RU2189323C2

RU2189323C2 - Vehicle pneumatic drive

Info

Publication number: RU2189323C2
Application number: RU2000116057/28A
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Ломкин; В.М. Ящук; М.Ю. Ломкин
Original assignee: Ломкин Юрий Петрович; Ящук Валерий Максимович; Ломкин Михаил Юрьевич
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: transport engineering. SUBSTANCE: invention relates to power plants with pneumatic motor designed for driving vehicles. Proposed drive has high-pressure pneumatic accumulator 1 and low- pressure pneumatic accumulator 3 communicating through gas expansion device 2 whose output shaft is coupled with drive shafts of compressor 10, vacuum pump 9 and generator 12. accumulator 3 has heat exchanger 7 and it is pneumatically connected with pneumatic motor 7, vacuum system 8-9 and compressor 10. Motor 7 is kinematically coupled with vehicle wheels which are kinematically coupled through brake clutch with shafts of compressor, vacuum pump and generator for utilization of braking energy. EFFECT: increased endurance, reduced consumption of energy carrier, increased efficiency. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к силовым установкам с пневматическим двигателем, предназначенным для приводов транспортных средств, в частности автомобилей. The invention relates to power plants with a pneumatic engine, designed for drives of vehicles, in particular automobiles.

Известны пневмоприводы транспортных средств, содержащие пневмоаккумуляторы, пневмодвигатель, связанный с пневмоаккумулятором через пневморедуктор, компрессор и средства для утилизации энергии торможения (например, патент США 3980152, МКИ F 16 F 11/30, опубл. 14.09.76). Known pneumatic drives of vehicles containing pneumatic accumulators, a pneumatic motor associated with a pneumatic accumulator through a pneumatic reducer, compressor and means for utilizing braking energy (for example, US patent 3980152, MKI F 16 F 11/30, publ. 14.09.76).

Основными недостатками данных систем являются низкий кпд из-за потерь на дросселирование воздуха, возможного его переохлаждения и потерь энергии в связи с отсутствием системы теплообмена между элементами установки, а также повышенный расход энергоносителя. The main disadvantages of these systems are low efficiency due to losses due to air throttling, possible overcooling and energy losses due to the absence of a heat exchange system between the plant elements, as well as increased energy consumption.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является силовая установка транспортного средства по патенту США 4361204, МКИ В 60 К 3/02, опубл. 30.11.1982 г. Она включает пневмодвигатель и компрессор, смонтированные на одном приводном коленчатом валу, пневмоаккумулятор-накопитель низкого давления, теплообменник для аккумулирования тепла и дополнительный нагреватель в линии подачи сжатого воздуха к двигателю, пневморедуктор (регулирующий вентиль) и средство утилизации энергии торможения, включающее собственно пневмодвигатель, который при торможении, т.е. прекращении подачи сжатого воздуха, начинает работать в режиме компрессора, при этом дополнительно подзаряжается пневмоаккумулятор и аккумулируется тепло в теплообменнике, в последующем используемое для нагрева воздуха, поступающего от пневмоаккумулятора к пневмодвигателю. Кроме того, обязательными элементами привода транспортного средства являются электрогенератор, кинематически связанный с двигателем, и трансмиссия, кинематически связывающая двигатель с приводными колесами, хотя в указанном патенте они не упомянуты. The closest technical solution to the claimed is the power plant of the vehicle according to US patent 4361204, MKI 60 K 3/02, publ. November 30, 1982, it includes a pneumatic engine and compressor mounted on one drive crankshaft, a low pressure pneumatic accumulator, a heat exchanger for heat storage and an additional heater in the compressed air supply line to the engine, a pneumatic reducer (control valve) and braking energy recovery means, including the actual air motor, which when braking, i.e. stopping the supply of compressed air, begins to work in compressor mode, while the pneumatic accumulator is additionally recharged and heat is accumulated in the heat exchanger, which is subsequently used to heat the air coming from the pneumatic accumulator to the air motor. In addition, the required drive elements of the vehicle are an electric generator kinematically connected to the engine, and a transmission kinematically connecting the engine to the drive wheels, although they are not mentioned in this patent.

Недостатком этого технического решения является низкий кпд силовой установки из-за:
- потерь энергии при отборе мощности (полезной работы) двигателя на работу компрессора;
- малого диапазона изменения давления в аккумуляторе;
- низкой эффективности теплообмена в системе подогрева теплоносителя.The disadvantage of this technical solution is the low efficiency of the power plant due to:
- energy losses during power take-off (useful work) of the engine for compressor operation;
- a small range of pressure changes in the battery;
- low heat transfer efficiency in the heating medium heating system.

