Модульная гибридная силовая установка (МГСУ)
MODULAR HYBRID POWER UNIT (MHPU)

Данное техническое решение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортной технике.
Целью этого технического решения является создание модульной гибридной силовой установки без ограничения пробега транспортного средства (ТС), содержащей модули электрические (МЭ), модули двигателя внутреннего сгорания (МДВС) и механизм газораспределения, при этом в трансмиссии ТС отсутствуют коробка перемены передач и дифференциалы. В зависимости от назначения ТС и его технических характеристик выбираются оптимальные размер, мощность, крутящий момент и количество МЭ и МДВС, при этом они компонуются как между собой, так и друг с другом, а их выходные валы могут быть сблокированными между собой или оставаться свободными в зависимости от необходимости. Исходя из этого, даже если одна ось ТС состоит только из МЭ, а другая только из МДВС, то ТС в целом будет гибридным. ТС с МГСУ должны двигаться независимо от наличия электрических зарядных станций на маршруте движения, поэтому МДВС работает на углеродно-водородном топливе как в тяговом режиме совместно с МЭ, так и в режиме зарядки батарей как на ходу, так и во время остановки или стоянки.
В соответствии с Международной Патентной Классификацией, данное техническое решение относится к группам В60K 17/00, В60K 17/02, В60K 17/22, В60K 17/356, В60K 6/36, В60K 6/365, В60K 6/38, В60K 6/46, F16H 3/44. Исходя из этого были рассмотрены следующие патенты: WO 2005/08117 А2, ЕР 2228249 A1, CN 105196861, DE 102014108181 (A1), WO/2018/132092.
В качестве прототипа принимается патент WO/2018/132092. Его гибридная силовая установка состоит из двигателя внутреннего сгорания (первый источник энергии), электродвигателя (второй источник энергии), многорежимной муфты, коробки перемены передач, соединенной с обоими источниками энергии, и привода.
Сущность предлагаемого технического решения изображена на Фиг. 1-10.
На Фиг. 1 показана силовая установка, состоящая из одного МДВС 1, двух муфт модуля двигателя внутреннего сгорания (ММДВС) 3 и двух приводов колеса 5. Привод колеса 5 состоит из шарнира внутреннего 6, вала 7, шарнира наружного 8 и колеса 9.
На Фиг. 2 показана силовая установка, состоящая из соединенных между собой двух МЭ 2, при этом их выходные валы остаются свободными 2*, и двух приводов колеса 5.
Показанные на Фиг. 1 и 2 силовые установки не являются гибридными, но если их использовать в одном ТС, то получится ТС с МГСУ.
На Фиг. 3 показана МГСУ, состоящая из одного МДВС 1, одного МЭ 2, двух ММДВС 3, муфты привода колеса 4 и двух приводов колеса 5.
На Фиг. 4 показана МГСУ, состоящая из одного МДВС 1, двух МЭ 2, двух ММДВС 3, двух муфт привода колеса 4 и двух приводов колеса 5.
На Фиг. 5 показана МГСУ, состоящая из двух МДВС 1, соединенных между собой, при этом их выходные валы остаются свободными 1*, двух МЭ 2, двух ММДВС 3, двух муфт привода колеса 4 и двух приводов колеса 5.
На Фиг. 6 показана МГСУ, состоящая из двух МДВС 1, соединенных между собой, при этом их выходные валы остаются свободными 1*, четырех МЭ 2, соединенных попарно с заблокированными выходными валами 2**, двух ММДВС 3, двух муфт привода колеса 4 и двух приводов колеса 5.
На Фиг. 7 показана МГСУ, состоящая из четырех МДВС 1, соединенных между собой попарно с заблокированными валами 1**, в то время как между парами МДВС выходные валы остаются свободными 1*, двух МЭ 2, двух ММДВС 3, двух муфт привода колеса 4 и двух приводов колеса 5.
На примере показанных выше фигур, состоящих из пяти компонентов, можно производить ТС различных категорий, классов, вариантов привода - от привода на одно колесо, на одну ось и до полного, а также собирать МГСУ различной мощности, в том числе электрической, получаемой от МЭ, или тепловой, получаемой от МДВС.
