АВТОМОБИЛЬНАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ СИСТЕМА С ВОЗДУШНЫМ ПРИВОДОМ

Предложенная полезная модель применяется в автомобилестроении, используется в электромобилях, гибридных автомобилях с бензиновым или дизельным двигателем для усовершенствования распределительной системы автомобиля, в частности, на распределительном валу и/или в трансмиссии автомобиля. Относится к транспортному машиностроению, в частности к системе привода автомобилей.
Назначением предложенной автомобильной системы является использование встречного набегающего воздушного потока при движении автомобиля для получения дополнительной тяги на ведущих колесах.
Из уровня техники известна заявка на изобретение «Способ и устройство преобразования энергии воздушного потока в электрическую энергию для передвижения электромобиля», RU 2010135105, опубл. 27.02.2012, МПК B60L 8/00, в котором устройство содержит конфузор, канал, диффузора и турбоколесо с генератором, соосно расположенные в выходном сечении диффузора, жестко закреплены между правым и левым лонжеронами электромобиля. Данное техническое решение позволяет с турбоколеса генератора, установленного в выходном сечении диффузора, преобразовать энергию турбулентной струи воздуха в трехфазное напряжение. Однако данным устройством не решены вопросы передачи тягового усилия на ведущие колеса автомобиля. Это устройство невозможно использовать в гибридных автомобилях. Не решена задача увеличения крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса от штатного мотора, а также увеличение скорости вращения выходного вала штатной трансмиссии автомобиля.
Известна полезная модель «Ветродвигатель», патент RU 59746, опубл.: 27.12.2006, МПК F03D 3/02, содержащий каретку с осью и лопастями, редуктор с генератором и электродвигатель. Изобретение позволяет решить задачу поворота лопаток относительно набегающего потока, что не является задачей предложенного технического решения.
Известна заявка на изобретение «Ветрогенератор для электромобиля», заявка RU 2005127106, опубл. 10.03.2007, МПК В60К 1/00, содержащий плоский кожух, множество воздушных каналов, и множество небольших ветряных энергоблоков, которые при движении электромобиля подают воздух в воздуховпускные отверстия воздушных каналов и приводит в движение множество ветряных энергоблоков для выработки электроэнергии, которая подается через выпрямитель на тяговый электродвигатель. В предложенном изобретении возможно увеличить вырабатываемый ток, однако данным устройством не решены вопросы передачи тягового усилия на ведущие колеса автомобиля. Это устройство невозможно использовать в гибридных автомобилях. Не решена задача увеличения крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса от штатного мотора, а также увеличение скорости вращения выходного вала штатной трансмиссии автомобиля.
Известна полезная модель «Карусельный ветродвигатель для электромобиля», патент RU 104644, опубл. 20.05.2011, МПК F03D 3/00, содержащий лопасти, размещенные над крышей автомобиля, и вал, соединенный соединен с электрогенератором. Решена задача открывания и закрывания воздуховодов для эпизодической работы электрогенератора. Однако вал от генератора размещен вертикально, а не соосно и устройство невозможно использовать в гибридных автомобилях. Не решена задача увеличения крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса от штатного мотора, а также увеличение скорости вращения выходного вала штатной трансмиссии автомобиля.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является полезная модель «Система привода транспортного средства», патент RU 82168, опубл. 20.04.2009, МПК B60L 11/02, B60L 11/12 в которой имеется генератор, аккумуляторная батарея, электродвигатель, крыльчатый ветродвигатель, вал которого кинематические связан с генератором, кожух-рассекатель. Техническое решение относится к приводам машин, в которых исполнительным органом являются электродвигатели. Однако не может применяться в гибридных автомобилях, которые имеют либо гибридный двигатель, либо привод с включенными в него электромоторами.
