РЕКУПЕРАТОР
RECUPERATOR

Изобретение относится к устройствам, которые способны не только аккумулировать механическую энергию при торможении (замедлении) движения транспортного средства, но и возвращать накопленную энергию при разгоне (ускорении). Конкретно, изобретение относится к рекуператорам для транспортных средств. Оно может быть использовано для всех видов наземного транспорта - автомобильного и электротранспорта. При использовании рекуператора достигается важный результат - экономится топливо не только в автомобилях, но и при использовании в электротранспорте, на электростанциях.
Существуют различные варианты предложений создания транспортного рекуператора, но все они решают либо ограниченную задачу, либо, наоборот, всеобъемлющую.
Рассмотрим пример всеобъемлющего рекуператора по патенту RU 2106980 С1, кл. В60К 6/04, опубликованному 20.03.1998 г., где предложен способ использования тормозной и амортизационной энергии машин.
Для этого пара роторных гидроприводов в режиме торможения машины закачивают в ресивер жидкость для аккумулирования энергии сжатой воздушной подушки. Аккумулированная энергия сжатой воздушной подушки в ресивере может поддерживаться либо расходоваться при разгоне и движении транспортного средства.
Жидкость, вытесняемая сжатым воздухом из ресивера, заставляет вращаться пару роторных гидроприводов. Они передают через трансмиссию движение колесам. Дополнительная энергия при длительном торможении передается от дополнительной роторной гидромашины электрогенератору. Небольшую часть дополнительной энергии предлагается получать еще и от амортизаторов, снабженных специальными цилиндрами, которые перекачивают поршнями часть жидкости в общую гидравлическую систему накопления энергии торможения. Управление процессами движения потоков жидкости обеспечивается клапанной системой.
Автор предложения стремился использовать все возможные способы рекуперации в одном устройстве, и поэтому главным недостатком этого предложения является большая масса рекуператора. Например, в ресивере необходимо разместить не только закачиваемый объем жидкости, но и предусмотреть место для сжимаемой воздушной подушки. На перекачку жидкости в ресивер двумя роторными гидромашинами требуется еще и дополнительная емкость. Вместе с дополнительной третьей роторной гидромашиной, электрогенератором и цилиндрами на амортизаторах масса рекуператора будет такой, что затраты топлива в транспортном средстве на его постоянную перевозку будут выше, чем ожидаемый выигрыш в его экономии. Представляется, что нет необходимости иметь рекуператор под все условия движения на дорогах, потому что наиболее напряженный цикл работы транспорта, а следовательно, и максимальное использование энергии торможения возможно только в городском цикле.
Существует также предложение использовать в составе рекуператора насос-мотор (аксиальную роторную гидромашину), патент US 4986383 А, кл. В60К 6/00, опубликованный 22.01.1991 г., который через дифференциальный механизм автомобиля своим приводным валом соединен с колесами транспортного средства. В составе рекуператора вместо воздушного ресивера, заполняемого жидкостью, предлагается использовать гидроцилиндр с поршнем и пружиной для аккумулирования энергии торможения. Вспомогательный гидроцилиндр с поршнем, пружиной, электросхемой, клапанной арматурой связаны с педалями тормоза и газа и установлены для управления рекуператором.
Торможение транспортного средства происходит при нажатии на педаль тормоза. Жидкость закачивается в гидроцилиндр аксиальной роторной гидромашиной, которой передается вращение от колес. Поршень начинает двигаться в гидроцилиндре и сжимать пружину. На роторе насос-мотора возникает отрицательный момент сопротивления вращению от постепенного увеличения давления в жидкости, на которую действует поршень с пружиной. Потенциальная энергия сжатой поршнем пружины, накопленная при торможении, далее возвращается для разгона транспортного средства. При нажатии на педаль газа клапанная система перестраивается, и жидкость, вытесняемая сжатой пружиной из гидроцилиндра, заставляет вращаться аксиальную роторную гидромашину с положительным моментом. По характеру работы данного предложения, в части аккумулирования энергии торможения в гидроцилиндре, данный рекуператор является наиболее близким прототипом.
Недостатками прототипа, как и аналога, являются большая масса и сложная система управления рекуператором, которую предлагается осуществлять педалями тормоза и газа. Педали воздействуют, посредством электросхемы, на исполнительные клапаны разветвленной гидросистемы, которая приводит во вращение с отрицательным либо положительным моментом ротор аксиального насос-мотора.
