Способ минимизации удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания транспортного средства с электромеханической трансмиссией с частичной рекуперацией и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2418185:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Перспективные энергосберегающие технологии" (ПЭТ) (RU)
Изобретение относится к области использования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в машинах и машинных агрегатах различного назначения, использующих электромеханическую трансмиссию, в частности, применительно к транспортным средствам. Способ минимизации удельного расхода топлива ДВС за счет автоматического регулирования режима его работы на основе обратной связи с элементами трансмиссии заключается в обеспечении рекуперации энергии в транспортном средстве, снабженном ДВС (3), генератором переменного тока (5), выпрямителем (7), управляемым накопителем электрической энергии (10) и тяговым электродвигателем (13). При нажатии на педаль торможения или при условии превышения частоты вращения вала тягового электродвигателя (13) над частотой вращения электромагнитного поля ДВС (3) переводится в режим работы с пониженной скоростью. Тяговый электродвигатель (13) переводится в режим генератора и заряжает накопитель электрической энергии (13). При уменьшении скорости движения и уменьшении величины зарядного тока накопителя (10) в систему управления накопителем (10.2) подают сигнал на изменение схемы подключения одиночных элементов. Увеличивают напряжение, подводимое к каждому элементу накопителя (10). Увеличивают зарядный ток накопителя (10). Устройство минимизации удельного расхода топлива ДВС содержит датчик скорости вращения выходного вала тягового электродвигателя (14), датчик заряда блока конденсаторов (11), блоки сравнения напряжений (18), поглощения энергии (9) и логический (20), блок управления выключением подачи топлива ДВС (17), управляемый накопитель электроэнергии (10), датчик положения педали торможения, трехуровневый компаратор (19). Технический результат заключается в более рациональном использовании элементов накопителя электрической энергии, снижении его стоимости и уменьшении удельного расхода топлива. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области использования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в машинах и машинных агрегатах различного назначения, использующих электромеханическую трансмиссию, в частности, применительно к транспортным средствам, предназначенным для перевозок грузов и пассажиров.
Энергетическая эффективность этих и подобных устройств достигается за счет использования в системе двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - колеса накопителя электрической энергии и электрического двигателя, которые обеспечивают режим работы ДВС с постоянной мощностью при изменяющейся внешней нагрузке (переменной величине момента сопротивления на движителе). В частности, применяются буферные накопители энергии, состоящие из набора последовательно соединенных аккумуляторов или конденсаторов, и тяговые машины постоянного или переменного тока, работающие, как электромотор и как генератор. Тем самым достигается стабилизация электрической мощности в цепи «генератор тока - тяговый двигатель». Это, в свою очередь, приводит к стабилизации работы ДВС в заданном стационарном режиме работы, что повышает топливную экономичность энергоустановки в целом [1, 2, 3].
Среди указанных энергоустановок имеются конструктивные решения, обеспечивающие рекуперацию энергии торможения транспортного средства в накопитель электрической энергии [3].
Недостатком рассмотренных выше энергоустановок является низкая эффективность рекуперации ввиду того, что процесс заряда возможен только в узком диапазоне зарядных напряжений накопителя энергии, в связи с этим не обеспечивается условие максимального возврата энергии торможения.
Известен способ стабилизации минимального удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, обеспечивающий работу ДВС по внешней скоростной характеристике за счет задания значения частоты вращения вала двигателя, соответствующего минимальному расходу топлива, сравнения текущего значения частоты вращения с величиной допустимого отклонения данного параметра от заданного, при превышении которого вырабатывается сигнал, вызывающий переключение коробки передач, и приводящий величину момента сопротивления к диапазону, в котором обеспечивается бесступенчатое регулирование частоты вращения выходного вала вариатора (гидротрансформатора) при заданной (постоянной) частоте вращения входного (насосного) вала, что обеспечивает автоматическую стабилизацию режима работы ДВС на основе обратных связей частоты вращения двигателя с элементами трансмиссии [4].
Недостатком этого технического решения является отсутствие возможности рекуперации энергии торможения.
