Спосіб рекуперації енергії гальмування транспортного засобу з паросиловою установкою та пристрій для рекуперації

1. Способ рекуперации энергии торможения транспортного средства с паросиловой у с т а н о в к о й , в к л ю ч а ю щ и й отбор кинетической энергии торможения, накопление ее в аккумуляторе и выдачу ее в силовую установку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что отбор кинетической энергии торможения осуществляют путем вытеснения из камеры д в и г а т е л я через с у ж а ю щ е е с я отверстие потока рабочего тела в парообразном состоянии, кинетическую энергию которого преобразуют в тепловую путем энергетического разделения на парообразную и жидкую фазы, которую накапливают в аккумуляторе, причем жидкая фаза имеет более высокую температуру по сравнению с парообразной. 2. Способ п о п , 1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, что энергетическое разделение производят в адиабатной вихревой трубе. 3. Устройство для рекуперации энергии торможения транспортного средства с паросиловой установкой, содержащее аккумулятор, узлы отбора кинетической энергии и выдачи ее в установку, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что устройство снабжено насосом и преобразователями кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела, входные патрубки которых соединены с соответствующими выходными отверстиями узлов отбора, а выходные патрубки через насос соединены с аккумулятором, 4. Устройство по п. 3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что каждый преобразователь содержит камеру энергетического разделения потока рабочего тела с отборником жидкой фазы, соединенным с выходными патрубками, а входной патрубок выполнен в виде сужающегося сопла. 5. Устройство по п. 4, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что отборник жидкой фазы выполнен в виде кольцевых проточек в корпусе камеры энергетического разделения. 6. Устройство по п. 3, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что аккумулятор снабжен тепловой изоляцией. Изобретения относятся к машиностроению и могут быть использованы для рекуперации энергии торможения в паросиловых транспортных средствах. Известен способ рекуперации энергии торможения транспортного средства и устройство для его осуществления в виде реку перативной силовой установки [1]. Способ содержит операции отбора кинетической энергии торможения с вала трансмиссии транспортного средства, накопления ее в аккумуляторе механической энергии и выдачи запасенной энергии в силовую схему транспортного средства. В рекуперативной (20)94321797,22.04.93 (21) 4648402 /SU (22)20.02 89 (24)25.12 96 (46)25.12.96. Бюл. № 4 (56) 1. Авторское свидетельство N? 1203279, кл. F 16 Н 33/02, 1986. 2. Авторское свидетельство СССР №1118823, кл. F 16 Н 33/02, 1984 (прототип). (72) Прогляда Леонід Петрович (73) Прогляда Леонід Петрович (UA) о о 11080 силовой установке в качестве аккумулятора механической энергии использован маховик, помещенный в корпусе. Маховик посредством муфты кинематически связан с палом трансмиссии транспортного средст- 5 ва, с помощью которых осуществляется отбор кинетической энергии торможения. Посредством другой муфты и торового вариатора маховик кинематически связан с выходным валом, с помощью к о т о р о г о 10 осуществляется выдача запасенной в аккумуляторе энергии в силовую схему транспортного средства. С помощью вариатора можно изменять скорость вращения выходного вала. Он содержит два соосно установ- 15 ленных колеса и два дополнительных колеса, оси вращения которых перпендикулярны оси вращения первых двух колес. При этом положение оси одного из дополнительных колес может изменяться с помощью 20 устройства упраоления. Этим достигается изменение скорости вращения выходного вала при выдаче энергии в силовую схему транспортного средства. Известный способ рекуперации энергии торможения, ідсполь- 25 зующий аккумулятор механической энергии и механическую систему отбора энергии торможения и выдачи ее в силовую схему транспортного средства, не обеспечивает простоту конструкции использующей этот 30 способ известной рекурперативной силовой установки. Это связано с тем, что вес маховика и скорость его вращения достигают значительных величин, требующих надежной смазывающей подвески, а для 35 уменьшения сопротивления среды и для безопасности - кожуха. Кроме того, кинетическая энергия движущегося транспортного средства выделяется при его замедлении, а воспринимается она маховиком при его уско- 40 рении. Это вызывает необходимость в соединении трансмиссии транспортного средства с маховиком бесступенчатой передачей с широким диапазоном регулирования передаточ-. ного отношения. Механическая связь 45 аккумулятора с источником рекуперируемой энергии и с ее потребителем также достаточно сложна. К тому же, в кинематической схеме имеются значительные потери на трении. 