Рекуператор

 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и предназначено для аккумулирования энергии при торможении транспортного средства (ТС) с последующим ее возвратом для разгона ТС. Рекуператор содержит аккумулятор механической энергии, кинематически соединенный с колесами транспортного средства, а трубопроводами - с ресивером и органами управления и установленный с возможностью аккумулировать и расходовать энергию сжатого воздуха в ресивере соответственно при торможении и движении. Новым является то, что рекуператор содержит теплообменник, установленный с возможностью теплообмена сжатого воздуха, циркулирующего между ресивером и аккумулятором механической энергии. Аккумулятор механической энергии выполнен в виде теплоизолированного ротационно-пластинчатого компрессора, который своим ротором кинематически соединен с колесами транспортного средства. Ресивер и трубопроводы содержат теплоизолированную оболочку. Техническим результатом является повышение кпд как ТС, так и самого рекуператора, существенная экономия топлива и повышение экологических показателей. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам, которые способны не только аккумулировать механическую энергию при торможении (замедлении) движения транспортного средства, но и возвращать запасенную энергию при разгоне (ускорении). Конкретно изобретение относится к рекуператорам для транспортных средств. Оно может быть использовано для всех видов наземного транспорта, как автомобильного, так и электротранспорта. При использовании рекуператора достигается важный результат. Экономится топливо не только в самих автомобилях, но и на электростанциях.

В качестве ближайшего прототипа рассмотрим патент US 5549174 А, кл. В 60 К 6/00, опубл. 27.08.1996 г., где в составе рекуператора предложено использовать компрессоры, которые устанавливаются на все колеса транспортного средства. В состав рекуператора входит ресивер для аккумулирования энергии сжатого воздуха при торможении. Энергия сжатого воздуха далее может расходоваться для движения транспортного средства.

Существует также предложение использовать в составе рекуператора гидромашину (насос) патент US 4986383 А, кл. В 60 К 6/00, опубл. 22.01.1991 г., который кинематически связан с колесами транспортного средства. В состав рекуператора входит также ресивер для аккумулирования энергии сжатого воздуха при закачивании жидкости в режиме торможения. Энергия сжатого воздуха далее может быть возвращена при движении транспортного средства. Жидкость, вытесняемая сжатым воздухом из ресивера, заставляет вращаться гидромашину (насос), которая передает движение колесам.

Однако рекуператоры по представленным патентам имеют недостатки.

По первому патенту US 5549174 А предложена система сбережения рассеиваемой тепловой энергии от двигателя внутреннего сгорания и горячих газов, проходящих к выхлопной трубе. Уловленное тепло в двухконтурной системе передается жидкости, которая циркулирует в системе, где она превращается в пар. Пар заставляет вращаться турбину, соосно связанную с ротором компрессора, который нагнетает сжатый воздух в ресивер. Таким образом аккумулируется рассеянная тепловая энергия от двигателя внутреннего сгорания. Однако нашему рассмотрению подлежит дополнительный источник для аккумулирования энергии в ресивере, в качестве которого служат компрессоры, установленные на колесах транспортного средства. При торможении они нагнетают сжатый воздух в ресивер, но при этом не учтено, что компрессоры также являются источниками тепла, т.к. происходит термодинамическое сжатие, которое сопровождается выделением тепла и также может использоваться. Проходя к ресиверу, сжатый воздух, имеющий высокую температуру (теплосодержание, измеряемое в ккал/кг), рассеивает тепло в самих компрессорах, трубопроводах и ресивере. Объем и давление при этом уменьшаются и при возврате воздуха в компрессоры при обратном его движении такое же явление повторяется, еще более снижая аккумулированную энергию сжатого воздуха. Следовательно, к.п.д. рекуператора будет низким. Неучтена в данном устройстве и безопасность нагнетаемого в ресивер горячего воздуха, что грозит вспышкой паров масла, присутствующих в воздухе, поступающем в ресивер из компрессоров и параллельной системы сбережения тепла. Критически можно оценить и большую массу, касающуюся рекуператора, т.к. четыре компрессора установлены вместе с редукторами на каждом колесе.

