RU2112665C1 - Method of and power unit for transmitting energy to automobile wheels - Google Patents
Method of and power unit for transmitting energy to automobile wheels Download PDFInfo
- Publication number
- RU2112665C1 RU2112665C1 RU94022786A RU94022786A RU2112665C1 RU 2112665 C1 RU2112665 C1 RU 2112665C1 RU 94022786 A RU94022786 A RU 94022786A RU 94022786 A RU94022786 A RU 94022786A RU 2112665 C1 RU2112665 C1 RU 2112665C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- energy
- engine
- fuel
- wheels
- electric
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к автомобилестроению и касается средств, обеспечивающих приспособление двигателя и устройств, аккумулирующих энергию, к режимам работы автомобиля. The invention relates to the automotive industry and relates to means for adapting the engine and energy storage devices to vehicle operating modes.
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. Energy analysis shows that a car consumes much more fuel than is necessary for a car of mass m to move at a speed V [1, p. 13, fig. 2]. The reason for this is that the drive circuit of the car is poorly adapted to a large variety of driving modes.
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]. Known technical solutions that allow optimizing the performance of a vehicle’s power plant during its operation, for example, through the use of a hybrid drive, as is done in an experimental electric car company Garrett USA, which uses reversible electric machines and a flywheel for energy storage, which allows energy recovery when changing the vehicle speed and using the computing control unit, optimize the load mode of the power plant [see in the same place with. 75 - 78, fig. 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. However, this technical solution has not yet received wide distribution due to its significant drawback associated with the high cost and large mass of electric energy batteries and their low durability, which makes the electric car uncompetitive in comparison with a car using chemical energy of liquid fuel.
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. Technical solutions are also known that make it possible to use the braking energy of a car for its subsequent acceleration in a traditional power plant with an internal combustion engine / internal combustion engine /. For example, according to A.S. USSR 1776579, class B 60 K 6/08 - “Vehicle”, springs are placed on the sides of the vehicle, to which energy is transmitted from the wheels during braking using a transmission, the energy stored in the springs is then used to accelerate the vehicle. This solution allows to reduce fuel consumption, especially when driving in urban conditions, however, it does not fundamentally change the operating conditions of the engine and the loss of energy generated by the engine with exhaust gases when the car is stopped, at driving modes that are not optimal for the characteristics of the engine, remain significant.
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. Of the known technical solutions, the closest object to the proposed method for the combination of essential features is the method of transferring energy to the wheels of a car, used by Porsche / Germany / in its automobile engines and described in [1, p. 170 - 172 and 193 - 197], which the authors took as a prototype.
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. The object adopted for the prototype is a method of transferring energy to the wheels of a car, which consists in burning a mixture of air and fuel in the cylinders of an internal combustion engine, converting the thermal energy of gases into mechanical energy and transferring the latter using pistons, an engine mechanism and a transmission to the wheels of a car, while adjusting the rotation speed wheels and the amount of transmitted mechanical energy, part of the gas energy is used to compress the air supplied to the cylinders, as well as to generate electricity and energy compressed air, both types of energy are stored and used as needed; moreover, mechanical energy generated by the wheels during braking is used to generate electricity and compressed air energy, and in the partly energy-consuming modes, the fuel supply to part of the engine cylinders is stopped.
Принятый за прототип способ обеспечивает экономию топлива при эксплуатации автомобиля, улучшает его экологические показатели, что делает двигатели "Порше" конкурентоспособными на современном рынке автомобилестроения. The method adopted as a prototype provides fuel economy during car operation, improves its environmental performance, which makes Porsche engines competitive in the modern automotive market.
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. However, the method adopted for the prototype does not exhaust all the possibilities of fuel economy. Losses associated with the increased mass of the engine and the complex mechanism of energy transfer to the wheels, its regulation, losses with exhaust gases, losses due to the mismatch between engine performance and individual modes of its operation in the car, insufficient recovery of the vehicle’s energy of movement lead to unproductive fuel combustion and significant emissions of energy into the environment.
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. Of the known devices in terms of essential features, the closest object to the claimed one is "Power drive with an internal combustion engine" [2], adopted by the authors as a prototype of the proposed device.
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. The propulsion system adopted for the prototype contains at least one engine for converting the chemical energy of the fuel into mechanical one, equipped with a system for supplying and igniting the air-fuel mixture, a transmission for transmitting mechanical energy to the wheels, including shafts and devices for connecting the shafts, an electric machine and an electric energy storage device, a compression device air and energy storage of the latter, a control system, as well as electric cables, pipelines and valves.
Принятая за прототип установка обеспечивает достаточно высокий уровень рекуперации энергии при изменениях режимов движения автомобиля. Taken as a prototype installation provides a sufficiently high level of energy recovery with changes in vehicle driving modes.
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. However, the losses associated with the transfer of energy of fuel burned in a free piston ICE through a special contour of the working fluid to the actuator, which drives the transmission, are too high compared to a mechanical transmission, which does not allow the free piston ICE to compete with traditional power plants of cars in which pistons ICEs are connected to the wheels through mechanical transmission transmissions.
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. The objective of the invention is to improve the method of transferring energy to the wheels by matching the characteristics of the engine and the individual modes of its operation in the car, creating a comprehensive drive circuit of the vehicle, capable of achieving rational consumption of energy of primary and secondary energy sources when driving, including overcoming friction, aerodynamic drag, inertial and gravitational forces.