4 средства с помощью той же гидромашины, работающей в режиме гидромотора. Этот способ является наиболее близким к заявляемому и в силу этого принят за прототип. Осуществленный на его основе пневмогидравлический рекуперативный привод, также принятый за прототип, содержит обратимую гидромашину, трубопроводы рабочей жидкости, распределитель и электроуправляемые клапаны, являющиеся узлами отбора кинетической энергии торможения и выдачи накопленной энергии в силовую схему транспортного средства, и пневмогидгзавлический аккумулятор с пневмогидравлідческим балпоном. Известный пневмогидравлический рекуперативный привод имеет сложную конструкцию. Его пневмогидравлический аккумулятор выполнен трехкамерным с двумя различного диаметра поршневыми разделителями сред. Пиевмогидравлический баллон имеет две камеры с поршневым разделителем сред, При этом и аккумулятор и баллон должны выдерживать значительные давления. Распределитель и электроуправляемые клапаны имеют систему управления, а весь привод должен иметь рабочую жидкость. Таким образом, известный способ не обеспечил упрощение конструкции устройства для его осуществления. Сложность устройства снижает эффект от рекуперации энергии торможения транспортного средства. Цель изобретения состоит в упрощении устройства рекуперации энергии торможения транспортного средства, использующего паросиловую у с т а н о в к у , путем осуществления его на основе заявляемого способа. Поставленная цель достигается тем, что в способе рекуперации энергии торможения транспортного средства, содержащем операции отбора кинетической энергии торможения, накопления этой энергии в аккумуляторе и выдачи накопленной энергии в Силовую схему, согласно изобретению, кинетическую энергию торможения преобразуют в тепловую энергию рабочего тела и накапливают ее в аккумуляторе тепла. При этом кинетическую энергию торможения Известен способ рекуперации энергии 50 преобразуют в тепловую энергию рабочего торможения транспортного средства и усттела путем энергетического разделения поторойство для его осуществления в виде пневка рабочего тела, например, в адиабатной матического рекуперативного привода [2]. вихревой трубе. Поставленная цель достигаСпособ содержит операции отбора кинетиется также тем, что устройство для рекупераческой энергии торможения с вала транс- 55 ции энергии торможения транспортного миссии транспортного средства с помощью средства, содержащее аккумулятор и узлы отгидромашины, работающей в режиме гидбора кинетической энергииторможения и выронасоса, накопления ее в пневмогидраелидачи накопленной энергии в силовую схему, ческом аккумуляторе и выдачи запасенной согласно изобретению, дополнительно соэнергии в силовую схему транспортного держит преобразователь кинетической 11080 энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела, вход которого соединен с выходом узла отбора кинетической энергии торможения, а выход соединен с входом аккумулятора тепла. При этом преобразовав тель кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела содержит входной патрубок с сопловым вводом, камеру энергетического разделения потока рабочего тела с отборником жидкой фазы рабочего тела, выполненным, например, в виде кольцевых проточек в корпусе камеры энергетического разделения и соединенным с выходными патрубками. Цель упрощения устройства рекуперации поставлена для транспортного средства с паросиловой установкой, содержащей роторную паровую машину в качестве двигателя. В режиме торможения двигателем транспортного средства рабочее тело в камеру паровой машины не поступает, а выпускное отверстие переднего хода постепенно закрывается при закрытом выпускном отверстии заднего хода. Лопасти машины, будучи кинематически связанными через трансмиссию с колесами транспортного средства, продолжают движение и выталкивают парообразное рабочее тело через сужающееся отверстие, передавая рабочему телу кинетическую энергию торможения. В тепловой схеме паросиловой установки парообразное рабочее тело конденсируется и нагревается в жидкой фазе до критической температуры при критическом давлении, обеспечивающей работу паровой машины, Преобразование кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела уменьшило расход тепловой энергии нагревателя для нагрева рабочего тела. Рекуперированная энергия передается по тепловой схеме в силовую схему транспортного средства. Для этого нет необходимости иметь специальный носитель рекуперированной энергии и конструкция устройства рекуперации упростилась. Кроме того, для упрощения конструкции преобразование кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела осуществлено путем энергетического разделения потока рабочего тела в адиабатной (неохлаждаемой) вихревой трубе на охлажденный (приосевой) и нагретый (периферийный) потоки. При этом нагретый поток получают в жидкой фазе и направляют его в аккумулятор тепла. Конструкция и состав вихревой трубы достаточны просты. Она содержит входной патрубок с сопловым вводом, камеру энергетического разделения в виде отрезка трубы, в корпусе которой выполнены проточки, и выходные патрубки. Аккумулятор тепла