КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)
COMBINED POWER PLANT OF TRANSPORT FACILITY (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения, точнее к силовым установкам транспортных средств, предназначенным, преимущественно, для гибридных транспортных средств многоцелевого назначения.
Из уровня техники известны комбинированные энергетические установки (КЭУ) транспортных средств (ТС), содержащие в качестве источников передаваемой на вал привода ведущих колес ТС энергии: тепловой двигатель, например двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и две электромашины, которые могут работать и как мотор, и как генератор и подключены к накопителю электрической энергии/батарее через преобразователи, а также средства управления работой ДВС и электромашин. В них обеспечение требуемого скоростного и тягового диапазона ТС достигается путем трансформации входящего крутящего момента, т.е. регулирование выходных силовых параметров установки осуществляется путем изменения передаточного отношения в автоматических ступенчатых или бесступенчатых коробках передач, размещенных на оси вала привода между электромашинами (WO/CN 2004052672 A1; US 7004884 В2, 2006 г.) или за ними (WO/DE 2004037594 A1; US 6705416 B1, 2004 г.).
Общий недостаток таких КЭУ обусловлен наличием коробок передач и дополнительных технических средств для обеспечения варьирования режимов подключения ДВС и электромашин к силовой линии «источник энергии - ведущие колеса» (например, одной или нескольких муфт сцепления), т.к. это, во-первых, усложняет их компоновочное решение и кинематику, а во-вторых, приводит к снижению КПД установки.
Этот недостаток частично устранен в КЭУ ТС, известной из патента RU 2334624 С2, 2008 г. (фиг.1), содержащей тепловой двигатель и две электрические машины с функциями как генераторов, так и тяговых двигателей, в которой функции варьирования режимов подключения машин и регулирования силовых параметров установки осуществляются одним механизмом варьирования, представляющим собой трехвальный планетарный дифференциал в совокупности с генератором - первой электромашиной, содержит наружное солнечное колесо с внутренним зубчатым венцом, внутреннее солнечное колесо, соединенное с валом первой электромашины, сателлиты и водило, соединенное с валом ДВС, причем вал наружного зубчатого венца дифференциала служит одновременно валом привода оси ведущих колес и вторая электромашина подключена к нему через редуктор. Такая установка конструктивно усложнена и имеет сниженный функциональный диапазон - в ней нельзя реализовать, например, последовательную схему работы (когда ДВС работает только на привод генератора - первой электромашины) из-за постоянной механической связи между коленвалом ДВС и осью ведущих колес, т.е. конструктивно не предусмотрено их разобщение; или режим движения ТС только от ДВС без энергетических потерь, поскольку даже при выключенной второй электрической машине, первая электромашина всегда задействована в качестве привода трехвального планетарного механизма.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой группы изобретений определена установка по патенту JP 6144020 A, 1994 г., содержащая вал привода ведущей оси ТС, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом вдоль общей оси, совпадающей с осью вала привода, с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электрической машины с валом привода выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами.
В прототипе подключение теплового двигателя и двух электрических машин к валу привода ведущих колес осуществляется через планетарную коробку передач с изменяемым передаточным отношением, которая необходима в этом решении для того, чтобы получить возможность использовать электромашины с разными характеристиками: первая электромашина низкомоментная и высокооборотная, а вторая - высокомоментная и низкооборотная,
Однако в отдельных режимах, например в режиме разгона автомобиля с максимальной интенсивностью, является нерациональным использовать две такие машины одновременно, как это делается в прототипе. Этот режим требует создания на ведущих колесах автомобиля высоких крутящих моментов для обеспечения трогания автомобиля с места и быстрого разгона до определенной скорости, но при этом частота вращения колес и соответственно валов трансмиссии невысокая. Для второй электромашины этот режим является оптимальным, а первая электромашина при этом большую часть времени разгона с максимальной интенсивностью работает на режиме низкой эффективности, который характеризуется сниженным КПД, что обуславливает повышение энергозатрат на единицу производимой мощности и соответственно приводит к снижению энергоэффективности всей установки.
Использование разнотипных электромашин в тяговом режиме при необходимости управления процессом переключения в коробке передач значительно усложняет систему управления КЭУ. Это происходит из-за того, что процесс переключения необходимо согласовать и объединить с логикой работы отдельных компонентов установки на всех режимах ее функционирования, в т.ч. по текущим условиям движения ТС, соответственно, требуется достаточно сложный управляющий блок с более усложненным программным продуктом, что увеличивает затраты, не всегда оправданные. К тому же при передаче мощности на ведущие колеса посредством коробки передач имеются механические потери. Эти потери присутствуют в большинстве режимов работы силовой установки. Данные потери также приводят к снижению КПД и, следовательно, энергоэффективности КЭУ в целом.
