Карьерная техника

Карьерная техника. Смена приоритетов 

Разработка  карьеров – занятие не из дешевых, а стремительный рост цен на топливо  сделал это бизнес затратным как  никогда. 
 
Чтобы представить этот рост более наглядно, достаточно сравнить затраты на заправку вашего автомобиля сегодня и пять лет назад. А теперь представьте, что ваш топливный бак не 50, а 700 или 1000 литров. Но прогресс не стоит на месте, и последние модели фронтальных погрузчиков, самосвалов и экскаваторов так же стали более экономичны. Снижение расхода топлива стало доминирующей силой технического прогресса карьерной техники.

Холостые  обороты

Одним из подходов в снижении расхода  топлива горных машин стала Система  управления холостых оборотов Engine Idle management System (EIMS), разработанная компанией Caterpillar и применяемая на фронтальных погрузчиках CAT серии H. Подсчитав, что 40% времени двигатель фронтального погрузчика работает на холостых оборотах, а сам погрузчик простаивает в ожидании работы, специалисты CAT при помощи EIMS добились снижения расхода топлива в несколько процентов, которые в итоге выливаются в тысячи Евро, сэкономленных в течение года. 
Компания VOLVO CE предложила свой взгляд на решение задачи, представив на выставке ConExpo’08 прототип гибридного фронтального погрузчика L240F. На этой модели электродвигатель служит источником дополнительной энергии и помощником для дизельного двигателя, работающего на низких оборотах, а так же обеспечивает энергией климат контроль в к EIMS кабине при остановке основного дизельного двигателя.  
Такой неординарный подход, по заявлениям представителей Volvo, должен обеспечить фронтальному погрузчику 10% снижение потребления топлива. 
Компания Caterpillar представила бульдозер CAT D7E – дизель-электрический вариант популярной модели D7. Дизельный двигатель служит генератором энергии, а сам бульдозер приводится в движение электродвигателями переменного тока. Топливная экономичность достигает 25%, а количество в трансмиссии бульдозера уменьшилось на 60%. Аналогичная силовая схема используется и в карьерных самосвалах Caterpillar. 
Компания Komatsu не отстает и запустила в продажу первый в мире гусеничный экскаватор Komatsu PC200-8 с гибридным приводом.

Больше  выбора

Традиционный список поставщиков карьерных экскаваторов, фронтальных погрузчиков и самосвалов на протяжении десятилетий не менялся: Caterpillar, Komatsu, Liebherr, Moxy, Terex и Volvo. И только Caterpillar мог предложить весь спектр экскаваторов, погрузчиков, сочлененных самосвалов, грейдеров и бульдозеров. 
Сегодня все меняется. Case, New Holland и Hyundai уже освоили производство экскаваторов массой до 70 тонн. Doosan и Hyundai предлагают фронтальные погрузчики массой свыше 30 тонн. Более легкие модели погрузчиков предлагают уже практически все производители.   

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.