СПОСОБ И СИСТЕМА ПИТАНИЯ СОБСТВЕННЫХ НУЖД
METHOD AND SYSTEM FOR AUXILIARY POWER GENERATION

Ссылка на родственную заявку
По настоящей заявке испрашиваются все возможные преимущества приоритета в соответствии с законодательством, в том числе преимущество приоритета согласно  119 раздела 35 свода законов США в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №61/155,855, поданной 01 мая февраля 2015 года, содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Заявление об исследованиях, финансируемых из федерального бюджета
Не применяется.
Ссылка на приложение с микрофишами
Не применяется.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к системам выработки энергии на собственные нужды моторных транспортных средств, в частности, к системам выработки энергии на собственные нужды, которые запитываются от силового агрегата автомобиля и сохраняют энергию (например, электроэнергию) в элементах для аккумулирования энергии (например, в аккумуляторных батареях) с целью ее расходования в тех случаях, когда автомобиль не используется. Настоящее изобретение может быть также использовано для сообщения поступательного движения автомобилям (например, автомобилям с электроприводом), а также для обеспечения новой формы надежной и устойчивой подачи электроэнергии в подсистемы транспортных средств.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Моторные транспортные средства снабжаются все возрастающим количеством электронных компонентов, которые используются как в узлах трансмиссии, так и в салоне автомобиля, обеспечивая комфорт пассажирам. К ним относятся, например, охлаждающие электровентиляторы и электрические гидронасосы, которые характеризуются малым весом и могут отключаться с целью сокращения расхода топлива, но по-прежнему вызывают паразитные потери экономии топлива во время работы. Использование этих и других электрических компонентов стимулирует потребность в большем количестве электроэнергии и спрос на аккумуляторы повышенной емкости. Это относится как к пассажирским транспортным средствам и жилым автофургонам, так и к тягачам с прицепами, которые используются для буксировки на длинные и короткие расстояния. Потребность в электроэнергии для большегрузных фур также возрастает по мере роста потребления электроэнергии все возрастающим числом электрических компонентов и систем, работающих от аккумулятора. По имеющимся оценкам использование этих электрических компонентов (например, электрических топливных насосов, насосов гидроусилителей, охлаждающих вентиляторов и прочих устройств подобного рода) приводит к (паразитным) потерям экономии топлива в 5-7% при работе этих подсистем от основного двигателя грузового автомобиля.
В известной степени большую потребность в электроэнергии испытывают моторные транспортные средства с местами для водителей и/или пассажиров, такие как большегрузные фуры и жилые автофургоны, поскольку эти транспортные средства обычно должны обеспечивать комфорт пассажирам в течение длительного периода времени, включая остановки на ночлег, когда необходимо или желательно выключать основной двигатель. Эти транспортные средства получают энергию, главным образом, от генератора, подключенного к основному двигателю, что обуславливает необходимость в постоянной работе основного двигателя для обогрева и/или охлаждения салона, даже когда транспортное средство стоит на месте. Это приводит к напрасному расходованию топлива и способствует загрязнению окружающей среды.
Кроме того, множество законодательных актов по охране окружающей среды запрещают работу основного двигателя грузовиков на холостом ходу с целью обогрева спальной кабины и кондиционирования воздуха. В результате появляются системы обогрева и кондиционирования воздуха с питанием от аккумулятора, однако им не хватает мощности для эффективного генерирования электроэнергии в количестве, достаточном для обеспечения своей работы от аккумулятора в течение длительного периода времени. В данной области техники существует потребность в новых более эффективных специализированных источниках энергии для транспортных средств, в частности, для большегрузных фур класса 8.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к способам и системам подачи мощности в системы питания собственных нужд моторных транспортных средств. Системы предшествующего уровня техники получают электроэнергию от генератора автомобиля, соединенного с помощью ремня и шкива с передним концом коленвала двигателя. Обычно считается, что выработка энергии, как перед двигателем внутреннего сгорания, так и за ним дает в результате одинаковый КПД (коэффициент полезного действия) и динамику мощности. Хотя в теории это верно, динамика мощности на выходной стороне коробки передач будет фактически иной из-за влияния зубчатого зацепления коробки передач. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения система питания собственных нужд (включая генератор или синхронный генератор переменного тока) спроектирована и выполнена с возможностью использования преимущества зубчатого зацепления коробки передач для раскручивания выходных валов с большей частотой вращения и с повышенным крутящим моментом во время передвижения по дороге.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения автомобиль содержит двигатель, соединенный с коробкой передач, которая приводит в действие карданный или ведущий вал, вращающий ведущие колеса, которые сообщают поступательное движение транспортному средству; при этом с коробкой передач или карданным валом может быть соединен генератор (или синхронный генератор переменного тока). Мощность с коробки передач или карданного вала может быть использована для приведения в действие генератора (или синхронного генератора переменного тока) с целью выработки им электроэнергии, которая может сохраняться в элементах для аккумулирования энергии (например, в аккумуляторах) системы питания собственных нужд, а также для запитывания электрических компонентов транспортного средства. Работа генератора (или синхронного генератора переменного тока) может избирательно регулироваться системой управления с целью обеспечения его эффективного функционирования и выполнения своих функций, таких как рекуперативное торможение моторного транспортного средства (например, путем избирательной активации муфты сцепления или избирательной активации статора генератора или синхронного генератора переменного тока).
