RU178259U1 - The power unit of tractors of traction class 1.4 with an integrated starter-generator - Google Patents

Abstract

Силовой агрегат трактора содержит двигатель внутреннего сгорания 1, сцепление 3, коробку передач 2, электрическую машину 4, датчик положения ротора 5. (фиг. 1). Электрическая машина, размещенная между ДВС и сцеплением, обеспечивает запуск двигателя и электрической энергией бортовую сеть трактора. Шихтованный зубчатый ротор 12 размещен на маховике 13 (фиг. 3). Мощность, передаваемая в обоих направлениях, достигает 8 кВт. Стартер-генератор заменяет на тракторах тягового класса 1,4 (на примере тракторов моделей МТЗ, ЛГЗ) генератор и стартер, а также пусковой двигатель внутреннего сгорания. Источником питания в режиме электродвигателя служат аккумуляторная батарея 9 и энергоемкий конденсатор 8 (фиг. 2). Предлагаемая конструкция стартер-генераторной установки в тракторах обеспечивает оптимальный тепловой режим электрической машины при помощи охлаждающей жидкости, циркулирующей через кольцевую проточку (фиг. 5) в корпусе-проставке 10 статора 11 (фиг. 3), а также гашение крутильных колебаний коленчатого вала ДВС и электрический привод агрегатов трактора.The tractor power unit contains an internal combustion engine 1, clutch 3, gearbox 2, electric machine 4, rotor position sensor 5. (Fig. 1). An electric machine, located between the internal combustion engine and the clutch, ensures the start of the engine and electric power on-board network of the tractor. The lined gear rotor 12 is located on the flywheel 13 (Fig. 3). Power transmitted in both directions reaches 8 kW. The starter-generator replaces on tractors of traction class 1.4 (for example, tractors of the MTZ, LGZ models) the generator and starter, as well as the starting internal combustion engine. The power source in the motor mode are the battery 9 and the energy-intensive capacitor 8 (Fig. 2). The proposed design of the starter-generator set in tractors ensures the optimal thermal regime of the electric machine using coolant circulating through the annular groove (Fig. 5) in the spacer body 10 of the stator 11 (Fig. 3), as well as damping the torsional vibrations of the ICE crankshaft and electric drive of tractor units.

Description

Источником электрической энергии трактора является генераторная установка, состоящая из генератора с его вспомогательными устройствами.The tractor’s electrical energy source is a generator set consisting of a generator with its auxiliary devices.

В отечественном и зарубежном тракторостроении применяют электро-стартерные системы пуска номинальным напряжением 12 и 24 В и системы пуска с вспомогательным бензиновым двигателем.In domestic and foreign tractor manufacturing, electric starter starting systems with a rated voltage of 12 and 24 V and starting systems with an auxiliary gas engine are used.

Без внешних средств облегчения воспламенения и сгорания топлива пуск тракторных дизелей может быть обеспечен в основном при температурах до минус 5°С, при электро-стартерной системе пуска и до минус 15-20°С при системе пуска с бензиновым пусковым двигателем.Without external means of facilitating the ignition and combustion of fuel, tractor diesel engines can be launched mainly at temperatures up to minus 5 ° C, with an electric starter starting system and up to minus 15-20 ° C with a starting system with a gasoline starting engine.

Основным показателем, характеризующим пусковые качества дизеля, следует назвать ту мощность, которая необходима для пуска.The main indicator characterizing the starting qualities of a diesel engine should be called the power that is necessary for starting.

Пуск основного двигателя при помощи вспомогательного бензинового двигателя применяется на многих дизелях. Это система пуска надежна в любых температурных условиях, но ее обслуживание и операции при пуске сложнее, чем в случае пуска электрическим стартером.Starting the main engine with the help of an auxiliary gas engine is used on many diesels. This start-up system is reliable in all temperature conditions, but its maintenance and operation during start-up is more complicated than in the case of start-up by electric starter.