Кроме того, установка имеет ограниченный запас энергоносителя (воздуха), что снижает пробег транспортного средства. In addition, the installation has a limited supply of energy (air), which reduces the vehicle mileage.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение запаса хода транспортного средства; снижение удельного расхода энергоносителя; повышение кпд привода. An object of the present invention is to increase the range of a vehicle; reduction in specific energy consumption; increase drive efficiency.

Технический результат достигается тем, что в пневмоприводе транспортного средства, содержащем пневмоаккумулятор-накопитель низкого давления, пневморедуктор, теплообменник, подогреватель, пневмодвигатель, электрогенератор, компрессор как средство утилизации энергии торможения, новым является то, что он дополнительно снабжен аккумулятором высокого давления, что увеличивает запас хода. При этом он пневматически связан с упомянутым накопителем через пневморедуктор, выполнении в виде детандера, выходной вал которого кинематически связан с компрессором и электрогенератором, что повышает кпд привода, поскольку детандер, обеспечивая понижение давления, одновременно совершает полезную работу. Это снижает удельный расход энергоносителя за счет уменьшения потерь на дросселирование. Привод также дополнительно снабжен вакуумной системой, включающей форвакуумную емкость и вакуумный насос, пневматически связанные с двигателем и компрессором соответственно, а кинематически - с валом детандера, что дополнительно повышает кпд и снижает удельный расход энергоносителя в двигателе и в целом в приводе. Средство утилизации энергии торможения выполнено в виде упомянутых компрессора, вакуум-насоса и электрогенератора, приводные валы которых кинематически связаны с колесами транспортного средства через тормозную муфту, управляемую педалью тормоза, что обеспечивает преобразование кинетической энергии транспортного средства в потенциальную энергию разрежения в форвакуумной емкости, давления в пневмоаккумуляторе и электрохимической энергии в аккумуляторе. The technical result is achieved by the fact that in the pneumatic drive of a vehicle containing a low-pressure accumulator-accumulator, a pneumatic reducer, a heat exchanger, a heater, an air motor, an electric generator, a compressor as a means of utilizing braking energy, it is new that it is additionally equipped with a high-pressure accumulator, which increases the reserve move. Moreover, it is pneumatically connected to the said drive through a pneumatic reducer, made in the form of an expander, the output shaft of which is kinematically connected with the compressor and the electric generator, which increases the efficiency of the drive, since the expander, while lowering the pressure, simultaneously performs useful work. This reduces the specific energy consumption by reducing throttling losses. The drive is also additionally equipped with a vacuum system, including a fore-vacuum tank and a vacuum pump, pneumatically connected to the engine and compressor, respectively, and kinematically to the expander shaft, which further increases the efficiency and reduces the specific energy consumption in the engine and in the drive as a whole. The braking energy recovery tool is made in the form of the aforementioned compressor, vacuum pump and electric generator, the drive shafts of which are kinematically connected to the wheels of the vehicle through a brake clutch controlled by the brake pedal, which ensures the conversion of the kinetic energy of the vehicle into potential vacuum energy in the fore-vacuum tank, pressure in pneumatic accumulator and electrochemical energy in the battery.

Аккумулятор-накопитель, теплообменник и подогреватель могут быть объединены в единый узел, что дополнительно снижает тепловые потери в этом аккумуляторе при одновременном упрощении конструкции привода. The storage battery, heat exchanger and heater can be combined into a single unit, which further reduces heat loss in this battery while simplifying the design of the drive.

Привод может быть снабжен дополнительным подогревателем, встроенным в пневмодвигатель, а трансмиссия при этом включает гидромеханическую передачу, гидравлически связанную с этим подогревателем, что улучшает условия работы как двигателя, так и гидромеханической передачи за счет теплообмена между ними. The drive can be equipped with an additional heater built into the air motor, while the transmission includes a hydromechanical transmission hydraulically connected to this heater, which improves the operating conditions of both the engine and the hydromechanical transmission due to heat exchange between them.

Пневмодвигатель может быть выполнен в виде гидравлического цилиндра двухстороннего действия, в гидравлических камерах которого размещены надувные баллоны, сообщаемые в противофазе с упомянутым накопителем и вакуумным насосом, что дополнительно снижает удельный расход энергоносителя. The air motor can be made in the form of a double-acting hydraulic cylinder, in the hydraulic chambers of which inflatable balloons are placed, communicating in antiphase with the aforementioned drive and a vacuum pump, which further reduces the specific energy consumption.

Сущность изобретения поясняют следующие схемы. The invention is illustrated by the following schemes.