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения предложенная система рассчитана на динамику, присущую рейсам на дальние расстояния, которые совершают, например, автопоезда. При дорожной скорости обороты двигателя опускаются ниже оборотов карданного вала, соединенного с выходным валом коробки передач. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения узел, генерирующий электроэнергию (например, генератор или синхронный генератор переменного тока), забирает мощность вращения карданного вала, обеспечивая повышенные обороты и вырабатывая больше электроэнергии при дорожной скорости. Кроме того, система согласно настоящему изобретению может быть использована в режиме рекуперативном торможении, в котором электроэнергия вырабатывается за счет замедления скорости движения транспортного средства с использованием дополнительного сопротивления генератора или синхронного генератора переменного тока.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения может быть обеспечено достижение одной или более из нижеперечисленных целей.
Одна из целей заявленного изобретения заключается в том, чтобы предложить систему, которая бы более эффективно отбирала мощность у двигателя моторного транспортного средства.
Еще одна из целей заявленного изобретения заключается в том, чтобы предложить систему, которая бы эффективно отбирала мощность у трансмиссии моторного транспортного средства.
Еще одна из целей заявленного изобретения заключается в том, чтобы предложить систему, обеспечивающую возможность использования энергии трансмиссии для запитывания системы питания собственных нужд.
Еще одна из целей заявленного изобретения заключается в том, чтобы предложить систему, обеспечивающую возможность использования энергии трансмиссии для запитывания генератора или синхронного генератора переменного тока с целью зарядки аккумуляторных батарей системы питания собственных нужд.
Эти и другие цели настоящего изобретения, наряду с самим изобретением, станут более понятны после ознакомления с последующим подробным описанием, фигурами и формулой изобретения.
Краткое описание фигур
Прилагаемые чертежи, включенные в это описание, иллюстрируют один или более пример осуществления изобретений и вместе с подробным описанием служат для разъяснения принципов и сфер применения этих изобретений. Чертежи и подробное описание носят исключительно иллюстративный характер и предназначены для того, чтобы облегчить понимание сути изобретений и их применения без ограничения объема заявленного изобретения. Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть модифицированы и видоизменены без отступления от сущности и объема изобретений.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства согласно предшествующему уровню техники.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3А показана схема ведущего зубчатого колеса и ведомого зубчатого колеса согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 6А и 6В представлены схематические изображения опорного подшипника согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 7 представлено схематическое изображение системы управления системой питания собственных нужд моторного транспортного средства согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к способам и системам подачи мощности, такой как электроэнергия, в системы питания собственных нужд для ее расходования с целью запитывания электрических систем моторных транспортных средств. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения моторное транспортное средство содержит двигатель, соединенный с коробкой передач, которая приводит в действие карданный вал и подает мощность на ведущие колеса, сообщающие поступательное движение транспортному средству; при этом с коробкой передач или карданным валом может быть соединен генератор (или синхронный генератор переменного тока). Мощность с коробки передач или карданного вала может быть использована для приведения в действие (например, вращения) генератора (или синхронного генератора переменного тока) с целью выработки им электроэнергии, которая может сохраняться в блоке аккумуляторных батарей системы питания собственных нужд, а также для запитывания электрических компонентов транспортного средства. Работа генератора (или синхронного генератора переменного тока) может регулироваться для обеспечения рекуперативного торможения моторного транспортного средства.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства 100, известного из предшествующего уровня техники. Моторное транспортное средство 100 содержит шасси или раму 110, которая характеризуется наличием одной или двух поперечных балок 112, служащих для поддержания и центровки других узлов, таких как двигатель 120 и трансмиссия 130 (например, коробки 132 передач, карданного вала 136 и дифференциала 138). Рама 110 может представлять собой отдельную конструкцию; или же она может быть встроена в кузов или салон автомобиля. Трансмиссия 130 содержит коробку 132 передач, карданный вал 136 и дифференциал 138. Коробка 132 передач соединена с двигателем 120, а карданный вал 136 соединяет коробку 132 передач с дифференциалом 138 и ведущими колесами 140. В общем, двигатель 120 жестко соединен с коробкой 132 передач; и единый узел, состоящий из двигателя 120 и коробки 132 передач, подвижно соединен с рамой с помощью монтажных опор двигателя (не показаны), которые поглощают вибрацию и позволяют двигателю 120 с коробкой 132 передач немного смещаться относительно рамы 110 при передаче большого крутящего момента на карданный вал 136, дифференциал 138 и колеса 140. Моторное транспортное средство может содержать систему подвески (не показана), обеспечивающую смещение ведущих колес 140 относительно рамы 110 и призванную поглощать толчки от неровностей дороги, а также позволяющую ведущим колесам 140 удерживать сцепление с неровной поверхностью дорожного покрытия. Для обеспечения смещения ведущих колес 140 относительно рамы 110 могут быть использованы карданные шарниры 134А и 134В, один из которых соединяет передний конец карданного вала 136 с коробкой 132 передач, а другой - задний конец карданного вала 136 с дифференциалом 138. Карданные шарниры 134А и 134В обеспечивают возможность передачи крутящего момента с коробки 132 передач на карданный вал 136 и дифференциал 138 при смещении дифференциала 138 и ведущих колес 140 относительно рамы 110 и коробки 132 передач.