Из уровня техники известно, что пуск тракторного двигателя при температуре ниже нуля с помощью электростартера недостаточно надежен из-за быстрой разрядки аккумуляторных батарей [Б.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др. Тракторные дизели: Справочник / под общ. редакцией Б.А. Взорова - М: Машиностроение, 1981. - 535 с].It is known from the prior art that starting a tractor engine at a temperature below zero using an electric starter is not sufficiently reliable due to the rapid discharge of batteries [B.A. Vzorov A.V. Adamovich, A.G. Arabyan et al. Tractor diesels: Reference book / ed. Edited by B.A. Vzorova - M: Mechanical Engineering, 1981. - 535 s].

Со сравнительно низким КПД традиционных генераторов удовлетворить растущие потребности к тракторам и его системам невозможно. Решением задачи увеличения мощности одновременно с увеличением КПД (до 85-90%) и ресурса генераторной установки, повышения экологичности и топливной экономичности тракторов, а так же уменьшения массы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)может послужить интегрированный стартер-генератор [И.Ю. Бунаков. Совмещенные системы стартер генераторов (обзор) // Молодежь и наука. Международный аграрный научный журнал. - 2013, - №2. - С. 23-28.].With the relatively low efficiency of traditional generators, it is impossible to satisfy the growing needs for tractors and its systems. An integrated starter-generator [I.Yu. Bunakov. Combined starter generator systems (review) // Youth and Science. International Agricultural Scientific Journal. - 2013, - No. 2. - S. 23-28.].

Наиболее близкий к заявленной полезной модели аналог описывается в патенте DE 2221161. Силовой агрегат для транспортных средств содержащий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и коробку передач, передающую приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства. При этом первичный вал коробки передач имеет возможность кинематического соединения с валом ДВС, а также электрической машины, которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку с основной коробкой передач и имеет возможность переключения в режим электродвигателя-стартера для пуска ДВС и для питания электрической энергией бортовой сети. Существенным недостатком данного технического решения является наличие промежуточной коробки и управляемой муфты, что усложняет конструкцию.The closest analogue to the claimed utility model is described in DE 2221161. A power unit for vehicles comprising an internal combustion engine (ICE) and a gearbox transmitting drive force to drive wheels of a vehicle. In this case, the input shaft of the gearbox has the possibility of kinematic connection with the ICE shaft, as well as an electric machine, which has the possibility of kinematic connection through an intermediate box with the main gearbox and has the ability to switch to the electric motor-starter mode to start the internal combustion engine and to supply electrical energy to the onboard network . A significant drawback of this technical solution is the presence of an intermediate box and a controlled clutch, which complicates the design.

Известно множество различных стартер-генераторов, предназначенных для транспорта, с использованием бесконтактной асинхронной машины (AM), питаемой от инвертора напряжения на транспорте отчасти потому, что не требует изменения компоновки отдельных узлов (двигателя, коробки передач и т.д.).There are many different starter-generators designed for transport, using a non-contact asynchronous machine (AM), powered by a voltage inverter in the transport, partly because it does not require a change in the layout of individual components (engine, gearbox, etc.).

В патенте RU 2150602 описывается стартер-генератор устанавливаемый на штатное место стартера, что не требует изменения компоновки отдельных узлов двигателя и коробки, вал ротора которого соединен с ведущим зубчатым колесом планетарного редуктора, а выходной вал планетарного редуктора с помощью шестерен привода соединен с венцом маховика ДВС. Недостатком указанной конструкции является наличие дополнительного привода, что усложняет конструкцию.Patent RU 2150602 describes a starter-generator installed in a regular place of the starter, which does not require a change in the layout of individual engine and gearbox assemblies, the rotor shaft of which is connected to the drive gear of the planetary gearbox, and the output shaft of the planetary gearbox is connected to the crown of the engine's flywheel using drive gears . The disadvantage of this design is the presence of an additional drive, which complicates the design.