Известны способ и устройство стабилизации минимального удельного расхода топлива ДВС транспортного средства с электромеханической трансмиссией за счет автоматического регулирования режима работы ДВС на основе обратной связи с элементами электромеханической трансмиссии, обеспечивающие работу движителя транспортного средства при заданном положении топливоподающего рабочего органа, что достигается путем задания значения частоты вращения вала двигателя, соответствующей минимальному удельному расходу топлива, измерении частоты вращения этого вала при изменяющемся внешнем моменте сопротивления, сравнении измеренной частоты вращения с заданным значением, усилении разностного сигнала и подаче его на вход управления током возбуждения генератора переменного тока, изменении его электромагнитного момента, приводящего последний в соответствие с моментом, развиваемым ДВС, одновременно измеряют напряжение на выходе накопителя электрической энергии, которое сравнивают с двумя предварительно установленными уровнями, при отклонении измеренного напряжения от установленных, вырабатывают сигнал на отключение ДВС при превышении напряжения над предварительно заданным верхним уровнем или на включение ДВС при уменьшении напряжения ниже предварительно заданного нижнего уровня, что обеспечивает работу ДВС в повторно-кратковременном режиме работы при неизменной заданной нагрузке (мощности) во время работы [5].
Последнее техническое решение по своей сущности ближе всего к предлагаемому и принято за прототип.
Недостатком прототипа является то, что при наличии способности обеспечивать стабилизацию работы ДВС на внешней скоростной характеристике у него отсутствует система управления рекуперацией энергии торможения в управляемый накопитель электрической энергии, что не позволяет с высокой степенью использовать энергию торможения, это приводит к нерациональному использованию дорогостоящего буферного накопителя энергии.
Цель изобретения.
1. Снижение удельного расхода топлива транспортного средства, работающего в условиях частых разгонов - торможений.
2. Повышение эффективности использования и снижение стоимости дорогостоящего накопителя энергии.
Указанная цель достигается способом минимизации удельного расхода топлива и устройством, управляющим схемой подключения накопителя электрической энергии при торможении транспортного средства.
Заявленный способ обеспечения работы движителя транспортного средства, снабженного генератором переменного тока, приводимым в действие ДВС, выпрямителем, управляемым накопителем электрической энергии, тяговым электродвигателем, заключается в том, что при нажатии на педаль торможения транспортного средства или при условии превышения частоты вращения вала тягового электродвигателя над частотой вращения электромагнитного поля, задаваемого сигналом системы управления тягового электродвигателя (режим принудительного торможения), подают сигнал на блок управления выключением подачи топлива, переводят ДВС в режим работы с пониженной устойчивой скоростью вращения выходного вала, а тяговый электродвигатель - в режим рекуперации кинетической энергии в электрическую (в режим генератора) и заряжают накопитель электрической энергии, по мере уменьшения скорости движения транспортного средства и уменьшения величины зарядного тока накопителя электрической энергии, вырабатываемого тяговым электродвигателем, в систему управления накопителем электрической энергии подают сигнал на изменение схемы подключения одиночных элементов в накопителе электрической энергии, увеличивают напряжение, подводимое к каждому элементу накопителя электрической энергии, и увеличивают зарядный ток накопителя электрической энергии при неизменной величине электродвижущей силы генератора на момент коммутации.
Раскрытый способ реализуется посредством устройства минимизации удельного расхода топлива ДВС, содержащего топливоподающий рабочий орган (ТПРО), снабженного системой автоматического регулирования режима работы ДВС с обратной связью с элементами электромеханической трансмиссии и также дополнительно содержащего датчик скорости вращения выходного вала тягового электродвигателя, который связан с устройством сравнения угловой частоты вращения выходного вала тягового электродвигателя, подающим сигнал на вход блока управления выключением подачи топлива ДВС, датчик заряда накопителя электрической энергии (блока конденсаторов), стоящий в звене постоянного тока, связанный с входом блока сравнения напряжений, который связан с входом блока поглощения энергии и входом логического блока, имеющего также связь с входом блока управления выключением подачи топлива ДВС и входом системы управления силовой частью накопителя электрической энергии, датчик положения педали торможения, управляющий цепью питания системы управления силовой частью накопителя электрической энергии и подающий сигнал на вход блока управления током возбуждения генератора переменного тока, трехуровневый компаратор, на вход которого поступает сигнал от датчика напряжения на выходе выпрямителя и логического блока, а выходы связаны с блоком управления выключением подачи топлива ДВС и системой управления силовой частью накопителя электрической энергии.
Техническим результатом от использования заявленного способа, осуществляемого заявленным устройством, является более рациональное использование элементов накопителя электрической энергии, снижение удельного расхода топлива и стоимости накопителя энергии.
