Гибридный силовой агрегат (варианты)

Гибридный силовой агрегат (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве силового агрегата как стационарных, так и транспортных машин.

Известны гибридные силовые агрегаты транспортных средств, включающие тепловой двигатель, электроаккумуляторы, электромеханическую трансмиссию, имеющую в своем составе электрогенератор, электродвигатель, систему управления и механическую передачу с простым (однократным) разделением потока мощности, где присутствуют дифференциальные механизмы (см., например, Н.В.Гулиа, «Удивительная механика», М.: ЭНАС, 2006, стр.167, схема гибридного автомобиля Toyota Prius).

Недостатком приведенного устройства, принятого за аналог, является невысокая удельная мощность при рекуперации энергии торможения, что, во-первых, связано с малой удельной мощностью электроаккумуляторов, а во-вторых - с пониженной мощностью электромашин в трансмиссии гибрида, не рассчитанной на прохождение полной мощности торможения транспортного средства. В трансмиссиях с разделением потока мощности, в том числе и электромеханических, через электромашины проходит лишь часть мощности, идущей через трансмиссию. Это позволяет выполнять электромашины с уменьшенными габаритами и массой, а также повышает экономичность трансмиссии, так как потери в электромашинах примерно пропорциональны проходящей через них механической мощности. С этой точки зрения выгодно выполнять трансмиссию такой, чтобы мощность электромашин была минимальной. Но в этом случае станет малоэффективной рекуперация энергии при торможении транспортного средства, так как мощности электромашин не хватит для передачи в электроаккумулятор существенной части мощности торможения, часто превышающей установленную мощность основного двигателя транспортного средства. Рекуперация энергии торможения является существенным фактором повышения экономичности транспортного средства.

Некоторое повышение экономичности дает использование в качестве накопителя энергии для рекуперации маховичных накопителей, которые могут принимать и отдавать несравнимо большую удельную мощность, чем, например, электрохимические аккумуляторы, и имеют при этом существенно большую удельную энергоемкость, чем, например, суперконденсаторы (см., например, Н.В.Гулиа, «Удивительная механика», М.: ЭНАС, 2006, стр.162). Это привело к созданию силовых агрегатов транспортных средств, включающих электрохимический источник энергии, электрическую трансмиссию и маховичный накопитель энергии с электрическим отбором мощности, что осуществлено в гибридном электромобиле - такси, разработанном в США (см., например, Н.В.Гулиа «Удивительная механика», М.: ЭНАС, 2006, стр.169-170). Это устройство также принято за аналог.

Недостатком устройства-аналога являются большая установленная мощность электромашин и высокие потери энергии при передаче энергии в маховик и обратно по причине многократного преобразования ее формы.

Известна также конструкция силовой установки транспортного средства с маховичным накопителем, причем привод от вала маховика маховичного накопителя к последующим элементам трансмиссии на колеса транспортной машины включает трехзвенный дифференциальный механизм и две энергетически связанные электрические машины (см. патент США №4233858, кл. F16H 37/06, 1980 г.). Такое исполнение позволяет повысить КПД и удельную мощность передачи по сравнению с передачами с чисто электрическим отбором мощности от накопителя. Описанная конструкция также принята за аналог.

Недостатком конструкции-аналога является узкий диапазон эффективного регулирования передаточного отношения, расширение которого приведет к резкому росту установленной мощности электрических машин и снижению КПД передачи.

В качестве прототипа выбрано устройство, максимально приближенное к изобретению как по совокупности существенных признаков, так и по достигаемому эффекту - это гибридный силовой агрегат электромобиля, описанный и представленный на схемах на стр.163 книги Н.В.Гулиа «Удивительная механика» (М.: ЭНАС, 2006). Устройство-прототип включает маховичный накопитель, супервариатор, автономный электрический источник энергии (аккумулятор или электрохимический генератор) с электродвигателем, играющим роль двигателя транспортного средства, соединенный кинематически как с входным валом супервариатора, так с валом маховика (супермаховиком) маховичного накопителя энергии, с возможностью как раздельного, так и одновременного их подключения. Супервариатор - это многодиапазонная многопоточная бесступенчатая передача с варьирующим звеном и сложным (двукратным) разделением потока мощности, благодаря наличию по меньшей мере двух дифференциальных механизмов в дифференциальной передаче (см. патент RU №2410587, авторы: Гулиа Н.В., Давыдов В.В.). Выходной вал супервариатора кинематически соединен с движителем (ведущими колесами) транспортного средства.