Таким образом, к недостаткам прототипа следует отнести низкую энергоэффективность из-за неоптимального использования электрических машин; сложность системы управления ввиду необходимости управлять переключением в коробке передач в соответствии с логикой работы всей энергетической установки; снижение КПД при передаче мощности на ведущие колеса через коробку передач, а также сниженный функциональный диапазон, так как в нем отсутствует возможность реализации параллельной схемы работы, при которой предусмотрена совместная работа ДВС и одной либо двух электромашин в тяговом режиме.
Задача, решаемая предлагаемой группой изобретений, направлена на создание функционально и экономически эффективных комбинированных энергетических установок гибридных ТС.
Технический результат, получаемый от реализации изобретений, состоит в обеспечении расширенного диапазона функциональных возможностей установки и повышении ее эффективности за счет энергосбережения, снижения потерь в кинематике и упрощения управления ею.
Заявленный технический результат достигается тем, что в соответствии с первым вариантом в комбинированной энергетической установке транспортного средства, содержащей вал привода ведущей оси ТС, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом вдоль общей оси, совпадающей с осью вала привода, с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электрической машины выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами, согласно изобретению электрические машины выполнены равнозначными по характеристикам, при этом общая ось размещения теплового двигателя и обеих электрических машин лежит на оси вала привода, расположенной перпендикулярно ведущей оси ТС, и соединение каждого из двигателей с валом привода выполнено с возможностью индивидуального подключения своим выходным валом напрямую с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, причем соединение второй электрической машины с валом привода выполнено постоянным.
Дополнительное существенное отличие состоит в том, что в ней имеется блок управления, связанный с общей управляющей системой транспортного средства, и к нему подключены все управляемые составляющие установки, в т.ч. соединительные узлы исполнительного механизма варьирования.
В частных случаях исполнения:
- первый соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения и может быть установлен на корпусе теплового двигателя;
- второй соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения.
В соответствии со вторым вариантом технический результат достигается тем, что в комбинированной энергетической установке транспортного средства, содержащей вал привода ведущей оси транспортного средства, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электромашины с валом привода выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода колес, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами, согласно изобретению электрические машины выполнены равнозначными по характеристикам, при этом общая ось размещения теплового двигателя и первой электрической машины лежит на оси вала привода, расположенной перпендикулярно упомянутой ведущей оси, а ось размещения второй электрической машины параллельна оси вала привода, и соединение каждого из двигателей с валом привода выполнено с возможностью индивидуального подключения своим выходным валом через установленное между второй электрической машиной и валом привода согласующее устройство, не требующее внешнего регулирования, с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, причем соединение второй электрической машины с валом привода выполнено постоянным.
Дополнительное существенное отличие состоит в том, что в ней имеется блок управления, связанный с общей управляющей системой транспортного средства, и к нему подключены все управляемые составляющие установки, в т.ч. соединительные узлы исполнительного механизма варьирования.
В частных случаях исполнения:
- первый соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения и может быть установлен на корпусе теплового двигателя;
- второй соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения;
- вторая электромашина установлена на корпусе согласующего устройства.
Обеспечение возможности механического соединения ТД и двух ЭМ с валом привода напрямую с возможностью размыкания этой связи позволяет расширить диапазон варьирования подключения этих двигателей к силовой линии установки, что необходимо для расширения функциональных возможностей КЭУ за счет реализации как последовательной, так и параллельной схемы работы, дополнительных режимов, требующих, например, отключение передачи мощности от ТД полностью или частично, и к тому же позволяет реализовать способ управления выходными скоростными и тяговыми характеристиками бесступенчатым изменением входящего крутящего момента без его трансформации. Это позволяет, во-первых, обеспечить работу ТД в режиме эффективной загрузки, и, во-вторых, значительно снизить потери в кинематике предлагаемой установки (в отличие от известных аналогов в ней нет необходимости в соответствующих узлах трансмиссии). Тому же способствует соединение выходных валов ТД и ЭМ с валом привода напрямую или через согласующее устройство с обеспечением постоянного соотношения их частот вращения и предлагаемое упрощенное конструктивное решение исполнительного узла. Размещение второй ЭМ на одной оси с ТД и первой ЭМ или параллельно им позволяет расширить конструктивный ряд проектируемых КЭУ. Выполнение обеих ЭМ равноценными по характеристикам (мощности и выполняемым функциям) необходимо для штатной загрузки ТД и повышения энергоэффективности установки, упрощения управления ею. Размещение всех трех машин последовательно вдоль общей оси в совокупности с возможностью их выборочного механического подключения к валу привода своими выходными валами напрямую позволяет значительно расширить диапазон реализуемых установкой схем и режимов работы, упрощением линии «источник мощности - ведущие колеса» снижает потери в этой линии.