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства 200 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения моторное транспортное средство 100, такое как показано на фиг. 1, может быть модифицировано таким образом, чтобы оно могло вмещать в себя электрогенератор 260 (например, генератор или синхронный генератор переменного тока), который может быть соединен с карданным валом 136 и отбирать с него мощность с целью выработки электроэнергии, которая может сохраняться в аккумуляторных батареях 270 ВСУ (вспомогательной силовой установки). Двигатель 220 (например, бензиновый или дизельный) может быть установлен на раме 210. Двигатель 220 может быть соединен с трансмиссией 230, передающей мощность с двигателя 220 на ведущие колеса 240. Трансмиссия 230 содержит коробку 232 передач, передний карданный шарнир 234А, карданный вал 236, задний карданный шарнир 234В и дифференциал 238, который характеризуется наличием ведущих полуосей, соединенных с ведущими колесами 240. Ведущие полуоси могут содержать карданные шарниры, являющиеся частью независимой системы подвески. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения дифференциал 238 может быть подвижно соединен с рамой, например, посредством системы подвески (например, пружин и амортизаторов, которые не показаны), обеспечивая возможность смещения ведущих колес 240 относительно рамы с целью поглощения вибрации и сохранения контакта с неровной поверхностью дорожного покрытия. Передний карданный шарнир 234А и задний карданный шарнир 234В позволяют дифференциалу 238 смещаться в момент передачи крутящего момента (и мощности) карданным валом 236 с коробки 232 передач на ведущие колеса 240. Карданный вал 236 выполнен подвижным относительно рамы, обеспечивая возможность перемещений дифференциала 238 и ведущих колес 240. Для соединения электрогенератора 260 с карданным валом 236 может быть предусмотрен приводной шкив 256, установленный (например, с использованием шлицев, шпонки со шпоночным пазом, штифта или путем запрессовки) на карданном валу 236, а сам приводной шкив 256 может быть соединен со шкивом 262 генератора с помощью ремня 258 ВСУ. Кроме того, на раме 210 (например, на поперечных балках 212) могут быть установлены опорные подшипники 252 и 254, служащие опорой для карданного вала 236 и предотвращающие его перекашивание ремнем 258 ВСУ с возможным повреждением карданных шарниров 234А и 234В.
На фиг. 2 показана схема механизма 250 отбора мощности, встроенного в трансмиссию. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения механизм 250 отбора мощности содержит приводной шкив 256, охваченный опорными подшипниками 252 и 254, которые подменяют собой средний коренной подшипник на карданном валу 236 трансмиссии стандартного моторного транспортного средства (например, грузовика). Механизм 250 отбора мощности выполняет функции среднего подшипника и обеспечивает возможность отбора мощности с карданного вала для приведения в действие генератора или синхронного генератора переменного тока. Блок состоит из приводного элемента 256 (например, шкива, звездочки или червячно-шестеренчатой передачи), охваченного с обеих сторон, по меньшей мере, одним подшипником (например, опорными подшипниками 252 и 254). Приводной элемент 256 может быть изготовлен из хромомолибденовой стали, ванадиевой стали, нержавеющей стали или алюминия, а также из других высокопрочных металлических сплавов. Подшипники могут представлять собой шарикоподшипники, роликоподшипники, упорные шарикоподшипники, упорные роликоподшипники или конические упорные роликоподшипники (или сочетание указанных типов подшипников); при этом они могут быть сконфигурированы согласно множеству вариантов осуществления настоящего изобретения таким образом, чтобы отвечать требованиям по нагрузке и опиранию с учетом конфигурации трансмиссии моторного транспортного средства. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения опорные подшипники 252 и 254, расположенные с обеих сторон приводного элемента 256 (например, шкива, звездочки или червячно-шестеренчатой передачи), могут быть вмонтированы или заключены во втулку (или систему втулок), которая может сжиматься в наружной твердой оболочке, механически прикрепленной к раме 210 грузовиков. Втулка может быть изготовлена из упругого сжимаемого материала, такого как неопрен, резина, силикон, уретан или полиуретан, или из указанных материалов в любом сочетании. В некоторых конфигурациях, в зависимости от плотности материала втулки и требуемой области применения, материал втулки может содержать один или более вспомогательный вырез (например, радиально отходящие пустоты), дополнительно обеспечивающий возможность изгибания этого материала. Роль втулки заключается в том, чтобы поглощать вибрацию машины, способствовать выравниванию двух валов по одной оси и обеспечивать возможность изгибания всего механизма во время движения транспортного средства. Своим входящим концом в блок вставляется карданная труба; при этом на одном ее конце предусмотрена вилка, а на другом - карданный вал. Вилка может быть соединена через стандартный карданный шарнир с другой вилкой или другим приводным валом.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения ремень 258 может быть обернут с одного конца вокруг приводного шкива 256 и вокруг шкива 262 генератора, соединенного с валом генератора/синхронного генератора переменного тока. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения приводной шкив 256 может быть заменен ведущей звездочкой 256 с цепью 258, которая приводит в действие звездочку 262 генератора, закрепленную на валу генератора/синхронного генератора переменного тока 260. Ремень или цепь может натягиваться с помощью подпружиненного механизма натяжения (не показан), откалиброванного под диапазон горизонтальных нагрузок, прикладываемых в направлении, перпендикулярном вертикальной оси вращающегося вала.
