ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2112665
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ КОЛЕСАМ АВТОМОБИЛЯ И СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

English

ИЗОБРЕТЕНИЕ. СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ КОЛЕСАМ АВТОМОБИЛЯ И СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА. Патент Российской Федерации RU2112665

Имя заявителя: Стародетко Евгений Александрович (BY)
Имя изобретателя: Стародетко Евгений Александрович (BY); Стародетко Георгий Евгеньевич (BY); Стародетко Константин Евгеньевич (BY); Дедунович Геннадий Алексеевич (BY); Шишаков Михаил Леонидович (BY); Симон Симанд (CA) 
Имя патентообладателя: Стародетко Евгений Александрович (BY)
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1994.06.10

Изобретение относится к автомобилестроению и касается средств, обеспечивающих приспособление двигателя и устройств, аккумулирующих энергию, к режимам работы автомобиля. Сущность изобретения: при передаче механической энергии колесам 8 автомобиля используют энергию от сжигания топлива в цилиндрах двигателя 1 внутреннего сгорания, а часть энергии газов, а также энергию, вырабатываемую колесами при торможении, используют для выработки электроэнергии с помощью обратимой электромашины 9 и энергии сжатого воздуха с помощью термодинамического обменника 11. При этом количество запасаемой энергии поддерживают достаточным для разгона автомобиля и подъема его на высоту. Давление запасенного в ресивере 15 сжатого воздуха поддерживают по величине достаточным для начала горения топлива, а количество передаваемой колесу 8 энергии в зависимости от режима работы автомобиля обеспечивают подачей /или отводом/ через трансмиссию 6 электрической энергии. При регулировании количества энергии останавливают поршни 26. Двигатели 1 и 21, а также электрическая машина 9 соединены с колесами 8 через трансмиссию 6 постоянно и при неизменном передаточном отношении, а ресивер 15 подключен к цилиндрам с помощью клапанов 18, управляемых от системы 17 управления, к которой подключена также электрическая машина 9.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к автомобилестроению и касается средств, обеспечивающих приспособление двигателя и устройств, аккумулирующих энергию, к режимам работы автомобиля.

Энергетический анализ показывает, что автомобиль потребляет гораздо больше топлива, чем необходимо для движения автомобиля массой m со скоростью V [1, с. 13, рис. 2]. Причина этого заключается в том, что схема привода автомобиля слабо адаптирована к большому разнообразованию режимов движения.

Известны технические решения, позволяющие оптимизировать характеристику силовой установки автомобиля при его эксплуатации, например, за счет использования гибридного привода, как это выполнено в экспериментальном электромобиле фирмы "Гаррет" США, в котором использованы обратимые электрические машины и маховик для аккумулирования энергии, что позволяет рекуперировать энергию при изменении скорости движения автомобиля и с помощью вычислительного управляющего блока оптимизировать режим нагрузки силовой установки [см. там же с. 75 - 78, рис. 77].

Однако это техническое решение не получило пока широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного с высокой стоимостью и большой массой аккумуляторов электрической энергии и их малой долговечностью, что делает электромобиль неконкурентоспособным в сравнении с автомобилем, использующим химическую энергию жидкого топлива.

Известны также технические решения, позволяющие использовать энергию торможения автомобиля для его последующего разгона при традиционной силовой установке с двигателем внутреннего сгорания /ДВС/. Например, согласно а.с. СССР 1776579, кл. B 60 K 6/08 - "Транспортное средство", по бортам автомобиля размещены пружины, на которые при торможении с помощью трансмиссии передают энергию от колес, запасенная в пружинах энергия затем используется при разгоне автомобиля. Такое решение позволяет уменьшить расход топлива, особенно при движении в городских условиях, однако оно принципиально не изменяет условия работы двигателя и потери энергии, вырабатываемой двигателем с выхлопными газами, при остановке автомобиля, на режимах движения, неоптимальных по характеристике двигателя, остаются значительными.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к предлагаемому способу по совокупности существенных признаков является способ передачи энергии колесам автомобиля, использованный фирмой "Порше" /Германия/ в своих автомобильных двигателях и описанный в [1, с. 170 - 172 и 193 - 197], который авторы приняли за прототип.

Принятый за прототип объект представляет собой способ передачи энергии колесам автомобиля, заключающийся в сжигании смеси воздуха и топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, превращении тепловой энергии газов в механическую и передаче последней с помощью поршней, механизма двигателя и трансмиссии колесам автомобиля, при этом регулируют скорость вращения колес и количество передаваемой механической энергии, часть энергии газов используют для сжатия подаваемого в цилиндры воздуха, а также для выработки электроэнергии и энергии сжатого воздуха, оба вида энергии запасают и используют по мере надобности, причем для выработки электроэнергии и энергии сжатого воздуха используют механическую энергию, вырабатываемую колесами при торможении, а на частичных по потребляемой колесами энергии режимах прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя.