Устройство-прототип устраняет основной недостаток устройств-аналогов, так как маховик накопителя здесь выполнен с механическим отбором мощности, и мощность, которая подается на маховик или отбирается от маховика, может в несколько раз превышать установленную мощность варьирующего звена супервариатора. Необходимый диапазон регулирования передаточного отношения достигается благодаря наличию нескольких связанных меду собой сравнительно узких бесступенчатых диапазонов, поэтому установленная мощность варьирующего звена (механического вариатора, электро- или гидровариатора) может быть весьма малой (оптимум для транспортного средства - 10…15% полной передаваемой механической мощности).

Недостатком устройства-прототипа является то, что варьирующее звено супервариатора здесь выполнено в виде механического вариатора, что не позволяет использовать электрическую энергию от автономного источника без использования дополнительного тягового электродвигателя. Другим недостатком является постоянное передаточное отношение между валом маховика и входным валом супервариатора. Для эффективной зарядки маховика от двигателя необходимо иметь регулируемое передаточное отношение между двигателем и валом маховика, поскольку частота вращения маховика существенно изменяется по мере изменения количества накопленной в нем энергии, а оптимальная частота вращения двигателя может находиться в более узких пределах.

Задачей изобретения является создание силового агрегата на основе теплового двигателя, обеспечивающего высокий КПД во всех режимах движения транспортного средства (автомобиля), малые габариты, массу и себестоимость.

Другой задачей изобретения является создание силового агрегата на основе накопителя электрической энергии, обеспечивающего высокий КПД во всех режимах движения транспортного средства (электромобиля), равномерную нагрузку накопителя электрической энергии, малые габариты, массу и себестоимость.

Указанная задача решается тем, что предложен гибридный силовой агрегат, включающий как минимум один автономный источник механической энергии вращения, многодиапазонную многопоточную бесступенчатую трансмиссию от упомянутого автономного источника механической энергии вращения до потребителя механической энергии, а также маховичный накопитель с передачей от вала маховика к входному валу упомянутой трансмиссии, характеризующийся тем, что многодиапазонная многопоточная бесступенчатая трансмиссия включает варьирующее звено, содержащее две обратимые электрические машины, а передача от вала маховичного накопителя к входному валу многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии выполнена в виде трехзвенного дифференциального механизма, к одному из звеньев которого кинематически присоединен вал маховика, к другому звену кинематически присоединен входной вал многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии, а к третьему звену кинематически присоединена обратимая электрическая машина, причем все три упомянутые электрические машины электрически связаны друг с другом с возможностью обмена электрической мощностью.

Другой особенностью предлагаемого изобретения является то, что гибридный силовой агрегат содержит управляемую фрикционную муфту между выходным валом автономного источника механической энергии вращения и входным валом многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии.

Указанная задача решается также тем, что предложен гибридный силовой агрегат, включающий как минимум один накопитель электрической энергии, маховичный накопитель, многодиапазонную многопоточную бесступенчатую трансмиссию, а также передачу от вала маховика к входному валу упомянутой трансмиссии, характеризующийся тем, что многодиапазонная многопоточная бесступенчатая трансмиссия включает варьирующее звено, содержащее две обратимые электрические машины, а передача от вала маховичного накопителя к входному валу многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии выполнена в виде трехзвенного дифференциального механизма, к одному из звеньев которого кинематически присоединен вал маховика, к другому звену кинематически присоединен входной вал многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии, а к третьему звену кинематически присоединена обратимая электрическая машина, причем все три упомянутые электрические машины электрически связаны друг с другом и с накопителем электрической энергии с возможностью обмена электрической мощностью.

Указанные отличия позволяют получить технический эффект, заключающийся, в основном, в обеспечении как эффективной передачи энергии от ее источников - маховика, теплового двигателя и накопителя электроэнергии - до потребителя этой энергии с учетом специфики работы машины - с малой мощностью, с пиковыми нагрузками, рекуперацией энергии.