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. The efficiency of the drive is determined mainly by the characteristic of the engine, which works most efficiently with a certain combination of parameters that significantly affect the indicator motor efficiency and mechanical losses. These parameters include: engine shaft rotation speed, cylinder filling, air excess coefficient, and a number of less significant parameters. The maximum effective efficiency is achieved only at certain values of the mentioned parameters. Any deviation from the optimal parameters of the values leads, as a rule, to a deviation of the effective efficiency from the maximum. Therefore, in a drive designed to maintain maximum efficiency, only a pulse mode of engine power control can be used. The essence of this mode is that in order to meet a specific demand for power, the engine turns on and works at optimal values of the shaft rotation speed and other basic parameters, or it stands still. Work in any other mode will be necessarily associated with increased fuel consumption. The constancy of the main parameters entails not only the constancy of efficiency, but also power. Therefore, a drive configured to achieve maximum efficiency should operate in constant power mode.
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. As a result of solving the constant problem, a new technical result is achieved, which consists in the creation of a vehicle power plant providing: high liter power and low engine weight, high efficiency, environmental friendliness, noiselessness, the ability to pull away at the same time as starting the engine, and the absence of a gearbox.
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. This technical result is achieved by the fact that when implementing the method of transferring energy to the wheels of a car, which consists in burning a mixture of air and fuel in the cylinders of an internal combustion engine, converting the thermal energy of gases into mechanical energy and transferring the latter by means of pistons, the engine mechanism and transmission to the wheels of the car, they control the speed of rotation of the wheels and the amount of transmitted mechanical energy, part of the energy of the gases is used to compress the air supplied to the cylinders, as well as to generate and electricity and energy of compressed air, both types of energy are stored and used as needed, and for the generation of electricity and energy of compressed air they use mechanical energy generated by the wheels during braking, and in the part of the energy consumed by the wheels, the fuel supply to part of the engine cylinders is stopped, according to the invention, the amount of stored energy is maintained sufficient to accelerate the car and raise it to a height, while the energy of compressed air is converted into engine cylinders To do this, the pressure of the stored compressed air is maintained at a level sufficient to start the combustion of fuel, and the amount of energy transmitted, depending on the vehicle’s operating mode, is supplied / discharged / through the transmission of electric energy, in addition, when controlling the amount of energy, the engine pistons are stopped.
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. The power plant for implementing this method contains at least one engine for converting the chemical energy of the fuel into mechanical, equipped with a system for supplying and igniting the air-fuel mixture, a transmission for transmitting mechanical energy to the wheels, including shafts and devices for connecting shafts, an electric machine and an electric energy storage device air compression and energy storage of the latter, the control system, as well as electrical cables, pipelines and valves, while according to the invention In this case, the engine and the electric machine are connected to the wheels through the transmission constantly and at a constant gear ratio, and the energy storage of compressed air is connected to the cylinders using valves controlled from a control system to which the electric machine is also connected.
При этом силовая установка может быть снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, мощность которого зависит от числа оборотов вала аналогично зависимости величины аэродинамического сопротивления движению автомобиля от числа оборотов колес. In this case, the power plant can be equipped with an additional engine for converting the chemical energy of the fuel into mechanical energy, the power of which depends on the number of revolutions of the shaft, similarly to the dependence of the aerodynamic resistance to the movement of the car on the number of revolutions of the wheels.
В качестве дополнительного двигателя может быть применен поршневой двигатель внутреннего сгорания, шток поршня которого кинематически связан с валом трансмиссии с помощью опорных площадок, передающих усилие в одну сторону. As an additional engine, a piston internal combustion engine can be used, the piston rod of which is kinematically connected to the transmission shaft with the help of support platforms transmitting the force in one direction.
Отличительной особенностью изобретения является то, что количество запасаемой энергии поддерживают достаточным для разгона автомобиля и подъема его на высоту, а так как разгон автомобиля неизбежно сменяется торможением, а подъем на высоту - снижением /по крайней мере при возвращении в гараж сумма высот равна нулю/, и известны средства, позволяющие рекуперировать кинетическую и потенциальную энергии /см. приведенные выше аналоги/, появляется возможность сжигать топливо только для преодоления необратимого сопротивления движению автомобиля и пополнения потерь запасенной энергии, что обеспечит минимальный расход топлива. Для обеспечения такого разделения функций между элементами силовой установки 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. A distinctive feature of the invention is that the amount of stored energy is maintained sufficient to accelerate the car and raise it to a height, and since acceleration of the car is inevitably replaced by braking, and raising to a height by a decrease / at least when returning to the garage, the sum of the heights is zero /, and means are known for recovering kinetic and potential energies / cm. the above analogues /, it becomes possible to burn fuel only to overcome irreversible resistance to vehicle movement and replenish the losses of stored energy, which will ensure minimum fuel consumption. To ensure this separation of functions between the elements of the power plant, the energy of compressed air is converted into engine cylinders, the pressure of the stored compressed air is maintained at a level sufficient to start the combustion of fuel, and the amount of energy transferred, depending on the operating mode of the vehicle, is supplied / transmitted / through electric power transmission .
