РАБОЧАЯ МАШИНА С ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ
WORKING MACHINE WITH AUXILIARY POWER UNIT AND INTELLIGENT POWER CONSUMPTION CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к рабочим машинам и, в частности, к рабочим машинам, содержащим двигатель внутреннего сгорания, который может быть использован для привода первичных и внешних нагрузок.
Уровень техники
Рабочая машина, такая как сельскохозяйственная рабочая машина, строительная рабочая машина или лесохозяйственная рабочая машина, как правило, содержит силовую установку в виде двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может быть либо в виде двигателя с воспламенением от сжатия (например, дизельного двигателя), либо в виде двигателя с искровым зажиганием (например, бензинового двигателя). Для наиболее тяжеловесных рабочих машин силовая установка имеет форму дизельного двигателя, который имеет лучшие характеристики перегрузки двигателя, сброса нагрузки и крутящего момента для соответствующих рабочих операций.
Характеристика ступенчатой нагрузки двигателя внутреннего сгорания в переходном состоянии после ударной нагрузки наиболее сильно зависит от рабочего объема двигателя, аппаратной части двигателя (например, наличие стандартного турбокомпрессора, турбокомпрессора с перепускным клапаном или изменяемой геометрией, и т.п.), а также от стратегии программного обеспечения для управления воздушными и топливными приводами (например, рециркуляции отработавших газов, алгоритма работы турбокомпрессора с турбиной изменяемой геометрии, конфигурации топливных инжекторов, и т.п.) относительно требований законодательства по выбросам (например, видимого дыма, оксидов азота (NOx) и т.п.), шуму или вибрации. Ударная нагрузка может быть результатом нагрузки трансмиссии (например, приспособление, буксируемое за рабочей машиной) или внешней нагрузки (то есть, нагрузки, не связанной с трансмиссией). Внешние нагрузки могут быть классифицированы на паразитные нагрузки и вспомогательные нагрузки. Паразитные нагрузки представляют собой несвязанные с трансмиссией нагрузки, которые образуются на двигателе при нормальном режиме работы рабочей машины, без вмешательства оператора (например, нагрузка охлаждающего вентилятора двигателя, насоса контура охлаждения гидравлической жидкости и т.п.). Вспомогательные нагрузки представляют собой несвязанные с трансмиссией нагрузки, образуемые на двигателе при селективном вмешательстве оператора (например, вспомогательная гидравлическая нагрузка, такая как разгрузка шнека комбайна, переднего погрузочного устройства, навесного оборудования обратной лопаты и т.п.).
Во время применения проходящей нагрузки двигательные системы как целое реагируют линейным образом. Сначала нагрузка прилагается на ведущий вал двигателя внутреннего сгорания. Скорость двигателя внутреннего сгорания понижается, когда нагрузка увеличивается. Падение скорости двигателя зависит от того, является ли регулятор изохронным или он имеет падение скорости. Путем управления воздушными приводами поток воздуха увеличивается, чтобы предоставить дополнительное количество воздуха в двигатель внутреннего сгорания. Для достижения заданного значения воздушного потока требуется некоторая временная задержка. Количество впрыскиваемого топлива, которое регулируется почти мгновенно, увеличивается относительно предела дымности отработавших газов, а также максимально допустимого количества топлива. Тогда, двигатель восстанавливает заданное значение скорости двигателя. Параметрами, связанными с характеристикой ступенчатой нагрузки двигателя в переходном процессе после ударной нагрузки, являются падение скорости и время на восстановление заданной скорости двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания может быть соединен с бесступенчатой трансмиссией, которая обеспечивает переменную скорость от нуля до максимума бесступенчатым образом. Бесступенчатая трансмиссия, как правило, содержит гидростатические и механические элементы зубчатой передачи. Гидростатические элементы преобразуют мощность вращающегося вала в гидравлический поток и наоборот. Поток мощности через бесступенчатую передачу может проходить только через гидростатические элементы, только через механические элементы или через комбинацию гидростатических и механических элементов, в зависимости от строения и выводимой скорости.
В рабочей машине, содержащей двигатель внутреннего сгорания с бесступенчатой трансмиссией, может возникнуть два вида проблем. Во-первых, внезапные нагрузки на трансмиссию или гидравлические функции транспортного средства вызывают падение скорости двигателя. Время отклика, требуемое для изменения коэффициента бесступенчатой передачи для уменьшения нагрузки двигателя, больше времени, необходимого для предотвращения существенного падения скорости двигателя, а иногда и глушения двигателя. Во-вторых, когда к двигателю внутреннего сгорания прилагается внешняя нагрузка, такая как при наполнении ковша фронтального погрузчика на транспортном средстве с бесступенчатой трансмиссией, оператор может подать команду повышения скорости транспортного средства, которое существенно больше возможностей двигателя внутреннего сгорания. В этих условиях выводимый бесступенчатой трансмиссией крутящий момент и скорость могут привести к чрезмерной пробуксовке колес и другим нежелательным явлениям. Аналогично, если активируется внешняя нагрузка на трансмиссию от другой внешней функции, такой как гидравлические функции, то эта внешняя нагрузка в сочетании с нагрузочной способностью трансмиссии могут привести к перегрузке двигателя.