В настоящее время имеется потребность замены автомобиля на электромобиль. Однако, такая замена в настоящее время проблематична из-за более низких эксплуатационных характеристик электромобилей, таких как КПД, меньшего пробега на одной зарядке аккумуляторов, большего времени на зарядку аккумуляторов, чем на заправку горючим автомобиля, меньшую удельную мощность электродвигателя с аккумулятором, чем двигателя внутреннего сгорания автомобиля с запасом топлива на равный пробег, а также из-за большого веса аккумуляторов. Такие устройства не обеспечивают высокой продолжительности движения электромобиля в автономном режиме без подзарядки аккумуляторной батареи от внешнего источника. Данную проблему пытаются решать с помощью применения одновременно или по очереди в одном автомобиле как двигателя внутреннего сгорания (ДВС), так и электромоторов, однако объединяют их в одном блоке с одним выходным распределительным валом. В таких автомобилях на этапе разгона тяговое усилие создается от электрических аккумуляторных батарей, а затем, при стабильном движении - от ДВС. Обычно требуется при этом использовать регулятор нагрузки зарядного агрегата и тягового электродвигателя, а также распределителя мощности. Работа этих устройств должна быть согласована с помощью сложной электроники.
В связи с вышесказанным желательно систему привода транспортного средства, снабдить внешним дополняемым источником тяги, например, используя кинетическую энергию встречного потока воздуха. Однако известные схемы разработаны для электрических моторов автомобилей и не используются в гибридных автомобилях.
Для наиболее универсального использования требуется не только увеличить время автономного пробега автомобиля без подзарядки или подзаправки, но и помочь системе привода автомобиля обеспечить, в зависимости от дорожной ситуации, либо увеличенный момент вращения на ведущих колесах (при попадании в труднопроходимые места), либо увеличить количество оборотов колеса (при спортивном режиме движения по ровной дороге).
Таким образом, от автомобильной генераторной системы с воздушным приводом требуется подводить дополнительный крутящий момент передаваемый на ведущие колеса от штатного мотора, либо увеличить скорость вращения выходного вала штатной трансмиссии от двигателя автомобиля до ведущих колес или выходного вала штатного двигателя.
Предложенное техническое решение обеспечивает достижение следующего технического результата:
увеличение пробега до следующей дозаправки, т.е. длительность автономных пробегов электромобиля, повышение экономичности приводной системы автомобиля, увеличение крутящего момента, передаваемого на ведущие колеса от штатного мотора, увеличение скорости вращения вала штатной трансмиссии, передающей вращение от двигателя автомобиля к ведущим колесам или скорости вращения выходного вала штатного двигателя.
Предложенный технический результат достигается следующим образом.
Автомобильная генераторная система с воздушным приводом, включает по меньшей мере один генератор, аккумуляторную батарею, по меньшей мере один электродвигатель, вал которого кинематически связан с генератором и по меньшей мере один кожух-рассекатель. Система отличается тем, что генераторная система выполнена в качестве дополнительной системы для получения дополнительного крутящего момента на выходном валу штатного мотора или дополнительной скорости вращения трансмиссии, передающей вращательное движение на ведущие колеса автомобиля, для чего каждый кожух-рассекатель выполнен составной частью соответствующего плоского конусообразного воздухозаборника с конфузором, передающим статическую энергию набегающего потока на лопасти по меньшей мере одной турбины с валом, расположенным горизонтально и развернутым в горизонтальной плоскости относительно оси конфузора под углом от 60 до 90 градусов, лопасти которой закреплены на валу турбины, при этом вал турбины закреплен с обоих концов в подшипниках, размещенных в корпусе воздухозаборника, в качестве генератора используют воздушный проточный генератор постоянного тока под нагрузкой, на входном валу которого размещен редуктор, генератор подключен по меньшей мере к одному электродвигателю посредством параллельного и последовательного электрического соединения с аккумуляторной батареей, при этом входной вал генератора кинематически соединен с выходным валом турбины, каждый электродвигатель электрически соединен с генератором через стабилизатор напряжения и кинематически соединен с колесами автомобиля, и аккумуляторная батарея электрически соединена с генератором через зарядное устройство. При этом лопасти турбины могут быть выполнены с возможностью их проскальзывания относительно вала турбины после достижения расчетного крутящего момента на валу штатного мотора автомобиля или после полной зарядки аккумуляторной батареи. На противоположном конце воздухозаборника, на участке, расположенном после турбины, может размещаться диффузор. В частности, после диффузора на корпусе машины или на корпусе воздухозаборника могут быть размещен воздухоотбойник. Также после диффузора, в частном случае, в корпусе машины размещены воздуховоды к компрессору дизельного двигателя.
