Результат интеллектуальной деятельности: МАХОВИКОВАЯ ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к маховиковой гибридной системе, а более конкретно - к маховиковой гибридной системе, содержащей маховик, выборочно подсоединяемый к вспомогательной ременной приводной системе двигателя внутреннего сгорания.

Уровень техники

Маховики являются хорошо известными средствами накопления энергии и регулирования скорости. На транспортных средствах, включая автомобили, большие маховики обычно установлены на коленчатом валу. Инерция маховика действует в направлении сглаживания пульсирующей природы процесса внутреннего сгорания и предотвращает передачу скоростных колебаний к трансмиссии и остальным частям цепи привода.

Известны также и другие применения маховиков. Например, маховик используется для регулирования частоты электрической сети. Когда потребность в электричестве высока, скорость генератора уменьшается, уменьшая частоту подаваемой мощности переменного тока, как показано на фиг. 1А. При пиковом потреблении маховиковая система может отдавать мощность, уменьшая нагрузку на генератор. Это поддерживает скорость генератора и сохраняет частоту мощности переменного тока. Кроме того, вспомогательные блоки питания (ВБП) на основе маховика могут быть использованы при критичных положениях мощности. В больницах при отключении электросети ВБП на основе маховика может быть использован для обеспечения постоянной мощности, чтобы заполнить паузу между моментом отключения электросети и включением дизель-генератора. Аналогичным образом могло бы поддерживаться питание критичных компьютерных систем при перебоях электроэнергии.

Фиг. 1В показывает использование маховика на производстве. Станки, такие как прессы, используют маховики А для поддержания постоянной скорости при переменных нагрузках.

Далее, маховиковые системы, называемые ″системой рекуперации кинетической энергии″ (KERS), используются в некоторых приложениях набора скорости, включая ″гонки с открытыми колесами″. Например, посредством возвращения энергии, которая в противном случае просто терялась бы, во время торможения система KERS может в течение более 6,67 секунд обеспечивать дополнительную мощность в 80 л.с.

Другая известная система, представленная на фиг. 2, предложена компанией Flybrid Systems (Нортгемптоншир, Англия). Система в целом содержит маховиковый модуль А, модуль В бесступенчатой трансмиссии, зубчатую передачу С и выходные приводные валы D. Система обеспечивает 60 кВт и при максимальной скорости в 60000 об/мин может запасать в маховике энергию 400 кДж.

Уровень техники в данной области охватывает патент США № 3672244, который раскрывает автомобильную систему, использующую высокоскоростной маховик умеренной массы, способный запасать и быстро преобразовывать большие количества кинетической энергии, соединенный с трансмиссией, выполненной с возможностью плавной выдачи запасенной кинетической энергии от маховика к колесам движущегося средства, а также зарядное средство для подачи кинетической энергии на маховик при относительно низких уровнях энергии. Эта система посредством эффективной системы преобразования энергии обеспечивает существенную экономию топлива и уменьшение загрязнения.

Необходима маховиковая гибридная система, содержащая маховик, выборочно переключаемая к вспомогательной ременной приводной системе двигателя внутреннего сгорания. Настоящее изобретение удовлетворяет такую потребность.

Сущность изобретения

Первый объект настоящего изобретения предназначен обеспечить маховиковую гибридную систему, содержащую маховик, выборочно переключаемый к вспомогательной ременной приводной системе двигателя внутреннего сгорания.

Другие объекты этого изобретения будут указаны или станут очевидными посредством нижеследующего описания изобретения и сопроводительных чертежей.

Изобретение содержит систему возврата кинетической энергии для вспомогательной системы с ременным приводом, содержащую устройство накопления кинетической энергии, приводное устройство, имеющее выход привода, трансмиссию, имеющую передаточное отношение, подсоединенную к выходу приводного устройства, вспомогательную систему с ременным приводом, подсоединенную к трансмиссии через первую муфту, при этом устройство накопления кинетической энергии подсоединено к вспомогательной системе с ременным приводом через вторую муфту, а устройство накопления кинетической энергии и трансмиссия являются соединяемыми через первую муфту и через вторую муфту.