На фиг.1. представлена структурная схема устройства;
на фиг.2 приведена схема коммутации четырех одиночных конденсаторов, входящих в блок конденсаторов, с помощью системы управления СУ силовыми ключами S1-S11;
на фиг.3 приведена таблица состояния ключей и величины емкостей блока при заданных соединениях.
Устройство содержит (фиг.1) задатчик положения 1 топливоподающего органа с выходным сигналом h1, преобразователь 2 положения топливоподающего органа в сигнал задания угловой частоты вращения выходного вала двигателя внутреннего сгорания ωзад, ДВС 3, сравнивающее устройство 4 с выходным сигналом Δω, равным разности ωзад и ω, генератор переменного тока 5, блок управления током возбуждения генератора переменного тока 6, который преобразует разность заданной и действительной угловых частот вращения выходного вала ДВС в соответствующий ток возбуждения генератора переменного тока, выпрямитель 7, систему управления 8 током зарядки управляемого накопителя электрической энергии при питании от генератора, блок поглощения энергии 9, имеющий в своем составе силовую часть 9.1 и систему управления 9.2, управляемый накопитель электрической энергии 10, состоящий из силовой части 10.1 (отдельных блоков химических АКБ или конденсаторов, соединенных вместе) на основе быстродействующих ключей и системы управления 10.2, имеющий на входе сигнал h3 от педали торможения на включение, систему управления электрическим двигателем 12, включающую силовой преобразователь 12.1 со своей системой управления 12.2, имеющей на входе сигнал h2 водителя, электрический двигатель 13, датчик скорости вращения вала тягового электродвигателя 14, устройство 15 сравнения угловой частоты вращения выходного вала тягового электродвигателя ω2 с заданным ω2зад, датчик напряжения 16 на выходе выпрямителя 7, блок управления выключением подачи топлива ДВС 17, блок 18 сравнения напряжений в звене постоянного тока с предварительно установленным уровнем Uв, а также свидетельствующий об отсутствии сигнала заряда конденсаторов, поступающем с датчика накопителя электрической энергии (заряда блока конденсаторов) 11, трехуровневый компаратор 19, преобразующий сигналы на его входе в команду на отключение ДВС или включение ДВС и системы управления током заряда управляемого накопителя электрической энергии, логический блок 20, представляющий собой триггер с установочными входами R (сброс) и S (установка).
Принципиальной отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что минимизация удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания в системе ДВС - генератор тока - тяговый двигатель - накопитель энергии осуществляется не только за счет стабилизации заданных режимов генераторной установки путем взаимосвязанного перераспределения электрической мощности, вырабатываемой генератором тока, между потребителями (тяговый двигатель, накопитель энергии), но и благодаря управлению накоплением электрической энергии, имеющим электрическую связь с тяговым электродвигателем, работающим во время торможения транспортного средства в генераторном режиме, что уменьшает время (обеспечивает более стабильную) работы ДВС не в оптимальных режимах, а также увеличивает возврат кинетической энергии, преобразованной в электрическую с помощью тягового электродвигателя, работающего во время торможения транспортного средства в генераторном режиме, в управляемый накопитель электрической энергии.
С учетом указанных двух обстоятельств заявляемое техническое устройство, в отличие от прототипа, содержит дополнительно сравнивающее устройство 4 с выходным сигналом Δω, равным разности ωзад и ω, блок поглощения энергии 9, имеющий в своем составе силовую часть 9.1 и систему управления 9.2, управляемый накопитель электрической энергии 10, включающий силовую часть 10.1 и систему управления 10.2 накопителя электрической энергии, датчик 14 скорости вращения вала тягового электродвигателя, устройство 15 сравнения угловой частоты вращения выходного вала тягового электродвигателя ω2 с заданным ω2зад, датчик напряжения 16 на выходе выпрямителя, блок 17 управления выключением подачи топлива ДВС, блок сравнения напряжений 18 в звене постоянного тока силовой части накопителя электрической энергии 10.1 с предварительно установленным уровнем Uв, а также свидетельствующий об отсутствии сигнала накопителя энергии, поступающего с датчика заряда 11 накопителя электрической энергии (блока конденсаторов), трехуровневый компаратор 19, преобразующий сигналы на его входе в команду на отключение или включение ДВС и системы управления 10.1 накопителя электрической энергии, логический блок 20, представляющий собой триггер с установочными входами R (сброс) и S (установка).
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники, следовательно, обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия". Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «изобретательный уровень».