В течение следующего десятилетия значительно повысятся требования к производительности и экономии топлива для рабочих машин. Это осложняется наличием устройств для уменьшения выбросов. Ожидается, что увеличивающийся размер и производительность рабочих машин приведет к потребности в мощности, которая будет выше доступной от отдельных двигателей внутреннего сгорания. Это в свою очередь приведет к разработке транспортных средств, использующих очень большие, тяжелые и дорогие двигатели промышленного назначения. Сложность устройства и стоимость подобных двигателей может воспрепятствовать и сократить реализацию машин высокой мощности.
Одним из путей решения данной проблемы является использование гибридного двигателя, в котором сочетаются технологии электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания, с аккумулятором для добавления электрической мощности к мощности двигателя внутреннего сгорания. Ожидается, что подобные двигатели будут работать очень эффективно, но добавление электрической мощности доступно только в течение относительно коротких периодов времени. Время, когда электрическая мощность доступна, определяется размером аккумулятора. Аккумуляторы с емкостью, достаточной для предоставления долговременного добавления мощности, являются большими, тяжелыми и дорогими, что ограничивает их применение на практике.
Еще одним преимуществом гибридных двигателей с подпиткой от аккумулятора является способность задействовать электрические приводы при отключенном двигателе внутреннего сгорания. Например, система обогрева и кондиционирования воздуха, система освещения, воздушные компрессоры, охлаждающие вентиляторы, системы разгрузки бункера для зерна, и т.п. могут быть активированы без необходимости запуска двигателя внутреннего сгорания. Время, в течение которого эти приводы могут быть активированы при отключенном двигателе внутреннего сгорания, ограничено емкостью аккумулятора. Аккумуляторы с достаточной емкостью для обеспечения значительной работы в течение долгих периодов времени при отключенном двигателе внутреннего сгорания могут быть слишком большими, тяжелыми и дорогими для практического применения.
Необходима рабочая машина и соответствующий способ работы, которые обеспечивает стабильную, повышенную номинальную мощность с множеством преимуществ гибридных двигателей, между тем удовлетворяя требования по выбросам, которые становятся все жестче.
Раскрытие изобретения
В одном аспекте настоящее изобретение направлено на рабочую машину, содержащую первичную силовую установку с номинальной первичной мощностью. Первичная силовая установка выполнена с возможностью соединения с, по меньшей мере, одной первичной нагрузкой, включающей в себя нагрузку продвижения. Вспомогательная силовая установка механически независима от первичной силовой установки и имеет номинальную вспомогательную мощность, которая меньше номинальной первичной мощности. Вспомогательная силовая установка выполнена с возможностью соединения с, по меньшей мере, одной внешней нагрузкой, включающей в себя нагрузку, инициируемую оператором. По меньшей мере, одна электрическая схема обработки выполнена с возможностью избирательного соединения первичной силовой установки с одной или более первичными нагрузками, и избирательного соединения вспомогательной силовой установки с одной или более внешними нагрузками.
В еще одном аспекте настоящее изобретение направлено на способ работы рабочей машины, включающий этапы, на которых: приводят в действие нагрузку продвижения посредством первичной силовой установки, причем первичная силовая установка имеет номинальную первичную мощность; и приводят в действие инициированную оператором нагрузку посредством вспомогательной силовой установки. Вспомогательная силовая установка механически независима от первичной силовой установки и имеет номинальную вспомогательную мощность, которая меньше номинальной первичной мощности.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематичную иллюстрацию варианта осуществления рабочей машины настоящего изобретения; и
Фиг.2A и 2B представляют собой схематичные иллюстрации конкретного варианта осуществления рабочей машины настоящего изобретения в виде сельскохозяйственного комбайна.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан схематичная иллюстрация одного варианта осуществления рабочей машины 10 настоящего изобретения. В данном примере предполагается, что рабочая машина 10 представляет собой сельскохозяйственную рабочую машину в виде сельскохозяйственного комбайна компании John Deere, но она также может представлять собой рабочую машину другого типа, такую как строительная, лесохозяйственная, горная или промышленная рабочая машина.