Конструкция аксиального насос-мотора довольно сложна, и имеются сведения в табличном виде о количестве ее отказов в работе. Установка насос-мотора на дифференциальную передачу транспортного средства небезопасна, т.к. в случае отказа в работе, например: заклинивание толкающих поршней, подшипников и т.д., может привести к остановке колес и аварии транспортного средства.
Как и в первом предложении масса рекуператора от разветвленной гидросистемы, электросхемы и гидроцилиндра вместе с аксиальной роторной гидромашиной будет большой. Аксиальная роторная гидромашина большой мощности ограничена скоростью вращения около 1000-2000 об/мин, поэтому можно предположить о перекачке большого объема жидкости, под который требуется соответствующий гидроцилиндр, а также невозможности ее эксплуатации при торможении на больших скоростях. Дифференциальная передача имеет большую частоту вращения, чем насос-мотор, поэтому необходимо в этих случаях отключать рекуператор из-за неизбежного появления рывков. Это схемой не предусмотрено. Рывки могут происходить и на низких скоростях из-за гидроударов, возникающих при резкой прокачке жидкости по протяженной гидросистеме.
Не упоминается вопрос, связанный с движением задним ходом, судя по схеме это можно выполнить, только вращая насос-мотор и преодолевая его сопротивление на холостом ходу.
Главной задачей рекуператора является экономия топлива, но в данном предложении дополнительный расход топлива будет происходить из-за низкой приемистости (быстродействия) рекуператора. Дело в том, что при нажатии на педаль газа при разгоне топливо поступает в двигатель, и только после некоторой задержки подключается к работе рекуператор.
Произойдет это из-за определенной задержки скорости ответной реакции насос-мотора и всей гидросистемы при подключении. Так как на участке разгона двигатель работает в форсированном режиме и совместная работа с рекуператором не синхронизируется - тратится топливо.
В самой разветвленной гидросистеме с многочисленными клапанами, трубопроводами и насос-мотором возникают большие гидравлические и гидродинамические потери от сопротивления движению жидкости, что снижает КПД устройства в целом и на что также расходуется топливо. Жидкость циркулирует между гидроцилиндром и насос-мотором, меняя свое направление, что также влияет на КПД.
У рекуператора нет ограничителя подключения к колесам при движении на больших скоростях, что приведет к гидроудару и быстрому заполнению гидроцилиндра, сопротивление движению резко возрастет, а это в свою очередь приведет к опасным заносам транспортного средства.
Перечисленные недостатки аналога и прототипа устраняются предлагаемым изобретением.
Эта задача решается прежде всего тем, что предложенный рекуператор имеет определенную целенаправленность на работу в городских условиях и подключение только при определенной для городских условий скорости. При этом предлагается более простая конструкция, которая в свою очередь ведет к уменьшению массы всего устройства, уменьшению гидравлических и гидродинамических потерь, что ведет к повышению КПД. Работа рекуператора предполагает полную автономность, что повышает надежность, удобство в эксплуатации и уменьшает его стоимость.
Конструктивно рекуператор имеет простую, бесклапанную гидросхему. Вместо аксиальной роторной гидромашины предлагается шестеренный насос. Как и в прототипе, данную роторную гидромашину можно отнести к насос-моторам. Рекуператор также содержит гидроцилиндр, поршень и пружину для аккумулирования энергии торможения. Жидкость в шестеренном насос-моторе циркулирует только в одном направлении, что делает его вращение однонаправленным. Шестеренный насос-мотор работает автономно как насос и как двигатель и управляется одной педалью тормоза. Педаль при нажатии воздействует одновременно как на распределитель (кран), так и на дополнительный гидроцилиндр тормозной системы транспортного средства. В свою очередь шток дополнительного гидроцилиндра воздействует на одну часть фрикционной муфты, которая содержит упорный подшипник и установлена на шпонке приводного вала, а другая часть фрикционной муфты при контакте с первой заставляет вращаться шестеренный насос посредством обгонной муфты. Сила воздействия штока на фрикционную муфту рассчитывается такой, чтобы оказать на рекуператор опережающее воздействие относительно тормозной системы. При этом распределитель меняет направление потока жидкости так, чтобы она входила и выходила из гидроцилиндра и поступала в шестеренный насос-мотор только в одном направлении. Для этого трубопроводы от шестеренного насос-мотора присоединяются к гидроцилиндру перекрестно и создают короткий замкнутый контур, а распределитель (кран), размещенный на пересечении этих трубопроводов, имеет четыре несообщающихся канала, которые лежат в одной плоскости. Шестеренный насос-мотор своим валом кинематически более безопасно соединен с колесами транспортного средства, он пропущен одной шестерней на приводной вал и установлен на обгонную муфту. Риск заклинивания роликов обгонной муфты в работе рекуператора исключается, таким образом повышается надежность.
