SI22377A - Integrirani hibridni pogon za plovila - Google Patents

Abstract

Elektromehanska motorna enota (3), sklopka (2) inelektronski regulator (4) so kljucni sestavni deli hibridnega pogona. Elektromehanska motorna enota(3) je prigrajena na motor z notranjim zgorevanjem (1) na mestu prirobnice (18), kjer se obicajno pritrdi ohisje vztrajnika. Na prirobnico (8) rocicne gredi (7) je pritrjen vztrajnik (9). Kot v primerih avtomobilskih pogonov je na vztrajnik (9) pritrjeno ohisje sklopke (11), potisna plosca (12) sklopke z vzmetjo (13). Pesto (10) z lamelno torno sklopko (29)je spojno z gredjo (19) rotorja elektromehanske motorne enote (3). Navor se iz motorja z notranjim zgorevanjem (1), preko vztrajnika (9) prenasa na rotor elektromehanske motorne enote. Potisno ploscosklopke (12) je mogoce s pomocjo aksialnega potisnega lezaja (14) aksialno odmakniti od drsne lamele (29) na pestu (9). Takrat je prenos navora z vztrajnika (9) na gred (19) elektromehanske motorne enote (3) prekinjen. Gred (19) rotorja je ulezajenav ohisje, ki je vodno hlajeno s samostojnim hladilnimsistemom s hladilno cevjo (24). Nosilec (25) rotorskega paketa z magneti (23) ali gred (19) se lahko uporabita za pritrditev sklopke (27) na odgonskistrani, preko katere se navor iz elektromehanske motorne enote (3) prenasa na pogonsko enoto s sklopko (5). Na ohisje je na strani, ki ni pritrjena na motor z notranjim zgorevanjem (1), pritrjen pokrov (26), ki ima glede na razlicne tipe pogonskih enot s sklopko razlicne oblike in dimenzije prirobnice.

Description

AVTORJA

1. Jože Seljak, univ.dipl.inž.stroj.

2. Robert Rebec, univ.dipl. inž.stroj.

ISKRA Avtoelektrika d.d. Šempeter pri Gorici Polje 15

5290 Šempeter pri Gorici

INTEGRIRANI HIBRIDNI POGON ZA PLOVILA

Predmet izuma

Predmet izuma je integrirani hibridni pogon za plovila, ki ima vgrajeno posebno elektromehansko motorno enoto med motor z notranjim zgorevanjem in reduktor marinskega pogona in omogoča pogon plovila na motor z notranjim zgorevanjem kot tudi na električni motor krmiljen s posebnim elektronskim krmilnikom. Sistem omogoča štiri načine delovanja. Zažene motor z notranjim zgorevanjem in tako nadomesti obstoječi zaganjalnik. Deluje paralelno z motorjem z notranjim zgorevanjem ter tako poveča izhodno moč celotnega pogona. Med delovanjem motorja z notranjim zgorevanjem deluje kot generator za napajanje porabnikov in polnjenje akumulatorjev. Sistem deluje tudi kot samostojen električni pogon plovila, kadar je elektromehanska enota ločena od motorja z notranjim zgorevanjem. Ločljivo povezavo med elektromehansko motorno enoto in reduktrojem marinskega pogona omogoča lamelna torna sklopka , ki ločuje ali spaja oba pogonska motorja po potrebi in glede na željeni način delovanja integriranega hibridnega pogona za plovila.

Povzetek izuma

Hibridni pogoni so poznani predvsem v osebnih avtomobilih in drugih večjih vozilih in se med seboj razlikujejo po tehničnih rešitvah in voznih lastnostih.