Поддержание параметров сжатого воздуха, выполняющего функцию накопителя энергии, достаточными для начала горения топлива позволяет не только освободить цилиндры ДВС от работы по подготовки свежего заряда, но и использовать при необходимости эти цилиндры как пневмодвигатели, не говоря уже о том, что в любой момент движения автомобиля в цилиндр можно подать топливо и получить от его сжигания необходимую работу, что расширяет технологические возможности поршневого ДВС предлагаемой установки. Maintaining the parameters of compressed air, which serves as an energy storage device, sufficient to start the combustion of fuel, allows not only to free the ICE cylinders from work on preparing a fresh charge, but also to use these cylinders as air motors if necessary, not to mention the fact that at any time the car moves fuel can be supplied to the cylinder and the necessary work obtained from its combustion, which expands the technological capabilities of the piston ICE of the proposed installation.
Использование электрической энергии для регулирования количества энергии, передаваемой трансмиссией, позволяет обеспечить высокую надежность и простоту конструкции такой системы регулирования, высокий коэффициент рекуперации энергии, обеспечивает создание предлагаемой силовой установки на отработанной элементной базе. Более того, электрические машины по своей нагрузочной характеристики наиболее приспособлены для разгона автомобиля, так как в состоянии выдержать кратковременную многократную перегрузку, что позволяет получить минимальные габариты и вес элементов предлагаемой установки, обеспечивающих функцию разгона и подъема на высоту. The use of electrical energy to control the amount of energy transmitted by the transmission, allows for high reliability and simplicity of the design of such a control system, high energy recovery coefficient, provides the creation of the proposed power plant on the spent element base. Moreover, electric cars in their load characteristics are most suitable for accelerating a car, as they are able to withstand short-term multiple overloads, which allows to obtain the minimum dimensions and weight of the elements of the proposed installation, providing the function of acceleration and lifting to a height.
Еще одной отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что при регулировании количества энергии останавливают поршни двигателя. При этом ДВС способен адаптироваться к внешним нагрузкам, обеспечивая минимум внутренних потерь путем исключения из процесса преобразования теплоты в работу избыточных рабочих объемов. Another distinctive feature of the proposed method is that when controlling the amount of energy, the engine pistons are stopped. At the same time, the internal combustion engine is able to adapt to external loads, ensuring a minimum of internal losses by eliminating excess working volumes from the process of converting heat into work.
Таким образом, устраняется основной недостаток известных способов обеспечения функций автомобиля - сжигание топлива в силовой установке в тех случаях, когда этого можно не делать, что приводит к весьма заметному уменьшению расхода топлива. Thus, the main drawback of the known methods of providing the car’s functions is eliminated - burning fuel in a power plant in cases where this can be omitted, which leads to a very noticeable reduction in fuel consumption.
Силовая установка для осуществления предлагаемого способа кроме элементов, обеспечивающих выполнение рассмотренных выше функций, которые, как уже упоминалось, в основном могут быть реализованы уже известными средствами, имеет дополнительно свои отличительные особенности, обеспеченные разделением функций между элементами силовой установки, а именно, в предлагаемой установке двигатель и электрическая машина соединены с колесами через трансмиссию постоянно и при неизменном передаточном отношении, т.е. для автомобиля, оборудованного такой установкой, не требуется коробки передач, муфты сцепления и других поглотителей наиболее ценной механической энергии. Кроме того, при этом отпадает необходимость в тормозах при их известных функциях, и требуется только устройство аварийного торможения типа стояночного тормоза. Снижение потерь механической энергии при ее передачи на колеса также приводит к экономии топлива, а существенное упрощение конструкции трансмиссии существенно удешевляет изготовление автомобиля. The power plant for the implementation of the proposed method, in addition to elements that ensure the performance of the above functions, which, as already mentioned, can basically be implemented by known means, has its own distinctive features provided by the separation of functions between the elements of the power plant, namely, in the proposed installation the engine and the electric machine are connected to the wheels through the transmission constantly and at a constant gear ratio, i.e. a car equipped with such an installation does not require a gearbox, clutch and other absorbers of the most valuable mechanical energy. In addition, this eliminates the need for brakes with their known functions, and only an emergency braking device such as a parking brake is required. Reducing the loss of mechanical energy during its transmission to the wheels also leads to fuel economy, and a significant simplification of the transmission design significantly reduces the cost of manufacturing a car.
Другие отличительные особенности предлагаемой силовой установки, а именно то, что накопитель энергии сжатого воздуха подключен к цилиндрам в помощью клапанов, управляемых от системы управления, к которой подключена также электрическая машина, позволяют обеспечить управляемость и применить в системе управления современную электронную технику, что обеспечит высокую комфортабельность и безопасность движения. Other distinctive features of the proposed power plant, namely, that the energy storage of compressed air is connected to the cylinders using valves controlled from a control system to which an electric machine is also connected, allows for controllability and the use of modern electronic technology in the control system, which will ensure high comfortable and safe driving.
Кроме того, для дальнейшей специализации элементов силовой установки по выполняемым функциям она может быть снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, мощность которого зависит от оборотов вала аналогично зависимости величины аэродинамического сопротивления движению автомобиля от числа оборотов колес. Так как величина аэродинамического сопротивления движению пропорциональна квадрату скорости движения /числу оборотов колеса/, то из известных двигателей, преобразующих энергию топлива в механическую, наиболее подходящим для дополнительного двигателя в предлагаемой силовой установке является газотурбинный. In addition, for further specialization of the elements of the power plant in terms of its functions, it can be equipped with an additional engine for converting the chemical energy of the fuel into mechanical energy, the power of which depends on the shaft speed, similarly to the dependence of the aerodynamic resistance to vehicle movement on the number of wheel speeds. Since the value of aerodynamic resistance to movement is proportional to the square of the speed of movement / number of revolutions of the wheel /, of the known engines that convert fuel energy into mechanical, the most suitable for an additional engine in the proposed power plant is a gas turbine.