В сечении А-А, показанном на Фиг. 4 и Фиг. 8, изображена кинематическая схема МГСУ, состоящая из одного МДВС 1, двух МЭ 2, двух ММДВС 3 с механизмами привода распределительных валов и газораспределения МДВС 1, двух муфт привода колеса 4, двух внутренних шарниров 6 и двух валов 7. В качестве составляющей МДВС используется двигатель внутреннего сгорания с редуктором (ДВССР), в котором используется планетарный механизм, патент на изобретение №2704507 от 10 января 2019 г., автором и патентообладателем которого является Костюкович Юрий Васильевич (RU). МДВС состоит из блока цилиндров 10, головки блока цилиндров 11, вала распределительного впускного 12 с кулачками 13, вала распределительного выпускного 14 с кулачками 15. Поршень 16 с кольцами (не показаны) соединен пальцем 17 с шатуном 18. На боковых сторонах кривошипа 19 расположены противовесы 20. В одной оси с продольной осью двигателя выполнены шестерни центральные 21, которые посредством водил 22 и сателлитов 23 зацепляются с шестернями солнечными 24, соединенными с блоком цилиндров 10 неподвижно, а водила 22 с наружных сторон соединяются с корпусами 25 ММДВС 3, образуя планетарную передачу с передаточным отношением:
1
24
21
I=1+(Z+Z),
где:
24
Z - число зубьев шестерни солнечной,
21
Z - число зубьев шестерни центральной.
С двух сторон МДВС 1 расположены ММДВС 3 с механизмами привода распределительных валов 12 и 14, включающими звездочку ведущую 26, расположенную на корпусе муфты 25, звездочку ведомую 27 и цепь привода 28. Таким образом, передаточное отношение механизма привода распределительных валов 12 и 14 будет:
2
1
I=I÷2.
На Фиг. 9 на видах Б и В (Фиг. 8) изображен вариант механизма привода распределительных валов.
На Фиг. 10 сечений Г-Г и Д-Д (см. Фиг. 5) изображен механизм привода валов, отличающийся от предшествующего количеством МДВС 1, распределительных валов 12 и 14 и звездочек ведущих 26.
Применение в современных двигателях систем регулирования фаз газораспределения и изменения хода клапанов влечет за собой возрастающие нагрузки на привод механизма газораспределения, что снижает его надежность. Поломка механизма в момент запуска двигателя приводит к загибу клапанов и ремонту головки двигателя. В случае поломки на ходу требуется капитальный ремонт всего двигателя.
Как известно, у двигателей внутреннего сгорания уменьшение диаметра ведущей шестерни (звездочки) привода газораспределительного механизма ограничено технологическими и конструктивными возможностями, а диаметр ведомой шестерни (звездочки) должен быть в два раза больше. Практически все современные двигатели имеют по два распределительных вала в головке блока цилиндров, поэтому расстояние между осями распределительных валов должно быть больше наружного диаметра ведомой шестерни (звездочки). Это требует большого развала клапанов и, как следствие, глубоких лунок в поршне, предотвращающих его контакт с клапанами в момент перекрытия клапанов, а сделать лунки в поршне на весь ход клапана на случай поломки приводного механизма практически невозможно. Кроме этого, в любом приводе газораспределительного механизма имеется устройство натяжения, успокоитель или опорный ролик, также снижающие надежность механизма.
Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить диаметр ведомых звездочек 27 привода распределительных валов МДВС до уровня диаметра ведущей звездочки обычного двигателя за счет редуцирования оборотов МДВС и размещения ведущей звездочки 26 на корпусе муфты 25 соответствующего диаметра. Это позволяет уменьшить развал клапанов и за счет этого сделать лунки в поршнях на весь ход клапана и тем самым исключить касание клапанов с поршнями при поломках привода газораспределительного механизма.
Самое распространенное в мире по объему продаж транспортное средство - велосипед, и большинство из них имеют несколько передач, переключаемых при движении. Несколько звездочек разного диаметра расположено на ведущем педальном валу и несколько на ведомом колесном валу. При этом только две звездочки из каждой оси могут оказаться в одной плоскости, а все другие при переключении передач работают в параллельных плоскостях и надежно передают крутящий момент на ведущее колесо. Создаваемые человеком силы, действующие на цепную передачу велосипеда, одного порядка с силами, действующими в цепном приводе газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания.
Натяжение цепи 28 привода распределительных валов 12 и 14 МДВС 1 осуществляется путем перемещения ведомой шестерни 27 в позицию 29. Это позволяет отказаться от специального натяжного устройства и успокоителя цепи, а применение двойного привода распределительных валов 12 и 14 позволяет снизить нагрузки на цепь в два раза, что в целом повысит надежность привода газораспределительного механизма. Две ММДВС 3, расположенные с двух сторон МДВС 1, предназначены для соединения выходных валов МЭ 2 и МДВС 1 с целью передачи и распределения суммарного крутящего момента на привод колес 5, а также для осуществления запуска МДВС 1 с помощью МЭ 2. Конструктивно ММДВС 3 могут быть, например, фрикционного типа.
