ГИБРИДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к автомобилям с гибридными установками и накопителями энергии.
Целью полезной модели является повышение экономичности транспортных средств за счет обеспечения оптимальной работы двигателя и повышение степени использования его мощности, путем двойного накопления энергии, в виде энергии в аккумуляторах и вращающихся маховиках. А также достижение эффекта «сохранения энергии» на спусках и сокращения эксплуатационных затрат на поддержание накопителей энергии в рабочем состоянии. Обеспечение минимальных габаритов гибридного двигателя при размещении на шасси автомобиля.
В настоящее время известно большое количество транспортных средств с гибридными энергетическими и силовыми установками. Из известных аналогов можно выделить два.
Первая конструкция (патент RU 2132784 С1, дата публикации 1999.07.10), содержащая гибридную силовую установку, которая состоит из двигателя внутреннего сгорания с устройством изменения его литража и числа работающих цилиндров и стартера - генератора. Силовой установкой управляет микропроцессор, который получает сигналы от токорегулирующих устройств. Последние сопряжены соответственно с педалями систем управления и торможения.
Известен другой аналог (патент RU 2007305 С1, дата публикации 1994.02.15), состоящий из теплового двигателя, связанного с заполненной топливом емкостью, трехфазный генератор, сочлененный с тепловым двигателем, тяговые электродвигатели, подключенные к генератору через преобразователь переменного напряжения в постоянное и накопителя энергии. Накопитель выполнен сверхпроводниковым индуктивным, преобразователем напряжения - обратимым, а между выводами накопителя и входом генератора включен трехфазный криотронный преобразователь. При этом накопитель и криотронный преобразователь установлены в криостате, размещенном в емкости с топливом, в качестве которого использован сжиженный газ. Выводы криотронного преобразователя связаны с внешним источником электрической энергии через переключатель.
Недостатками этих силовых установок являются сложность конструкции, из-за чего могут возникнуть трудности при ее эксплуатации, а также низкая долговечность и ремонтопригодность некоторых составляющих.
В качестве прототипа заявленного устройства выбрана гибридная силовая установка, сконструированная на предприятии «Ижмаш» на базе «Орбиты», за основу взят универсал ИЖ -21261 (журнал «За рулем» №5, 1998 г., статья «Два мотора под одним капотом»). Конструкция состоит из двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания, параллельно соединенного через выходной вал с мотор-генератором, в качестве которого выступает тяговый электродвигатель постоянного тока, вращающий момент передается через редуктор, а накопителями энергии служат восемь стандартных аккумуляторов.
Недостатками прототипа являются невысокий КПД электрических аккумуляторов, используемых в качестве накопителей энергии, и невозможность накопления энергии на спусках и при торможении.
Устройство гибридной энергетической установки транспортного средства поясняется чертежом. На фигуре 1 показана схема энергетической установки транспортного средства. Установка содержит двигатель внутреннего сгорания 4, коленчатый вал с обгонной муфтой 2, две муфты сцепления 3 и 3а, дифференциальный конический редуктор 1, супермаховики 5 в кожухах 7, магнитно-электрический генератор, включающий статор 11 с токосъемником статора 10 и ротор 12 с токосъемником ротора 8, несколько аккумуляторов 13, двигатель постоянного тока (мотор-генератор) 14, пульт управления 9, все элементы заключены в корпус установки 6.
При включении двигателя внутреннего сгорания 4 вращение передается от коленчатого вала через муфту сцепления 3 на обгонную муфту 2, далее на дифференциальный конический редуктор 1. Через паразитные шестерни 1а и 1б передача идет на супермаховики 5, которые вращаются в противоположные стороны, устраняя гироскопический эффект. Затем через шестерню 1в с полым валом, вращение передается на статор генератора 11. Ротор генератора 12 вращается шестерней 1г со сплошным валом. Встречное движение ротора и статора магнитно-электрического генератора при вдвое меньшей скорости вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания обеспечивает номинальную подачу напряжения на пульт управления 9 и далее на аккумуляторы 13. Таким образом, происходит двойное накопление энергии. В виде энергии вращающихся маховиков и энергии в аккумуляторах. В случае если необходимо затормозить или остановиться предусмотрен специальный механизм торможения, при нажатии педали «тормоз», на валу одновременно расцепляются две муфты (3 и 3а), что переводит в автономный режим работы механизм «маховики-редуктор-генератор» при этом дифференциал привода на колеса не соединен с двигателем внутреннего сгорания, что не препятствует работе супермаховиков и двигателя постоянного тока. Обгонная муфта 3 при снижении скорости вращения двигателя внутреннего сгорания или при его полной остановки отсоединяет дифференциальный редуктор от коленчатого вала, тем самым движение автомобиля может продолжаться за счет энергии супермаховиков и электрохимических аккумуляторов. Система управления включает пульт управления 9, через который осуществляется не только координация работы энергетической установки, но и включение в нее аккумуляторов.
За счет применения специальных магнитных подвесов супермаховиков можно свести к минимуму потери энергии от трения в опорах, снижающих затраты энергии на раскрутку супермаховиков и уменьшающих нагрузку в соединениях вал-подшипник дифференциального редуктора. Суть данного метода в том, что над маховиком с определенным зазором по радиусу устанавливаются постоянные магниты, которые притягивают его к себе, уменьшая вес супермаховика. Мощность двигателя используется в основном для поддержания равномерного движения автомобиля, а для резких разгонов "одалживается" энергия супермаховика, который потом подкручивается на участках равномерного движения. Преимущество супермаховика в том, что он может мгновенно развивать огромную мощность. Еще супермаховик может работать рекуператором энергии: когда машина тормозит, ее кинетическая энергия не теряется, а тратится на раскрутку супермаховика. На стоящем автомобиле с выключенным двигателем супермаховик может по инерции вращаться 10-12 часов. Это облегчит зимние пуски двигателя - если аккумулятор садится после двух - трех попыток провернуть загустевшее масло, то энергии, запасенной в супермаховике, с избытком хватит на запуск нескольких двигателей. Вместе с тем электрохимический аккумулятор хранит энергию в основном гораздо дольше маховиков. При совместном применении в автомобиле эти два аккумулятора образуют отличный "симбиоз". При движении по ровной дороге с обычной скоростью используется энергия электроаккумуляторов, а когда их мощности недостаточно, вступает в работу супермаховик, обеспечивая необходимые динамические качества.
По сравнению с прототипом предложенная энергетическая установка транспортного средства обладает следующими технико-экономическими преимуществами.
Двигатель внутреннего сгорания используется только для раскрутки маховиков и накопления энергии в электрохимических аккумуляторах, в последующем он выступает как источник энергии в необходимых случаях.
По сравнению с изобретением US 3403066 (03.02.1970) отсутствуют турбозарядное устройство и механическая коробка передач, роль которой, в заявленной модели, выполняет пульт управления, чем обеспечивается облегчение конструкции и плавное наращивание (уменьшение) скорости движения автотранспорта.
Повышается степень использования мощности двигателя за счет добавления механического накопителя энергии с более высоким КПД, появляется возможность накопления энергии, а также сокращается время и путь разгона транспортного средства, и его расход топлива. Появляется возможность двигаться по ровной дороге и на спусках при неработающем двигателе внутреннего сгорания. То есть, сокращается время работы двигателя, тем самым уменьшаются выбросы отработанного газа в атмосферу.