По второму патенту US 4986383 А предложен рекуператор, где также присутствует ресивер для аккумулирования энергии сжатого воздуха при закачивании жидкости в режиме торможения. Аккумулированная энергия сжатого воздуха в ресивере далее может расходоваться при движении транспортного средства. Жидкость вытесняется сжатым воздухом из ресивера и заставляет вращаться гидромашину (насос), которая далее передает движение колесам. Однако недостатком данного предложения является очень большой объем перегоняемой жидкости, сопоставимый с объемом воздуха в предыдущем примере. На перевозку этого количества жидкости потребуется дополнительная емкость, т.е. масса рекуператора будет очень большой и затраты топлива в транспортном средстве на ее постоянную перевозку могут быть выше, чем ожидаемый выигрыш в экономии топлива при использовании такого рекуператора. Недостатком является и то, что представленная гидромашина (насос) выполнена поршневой, а она не является быстроходной. Не решен вопрос и с удалением конденсата из ресивера от применяемой жидкости, т. к. сжимаемый в ресивере воздух нагревается и передает тепло жидкости. С поверхности жидкости происходит активное парообразование. Пар при вытеснении жидкости конденсируется на стенках ресивера из-за термодинамического расширения воздуха и падения температуры, а также поглощается самой жидкостью. Это может привести к постепенному заполнению ресивера жидкостью и сбою в работе рекуператора. Так же, как и в первом патенте США, тепло от сжатого в ресивере воздуха рассеивается, снижая к.п.д. системы.

Перечисленные недостатки прототипов устраняются предлагаемым изобретением, которое повышает к.п.д. рекуператора.

Эта задача решается прежде всего тем, что предложенный рекуператор, содержащий аккумулятор механической энергии, кинематически соединен с колесами транспортного средства, а трубопроводами - с ресивером и органами управления и установлен с возможностью аккумулировать и расходовать энергию сжатого воздуха в ресивере соответственно при торможении и движении, и так же еще тем, что содержит теплообменник, установленный с возможностью теплообмена сжатого воздуха, циркулирующего между ресивером и аккумулятором механической энергии, который выполнен в виде теплоизолированного ротационно-пластинчатого компрессора, который своим ротором кинематически соединен с колесами транспортного средства, а упомянутые ресивер и трубопроводы содержат теплоизолированную оболочку.

В предлагаемом изобретении в качестве аккумулятора механической энергии предлагается использовать ротационно-пластинчатый компрессор (РПК), который кинематически связан своим ротором с колесами транспортного средства. Тормозящее действие в предложенном варианте происходит при увеличении момента сопротивления на роторе РПК при нагнетании сжатого воздуха в ресивер, когда он подключается к колесам. При этом нагнетание сжатого воздуха может происходить как при легком притормаживании, так и до полной остановки транспортного средства. Аккумулированная энергия сжатого воздуха в ресивере может быть почти полностью возвращена при обратном прохождении сжатого воздуха из ресивера через рабочие камеры компрессора при разгоне или движении.

Предлагается применение одного ротационно-пластинчатого компрессора (РПК) в составе рекуператора. Это дает возможность сравнительно легкой адаптации к существующей тормозной и разгоняющей системе транспортного средства.

Надо отметить, что предлагаемый в составе рекуператора РПК имеет малые габариты и вес, т.к. этот тип компрессора является самым компактным. Самым большим достоинством компрессора является возможность в предлагаемом варианте (см. ниже) достижения больших частот вращения ротора до 10000 об/мин. Это значит, что имеется возможность начинать торможение с больших скоростей движения. Ротационно-пластинчатый компрессор - пожалуй единственный вид компрессора объемного сжатия, наиболее адаптированный для целей рекуперации. Рассмотрим с этой стороны РПК подробнее.

Помимо стремления увеличения к.п.д. самого РПК и рекуператора в целом, необходимо для этого еще стремиться учесть сохранение термодинамической энергии рабочего тела (воздуха), участвующего в данном циклическом процессе. Для этого целесообразно сохранять высокую температуру сжатия (теплосодержание воздуха ккал/кг) в самом компрессоре и в ресивере, а также в связывающих трубопроводах всего рекуператора. Для этого необходимо все упомянутые элементы конструкции теплоизолировать. Т.к. уже упоминалось, что РПК является самым компактным типом компрессора, то при той же производительности, что и в других компрессорах, он имеет меньшую площадь поверхности теплорассеивания. Это означает, что РПК может иметь больший к.п.д. по теплосохранению, чем в прототипах и также проще теплоизолируется. Транспортное средство, снабженное предложенным рекуператором, позволяет использовать встроенный РПК и как компрессор, например для дорожно-строительных работ и т. д., что удобнее таких же установок на шасси, а также для других целей.

Чтобы обезопасить ресивер от чрезмерного нагрева при прохождении нагретого воздуха от компрессора и тем самым предотвратить возможную вспышку паров масла в нем, предлагается дополнить ресивер теплообменником. Пропуская нагретый воздух от компрессора через теплообменник, заполненный жидкостью, снижается его температура. Сама жидкость при этом подогревается. Наоборот, выпуская воздух из ресивера, его температура вследствие понижения давления (термодинамического расширения) падает, но при прохождении через теплообменник снова повышается. Жидкость отдает воздуху запасенное тепло. Это дает прирост работы на компрессоре при его работе в качестве двигателя, т.к. подогретый воздух имеет больший объем.