Принятый за прототип способ обеспечивает экономию топлива при эксплуатации автомобиля, улучшает его экологические показатели, что делает двигатели "Порше" конкурентоспособными на современном рынке автомобилестроения.

Однако, способ, принятый за прототип не исчерпывает всех возможностей экономии топлива. Потери, связанные с увеличенной массой двигателя и сложным механизмом передачи энергии на колеса, ее регулирования, потери с выхлопными газами, потери из-за несоответствия характеристики двигателя и отдельных режимов его эксплуатации на автомобиле, недостаточная рекуперация энергии движения автомобиля приводят к непроизводительному сжиганию топлива и значительным выбросам энергии в окружающую среду.

Из известных устройств по совокупности существенных признаков наиболее близким объектом к заявляемому является "Силовой привод с двигателем внутреннего сгорания" [2], принятый авторами за прототип предлагаемого устройства.

Принятая за прототип силовая установка содержит как минимум один двигатель для преобразования химической энергии топлива в механическую, снабженный системой подачи и воспламенения топливовоздушной смеси, трансмиссию для передачи механической энергии колесам, включающую валы и устройства для соединения валов, электрическую машину и накопитель электрической энергии, устройство сжатия воздуха и накопитель энергии последнего, систему управления, а также электрические кабели, трубопроводы и клапаны.

Принятая за прототип установка обеспечивает достаточно высокий уровень рекуперации энергии при изменениях режимов движения автомобиля.

Однако потери, связанные с передачей энергии сжигаемого в свободнопоршневом ДВС топлива через специальный контур рабочего тела на исполнительный механизм, приводящий в движение трансмиссию, слишком высоки в сравнении с механической передачей, что не позволяет пока свободнопоршневым ДВС конкурировать с традиционными силовыми установками автомобилей, в которых поршни ДВС соединены с колесами через механические передачи трансмиссии.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование способа передачи энергии на колеса путем приведения в соответствие характеристики двигателя и отдельных режимов его эксплуатации на автомобиле, создание комплексной схемы привода транспортного средства, способной при условии достижения минимума расхода топлива обеспечить рациональное расходование энергии первичных и вторичных источников энергии при движении, включая преодоление сил трения, аэродинамического сопротивления, инерционных и гравитационных сил.

Коэффициент полезного действия привода определяется, в основном, характеристикой двигателя, который работает наиболее эффективно при определенном сочетании параметров, оказывающих существенно влияние на индикаторный КПД двигателя и механические потери. К таким параметрам относятся: скорость вращения вала двигателя, наполняемость цилиндра, коэффициент избытка воздуха и некоторое количество менее существенных параметров. Максимальный эффективный КПД достигается только при определенных значениях упомянутых параметров. Любое отклонение от оптимальных параметров значений приводит, как правило, к отклонению эффективного КПД от максимума. Поэтому в приводе, рассчитанном на поддержание максимального КПД, может использоваться только импульсный режим управления мощностью двигателя. Сущность этого режим состоит в том, что для удовлетворения определенной потребности в мощности двигатель включается и работает при оптимальных значениях скорости вращения вала и других основных параметров, либо стоит на месте. Работа в любом другом режиме будет обязательно связана с увеличением расхода топлива. Постоянство основных параметров влечет за собой не только постоянство КПД, но и мощности. Следовательно, привод, настроенный на достижение максимального КПД, должен работать в режиме постоянной мощности.

В результате решения постоянной задачи достигается новый технический результат, заключающийся в создании силовой установки автомобиля обеспечивающей: высокую литровую мощность и малый вес двигателя, высокую экономичность, экологическую чистоту, бесшумность, возможность трогания с места одновременно с запуском ДВС, отсутствие коробки передач.

Данный технический результат достигается тем, что при осуществлении способа передачи энергии колесам автомобиля, заключающегося в сжигании смеси воздуха и топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, превращении тепловой энергии газов в механическую и передаче последней с помощью поршней, механизма двигателя и трансмиссии колесам автомобиля, при этом регулируют скорость вращения колес и количество передаваемой механической энергии, часть энергии газов используют для сжатия подаваемого в цилиндры воздуха, а также для выработки электроэнергии и энергии сжатого воздуха, оба вида энергии запасают и используют по мере надобности, причем для выработки электроэнергии и энергии сжатого воздуха используют механическую энергию, вырабатываемую колесами при торможении, а на частичных по потребляемой колесами энергии режимах прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, согласно изобретению количество запасаемой энергии поддерживают достаточным для разгона автомобиля и подъема его на высоту, при этом энергию сжатого воздуха преобразуют в цилиндрах двигателя, давление запасенного сжатого воздуха поддерживают по величине достаточным для начала горения топлива, а количество передаваемой энергии в зависимости от режима работы автомобиля обеспечивают подачей /или отводом/ через трансмиссию электрической энергии, кроме того, при регулировании количества энергии останавливают поршни двигателя.