Рекуператор управляется, как указывалось, только педалью тормоза. Нажатие на педаль предполагает торможение, а отпускание ее предполагает разгон. При нажатии на педаль тормоза начинают соприкасаться фрикционные диски муфты, установленные на приводном валу, что позволит исключить рывки и толчки. На валу шестеренного насос-мотора и в трансмиссии возникает отрицательный момент сопротивления движению от действия пружины в гидроцилиндре. Одновременно готова к работе и тормозная система транспортного средства. Нажимая педаль тормоза сильнее, вводятся в действие тормозные колодки, причем рекуператор в это время продолжает тормозящее действие.
Наоборот, при отпущенной педали тормоза фрикционные диски муфты при помощи разжимающей пружины расходятся, так как снимается давление в тормозной жидкости. Одновременно распределитель, связанный с педалью тормоза, поворачивается и направляет поток жидкости из гидроцилиндра в шестеренный насос-мотор, который вращается с максимальным крутящим моментом. При этом за счет сцепления роликов обгонной муфты с приводным валом сохраняется однонаправленное вращение колес, но как только гидроцилиндр прекратит вытеснять жидкость, приводной вал будет продолжать вращаться в подвижной части обгонной муфты, а шестеренный насос-мотор остановится.
Так как при полностью отпущенной педали тормоза давление жидкости гидроцилиндра сразу действует на вращательный момент шестеренного насос-мотора, то при нажатии на педаль газа рекуператор одновременно начинает совместную с двигателем работу по разгону транспортного средства, что снижает расход топлива, т.е. обеспечивается опережающее воздействие рекуператора на приводную систему.
Положение распределителя при остановках транспортного средства должно быть таким, чтобы перекрыть поступление жидкости из гидроцилиндра. Это можно сделать, удерживая педаль тормоза в среднем положении, а также и вручную, ручным тормозом.
Движение задним ходом и отключение рекуператора осуществляется соответствующей позицией каналов ручного крана, установленного на трубопроводе дополнительного гидроцилиндра тормозной системы, которая позволяет осуществить циркуляцию жидкости через шестеренный насос-мотор по замкнутому контуру, минуя гидроцилиндр.
Надо отметить, что предлагаемый в составе рекуператора шестеренный насос-мотор имеет меньшие габариты и вес по сравнению с аксиальной роторной гидромашиной той же мощности, за счет возможности достижения больших частот вращения ротора шестеренного насос-мотора до 4000-5000 об/мин, что вполне соответствует максимальной частоте вращения приводного вала.
Как упоминалось ранее, нет необходимости иметь рекуператор под все условия движения на дорогах. Представляется, что наилучшее использование его будет происходить в условиях города и городских «пробок», где он вообще незаменим. Рекуператор, как двигатель малой тяги, может также помочь отвести машину в сторону от дороги при заглохшем моторе, использовать в качестве толкающего стартера, можно дополнительно заряжать при съезде со склона, мощность машины с заряженным рекуператором увеличивается и т.д.
Главным является возможность на транспортном средстве экономить топливо при совместной работе рекуператора с двигателем на участке разгона (в тех же «пробках») и этим исключить форсированный режим работы двигателя. На участке разгона с рекуператором смягчается форсированный режим, так как совместно два двигателя производят одну и ту же работу. При этом приемистость автомобиля не снижается, но уменьшаются выбросы вредных веществ в атмосферу, и экономится топливо.
Еще одно отличие предложенного рекуператора состоит в том, что он содержит закрепленный на приводном валу регулятор с кулачками, связанный посредством подшипника и тяги с клапаном. Клапан установлен на трубопроводе перед дополнительным гидроцилиндром тормозной системы и за счет центробежного воздействия кулачков на подшипник и тягу перекрывает доступ жидкости к дополнительному гидроцилиндру при больших скоростях движения транспортного средства. Этим ограничивается опережающее тормозное и приводное воздействие фрикционной муфты на шестеренный насос и приводной вал соответственно.