также конструктивно 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 прост - это теплоизолированная емкость. Таким образом,заявляемый способ и заявляемое устройство обеспечили упрощение конструкции устройства для рекуперации и его небольшие весогабаритные характеристики, что в свою очередь повысило эффект от рекуперации энергии торможения Следовательно, заявляемые способ и устройство соответствуют критерию изобретения "положительный эффект". При анализе информационных источников не выявлено, чтобы с целью упрощения устройства рекуперации дпя транспортного средства с паросиловой установкой кинетическую энергию торможения преобразовывали в тепловую энергию рабочего тела и накапливали в аккумуляторе тепла. Не выявлено также, чтобы с той же целью в состав устройства для рекуперации энергии торможения дополнительно был бы введен преобразователь кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела, вход которого соединен с выходом узла отбора кинетической энергии торможения, а выход - с выходом аккумулятора тепла. Это дает основание полагать, что заявляемые способ и устройство соответствуют критерию изобретения "изобретательский уровень". Операции способа. 1. Отбор кинетической энергии торможения производят путем передачи ее потоку парообразного рабочего тела, проходящему через выпускное отверстие камеры паровой машины, прикрытием этого отверстия и выталкиванием потока. 2. Закручивают поток в вихрь и ускоряют его в сопловой камере вихревой трубы. 3. Осуществляют энергетическое разделение на периферийный и приосевой потоки в камере энергетического разделения. 4. Преобразуют кинетическую энергию периферийного потока в тепловую с переводом (конденсацией) его в жидкую фазу в той же камере 5. Тепловую энергию периферийного потока накапливают в аккумуляторе тепла. 6 Тепловую энергию аккумулятора выдают в силовую схему путем преобразования ее в кинетическую энергию вращения выходного вала паровой машины. На фиг. 1 чертежа дана тепловая схема паросиловой установки с устройством рекуперации энергии торможения транспортного средства; на фиг. 2 - преобразователь кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела - разрез вид сбоку и в сечении А-А. Конструкция заявляемого устройства и осуществление заявляемого способа даны на примере тепловой схемы паросиловой 7 • 11080 установки, использующей в качестве рабочего тела жидкость, у которой разность энтальпий между критическим и атмосферным давлением при адиабатическом расширении больше теплоты парообразования. Та- 5 кое рабочее тело поступает в паровую роторную машину объемного расширения в жидкой фазе с параметрами, соответствующими области его критического состояния. Однако, это не ограничивает область ис- 10 пользования заявляемых способа и устройства для его осуществления. Устройство для рекуперации энергии торможения транспортного средства содержит: 15 - узел отбора кинетической энергии торможения в составе лопасти 1, диафрагмы 2 и выпускного клапана (не показан), являющихся элементами паровой роторной машины 3 объемного расширения; 20 - преобразователь кинетической энергии торможения в тепловую энергию рабочего тела, выполненный в виде адиабатной вихревой трубы 4 в составе входного патрубка 5 с сопловым вводом, камеры 6 энер- 25 гетического разделения потока рабочего тела, выходных патрубков 7 и осевого выходного патрубка 8; - аккумулятор 9 тепла; - узел выдачи накопленной энергии в 30 силовую схему в составе диафрагмы 2 и лопасти 1 с выходным валом 10 паровой машины 3. Паровая роторная машина 3 объемного расширения [3] имеет шарообразный кор- 35 пус, в котором расположены диафрагма 2 и две лопасти 1 по обе стороны от нее. Диафрагма 2 установлена с возможностью перемещения относительно лопастей 1. Лопасти 1 установлены в корпусе машины 3 так, что 40 их продольные оси симметрии находятся под углом друг к другу. На лопастях 1 соосно и неподвижно закреплены валы 10, один из которых является валом отбора мощности и через трансмиссию связан с ходовой частью 45 транспортного средства. В валах 10 выполнены элементы дозаторов 11, корпусы которых закреплены на корпусе машины 3 (не показано). Дозаторы 11 управляются регулятором дозы рабочего тела (не показан). 50 Выходы дозаторов 11 соединены с впускными отверстиями рабочих камер паровой машины 3, которая, кроме того, имеет два выпускных отверстия с клапанами переднего и заднего хода (не показаны). Они расположи- 55 ны в корпусе, в диаметрально противоположных местах. Выпускное отверстие заднего хода соединено паропроводом со входом конденсатора 12. Выпускное отверстие переднего хода соединено с входным патрубком 8 5 вихревой трубы 4. В камере б энергетического разделения выполнен отборник жидкой фазы в виде кольцевых проточек 13 в ее корпусе. Проточки соединены с выходными патрубками 7. которые трубопроводом связаны с входом аккумулятора 9 тепла. Установленный соосно с вихревой трубой 4 осевой выходной патрубок 8 соединен паропроводом с входом конденсатора 12. Выходы