ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ С УВЕЛИЧЕННЫМ ПРОБЕГОМ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ
EXTENDED-RANGE ELECTROMOBILE WITH CENTRAL ENGINE LOCATION

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по заявке на патент Китая №201510259749.2, поданной 20 мая 2015 г., под названием «ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ С УВЕЛИЧЕННЫМ ПРОБЕГОМ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ДВИГАТЕЛЯ», раскрытие которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Настоящее изобретение относится к области автомобильных технологий, в частности, к электромобилю с увеличенным пробегом и соответствующей компоновкой двигателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Современные автомобили главным образом относятся к нескольким категориям, включающим автомобили со стандартными поршневыми двигателями в качестве источника энергии, и автомобили на электродвигателях, имеющие только электрический привод и требующие подзарядки, в которых для накопления энергии используются аккумуляторные батареи. Гибридный электромобиль (HEV) - это новый тип автомобиля, который имеет две силовые системы, включая стандартный поршневой двигатель и электродвигатель. В известных HEV обычно применяются механические гибридные силовые устройства и имеется две полных силовых системы, в том числе сцепление, коробка передач, дифференциал и т.д. Эти устройства сложны, и энергия, вырабатываемая их аккумуляторными батареями, настолько мала, что может служить только для содействия движению и регенерации энергия торможения. В то же время, HEV с сериесным двигателем, т.е. электромобиль с увеличенным пробегом, приводится в движение непосредственно двигателем, конструкция которого проста, и его аккумуляторные батареи работают в состоянии неполной зарядки и имеют подходящее напряжение, тем самым обеспечивая длительный срок службы. Он также может работать в полностью электрическом режиме благодаря большой емкости аккумуляторных батарей. Двигатель данного автомобиля всегда функционирует в оптимальных условиях с низкими выбросами и высоким КПД. Он также предусматривает вариант внешней зарядки, чтобы можно было заряжаться дешевой электроэнергией в часы внепиковой нагрузки ночью. Как правило, поршневой двигатель в известных электромобилях с увеличенным пробегом используется в качестве зарядного устройства, но существует большая разница между термическим КПД поршневого двигателя и газовой турбины. В случае использования стандартного поршневого двигателя внутреннего сгорания в качестве источника энергии требуется большой объем конструкции двигателя, что снижает общий КПД силовых систем в электромобиле с увеличенным пробегом. Таким образом, использование газовой турбины для выработки электроэнергии на электромобиле с увеличенным пробегом имеет перспективы широкого распространения.
[0004] Как и в обычном автомобиле с закрытым кузовом, в известном гибридном электромобиле двигатель обычно располагается спереди, т.е. находится перед передней осью, а его выходной вал располагается продольно. Преимущество такой компоновки заключается в том, что установка и техническое обслуживание удобны, но сложно достичь баланса весовых нагрузок между передними и задними колесами, а также между левыми и правыми колесами, с большим моментом инерции и плохой управляемостью.
[0005] Среди известных автомобилей можно отметить также автомобили с центральным или задним расположением двигателя, но они имеют задний привод, который обычно используется для улучшения управляемости автомобиля. Однако при скольжении задних колес, когда заднеприводный автомобиль делает поворот на высокой скорости, он подвержен заносу, а крайне резкий поворот еще больше увеличивает вероятность скольжения и потери управления автомобилем, что опасно для спортивного автомобиля при движении на высокой скорости.
[0006] Что касается автомобиля только с электрическим приводом, средняя часть его рамы может использоваться для размещения и установки на нее блока аккумуляторных батарей, чтобы сэкономить пространство для установки и достичь большей емкости аккумуляторных батарей. Однако в электромобиле с увеличенным пробегом с передним расположением двигателя место для размещения блока аккумуляторных батарей крайне сжато из-за пространства, занимаемого двигателем, и необходимости балансировки между передними и задними колесами, таким образом, это влияет на выносливость автомобиля в режиме движения, когда автомобиль питается только от блока аккумуляторных батарей.
[0007] В современных компактных автомобилях обычно применяется конструкция с несущим кузовом или отдельными рамами, где прочность рам и всего каркаса относительно низкая в конструкции с несущим кузовом, хотя данный тип конструкции прост в изготовлении, но конструкция с отдельными рамами также имеет недостаток низкой прочности кузова автомобиля.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Цель настоящего изобретения заключается в создании электромобиля с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя, в котором газовая турбина применяется в качестве источника энергии и располагается перед задними колесами автомобиля на его симметричной центральной линии. Выходной вал газовой турбины располагается продольно, а также обеспечивает высокоэффективное преобразование энергии, отличные эксплуатационные характеристики, хорошую выносливость и высокую прочность кузова автомобиля.