Tehnični problem, ki ga rešuje izum je nova rešitev, ki omogoča integrirano hibridno izvedbo pogona za plovila z motorjem z notranjim zgorevanjem in električnim motorjem. Posebna elektromehanska motorna enota je vgrajena med pogonski motor plovila in reduktor, ki prenaša moč motorja na ladijski vijak. Sistem, ki je sestavljen iz elektromehanske motorne enote, elektronskega krmilnika za njeno upravljanje, lamelne torne sklopke, sistema za vklapljanje in izklapljanje lamelne torne sklopke ter kompleta ustreznih baterij, omogoča različne načine uporabe. To so lahko zagon motorja z notranjim zgorevanjem, proizvodnja električne energije, čisti elektromotorni pogon plovila, sočasno delovanje motorja z notranjim zgorevanjem ter električnega motorja za povečanja navora v nizkem območju vrtljajev motorja z notranjim zgorevanjem. Glavni predmet nove rešitve je modulna izvedba elektromehanske motorne enote in sklopke, ki omogočata enostavno izvedbo hibridnega pogona. Posebnega pomena je uporaba standardne avtomobilske lamelne torne sklopke, ki jo običajno uporabljamo na pogonih za cestna vozila. Ta sklopka vklopi ali izklopi povezavo med ročično gredjo motorja z notranjim zgorevanjem in gredjo elektromehanske motorne enote.

Konstrukcijska rešitev posebne elektromehanske motorne enote je izvedena in prilagojena tako, da je možna vgradnja na plovila z obstoječimi motorji z notranjim zgorevanjem in njim ustreznim pogonskim reduktorjem za plovila kakor tudi za nove konstrukcijske izvedbe. Sistem je primeren prednostno za vgradnjo na vse vrste plovil z motorjem vgrajenim v trupu in za vse vrste pogonov, ki so predvideni za ta plovila.

Motor z notranjim zgorevanjem in posebna elektromehanska motoma enota skupaj tvorita integrirani hibridni pogon plovila, ki uporabniku nudi prednosti obeh pogonov. Elektromehanska motorna enota omogoča tiho in ekološko plovbo v zaščitenih območjih, natančno manevriranje pri nizki hitrosti in vožnjo s polno močjo pri sočasnem delovanju motorja z notranjim zgorevanjem in električnega motorja. Z opisanim sistemom sta zagotovljena tudi zagon motoga z notranjim zgorevanjem in proizvodnja električne energije. Oboje omogoča, da na motorju z notranjim zgorevanjem nista več potrebna običajen zaganjalnik za zagon in alternator za proizvodnjo električne energije.

Delovanje sistema omogočata elektronski krmilnik in akumulatorska baterija. Elektronski krmilnik je samostojna naprava, ki krmili delovanje elektromehanske motorne enote in tudi lamelne torne sklopke s pomočjo vhodnih signalov, ki jih prejema od senzorja pozicije rotorja, senzorja vklopa lamelne torne sklopke, različnih stikal in položaja elektronskih komandnih ročk. Na podlagi teh signalov omogoča različne načine delovanja. V generatorskem načinu krmilnik prejema od elektromehanske enote trifazno inducirano izmenično napetost, ki se ji v odvisnosti od hitrosti vrtenja motorja z notranjim zgorevanjem spreminja amplituda in frekvenca. Ustvarjena napetost se pretvori tako, da se uporablja za polnjenje akumulatorjev in napajanje električnih porabnikov na plovilu. V motornem načinu delovanja, opravlja krmilnik funkcijo regulacije hitrosti vrtenja elektromotorja. V načinu sočasnega delovanja, ko nudi dodatno moč motorju z notranjim zgorevanjem, deluje krmilnik podobno kot v motornem načinu le, da so omogočeni vrtljaji do višje zgornje meje. Na tak način je mogoče doseči učinek seštevka moči obeh motorjev v sočasnem pogonu. Ta način je časovno omejen. Pri zagonu motorja krmilnik deluje prav tako v motornem načinu in z vrtljaji prirejenimi za zagon motorja.

Akumulatorska baterija mora imeti dovolj veliko kapaciteto za shranjevanje električne energije, ki mora zadoščati za zagon motorja z notranjim zgorevanjem, časovno omejeno vožnjo z električnim pogonom ali pa za napajanje električnih porabnikov na samem plovilu. Za plovila so še vedno najprimernejše posebne izvedbe svinčevih voznih, gel in AGM akumulatorskih baterij.