Фиг. 1 - принципиальная схема пневматического привода транспортного средства с частичным совмещением пневматической и кинематической схем (элементы управления и вспомогательные элементы показаны минимально);
Фиг.2 - то же, вариант;
Фиг.3 - вариант исполнения пневмодвигателя.FIG. 1 is a schematic diagram of a pneumatic drive of a vehicle with a partial combination of pneumatic and kinematic schemes (controls and auxiliary elements are shown minimally);
Figure 2 - the same option;
Figure 3 - embodiment of the air motor.

Пневмопривод транспортного средства (фиг.1) включает пневматически связанные между собой в замкнутую цепь пневмоаккумулятор высокого давления 1, детандер 2, тепловой аккумулятор - накопитель 3 низкого давления с теплоизолирующим кожухом 4 и дополнительным нагревательным элементом 5, дроссель управления 6, пневмодвигатель 7, вакуумную систему, включающующую форвакуумную емкость 8 и вакуумный насос 9, и компрессор 10. The pneumatic drive of the vehicle (Fig. 1) includes a pneumatic accumulator of high pressure 1, expander 2, pneumatically connected to each other in a closed circuit, a heat accumulator - a low pressure drive 3 with a heat-insulating casing 4 and an additional heating element 5, a control choke 6, an air motor 7, a vacuum system including a foreline tank 8 and a vacuum pump 9, and a compressor 10.

Детандер является понижающим пневморедуктором между аккумуляторами 1 и 3. Выходной вал детандера 11 кинематически связан через муфту сцепления (не показана) с приводными валами вакуум-насоса 9, компрессора 10, а также электрогенератора 12. Последний электрически связан через реле-регулятор 13 с электроаккумулятором 14 и нагревательным элементом 5. The expander is a step-down pneumatic reducer between the accumulators 1 and 3. The output shaft of the expander 11 is kinematically connected through a clutch (not shown) to the drive shafts of the vacuum pump 9, compressor 10, and the generator 12. The latter is electrically connected through a relay controller 13 to the electric accumulator 14 and heating element 5.

Пневмодвигатель 7 через трансмиссию 15 кинематически связан с ведущими колесами 16, а последние через тормозную муфту сцепления 17, управляемую тормозным рычагом 18, и редуктор 19 в свою очередь кинематически связаны с упомянутыми приводными валами вакуум-насоса 9, компрессора 10 и генератора 12. The air motor 7 through the transmission 15 is kinematically connected with the drive wheels 16, and the latter through the brake clutch 17 controlled by the brake lever 18, and the gearbox 19, in turn, are kinematically connected with the drive shafts of the vacuum pump 9, compressor 10 and generator 12.

Дроссель управления 6 связан с педалью акселератора 20. The throttle control 6 is connected to the accelerator pedal 20.

На фиг.2 приведен вариант исполнения привода, в котором трансмиссия содержит гидромеханическую передачу 21, а пневмодвигатель 7 снабжен дополнительным подогревателем 22, смонтированным в корпусе пневмодвигателя 7 и гидравлически связаным с гидромеханической передачей 21. Figure 2 shows the embodiment of the drive, in which the transmission contains a hydromechanical transmission 21, and the air motor 7 is equipped with an additional heater 22 mounted in the housing of the air motor 7 and hydraulically connected to the hydromechanical transmission 21.

На фиг. 2 также приведен вариант исполнения привода, в котором подогреватель 5 встроен в теплоизолирующий кожух 4, в результате чего аккумулятор 3, тепловая изоляция кожуха 4 и подогреватель 5 образуют единый узел - тепловой пневмоаккумулятор, что упрощает конструкцию и снижает тепловые потери. In FIG. 2 also shows an embodiment of the drive in which the heater 5 is integrated in the heat-insulating casing 4, as a result of which the battery 3, the thermal insulation of the casing 4 and the heater 5 form a single unit - a thermal pneumatic accumulator, which simplifies the design and reduces heat loss.

На фиг. 3 приведен вариант выполнения пневмодвигателя 7 в виде пневмогидравлического механизма. Он содержит рабочий цилиндр 23 с поршнем 24 и подогревателем 22, а также две гидравлические рабочие камеры 25 и 26, внутри которых размещены надувные баллоны 27 и 28, полости которых через распределители 29 и 30 сообщаются в противофазе с аккумулятором 3 или форвакуумной емкостью 8. Такое исполнение пневмодвигателя обеспечивает дополнительное снижение расхода энергоносителя и повышение кпд привода. In FIG. 3 shows an embodiment of an air motor 7 in the form of a pneumohydraulic mechanism. It contains a working cylinder 23 with a piston 24 and a heater 22, as well as two hydraulic working chambers 25 and 26, inside of which there are inflatable balloons 27 and 28, the cavities of which through the distributors 29 and 30 communicate in antiphase with the battery 3 or the fore-vacuum capacity 8. This the design of the air motor provides an additional reduction in energy consumption and increased drive efficiency.

