Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej
(21) Numer zgłoszenia: 427653
(22) Data zgłoszenia: 05.11.2018
(13)
B1
(51) Int.Cl.
B60K 6/00 (2006.01) B60K 6/22 (2007.10) B60K 1/02 (2006.01)
(54) Napęd hybrydowy pojazdu
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
18.05.2020 BUP 11/20
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
02.11.2020 WUP 17/20
(73) Uprawniony z patentu:
AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA
IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE, Kraków, PL
(72) Twórca(y) wynalazku:
JACEK BISKUPSKI, Jerzmanowice, PL
(74) Pełnomocnik:
rzecz. pat. Robert Klisowski
PL 23 58 8 1 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest napęd hybrydowy pojazdu, mający zastosowanie zwłaszcza w konstrukcjach miejskich pojazdów hybrydowych o wymaganej niskiej emisyjności dwutlenku węgla i NOx. Zgodnie z definicją Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 168/2013 z dnia 15 stycznia 2013 r. w sprawie homologacji i nadzoru rynku pojazdów dwu- lub trzykołowych oraz czte- rokołowców, przez „napęd” rozumie się silnik spalinowy, silnik elektryczny lub jakikolwiek inny rodzaj silnika, a także jakąkolwiek instalację hybrydową lub kombinację tych rodzajów silnika. „Pojazd hybry- dowy” zdefiniowany został we wspomnianym rozporządzeniu jako pojazd z napędem, wyposażony w co najmniej dwa różne przetworniki energii i dwa różne zbiorniki energii służące do napędzania pojazdu.
Znane są rozwiązania hybrydowych pojazdów elektrycznych, wykorzystujące do napędu moc z silnika spalinowego oraz elektrycznego. Przykładowo, z amerykańskiego opisu patentowego US937859A znany jest pojazd silnikowy, w którym wykorzystane są dwa rodzaje napędu: silnik spala- nia wewnętrznego oraz silnik elektryczny, pełniący również rolę generatora prądu, połączony z aku- mulatorem. W rozwiązaniu tym, każdy z silników napędza oddzielny wał, połączony z kołami pojazdu, a ich sprzęgnięcie odbywa się jedynie poprzez powierzchnię, po której toczą się koła. W trakcie rozru- chu silnik elektryczny jest zasilany z akumulatora i wprawia pojazd w ruch, co ułatwia uruchomienie silnika spalinowego. Gdy moc silnika spalinowego osiągnie pewien poziom, toczący się pojazd napę- dza silnik elektryczny, który pełni funkcję generatora prądu i ładuje akumulator. Ponadto, silnik elek- tryczny może służyć jako silnik wspomagający dla silnika spalinowego w trakcie jazdy.
W materiałach informacyjnych na temat Skody– model Vision X (https://web.archive.org/
web/20180308140718/http://www.skoda-auto.com/news/news-detail/vision-x) przedstawiono hybrydo- wy napęd, składający się ze stanowiącego napęd tylny silnika elektrycznego, zasilanego z akumulato- rów litowo-jonowych o napięciu 48V, oraz stanowiącego napęd przedni – silnika spalania wewnętrz- nego z rozrusznikiem i skrzynią biegów, który zasilany może być benzyną ze zbiornika paliwa lub sprężonym gazem ziemnym albo biogazem zmagazynowanym w kompozytowych zbiornikach. Aku- mulatory litowo-jonowe ładowane są dzięki rekuperacji energii podczas hamowania. Silnik elektryczny pełni rolę wspomagającą w trakcie startu oraz chwilowo w trakcie jazdy, gdy niezbędna jest poprawa dynamiki jazdy, w trakcie przyspieszeń pojazdu.
Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US2008/0185196A1 znany jest pojazd wyposażony w napęd, zawierający: silnik elektryczny do napędu co najmniej jednego koła, źródło zasilania zawie- rające akumulator do dostarczania prądu do wspomnianego silnika elektrycznego, silnik spalania we- wnętrznego połączony operacyjnie z generatorem prądu, który jest elektrycznie połączony z silnikiem elektrycznym i baterią akumulatorową w taki sposób, aby dostarczać prąd do silnika elektrycznego lub ładować odpowiednio baterię akumulatorową. Silnik spalania wewnętrznego nie ma środków przeno- szenia ruchu do połączenia silnika spalinowego z kołami napędowymi wspomnianego pojazdu.