Устройство рекуператора изображено на фиг.1 и фиг.2 (разрез А-А) в виде принципиальной схемы. Устройство состоит из следующих частей: шестеренный насос или шестеренный насос-мотор 1 снабжен обгонной муфтой 2, которая пропущена через вал одной из шестерен 3 шестеренного насос-мотора 1 и установлена вместе с одной из частей фрикционной муфты 5 на приводной вал 4. Эти элементы размещены соосно на приводном валу 4 вместе со второй частью фрикционной муфты 6, которая установлена на шпонке 7 с возможностью осевого перемещения. Между фрикционными дисками 5 и 6 фрикционной муфты установлена возвратная пружина 8.
С другой стороны фрикционной муфты 6 установлен воздействующий дополнительный гидроцилиндр 9, который соединен с общей тормозной системой транспортного средства посредством трубопровода 10 и на котором размещен ручной кран 11, позволяющий полностью отключать рекуператор. Для этого случая предусмотрен замыкающий трубопровод 28. Воздействие штока дополнительного гидроцилиндра 9 на часть фрикционной муфты 6 осуществляется неподвижным кольцом 12 упорного подшипника, размещенного на ней. Гидроцилиндр-аккумулятор механической энергии 13 снабжен поршнем 14 и пружиной 15, и вместе с трубопроводами 16 и 17 установлены с возможностью аккумулирования и расходования энергии торможения при подключении к шестеренному насос-мотору 1 и далее колесам транспортного средства. На пересечении напорного и сливного трубопроводов 16 и 17 шестеренного насос-мотора 1 и гидроцилиндра 13 установлен распределитель 18, связанный с педалью тормоза 19. Распределитель 18 содержит четыре несообщающихся канала, все выходы которых расположены в одной плоскости, причем один из каналов выполнен обходящим остальные и расположен под углом. На фиг.1 и фиг.3 изображены положения распределителя 18, при которых возможно осуществить процесс торможения или движения. Стрелками показано направление движения жидкости. Гидроцилиндр 13 снабжен предохранительным сливным клапаном 20. От осевого смещения шестеренного насос-мотора 1 на приводном валу 4 предусмотрено упорное кольцо 21.
Для ограничения опережающего тормозного и приводного воздействия фрикционной муфты на шестеренный насос-мотор 1 при больших скоростях движения транспортного средства предусмотрен закрепленный на приводном валу 4 регулятор 22 с кулачками 23, который связан посредством подшипника 24 и тяги 25 с клапаном 26, установленным на трубопроводе 10 перед дополнительным гидроцилиндром 9 тормозной системы, при этом возвратные пружины 27 регулятора закреплены на неподвижном основании.
Рекуператор работает следующим образом: при нажатии педали тормоза 19 начинается процесс торможения. Поворачивается связанный с педалью 19 распределитель 18 и его два крайних канала, один из которых соединяется со сливным трубопроводом 17 шестеренного насос-мотора 1 и напорным 16 гидроцилиндра 13, а другой канал соединяется с напорным трубопроводом 16 шестеренного насос-мотора 1 и сливного 17 гидроцилиндра 13 соответственно, см. фиг.1. Одновременно гидравлическое давление от общей тормозной системы при нажатии педали тормоза 19 и открытом ручном кране 11 и клапане 26 передается по трубопроводу 10 к дополнительному гидроцилиндру 9, который своим штоком переводит часть фрикционной муфты 6, скользящей по шпонке 7 приводного вала 4, в соприкосновение с другой частью фрикционной муфты 5.
Сила соприкосновения рассчитана так, чтобы произвести опережающее воздействие на рекуператор относительно колодок тормозной системы, но при этом сила нажатия на педаль тормоза 19 позволяет плавно изменять скорость торможения при рекуперации. Более сильное нажатие педали 19 способствует участию в торможении и тормозных колодок. В режиме торможения шестеренный насос-мотор 1 является насосом.