Краткое описание чертежей

Сопроводительные чертежи, которые являются частью детального изложения настоящего изобретения, иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

Фиг. 1А отражает предшествующий уровень техники, показывая регулирование силовой установки.

Фиг. 1В отражает предшествующий уровень техники, показывая единицу промышленного оборудования, использующего маховик.

Фиг. 2 отражает предшествующий уровень техники, показывая приводную передачу KERS-системы.

Фиг. 3А представляет собой таблицу передаточных отношений шкивов для системы по фиг. 3В.

Фиг. 3В представляет схематичный вид KERS-системы по изобретению.

Фиг. 4 представляет собой вид маховика в перспективе.

Фиг. 5А представляет собой таблицу передаточных отношений шкивов для системы по фиг. 5В.

Фиг. 5В схематично показывает KERS-систему по изобретению, иллюстрирующую маховый привод.

Фиг. 6 представляет собой график, показывающий характеристики системы.

Фиг. 7 представляет собой график, показывающий характеристики системы.

Фиг. 8А представляет собой таблицу передаточных отношений шкивов для системы по фиг. 8В.

Фиг. 8В схематично показывает KERS-систему по изобретению, иллюстрирующую перезарядку маховика во время режима торможения.

Фиг. 9 показывает график, иллюстрирующий скоростные характеристики маховика во время перезарядки маховика.

Фиг. 10А представляет график, показывающий экономию топлива при работе воздушного кондиционирования.

Фиг. 10В представляет график, показывающий экономию топлива без воздушного кондиционирования.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Нижеследующее описание представляет лишь варианты осуществления и не ограничивает объем охраны изобретения, его применимость или конфигурацию пунктов формулы изобретения. Для специалистов в данной области нижеследующее описание является скорее описанием, достаточным для реализации описанных вариантов осуществления. При этом понимается, что в функции и устройство элементов могут быть внесены различные изменения, не выходя за рамки сущности и объема охраны формулы изобретения.

Система согласно изобретению содержит систему рекуперации кинетической энергии (KERS), используемую для привода вспомогательной ременной приводной системы (ABDS) двигателя внутреннего сгорания. Конфигурация с двойной муфтой дает возможность осуществлять привод вспомогательных устройств либо от двигателя внутреннего сгорания, либо от маховика.

Значительная экономия топлива может быть достигнута, если энергия, выделяемая при торможении транспортного средства, иначе говоря, теряемая, возвращается и накапливается, чтобы позже быть использованной для приведения в движение вспомогательных устройств. Обычно возвращаемая энергия торможения используется для привода в движение транспортного средства, что менее эффективно. В системе по изобретению возвращенная энергия будет использована для привода вспомогательных устройств двигателя посредством использования маховика.

Патентуемая KERS-система для привода вспомогательных устройств двигателя показана на фиг. 3.

Система 1000 содержит двигатель 100 внутреннего сгорания (IC). Двигатель 100 может содержать двигатель, используемый в таком транспортном средстве, как пассажирский автомобиль, грузовик, автобус или любое другое транспортное средство, использующее IC. Двигатель 100 может содержать любое количество цилиндров и может быть пригодным для конкретного применения транспортного средства, в котором используется двигатель.

Двигатель 100 имеет выход 101 двигателя в виде коленчатого вала. К концу коленчатого вала 101 прикреплен шкив 102. Шкив 102 может быть выполнен в виде шкива клинового ремня или многоканавочного шкива клинового ремня.

Между шкивом 102 и шкивом 103 протянут ремень 105. Ремень 105 может быть выполнен в виде клинового ремня, многоручьевого клинового ремня, цепи или в виде другого подходящего гибкого элемента передачи мощности.

Шкив 103 соединен с валом 104. Шкив 103 может быть выполнен в виде шкива клинового ремня или многоканавочного шкива клинового ремня. Вал 104 используется для изменения направления выхода и может быть включен в систему или исключен из нее в зависимости от конфигурации транспортного средства.