Integrirani hibridni pogon je primeren za vse vrste in velikosti plovil in njim ustreznim motorjem z notranjim zgorevanjem. Glede na način vožnje ter namen uporabe plovil je primeren za pogon izpodrivnih čolnov, bivalih plovil, motornih jadrnic, gliserjev ter servisnih, komercialnih, namenskih in vseh drugih plovil. Mogoče ga je izdelati tudi za druge napetosti, ki niso v običajni rabi na plovilih.

Stanje tehnike

Patent Sl 21586 opisuje rešitev starter generatorja, ki je integriran na motor z notranjim zgorevanjem. Gre za električni stroj s permanentnimi magneti, katerega rotor je pritrjen na vztrajnik motorja z notranjim zgorevanjem, stator pa je vgrajen v ohišje vztrajnika. Tehnologija stroja s permanentnimi magneti omogoča delovanje brez vzdrževanja kakršnih koli komponent sistema. Tak generator je povezan z elektronskim regulatorjem, ki skrbi, da se trifazna izmenična napetost pretvori v enosmerno, ki služi za polnjenje akumulatorjev in generacijo energije za ostale porabnike. Patent se nanaša na generator in starter motorja z notranjim zgorevanjem. Rotor generatorja in ročična gred motorja z notranjim zgorevanje sta pri tem patentu togo spojena. Patent ne opisuje možnosti uporabe generatorja kot električnega motorja in ne opisuje možnosti sklopke med ročično gredjo in gredjo generatorja.

Patent Sl 22189 se nanaša na generator motor, ki ga je mogoče uporabiti kot električni generator, motor, zaganjalnik in dodatni vir moči k motorju z notranjim zgorevanjem. Patent opisuje novo izvedbo drsne sklopke. Povezavo med ročično gredjo motorja z notranjim zgorevanjem in gredjo elektromehanske enote je mogoče vklopiti s pomočjo posebne drsne sklopke, ki se aktivira preko hidravličnega potisnega ležaja. Sistem zaradi toge povezave med elektromehansko enoto in ročično gredjo nima vztrajnika. Vztrajniško maso predstavlja sam rotor elektromehanske enote. Sistem omogoča pogon vozila ali plovila tudi le na električno energijo iz akumulatorjev, vendar pa je ob tem potrebna aksialna sila iz potisnega ležaja na vzmetno ploščo sklopke. Zaradi vrtenja le-te med delovanje samo električnega pogona prihaja do izgub v aksilanem potisnem ležaju. Patent ne opisuje variante, ki bi lahko takšne izgube odpravila. Patent ne opisuje uporabe standardnih sklopnih elementov.

Patent DE 29604437 se nanaša na hibridni pogon za plovila, ki vključuje pogonski diesel motor togo spojen z električnim motorjem. Takšen pogon služil za zniževanje porabe goriva, ne omogoča pa uporabe električnega pogona samostojno. Patent ne vključuje uporabe sistema kot zamenjave klasičnega zaganjalnika.

Patent US 6396161 opisuje integrirani generator-motor, ki je z motorjem z notranjim zgorevanjem spojen s pomočjo električne sklopke. Tak sistem ima možnost delovanja kot zaganjalnik, generator in električni motor, ne predvideva pa uporabe funkcije dodatnega pospeševanja motorja z notranjim zgorevanjem. Električni stroj predstavlja asinhronski motorgenerator, ki za delovanje v motarskem režimu in režimu zaganjalnika potrebuje povratno informacijo o hitrosti vrtenja rotorja.

Opis izuma

Izum bo opisan na izvedbenem primeru na slikah, ki prikazujejo:

Slika 1: Blokovna shema komponent integriranega hibridnega pogona za plovila

Slika 2: Vzdolžni prerez elektromehanske motorne enote

Celoten sistem integriranega hibridnega pogona plovila sestavljajo mehanske in električne komponente. Na običajen marinski motor z notranjim zgorevanjem 1 je prigrajena elektromehanska motorna enota z brezkrtačnim električnim generatorjem-motorjem s trajnimi magneti ali katerakoli druga ustrezna izvedba električnega stroja.