Однако в качестве дополнительного двигателя может быть применен также и поршневой двигатель внутреннего сгорания при условии изменения его рабочего объема, что с наименьшими потерями согласно изобретению может быть реализовано в ДВС, шток поршня которого кинематически связан с валом трансмиссии с помощью опорных площадок, передающих усилие в одну сторону, что позволяет изменять рабочий объем цилиндров не только отключением подачи топлива, но и остановкой поршней. However, as a supplementary engine, a reciprocating internal combustion engine can also be used provided that its working volume is changed, which can be implemented with the least losses according to the invention in an internal combustion engine, the piston rod of which is kinematically connected to the transmission shaft using support platforms transmitting a force of one side, which allows you to change the working volume of the cylinders not only by turning off the fuel supply, but also by stopping the pistons.
Таким образом, приведенные отличительные особенности изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать автомобиль с существенно меньшим расходом топлива, более надежный, безопасный и комфортабельный, что соответственно обеспечит его конкурентоспособность на современном рынке. Thus, the distinguishing features of the invention in comparison with the known technical solutions allow you to create a car with significantly lower fuel consumption, more reliable, safe and comfortable, which accordingly will ensure its competitiveness in the modern market.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой установки, поясняющая и способ передачи энергии колесам автомобиля; на фиг. 2 - схема варианта конструкции ДВС при выполнении части цилиндров с останавливающимися во время работы ДВС поршнями. In FIG. 1 is a schematic diagram of a power plant explaining a method for transmitting energy to automobile wheels; in FIG. 2 is a diagram of an embodiment of an internal combustion engine when performing part of the cylinders with pistons stopping during operation of the internal combustion engine.
Силовая установка автомобиля содержит двигатель 1 для преобразования химической энергии топлива в механическую, выполненный в виде поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего ряд цилиндров 2, в которых установлены поршни 3, соединенные с помощью штока 4 и кривошипно-шатунного механизма 5 с трансмиссией 6. Трансмиссия 6, включающая валы и устройства /редуктор/ 7 для соединения валов, предназначена для передачи механической энергии колесам 8. The car’s power plant contains an engine 1 for converting the chemical energy of fuel into mechanical energy, made in the form of a piston internal combustion engine containing a number of
Установка содержит также обратимую электрическую машину 9 и накопитель 10 электрической энергии. Двигатель 1 и электрическая машина 9 соединены с колесами 8 через трансмиссию 6 постоянно и при неизменном передаточном отношении. The installation also contains a reversible electric machine 9 and a storage device 10 of electric energy. The engine 1 and the electric machine 9 are connected to the wheels 8 through the
Каждый цилиндр ДВС подключен к устройству 11 сжатия воздуха /на фиг. 1 изображен только один из цилиндров, оборудованный устройством 11/, выполненному в виде термодинамического обменника энергий, рабочая полость которого соединена с полостью цилиндра через клапан 12, а с выхлопом в атмосферу - через клапан 13. Each ICE cylinder is connected to an air compression device 11 / in FIG. 1 shows only one of the cylinders equipped with a device 11 / made in the form of a thermodynamic energy exchanger, the working cavity of which is connected to the cylinder cavity through valve 12, and with the exhaust into the atmosphere through valve 13.
Обменник энергий выполнен двухступенчатым, после первой ступени сжатия установлен охладитель 14, а выходы из всех вторых ступеней устройств 11 подключены к накопителю энергии сжатого воздуха - ресиверу 15, который теплоизолирован. Клапаны 16, установленные по тракту сжатия воздуха, выполнены прямого действия. The energy exchanger is made in two stages, after the first stage of compression, a cooler 14 is installed, and the outputs from all the second stages of the devices 11 are connected to the energy storage of compressed air - the receiver 15, which is thermally insulated. Valves 16 installed along the air compression path are made of direct action.
Силовая установка снабжена системой 17 управления, а также электрическими кабелями, трубопроводами и клапанами, при этом часть клапанов, а именно клапаны 16, выполнены прямого действия, а часть клапанов управляются через датчики от системы 17 управления. К системе 17 подключена также электрическая машина 9. The power plant is equipped with a control system 17, as well as electric cables, pipelines and valves, while some of the valves, namely valves 16, are made of direct action, and some of the valves are controlled through sensors from the control system 17. An electric machine 9 is also connected to the system 17.
Функции системы 17 управления не выходят за рамки современных электрических систем, известных, например, из брошюры Стародетко Е. А. и др. "Микропроцессорное управление адаптивными двигателями", АН БССР, Минск, 1990. The functions of the control system 17 do not go beyond the scope of modern electrical systems, known, for example, from the brochure Starodetko E.A. et al. "Microprocessor control of adaptive engines", Academy of Sciences of the BSSR, Minsk, 1990.
Накопитель энергии сжатого воздуха - ресивер 15 подключен к цилиндрам с помощью управляемых клапанов 18. На этих же линиях установлены карбюраторы 19, подключенные к топливному баку 20, который для выравнивания давления соединен с ресивером 15. The energy storage of compressed air - the receiver 15 is connected to the cylinders using controlled valves 18. On the same lines are carburetors 19 connected to the fuel tank 20, which is connected to the receiver 15 to equalize the pressure.