Вал 104 соединен с трансмиссией 300. Взятая в качестве примера трансмиссия содержит три передаточных отношения скорости, а именно: 2,0:1 (шестерни 301, 304); 1,2:1 (шестерни 302, 305) и 0,94:1 (шестерни 303, 306). Трансмиссия 300 может быть выполнена в любом известном в данной области техники виде, пригодном для использования с вращающимся выходным валом.

Трансмиссия 300 соединена с первой муфтой 400. Муфта 400 является фрикционной муфтой дискового типа.

Маховик 200 соединен с шестерней 201 и с шестерней 202. В этом варианте исполнения передаточное отношение для шестерен 201 и 202 составляет 8,0:1. Шестерня 202 соединена со второй муфтой 500. Муфта 500 является фрикционой муфтой дискового типа.

Каждый из выходов - выход муфты 400 и выход муфты 500 подсоединен к шкиву 405. Шкив 405 может быть выполнен в виде шкива клинового ремня или многоканавочного шкива клинового ремня.

Шкив 405 соединен со шкивом 203В двойного шкива 203А, 203В посредством ремня 204. Двойной шкив 203А, 203В может быть выполнен в виде шкива клинового ремня или многоканавочных шкивов клинового ремня. Шкивы 203А и 203В скреплены между собой. Ремень 204 может быть выполнен в виде клинового ремня, многоручьевого клинового ремня или в виде другого подходящего гибкого элемента передачи мощности.

Вспомогательные приспособления содержат генератор 600 переменного тока, компрессор 700 воздушного кондиционера и насос 800 рулевого управления с усилителем. К генератору 600 переменного тока подсоединен шкив 601. К компрессору 700 воздушного кондиционера подсоединен шкив 701. К насосу 800 рулевого управления с усилителем подсоединен шкив 801. Между каждым из шкивов 601, 701, 801 и шкивом 203А натянут ремень 205. Каждый из шкивов 601, 701, 801 может быть выполнен в виде шкива клинового ремня или многоканавочного шкива клинового ремня. Однако каждый шкив должен быть совместим с ремнем одного и того же типа для данной системы. Ремень 205 может быть выполнен либо в виде клинового ремня, либо в виде многоручьевого клинового ремня.

Конфигурация системы позволяет маховику использовать такую же зубчатую передачу, что и та, которая использовалась для трехскоростного вспомогательного привода, с использованием только трансмиссии 300.

На фиг. 4 показан маховик, взятый в качестве примера. В этом варианте исполнения маховик 2000 содержит кольцо 2001 из углеродного шнура, намотанного поверх стальной ступицы 2002. Кольцо из углеродного шнура во избежание проникновения мусора заключено внутри корпуса 2003.

Маховиковая система через трансмиссию с передаточным отношением 8,0:1,0 подсоединена к муфтам 400, 500. Например, если минимальная скорость двигателя составляет 800 об/мин, а минимальная скорость маховика составляет 32000 об/мин, то отношение маховика к вспомогательной ременной приводной системе (ABDC) будет

SR_{Маховик/ABDC} =32000/800=40,0.

При таком отношении скоростей маховик 200 во избежание превышения скорости должен быть отсоединен от двигателя 100, когда скорость двигателя поднимается выше некоторого порога. Например, если предел по скорости маховика составляет 60000 об/мин, то при скорости двигателя выше 60000/40=1500 об/мин маховик должен быть отсоединен.

Передаточные отношения шкива для данной системы показаны на фиг. 3А. Подрисуночная подпись на фиг. 3А показывает передаточное отношение для вспомогательной зубчатой передачи.

На фиг. 4 показан маховик 200, использованный в системе по изобретению, который является относительно небольшим и работает на скорости выше 30000 об/мин. Взятый в качестве примера маховик является углеродным композитом, установленным поверх металлической ступицы. Для минимизации вихревых потерь маховик работает в вакууме. В этом варианте исполнения момент инерции маховика составляет примерно 0,035 кгм².

В первом режиме кинетическая энергия, запасенная в маховике 200, используется для привода вспомогательных устройств. Во втором режиме маховик заряжается энергией торможения транспортного средства. В третьем режиме вспомогательные устройства приводятся от двигателя, в то время как маховик работает вхолостую.