На входном валу генератора, для снятия крутящего момента с вала турбины может быть размещен также редуктор генератора. В частном случае электродвигателей может быть не менее 2х и каждый электродвигатель через регулятор частоты вращения может быть соединен кинематически с ведущими колесами соответственно. Кроме того, электродвигателей может быть не менее 4х и каждый электродвигатель через регулятор частоты вращения может быть соединен кинематически непосредственно с каждым ведущим колесом. В предложенной схеме генераторной системы вал электродвигателя может быть кинематически соединен с выходным валом штатного мотора автомобиля через делитель мощности или вал электродвигателя может быть кинематически соединен с трансмиссией автомобиля через регулятор нагрузки электродвигателя и коробку передач.
Аккумуляторы аккумуляторной батареи, например, соединены последовательно и размещены на одной оси с осью автомобиля или аккумуляторная батарея электрически соединена с генератором через зарядное устройство и регулятор нагрузки зарядного устройства. В частности, каждый электродвигатель электрически может быть соединен с генератором через регулятор нагрузки.
Предложенное техническое решение в общем случае демонстрируется чертежами. Однако приведенные конструктивные схемы не охватывают всех возможных частных случаев предложенной автомобильной генераторной системы с воздушным приводом.
На Фиг.1 - показан общий вид автомобиля спереди (а) и сбоку (б) с размещенным на корпусе автомобиля воздухозаборником и турбиной с валом, расположенным горизонтально и развернутым в горизонтальной плоскости относительно оси диффузора.
На Фиг.2 - показана условная схема размещения генераторной системы на силовых элементах автомобиля, электрические связи показаны условно, кинематическая связь от трансмиссии условно не показана.
На Фиг.3 - показано продольное сечение корпуса воздухозаборника с диффузором и с турбиной
На Фиг.4 - показано поперечное сечение корпуса воздухозаборника с диффузором, с турбиной и электромотором, соединенным с турбиной посредством редуктора
На Фиг.5 - показана электрическая схема подключения воздушного проточного генератора к одному электромотору, подключение к другим электромоторам условно не показано.
Автомобильная генераторная система с воздушным приводом устроена следующим образом.
На силовой раме автомобиля установлены генератор (1), аккумуляторная батарея (2), электродвигатель (3), вал (4) которого кинематически связан с генератором (1) и кожух-рассекатель (5). Система позволяет снять с вала каждого электродвигателя дополнительный крутящий момент, который складывается с крутящим моментом выходного вала штатного мотора (условно не показан), если он подсоединен с ним непосредственно через делитель мощности (условно не показан). В этом случае может быть использован только один электромотор. В другом случае, при подключении электромотора к трансмиссии автомобиля через регулятор нагрузки электродвигателя и коробку передач (условно не показаны), система позволяет обеспечить дополнительную скорость вращения выходного вала трансмиссии (передающей),передающей вращательное движение на ведущие колеса автомобиля (6). В этом случае также возможно использовать только один электромотор. На автомобиле может быть установлено два электромотора, если они подведены к двум ведущим колесам непосредственно через регулятор частоты вращения (7), и при этом обеспечено непосредственное кинематическое соединение с соответствующим ведущим колесом, или 4 электромотора (3) по той же схеме - если они кинематически соединены непосредственно к 4 ведущим колесам (полноприводной автомобиль), причем каждый через регулятор частоты вращения (7). Этим обеспечивают подачу либо дополнительного крутящего момента на выходном валу штатного мотора, либо дополнительной скорости вращения трансмиссии, передающей вращательное движение на ведущее колесо автомобиля.