Силовая установка для осуществления этого способа содержит как минимум один двигатель для преобразования химической энергии топлива в механическую, снабженный системой подачи и воспламенения топливовоздушной смеси, трансмиссию для передачи механической энергии колесам, включающую валы и устройства для соединения валов, электрическую машину и накопитель электрической энергии, устройство сжатия воздуха и накопитель энергии последнего, систему управления, а также электрические кабели, трубопроводы и клапаны, при этом согласно изобретению двигатель и электрическая машина соединены с колесами через трансмиссию постоянно и при неизменном передаточном отношении, а накопитель энергии сжатого воздуха подключен к цилиндрам с помощью клапанов, управляемых от системы управления, к которой подключена также электрическая машина.

При этом силовая установка может быть снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, мощность которого зависит от числа оборотов вала аналогично зависимости величины аэродинамического сопротивления движению автомобиля от числа оборотов колес.

В качестве дополнительного двигателя может быть применен поршневой двигатель внутреннего сгорания, шток поршня которого кинематически связан с валом трансмиссии с помощью опорных площадок, передающих усилие в одну сторону.

Отличительной особенностью изобретения является то, что количество запасаемой энергии поддерживают достаточным для разгона автомобиля и подъема его на высоту, а так как разгон автомобиля неизбежно сменяется торможением, а подъем на высоту - снижением /по крайней мере при возвращении в гараж сумма высот равна нулю/, и известны средства, позволяющие рекуперировать кинетическую и потенциальную энергии /см. приведенные выше аналоги/, появляется возможность сжигать топливо только для преодоления необратимого сопротивления движению автомобиля и пополнения потерь запасенной энергии, что обеспечит минимальный расход топлива. Для обеспечения такого разделения функций между элементами силовой установки энергию сжатого воздуха преобразуют в цилиндрах двигателя, давление запасенного сжатого воздуха поддерживают по величине достаточным для начала горения топлива, а количество передаваемой энергии в зависимости от режима работы автомобиля обеспечивают подачей /или отводом/ через трансмиссию электрической энергии.

Поддержание параметров сжатого воздуха, выполняющего функцию накопителя энергии, достаточными для начала горения топлива позволяет не только освободить цилиндры ДВС от работы по подготовки свежего заряда, но и использовать при необходимости эти цилиндры как пневмодвигатели, не говоря уже о том, что в любой момент движения автомобиля в цилиндр можно подать топливо и получить от его сжигания необходимую работу, что расширяет технологические возможности поршневого ДВС предлагаемой установки.

Использование электрической энергии для регулирования количества энергии, передаваемой трансмиссией, позволяет обеспечить высокую надежность и простоту конструкции такой системы регулирования, высокий коэффициент рекуперации энергии, обеспечивает создание предлагаемой силовой установки на отработанной элементной базе. Более того, электрические машины по своей нагрузочной характеристики наиболее приспособлены для разгона автомобиля, так как в состоянии выдержать кратковременную многократную перегрузку, что позволяет получить минимальные габариты и вес элементов предлагаемой установки, обеспечивающих функцию разгона и подъема на высоту.

Еще одной отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что при регулировании количества энергии останавливают поршни двигателя. При этом ДВС способен адаптироваться к внешним нагрузкам, обеспечивая минимум внутренних потерь путем исключения из процесса преобразования теплоты в работу избыточных рабочих объемов.

Таким образом, устраняется основной недостаток известных способов обеспечения функций автомобиля - сжигание топлива в силовой установке в тех случаях, когда этого можно не делать, что приводит к весьма заметному уменьшению расхода топлива.

Силовая установка для осуществления предлагаемого способа кроме элементов, обеспечивающих выполнение рассмотренных выше функций, которые, как уже упоминалось, в основном могут быть реализованы уже известными средствами, имеет дополнительно свои отличительные особенности, обеспеченные разделением функций между элементами силовой установки, а именно, в предлагаемой установке двигатель и электрическая машина соединены с колесами через трансмиссию постоянно и при неизменном передаточном отношении, т.е. для автомобиля, оборудованного такой установкой, не требуется коробки передач, муфты сцепления и других поглотителей наиболее ценной механической энергии. Кроме того, при этом отпадает необходимость в тормозах при их известных функциях, и требуется только устройство аварийного торможения типа стояночного тормоза. Снижение потерь механической энергии при ее передачи на колеса также приводит к экономии топлива, а существенное упрощение конструкции трансмиссии существенно удешевляет изготовление автомобиля.

Другие отличительные особенности предлагаемой силовой установки, а именно то, что накопитель энергии сжатого воздуха подключен к цилиндрам в помощью клапанов, управляемых от системы управления, к которой подключена также электрическая машина, позволяют обеспечить управляемость и применить в системе управления современную электронную технику, что обеспечит высокую комфортабельность и безопасность движения.