W amerykańskim zgłoszeniu patentowym US2014/0014423A1 napęd pojazdu zawiera silnik elektryczny, który stanowi napęd dla jednej osi kół pojazdu i zasilany jest z baterii akumulatorów, które ładowane są z generatora prądu, napędzanego silnikiem turbinowym na paliwo ciekłe, a w wariancie zasilania sprężonym paliwem gazowym (CNG, LPG) może zawierać dodatkową turbinę odzyskującą energię rozprężenia ciśnienia sprężonego gazu. W innym przykładzie wykonania, jeden – główny sil- nik elektryczny, zastąpiony ostał przez cztery mniejsze silniki elektryczne, sprzężone z kołami pojaz- du. W każdym przypadku, wszystkie podzespoły napędu nadzorowane są za pomocą jednostki kon- trolno-sterującej.
Również w amerykańskim zgłoszeniu patentowym US2009/0250276A1 ujawniono elektryczny pojazd o napędzie hybrydowym, który zawiera silnik elektryczny, napędzający jedną z osi pojazdu i zasilany z baterii trakcyjnej lub baterii kondensatorów, które mogą być ładowane z silnika spalania wewnętrznego połączonego z generatorem prądu. Silnik spalania wewnętrznego może być zasilany różnymi rodzajami paliwa, w tym benzyną, gazem ziemnym, biogazem, wodorem itd. Ponadto w po- jeździe zastosowany jest regeneracyjny system hamulcowy. Działanie wszystkich podzespołów nad- zorowane jest za pomocą jednostki kontrolno-sterującej.
Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US2013/0319359A1 znany jest system odzysku energii w pojeździe zasilanym wodorem lub gazem ziemnym. System ten stanowi napęd pojazdu, w którym silnik elektryczny, zasilany z baterii trakcyjnej, sprzęgnięty jest mechanicznie z kołami pojaz- du. Silnik elektryczny pełni również rolę prądnicy ładującej baterię trakcyjną energią odzyskiwaną w trakcie hamowania. Ponadto, bateria ładowana jest z generatora prądu, sprzężonego mechanicznie
z silnikiem spalania wewnętrznego, który zasilany jest ze zbiornika gazu poprzez turbinę. Turbina stanowi element odzyskujący część energii z rozprężającego się gazu i połączona jest z drugim gene- ratorem prądu, który ładuje baterię trakcyjną. Z kolei energię cieplną powstającą w procesie spalania gazu w silniku spalania wewnętrznego odzyskuje się zamieniając ją na energię mechaniczną za po- mocą silnika Stirlinga, który z kolei jest sprzężony z trzecim generatorem prądu, wytwarzającym ener- gię elektryczną i ładującym baterię trakcyjną, i która ponadto może być ładowana z sieci elektrycznej w trakcie postoju pojazdu.
Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie napędu, zasilanego paliwem ciekłym, gazowym oraz energią elektryczną, który umożliwiałby niezależny napęd na przednie lub tylne koła, z możliwo- ścią napędu na cztery koła, a zwłaszcza wykorzystujący energię zazwyczaj traconą podczas jazdy w warunkach miejskich na doładowanie baterii trakcyjnej.
Istota napędu hybrydowego pojazdu, polega na tym, że posiada on dodatkową prądnicę o regu- lowanej mocy, która jest sprzęgnięta z wałem silnika spalania wewnętrznego i stanowi jedno ze źródeł zasilania baterii trakcyjnej, z którą jest połączona za pomocą przewodów elektrycznych, a ponadto silnik spalania wewnętrznego połączony jest za pomocą środków przeniesienia napędu z parą kół jezdnych tylnych albo parą kół jezdnych przednich - tj. parą kół, która nie jest sprzęgnięta z silnikiem elektrycznym. Korzystnym jest, gdy silnik elektryczny połączony jest za pomocą środków przeniesienia napędu z tylną osią napędową pary kół jezdnych tylnych, a silnik spalania wewnętrznego połączony jest za pomocą środków przeniesienia napędu, redukcji obrotów oraz mechanizmu różnicowego z półosiami napędowymi pary kół jezdnych przednich.
Również korzystnym jest, gdy napęd zawiera dwa silniki elektryczne, zintegrowane z piastami kół jezdnych tylnych.
Ponadto, ze względu ograniczenia emisji szkodliwych spalin, zwłaszcza NOx, korzystnym jest, gdy napęd zawiera dwa zbiorniki sprężonego lub skroplonego gazu, z których jeden stanowi zbiornik gazu ziemnego, a drugi – zbiornik wodoru, połączone przewodami paliwowymi z silnikiem spalania wewnętrznego poprzez urządzenie mieszająco-dozujące, połączone sygnałowo z jednostką kontrolno- -sterującą.