Кожух-рассекатель (5) выполнен составной частью соответствующего плоского конусообразного воздухозаборника (8) с конфузором (9), передающим статическую энергию набегающего потока на лопасти (10) турбины (11) с валом (12), расположенным горизонтально и развернутым в горизонтальной плоскости относительно оси конфузора (9) под углом «α» от 60 до 90 градусов. Лопасти (10) закреплены на валу (12) турбины (11), при этом вал (12) турбины (11) закреплен с обоих концов в подшипниках (13), размещенных в корпусе воздухозаборника (5). Лопасти (10) турбины (11) выполнены с возможностью их проскальзывания относительно вала (12) турбины (11) после достижения расчетного крутящего момента на валу штатного мотора (условно не показан) автомобиля или после полной зарядки аккумуляторной батареи (2).
На противоположном конце воздухозаборника (8), на участке, расположенном после турбины (11) размещен диффузор (14). После диффуфузора (14) в корпусе машины размещены воздуховоды (15) к компрессору дизельного двигателя (условно не показан). На переднем срезе кожуха-рассекателя (5) может быть размещена решетка (16) для защиты воздухозаборника (8) от попадания в него твердых частиц и мусора. После дифффузора (14) на корпусе машины или на корпусе воздухозаборника (5) сзади, может быть размещен воздухоотбойник (условно не показан), который обеспечит наилучшие аэродинамические характеристики автомобиля.
В качестве генератора (1) используют воздушный проточный генератор постоянного тока под нагрузкой, на входном валу (17) которого размещен редуктор (18), генератор подключен по меньшей мере к одному электродвигателю (3) посредством параллельного и последовательного электрического соединения с аккумуляторной батареей (2), при этом входной вал (17) генератора (1) кинематически соединен с выходным валом (12) турбины. Каждый электродвигатель (3) электрически соединен с генератором (1) через стабилизатор напряжения (19) и кинематически соединен с колесами (6) автомобиля. Аккумуляторная батарея (2) электрически соединена с генератором (1) через зарядное устройство (20), выключатель генератора от зарядки аккумулятора (21). А Электродвигатель (3) электрически соединен с генератором (1) через выключатель подачи тока (22) на электродвигатель (3) и предохранитель (23).(см. Фиг.5). Аккумуляторы аккумуляторной батареи (2) могут быть соединены между собой последовательно и размещены на одной оси с осью автомобиля, (см. Фиг.2). Каждый электродвигатель (6) может быть электрически соединен с генератором через регулятор нагрузки (условно не показан), также, например, в цепь аккумуляторной батареи (2) может быть включен кроме зарядного устройства (20) и регулятор нагрузки (условно не показан).
Предложенная автомобильная генераторная система с воздушным приводом работает следующим образом.