Устройство различных исполнений гибридного силового агрегата представлено на фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлен гибридный силовой агрегат на основе маховичного накопителя с двухпоточным выводом мощности и автономного источника энергии, например теплового двигателя с системой пуска и сцеплением. Маховичный накопитель, находящийся в герметичном корпусе 1, включает маховик 2, вал которого соединен с внутренним центральным зубчатым колесом 3 дифференциального механизма 4 (обведен штриховой линией). Внешнее центральное зубчатое колесо 5 дифференциального механизма 4 соединено с ротором 6 электромашины, неподвижный статор 7 которой электрически соединен с системой управления упомянутой электромашины, например инвертором 8. Водило 9 дифференциального механизма 4 посредством вала 10, уплотненным с помощью, например, магнитожидкостного уплотнения 11, с ведущим колесом зубчатой передачи 12. Ведомое колесо зубчатой передачи 12 жестко соединено с входным валом 13 многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии (супервариатора). Выходной вал теплового двигателя 14 посредством сцепления 15 также соединен с входным валом 13. Вал 13 проходит в приведенном для примера конкретном выполнении супервариатора через полый ротор электромашины 16 и соединяется с водилом 17 дифференциального механизма первого разделения 18 (обведен штриховой линией), который первым разделяет поток мощности, поступающий от вала 15, причем часть мощности направляется в варьирующее звено, включающее обратимые регулируемые электромашины 19 и 16, управляемые, соответственно, инверторами 20 и 21, а оставшаяся часть потока мощности направляется в дифференциальные механизмы 22 и 23 (обведены штриховой линией) для последующего (второго) ее разделения.

Дифференциальный механизм второго разделения прямых режимов 22 и дифференциальный механизм второго разделения обратных режимов 23 вместе с дифференциальным механизмом первого разделения 18 образуют дифференциальный блок 24 (обведен штриховой линией).

Входной вал 13 супервариатора соединен также с водилом 25 дифференциального механизма 23 и с центральным внешним зубчатым колесом 26 дифференциального механизма 22, водило 27 которого, как и центральное внешнее зубчатое колесо 28 дифференциального механизма 23, кинематически соединено с согласующей передачей 29 (обведена штриховой линией). Вал электромашины 19, закрепленной, как и электромашина 16, на корпусе 30 супервариатора, соединен с зубчатым колесом 31, приводящим центральное зубчатое колесо 32 дифференциального механизма первого разделения 18, в свою очередь соединенное с общим центральным внутренним зубчатым колесом 33 дифференциальных механизмов 22 и 23. Центральное внутреннее зубчатое колесо 34 упомянутого дифференциального механизма 18 соединено с полым ротором электромашины 16.

Часть мощности от колеса 32 после первого ее разделения в дифференциальном механизме 18 подается в согласующую передачу 29 через соединяющее их звено 35.

Согласующая передача 29 выполнена планетарной и состоит из планетарного ряда 36 (обведен штриховой линией) и планетарного ряда 37 (обведен штриховой линией), центральные внутренние колеса 38 и 39 которых соединены, соответственно, со звеном 35 дифференциального механизма 18 и с центральным внешним зубчатым колесом 28 дифференциального механизма 23. С водилом 27 дифференциального механизма 22 и с центральным внешним зубчатым колесом 28 дифференциального механизма 23 также связаны соответственно зубчатые полумуфты 40 и 41, выполненные с возможностью соединения с соответствующими полумуфтами 42 и 43, расположенными на подвижных в осевом направлении элементах 44 и 45, связанных с возможностью передачи крутящего момента с водилом 46 согласующей передачи 29. Водило 46 соединено с выходным валом 47. Элементы 44 и 45 перемещаются в осевом направлении соответственно вилками 48 и 49, центральные внешние зубчатые колеса 50 и 51 планетарных рядов 36 и 37 выполнены с возможностью их торможения, соответственно тормозами 52 и 53.

На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства по второму варианту. Отличие устройства по фиг.2 от устройства по фиг.1 заключается в наличии накопителя электроэнергии 54 и отсутствии теплового двигателя 14 по фиг.1.

Накопитель электроэнергии 54, например электрохимический аккумулятор, электрически соединен с инверторами 8, 20 и 21, управляющими соответственно электромашинами 7, 19 и 16. Таким образом, накопитель электроэнергии 54 выполняет в устройстве по фиг.2 роль, которую в устройстве по фиг.1 выполнял двигатель 14, с той разницей, что двигатель 14 поставлял в устройство механическую энергию вращения, а накопитель электроэнергии 54 - электрическую энергию, трансформирующуюся в механическую энергию в указанных электромашинах.

В обоих вариантах выполнения устройства выходной вал 47 супервариатора приводит полезную нагрузку, например движитель (ведущие колеса) транспортного средства.