Рассмотрим некоторые вопросы, связанные с управлением предложенным рекуператором.

Например, начальную часть хода педали тормоза можно использовать для подключения рекуператора на режим торможения, остальную часть хода педали оставить для воздействия на тормозные колодки. При этом, если на линии нагнетания от РПК к ресиверу установить регулируемый дроссель, можно изменять скорость торможения. При необходимости сокращения времени торможения можно использовать одновременно с действием РПК и подключаемые тормозные колодки. Для этого используется вторая часть хода педали тормоза в обоснованных случаях. Наоборот, при разгоне можно использовать полностью ход педали акселератора (газа) для полного выхода сжатого воздуха из ресивера через рабочие камеры РПК. При воздействии на педаль акселератора сжатый воздух расцепляет муфту сцепления, включенную при торможении, и она автоматически отходит от ротора РПК. Транспортное средство при совместной работе РПК с двигателем, который включается той же педалью, набирает определенную скорость. Форсированный режим работы двигателя на участке разгона с рекуператором смягчается, так как РПК на время сам становится двигателем, и поэтому уменьшаются выбросы вредных веществ в атмосферу и экономится топливо.

Целесообразно использовать для целей рекуперации РПК по патенту RU 2062358 C1, 6 F 04 C 2/344, 18/344, заявки 5012592/06 от 24.07.91 г. Это связано с тем, что конструкция компрессора позволяет не только развивать высокие обороты ротора, как показано выше, но и дополнять ее органами управления, как для параллельного, так и последовательного сжатия воздуха. Оборудование РПК дополнительными золотниками позволит управлять потоками сжатого воздуха, проходящими через его рабочие камеры. Это дополнение позволить вращать ротор в любом направлении (по аналогии с пневмоинструментом). В конструкции по этому патенту имеется основная рабочая камера, а дополнительные камеры размещены во внутренних расточках ротора. Это дает возможность компактно сохранить габариты "одноступенчатого" ротационно-пластинчатого компрессора, но при этом увеличить объем нагнетаемого воздуха, а значит, и его мощность.

Устройство рекуператора изображено на чертеже в виде принципиальной схемы, размещенной на шасси транспортного средства. Оно состоит из следующих частей: ротационно-пластинчатый компрессор 1 (РПК) снабжен ручкой 2, которая расчитана на один из режимов работы, как параллельного двухступенчатого, так и последовательного двухступенчатого сжатия воздуха в компрессоре. Ручка 3 установлена для переключения РПК 1 на режимы работы как "двигателя", так и "компрессора". На роторе РПК установлена односторонняя обгонная муфта 4, выполненная в виде зубчатой шестерни. Соосно с ней установлена фрикционная муфта 5 с поршневым диском 6. Муфта 4 сопряжена с зубчатым колесом 7, установленным на выходном валу двигателя транспортного средства для возможности привода карданного вала 8 и колес. Трубопроводы 9 и 10, отведенные от компрессора 1, содержат соответственно обратный клапан 12 и редукционный клапан 11. Трубопроводы 9 и 10 пропущены через теплообменник 13 в ресивер 14. С другой стороны трубопроводы 9 и 10 соединены с компрессором 1 через колодку 15, которая снабжена золотником и ручкой 3 и выходным патрубком РПК 1. Колодка 15 снабжена золотником 17, а колодка 16, стоящая справа, - золотником 18 и последняя выполнена с возможностью подключения резервного источника сжатого воздуха В для воздействия на пнемоцилиндр 22 и фрикционную муфту 5 с поршневым диском 6 посредством трубопровода 21. Золотники 17 и 18 кинематически связаны с педалью 19 акселератора (газа) и педалью 20 тормоза соответственно.

Рекуператор работает так: при нажатии педали тормоза 20 отклоняется золотник 18 и его проходное отверстие совмещается с отверстиями в самой колодке 16 (см. вид сбоку и вид А чертежа). Ресивер 14 в этот момент не заполнен сжатым воздухом. От постороннего источника В сжатого воздуха давление передается по трубопроводу 21 к вспомогательному цилиндру 22, который переводит ручку 3 вместе с золотником компрессора 1 в положение режима работы "компрессора". Одновременно поршневой диск 6 фрикционной муфты 5 сцепляется с односторонней обгонной муфтой 4, выполненной в виде зубчатой шестерни. Причем до начала торможения данная муфта 5 вращается свободно приводимая во вращение сопряженным зубчатым колесом 7, установленным на выходном валу двигателя, выходящего из коробки передач. Сопряженное зубчатое колесо 7 передает вращение от компрессора 1 карданному валу 8 и далее на колеса. После процесса сцепления на роторе компрессора 1 возникает момент сопротивления, который передается по кинематической цепи на колеса шасси. Сжатый воздух начинает поступать по трубопроводу 9 через обратный клапан 12, теплообменник 13 в ресивер 14. Если необходимо ускорить процесс торможения, можно воспользоваться ручкой 2, которая переводит золотник компрессора 1 на режим двухступенчатого сжатия воздуха, и момент сопротивления вращения ротора еще более увеличивается, т. к. термодинамическая работа сжатия тоже увеличивается. Как указывалось выше, сокращать время торможения можно еще и установкой регулируемого дросселя на трубопроводе 9. Уменьшая просвет для прохода сжатого воздуха дроссельной заслонкой, можно увеличивать момент сопротивления на роторе РПК.