На представленных чертежах:
фиг.1 - примерная схема предлагаемой комбинированной энергетической установки по первому варианту; фиг.2 - то же по второму варианту.
КЭУ по первому варианту содержит вал 1 привода ведущей оси ТС, связанный с источниками энергии: тепловым двигателем (ТД) 2, первой и второй электрическими машинами (ЭМ), соответственно, 3 и 4, которые установлены последовательно друг за другом в направлении ведущих колес и их общая ось размещения лежит на оси вала 1 привода, перпендикулярной при этом оси 5 ведущих колес.
Исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемых по условиям движения ТС вариантов подключения источников энергии к валу 1, представляет собой комбинацию двух управляемых соединительных узлов (СУ), первый из которых - СУ 6 размещен между ТД 2 и ЭМ 3, например, установлен на корпусе ТД, и связывает их с валом 1, а второй СУ 7 - между ЭМ 3 и ЭМ 4 и связывает обе электромашины между собой и с валом 1. Соединение выходных валов ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4 с валом 1 осуществляется напрямую и с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения. Соединение ТД 2 и ЭМ 3 с валом 1 выполнено с возможностью размыкания. Выходной вал ЭМ 4 соединен с валом 1 постоянно.
Обе электромашины равноценны по мощности, могут работать и как генераторы, и как тяговые двигатели, и подключены к накопителю 8 электрической энергии через преобразователь тока и напряжения 9. Все перечисленные составляющие установки подключены к управляющему блоку 10, связанному с общей управляющей системой ТС (на чертежах не показана).
СУ 6 и СУ 7 выполняются по типу управляемых: нормально-замкнутых сцеплений или нормально-разомкнутых сцеплений, причем в любой целесообразной комбинации исполнения.
ТД может быть любым - двигатель внутреннего сгорания: бензиновый или дизельный; газотурбинный, паровой.
Тип накопителя электрической энергии может быть любым - электрохимический накопитель (аккумуляторная батарея), конденсатор.
Описание режимов работы первого варианта КЭУ дано на конкретном примере исполнения, в котором ТД - двигатель внутреннего сгорания (ДВС), СУ 6 выполнен по типу нормально-замкнутого сцепления в виде сухого одно-двух-дискового сцепления, а СУ 7 - по типу нормально-разомкнутого сцепления и представляет собой электромагнитную муфту. Последовательный режим (подключены к валу 1: ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4, т.к. включен СУ 6; СУ 7 отключен).
В этом режиме ТД 2 связан с валом первой ЭМ 3, поскольку СУ 6 замкнут. При этом ЭМ 3, вал которой приводится от вала ТД 2, работает в режиме генератора и производит электрический ток, который через преобразователь 9 поступает во вторую ЭМ 4, работающую в режиме тягового электромотора при разгоне и равномерном движении транспортного средства. Поскольку муфта 7 разомкнута, между ЭМ 3 и ЭМ 4 нет механической связи, следовательно, нет механической связи между ДВС 2 и валом 1, поэтому ДВС 2 не передает свою мощность на ось 5 ведущих колес и работает независимо от изменения текущих условий движения ТС. Скоростной и силовой диапазоны ТС реализуются ЭМ 4, механически связанной с валом 1. При торможении ТС возможна зарядка накопителя 8 с помощью ЭМ 4, которая в этом случае работает как генератор: преобразует кинетическую энергию ТС в электрическую и направляет ее через преобразователь 9 в накопитель 8. Также возможна зарядка накопителя 8 с помощью первой ЭМ 3, если существует избыток мощности генерируемого ей тока, при разгоне и равномерном движении или при стоянке ТС.
Параллельный режим (подключены ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4, т.к. включены СУ 6 и СУ 7).
Коленвал ДВС 2 связан с валом первой ЭМ 3, поскольку СУ 6 замкнут и замкнута муфта 7. Следовательно, существует механическая связь между первой ЭМ 3 и второй ЭМ 4. Значит, в этом режиме ДВС, ЭМ 3 и ЭМ 4 имеют механическую связь с валом 1 и могут передавать свою мощность на ось 5. При этом режим работа теплового двигателя 2 зависит от изменения текущих условий движения ТС. ЭМ 3 и ЭМ 4 могут работать при разгоне как тяговые электрические моторы, расходуя энергию накопителя электрической энергии, при этом могут работать как обе машины одновременно, так и по отдельности. В данном режиме возможна зарядка накопителя 8 с помощью ЭМ 3 и ЭМ 4, или с помощью каждой из них в отдельности, которые в данном случае становятся генераторами и преобразуют кинетическую энергию ТС в электрическую и направляют ее через преобразователь 9 в накопитель 8 при разгоне и равномерном движении или при торможении ТС, если существует избыток мощности теплового двигателя 2 для привода колес.