Вспомогательная силовая установка (ВСУ) включает в себя электрогенератор 260 (или генератор переменного тока), который может быть соединен проводами 272 с блоком 270 аккумуляторных батарей 270 ВСУ. Блок 270 аккумуляторных батарей ВСУ может включать в себя аккумуляторный блок и цепь управления зарядкой, которая управляет параметрами зарядки системы с целью максимального увеличения КПД и сведения к минимуму возможности причинения вреда аккумуляторным батареям (например, их чрезмерной зарядки). Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения цепь управления зарядкой может представлять собой компонент, отдельный от блока 270 аккумуляторных батарей.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства 300 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Моторное транспортное средство 300, показанное на фиг. 3, по существу идентично тому транспортному средству, которое проиллюстрировано на фиг. 2; однако в этом варианте осуществления настоящего изобретения электрогенератор 360 соединен с карданным валом через приводной вал 358 ВСУ вместо приводного ремня 258 ВСУ. В этом варианте осуществления настоящего изобретения электрогенератор 360 соединен с карданным валом 336 через ведущее зубчатое колесо 356, которое может быть установлено (например, с использованием шлицев, шпонки со шпоночным пазом, штифта или путем запрессовки) на карданном валу 336, а для соединения ведущего зубчатого колеса 356 с зубчатым колесом 362 генератора может быть использован приводной вал 358 ВСУ. Кроме того, на раме 310 (например, на поперечных балках 312) могут быть установлены опорные подшипники 352 и 354, которые поддерживают карданный вал 336 для предотвращения его перекашивания приводным валом 358 ВСУ с возможным повреждением карданных шарниров 334А и 334В.
Как показано на фиг. 3А, ведущее зубчатое колесо 356 может представлять собой коническую шестерню со спиральными зубьями. Спиральнозубая шестерня может иметь коническую или гипоидную конструкцию. В альтернативном варианте ведущее зубчатое колесо 356 может представлять собой плоское зубчатое колесо или кольцо. Ведущее зубчатое колесо 356 может быть соединено с приводным валом или шестеренным валом 358 через сопрягаемое ведомое зубчатое колесо 358А, расположенное под углом 90 градусов. Шестеренный вал 358 может быть соединен с электрогенератором 360. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения шестеренный вал 358 может представлять собой предохранительный вал, препятствующий повреждению карданного вала 336 или трансмиссии 360 вследствие разрушения шестеренного вала 358. Предохранительный вал может быть выполнен в виде цельного выходного вала, вставленного в полую трубу, которая соединена с генератором/синхронным генератором переменного тока. На цельном валу может быть установлен комплект подшипников (например, игольчатых подшипников), а поверх цельного вала может идти вал в виде полой трубы со смазанными консистентной смазкой подшипниками. Вал в виде полой трубы закрывает, по меньшей мере, часть цельного вала и подшипники. Два вала могут соединяться рядом срезных штифтов, которые проходят через оба вала и скрепляются болтами на месте монтажа. Срезные штифты выбраны таким образом, чтобы они срезались в случае превышения приложенным крутящим моментом допустимых значений.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства 400 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Моторное транспортное средство 400, показанное на фиг. 4, по существу идентично транспортному средству, которое проиллюстрировано на фиг. 2; однако в этом варианте осуществления настоящего изобретения электрогенератор 460 смонтирован непосредственно на карданном валу 436. Намагниченный ротор электрогенератора 460 может быть соединен с карданным валом 436, а статор электрогенератора 460 может быть соединен с рамой 410 посредством опорных подшипников 452 и/или 454. Намагниченный ротор вращает карданный вал 436 в статоре, вырабатывая электроэнергию, которая может сохраняться в блоке 470 аккумуляторных батарей ВСУ или использоваться для запитывания подключенных электрических компонентов.
На фиг. 5 представлено схематическое изображение моторного транспортного средства 500 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Моторное транспортное средство 500, показанное на фиг. 5, идентично транспортному средству 200, которое проиллюстрировано на фиг. 2, за исключением модифицированной коробки передач 532, содержащей промежуточный выходной вал 532А, который может быть напрямую или опосредованно соединен с электрогенератором 560. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения промежуточный выходной вал коробки 532 передач может содержать ведущее зубчатое колесо или шкив 532А, который входит в зацепление с зубчатым колесом генератора или шкивом 562, соединенным с электрогенератором 560. Электрогенератор 560 может быть установлен на раме 510 или непосредственно на коробке 532 передач (например, на картере коробки передач). Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения коробка 532 передач может содержать промежуточный выходной вал 532А, который может быть соединен с входным валом 562 электрогенератора 560, например, с использованием приводного вала. В этих вариантах осуществления настоящего изобретения электрогенератор 560 вырабатывает электроэнергию, которая может передаваться по проводу 572 в аккумуляторный блок 570 ВСУ.