[0009] Особое техническое решение по настоящему изобретению предусматривает электромобиль с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя, включающий кузов автомобиля, турбовальный двигатель, блок аккумуляторных батарей, генератор электрического тока, блок управления автомобилем, приводы, контроллер подачи газа, контроллер аккумуляторных батарей, топливный бак и впускной короб. При этом кузов автомобиля включает основной корпус, а его нижняя конструкция образует рамы автомобиля. Турбовальный двигатель располагается на рамах между передней и задней осями, возле задней оси, ось выходного вала турбовального двигателя находится в плоскости симметрии кузова автомобиля, а воздухозаборник турбовального двигателя обращен к задней части автомобиля. Впускной короб соединен с воздухозаборником турбовального двигателя и заборными решетками в торцевой части кузова автомобиля с помощью труб. Блок аккумуляторных батарей располагается на рамах перед турбовальным двигателем. Ротор генератора электрического тока и выходной вал турбовального двигателя соединены друг с другом. Приводы приводят во вращение передние и задние колеса. Блок управления автомобилем включает преобразователь и инвертор, генератор электрического тока является трехфазным высокооборотным двигателем с постоянными магнитами, причем его трехфазная вторичная сторона соединена с трехфазной стороной преобразователя, стороны постоянного тока преобразователя соответственно соединены с первичной стороной постоянного тока контроллера аккумуляторных батарей и первичной стороной постоянного тока инвертора, а трехфазная вторичная сторона инвертора соединена с трехфазной стороной каждого привода. Контроллер подачи газа управляет подачей газа в камеру сгорания турбовального двигателя.
[0010] Кроме того, основной корпус включает переднюю подвеску кабины, заднюю подвеску кабины и защиту кабины, блок управления автомобилем располагается на рамах на передней подвеске кабины, а топливный бак располагается перед турбовальным двигателем.
[0011] Защита кабины выполнена из углеволоконных материалов, а передняя и задняя подвески кабины выполнены из рамных конструкций с трубами из алюминиевого сплава.
[0012] Автомобиль имеет две заборные решетки, которые симметрично располагаются на задних крыльях с обеих сторон кузова автомобиля и соединены с впускным коробом с помощью двух симметричных труб.
[0013] Подвески передних и задних колес являются независимыми двухрычажными подвесками.
[0014] Полезный эффект настоящего изобретения по сравнению с известным уровнем техники состоит в том, что электромобиль с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя по настоящему изобретению имеет следующие преимущества.
[0015] (1) Генератор электрического тока для подачи электроэнергии представляет собой малогабаритную газовую турбину и обладает такими характеристиками, как высокая удельная мощность, низкое энергопотребление, низкий уровень выбросов, низкий уровень шума и вибрации, легкость в обслуживании и длительный срок службы благодаря инновационным и оптимизированным мерам изобретателя. Газовая турбина также имеет преимущества крайне высокой плотности энерговыделения, плавной работы и низкого уровня шума. В целом, объем газовой турбины составляет от одной четвертой до одной пятой объема поршневого двигателя с эквивалентной мощностью, что обусловлено непрерывным термодинамическим циклом газовой турбины, а ее термический КПД может даже достигать 30-60%, что намного больше, чем у поршневого двигателя.
[0016] (2) Настоящее изобретение полностью исключает необходимость использования системы очистки выхлопных газов. Что касается процесса горения в турбовальном двигателе в целом, процесс горения в четырехтактном поршневом двигателе заменен камерой постоянного и непрерывного сгорания турбовального двигателя, в которой процесс горения не будет прерываться. Более того, камера сгорания имеет определенную длину для обеспечения достаточно длительного времени горения для полного сгорания жидкого топлива, и в нем присутствует большое количество кислорода, достаточное для завершения окислительной реакции. Таким образом, турбовальный двигатель с конструкцией сокращения выбросов горения значительно превосходит стандартный поршневой двигатель и вырабатывает от одной десятой до одной двенадцатой выбросов по стандарту Евро-5. В то же время, исключается необходимость в системе очистки выхлопных газов, как в поршневом двигателе, следовательно, техническое обслуживание и ремонт подобной системы не требуются. Как результат, загрязнение окружающей среды из-за отказа системы очистки выхлопных газов автомобиля можно предотвратить, тем самым достигнув основательного сокращения уровня выбросов и лучшей охраны окружающей среды.