МГСУ на Фиг. 8 имеет два МЭ 2, которые, как и МДВС 1, имеют двухступенчатый редуктор. МЭ 2 имеет статор 30, ротор 31, который связан с центральным валом 32, на котором установлены центральные шестерни 33, центрируемые посредством подшипников 34, установленных в осях водила 35, с выходными валами 36, соединенными с муфтами 3 и 4. Подшипники выходных валов 37 установлены в корпусе 38 МЭ 2. На шипах водил 39 с помощью подшипников 40 установлены сателлиты 41. Шестерни центральные 33 посредством водил 35 и сателлитов 41 соединяются с шестернями солнечными 42, которые присоединяются к корпусу МЭ 2.
Упомянутый выше редуктор состоит из двух ступеней. Первая ступень образована отношением величины радиуса, замеренного от оси МЭ 2 до центра приложения магнитной силы 43, обозначенного R, к радиусу шестерни центральной, обозначенной r:
3
I - R÷r.
Это соотношение может быть меньше 1, равно 1, или больше 1.
Вторая ступень редуктора - планетарная передача с передаточным отношением:
4
42
33
I=1+(Z÷Z),
где:
42
Z - число зубьев шестерни солнечной,
33
Z - число зубьев шестерни центральной.
Таким образом, общее передаточное отношение редуктора равно:
5
3
4
I=I×I,
4
5
при этом передаточное отношение по оборотам будет составлять I, а по крутящему моменту - I.
Наружные выходные валы МЭ 2 посредством муфты привода колеса 4 соединяются с внутренним шарниром 6, валом 7, наружным шарниром и колесом (не показаны). Муфта привода колеса 4, соединяющая МГСУ с колесным приводом 5, может быть, например, кулачкового типа с электрическим управлением. Питание МЭ 2 осуществляется от электрических батарей (не показаны), а управление - преобразователем и коммутатором (не показаны). Муфта привода колеса 4, кроме передачи крутящего момента к колесному приводу 5, позволяет осуществлять зарядку электрических батарей в момент остановки и стоянки при выключенной муфте привода колеса 4.
Работает МГСУ следующим образом:
1. Начало движения ТС с МГСУ происходит от использования электрического источника энергии с помощью МЭ 2. Крутящий момент от МЭ 2 через включенную муфту привода колеса 4 передается на колесный привод 5.
2. Дальнейшее движение может принудительно быть только с помощью МЭ (т.н. эко-режим). Подзарядка батарей происходит автоматически при торможении или движении накатом. Величина общего крутящего момента и распределяемого по колесным приводам 5 регулируется изменением напряжения и тока, а также изменением количества работающих пар обмоток МЭ 2.
3. При нехватке мощности электрической составляющей автоматически подключается тепловая составляющая МГСУ - МДВС (например, при полностью открытой дроссельной заслонке) с помощью ММДВС 3.
4. При движении за городом на постоянной скорости использование электрического источника энергии неактуально и целесообразнее двигаться с помощью МДВС. Переход на движение с помощью МДВС может происходить на скорости 60-80 км/ч, и движение с МДВС может продолжаться до достижения максимально возможной скорости. При этом, если батареи заряжены, крутящий момент от МДВС с помощью ММДВС 3 передается через МЭ 2 и муфту привода колеса 4 на колесный привод 5. МЭ 2 при этом находится в режиме холостого хода, не потребляя и не генерируя электрическую энергию.
5. Если батареи не полностью заряжены, а у МДВС 1 есть избыточная мощность при движении с постоянной скоростью, то МЭ 2 может работать в режиме генерации электроэнергии и таким образом заряжать батарею. При этом крутящий момент между колесными приводами 5 регулируется подачей топлива и воздуха в МДВС 1, а перераспределяется ММДВС 3.
6. Возможен вариант зарядки батарей посредством электросетей или специальных зарядных станций, а в крайнем случае - посредством МДВС 1, при этом муфта колесного привода 4 отключается, а ММДВС 3 включается, соединяясь с МЭ, который начинает работать в режиме генерации электроэнергии, заряжая батарею. Если ТС состоит из модулей, показанных на Фиг. 1 и 2, то зарядка при помощи МДВС 1 возможна только в процессе движения, когда МДВС работает в тяговом режиме, а ось с двумя МЭ 2 получает вращение от дорожного покрытия, которые вырабатывают электроэнергию для зарядки батарей.