После завершения торможения ручка 2 возвращается в исходное положение и РПК устанавливаеся на режим первоначального параллельного двухступенчатого сжатия. Фрикционная муфта 5 расцепляется с обгонной муфтой 4.

Обратный процесс разгона начинается с нажатия педали 19 акселератора (газа), котороя включает компрессор 1 за счет того, что отверстие золотника 17 совмещается с отверстиями в колодке 15 и сжатый воздух из ресивера 14, через теплообменник 13, редукционный клапан 11 и по трубопроводу 10 достигает компрессор 1. Одновременно по ответвительному трубопроводу воздух поступает в штоковую полость цилиндра 22. Последний переводит ручку 3 с золотником компрессора 1 на режим работы "двигателя". Сжатый воздух проходит через рабочие камеры компрессора 1 и создает крутящий момент, который передает вращение через кинематическую цепь на колеса. В это же время педаль 19 включает в действие и основной двигатель транспортного средства. Общая пара основной двигатель и "двигатель" компрессор 1 начинают совместную работу по разгону транспортного средства. После завершения разгона и полного выхода рабочего тела (воздуха) из ресивера 14 через рабочие камеры компрессора 1 РПК не производит крутящего момента и обгонная муфта 4 начинает свободное вращение на роторе РПК 1. В представленной схеме показаны возможности рекуператора при простом торможении и разгоне, однако в реальности требуется например торможение и разгон "ступеньками", "задний ход" и т. д. Для этого следует дополнить представленную схему исполнительными элементами, которые будут ослаблять сцепление на муфте 5, при этом сохраняя рабочее тело (воздух) в ресивере. При использовании представленной схемы движение "назад" ограничено односторонней обгонной муфтой 4 и приходиться проворачивать РПК. Однако такое движение носит эпизодический характер и потерями топлива можно пренебречь.

Экономическая справка Транспортное средство в городе расходует в среднем на 50% больше топлива, чем за городом на трассе. Это связано с многочисленными остановками. Автобус "Лиаз", например, расходует за 12 часов эксплуатации около 90 л диз. топлива, при этом проходит путь около 220-240 км, что составляет около 40 л на 100 км. Расход топлива по паспортным данным на трассе составляет 24 л на 100 км при скорости движения 60 км/ч. С применением рекуператора экономия диз. топлива может составить 90-50=40 л/день (50 л это расход по паспортным данным на дистанции 220-240 км). 1 л диз. топлива стоит 6 р. 40 к. (по состоянию на июнь м-ц 2001 г.), экономия составит 40•6 р. 40 к.=256 р. 00 к. /день. За 30 дней эксплуатации экономия уже 7680 р. 00 к. За 6 месяцев - 46080 р. 00 к. Ориентировочная стоимость изготовления рекуператора для автобуса около 50000 р. (40000 р. компрессор РПК и ресивер с системой управления около 10000 р.). Таким образом, окупаемость дополнительного оборудования при установке на автобус около 6 месяцев. Рекуператор позволяет уменьшить и количество выхлопных газов, что частично решает экологические проблемы.

Заводская расчетная себестоимость изготовления первого РПК, выполненная на одном из заводов, который может использоватся только для легковых автомобилей, на август 1997 г. составила около 10000 р., трудоемкость 1000 н.ч.

Формула изобретения

Рекуператор, содержащий аккумулятор механической энергии, кинематически соединенный с колесами транспортного средства, а трубопроводами - с ресивером и органами управления и установленный с возможностью аккумулировать и расходовать энергию сжатого воздуха в ресивере соответственно при торможении и движении, отличающийся тем, что содержит теплообменник, установленный с возможностью теплообмена сжатого воздуха, циркулирующего между ресивером и аккумулятором механической энергии, который выполнен в виде теплоизолированного ротационно-пластинчатого компрессора, который своим ротором кинематически соединен с колесами транспортного средства, а упомянутые ресивер и трубопроводы содержат теплоизолированную оболочку.

РИСУНКИ

Рисунок 1