигателем»:
В случае если до начала наступления данного режима ТС двигалось на тяге ТД при заторможенной солнечной шестерне ПМ, в ГСУ происходят те же процессы, что и на режиме движения ТС «под горку». В случае если до начала наступления данного режима ТС двигалось на совместной тяге ТД и ЭД, уменьшение угловых скоростей вращения водила (вала ТД) и солнечной шестерни ПМ (вала ЭД) ведет к нагружению вала ЭД синфазным, опосредованным ПМ, вращающим моментом инерции движения ТС, обесточивание ЭД ведет к расцеплению полумуфт ОМ и разгрузке солнечной шестерни. Нежелательное ускорение ТС может быть предотвращено, преимущественно, приведением в действие штатной тормозной системы ТС.
9. Режим стоянки ТС:
Удержание ТС на месте при работающем ТД обеспечивается штатной тормозной системой. При заглушенном ТД удержание ТС на месте обеспечивается, в том числе, торможением солнечной шестерни ПМ посредством фрикционной муфты и отключением ЭМ от НЭ.
10. Режим буксировки ТС:
При неработающем ТД вращение коронной шестерни «по часовой стрелке» приводит к вращению сателлитов ПМ, вокруг их геометрических осей вращения, «по часовой стрелке», а солнечной шестерни ПМ «против часовой стрелки». Нахождение ОМ в положении, характерном для «Старт-Старт» режима (описано выше) обеспечивает сцепление полумуфт ОМ и работу ЭМ в режиме ЭГ. Нахождение ОМ в положении, характерном для режима «Запуск ТД» (описано выше) обеспечивает расцепление полумуфт ОМ и исключение из кинематической схемы ГСУ ротора ЭМ - который в данном режиме является паразитной инерционной массой.
При работающем ТД вращение коронной шестерни «по часовой стрелке» приводит:
- при равенстве угловых скоростей вращения коронной шестерни и водила ПМ, к вращению солнечной шестерни ПМ «по часовой стрелке» с угловой скоростью вращения величина которой равна величине угловой скорости вращения коронной шестерни и водила ПМ;
- в случае если величина угловой скорости вращения коронной шестерни ПМ больше величины угловой скорости вращения водила ПМ, к вращению солнечной шестерни «против часовой стрелки»;
- в случае если величина угловой скорости вращения коронной шестерни ПМ меньше величины угловой скорости вращения водила ПМ, к вращению солнечной шестерни «по часовой стрелке».
При этом в последнем и предпоследнем случаях величина угловой скорости вращения солнечной шестерни будет отличаться от величин угловых скоростей вращения водила и коронной шестерни ПМ.
Таким образом, буксировка ТС с работающим ТД требует или установки ограничительных рамок для угловых скоростей вращения вала ТД и скоростей буксировки, или применения дополнительной, нормально замкнутой муфты, установленной с возможностью кинематического разъединения солнечной шестерни и ОМ, по меньшей мере, на период буксировки ТС.
Вариант дополнительный 3.
Вариантом реализации изобретения может быть ТС, альтернатор которого, помимо фрикционной муфты, выполненной с возможностью торможения солнечной шестерни ПМ, помимо ОМ, выполненной с возможностью ее принудительного реверсирования, снабжен дополнительной нормально замкнутой муфтой, выполненной и установленной с возможностью кинематического разъединения солнечной шестерни и ОМ, по меньшей мере, на период буксировки ТС, см. Фиг. 3. Дополнительная муфта может быть выполнена зубчатой или зубчато-фрикционной или фрикционной (на чертеже Фиг. 3, исключительно для наглядности, изображена конусная односторонняя фрикционная муфта). Работа ТС, в данном варианте, ясна из рисунка и ниже следующего дополнения: Во всех описанных выше режимах, кроме буксировки, дополнительная муфта выполнена и установлена с образованием кинематической, с возможностью передачи вращения, связи между солнечной шестерней ПМ или диском фрикционной муфты и первой полумуфтой ОМ. В режиме буксировки ТС с работающим ТД дополнительная муфта выполнена и установлена с возможностью кинематического разъединения солнечной шестерни ПМ или диска первой фрикционной муфты и первой полумуфты ОМ, по меньшей мере, на период буксировки ТС.