Zaletą niniejszego wynalazku jest jego zdolność do transferu energii uzyskanej w wyniku spala- nia mieszaniny gazów do baterii trakcyjnej, z wysoką sprawnością i przy znacznie niższej emisji spalin niż w trybie ładowania jej z gniazdka sieci elektrycznej, przy czym ładowanie baterii trakcyjnej może odbywać się zarówno podczas postoju, jak i podczas jazdy, zwłaszcza w warunkach miejskich.
Przykład wykonania napędu hybrydowego według wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat napędu z jednym silnikiem elektrycznym, a fig. 2 – z dwoma silnikami elektrycznymi zintegrowanymi z piastami kół jezdnych pojazdu.
Napęd hybrydowy według wynalazku zawiera silnik elektryczny 1, połączony układem przenie- sienia napędu z tylną osią, na której osadzona jest para kół jezdnych tylnych Kt pojazdu. Silnik elek- tryczny 1 z funkcją prądnicy, połączony jest za pomocą przewodów elektrycznych z baterią trakcyjną 2, która stanowi dla niego źródło zasilania albo odbiornik energii, w zależności od trybu pracy. Silnik spalania wewnętrznego 3 połączony jest półosiami napędowymi pary kół jezdnych przednich Kp za pomocą mechanicznego układu przeniesienia napędu, poprzez skrzynię biegów i mechanizm różni- cowy. Do wału silnika spalania wewnętrznego 3 przyłączone są dwie prądnice: prądnica 4 o napięciu 12V, która stanowi źródło zasilania dla akumulatora i standardowego wyposażenia pojazdu oraz do- datkowa prądnica 5 o regulowanej mocy o napięciu z zakresu 24 V – 72 V, która stanowi jedno ze źródeł energii do ładowania baterii trakcyjnej 2. Silnik spalania wewnętrznego 3 połączony jest ze zbiornikiem ciekłego paliwa 6, które stanowi benzyna oraz ze zbiornikiem gazu 7, który stanowi skom- presowany gaz ziemny (CNG). Bateria trakcyjna 2 posiada rozłączne podłączenie do zasilacza ze- wnętrznego 8, z którym jest połączona w trybie ładowania z gniazdka sieci elektrycznej. Urządzenie kontrolno-sterujące, które stanowi komputer pokładowy pojazdu, połączony jest sygnałowo w sposób przewodowy lub bezprzewodowy ze sterownikiem silnika pojazdu, który z kolei połączony jest z czuj- nikami osprzętu oraz elementami wykonawczymi.
W innym przykładzie wykonania (fig. 2) w napędzie zastosowane zostały dwa silniki elektryczne 1, zintegrowane z piastami kół tylnych Kt, natomiast napęd wyposażony jest w dwa zbiorniki na sprężony lub skroplony gaz: 7a i 7b, z których jeden stanowi zbiornik gazu ziemnego 7a, a drugi – zbiornik wo- doru 7b, i które połączone są przewodami paliwowymi z silnikiem spalania wewnętrznego poprzez urządzenie mieszająco-dozujące, połączone sygnałowo z jednostką kontrolno-sterującą.
W celu dokładniejszego wyjaśnienia napędu hybrydowego według wynalazku poniżej przedsta- wiono sposób jego działania w kilku wariantach ładowania (doładowywania) baterii trakcyjnej 2:
Wariant nr 1. Bateria trakcyjna 2 ładowana jest w trakcie postoju pojazdu z gniazda za- silacza zewnętrznego 8.
Wariant nr 2. Bateria trakcyjna 2 ładowana jest w trakcie hamowania pojazdu, prądem z silnika elektrycznego 1, który sprzęgnięty jest z tylną osią i pracuje w trybie prądnicy.
Wariant nr 3 (możliwy do zastosowania z wariantem nr 2). Bateria trakcyjna 2 ładowana jest w trakcie hamowania pojazdu, prądem z dodatkowej prądnicy 5.
Wariant nr 4. Ładowanie baterii trakcyjnej 2, prądem z dodatkowej prądnicy 5, która na- pędzana jest się poprzez pracę silnika spalania wewnętrznego 3, najkorzystniej w trybie spalania niskoemisyjnego gazu, zarówno w czasie postoju pojazdu, jak i w czasie jazdy, wykorzystując nadwyżkę energii mechanicznej silnika.