Из патента US 4883973 А известен асинхронный стартер-генератор, подключенный к транзисторному инвертору напряжения, планетарным редуктором, выходной вал которого соединен с валом ДВС с помощью ременной передачи. Недостатком данного технического решения является малая надежность работы ременной передачи.US Pat. No. 4,883,973 A discloses an asynchronous starter-generator connected to a transistor voltage inverter, a planetary gearbox, the output shaft of which is connected to the ICE shaft by a belt drive. The disadvantage of this technical solution is the low reliability of the belt drive.

Технический результат достигается силовым агрегатом трактора, содержащим двигатель внутреннего сгорания, сцепление и коробку передач, передающее приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину, размещенную между блоком цилиндров ДВС и сцеплением, при этом ротор электрической машины, установленный на маховике, кинематически соединен с коленчатым валом двигателя и первичным валом коробки передач с возможностью обеспечения запуска ДВС в режиме электродвигателя, и обеспечения электрической энергией потребителей трактора в режиме генератора, причем электрическая машина имеет жидкостное охлаждение при помощи охлаждающей жидкости ДВС, циркулирующей через кольцевую проточку в корпусе-проставке статора.The technical result is achieved by a tractor power unit containing an internal combustion engine, a clutch and a gearbox transmitting drive force to the driving wheels of the tractor, an electric machine located between the engine block and the clutch, while the rotor of the electric machine mounted on the flywheel is kinematically connected to the crankshaft the motor shaft and the input shaft of the gearbox with the possibility of starting the engine in the electric motor mode, and providing electric energy to the consumers of the truck ora as a generator, the electrical machine has a liquid cooled internal combustion engine by means of a cooling fluid circulating through the annular groove in the housing, the stator spacer.

Полезная модель поясняется чертежами, которые не охватывают и тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:The utility model is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of the claims of this technical solution, but are only illustrative materials of a particular case of execution:

На фиг. 1 схема силового агрегата трактора тягового класса 1, 4.In FIG. 1 diagram of the power unit of the tractor traction class 1, 4.

На фиг. 2 функциональная блок-схема стартер-генераторного устройства.In FIG. 2 functional block diagram of the starter-generator device.

На фиг. 3 схема установки электрической машины стартер-генераторного устройства.In FIG. 3 installation diagram of an electric machine starter-generator device.

На фиг. 4 конструкция корпуса-проставки (главный вид).In FIG. 4 construction of the spacer body (main view).

На фиг. 5 конструкция корпуса-проставки (поперечный разрез).In FIG. 5 construction of the spacer body (cross section).

Силовой агрегат трактора содержит двигатель внутреннего сгорания, сцепление и коробку передач, передающее приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину, размещенную между блоком цилиндров ДВС и сцеплением, отличающийся тем, что ротор электрической машины, установленный на маховике кинематически соединен с коленчатым валом двигателя и первичным валом коробки передач с возможностью обеспечения запуска ДВС в режиме электродвигателя, и обеспечения электрической энергией потребителей трактора в режиме генератора.The tractor power unit contains an internal combustion engine, a clutch and a gearbox transmitting drive force to the driving wheels of the tractor, an electric machine located between the engine block and the clutch, characterized in that the rotor of the electric machine mounted on the flywheel is kinematically connected to the crankshaft of the engine and the input shaft of the gearbox with the ability to ensure the start of the internal combustion engine in the electric motor mode, and to provide electric power to the tractor consumers in the generator mode.

Предлагаемая конструкция силового агрегата тракторов тягового класса 1, 4 содержит двигатель внутреннего сгорания 1 (фиг. 1), коробку передач 2, сцепление 3, передающую приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину 4, размещенную между блоком цилиндров двигателя и сцеплением и датчик положения ротора 5 установленный в носовой части ДВС на коленчатом валу.The proposed design of the power unit of tractors of traction class 1, 4 contains an internal combustion engine 1 (Fig. 1), gearbox 2, clutch 3, transmitting drive force to the drive wheels of the tractor, an electric machine 4 located between the engine cylinder block and the clutch and a position sensor rotor 5 mounted in the bow of the engine on the crankshaft.