Как показано на фиг. 5, вспомогательные устройства подсоединены к высокоскоростному маховику через постоянное передаточное отношение по скорости:

1,0/8,0×0,4×0,50=0,025.

Используя такое большое передаточное отношение по скорости, скорость вспомогательных устройств поддерживается низкой, а изменения скорости вспомогательных устройств удерживаются относительно небольшими, даже если скорость маховика могла бы изменяться в большем диапазоне. Это минимизирует мощность, которую должен обеспечивать маховик, и поэтому обеспечивает более эффективную систему.

Для привода в движение вспомогательных устройств, используя маховик, муфта 400 расцепляется, а муфта 500 сцепляется. Эта конфигурация отсоединяет вспомогательные устройства от двигателя и использует мощность от маховика. Стрелки на фиг. 5 показывают передачу мощности от маховика к вспомогательным устройствам.

Для целей данного примера предполагается, что маховик удерживается на постоянной скорости в 32000 об/мин. Если скорость маховика опускается ниже этой величины, то муфта 400 сцепляется, а муфта 500 расцепляется. Это вновь подсоединяет вспомогательные устройства к двигателю и отсоединяет маховик. При этом вспомогательные устройства будут приводиться от двигателя через трехскоростную трансмиссию 300, в то время как маховик будет работать вхолостую до тех пор, пока не произойдет включение тормоза с возвратом энергии и зарядкой маховика.

В описанных примерах в качестве основы для анализа системы используется проверочная процедура FTP75 City Cycle. Кроме того, в качестве типичного транспортного средства смоделирован такой автомобиль, как Toyota Camry^® c двигателем в 2,4 л с двумя режимами нагрузки вспомогательной ременной приводной системы. Базовая конфигурация имеет 25-амперную электрическую нагрузку и никакого воздушного кондиционирования. Нагрузочная конфигурация включает в себя 50-амперную электрическую нагрузку и нагрузку воздушного кондиционирования. Увеличенная электрическая нагрузка обусловлена электродвигателями переменного тока для подачи воздуха.

Пример, приведенный на фиг. 6, показывает, что для базовой конфигурации энергия, возвращенная при торможении транспортного средства, достаточна для того, чтобы приводить в движение вспомогательные устройства в течение всего цикла. В этом примере есть только два коротких момента, когда маховик достигает нижнего порога скорости и вспомогательные устройства приводит в движение двигатель, пока маховик снова не зарядится.

Иллюстративная система сконфигурирована таким образом, чтобы не приводить в движение вспомогательные устройства, когда транспортное средство остановлено, потому что в это время двигатель выключен. График показывает, что как только скорость транспортного средства доходит до нуля, мощности, подаваемые маховиком и двигателем, становятся равными нулю.

При включенной нагрузке по переменному току вспомогательная ременная приводная система требует больше мощности, чем когда нагрузка по переменному току выключена. Дополнительная мощность подается маховиком 200 и двигателем 100. Если предположить, что в те периоды, когда двигатель работает вхолостую, работа вспомогательных устройств приостановлена, то для такого случая график мощности для привода в движение вспомогательных устройств показан на фиг. 7. Заметим, что теперь периоды, в которые двигатель должен подавать мощность на вспомогательные устройства, стали больше.

Когда двигатель приводит вспомогательные устройства, он осуществляет это через трансмиссию 300 трехскоростного вспомогательного привода. Как только происходит торможение, система заряжает маховик, который обеспечивает подачу тормозящего момента на транспортное средство. Для хорошей приемистости может возвращаться бóльшая часть энергии торможения, но не вся. Так должно быть потому, что привод должен сохранять управление продолжительностью времени приложения тормоза, а также - с каким давлением. Попытка возвратить всю тормозную энергию могла бы закончиться неприятным ″опытом привода в движение″.

Конфигурация системы во время события торможения показана на фиг. 8. Фиг. 8А представляет собой таблицу передаточных отношений шкива для системы по фиг. 8В. Во время события торможения скорость двигателя уменьшается, и одновременно требуется увеличить скорость маховика. Это может быть достигнуто муфтами и трансмиссией. Стрелки показывают передачу мощности от маховика к вспомогательным устройствам.