Силовая установка может быть снабжена дополнительным двигателем для преобразования химической энергии топлива в механическую, мощность которого зависит от оборотов вала аналогично зависимости величины аэродинамического сопротивления движению автомобиля от числа оборотов колес, например, газотурбинным двигателем /ГТД/ 21, вал которого соединен с трансмиссией 6 также постоянно и при неизменном передаточном отношении, например, через редуктор 7. При этом камера 22 сгорания ГТД подключена через управляемый клапан 23 к топливному баку 24. The power plant can be equipped with an additional engine for converting the chemical energy of the fuel into mechanical one, the power of which depends on the shaft speed, similarly to the dependence of the aerodynamic resistance to the car’s movement on the number of wheel revolutions, for example, a gas turbine engine / GTE / 21, the shaft of which is also constantly connected to
Установка оборудована также системой подачи и воспламенения топливовоздушной смеси, включающей указанные топливные баки 20 и 24. The installation is also equipped with a system for supplying and igniting the air-fuel mixture, including the specified fuel tanks 20 and 24.
В качестве дополнительного двигателя может быть использован и поршневой двигатель 1 внутреннего сгорания, если он выполнен с возможностью изменения величины объема цилиндров, например, в части его цилиндров 25, в которых установлены поршни 26, штоки 27 которых кинематически связаны с валом трансмиссии 6 с помощью опорных площадок 28, передающих усилие в одну сторону. As an additional engine, a piston internal combustion engine 1 can also be used if it is capable of changing the volume of the cylinders, for example, in the part of its
Возможный вариант конструкции такого двигателя схематично изображен на фиг. 2. В представленном варианте изображена конструкция вала ДВС с двумя синхронизирующими шестернями 29, с помощью которых на трансмиссию 6 передают движение от траверсы 30, на которой закреплены штоки 4 поршней 3, установленных в цилиндрах 2, составляющих неизменяемый объем ДВС 1. A possible design of such an engine is shown schematically in FIG. 2. In the presented embodiment, the ICE shaft design with two synchronizing
Предлагаемый способ передачи энергии колесам автомобиля осуществляют следующим образом. The proposed method of transmitting energy to the wheels of a car is as follows.
В исходном состоянии, перед началом движения автомобиля силовая установка должна иметь необходимый запас энергии для преодоления инерционных сил при разгоне и сообщения кинематической энергии массе автомобиля, преодоления силы тяжести на подъеме. Для обеспечения упомянутого запаса накопитель электроэнергии 10 и ресивер 15 заряжают до расчетных параметров от посторонних источников сжатого воздуха и электроэнергии. При отсутствии посторонних источников установка может быть приведена в исходное состояние за счет запуска ДВС 1 при отсутствии сцепления колеса 8 с опорной поверхностью, например, в конструкции автомобиля может быть предусмотрено устройство для поддомкрачивания. При этом вырабатываемая двигателем 1 энергия с помощью обратимой электрической машины 9, которая переключается системой 17 управления в генераторный режим, превращается в электроэнергию, накапливаемую в накопителе 10, а с помощью обменника 11 создается запас сжатого воздуха требуемых параметров в ресивере 15. In the initial state, before the car starts moving, the power plant must have the necessary energy reserve to overcome inertial forces during acceleration and to communicate kinematic energy to the mass of the car, to overcome gravity on the rise. To ensure the mentioned reserve, the energy storage device 10 and the receiver 15 are charged to external parameters from extraneous sources of compressed air and electricity. In the absence of extraneous sources, the installation can be restored to its original state by starting the internal combustion engine 1 in the absence of adhesion of the wheel 8 to the supporting surface, for example, a jacking device may be provided in the vehicle structure. In this case, the energy generated by the engine 1 with the help of a reversible electric machine 9, which is switched by the control system 17 to the generator mode, is converted into electricity stored in the drive 10, and using the exchanger 11, a stock of compressed air of the required parameters is created in the receiver 15.
Характеристики ДВС во многом уступают характеристикам электрических двигателей, многие из которых обладают способностью кратковременно увеличивать крутящий момент и мощность в несколько раз. Известно, что длительная мощность электродвигателей лимитируется в основном условиями нагрева изоляции. Поскольку для нагрева до предельно допустимой температуры требуется определенное время, имеется возможность кратковременно увеличить рабочий ток в несколько раз относительно длительно допустимого и тем самым кратковременно увеличить крутящий момент. The characteristics of the internal combustion engine are much inferior to the characteristics of electric motors, many of which have the ability to briefly increase torque and power several times. It is known that the long-term power of electric motors is limited mainly by the conditions of heating the insulation. Since it takes a certain time to heat up to the maximum permissible temperature, it is possible to briefly increase the operating current by several times relative to the long-term allowable and thereby increase the torque momentarily.
При трогании с места и разгоне автомобиля включают электрическую машину 9 в режим двигателя /с помощью системы 17 управления меняют соответственно полярность возбуждения/ и за счет электроэнергии от накопителя 10 разгоняют автомобиль до крейсерской скорости. Так как на короткое время разгона электрический привод допускает значительные перегрузки, то установленная мощность электромашины 9 может быть сравнительно небольшой. When starting up and accelerating the car, the electric machine 9 is switched on in the engine mode / with the help of the control system 17 the polarity of the excitation is changed accordingly / and the car is accelerated to the cruising speed due to the electric power from the drive 10. Since the electric drive allows significant overloads for a short acceleration time, the installed power of the electric machine 9 can be relatively small.