Далее, часть фрикционной муфты 5, размещенная на обгонной муфте 2 приводного вала 4 и закрепленная на валу шестерни шестеренного насос-мотора 1, также начинает вращаться. Так как при торможении приводной вал 4 отключен от двигателя, а ролики обгонной муфты 2 в это время заставляют принудительно вращаться шестерню 3 шестеренного насос-мотора 1, то в гидросистеме повышается давление от жидкости, которая закачивается в гидроцилиндр 13. Циркулирующая жидкость по трубопроводам 17 и 16 воздействует на поршень 14, который сжимает пружину 15. На валу шестеренного насос-мотора 1 и в трансмиссии возникает отрицательный момент сопротивления движению от действия пружины 15 в гидроцилиндре 13. Практически вся жидкость, циркулирующая в системе, до процесса торможения находится в сливной части гидроцилиндра 13. После завершения торможения педаль 19 отпускается, распределитель 18 изменяет свое положение, шток дополнительного гидроцилиндра 9 освобождает фрикционные диски 5 и 6 от соприкосновения. В этом ему помогает возвратная пружина 8. В этот момент рекуператор является заряженным. Гидроцилиндр 13 снабжен предохранительным клапаном 20 на случай, когда торможение транспортного средства еще не закончилось и жидкость, преодолевая силу пружины клапана 20, переливается в трубопровод 17. На схеме не показан, но подразумевается наличие малого гидроцилиндра с пружиной для создания некоторого давления внутри гидросхемы для безкавитационной работы рекуператора.
Обратный процесс разгона начинается при отпущенной педали тормоза 19, см. фиг.3. В режиме разгона шестеренный насос-мотор 1 является мотором, при этом положение полностью отпущенной педали тормоза 19 соответствует положению распределителя 18, при котором шестеренный насос-мотор 1 создает наибольший крутящий момент. При этом на приводную систему моментально оказывается опережающее приводное воздействие еще до подключения двигателя. Одновременно при этом часть фрикционной муфты 6, скользящая по шпонке 7 приводного вала 4, отходит от части фрикционной муфты 5 и отпускает шестеренный насос-мотор 1, на который действует максимальное давление жидкости из заряженного гидроцилиндра 13. В это время также снимается тормозное давление на дополнительном гидроцилиндре 9 за счет поворота распределителя 18, связанного с педалью тормоза 19.
В связи с этим жидкость поступает по среднему и расположенному под углом каналам, которые соединяются с напорным трубопроводом 16 шестеренного насос-мотора 1 и гидроцилиндра 13 и сливным 17 шестеренного насос-мотора 1 и гидроцилиндра 13 соответственно, см. фиг.3 и фиг.2. За счет фиксированных положений распределителя 18 происходит однонаправленное вращение шестеренного насос-мотора 1 и далее колес транспортного средства.
При больших скоростях движения ограничивается в целях безопасности опережающее тормозное и приводное воздействие части фрикционной муфты 6 на вал шестеренного насос-мотора 1. Рекуператор для этого снабжается закрепленным на приводном валу 4 регулятором 22 с кулачками 23, связанным посредством подшипника 24 и тяги 25 с клапаном 26, установленным на трубопроводе перед дополнительным гидроцилиндром 9 тормозной системы. При большой скорости вращения приводного вала 4 за счет центробежного разброса и воздействия кулачков на подшипник 24 и тягу 25 смещается клапан 26 и запирает доступ жидкости в дополнительному гидроцилиндру 9. Пока скорость вращения регулятора 22 не снизится, кулачки 23 удерживают клапан 26, и он не пропускает жидкость к дополнительному гидроцилиндру 9. При снижении скорости движения скорость вращения приводного вала 4 понижается, и центробежная сила, отгибающая кулачки 23, уменьшается. Изменяется наклон и воздействие кулачков 23 на подшипник 24, тягу 25 и клапан 26, которые смещаются, и открывается доступ жидкости к дополнительному гидроцилиндру 9. При этом возвратные пружины 27 регулятора 22 закреплены на неподвижном основании, а их воздействие рассчитано на подключение клапана 26 и рекуператора, в целом, к работе только при определенной скорости движения.
Для отключения рекуператора и движения задним ходом транспортного средства предусматривается установка ручного крана 11, который размещен на трубопроводе 10 дополнительного гидроцилиндра 9 тормозной системы, см. фиг.1 и 2. При этом ручной кран 11 кинематически соединен с соответствующим переключателем коробки передач заднего хода. Изменяя положение ручного крана 11, перекрывается доступ жидкости от тормозной системы транспортного средства. В трубопроводе 10 при этом перекрывается доступ жидкости к дополнительному гидроцилиндру 9, и одновременно напорный и сливной трубопроводы 16 и 17 шестеренного насос-мотора 1 соединяются между собой трубопроводом 28. Кинематическое соединение ручного крана 11 с соответствующим переключателем коробки передач заднего хода должно предусматривать возможность автономного отключения рекуператора.