Во время процесса зарядки маховика муфта 400 и муфта 500 сцеплены, и мощность через эти муфты и трансмиссию передается от двигателя к маховику и к вспомогательным устройствам, как показано на фиг. 9. Действительное передаточное отношение, выбранное во время процесса зарядки, будет зависеть от скорости двигателя в этот момент.

Например, предположим, что когда начинается процесс перезарядки, скорость двигателя равна 2000 об/мин, а маховик работает на 32000 об/мин. Если используется трансмиссия 300, имеющая передаточное отношение 0,94, то скорость на одной стороне муфты будет равна

2000 об/мин ×2,5×0,94=4700 об/мин,

в то время как скорость муфты со стороны маховика будет равна

32000 об/мин ×⅛=4000 об/мин.

Это приведет к разнице скоростей на муфте 400 в 700 об/мин и к эффективному отношению по скорости между двигателем и маховиком в

32000/4000×4000/4700×4700/2000=16,0.

Если предположено, что передаваемый через муфту 400 крутящий момент ограничен, тогда скорость маховика 200 будет возрастать до тех пор, пока скорости с обеих сторон муфты 400 не будут близки к тому, чтобы быть одинаковыми, а отношение скоростей между двигателем и маховиком будет 18,75.

Однако если бы это отношение 18,75 сохранялось неопределенно долго, то скорость маховика со скоростью двигателя начала бы уменьшаться. И в этот момент (уменьшение скорости) передаточное отношение переключится на 1,2 (шестерни 302, 305). Использование второго передаточного отношения приведет к тому, что одна сторона муфты 400 будет иметь большую скорость, чем другая сторона. И снова, поскольку вращающий момент передается через муфту 400, скорость маховика будет увеличиться, даже если скорость двигателя уменьшается. Когда скорости по обеим сторонам муфты 400 близки к тому, чтобы быть одинаковыми, для полной зарядки маховика может быть использовано конечное передаточное отношение 2,0 (шестерни 301, 304).

Как отмечалось ранее, для условий нагрузки при нагрузках переменного тока предполагается, что во время холостых периодов воздушный кондиционер 700 будет продолжать приводиться в работу посредством маховика 200. Как только энергия маховика иссякнет, двигатель запустится, и будет набирать скорость до тех пор, пока маховик не зарядится полностью, после чего снова выключится. Вследствие этого на нагрузку переменного тока тратится только часть холостого запаса. При отсутствии нагрузки переменного тока предполагается, что во время холостых периодов двигателя вспомогательные устройства не работают, поэтому все холостые запасы двигателя расходуются.

Фиг. 10А представляет собой график, показывающий экономию топлива при работе воздушного кондиционирования. Фиг. 10В представляет собой график, показывающий экономию топлива при отсутствии воздушного кондиционирования.

В системе по изобретению 25,7% экономии тратится, когда воздушное кондиционирование работает, а 26,4% экономии тратится, когда никакого воздушного кондиционирования нет. Хотя эти цифры экономии по величине почти одинаковы, абсолютные величины экономии, выраженные в виде объема или веса топлива, больше с системой воздушного кондиционирования, поскольку расход бензина в милях на галлон с воздушным кондиционированием - меньше.

Результаты показывают, что экономия топлива в системе по изобретению - такая же, как и в гибридных электрических транспортных средствах. Преимущество системы по изобретению состоит в том, что в соответствии с опубликованными отчетами при производстве ее стоимость может обойтись, возможно, в треть от стоимости полной гибридной электрической системы. Другое ее преимущество заключается в отсутствии необходимости в батареях и магнитах из редкоземельных элементов, используемых в обычных гибридных электрических двигателях.

Несмотря на описанные здесь формы настоящего изобретения, для специалистов в данной области будет очевидно, что в его конструкцию и во взаимное положение частей могут быть внесены изменения, не выходя за рамки сущности и объема описанного здесь изобретения.