Кроме того, для дальнейшей специализации элементов силовой установки по выполняемым функциям она может быть снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, мощность которого зависит от оборотов вала аналогично зависимости величины аэродинамического сопротивления движению автомобиля от числа оборотов колес. Так как величина аэродинамического сопротивления движению пропорциональна квадрату скорости движения /числу оборотов колеса/, то из известных двигателей, преобразующих энергию топлива в механическую, наиболее подходящим для дополнительного двигателя в предлагаемой силовой установке является газотурбинный.

Однако в качестве дополнительного двигателя может быть применен также и поршневой двигатель внутреннего сгорания при условии изменения его рабочего объема, что с наименьшими потерями согласно изобретению может быть реализовано в ДВС, шток поршня которого кинематически связан с валом трансмиссии с помощью опорных площадок, передающих усилие в одну сторону, что позволяет изменять рабочий объем цилиндров не только отключением подачи топлива, но и остановкой поршней.

Таким образом, приведенные отличительные особенности изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать автомобиль с существенно меньшим расходом топлива, более надежный, безопасный и комфортабельный, что соответственно обеспечит его конкурентоспособность на современном рынке.

СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ КОЛЕСАМ АВТОМОБИЛЯ И СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА

На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой установки, поясняющая и способ передачи энергии колесам автомобиля; на фиг. 2 - схема варианта конструкции ДВС при выполнении части цилиндров с останавливающимися во время работы ДВС поршнями.

Силовая установка автомобиля содержит двигатель 1 для преобразования химической энергии топлива в механическую, выполненный в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего ряд цилиндров 2, в которых установлены поршни 3, соединенные с помощью штока 4 и кривошипно-шатунного механизма 5 с трансмиссией 6. Трансмиссия 6, включающая валы и устройства /редуктор/ 7 для соединения валов, предназначена для передачи механической энергии колесам 8.

Установка содержит также обратимую электрическую машину 9 и накопитель 10 электрической энергии. Двигатель 1 и электрическая машина 9 соединены с колесами 8 через трансмиссию 6 постоянно и при неизменном передаточном отношении.

Каждый цилиндр ДВС подключен к устройству 11 сжатия воздуха /на фиг. 1 изображен только один из цилиндров, оборудованный устройством 11/, выполненному в виде термодинамического обменника энергий, рабочая полость которого соединена с полостью цилиндра через клапан 12, а с выхлопом в атмосферу - через клапан 13.

Обменник энергий выполнен двухступенчатым, после первой ступени сжатия установлен охладитель 14, а выходы из всех вторых ступеней устройств 11 подключены к накопителю энергии сжатого воздуха - ресиверу 15, который теплоизолирован. Клапаны 16, установленные по тракту сжатия воздуха, выполнены прямого действия.

Силовая установка снабжена системой 17 управления, а также электрическими кабелями, трубопроводами и клапанами, при этом часть клапанов, а именно клапаны 16, выполнены прямого действия, а часть клапанов управляются через датчики от системы 17 управления. К системе 17 подключена также электрическая машина 9.

Функции системы 17 управления не выходят за рамки современных электрических систем, известных, например, из брошюры Стародетко Е. А. и др. "Микропроцессорное управление адаптивными двигателями", АН БССР, Минск, 1990.

Накопитель энергии сжатого воздуха - ресивер 15 подключен к цилиндрам с помощью управляемых клапанов 18. На этих же линиях установлены карбюраторы 19, подключенные к топливному баку 20, который для выравнивания давления соединен с ресивером 15.

Силовая установка может быть снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, мощность которого зависит от оборотов вала аналогично зависимости величины аэродинамического сопротивления движению автомобиля от числа оборотов колес, например, газотурбинным двигателем /ГТД/ 21, вал которого соединен с трансмиссией 6 также постоянно и при неизменном передаточном отношении, например, через редуктор 7. При этом камера 22 сгорания ГТД подключена через управляемый клапан 23 к топливному баку 24.

Установка оборудована также системой подачи и воспламенения топливовоздушной смеси, включающей указанные топливные баки 20 и 24.

В качестве дополнительного двигателя может быть использован и поршневой двигатель 1 внутреннего сгорания, если он выполнен с возможностью изменения величины объема цилиндров, например, в части его цилиндров 25, в которых установлены поршни 26, штоки 27 которых кинематически связаны с валом трансмиссии 6 с помощью опорных площадок 28, передающих усилие в одну сторону.

Возможный вариант конструкции такого двигателя схематично изображен на фиг. 2. В представленном варианте изображена конструкция вала ДВС с двумя синхронизирующими шестернями 29, с помощью которых на трансмиссию 6 передают движение от траверсы 30, на которой закреплены штоки 4 поршней 3, установленных в цилиндрах 2, составляющих неизменяемый объем ДВС 1.

ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ КОЛЁСАМ АВТОМОБИЛЯ
ОСУЩЕСТВЛЯЮТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

В исходном состоянии, перед началом движения автомобиля силовая установка должна иметь необходимый запас энергии для преодоления инерционных сил при разгоне и сообщения кинематической энергии массе автомобиля, преодоления силы тяжести на подъеме. Для обеспечения упомянутого запаса накопитель электроэнергии 10 и ресивер 15 заряжают до расчетных параметров от посторонних источников сжатого воздуха и электроэнергии. При отсутствии посторонних источников установка может быть приведена в исходное состояние за счет запуска ДВС 1 при отсутствии сцепления колеса 8 с опорной поверхностью, например, в конструкции автомобиля может быть предусмотрено устройство для поддомкрачивания. При этом вырабатываемая двигателем 1 энергия с помощью обратимой электрической машины 9, которая переключается системой 17 управления в генераторный режим, превращается в электроэнергию, накапливаемую в накопителе 10, а с помощью обменника 11 создается запас сжатого воздуха требуемых параметров в ресивере 15.

Характеристики ДВС во многом уступают характеристикам электрических двигателей, многие из которых обладают способностью кратковременно увеличивать крутящий момент и мощность в несколько раз. Известно, что длительная мощность электродвигателей лимитируется в основном условиями нагрева изоляции. Поскольку для нагрева до предельно допустимой температуры требуется определенное время, имеется возможность кратковременно увеличить рабочий ток в несколько раз относительно длительно допустимого и тем самым кратковременно увеличить крутящий момент.

При трогании с места и разгоне автомобиля включают электрическую машину 9 в режим двигателя /с помощью системы 17 управления меняют соответственно полярность возбуждения/ и за счет электроэнергии от накопителя 10 разгоняют автомобиль до крейсерской скорости. Так как на короткое время разгона электрический привод допускает значительные перегрузки, то установленная мощность электромашины 9 может быть сравнительно небольшой.

Тормоза транспортного средства представляют второй энергетический элемент после двигателя. В автомобилях используются почти исключительно пассивные тормоза, гасящие кинетическую энергию машины за счет ее преобразования в теплоту и рассеивания полученной теплоты в окружающем пространстве. Даже в случае электрического торможения с помощью генераторов электрического тока /ПАЗ/ или обратимых электродвигателей /БеЛАЗ/ преобразованная в электрическую форму кинематическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию на тормозных реостатах и рассеивается в окружающем пространстве. Фрикционные тормоза не только напрасно растрачивают кинематическую энергию автомобиля, но являются предметом постоянного наблюдения и ремонта, так как подвергаются интенсивному износу. Энергию торможения можно накапливать в маховике, в газовом или электрическом аккумуляторе, в конденсаторной батарее.

В предлагаемой установке при торможении колеса 8 /уменьшении потребляемой им энергии/ система 17 управления переключает возбуждение электрической машины 9 на генераторный режим и избыточная энергия за счет уменьшения кинетической энергии, а также энергия, вырабатываемая ДВС 1, направляется в накопитель 10, осуществляя таким образом торможение.

В качестве накопителя энергии торможения может служить электрохимический аккумулятор. Зарядный ток аккумулятора должен быть порядка 1000 А на 1 т массы снаряженного автомобиля. Для получения столь высоких показателей по удельной мощности следует увеличить площадь активной поверхности электродов в 100...1000 раз. Выполнение перечисленных требований возможно на базе технологии изготовления тонкослойных схем, позволяющей создать аккумулятор на твердом электролите с большой активной поверхностью электродов и малым внутренним сопротивлением.

Наиболее перспективными накопителями электрической энергии являются конденсаторы, емкость которых достигает 1Ф и более. Батарея с запасом энергии для запуска двигателя имеет массу в несколько раз меньшую массы пускового аккумулятора. Конденсаторная батарея для разгона автомобиля с массой 1 т по предлагаемому способу будут иметь массу в несколько десятков килограмм.

Предлагаемая установка обеспечивает разгон и торможение без потерь энергии. Тем самым она подобна маятнику или пружине и может быть названа энергетическим маятником.

Для включения в работу ДВС 1 по заданной от системы управления программе открывают клапаны 18, и сжатый воздух из ресивера 15 в смеси с топливом, поступающим в карбюратор 19, при параметрах начала горения поступает в соответствующий цилиндр 2, где заряд воспламеняется и образующиеся газы совершают работу, передавая механическую энергию через поршень 3, шток 4 и кривошипно-шатунный механизм 5 на трансмиссию 6. При движении поршня 3 ДВС от ВМТ клапан 8 закрывается и одновременно производится сжигание топлива с образованием горючих газов и рабочий ход.