[0017] (3) Впускной короб устанавливается перед воздухозаборником газовой турбины, который способен быстро и в достаточном объеме обеспечивать турбовальный двигатель воздухом для удовлетворения потребностей расхода.
[0018] (4) Турбовальный двигатель располагается посередине автомобиля, а центр тяжести двигателя находится между передней и задней осями, выходной вал двигателя находится в симметричной центральной плоскости автомобиля, таким образом, центр тяжести центрально расположенного двигателя приходится на центр кузова автомобиля. Помимо прочего, блок аккумуляторных батарей также располагается посередине, а блок управления автомобилем находится в передней части кузова автомобиля, поэтому отношение нагрузки к весу между передними и задними колесами составляет 50:50, распределение веса автомобиля идеальное и сбалансированное, момент инерции в горизонтальном направлении при повороте на высокой скорости небольшой, таким образом, данный автомобиль имеет преимущества хорошей управляемости и четкого рулевого управления, а явление опускания передней и подъема задней части при торможении минимизируется. Благодаря этому достигаются оптимальные характеристики движения гибридного электромобиля по настоящему изобретению.
[0019] (5) Если в автомобиле все еще используется обычное линейное расположение турбовального двигателя и генератора электрического тока, т.е. расположение, при котором воздухозаборник, компрессор, горелка, турбина и генератор электрического тока за выходным валом турбины располагаются на прямой линии, то в данном случае это приведет к повышенной потребности в пространстве, что не отвечает требованию по размещению в автомобиле. Следовательно, размещение генератора электрического тока на воздухозаборнике турбовального двигателя может существенно сократить установочный размер турбовального двигателя и генератора электрического тока. Более того, поскольку вес турбовального двигателя будет сильно влиять на весовую балансировку автомобиля, если воздухозаборник турбовального двигателя обращен к передней части автомобиля, электродвигатель и система впускных труб должны располагаться перед турбовальным двигателем, но переднее пространство турбовального двигателя уже занято сиденьем кабины, поэтому требование по размещению электродвигателя и системы впускных труб не может быть соблюдено. Таким образом, применение компоновки, в которой воздухозаборник турбовального двигателя обращен к задней части автомобиля отвечает требованию по весовой балансировке автомобиля и экономит полезное пространство.
[0020] (6) Расположение двигателя посередине позволяет увеличить полезное пространство блока аккумуляторных батарей, не занимая полезного пространства двигателя, следовательно, в автомобиле можно установить блок аккумуляторных батарей с большей емкостью, так как применяется режим увеличенного пробега, в котором электроэнергия передается на приводы передних колес генератором электрического тока с помощью кабелей, чтобы исключить ненужные муфты, устройства переключения передач и вращающиеся валы. Кроме того, двигатель можно устанавливать непосредственно на рамы без необходимости размещения над блоком аккумуляторных батарей, что обеспечивает более безопасную установку и более низкий центр тяжести, способствуя управляемости автомобиля.
[0021] (7) Применение независимого приводного управления передними и задними колесами может позволить не только достичь высоких и адаптивных ходовых характеристик, но и автономно и линейно управлять выходным крутящим моментом. В данном случае это дает возможность исключить ситуацию с обычным заднеприводным двигателем, когда при скольжении на задних колесах во время поворота на высокой скорости возникает занос, а крайне резкий поворот еще больше увеличивает вероятность скольжения и потери управления автомобилем. Режим независимого управления передними и задними колесами также устраняет недостаток слабой устойчивости прямолинейного движения в автомобиле с центральным расположением двигателя.
[0022] (8) Применяя несущий кузов автомобиля, выполненный из углеродных волокон в средней части, и высокопрочные корпуса, выполненные из трубчатых рам из алюминиевого сплава в передней и задней частях соответственно, можно не только увеличить прочность конструкции автомобиля, но и сократить его массу, тем самым обеспечив экономичную работу источника энергии.
[0023] (9) На передних и задних колесах применяются независимые двухрычажные подвески, которые имеют преимущества большой поперечной жесткости, отличного противодействия крену, эффективного сцепления и более четкого «чувства дороги».
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0024] Фиг. 1 - вид сверху электромобиля с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя по настоящему изобретению;
фиг. 2 - вид спереди электромобиля с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя по настоящему изобретению; и
фиг. 3 - схематический перспективный вид электромобиля с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя по настоящему изобретению;
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0025] Техническое решение настоящего изобретения описано ниже в сочетании с прилагаемыми чертежами.