Режим электромобиля.
В данном режиме отключен ДВС 2 от вала 1, т.к. разомкнут СУ 6. При трогании ТС с места и разгоне до определенной скорости, а также при движении со скоростями ниже определенной скорости при условии достаточного запаса энергии в накопителе 8, возможно движение транспортного средства только с помощью тяги от ЭМ 3 и ЭМ 4, или только от ЭМ 4. Если тяги ЭМ 4 недостаточно в конкретных условиях движения транспортного средства, то подключается ЭМ 3. Когда ЭМ 3 не задействована, то для уменьшения механических потерь размыкается сцепление 7.
При торможении ТС зарядка накопителя 8 возможна с помощью ЭМ 3 и ЭМ 4, или с помощью каждой из них в отдельности, которые в данном случае становятся генераторами.
Режим обычного автомобиля (привод только от ДВС).
В данном режиме все тяговое усилие на ведущие колеса передается ДВС 2 и весь скоростной и силовой диапазоны ТС реализуются этим двигателем, т.к. СУ 6 и муфта 7 замкнуты и обеспечивают механическую связь коленвала ДВС с валом 1. При этом на ЭМ 3 и ЭМ 4 электрическая энергия из накопителя 8 не подается.
Режим запуска теплового двигателя 2.
При работе в режиме электромобиля и в случае отключения ДВС при стоянке транспортного средства возникает необходимость запуска ДВС 2. Для этого возможно использовать ЭМ 3, работающую как электрический мотор с функцией стартера. При этом узел сцепления 6 замкнут, а муфта сцепления 7 разомкнута.
Согласно второму варианту КЭУ содержит так же как и в первом варианте вал 1 привода ведущей оси ТС, связанный с источниками энергии: тепловым двигателем (ТД) 2, первой и второй электрическими машинами (ЭМ), соответственно, 3 и 4, которые установлены последовательно друг за другом в направлении ведущих колес и ось вала 1 привода при этом перпендикулярна оси 5 ведущих колес.
Исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемых по условиям движения ТС вариантов подключения источников энергии к валу 1, представляет собой комбинацию двух управляемых соединительных узлов (СУ), первый из которых СУ 6 размещен между ТД 2 и ЭМ 3, например установлен на корпусе ТД, и связывает их с валом 1, а второй СУ 7 - между ЭМ 3 и ЭМ 4 и связывает обе электромашины между собой и с валом 1. Обе электромашины равноценны по мощности, могут работать и как генераторы, и как тяговые двигатели, и подключены к накопителю 8 электрической энергии через преобразователь тока и напряжения 9. Все перечисленные составляющие установки подключены к управляющему блоку 10, связанному с общей управляющей системой ТС (на чертежах не показана).
СУ 6 и СУ 7 выполняются по типу управляемых нормально-замкнутых или нормально-разомкнутых сцеплений, причем в любой целесообразной комбинации исполнения.
ТД может быть любым - двигатель внутреннего сгорания: бензиновый или дизельный; газотурбинный, паровой.
Тип накопителя электрической энергии может быть любым - электрохимический накопитель (аккумуляторная батарея), конденсатор.
В отличие от первого варианта во втором варианте реализации изобретения ТД 2 и ЭМ 3 размещены на общей оси, лежащей на оси вала 1, а ЭМ 4 размещена на оси 11 параллельно им. Соединение выходных валов ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4 с валом 1 осуществляется также с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, но через согласующее устройство 12, установленное между ЭМ 4 и валом 1, при этом соединение ТД 2 и ЭМ 3 с валом 1 выполнено с возможностью размыкания, а ЭМ 4 - постоянным. Корпус ЭМ 4 может быть закреплен на корпусе согласующего устройства 12.
Режимы работы КЭУ по второму варианту осуществляется аналогично описанным для первого варианта с той лишь разницей, что в передаче мощности от источников энергии на вал 1 привода оси ведущих колес участвует согласующее устройство, не требующее внешнего регулирования, например шестеренчатый редуктор с неизменяемым соотношением угловых скоростей его входного и выходного звеньев.
Оба представленных варианта равноценны с точки зрения реализации поставленной задачи. Целесообразность использования того или иного варианта определяется в основном типом и габаритами ТС, позволяющими рационально разместить составляющие КЭУ.
Предлагаемые КЭУ эффективны в работе, а также не требуют дополнительных капитальных затрат при постановке гибридных ТС на производство.