Тормоза транспортного средства представляют второй энергетический элемент после двигателя. В автомобилях используются почти исключительно пассивные тормоза, гасящие кинетическую энергию машины за счет ее преобразования в теплоту и рассеивания полученной теплоты в окружающем пространстве. Даже в случае электрического торможения с помощью генераторов электрического тока /ПАЗ/ или обратимых электродвигателей /БеЛАЗ/ преобразованная в электрическую форму кинематическая энергия автомобиля превращается в тепловую энергию на тормозных реостатах и рассеивается в окружающем пространстве. Фрикционные тормоза не только напрасно растрачивают кинематическую энергию автомобиля, но являются предметом постоянного наблюдения и ремонта, так как подвергаются интенсивному износу. Энергию торможения можно накапливать в маховике, в газовом или электрическом аккумуляторе, в конденсаторной батарее. Vehicle brakes represent the second energy element after the engine. In automobiles, almost exclusively passive brakes are used, which absorb the kinetic energy of the machine by converting it into heat and dissipating the resulting heat in the surrounding area. Even in the case of electric braking using electric current generators / PAZ / or reversible electric motors / BeLAZ /, the kinematic energy of the car converted into electrical form is converted into thermal energy by brake rheostats and dissipated in the surrounding space. Friction brakes not only waste the kinematic energy of a car in vain, but are subject to constant monitoring and repair, as they undergo intensive wear. Braking energy can be stored in a flywheel, in a gas or electric battery, in a capacitor bank.
В предлагаемой установке при торможении колеса 8 /уменьшении потребляемой им энергии/ система 17 управления переключает возбуждение электрической машины 9 на генераторный режим и избыточная энергия за счет уменьшения кинетической энергии, а также энергия, вырабатываемая ДВС 1, направляется в накопитель 10, осуществляя таким образом торможение. In the proposed installation, when braking the wheel 8 / reducing the energy consumed by it / the control system 17 switches the excitation of the electric machine 9 to the generator mode and the excess energy by reducing the kinetic energy, as well as the energy generated by the internal combustion engine 1, is sent to the drive 10, thereby braking .
В качестве накопителя энергии торможения может служить электрохимический аккумулятор. Зарядный ток аккумулятора должен быть порядка 1000 А на 1 т массы снаряженного автомобиля. Для получения столь высоких показателей по удельной мощности следует увеличить площадь активной поверхности электродов в 100...1000 раз. Выполнение перечисленных требований возможно на базе технологии изготовления тонкослойных схем, позволяющей создать аккумулятор на твердом электролите с большой активной поверхностью электродов и малым внутренним сопротивлением. An electrochemical battery can serve as a storage energy for braking energy. The charging current of the battery must be of the order of 1000 A per 1 ton of mass of the equipped vehicle. To obtain such high rates of specific power, it is necessary to increase the area of the active surface of the electrodes by 100 ... 1000 times. The fulfillment of the above requirements is possible on the basis of the technology for manufacturing thin-layer circuits, which makes it possible to create a solid-state electrolyte battery with a large active electrode surface and low internal resistance.
Наиболее перспективными накопителями электрической энергии являются конденсаторы, емкость которых достигает 1Ф и более. Батарея с запасом энергии для запуска двигателя имеет массу в несколько раз меньшую массы пускового аккумулятора. Конденсаторная батарея для разгона автомобиля с массой 1 т по предлагаемому способу будут иметь массу в несколько десятков килограмм. The most promising electrical energy storage devices are capacitors, the capacity of which reaches 1F or more. A battery with an energy reserve for starting the engine has a mass several times smaller than the mass of the starting battery. A capacitor bank for accelerating a car with a mass of 1 ton by the proposed method will have a mass of several tens of kilograms.
Предлагаемая установка обеспечивает разгон и торможение без потерь энергии. Тем самым она подобна маятнику или пружине и может быть названа энергетическим маятником. The proposed installation provides acceleration and braking without energy loss. Thus, it is similar to a pendulum or spring and can be called an energy pendulum.
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. To turn on the engine, according to the program set by the control system, the valves 18 are opened, and compressed air from the receiver 15 mixed with fuel entering the carburetor 19, with the parameters of the onset of combustion, enters the
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. When the
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. When the piston of the exchanger 11 approaches the TDC position, compressed air is passed from the first stage to the cooler 14 through a non-return valve 16, and compressed air is transferred from the second stage to the receiver 15 through another non-return valve. When the piston of the exchanger 11 is in the TDC, valve 12 is closed and then opens valve 13, through which the working cavity of the exchanger communicates with the exhaust into the atmosphere. When the valve 13 is opened, air from the cooler 14 under pressure enters the cavity of the second stage, acts on the piston and moves it from the TDC position to the BDC position. In this case, the exhaust gases from the working chamber are discharged through the valve 13 into the atmosphere, and atmospheric air through the non-return valve 16 is sucked into the chamber of the first stage. When the piston approaches the position of the BDC, the valve 13 closes. The cycle repeats.
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. The described engine operation cycle allows for a single-cycle engine operation mode. Single-stroke is the internal combustion engine operation mode in which the piston does not idle. At each stroke of the piston, the working gases expand.
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. The single-stroke ICE has the highest specific power and the highest mechanical efficiency. Its specific power is 4 times higher than that of a four-stroke ICE, and mechanical losses are 4 times less. The single-stroke engine provides minimal unevenness and can be easily adapted to start by air.
