Карьерная техника

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.