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии при наличии или отсутствии сигнала на движение система управления силовой частью накопителя электрической энергии 10 соединяет отдельные элементы накопителя энергии 10 (аккумуляторы или конденсаторы) последовательно, что обеспечивает максимальное рабочее напряжение на клеммах силовой части 10.1 накопителя энергии.
При снятии водителем сигнала управления h2 (см. фиг.1) движением автомобиля, предшествующего подаче сигнала на торможение, нулевой сигнал управления движением h2=0 вызывает перевод ДВС в режим работы с пониженной устойчивой скоростью вращения выходного вала ДВС, что приводит к отключению генератора переменного тока 5, имеющего жесткую механическую связь с ДВС 3, при этом исключается работа ДВС в неэкономичных нагрузочных режимах. Управляемый накопитель электрической энергии 10, стоящий в звене постоянного тока получает всю энергию только от тягового электродвигателя 13, работающего в генераторном режиме.
При подаче сигнала торможения h3≠0 (нажатием на педаль торможения), имеющего две ступени торможения, на первом этапе торможения вырабатывается сигнал индикации огней торможения, одновременно подается сигнал схеме управления силовой частью накопителя электрической энергии 10.2 для соединения отдельных элементов в управляемом накопителе 10. При дальнейшем воздействии на педаль тормоза вступает в работу вторая ступень торможения: система заряда накопителя электрической энергии, а позже механическая часть тормозной системы, что приводит к снижению скорости движения транспортного средства, при этом тяговый электродвигатель 13, обеспечивающий движение транспортного средства, переходит в режим работы генератора. По мере уменьшения скорости движения снижается частота вращения вала тягового электродвигателя 13, работающего в режиме генератора, что приводит к снижению величины генерируемой им электродвижущей силы. Блок сравнения напряжений 18, имеющий на своем входе два сигнала, свидетельствующих о напряжении в звене постоянного тока силовой электрической сети автомобиля, превышающего предварительно установленный уровень Uв, а также об отсутствии тока заряда конденсаторов, выработанного блоком 11, вырабатывает сигнал управления блоком поглощения энергии 9, имеющим в своем составе силовую часть 9.1 и включающим быстродействующий электронный ключ с системой управления 9.2. При работе блока поглощения энергии 9, являющегося поглотителем электрической энергии, напряжение в звене постоянного тока снижается. При достижении предварительно установленного порога переключения Uпер, логический блок 20, представляющий собой триггер с установочными входами R (сброс) и S (установка), вырабатывает сигнал отключения блока поглощения энергии 9 и одновременно подает сигнал разрешения работы на вход системы управления накопителя электрической энергии 10.2. Такое же действие вызывается сигналом, создаваемым устройством 15 сравнения угловой частоты вращения выходного вала тягового электродвигателя ω2 с заданным ω2зад, при условии превышения частоты вращения вала тягового электродвигателя над частотой вращения электромагнитного поля, задаваемого сигналом системы управления тягового электродвигателя (режим принудительного торможения). Величина рабочего и допустимого напряжения разряда и заряда одиночного элемента в блоке накопителя электрической энергии 10 определяется техническими условиями разработчика.
Например, модуль ЭК404 (Компания «ЭСМА»), собранный из 30 одиночных конденсаторных элементов, соединенных последовательно, имеет диапазон рабочих напряжений 48-24 В. Для создания необходимого рабочего напряжения модули соединяют в блоки, что существенно расширяет возможность соединения элементов накопителя энергии в различные схемы, имеющие разное рабочее напряжение на силовых клеммах блока.
При снижении электродвижущей силы тягового электродвигателя 13, работающего в генераторном режиме, уменьшается напряжение, прикладываемое к блоку конденсаторов, (фиг.1, фиг.2, включенных в цепь постоянного тока), что приводит к уменьшению величины зарядного тока конденсаторов.
Компаратор 19, фиксирующий близкое к нулю значение зарядного тока, вырабатывает сигнал, приводящий к изменению схемы конденсаторов (фиг.2), изменяя положение электронных ключей в силовой схеме (фиг.3), что приводит к уменьшению сопротивления на накопителе (клеммных зажимах блока конденсаторов), что при неизменной величине электродвижущей силы генератора на момент коммутации приводит к увеличению зарядного тока накопителя энергии (блока конденсаторов).