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. If in a single-cycle engine a certain part of the working strokes is allowed to pass, then any predetermined ratio of the number of all strokes to the number of working strokes can be realized. Taktnost can be an integer - 1, 2, 3, 4, 5, etc. It can also be expressed as a number of the form N / M, where N ≥ M, M and N are integers.
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. By changing the stroke, you can adjust the engine power. This is a fundamentally new method that allows you to get any pre-set average power without changing the occupancy of the cylinders and the composition of the working mixture. Setting the circuit to a specific mode can be carried out almost instantly / more precisely during one piston stroke / by changing the switching program of the corresponding valves. This allows you to use a fundamentally new method of power control - frequency / pulse /, in which the charge weight in the cylinder and the composition of the fuel-air mixture remains constant. In this case, the ratio between the mass of fuel and air can be selected so that the percentage of harmful emissions in exhaust gases is constantly maintained at a minimum level.
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. The frequency principle of power control requires a fundamentally new organization of the working process, when ICE 1 can stop the production of mechanical energy at any step, and at any other - make a working move. This feature is provided by the backup of compressed air in the receiver 15, which allows you to create a workflow of the power plant with the integrated engine start process and to ensure the appearance of significant torque at zero rotation speed of the wheel 8 and, accordingly, the crankshaft of the engine 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. With frequency control, the useful power can vary over a wide range due to the alternation of idle and working strokes. In combination with the possibility of loading the engine "from the spot", we obtain a characteristic of the engine, which can operate without a gearbox and without clutch, which allows you to directly connect the
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. Frequency control is basically software and can be implemented using a control system 17 based on a microprocessor that prepares a work execution program similar to a program for numerically controlled machines, when the alternation of idle and work strokes is reflected in binary code.
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. The internal combustion engine 1 is that part of the drive that provides overcoming the rolling friction resistance of the wheels 8 without taking into account aerodynamic drag. The operation of the engine 1 differs from the operation of the drive as a whole in the absence of additional loads, the constancy of torque and other positive factors. If the nature of the road does not change, then the power of the drive and engine 1 is proportional to speed and can be easily adjusted. An internal combustion engine is perfectly suited to such a drive as a constant torque engine. However, when the nature of the road changes / the transition from asphalt to gravel or soil / the moment of resistance forces changes.
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. If the engine load is less than 100%, for example, 50%, then the engine enters into a very unfavorable mode of operation due to the large specific share of losses in the overall energy balance. These losses occur both in thermodynamic and in mechanical processes. To reduce losses, fuel shut-off of the cylinders is used, in which the process of converting heat to mechanical work does not occur in all engine cylinders. In the disconnected cylinders, the intake and exhaust valves remain permanently closed, as a result of which the gas enclosed in the cylinders is compressed and expanded as in a gas spring. In the working cylinders, the compression ratio / for the Otto engine / increases, and the engine as a whole decreases the total cooling surface area of the working gases, which increases the indicator efficiency and the heat utilization coefficient.
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%. Usually, half of the total number of working cylinders can be shut off. An example is the Porsche 928, which consists of two fully autonomous sections with 4 cylinders in each. As experimental data show, when the fuel is turned off, the fuel consumption can be reduced by 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. The effect of changing the number of working cylinders can be significantly enhanced if, along with the fuel shutdown of the cylinders, the pistons running in them are stopped, which significantly reduces friction losses. Given that the cylinder-piston group accounts for up to 3/4 of the total mechanical losses in the engine, stopping part of the pistons should provide a significant increase in mechanical efficiency.
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. To match the engine torque with the forces of resistance to movement, it is desirable to change the working volume of the engine, while reducing the speed in proportion to the increase in resistance to movement. For this,
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. Aerodynamic drag depends on the frontal area of the vehicle, air drag coefficient and speed. It is established that in well-developed car bodies, aerodynamic drag at a speed of 90 km / h is equal to the drag caused by rolling friction and increases nonlinearly with increasing speed. Most often, a quadratic function is used to determine aerodynamic drag, although formulas containing a cube and other degrees of speed are more accurate. To overcome this resistance when reaching a speed of about 60 km / h [1, p. 20, fig. 4] turn on the gas turbine engine 21. For this, using the control system 17, open the valve 23, fuel from the tank 24 enters the combustion chamber 22, turn on the ignition, and the turbine engine 21 transfers mechanical energy through the gearbox 7 and
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. Turning the gas turbine engine is carried out when it is set with a shaft sufficient to ensure stable operation of the speed. A further increase in the speed of movement and the number of revolutions of the
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.Consider typical situations when the proposed power plant. In this case, we will proceed from the following assumptions:
- the car is accelerated from a speed of 36 to 90 km / h in equal power mode;
- after acceleration, the car moves along a horizontal road;
- the number of accelerations on a path of 100 km is set and depends on traffic conditions / in the city, outside the city, on a one-way highway without significant interference, on a road with interference, etc. /;
- on the ups and downs, an electric machine is turned on.
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. Situation 1. The speed of the car is such that engine 1 generates excess power. It is undesirable to increase the speed of the car. Then the excess power can be used to accumulate backup energy using machine 9, switching it into generator mode. If drive 10 cannot receive additional energy, engine 1 should be turned off.