Рабочая машина 10 содержит первичную силовую установку в виде первичного двигателя 12 внутреннего сгорания и вспомогательную силовую установку в виде вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания. Первичный двигатель 12 внутреннего сгорания имеет первичную трансмиссию, как правило, содержащую выходной коленчатый вал 16, с номинальной первичной выходной мощностью, которая приводит в действие одну или более первичных нагрузок 18. Первичная нагрузка(и) включает в себя нагрузку продвижения для селективного продвижения рабочей машины 10 по земле. Для этой цели бесступенчатая трансмиссия 20 в виде гидростатической трансмиссии может селективно сцепляться/расцепляться от коленчатого вала 16, и она передает движущую силу одному или более ведущим колесам 22. Само собой разумеется, что в случае рабочей машины гусеничного типа коленчатый вал 16 может быть соединен с гусеницами, соприкасающимися с землей.
Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания механически независим от первичного двигателя 12 внутреннего сгорания. Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания имеет вспомогательную трансмиссию, как правило, содержащую выходной коленчатый вал 24, с номинальной вспомогательной мощностью, которая меньше номинальной первичной мощности двигателя 12 внутреннего сгорания. В показанном варианте осуществления предполагается, что первичный двигатель 12 внутреннего сгорания имеет объем 13,5 л и номинальную мощность 425 кВт, а вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания имеет объем 2,4 л и номинальную мощность 56 кВт.
Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания приводит в действие одну или более внешних нагрузок 26, которые включают в себя одну или более вспомогательных нагрузок 28 и могут включать в себя одну или более паразитных нагрузок 30. Вспомогательные нагрузки 28 представляют собой несвязанные с трансмиссией нагрузки или электрические нагрузки, образуемые на двигателе 14 внутреннего сгорания при селективном вмешательстве оператора (например, вспомогательная гидравлическая нагрузка, такая как разгрузка шнека комбайна, переднего погрузочного устройства, навесного оборудования обратной лопаты и т.п.). Паразитные нагрузки 30 представляют собой несвязанные с трансмиссией нагрузки, образуемые на вспомогательном двигателе 14 внутреннего сгорания во время нормального режима работы уборочной машины без вмешательства оператора (например, нагрузка электрического двигателя охлаждающего вентилятора для первичного двигателя 12 внутреннего сгорания и т.п.).
В проиллюстрированном варианте осуществления предполагается, что первичный двигатель 12 внутреннего сгорания и вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания представляют собой дизельные двигатели, однако они также могут являться бензиновыми двигателями, двигателями на пропане и т.п. Размер и конфигурация двигателей 12 и 14 внутреннего сгорания подбираются согласно применению, но предполагается, что двигатель 14 внутреннего сгорания имеет номинальную мощность, которая меньше номинальной мощности двигателя 12 внутреннего сгорания.
Первый Блок Управления Двигателем (БУД) 32 управляет работой первичного двигателя 12 внутреннего сгорания электронным образом, и он соединен с множеством датчиков (не показаны), связанных с работой первичного двигателя 12 внутреннего сгорания. Например, БУД 32 может быть соединен с датчиком, указывающим параметры управления двигателя, такие как скорость потока воздуха внутри одного или более впускных коллекторов, скорость двигателя, скорость и/или момент зажигания, скорость рециркуляции отработавших газов, положение лопатки турбокомпрессора и т.п. В добавление, БУД 32 может принимать из Блока Управления Транспортным Средством (БУТС) 34 выходные сигналы, представляющие вводимые оператором параметры управления транспортным средством, такие как заданная скорость относительно земли (указываемая положением ручки переключения передач и ручки дросселя и/или гидростата) или заданное направление рабочей машины 10 (указываемое угловым положением рулевого колеса).
Аналогично, второй БУД 36 электронным образом управляет работой вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания. Порядок работы БУД 36 аналогичен порядку работу БУД 32, так что его подробное описание опущено. Очевидно, что для определенных приложений БУД 32 и БУД 36 могут быть интегрированы в один контроллер.
Блок Управления Трансмиссией (БУТ) 38 электронным образом управляет работой бесступенчатой трансмиссии 20, и он, как правило, соединен с множеством датчиков (не показаны), связанных с работой бесступенчатой трансмиссии 20. БУД 32, БУТС 34, БУД 36 и БУТ 38 соединены друг с другом посредством шины, обеспечивающей обмен данными в двух направлениях, такой как шина 40 стандарта Controller Area Network (CAN).
Несмотря на то, что различные электронные компоненты, такие как БУД 32, БУТС 34, БУД 36 и БУТ 38, показаны как соединенные друг с другом посредством проводных соединений, следует понимать, что для определенных применений могут использоваться беспроводные соединения.
Ниже, со ссылкой на фиг.2A и 2B подробно описан конкретный вариант осуществления рабочей машины 10 настоящего изобретения в виде сельскохозяйственного комбайна.
Первичные нагрузки, приводимые в действие первичным двигателем 12 внутреннего сгорания, включают в себя два типа нагрузок, приводимых в действие трансмиссией, то есть нагрузки, связанные с гидравлическим поступательным действием 20, и нагрузки, связанные с системой 42 обмолота. Нагрузки системы обмолота являются нагрузками, которые связаны с одним или более из следующих: платформенного хедера; жатки; приемной камеры молотилки; ротора; сепаратора и измельчителя остатков.