Vsi režimi delovanja električnega dela integriranega hibridnega pogona so krmiljeni z elektronskim krmilnikom, ki je povezan na komandne ročke plovila.

Glede na položaj sklopke, ta je lahko vklopljena ali izklopljena, so omogočene naslednje funkcije integriranega hibridnega pogona:

- zagon motorja z notranjim zgorevanjem: sklopka 2 je vklopljena, sklopka, ki se nahaja v pogonski enoti s sklopko 5, pa izklopljena. Delovanje v funkciji zaganjalnika je programirano tako, da po zagonu motorja z notranjim zgorevanjem samodejno preide v generatorsko delovanje

- generator električne energije: sklopka 2 je vklopljena, sklopko v pogonski enoti s sklopko 5 pa lahko prosto izklapljamo in vklapljamo kot običajno pri vožnji. Izkoristek generatorja je večji od 80%, kar je bistveno več kot pri alternatorju. Možno je tudi generiranje električne energije, pri čemer motor z notranjim zgorevanjem ne deluje, sklopka 2 je izklopljena, sklopka v pogonski enoti s sklopko 5 pa vklopljena in je generator gnan z ladijskim vijakom, ki ga vrti tok vode. Takšen način generacije energije je mogoče koristno uporabljati na primer pri jadrnicah ali plovili v privezih na rekah.

- električni pogon plovila brez delovanja motorja z notranjim zgorevanjem: sklopka 2 je izklopljena sklopka v pogonski enoti s sklopko 5 pa vklopljena po potrebi. Delovanje je zelo tiho in ekološko neoporečno. Čas vožnje z električnim pogonom je odvisen od izbrane kapacitete akumulatorjev. Pri tem se akumulatorji ne izpraznijo toliko, da ne bi bil možen ponoven zagon motorja z notranjim zgorevanjem.

- dodatna moč pogona: motor z notranjim zgorevanjem deluje in sta vklopljeni obe sklopki. Sočasno z motorjem z notranjim izgorevanjem 1 deluje tudi elektromotor 3 ter motorju z notranjim zgorevanjem doda dodatno moč katere trajanje lahko časovno omejimo. Motorji z notranjim zgorevanjem imajo pri nizkem številu vrtljajev nizek navor in moč. Ta rešitev hibridnega pogona, ob sočasnem delovanju električnega motorja in motorja z notranjim zgorevanjem, omogoča plovilu podobne lastnosti kot bi jih imelo z močnejšim motorjem z notranjim zgorevanjem.

Elektromehanska motorna enota 3, sklopka 2 in elektronski krmilnik 4 so ključni sestavni deli integriranega hibridnega pogona za plovila. Elektromehanska motorna enota 3 je prigrajena na motor z notranjim zgorevanjem 1 na mestu prirobnice 28, kjer se običajno pritrdi ohišje vztrajnika. Na prirobnico 8 ročične gredi 7, je pritrjen vztrajnik 9. Na vztrajnik 9 je pritrjeno ohišje sklopke 11 s potisno vzmetjo 13 in potisna plošča 12 sklopke. Pesto 10 z drsno lamelo sklopke 29 je spojeno z gredjo 19 rotorja elektromehanske motorne enote 3. Aksialni potisni ležaj 14 je pritrejn na notranjo steno 20 v ohišju 18. Odvisno od njegove izvedbe ga lahko aktiviramo hidravlično, električno ali mehansko. Ob aktivaciji ustvari potisni ležaj 14 aksialno silo, katera pritisne na vzmet 13, ta pa odmakne potisno ploščo 12 od pesta 10 z drsno lamelo sklopke 29. S tem se prekine prenos navora iz motorja z notranjim zgorevanjem 1, preko vztrajnika 9 na pesto 10 z drsno lamelo sklopke 29 in posledično na rotor elektromehanske enote 3.