При этом, под зубчатой муфтой заявитель подразумевает любое устройство кинематического сопряжения двух вращающихся деталей, осуществляющее передачу вращающего момента посредством взаимосогласованного расположения выступов и рельефов, сформированных на сопрягаемых деталях. Под зубчато-фрикционной муфтой заявитель подразумевает любое устройство кинематического сопряжения двух вращающихся деталей, осуществляющее, во включенном состоянии, передачу вращающего момента посредством взаимосогласованного расположения выступов и рельефов, сформированных на сопрягаемых деталях, а в период, предшествующий включению, осуществляющее выравнивание угловых скоростей вращения сопрягаемых деталей. Наглядным примером зубчато-фрикционной муфты являются синхронизаторы, широко применяемые в коробках перемены передач современных автомобилей.
Применение дополнительной муфты позволяет кинематически разъединять ТД и ЭМ не только на режиме буксировки ТС, но и облегчает переключение ОМ из режима «Запуск ТД» на режим «Старт-Старт» и обратно. При этом, в ряде случаев, дополнительная муфта может быть выполнена установленной в кинематической цепи между ОМ и ЭМ.
Исходя из электрических характеристик накопителей, электрических характеристик электрических цепей, посредством которых накопители соединены с потребителями энергии, а также из располагаемой мощности ТД для гибридных силовых установок предпочтительно использование совокупности разного рода накопителей, а именно и ионисторов, и электрохимических аккумуляторов. Накопители электрической энергии конденсаторного типа, на текущий момент времени, способны отдать потребителю от 7 до 80 вт час/кг и полностью зарядиться в течение достаточно короткого времени (минуты) - режим «Старт-старт»; накопители электрической энергии электрохимического типа способны отдать потребителю около 1 квт час/кг, но требуют длительного времени заряда (часы) током ограниченной амплитуды - режим движения ТС при ограниченной скорости и избытке мощности ТД.
11. Режим движения ТС задним ходом:
- При работающем ТД возможен при превышении угловой скорости вращения вала ЭМ, работающей в режиме ЭД, относительно угловой скорости вращения вала ТД - энергетически самый затратный режим.
- При неработающем ТД (при заторможенном водиле) возможен при вращении вала ЭМ, работающей в режиме ЭД, в направлении вращения коронной шестерни ПМ, характерном для движения ТС «вперед» (для принятых допущений - в направлении «по часовой стрелке») - началу маневра должен предшествовать останов ТД. Способ неприемлем в сложных для маневрирования ТС дорожных условиях, т.к. требует энергетических затрат на перезапуск ТД или на увеличение частоты вращения вала ЭМ.
- Оптимальным вариантом обеспечения движения ТС задним ходом является выполнение альтернатора снабженным одним из известных из уровня техники реверс-редукторов (в силу очевидности решения не показан). Применение реверс-редуктора обеспечивает движение ТС задним ходом с приводом исключительно от ЭМ, с приводом исключительно от ТД, а так же с приводом от совместно работающих ЭМ и ТД.
Таким образом, изобретение обеспечивает возможность создания ТС с максимально возможной, на современном этапе развития техники, эффективностью использования топлива. При этом силовая установка позволяет диагностировать техническое состояние и теплового двигателя, и электрической машины, обеспечивает выполнение, пусть и с меньшей эффективностью, возложенных на транспортное средство функций при отказе одного из ее энергетических агрегатов.
Максимально возможное передаточное отношение между водилом (валом ТД, являющимся основным движителем) и коронной шестерней, реализуемое планетарным механизмом, меньше максимально возможного передаточного отношения между солнечной и коронной шестернями, что позволяет применить ЭМ (при работе ее в режиме ЭД) пониженной электрической мощности (с уменьшенным током потребления), что несколько увеличивает пробег ТС на электротяге. При остановленной коронной шестерне и передаче энергии вращения от водила к солнечной шестерне реализуется максимально возможное, для ПМ, передаточное отношение. Последнее обеспечивает увеличение частоты вращения вала ЭМ при пониженных частотах вращения вала ТД, что способствует повышению токоотдачи ЭМ, работающей в режиме генератора (обеспечивает работу ТС в режиме «Старт-Старт»). При этом планетарный механизм характеризуется меньшим весом, по сравнению с коробками перемены передач с аналогичным диапазоном передаточных отношений и ступенчатым изменением передаточного отношения; фрикционная и дополнительная муфты также характеризуются малыми весом и инерционной массой, по меньшей мере, по сравнению с весом и инерционной массой роторов электрических машин, применяемых в серийно выпускаемых транспортных средствах с ГСУ.