При дальнейшем снижении скорости вращения вала электродвигателя, работающего в режиме генератора до второго предварительно установленного уровня (когда рекуперация становится невозможной), блок 18, свидетельствующий об отсутствии сигнала заряда накопителя энергии, поступающего с блока 11, подает сигнал управления на логический блок 20, который вырабатывает и подает сигнал на запрещение работы на вход системы управления накопителя электрической энергии 10.2, одновременно с блока сравнения напряжений 18 поступает сигнал на систему управления поглотителя электрической энергии 9.2.
Таким образом, обеспечиваются условия для рекуперации энергии в управляемый накопитель электрической энергии при торможении в широком диапазоне вырабатываемых электрической машиной напряжений, что приводит к увеличению возврата энергии.
В результате данный способ и устройство увеличивает эффективность рекуперации за счет управления схемой соединения отдельных элементов накопителя энергии, что приводит к более рациональному использованию аккумуляторных батарей и конденсаторных блоков, из которых состоит накопитель энергии, снижению расхода топлива ДВС электрифицированной силовой установки, работающей в режиме частых разгонов-торможений.
Литература
1. Антонов А.С., Магидович Е.Н., Новохатько И.С. Гидромеханические и электромеханические передачи транспортных и тяговых машин / по ред. А.С.Антонова, М. - Л.: Машгиз, 1965. - 351 с.
2. Ращупкин Ю.С. Исследование электромеханической трансмиссии трактора ДЭТ-250 в режиме ходоуменьшения для гидромелиоративных машин: Автореф. дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 1968. - 21 с.
3. Сорокин К., Карин П. Альтернатива? // Авторевю. - 2005. - №17.
4. Патент РФ №2070649, МПК F02D 45/00, В60К 41/16. Опубл. в БИ №35, 1996.
5. Патент РФ №2338081, МПК F02D 17/04. Опубл. в БИ №31 10.11.2008.
1. Способ минимизации удельного расхода топлива двигателем внутреннего сгорания (ДВС) за счет автоматического регулирования режима работы ДВС на основе обратной связи с элементами трансмиссии обеспечивает работу движителя транспортного средства, снабженного генератором переменного тока, приводимым в действие ДВС, выпрямителем, управляемым накопителем электрической энергии, тяговым электродвигателем, отличающийся тем, что в транспортном средстве при нажатии на педаль торможения или при условии превышения частоты вращения вала тягового электродвигателя над частотой вращения электромагнитного поля, задаваемого сигналом системы управления тягового электродвигателя (режим принудительного торможения), подают сигнал на блок управления выключением подачи топлива, переводят ДВС в режим работы с пониженной устойчивой скоростью вращения выходного вала, а тяговый электродвигатель - в режим рекуперации кинетической энергии в электрическую (в режим генератора) и заряжают накопитель электрической энергии, по мере уменьшения скорости движения транспортного средства и уменьшении величины зарядного тока накопителя электрической энергии, вырабатываемого тяговым электродвигателем, в систему управления накопителем электрической энергии подают сигнал на изменение схемы подключения одиночных элементов в накопителе электрической энергии, увеличивают напряжение, подводимое к каждому элементу накопителя электрической энергии и увеличивают зарядный ток накопителя электрической энергии и увеличивают зарядный ток накопителя электрической энергии при неизменной величине электродвижущей силы генератора на момент коммутации.
2. Устройство минимизации удельного расхода топлива ДВС, содержащее топливоподающий рабочий орган, снабженное системой автоматического регулирования режима работы ДВС с обратной связью с элементами электромеханической трансмиссии, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик скорости вращения выходного вала тягового электродвигателя, который связан с устройством сравнения угловой частоты вращения выходного вала тягового электродвигателя, подающим сигнал на вход блока управления выключением подачи топлива ДВС, датчик заряда блока конденсаторов, стоящий в звене постоянного тока, связанный с входом блока сравнения напряжений, который связан с входом блока поглощения энергии и входом логического блока, имеющим также связь с входом блока управления выключением подачи топлива ДВС и входом системы управления силовой частью накопителя электрической энергии, датчик положения педали торможения, управляющий цепью питания системы управления силовой частью накопителя электрической энергии и подающий сигнал на вход блока управления током возбуждения генератора переменного тока, трехуровневый компаратор, на вход которого поступает сигнал от датчика напряжения на выходе выпрямителя и логического блока, а выходы связаны с блоком управления выключением подачи топлива ДВС и системой управления силовой частью накопителя электрической энергии.