конденсатора 12 и аккумулятора 9 соединены трубопроводом через автоматически управляемый клапан 14 с входом насоса 15, соединенного выходом с входом нагревателя 16. Выход нагревателя соединен с входами дозаторов 11. ^ Работа устройства. При торможении двигателем транспортного средства постепенно закрывают клапаном выпускное отверстие переднего хода (при закрытом выпускном отверстии заднего хода и отсутствии доз с дозаторов 11). Вращение лопастей 1 замедляется из-за создания противодавления в рабочих камерах. Связанное через трансмиссию с выходным валом 20 транспортное средство замедляясь, отдает свою кинетическую энергию торможения через лопасть 1 и диафрагму 2 паровой машины 3 потоку парообразного рабочего тела, проходящему через выпускное отверстие переднего хода, обеспечивая отбор кинетической энергии торможения. Поток рабочего тела, проходя через входной патрубок 5 с сопловым вводом вихревой трубы 4, ускоряется и поступает в камеру 6 энергетического разделения, где он закручивается в вихрь. Центробежная сила потока парообразного рабочего тела отжимает влагу к стенкам камеры 6. За счет динамического сжатия парообразного рабочего тела в периферийной области камеры 6 происходит его нагрев и отдача тепла сконденсированной жидкости, которая сосредоточивается (стекает) в кольцевых проточках 13 отборника жидкой фазы. Температура отходящего от стенок сухого пара уменьшается и часть его из-за повышенного давления у стенок камеры 6 конденсируется в жидкость. Другая его часть создает приосевой охлажденный поток, не конденсирующийся из-за пониженного давления в приосевой области. Таким образом, осуществляется энергетическое разделение потока на два потока - периферийный и приосевой и преобразование кинетической энергии периферийного потока в тепловую с переводом его в жидкую фазу. Эти операции осуществляют в адиабатной вихревой трубе. Приосевой охлажденный поток рабочего тела в газовой фазе с осевого выходного патрубка 8 по паропроводу поступает в конденсатор 12, где, отдавая часть своего тепла, конденсиру 11080 ется в жидкую фазу. Периферийный нагретый поток рабочего тела в жидкой фазе с кольцевых проточек 13 и выходных патрубков 7 поступает по трубопроводу в аккумулятор 9 тепла, который является накопителем рекуперированной энергии торможения в виде тепловой энергии. При наличии в аккумуляторе 9 рабочего тела клапан 14 пропускает его на вход насоса 15, а трубопровод отконденсатора 12 в это время перекрыт. В отсутствии рабочего тела в аккумуляторе 9 клапан 14 перекрывает его выход, например, посигналусдатчикауровня (не показан), а трубопровод конденсатора 12 соединяете насосом 15. Рекуперация энергии торможения в тепловую энергию обеспечивает меньший ее расход в нагревателе 16 в процесс нагрева рабочего тела до критической температуры. Таким образом, за счет саккумулированнои тепловой энергии совершается полезная работа. Это обеспечило повышение КПД паросиловой установки. 10 щение лопасти 1 и выходные валы 10 Здесь происходит выдача тепловой энергии рабочего тела (в том числе полученной за счет рекуперации энергии торможения) в сило5 вую схему путем преобразования ее в кинетическую энергию вращения выходного вала паровой машины. В отсутствие торможения при движении транспортного средства выпускное отверстие переднего хода 10 открыто, парообразное рабочее тело проходит через него с меньшей скоростью на вход вихревой трубы 4 и в ней не образуются условия энергетического разделения потока. В этом случае весь поток парообразного 15 рабочеготела через осевой выходной патрубок 8 по паропроводу поступает в конденсатор 12. 20 С выходом нагревателя 16 рабочее тело с критическими параметрами поступает на вход дозаторов 11, которые в зависимости 25 от величины управляющего сигнала, поступающего с регулятора дозы рабочего тела, (не показано) и в соответствии с требуемым крутящим моментом силы на выходном валу 10 паровой машины 3 формируют дозы ра- 30 бочего тела. Через пходные отверстия дозы поступают в рабочие камеры паровой машины. В камерах происходит парообразование рабочего тела и создается момент силы на диафрагме 2, который приводит во вра- 35 Таким образом, по сравнению со способами-прототипами рекуперации энергии торможения и устройствами их осуществления заявляемые способ и устройство обеспечили упрощение устройства рекуперации для паровой машины паросиловой установки транспортного средства. Кроме того, малые в е с о г а б а р и т н ы е х а р а к т е р и с т и к и устройства увеличили эффект от рекуперации энергии торможения - КПД паросиловой установки. Для получения эффекта рекуперации в тепловую схему установки был, по существу, введен только один дополнительный элемент - аккумулятор тепла, являющийся конструктивно простым элементом. Остальные элементы устройства рекуперации участвуют в выполнении основных функций схемы. 11080 Фаз • Выход Упорядник Замовлення 4046 Техред М.Моргентал Коректор Н. Куль Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна. 101