[0026] Настоящее изобретение подразумевает, что электромобиль с увеличенным пробегом с центральным расположением двигателя включает в себя турбовальный двигатель 1, блок аккумуляторных батарей 2, генератор электрического тока 3, блок управления автомобилем 4, приводы 5, контроллер подачи газа 6, контроллер аккумуляторных батарей 7, топливный бак 8, переднюю подвеску кабины 9, заднюю подвеску кабины 10, защиту кабины 11 и впускной короб 12.
[0027] Нижние конструкции передней подвески кабины 9, задней подвески кабины 10 и защиты кабины 11 формируют рамы автомобиля. Подвески передних и задних колес являются независимыми двухрычажными подвесками. Защита кабины 1 выполнена из углеволоконных материалов, а передняя 9 и задняя 10 подвеска кабины выполнена из рамных конструкций с трубами из алюминиевого сплава.
[0028] Турбовальный двигатель 1 располагается на рамах между передней и задней осями, возле задней оси, ось выходного вала турбовального двигателя 1 находится в плоскости симметрии кузова автомобиля. Воздухозаборник турбовального двигателя 1 обращен к задней части автомобиля, генератор электрического тока 3 также находится рядом с турбовальным двигателем 1, таким образом, воздухозаборник турбовального двигателя 1 на самом деле является кольцеобразным рукавом, а генератор электрического тока 3 размещается в центральной части рукава, и воздух, втягиваемый через рукав, сжимается компрессором турбовального двигателя 1, после чего направляется в камеру сгорания, и таким образом поддерживается работа турбины. Выходной вал турбины и вал ротора генератора электрического тока 3 соединены друг с другом, а шпиндель турбовального двигателя 1 и вал ротора генератора электрического тока 3 устанавливаются на воздушные подшипники.
[0029] Впускной короб 12 размещается рядом с турбовальным двигателем 1 и соединен с воздухозаборником турбовального двигателя 1. Впускной короб 12 соединен с заборными решетками в торцевой части кузова автомобиля с помощью труб. Автомобиль имеет две заборные решетки, которые симметрично располагаются на задних крыльях с обеих сторон кузова автомобиля и соединены с впускным коробом 12 с помощью двух симметричных труб.
[0030] Ротор генератора электрического тока 3 и выходной вал турбовального двигателя 1 соединены друг с другом.
[0031] Блок аккумуляторных батарей 2 размещается на рамах, перед турбовальным двигателем 1.
[0032] Генератор электрического тока 3 хранит электроэнергию в блоке аккумуляторных батарей 2, соответственно, блок аккумуляторных батарей 2 связан с контроллером аккумуляторных батарей 7 и приводами 5, а контроллер аккумуляторных батарей 7 сконфигурирован на регулирование и контроль выходной мощности аккумуляторов.
[0033] Так как при часто происходящих процессах зарядки и разрядки блока аккумуляторных батарей 2 вырабатывается большое количество тепла, в автомобиле размещаются радиаторы аккумуляторных батарей, заборные решетки которых находятся под передними фарами, соответственно, каналы радиаторов аккумуляторных батарей для холодного воздуха направлены непосредственно в блок аккумуляторных батарей 2 для обеспечения постоянного охлаждения блока аккумуляторных батарей холодным воздухом, получаемым во время движения автомобиля.
[0034] Автомобиль имеет три привода 5, один из которых размещается на рамах, на внутренних сторонах двух задних колес, и приводит в движение передние колеса с помощью трансмиссии, а два других привода 5 симметрично размещаются на рамах, на внутренних сторонах двух задних колес и, соответственно, отдельно приводят в движение два задних колеса. В качестве приводов 5 используются бесщеточные двигатели постоянного тока 760 В с постоянными магнитами Brusa. Регуляторы частоты оборотов приводов 5 могут менять частоту оборотов, находясь под контролем блока управления автомобилем 4, а также приводить в движение электромобиль с увеличенным пробегом.
[0035] Топливный бак 8 размещается на рамах, перед турбовальным двигателем 1. Топливный бак 8 может фиксироваться с помощью кронштейна, а под ним может размещаться блок аккумуляторных батарей 2. Топливный бак 8 находится прямо под сиденьем водителя.