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. Situation 4. Engine 1 is turned off, the speed is maintained by reserve energy, but the energy reserve has dropped to a minimum, below which the movement becomes unstable. In this situation, the control system 17 immediately turns on the engine 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. Situation 7. Drive 10 is not full, engine 1 is not working, and machine speed should be reduced. In this case, braking is carried out by an electric machine 9, included in the generator mode.
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. Situation 8. The accelerated acceleration of the car, while with the increase in the speed of movement, the proportion of drive energy spent on overcoming the aerodynamic drag of the vehicle increases significantly. In this mode, the wheels 8 of the machine are twisted simultaneously by the internal combustion engine 1 and the gas turbine engine 21. In addition, the wheels 8 are twisted by an electric machine 9, included in the engine mode and utilizing the energy of the electric storage device 10. In addition to energy recovery, a positive factor in this mode is an improvement in the operating characteristics of the drive that is especially valuable at the time of starting the car when the desired moment on the shaft of the wheel 8 is provided by the dynamic component of the power of the engine 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. Thus, the proposed power plant, transmitting the mechanical energy generated by its functional elements to the wheels of the car according to the proposed method, provides: high liter power and low engine weight, high efficiency, environmental cleanliness, noiselessness, the ability to pull away simultaneously with the start of the engine, the absence of a gearbox.
Claims (9)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY1905 | 1994-04-28 | ||
| BY01905-01 | 1994-04-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94022786A RU94022786A (en) | 1996-09-10 |
| RU2112665C1 true RU2112665C1 (en) | 1998-06-10 |
Family
ID=4083656
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94022786A RU2112665C1 (en) | 1994-04-28 | 1994-06-10 | Method of and power unit for transmitting energy to automobile wheels |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2112665C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472002C2 (en) * | 2007-04-27 | 2013-01-10 | Снекма | Device for generation of electric energy in two-shaft gas turbine engine |
| RU2477230C2 (en) * | 2008-03-25 | 2013-03-10 | Интернэшнл Трак Интеллектуал Проперти Компани, ЛЛК | Method of controlling storage battery in motor vehicle with hybrid electric drive |
| RU2505905C2 (en) * | 2009-12-21 | 2014-01-27 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Charging system |
| RU2764327C1 (en) * | 2021-06-02 | 2022-01-17 | Александр Алексеевич Выволокин | Method for energy production for powering electric motors and a system for energy production |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102264588A (en) * | 2009-03-10 | 2011-11-30 | 丰田自动车株式会社 | Engine controlling device |
-
1994
- 1994-06-10 RU RU94022786A patent/RU2112665C1/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2472002C2 (en) * | 2007-04-27 | 2013-01-10 | Снекма | Device for generation of electric energy in two-shaft gas turbine engine |
| RU2477230C2 (en) * | 2008-03-25 | 2013-03-10 | Интернэшнл Трак Интеллектуал Проперти Компани, ЛЛК | Method of controlling storage battery in motor vehicle with hybrid electric drive |
| RU2505905C2 (en) * | 2009-12-21 | 2014-01-27 | Тойота Дзидося Кабусики Кайся | Charging system |
| RU2764327C1 (en) * | 2021-06-02 | 2022-01-17 | Александр Алексеевич Выволокин | Method for energy production for powering electric motors and a system for energy production |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94022786A (en) | 1996-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7845317B2 (en) | Energy converter | |
| CN101014479B (en) | Method for operating a vehicle drive and device for carrying out said method | |
| US5415245A (en) | Drive system for efficient vehicle propulsion | |
| CN102612594A (en) | Engine starting device | |
| Higelin et al. | Thermodynamic simulation of a hybrid pneumatic-combustion engine concept | |
| KR20010071191A (en) | Hybrid car, and method and apparatus for driving hybrid car | |
| US20110184598A1 (en) | Parallel hybrid vehicle optimal storage system | |
| CN101700737B (en) | Generator control system of range-extended electric car | |
| CN105240120A (en) | Horizontally-opposed balance type gasoline range extender and operation method thereof | |
| Filipi | Hydraulic and pneumatic hybrid powertrains for improved fuel economy in vehicles | |
| RU2112665C1 (en) | Method of and power unit for transmitting energy to automobile wheels | |
| Higelin et al. | Parametric optimization of a new hybrid pneumatic-combustion engine concept | |
| RU2117788C1 (en) | Method of operation of vehicle engine unit, method of engine unit control and engine unit of vehicle | |
| Yamaguchi et al. | Development of a new hybrid system-dual system | |
| SE468133B (en) | SETTING AND DEVICE FOR CONTROL OF AN ENERGY CONVERSION SYSTEM | |
| CN100430581C (en) | Method and equipment for reducing vehicle energy consumption | |
| Aceves et al. | Hybrid and conventional hydrogen engine vehicles that meet EZEV emissions | |
| CN100406320C (en) | Energy-storing drive of vehicle brake | |
| WO2016038384A1 (en) | An internal combustion engine with a 4-stroke expansion cycle | |
| Кужельний et al. | Analysis of structures and application of different types of engines in cars | |
| CN110925086B (en) | Engine and mechanical equipment and application | |
| Brankov | Initial design of an internal combustion engine for a range extender unit for electric vehicles | |
| CN208473995U (en) | A kind of rotary cylinder type rotary engine and the new automobile hybrid power system using it | |
| Psanis | Modelling and experimentation on air hybrid engine concepts for automotive applications | |
| Oman | New energy management technology gives hybrid cars long battery life |