Работа устройства по фиг.1 осуществляется следующим образом. В установившихся режимах движения транспортного средства мощность теплового двигателя 14 передается на движитель посредством супервариатора. Электромашина 7 в этом режиме обесточена, ротор 6 вращается свободно, поэтому эпицикл 6 может вращаться в любом направлении с любой скоростью, которая определяется величиной и направлением скорости вращения двух других звеньев дифференциального механизма 4 - водилом 9 и солнечным колесом 3. Таким образом, при обесточенной электромашине 7 маховик 2 не имеет силовой связи с входным валом 13 супервариатора.

Работа многодиапазонной бесступенчатой передачи (супервариатора) происходит следующим образом. Вращение входного вала 13 подается на водило 17 дифференциального механизма 22 первого разделения потока мощности и водило 25 дифференциального механизма 23 второго разделения потока мощности прямых режимов, а также связанное с водилом 25 центральное внешнее зубчатое колесо 26 дифференциального механизма 22 второго разделения потока мощности обратных режимов. Далее вращение от центрального внешнего зубчатого колеса 32 подается на общее центральное внутреннее зубчатое колесо 33 дифференциальных механизмов 22 и 23 второго разделения потока мощности. Через упомянутый дифференциальный механизм 18 первого разделения - его центральные зубчатые колеса 34 и 32 - вал 13 связывается с валом электромашины 19 и полым ротором электромашины 16, при этом благодаря дифференциальному механизму 18 только часть мощности направляется через электромашины 19 и 16. Благодаря второму разделению потока мощности в дифференциальных механизмах 22 и 23 эта часть мощности еще более уменьшается и при небольших диапазонах регулирования передаточного отношения супервариатора составляет в среднем около 10% полной передаваемой супервариатором механической мощности. Водило 27 дифференциального механизма 22 и внешнее зубчатое колесо 28 дифференциального механизма 23 передают суммарную мощность, прошедшую частично через электромашины 19 и 16, играющие роль варьирующего звена, а частично - через зубчатые передачи дифференциальных механизмов 18, 22 и 23, на планетарную согласующую передачу 29. Назначение согласующей передачи 29 - преобразовывать регулируемые в сравнительно узких пределах частоты вращения, выдаваемые упомянутыми выше водилом 27 и колесом 28, в непрерывно, без разрыва потока мощности, регулируемый диапазон вращения выходного вала 47 передачи. Например, при частоте вращения вала 13, равной 2000 мин^-1, и изменении передаточного отношения варьирующего звена (отношения частоты вращения вала 13 к частоте вращения звена 35) от бесконечности до единицы, при КПД электрической передачи около 0,8, частота вращения звена 35 увеличивается от 0 до 2000 мин^-1, а частота вращения водила 27 увеличивается от 1150 до 2000 мин^-1. Проходя через планетарный ряд 36 при заторможенном колесе 50 с передаточным отношением около 3 (первый диапазон), частоты вращения водила 46 и, следовательно, выходного вала 47, изменяются от 0 до 670 мин^-1. Если соединить полумуфты 40 и 42 (третий диапазон), то частота вращения водила 46 и, следовательно, выходного вала 47 изменится от 1150 до 2000 мин^-1. При изменении передаточных отношений варьирующего звена в обратном направлении (от единицы до бесконечности) частота вращения колеса 28 изменится в пределах 2000…3450 мин^-1 при КПД порядка 0,96. Проходя через планетарный ряд 37 при заторможенном колесе 51 с тем же передаточным отношением 3 (второй диапазон), частоты вращения колеса 28 преобразуются в частоту вращения водила 46 и вала 47 в пределах 670…1150 мин^-1 при КПД порядка 0,95. При соединении полумуфт 41 и 43 (четвертый диапазон) частота вращения водила 46 и, следовательно, выходного вала 47 изменится от 2000 до 3450 мин^-1. Таким образом, частота вращения выходного вала 47 бесступенчато изменяется с переходом с режимов прямого разделения на режимы обратного разделения в интервалах 0…670, 670…1150, 1150…2000, 2000…3450 мин^-1. В момент переключения между первым и вторым, а также между третьим и четвертым диапазонами, колеса 38, 39 и полумуфты 40 и 41 одновременно имеют частоту вращения 2000 мин^-1, а в момент переключения между вторым и третьим диапазонами частоты вращения колеса 39 и полумуфты 40 соотносятся как передаточное число планетарной согласующей передачи (около 3). Переключение производится с перекрытием, то есть следующий диапазон включается непосредственно перед выключением предыдущего, что исключает прерывание потока мощности. Требуемое передаточное отношение варьирующего звена достигается регулированием электромашин 19 и 16 посредством инверторов 20 и 21. Общий кинематический диапазон регулирования многодиапазонной бесступенчатой передачи стремится к бесконечности при среднем КПД 0,96, начиная со второго диапазона.