Elektromehanska motorna enota 3 je sestavljena iz ohišja 18 s hladilno cevjo 24, statorja 22 z navitjem 21, potisnega ležaja 14, pokrova 25, rotorja sestavljenega iz gredi rotorja 19, rotorskega paketa z magneti 23 in nosilca 25 rotorskega paketa 23. Gred rotorja 19 je uležajena v ohišje 18. Nosilec rotorskega paketa z magneti 25 ali gred 19 rotorja se lahko uporabita za pritrditev sklopke 27 preko katere se prenaša moč na pogonsko enoto 5. Sklopka 27 je lahko različnih tipov, odvisno od uporabljene pogonske enote s sklopko 5. Statorski paket 22 z navitjem 21 je nepomično pritrjen v ohišje 18. Na ohišje 18 je na strani, ki ni pritrjena na motor z notranjim izgorevanjem 1, pritrjen pokrov 26, ki ima glede na različne možne odgonske reduktorje različne oblike in dimenzije prirobnice.

Statorski del generator-motorja je vgrajen v ohišje 18, ki je na eni strani pritrjeno na motor z notranjim zgorevanjem 1, na drugi strani pa ima izhodno gred 27 za prenos moči na pogonsko enoto s sklopko 5 za pogon ladijskega vijaka. Rotorski paket z magneti 23 je v ohišje statorja uležajen tako, da je v soosni legi z ročično gredjo 7 motorja z notranjim izgorevanjem 1. Prenos moči iz motorja z notranjim zgorevanjem 1 na elektromehansko motorno enoto 3 hibridnega pogona omogoča sklopka 2, ki ločuje ali spaja obe enoti.

Claims (9)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Integrirani hibridni pogon za plovila, krmiljen z elektronskim krmilnikom (4), je sestavljen iz motorja z notranjim zgorevanjem (1) in prigrajene elektromehanske motorne enote (3), katerih gredi sta v isti osi in ju spaja ali razdvaja lamelna torna sklopka (2), označena s tem, da je to prednostno avtomobilska sklopka, ki je na hibridnem pogonu za plovila upravljana z hidravličnim pomikom potisne plošče, električnim pomikom potisne plošče ali mehanskim pomikom potisne plošče za spajanje ali ločevanje elektičnega motorja od motorja z notranjim zgorevanjem.
2. 2. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je elektromehanska motorna enota (2) samostojni modul, ki omogoča enostavno prigradnjo med motor z notranjim zgorevanjem (1) in pogonsko enota s sklopko (5) ladijskega vijaka.
3. 3. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da elektromehanska motoma enota (3) deluje kot zaganjalnik motorja z notranjim zgorevanjem ali generator v povezavi z motorjem z notranjim zgorevanjem ali generator v povezavi z ladijskim vijakom ali samostojni električni pogonski motor ali kot električni pogonski motor sočasno v povezavi z motorjem z notranjim zgorevanjem (1).
4. 4. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je aksialni potisni ležaj (14) pritrjen na pregrado (20) ohišja (18) in se zaradi tega v posameznih režimih delovanja ne vrti, kar omogoča zmanjšanje izgube v vseh režimih delovanja integriranega hibridnega pogona.
5. 5. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je aksialni potisni ležaj (14) sklopke lahko aktiviran hidravlično, električno ali mehansko.
6. 6. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je elektromehanska motorna enota (3) krmiljena z elektronskim krmilnikom (4), ki je tudi sestavni del hibridnega pogona.
7. 7. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je elektromehanska motoma enota (3) razdeljena na dva prostora s pregrado (20), kjer se v enem prostoru nahaja mehanizem sklopke, v drugem pa električni stroj, z rotorskim paketom s trajnimi magneti (23) in statorjem (22) z navitjem (21) pritrjenim v ohišje (18).
8. 8. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je elektromehanski motorni enoti (3) mogoče zamenjati pokrov (26) ohišja (18) in s tem prirediti primernost sistema za vse tipe prirobnic potrebnih za pritrditev na različne pogonske sisteme na izhodni odgonski strani.
9. 9. Integrirani hibridni pogon za plovila po zahtevku 1, označen s tem, da je v ohišje (18) elektromehanske motorne enote (3) vgrajena hladilna cev (24) za tekočinsko hlajenje, ki omogoča učinkovit odvod toplote iz statorja z navitjem.