Пневмопривод транспортного средства работает следующим образом. Pneumatic drive of the vehicle is as follows.

Нажатием на педаль 20 акселератора открывают дроссель управления 6. В результате сжатый воздух из пневмоаккумулятора 1 поступает в детандер 2, где совершает механическую работу, приводя во вращение генератор 12, компрессор 10 и ваккуум-насос 9. Одновременно воздух с давлением, пониженным до рабочего, поступает в тепловой аккумулятор 3, где подогревается при смешении с воздухом, поступающим от компрессора 10 и с помощью нагревателя 5, и затем попадает в пневмодвигатель 7, который через трансмиссию 15 приводит во вращение ведущие колеса 16. Выходящий из пневмодвигателя 7 воздух попадает в форвакуумную емкость 8, где поддерживается определенное разрежение с помощью вакуум-насоса 9. Отработанный воздух поступает на компрессор 10 или выбрасывается в атмосферу. Компрессор 10 поднимает давление и температуру воздуха и обеспечивает его возврат в тепловой аккумулятор 3. By pressing the accelerator pedal 20, the control throttle 6 is opened. As a result, compressed air from the pneumatic accumulator 1 enters the expander 2, where it performs mechanical work, turning the generator 12, compressor 10 and the vacuum pump 9 at the same time. At the same time, the air is reduced to working pressure, enters the heat accumulator 3, where it is heated by mixing with the air coming from the compressor 10 and using the heater 5, and then it enters the air motor 7, which drives the drive wheels 16 through the transmission 15 from the air motor 7, the air enters the fore-vacuum vessel 8, where a certain vacuum is maintained with the help of the vacuum pump 9. The exhaust air enters the compressor 10 or is released into the atmosphere. The compressor 10 raises the pressure and temperature of the air and ensures its return to the heat accumulator 3.

При торможении транспортного средства, т.е. при нажатии на педаль тормоза 18, ведущие колеса 16 через муфту 17 кинематически соединяются с приводными валами компрессора 10, вакуум-насоса 9 и генератора 12, заряжающего аккумулятор 14. Вал 11 детандера при этом отключается. Этим обеспечивается утилизация кинетической энергии транспортного средства, что позволяет значительно повысить его экономичность, особенно при городском цикле движения с частыми сменами циклов разгона и торможения. When braking a vehicle, i.e. when you press the brake pedal 18, the drive wheels 16 through the clutch 17 are kinematically connected with the drive shafts of the compressor 10, the vacuum pump 9 and the generator 12, charging the battery 14. The expander shaft 11 is turned off. This ensures the utilization of the kinetic energy of the vehicle, which can significantly increase its efficiency, especially in the urban cycle of movement with frequent changes in acceleration and braking cycles.

В варианте исполнения трансмиссии с гидромеханической передачей 21 и наличии дополнительного подогревателя 22 нагретая гидравлическая жидкость из передачи 21 поступает в подогреватель 22, дополнительно обогревая двигатель 7, повышая кпд и улучшая условия его работы. Прошедшая через нагреватель жидкость эффективно охлаждается и, поступая в гидромеханическую передачу, обеспечивает нормальные условия ее работы. In the embodiment of the transmission with hydromechanical transmission 21 and the presence of an additional heater 22, the heated hydraulic fluid from the transmission 21 enters the heater 22, further heating the engine 7, increasing the efficiency and improving its working conditions. The liquid passing through the heater is effectively cooled and, entering the hydromechanical transmission, provides normal conditions for its operation.

Claims

1. The pneumatic drive of the vehicle, including a low pressure pneumatic accumulator, pneumatically connected pneumatic reducer, heat exchanger, heater, pneumatic motor, electric generator, compressor and drive wheels kinematically connected to the pneumatic motor through a transmission, characterized in that it is additionally equipped with a high pressure pneumatic accumulator, pneumatically connected to the drive through said pneumatic reducer, and a vacuum system including a vacuum pump, the self-reducer is made in the form of an expander, the output shaft of which is kinematically connected with the drive shafts of the compressor, electric generator and vacuum pump, also kinematically connected through the brake clutch with the drive wheels.

2. The pneumatic actuator according to claim 1, characterized in that the storage battery, heat exchanger and heater are combined into a single unit.

3. The pneumatic actuator according to claim 1 or 2, characterized in that it is additionally equipped with a heater built into the air motor, and the transmission includes a hydromechanical transmission hydraulically connected to this heater.

4. Pneumatic actuator according to one of paragraphs. 1-3, characterized in that the air motor is made in the form of a double-acting hydraulic cylinder, in the hydraulic chambers of which inflatable cylinders are placed, which are in antiphase communicating with a pneumatic accumulator-accumulator and a vacuum pump.