При положении поршня 3 в НМТ открывается выпускной клапан 12, газы, частично отдавшие свою энергию ДВС, поступают в рабочую камеру термодинамического обменника 11 энергий, где отдают свою оставшуюся энергию поршню обменника и заставляют его двигаться к положению ВМТ. При этом одновременно сжимается воздух в первой и во второй ступени.

При подходе поршня обменника 11 к положению ВМТ через обратный клапан 16 перепускают сжатый воздух из первой ступени в охладитель 14, а через другой обратный клапан перепускают сжатый воздух из второй ступени в ресивер 15. При положении поршня обменника 11 в ВМТ закрывается клапан 12 и затем открывается клапан 13, через который рабочая полость обменника сообщается с выхлопом в атмосферу. При открывании клапана 13 воздух из охладителя 14 под давлением поступает в полость второй ступени, воздействует на поршень и двигает его от положения ВМТ к положению НМТ. При этом отработавшие газы из рабочей камеры выводятся через клапан 13 в атмосферу, а атмосферный воздух через обратный клапан 16 всасывается в камеру первой ступени. При подходе поршня к положению НМТ клапан 13 закрывается. Цикл повторяется.

Описанный цикл работы ДВС позволяет осуществить однотактный режим работы двигателя. Однотактным называется режим работы ДВС, при котором поршень не совершает холостых ходов. При каждом ходе поршня происходит расширение рабочих газов.

Однотактный ДВС обладает наивысшей удельной мощностью и высшим механическим КПД. Удельная мощность его в 4 раза выше, чем у четырехтактного ДВС, а механические потери в 4 раза меньше. Однотактный двигатель обеспечивает минимальную неравномерность хода и может быть легко приспособлен к пуску воздухом.

Если в однотактном двигателе допустить пропуск некоторой части рабочих ходов, то можно реализовать любое наперед заданное отношение числа всех ходов к числу рабочих ходов. Тактность может быть целым числом - 1, 2, 3, 4, 5 и т.д. Она может выражаться также числом вида N/M, где N M, M и N - целые числа.

Изменением тактности можно регулировать мощность двигателя. Это принципиально новый способ, позволяющий получить любую наперед заданную среднюю мощность без изменения наполняемости цилиндров и состава рабочей смеси. Настройка схемы на конкретный режим может осуществляться практически мгновенно /точнее в течение одного хода поршня/ за счет изменения программы переключения соответствующих клапанов. Это позволяет использовать принципиально новый способ управления мощностью - частотный /импульсный/, при котором вес заряда в цилиндре и состав топливно-воздушной смеси остается постоянным. При этом соотношение между массой топлива и воздуха может быть подобрано таким образом, чтобы процентное содержание вредных выбросов в выхлопных газах постоянно поддерживалось на минимальном уровне.

Частотный принцип управления мощностью требует принципиально новой организации рабочего процесса, когда ДВС 1 может прекратить выработку механической энергии на любом шаге, а на любом другом - совершить рабочий ход. Такая возможность обеспечивается резервированием сжатого воздуха в ресивере 15, что позволяет создать рабочий процесс силовой установки с встроенным процессом запуска ДВС и обеспечить появление существенного крутящего момента при нулевой скорости вращения колеса 8 и соответственно коленчатого вала двигателя 1.

При частотном управлении полезная мощность может изменяться в весьма широких пределах за счет чередования холостых и рабочих ходов. В сочетании с возможностью нагружения двигателя "с места" получаем характеристику двигателя, который может работать без коробки передач и без сцепления, что позволяет напрямую соединить трансмиссию 6 с колесом 8 и включить валы двигателей в трансмиссию постоянно и при постоянном передаточном отношении.

Частотное управление принципиально является программным и может быть реализовано с помощью системы 17 управления, выполненной на основе микропроцессора, который подготавливает программу исполнения рабочих ходов, похожую на программу для станков с числовым программным управлением, когда чередование холостых и рабочих ходов отражается двоичным кодом.

Двигатель внутреннего сгорания 1 является той частью привода, которая обеспечивает преодоление сопротивления трения качения колес 8 без учета аэродинамического сопротивления. Работа двигателя 1 отличается от работы привода в целом отсутствием дополнительных нагрузок, постоянством крутящего момента и другими положительными факторами. Если характер дороги не изменяется, то мощность привода и двигателя 1 пропорциональна скорости и может легко регулироваться. Двигатель внутреннего сгорания как нельзя более подходит к такому приводу как двигатель постоянного момента. Однако при изменении характера дороги /переход с асфальта на гравийное покрытие или грунт/ момент сил сопротивления изменяется.