[0036] Согласно настоящему изобретению, электромобиль может иметь две системы питания, например, систему питания компримированным природным газом (КПГ) и систему питания сжиженным природным газом (СПГ). Для системы питания КПГ в качестве топливного бака будет использоваться емкость высокого давления с давлением 20 МПа. Топливный бак 8 соединен с подводом природного газа двигателя посредством трубы, перед подводом газа размещается обратный клапан незамерзающей жидкости, обогрев подвода газа осуществляется с помощью циркуляционного водяного термостата, а тепло поступает от других нагревательных элементов автомобиля. Для системы питания СПГ в качестве топливного бака 8 будет использоваться теплоизолирующий бак. Термоклапан открывается, когда двигателю требуется произвести втягивание воздуха для испарения сжиженного газа после теплопоглощения газа, а также для подачи газа под давлением 0,5 МПа с помощью воздушного нагнетателя. Количество тепла, подаваемого термоклапаном, управляется электрически.
[0037] Блок управления автомобилем 4 находится на рамах передней подвески кабины 9. Контроллер аккумуляторных батарей 7 находится рядом с блоком аккумуляторных батарей 2. В дополнение к контролю системы рулевого управления и тормозной системой, блок управления автомобилем 5 определяет крутящие моменты трех приводов 5 с помощью регулятора числа оборотов двигателя для управления ходовой системой автомобиля, также соединен с контроллером подачи газа 6 турбовального двигателя 1 для управления подачей газа камеры сжигания турбовального двигателя 1 для контроля выходной мощности турбовального двигателя 1. Контроллер подачи топлива 6 размещается перед турбовальным двигателем 1.
[0038] Блок управления автомобилем 4 также соединен со стороной управления контроллера аккумуляторных батарей 7. Блок управления автомобилем 4 включает в себя преобразователь и инвертор, генератор электрического тока 3 является трехфазным высокооборотным двигателем с постоянными магнитами, а в качестве подшипника генератора электрического тока 3 используется воздушный подшипник. Трехфазная вторичная сторона трехфазного высокооборотного двигателя с постоянными магнитами соединена с трехфазной стороной преобразователя, стороны постоянного тока преобразователя соответственно соединены с первичной стороной постоянного тока контроллера аккумуляторных батарей 7 и первичной стороной постоянного тока инвертора, а трехфазная вторичная сторона инвертора соединена с трехфазной стороной каждого привода 5. При запуске турбовального двигателя 1 блок аккумуляторных батарей 2 через контроллер аккумуляторных батарей 7 и преобразователь приводит в движение генератор электрического тока 3, и таким образом турбовальный двигатель 1 получает частоту оборотов, необходимую для первичного запуска.
[0039] Генератор электрического тока 3 главным образом обеспечивает электроэнергию для автомобиля, а энергия подается на два отдельных направления, к блоку аккумуляторных батарей 2 и приводам 5. Это значит, что турбовальный двигатель 1 может самостоятельно заряжать блок аккумуляторных батарей 2 без подачи электроэнергии на приводы 5; или генератор электрического тока 3, при номинальной мощности, подает электроэнергию на приводы 5 и блок аккумуляторных батарей 2 одновременно, основываясь на количественном отношении для управления электропитанием (рассчитывается и контролируется центральной цепью управления блока управления автомобилем 4); даже в случае, если запас электроэнергии в блоке аккумуляторных батарей 2 полностью исчерпан, и при этом для приводов 5 требуется максимальная мощность, генератор электрического тока 5 полностью способен поддерживать питание приводов 5 без зарядки аккумуляторных батарей для обеспечения максимальной производительности. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, электромобиль с увеличенным пробегом имеет следующие режимы работы.
[0040] Режим 1: режим статической зарядки, то есть, приводы 5 находятся в состоянии покоя, а автомобиль не двигается, тогда генератор электрического тока 3 будет медленно или быстро производить зарядку блока аккумуляторных батарей 2 под контролем центральной цепи управления блока управления автомобилем 4 (в зависимости от требований пользователя).
[0041] Режим 2: режим зарядки во время движения, то есть, в случае, если приводы 5 работают при стандартной мощности, а генератор электрического тока 3 питает блок аккумуляторных батарей 2, в то время как мощность, потребляемая приводами 5, повышается до сверхвысокой, генератор электрического тока 3 и блок аккумуляторных батарей 2 будут питать приводы 5 одновременно и мгновенно проявят крайне высокую производительность автомобиля.
[0042] Режим 3: если аккумуляторные батареи были полностью разряжены, но необходимость в высокой производительности по-прежнему существует (например, в дорожных условиях скоростной автомобильной дороги), генератор электрического тока 3 будет питать электродвигатель при высокой мощности 30-60 кВт и обеспечит скорость движения 150-200 км/ч без зарядки блока аккумуляторных батарей 2; как только потребление энергии во время движения будет снижено, автомобиль автоматически перейдет в Режим 2, а при остановке автоматически перейдет в рабочий режим.