На фиг. 6А и 6В представлены схематические изображения опорного подшипника 652 согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 6В опорный корпус 680 представлен в разрезе, чтобы можно было видеть внутреннюю часть опорной втулки 682. Как можно видеть на фиг. 2, 3 и необязательно на фиг. 4, карданные валы 236, 336 и 436 могут опираться на опорные подшипники 252, 254, 352, 354, 452 и 454, которые защищают карданные валы 236, 336 и 436 от действия нагрузок со стороны элементов, обеспечивающих отбор мощности, таких как ведущий шкив 256 или ведущее зубчатое колесо 356. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения опорный подшипник 652 содержит опорную раму или корпус 680, который включает опорную втулку 682 и подшипник 690 (например, игольчатый подшипник). Подшипник 690 характеризуется наличием внутреннего кольца 692, которое может быть установлено (например, с помощью шлицев, шпонки со шпоночным пазом, штифта или путем запрессовки) на карданном валу 636, и наружного кольца 694, которое может опираться на опорную втулку 682. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения внутреннее кольцо 692 подшипника 690 может содержать шлиц, сопрягаемый со шлицем на карданном валу 636. Шлиц на карданном валу 636 может представлять собой шлиц, который используется для соединения вилки карданного шарнира 634А с трубой карданного вала 636. Опорная втулка 682 может быть изготовлена из эластомерного материала (например, резины, неопрена или упругого полимера). Опорная втулка 682 позволяет подшипнику 690 «плавать» или смещаться в пределах, обеспечивающих поперечное перемещение карданного вала 636 в нормальном режиме работы, и одновременно поддерживать карданный вал 636, защищая его от боковых нагрузок, создаваемых приводной системой, которая передает мощность в электрогенератор 260, 360 или 460. В рабочем состоянии опорный корпус 680 одного или более опорного подшипника 652 может быть встроен в раму 210, 310 или 410 моторного транспортного средства 200, 300 или 400 или скреплен с ней (например, болтами или сваркой), а внутреннее кольцо 692 может быть установлено на карданный вал 636. Приводной шкив 256 или ведущее зубчатое колесо 356 может быть жестко соединено (например, сваркой или иным способом крепления) с внутренним кольцом 692 подшипника 690, образуя монолитный узел, соединенный с карданным валом 636 для передачи мощности в электрогенератор 260, 360 или 460. В нормальном режиме работы по мере смещения карданного вала 636 вбок для обеспечения перемещения ведущих колес 240, 340 или 440 относительно рамы 210, 310 или 410 опорная втулка 682 может сжиматься для обеспечения смещения подшипника 690, на который опирается карданный вал 636.
В процессе эксплуатации блок аккумуляторных батарей ВСУ может быть использован для запитывания электрических компонентов моторного транспортного средства, как вместо, так и в дополнение к стандартному генератору переменного тока, соединенному с двигателем, который заряжает батарею системы зажигания и некоторые электронные системы двигателя. Блок аккумуляторных батарей ВСУ может быть также использован в качестве резервной системы питания на случай выхода из строя батареи системы зажигания. Кроме того, стандартный генератор переменного тока может избирательно подключаться к блоку аккумуляторных батарей ВСУ для подзарядки, когда транспортное средство стоит на месте.
Приводная система электрогенератора 260, 360 или 460 может включать в себя приводной ремень 258 и один или более натяжной шкив, который может приводиться в действие пружиной, усилие которой может регулироваться с помощью болта для сжатия или высвобождения пружины с целью смещения натяжного шкива относительно приводного ремня 258. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения вместо ременной передачи может быть использована цепная передача. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения приводной шкив 252 и/или шкив 262 генератора может регулироваться как часть плавнорегулируемой системы передачи мощности, что дает возможность регулировать мощность, отбираемую с карданного вала (или промежуточного выходного вала 532А). Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения регулируемый механизм передачи может располагаться между карданным валом 236, 336 или 436 или промежуточным выходным валом 532А и электрогенератором 260, 360, 460 или 560. Регулируемый механизм передачи может представлять собой цепную передачу, механизм зубчатого зацепления или сочетание указанных механизмов. Регулируемая передача позволяет регулировать мощность, отбираемую с карданного вала 236, 336 или 436 или с промежуточного выходного вала 532А, в соответствии с потребностями системы.
Хотя на проиллюстрированных примерах осуществления настоящего изобретения показано, что электрогенератор 260, 360 или 460 соединен с карданным валом 236, 336 или 436, согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения приводной шкив 256 или ведущее зубчатое колесо 356 может быть напрямую соединено с выходным валом коробки 232, 332 или 432 передач или входным валом дифференциала 238, 338 или 438 без необходимости использования дополнительных опорных подшипников. Электрогенератор 260, 360 или 460 может быть установлен непосредственно на картере коробки передач или картере дифференциала без использования опорных подшипников.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения электрогенератор/генератор переменного тока может быть встроен в вилки и карданные шарниры карданного вала, вследствие чего магнитные элементы электрогенератора/генератора переменного тока могут располагаться на вилках, вращающихся внутри статора (например, одной или более медной катушки). Поскольку намагниченные вилки вращаются внутри статора, они возбуждают электрический заряд, который может быть использован для зарядки аккумулятора. Кроме того, изменение электрической нагрузки на статоре может быть использовано для подавления вращения намагниченных вилок с целью торможения.
На фиг. 7 представлено схематическое изображение системы 700 управления ВСУ согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Система 700 управления ВСУ может включать в себя контроллер 710, который может быть подключен к сети 726; блок 722 управления двигателем (БУД); пользовательский интерфейс (ПИ) 742; электрогенератор 760; блок 770 аккумуляторных батарей ВСУ; и внешние датчики 724. Контроллер 710 может включать в себя один или более компьютер, содержащий центральный процессор (ЦП) 712 и сопряженные запоминающие устройства (ЗУ) 714 (например, энергозависимые и энергонезависимые запоминающие устройства); и одно или более средство 716 связи (например, порты проводной и/или беспроводной связи, такие как порты радиосвязи, порты мобильной передачи данных, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Ethernet, I2C, последовательные вводы/выводы, ППИ - последовательный периферийный интерфейс), обеспечивающие возможность сообщения контроллера 710 с внешними устройствами и системами. Контроллер может также включать в себя хранилище 715 данных для хранения информации, используемой контроллером 710 во время его работы, а также для регистрации эксплуатационных параметров с целью их последующего анализа.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может быть подключен к сети 726, такой как сеть Wi-Fi, сотовая сеть мобильной связи, глобальная сеть, сеть спутниковой связи и/или ячеистая сеть связи, которая может необязательно подключать контроллер 710 к Интернету. Это соединение может быть использовано для передачи регистрируемых рабочих параметров или данных в режиме реального времени в удаленную систему для анализа (например, анализа в реальном масштабе времени или отложенного анализа).