Входной вал 13 супервариатора может приводиться в движение не только от теплового двигателя 14, но и от маховичного накопителя. Регулирование передаваемого крутящего момента производится приложением к электромашине 7 электромагнитного момента требуемого направления и величины. При изменении направления электромагнитного момента маховичный накопитель переходит из двигательного режима в режим рекуперативного торможения. При этом в зависимости от соотношения частот вращения солнечного колеса 3 и водила 9, а также направления электромагнитного момента, электромашина 7 может как генерировать, так и потреблять электрическую мощность. Величина электрической мощности составляет малую часть (в среднем 10%) полной вырабатываемой или поглощаемой маховичным накопителем мощности. Мощность электромашины 7 потребляется или генерируется соответственно электромашинами 19 и 16 таким образом, чтобы поддерживать нулевой энергетический баланс. Таким образом, электромашины сравнительно малой установленной мощности управляют полными потоками механической мощности между тепловым двигателем, маховичным накопителем и движителем транспортного средства, обеспечивая высокий КПД силового агрегата и его небольшие размеры и массу.

В варианте выполнения силового агрегата для электромобиля (фиг.2) тепловой двигатель отсутствует, а необходимая для движения мощность поступает в общее звено постоянного тока инверторов 8, 20 и 21 от накопителя электрической энергии 54. В установившихся режимах движения энергетический баланс электромашин отрицательный, и мощность, не превышающая примерно 20% максимальной передаваемой супервариатором механической мощности, вырабатывается накопителем электрической энергии 54. При большей потребной мощности энергия отбирается также и от маховика 2 в форме механической энергии. Эта мощность суммируется с поступившей от накопителя 54 электрической мощности, которая преобразуется в форму механической энергии посредством электромашин 7, 19 и 16 через инверторы 8, 20 и 21, и передается на движитель транспортного средства.

При интенсивном торможении с выделением высоких мощностей кинетическая энергия транспортного средства направляется в маховик 2 через супервариатор и дифференциальный механизм 4. При торможении с малой интенсивностью мощность посредством электромашин 7, 19 и 16 через инверторы 8, 20 и 21 преобразуется в форму электрической энергии и передается в накопитель электрической энергии 54. Таким образом, гибридная силовая установка по фиг.2 снижает пиковые нагрузки на накопитель электрической энергии 54 и тем самым повышает его КПД и пробег электромобиля между подзарядками.

1. Гибридный силовой агрегат, включающий, как минимум, один автономный источник механической энергии вращения, многодиапазонную многопоточную бесступенчатую трансмиссию от упомянутого автономного источника механической энергии вращения до потребителя механической энергии, а также маховичный накопитель с передачей от вала маховика к входному валу упомянутой трансмиссии, отличающийся тем, что многодиапазонная многопоточная бесступенчатая трансмиссия включает варьирующее звено, содержащее две обратимые электрические машины, а передача от вала маховичного накопителя к входному валу многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии выполнена в виде трехзвенного дифференциального механизма, к одному из звеньев которого кинематически присоединен вал маховика, к другому звену кинематически присоединен входной вал многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии, а к третьему звену кинематически присоединена обратимая электрическая машина, причем все три упомянутые электрические машины электрически связаны друг с другом с возможностью обмена электрической мощностью.

2. Гибридный силовой агрегат по п.1, отличающийся тем, что он содержит управляемую фрикционную муфту между выходным валом автономного источника механической энергии вращения и входным валом многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии.

3. Гибридный силовой агрегат, включающий, как минимум, один накопитель электрической энергии, маховичный накопитель, многодиапазонную многопоточную бесступенчатую трансмиссию, а также передачу от вала маховика к входному валу упомянутой трансмиссии, отличающийся тем, что многодиапазонная многопоточная бесступенчатая трансмиссия включает варьирующее звено, содержащее две обратимые электрические машины, а передача от вала маховичного накопителя к входному валу многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии выполнена в виде трехзвенного дифференциального механизма, к одному из звеньев которого кинематически присоединен вал маховика, к другому звену кинематически присоединен входной вал многодиапазонной многопоточной бесступенчатой трансмиссии, а к третьему звену кинематически присоединена обратимая электрическая машина, причем все три упомянутые электрические машины электрически связаны друг с другом и с накопителем электрической энергии с возможностью обмена электрической мощностью.