Воздушный поток попадая в воздухозаборник (8) и проходя через конфузор (9), т.е. часть канала кожуха рассекателя (5), в которой происходит соединение и плавный переход большего сечения в меньшее. При этом движение воздуха в конфузоре (9) характеризуется тем, что динамическое давление в нем в направлении движения потока увеличивается, а статическое - уменьшается, и увеличивается скорость течения потока воздуха, воздействующего на лопатки (10) турбины (11). Далее поток воздуха в кожухе-рассекателе (5) проходит через диффузор (14) и попадает либо на воздухоотбойник, либо в воздушный канал (15). В случае, если на выходной части кожуха-рассекателя (5) поставлен только воздухоотбойник (условно не показан), тогда выходящий и отработанный поток воздуха обеспечивает обтекание корпуса автомобиля по заданным линиям «обтекания» задней части автомобиля, обеспечивая своей расчетной конфигурацией отсутствие турбулентного потока воздуха позади автомобиля во время движения, что существенно улучшает его аэродинамику в движении, снижая сопротивление и, одновременно, обеспечивая отсутствие подъемной силы, уменьшающей сцепление колес с поверхностью дороги. В случае, если выходная часть кожуха - воздухозаборника (5) оканчивается воздуховодом (15), тогда отработанный поток воздуха может подаваться под расчетным давлением, например, в систему наддува дизельного штатного мотора автомобиля, обеспечивая его правильную работу. При этом, наличие на задней части кожуха-рассекателя (5) диффузора (14) обеспечивает перепад статических давлений на диффузоре, может быть меньше, чем на участке прямой трубы исходного сечения, и может быть расчетным, поскольку регулируется углом раскрытия диффузора, воздействующего на величину замедления (расширения) потока воздуха.
Лопатки (10) турбины (11) под действием потока воздуха обеспечивают вращение вала (12) турбины (11), который в свою очередь кинематически соединен с валом (17) генератора (1).
Генератор электрически связан с электродвигателем (3), в частности, через регулятор нагрузки, при этом, увеличивается количество оборотов электродвигателя, когда генератор работает под нагрузкой, т.к. скорость вращения выходного вала генератора (1) выше скорости вращения выходного вала штатного двигателя автомобиля. За счет этого, на высоких скоростях обеспечивается дополнительная скорость вращения вала штатной трансмиссии, которая передает вращение от штатного мотора автомобиля к ведущим колесам. Если один из электродвигателей размещен непосредственно на выходном валу штатного мотора автомобиля через распределитель мощностей, тогда обеспечивается подача дополнительного крутящего момента.
В случае, если расчетная нагрузка на генератор (1) увеличивается до предельной, для отсутствия недопустимо большой нагрузки на генератор (1) предусмотрена возможность проскальзывания лопаток (10) относительно вала (12) турбины (11). Также при полной зарядке аккумуляторной батареи (2), в электрической цепи предусмотрен выключатель генератора (21) от возможности разрядки аккумуляторов, при этом из-за отсутствия необходимости выработки тока генератором (1), на турбине (11) также срабатывает механизм, обеспечивающий проскальзывание лопаток (10) относительно вала (12) турбины (11).
Генераторная система может быть смонтирована для трех рабочих режимов. Первый режим, обеспечивающий дополнительную скорость вращения на выходном валу трансмиссии автомобиля, при этом электродвигатель подсоединен через регулятор частоты вращения (7) с двумя или четырьмя ведущими колесами, (выноска I, Фиг.2). Модификацией этого режима подключения системы является подключение одного электродвигателя (3) непосредственно сразу после выходного вала штатного мотора автомобиля и после сцепления, которое является частью штатной трансмиссии, и кинематически соединен с трансмиссией автомобиля через регулятор нагрузки электродвигателя и коробку передач.(условно не показана). Второй режим когда к каждому колесу непосредственно через кинематическую связи подсоединен электромотор (3), который электрически связан с генератором (1) и с аккумуляторной батареей (2), при этом и передаваемый момент и скорость вращения обеспечивается за счет элементов электрической цепи, включающей для этого выключатель подачи тока (22) на электродвигатель (3), предохранители (23), рассчитанные на заданную величину нагрузки генератора (1). (выноска II, Фиг.2) С помощью данной схемы подключения возможно регулировать и подачу дополнительной величины крутящего момента и дополнительной скорости вращения по необходимости. Третий режим, обеспечивающий подачу дополнительного крутящего момента, при этом вал электромотора (3) соединен напрямую с валом штатного мотора через распределитель мощностей (условно не показан).