Całość systemu zarządzana jest przez jednostkę kontrolno-sterującą, którą stanowi zintegro- wany komputer pokładowy posiadający interfejs użytkownika pozwalający kierowcy pojazdu wybrać tryb jazdy i w zależności od niego, dokonujący optymalnych wyborów napędu, uwzględniając dodat- kowo warunki jazdy, wymaganą szybkość poruszania się, posiadane zasoby paliwa, ograniczenia emisji spalin, hałasu itp. W przypadku zastosowania w napędzie różnych rodzajów paliwa gazowego, jednostka kontrolno-sterująca, nadzoruje działaniem urządzenia mieszająco-dozującego i dynamicznie dobiera optymalną mieszankę paliwową w zależności od obciążenia i funkcji pełnionej przez silnik spalania wewnętrznego 3.
Napęd według wynalazku umożliwia jazdę tylko na paliwie gazowym lub benzynach, gdy silnik spalania wewnętrznego 3 napędza parę kół jezdnych przednich Kp, jak również – jazdę z wykorzysta- niem tylko silnika elektrycznego 1 zasilanego z baterii trakcyjnej 2. Po zsynchronizowaniu przez jed- nostkę kontrolno-sterującą obu napędów i napędzanie jednocześnie pary kół jezdnych przednich Kp i pary kół jezdnych tylnych Kt, możliwa jest jazda z napędem na cztery koła (4x4). Ma to szczególne znaczenie w pojazdach miejskich, które podczas postoju w korku lub podczas postoju na przystanku autobusowym mają praktycznie zawsze włączone silniki których praca jest marnowana. W wynalazku sinik spalania wewnętrznego (3) w tym trybie przechodzi w sposób zautomatyzowany przez włączenie trybu aktywnego postoju na najbardziej efektywne obroty, z punktu widzenia spalania paliwa, przy których następuje optymalne dla stopnia rozładowania baterii ich ładowanie przy odpowiednim dobo- rze proporcji mieszanki paliwowej (mieszaniny gazów). Korzystając z paliwa typu CNG/LNG silnik taki ładuje baterie trakcyjne powodując znacznie mniejsze zanieczyszczenia środowiska – produktami spalania są jedynie CO2 i para wodna.
Zastrzeżenia patentowe
1. Napęd hybrydowy pojazdu, zawierający jednostkę kontrolno-sterującą, silnik spalania we- wnętrznego z prądnicą, stanowiącą źródło zasilania akumulatora i wyposażenia pojazdu, po- łączony przewodami paliwowymi ze zbiornikiem ciekłego paliwa oraz z co najmniej jednym zbiornikiem sprężonego lub skroplonego gazu, a także zawierający co najmniej jeden napę- dowy silnik elektryczny połączony za pomocą środków przeniesienia napędu z przednią albo tylną parą kół jezdnych oraz połączony za pomocą przewodów elektrycznych z baterią trak- cyjną, która połączona jest ponadto przewodami elektrycznymi z zasilaczem zewnętrznym, znamienny tym, że posiada dodatkową prądnicę (5) o regulowanej mocy, która jest sprzę- gnięta z wałem silnika spalania wewnętrznego (3) i stanowi źródło zasilania baterii trakcyjnej (2), z którą jest połączona za pomocą przewodów elektrycznych, a ponadto silnik spalania wewnętrznego (3) połączony jest za pomocą środków przeniesienia napędu z pozostałą pa- rą kół jezdnych, tj. parą kół jezdnych tylnych (Kt) albo parą kół jezdnych przednich (Kp), która nie jest sprzęgnięta z silnikiem elektrycznym.
2. Napęd według zastrz. 1, znamienny tym, że silnik elektryczny (1) połączony jest za pomocą środków przeniesienia napędu z tylną osią napędową pary kół jezdnych tylnych (Kt), a silnik spalania wewnętrznego (3) połączony jest za pomocą środków przeniesienia napędu, reduk- cji obrotów oraz mechanizmu różnicowego z półosiami napędowymi pary kół jezdnych przednich (Kp).
3. Napęd według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera dwa silniki elektryczne (1), zintegro- wane z piastami kół jezdnych tylnych (Kt).
4. Napęd według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera dwa zbiorniki skroplonego lub sprężo- nego gazu (7a i 7b), z których jeden stanowi zbiornik gazu ziemnego (7a), a drugi – zbiornik wodoru (7b), połączone przewodami paliwowymi z silnikiem spalania wewnętrznego (3) po- przez urządzenie mieszająco-dozujące, połączone sygnałowo z jednostką kontrolno- -sterującą.