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может иметь доступ к оперативным картографическим данным (например, информации о ситуации на дорогах и сведениях о маршрутах, данных о дорожных уклонах, информации о трафике и погодных условиях), которые могут сохраняться в локальном запоминающем устройстве 714, а также доступных дистанционно (например, из открытых и частных источников в сети Интернет) с помощью средств 716 связи. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может содержать программно-реализованный алгоритм, который оптимизирует отбор мощности из трансмиссии путем выбора времени во время движения, когда вся мощность переключается на генератор/синхронный генератор переменного тока 760, а система вращается свободно, не осуществляя отбор мощности и нагрузки на карданном валу. Этот алгоритм может использовать умные карты и данные о дорожных уклонах в сочетании с информацией о маршрутах, данными о трафике и погодных условиях для определения оптимальных отрезков времени для включения/отключения системы, в том числе для движения свободным ходом, добавления и снижения торможения двигателем с целью оптимизации отбора энергии и обеспечения безопасности водителя. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения избирательная подача заряда или потенциала на генератор (например, статор) избирательно создает механическое сопротивление (например, для торможения) и способствует избирательной выработке электроэнергии для зарядки аккумуляторных батарей. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения программно-управляемый контроллер может быть использован для избирательного включения силового агрегата, исходя из данных датчиков (например, одного или более акселерометра и/или гироскопа), с целью избирательной регулировки сопротивления вращению трансмиссии и электронной системы торможения или системы торможения с использованием электрических тормозов-замедлителей (моторных тормозов Джакобса).
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может быть запрограммирован на распознавание (например, по данным акселерометра, гироскопа, GPS (системы глобального позиционирования) и/или по топографическим данным) движения моторного транспортного средства под уклон и/или в гору. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может использовать акселерометр и/или гироскоп для определения угла подъема/спуска грузовика и регулирования уровня сопротивления, который система добавляет трансмиссии с целью достижения заданных показателей эксплуатационных качеств (например, для повышения экономии топлива и/или увеличения выработки электроэнергии). Например, контроллер 710 может непрерывно отслеживать данные акселерометра (и/или гироскопа) и определять угол наклона (например, угол спуска или подъема), и в случае превышения углом спуска заданного порогового значения (например, на 3%) контроллер может избирательно включить генератор или синхронный генератор переменного тока для повышения сопротивления вращению трансмиссии, тем самым увеличивая тормозящее действие транспортного средства и оптимизируя рекуперацию энергии за счет использования кинетической энергии разогнавшегося транспортного средства при его движении под уклон, что увеличивает количество электроэнергии, аккумулируемой в блоке батарей, и одновременно повышает безопасность движения моторного транспортного средства (например, снижает износ и перегрев тормозных систем автомобиля). Это также оптимизирует экономию топлива, так как контроллер может избирательно включать генератор или синхронный генератор переменного тока только при движении моторного транспортного средства под уклон, а также необязательно позволяет двигателю работать на холостых оборотах, не используя свою мощность, или отключать двигатель, чтобы транспортное средство катилось свободным ходом.
Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может использовать сетевые соединения 726 для обновления своей прошивки и программного обеспечения; исполнения программ, включая удаленную диагностику систем; и непрерывного отслеживания состояния системы, включая выходные характеристики системы, местоположение, температуру, состояние аккумулятора, скорость движения транспортного средства, массу и пр. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может загрузить все требуемые картографические данные, сведения о маршруте, топографии (например, наклонах), трафике и погоде, а также прочие данные, необходимые для запланированной поездки, с тем, чтобы в рейсе система 700 управления могла выполнять свои функции (без необходимости получения данных из удаленного источника во время движения по дороге). Кроме того, могут быть также сохранены данные, связанные с альтернативными маршрутами и объездами, для планирования возможных изменений маршрута вследствие изменения интенсивности движения на дороге и/или погодных условий. В случае если водителю будет необходимо изменить маршрут и ему потребуются дополнительные данные, система 700 управления может подключиться к источнику данных проводным или беспроводным способом (например, через сеть Ethernet, с помощью сотовой системы передачи данных, по Wi-Fi, с использованием технологии Bluetooth или Zigbee и пр.) для получения требуемых дополнительных данных. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения система управления может также получать данные путем создания точки доступа на мобильном телефоне водителя (или пассажира) или с помощью системы парковой радиосвязи.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может быть подключен к блоку управления двигателем (БУД) 722 для непрерывного контроля рабочих параметров двигателя 220, 320, 420 или 520 моторного транспортного средства. Контроллер 710 может быть подключен к электрогенератору 760 для регулирования отбора мощности этим электрогенератором с карданного вала или коробки передач. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения зубчатое колесо или шкив 262 или 362 генератора может содержать кулачковую муфту, которая может избирательно вводиться в зацепление или выводиться из зацепления контроллером 710. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения электрогенератор 260 или 360 может быть электрически подключен или отключен от нагрузки при зарядке контроллером 710. В процессе эксплуатации, например, контроллер 710 может оптимизировать функцию зарядки аккумуляторных батарей ВСУ с целью повышения экономии топлива путем избирательного отключения режима зарядки и силовой нагрузки на трансмиссию, когда двигатель работает в режиме низкого КПД, таком как режим ускорения (например, когда нажата педаль газа транспортного средства, или при низком показателе экономии топлива) или режим движения в гору (например, когда данные акселерометра указывают на движение вверх), избирательного включения режима зарядки и силовой нагрузки на трансмиссию, когда двигатель работает в режиме высокого КПД, таком как режим торможения (например, когда отжата педаль газа, когда нажат тормоз, или при высоком показателе экономии топлива) или режим движения под уклон (например, когда данные акселерометра указывают на движение вниз), а также для рекуперативного торможения. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер может использовать картографические данные и/или данные о рельефе местности (например, сведения, сохраненные в хранилище 715 данных) для планирования рабочих режимов и включения/отключения режима зарядки, в зависимости от того, будет ли транспортное средство двигаться в гору или под уклон, и от величины уклона. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер может периодически (например, в соответствии с заданным рабочим циклом) включать, а затем отключать генератор или синхронный генератор переменного тока для модулирования нагрузки на трансмиссию и более точного регулирования сопротивления, оказываемого на трансмиссию. В альтернативном варианте контроллер может регулировать напряжение, подаваемое на статор или генератор, с целью регулирования нагрузки на трансмиссию.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может быть подключен к пользовательскому интерфейсу (ПИ) 742, такому как панель управления, расположенная на приборной панели моторного транспортного средства, которая позволяет водителю управлять работой системы зарядки ВСУ. Панель 742 управления (ПИ) может содержать одну или более кнопку или переключатель для перевода системы зарядки ВСУ в заданный рабочий режим (например, включено, выключено, максимальная зарядка, максимальная экономия топлива). Панель 742 управления (ПИ) может представлять собой пользовательский интерфейс на базе сенсорного экрана, отображающий элементы для управления заданными режимами работы системы (например, включено, выключено, максимальная зарядка, максимальная экономия топлива), а также позволяющий водителю регулировать параметры рабочих режимов. Пользовательский интерфейс 742 может также содержать индикаторы (например, световые и/или звуковоспроизводящие элементы), предоставляющие водителю данные о состоянии (например, о состоянии ВСУ (заряжается или не заряжается), уровне зарядки батарей), а также предупредительную информацию (например, о ситуациях сбоя, таких как «Отсутствие зарядки батарей», «Чрезмерная зарядка батарей» или «Нет батареи»; или о системных сбоях, таких как «Генератор не работает» или «Отказ батареи»). Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения пользовательским интерфейсом 742 может служить смартфон или модуль GPS, установленный в кабине водителя.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может быть подключен к электрогенератору 760 и блоку 770 аккумуляторных батарей ВСУ с целью непрерывного отслеживания состояния и рабочих параметров электрогенератора и блока 770 аккумуляторных батарей ВСУ. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может управлять режимом зарядки (например, скоростью зарядки и поддержанием заряда (например, путем непрерывной подзарядки) при зарядке батарей) во время движения. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения в контроллере 710 может быть предусмотрена функция отображения, позволяющая водителю вводить данные о месте назначения и необязательно прокладывать маршрут движения; при этом контроллер может определить режим зарядки с учетом отрезков пути, когда мощность отбирается с трансмиссии для зарядки аккумуляторных батарей ВСУ с целью оптимизации экономии топлива, а также зарядки батарей до максимального уровня или до уровня, определяемого водителем.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения водитель может задать продолжительность работы блока аккумуляторных батарей ВСУ во время запланированной остановки; а система может определить уровень зарядки аккумуляторных батарей ВСУ, необходимый для обеспечения работы в течение заданного отрезка времени. Например, водитель может задать место назначения и продолжительность остановки (например, 8 часов) и параметры комфорта (например, обогрева или охлаждения), а контроллер может определить минимальный уровень зарядки аккумуляторных батарей ВСУ, необходимый для удовлетворения требований к параметрам комфорта в течение заданного отрезка времени, и определить режим или план зарядки, который должен исполняться во время движения до места назначения (и, например, прекратить зарядку аккумуляторных батарей по достижении заданного уровня зарядки еще до прибытия на место назначения). Контроллер 710 может также выдать водителю индикацию соответствующего прибора или уведомить его (например, во время движения или в месте назначения) о том, достаточно ли заряжена система ВСУ для удовлетворения заданных потребностей. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, некоторые из параметров комфорта могут быть получены из удаленных источников информации, таких как источники данных о погоде, сводки погоды, данные о местоположении и времени года.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения контроллер 710 может быть подключен к внешним датчикам (или системам, обеспечивающим доступ к данным датчиков, таким как смартфон или мобильное GPS-устройство), таким как акселерометры, гироскопы, датчики температуры, датчики давления воздуха в шинах, датчики уровня топлива, датчики угла наклона и GPS-устройства, предоставляющие данные для контроллера 710 для дополнительной оптимизации работы оборудования моторного транспортного средства и системы зарядки аккумуляторных батарей ВСУ. Таким образом, например, данные об уровне топлива могут быть использованы в сочетании с данными о погоде (или температуре) и картографическими (или геолокационными) данными для обеспечения работы двигателя с достаточно высоким уровнем КПД таким образом, чтобы моторное транспортное средство могло добраться до ближайшей автозаправочной станции без полной выработки топлива, например, за счет отключения каких-либо нагрузок на двигатель при зарядке (включая генератор двигателя), что могло бы уменьшить расход топлива и не допустить полной выработки топлива до того, как моторное транспортное средство доберется до следующей автозаправочной станции. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения картографические или геолокационные данные и информация о трафике или данные об уровне наклона или данные акселерометра могут быть использованы для перевода электрогенератора 760 в режим торможения, что увеличивает нагрузку на трансмиссию для подачи дополнительного тормозного усилия на уклонах или при заторе движения с целью улучшения управляемости моторного транспортного средства.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения рабочие характеристики моторного транспортного средства, включая КПД по топливу и возможность зарядки системы питания ВСУ, могут регистрироваться по принципу «от маршрута к маршруту» или «от участка к участку» для каждой поездки, совершаемой моторным транспортным средством. Эта информация о рабочих характеристиках может загружаться по сети 726 в центральную систему управления, в которой собираются эксплуатационные данные по более чем одному моторному транспортному средству. Эти эксплуатационные данные могут быть проанализированы для выявления маршрутов и/или участков пути, которые обеспечивают наилучший КПД по топливу и/или наилучшие возможности для зарядки систем питания ВСУ, после чего каждому маршруту/участку пути могут быть назначены свои рабочие характеристики, значение приоритета и/или ранжирующее значение. Эти данные о рабочих характеристиках, значении приоритета и/или ранжирующем значении могут быть загружены в контроллер 710 и использованы контроллером 710 для выбора маршрутов или участков пути для движения.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения электрогенератор может быть использован для обеспечения содействия торможению. Когда водитель убирает ногу с акселератора (например, с педали газа), двигатель начинает работать в качестве тормоза и замедляет движение транспортного средства. Некоторые фуры для дальних перевозок снабжены моторными тормозами-замедлителями (например, тормозами Джакобса), которые повышают сопротивление двигателя во время движения транспортного средства вперед путем уменьшения компрессии в цилиндрах двигателя. Такой эффект часто востребован с учетом весовых характеристик грузовиков класса 8. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения тормозящее действие может быть инициировано контроллером 710, а при необходимости тормозящее действие системы может быть усилено за счет задействования электрического тормоза Джакобса, например, путем подачи дополнительного заряда или нагрузки на электрогенератор, что повышает сопротивление в генераторе и, соответственно, способствует выработке большего количества электроэнергии.
Однако сопротивление двигателя движению вперед, когда водитель убирает ногу с педали газа, может также ограничивать количество энергии, которое может быть рекуперировано для выработки электроэнергии. Для компенсации этой потери энергии и экономии топлива коробка передач моторного транспортного средства может содержать шестерню свободного хода или обгонную муфту, которая выходит из зацепления с карданным валом, вследствие чего двигатель отсоединяется от коробки передач, что устраняет эффект торможения двигателем. Грузовик в этот момент движется под действием своей массы, а его скорость замедляется только за счет факторов, связанных с сопротивлением качению, таких как ничтожно малое сопротивление шин, катящихся по поверхности дороги. Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения одновременно с отсоединением коробки передач от двигателя посредством обгонной муфты может быть включено электронное торможение с помощью электрогенератора, что обеспечивает преимущество от наращивания усилия, которое может быть направлено на вращение электрогенератора и повышение количества вырабатываемой электроэнергии. В этом варианте осуществления настоящего изобретения тормозящее действие электрогенератора заменяет собой тормозящее действие двигателя.
Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения добавление механизма свободного хода с автоматическим сцеплением к трансмиссии моторного транспортного средства позволяет водителю выбрать режим работы (с использованием электронного или механического рычага, включающим и отключающим режим свободного хода), что дает ему возможность повысить рекуперативную способность систем за счет использования механизма свободного хода.
Механизм свободного хода по своей природе действует как автоматическое сцепление, позволяющее менять шестерни в механической коробке передач с включением или повышающей передачи, или понижающей передачи без нажатия педали сцепления. Например, механизм свободного хода может включаться или отключаться водителем путем поворачивания рычага от себя или к себе. Этим обеспечивается блокировка или разблокировка вторичного вала ступицей свободного хода. Свободный ход дает большую экономию топлива при использовании карбюраторных двигателей (без отключения подачи топлива на двигателе, который используется как тормоз) и меньший износ механизма ручного сцепления, но может привести к увеличению износа тормозов, поскольку в этом случае теряется возможность торможения двигателем. Это делает коробки передач свободного хода опасными для применения на моторных транспортных средствах, используемых в гористой местности, так как длительное и постоянное применение тормозов для ограничения скорости транспортного средства может привести к перегреву тормозной системы и ее возможному полному отказу. Системы согласно настоящему изобретению могут использовать электрогенератор для замены двигателя в качестве тормоза, что экономит топливо и замедляет скорость движения транспортного средства за счет включения электродвигателей/генераторов, вследствие чего повышается сопротивление движению вперед моторного транспортного средства без расходования топлива. Отбираемая мощность может быть использована для выработки электроэнергии, что повышает общий КПД системы.
Сущность и объем заявленного изобретения включают в себя и другие варианты его осуществления. Например, вследствие природы программного обеспечения функции, описанные выше, могут быть реализованы с использованием программ, аппаратных средств, программно-аппаратных средств, проводного монтажа или любых сочетаний перечисленных средств. Признаки, обеспечивающие реализацию функций, могут также физически располагаться в различных точках; при этом они могут быть распределены таким образом, что функции могут реализовываться по частям в физически разных местах.
Кроме того, хотя представленное выше описание относится к конкретному изобретению, оно может включать в себя более одного изобретения.