Если нагрузка на двигатель меньше 100%, например, 50%, то двигатель выходит на весьма невыгодный режим работы вследствие большой удельной доли потерь в общем балансе энергии. Эти потери возникают как в термодинамическом - так и в механическом процессах. Для сокращения потерь применяют топливное отключение цилиндров, при котором процесс преобразования теплоты в механическую работу происходит не во всех цилиндрах двигателя. В отключенных цилиндрах впускные и выпускные клапаны остаются постоянно закрытыми, вследствие чего заключенный в цилиндрах газ сжимается и расширяется как в газовой пружине. В работающих цилиндрах повышается степень сжатия /для двигателя Отто/, а у двигателя в целом уменьшается общая площадь поверхности охлаждения рабочих газов, что повышает индикаторный КПД и коэффициент использования теплоты.

Обычно может отключаться половина от общего числа всех работающих цилиндров. Примером может служит "Порше 928", состоящий из двух полностью автономных секций по 4 цилиндра в каждой. Как показывают экспериментальные данные при топливном отключении цилиндров расход топлива может сокращаться на 25%.

Эффект изменения числа работающих цилиндров может быть значительно усилен, если наряду с топливным отключением цилиндров останавливать работающие в них поршни, что значительно сокращает потери на трение. Если учесть, что на цилиндропоршневую группу приходится до 3/4 от суммы механических потерь в двигателе, остановка части поршней должна обеспечить значительное повышение механического КПД.

Для приведения в соответствие крутящего момента двигателя с силами сопротивления движению желательно изменить рабочий объем двигателя, уменьшая при этом скорость движения пропорционально увеличению сопротивления движению. Для этого могут быть использованы цилиндры 25. При подаче в такой цилиндр свежего заряда через соответствующий клапан 18, как это описано выше, цилиндр включается в работу аналогично цилиндру 2, увеличивая тем самым рабочий объем двигателя. При необходимости уменьшить рабочий объем двигателя закрывают соответствующий клапан 18, и поршень 26 останавливается в верхней мертвой точке, т.к. площадка 28 позволяет передавать усилие на шток 27 только в одну сторону. При этом отключение цилиндра 25 не приводит к появлению каких-либо потерь, как в известных технических решениях с отключением части цилиндров от подачи топлива.

Аэродинамическое сопротивление зависит от лобовой площади транспортного средства, коэффициента сопротивления воздуха и скорости движения. Установлено, что у хорошо отработанных кузовов легковых автомобилей аэродинамическое сопротивление при скорости 90 км/ч равно сопротивлению, вызванному трением качения колес и нелинейно возрастает при увеличении скорости движения. Чаще всего для определения аэродинамического сопротивления используется квадратичная функция, хотя более точными являются формулы, содержащие куб и другие степени скорости. Для преодоления этого сопротивления при достижении скорости движения около 60 км/ч [1, с. 20, рис. 4] включают газотурбинный двигатель 21. Для этого с помощью системы 17 управления открывают клапан 23, топливо из бака 24 поступает в камеру сгорания 22, включают зажигание и ГТД 21 передает механическую энергию через редуктор 7 и трансмиссию 6 колесу 8, компенсируя аэродинамическую составляющую сопротивления движению.

Включение ГТД осуществляется при наборе его валом достаточного для обеспечения устойчивой работы числа оборотов. Дальнейшее увеличение скорости движения и числа оборотов трансмиссии 6 позволяет компенсировать нелинейное увеличение сопротивления движению соответствующим увеличением мощности ГТД 21.

Рассмотрим типичные ситуации при работе предлагаемой силовой установки. При этом будем исходить из следующих предположений:

- разгон автомобиля от скорости 36 до 90 км/ч осуществляется в режиме равной мощности;

- после разгона автомобиль движется по горизонтальной дороге;

- количество разгонов на пути в 100 км задано и зависит от условий движения /в городе, за городом, по шоссе с односторонним движением без существенных помех, по дороге с помехами и т.д./;

- на подъемах и спусках включается электрическая машина.

Ситуация 1. Скорость автомобиля такова, что двигатель 1 вырабатывает избыточную мощность. Скорость автомобиля увеличивать нежелательно. Тогда избыточную мощность можно использовать для накопления резервной энергии с помощью машины 9, переключив ее в генераторный режим. Если накопитель 10 не может принять дополнительную энергию, двигатель 1 следует выключить.

Ситуация 2. Двигатель 1 выключен и в ближайшее время ожидается торможение автомобиля. Тогда автомобиль может двигаться по инерции, постепенно замедляясь.

Ситуация 3. Двигатель 1 выключен из-за переполнения накопителя 10. Скорость автомобиля должна поддерживаться на достигнутом уровне. Это требование может быть выполнено за счет подкрутки колес электродвигателем 9 /при соответствующем переключении/, потребляющим резервную энергию от накопителя 10.

Ситуация 4. Двигатель 1 выключен, скорость поддерживается резервной энергией, но запас энергии упал до минимума, ниже которого движение становится неустойчивым. В данной ситуации система 17 управления немедленно включает двигатель 1.