При разгоне автомобиля напряжение, вырабатываемое генератором, увеличивается пропорционально скорости движения. Увеличивается и сила тока, в результате чего замыкаются контакты (21, 22), с помощью пускового механизма (условно не показан).такая схема подключения, например, возможна при подключении, например, генератора со смешанным способом подключения. Пусковой механизм запускает в работу зарядное устройство (20), которое автоматически вступает в работу при движения электромобиля, в случае, если велико потребление электроэнергии, и прекращает свою работу при достаточной мощности работающего генератора (1).
Для подзарядки аккумуляторной батареи (2) генератор (1), электрически соединенный с аккумуляторной батареей, и ДВС кинематически связанный с генератором (1), может быть например, снабжено регулятором скорости вращения (7) и дополнительно пружинным аккумулятором энергии, причем пружинный аккумулятор энергии кинематически связан с двигателем внутреннего сгорания и генератором, регулятор скорости вращения установлен в кинематической цепи между пружинным аккумулятором энергии и генератором, а аккумуляторная батарея разделена на секции, во входные и выходные цепи которых введен переключатель. Это рабочая цепь позволяет реализовать сборку предложенной генераторной системы. Однако такой пример сборки не является единственно возможным.
При подготовке автомобиля к эксплуатации возможно заранее зарядить аккумуляторную батарею (2) от внешнего источника электроэнергии, однако при работе ДВС, аккумуляторная батарея (2) может подзаряжаться и в процессе движения автомобиля. В процессе движения автомобиля электродвигателя (3), вращение передается либо через дополнительное вращение на вал коробки передач (скоростей) или напрямую на приводные колеса. В ходе движения аккумуляторная батарея (2) разряжается и ей нужна подпитка. В начале движения электромобиля за счет использования кинетической энергии встречного потока воздуха, направляемого кожухом-рассекателем (5) на лопатки (10) турбины (11), приводятся во вращение вал (12) генератора (1) и далее вращение передается на вал электродвигателя (3) через регулятор скорости вращения (7) (редуктор) (выноска I). Вращение от вала турбины (11) может передаваться на генератор (1) как напрямую, так и известным образом через промежуточные звенья в виде конических зубчатых передач или ременных передач (18), на чертеже показаны условно, с целью увеличения числа оборотов вала генератора (1). При скорости автомобиля 50-60 км/час скорость встречного потока воздуха составляет 14-17 м/сек, а при скорости 90 км/час эта скорость достигает до 25 м/сек и позволяет превращать кинетическую энергию встречного потока воздуха в механическую для вращения ротора генератора. При использовании генератора под нагрузкой возможно применять электродвигатели постоянного тока со смешанным способом подключения. При этом используется достоинство электродвигателя с параллельным способом возбуждения, когда их применяют в тех случаях, когда требуется почти постоянная частота вращения, т.е. для дополнительной скорости вращения, и достоинств электродвигателей с последовательным возбуждением, когда требуются большие пусковые моменты, быстрое ускорение и большие вращающие моменты при преодолении, например, подъемов. Таким образом, предложенная схема, за счет введения простейших электромеханических устройств позволяет также существенно упростить электронное управление системами автомобиля.
При движении автомобиля от потребления энергии электродвигателем (3) электрического тока происходит разрядка аккумуляторной батареи (2) и с помощью бортового компьютера осуществляется отключение или подключение электродвигателей (3) в зависимости от режима движения автомобиля - например, при плохой дороге, когда требуется повышенный крутящий момент, или на хорошей скоростной дороге, когда требуется повышенная скорость вращения колес. В период стоянки электромобиля энергия конденсаторов может использоваться для подзарядки аккумуляторных батарей от внешних источников.
Таким образом, предложенная генераторная система позволяет увеличить также и продолжительность движения электромобиля в автономном режиме за счет подзарядки блока аккумуляторных батарей в период его движения, исключить загрязнение атмосферы, повысить эксплуатационные характеристики, связанные с затратами на заправку автомобиля горючим, экономичность двигателя внутреннего сгорания и уменьшить расходы на горючее.