Внешние нагрузки, приводимые в действие вспомогательным двигателем 14 внутреннего сгорания, включают в себя два типа не связанных с трансмиссией, гидравлических или электрических нагрузок. То есть, вспомогательные нагрузки, инициируемые оператором, и паразитные нагрузки, которые не инициируются оператором. В варианте осуществления с фиг.2 вспомогательные нагрузки 28 представляют собой несвязанные с трансмиссией нагрузки, которые относятся к одному или более из следующих элементов; система обогрева и кондиционирования воздуха; привод мотовила; привод зерноочистки; воздушный компрессор для функции очистки; система освещения транспортного средства; система разгрузки очищенного зерна; привод очистительного вентилятора; привод режущего аппарата/шнека; распределитель соломы; элеватор очищенного зерна; и вспомогательная электрическая розетка. Все эти вспомогательные нагрузки 28 (за исключением системы освещения и вспомогательной электрической розетки) обозначены как электрические нагрузки, приводимые в действие посредством соответствующих электрических двигателей (каждый из которых обозначен буквой «M»). Различные двигатели M селективно включаются посредством электронной схемы 44 (схематично показанной в виде блока), которая может включать в себя БУТС 34, выпрямитель и инвертор постоянного тока. Электронная схема 44 электрически соединяет вспомогательный двигатель/генератор 46 с двигателем M, связанным с выбранной вспомогательной нагрузкой 28. Очевидно, что при снабжении электрической мощности на одну или более вспомогательных нагрузок 28 вспомогательный двигатель/генератор 46 работает как двигатель/генератор с выводом электрической мощности. Вспомогательные нагрузки также могут включать в себя одну или более инициированных оператором гидравлических нагрузок, представленных гидравлическими насосами 47.
В случае если вспомогательный двигатель 14 не работает и для временного питания одной или более вспомогательных нагрузок 28 требуется электрическая мощность, можно использовать электрический аккумулятор 48, который также соединен с электронной схемой 44. Самой собой разумеется, что для обеспечения высокой емкости (ампер*час) может быть собрана группа из соединенных друг с другом аккумуляторов. Мощность аккумулятора 48 может быть использована в виде постоянного тока, либо преобразована и использована в виде переменного тока.
Внешние нагрузки 26 могут иметь жесткую проводную связь с электронной схемой 44, вспомогательным двигателем/генератором 46 и/или аккумулятором 48, или, в качестве альтернативы, они могут быть соединены посредством модульных соединителей или разъемов (например, посредством одного или более электрических разъемов, показанных на фиг.2A). Кроме того, внешние нагрузки 26 могут быть приведены в действие на той же скорости, что и первичный двигатель 12 внутреннего сгорания, либо на другой скорости. Это позволяет выполнять функции внешних нагрузок на скорости, отличной от скорости функций обмолота и передвижения, что может быть важно для определенных рабочих условий, таких как при работе вечером, когда жесткость продукта урожая повышается.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения первичный двигатель 12 внутреннего сгорания может быть соединен с первичным двигателем/генератором 50. Первичный двигатель/генератор 50 и вспомогательный двигатель/генератор 46 электрически соединены вместе, как показано посредством электрических линий 52 передачи. Это обеспечивает возможность Интеллектуальному Управлению Энергопотреблением разделять потребности в мощности между первичным двигателем 12 внутреннего сгорания и вспомогательным двигателем 14 внутреннего сгорания. Электрическая мощность может быть передана от первичного двигателя/генератора 50 во вспомогательный двигатель/генератор 46 и наоборот, в зависимости от потребностей в мощности, связанных с первичными нагрузками 18 или внешними нагрузками 28.
В вышеописанном варианте осуществления первичный двигатель 12 внутреннего сгорания напрямую приводит в действие только нагрузки, связанные с передвижением, и нагрузки системы обмолота. Вспомогательный двигатель 14 внутреннего сгорания приводит в действие внешние нагрузки 26, включающие в себя вспомогательные нагрузки 28 и паразитные нагрузки 30. Тем не менее, в зависимости от размера и конфигурации двигателей 12 и 14 внутреннего сгорания, может быть желательным приводить в действие, по меньшей мере, некоторые вспомогательные нагрузки 28 и/или паразитные нагрузки посредством первичного 12 двигателя внутреннего сгорания. В любом случае достаточная доля внешних нагрузок 26 приводится в действие посредством вспомогательного двигателя 14 внутреннего сгорания, так что во время работы первичный двигатель 12 внутреннего сгорания не попадает в состояние перегрузки.
Очевидно, что в рамках объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения, могут быть выполнены различные изменения.