Ситуация 5. Скорость автомобиля мала, например, равна нулю. При этом движение за счет двигателя 1 невозможно, так как передаточное отношение трансмиссии 6 постоянно. В этом случае устойчивое движение возможно за счет электрической машины 9, включенной в режим двигателя и резервной энергии накопителя 10. При достижении скорости, допустимой для запуска, включается двигатель 1.

Ситуация 6. Резервный накопитель 10 переполнен, двигатель 1 не работает, а скорость машины следует уменьшить. В этой ситуации должны использоваться аварийные тормоза.

Ситуация 7. Накопитель 10 не наполнен, двигатель 1 не работает, а скорость машины следует уменьшить. В этом случае торможение осуществляется электрической машиной 9, включенной в генераторный режим.

Ситуация 8. Усиленный разгон машины, при этом с ростом скорости движения существенно увеличивается доля энергии привода, затрачиваемой на преодоление аэродинамического сопротивления движению автомобиля. В этом режиме колеса 8 машины подкручиваются одновременно ДВС 1 и газотурбинным двигателем 21. Кроме того, при этом колеса 8 подкручиваются электрической машиной 9, включенной в режим двигателя и утилизирующей энергию электрического накопителя 10. Помимо утилизации энергии положительным фактором этого режима является улучшение рабочей характеристики привода, что особенно ценно в момент трогания автомобиля с места, когда требуемый момент на валу колеса 8 обеспечивается динамической составляющей мощности ДВС 1.

Таким образом, предложенная силовая установка, передавая вырабатываемую ее функциональными элементами механическую энергию колесам автомобиля по предложенному способу обеспечивает: высокую литровую мощность и малый вес двигателя, высокую экономичность, экологическую чистоту, бесшумность, возможность трогания с места одновременно с запуском ДВС, отсутствие коробки передач.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

  1. Способ передачи энергии колесам автомобиля, заключающийся в сжигании смеси воздуха и топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, превращении тепловой энергии газов в механическую и передаче последней с помощью поршней, механизма двигателя и трансмиссии колесам автомобиля, в котором регулируют скорость вращения колес и количество передаваемой механической энергии, а также используют часть энергии газов для сжатия подаваемого в цилиндры воздуха и для выработки электроэнергии и энергии сжатого воздуха, а на частичных по потребляемой колесами энергии режимах прекращают подачу топлива в часть цилиндров двигателя, отличающийся тем, что перед началом движения автомобиля заряжают накопитель электроэнергии до заданного количества энергии и создают заданную величину давления сжатого воздуха в ресивере, трогание с места осуществляют подключением к накопителю электроэнергии электродвигателя, передающего вращающий момент через трансмиссию, при достижении заданного первого значения скорости осуществляют запуск двигателя внутреннего сгорания и ведут дальнейший разгон и подъем на высоту автомобиля, используя энергию, поступающую от накопителя электроэнергии через электродвигатель, и энергию топлива, сжигаемого в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания, а после достижения заданного второго значения скорости отключают электродвигатель от накопителя и продолжают движение за счет энергии топлива.

  2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при достижении заданного третьего значения скорости подают топливо в дополнительный двигатель, мощность которого возрастает при увеличении частоты вращения.

  3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при торможении автомобиля электродвигатель переключают в режим генератора, подключают к накопителю для увеличения количества запасаемой электроэнергии в накопителе.

  4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при торможении автомобиля двигатель внутреннего сгорания переключают в режим компрессора и накапливают сжатый воздух в ресивере.

  5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при регулировании количества энергии, передаваемой колесам, останавливают часть поршней двигателя внутреннего сгорания.

  6. Силовая установка для осуществления способа по п.1, содержащая по меньшей мере один двигатель для преобразования химической энергии топлива в механическую, снабженный системой подачи и воспламенения топливовоздушной смеси, трансмиссию для передачи механической энергии колесам, включающую валы и устройства для соединения валов, электрическую машину и накопитель электрической энергии, устройство сжатия воздуха и ресивер, систему управления, включающую датчики параметров движения автомобиля и исполнительные механизмы, а также электрические кабели, трубопроводы и клапаны, отличающаяся тем, что двигатель и электрическая машина соединены с колесами через трансмиссию постоянно и при неизменном передаточном отношении, а ресивер подключен к цилиндрам с помощью клапанов, снабженных исполнительными механизмами, управляемыми от системы управления, к которой подключена также электрическая машина.

  7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, установленным на валу основного двигателя и подключенным к системе управления.

  8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что дополнительный двигатель выполнен газотурбинным.

  9. Установка по п.7, отличающаяся тем, что дополнительный двигатель выполнен в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания, шток поршня которого кинематически связан с валом трансмиссии посредством опорных площадок, передающих усилие в одну сторону.

Версия для печати
Дата публикации 27.12.2006гг


вверх