Полезная модель относится к области электротехники и транспорта и касается, в частности электрооборудования двигателей внутреннего сгорания силовых агрегатов тракторов. Может быть использована на тракторах тягового класса 1,4 для запуска двигателей внутреннего сгорания и генерирования электрической энергии для нужд бортовой сети, двухуровневого напряжения 12-14 В и 36-42 В. Функциональная блок-схема стартер-генераторного устройства (СГУ) приведена на фиг. 2. В состав СГУ входят электрическая машина 4, силовой преобразователь энергии 6, блок управления 7.The utility model relates to the field of electrical engineering and transport and relates, in particular, to electrical equipment of internal combustion engines of tractor power units. It can be used on tractors of traction class 1.4 to start internal combustion engines and generate electrical energy for the needs of the on-board network, a two-level voltage of 12-14 V and 36-42 V. The functional block diagram of the starter-generator device (SSU) is shown in FIG. . 2. The structure of the SSU includes an electric machine 4, a power energy converter 6, a control unit 7.

Причем силовой преобразователь и индукторный двигатель могут быть включены в общую схему жидкостного охлаждения двигателя.Moreover, the power converter and induction motor can be included in the overall liquid cooling circuit of the engine.

Электрическая машина выполняет функции стартер-генератора, силовой преобразователь напряжения обеспечивает его работу в режимах стартера и генератора, и поддерживает напряжение бортовой сети на двух уровнях 14 и 42 В. В режиме стартера питание обеспечивает аккумуляторная батарея 9, а также энергоемкий конденсатор 8.The electric machine performs the functions of a starter-generator, the power voltage converter ensures its operation in the starter and generator modes, and supports the voltage of the on-board network at two levels of 14 and 42 V. In the starter mode, the battery 9 and the energy-intensive capacitor 8 provide power.

На фиг. 3 показана компоновка электрической машины между двигателем и сцеплением трактора. Статор электрической машины 11 установлен в корпусе-проставке 10, которая в свою очередь крепится к блоку цилиндров двигателя. Ротор 12 электродвигателя устанавливается на маховике 13», который одновременно выполняет не только функции его раскрутки, но и маховой массы [Алиев А.Я., Алиев С.А., Изберов P.M. Интегрированный стартер-генератор для энергоэффективных транспортных средств. // Автомобильная промышленность. - 2015. - №10. - С. 14-15].In FIG. 3 shows the layout of an electric machine between the engine and the tractor clutch. The stator of the electric machine 11 is installed in the spacer body 10, which in turn is attached to the engine block. The rotor 12 of the electric motor is mounted on the flywheel 13 ", which simultaneously performs not only the functions of its promotion, but also the fly mass [Aliev A.Ya., Aliev S.A., Izberov P.M. Integrated starter-generator for energy-efficient vehicles. // Automotive industry. - 2015. - No. 10. - S. 14-15].

Принятая компоновка позволяет передавать значительную мощность в обоих направлениях и реализовать функции гашения крутильных колебании коленчатого вала при низких скоростях вращения, что существенно снижает шум и вибрацию ДВС.The adopted layout allows you to transfer significant power in both directions and implement the damping function of the torsional vibrations of the crankshaft at low speeds, which significantly reduces the noise and vibration of the internal combustion engine.

Место, выбранное для размещения стартер-генератора на ДВС, по условиям работы не самое лучшее: высокая температура, запыленность, в том числе и абразивными продуктами износа дисков сцепления. По этой причине от применения электрической машины с коллектором отказались. Для этой цели больше подходят вентильные машины с постоянными магнитами, но у них высокая стоимость.The place chosen to place the starter-generator on the internal combustion engine is not the best according to the working conditions: high temperature, dustiness, including abrasive products of clutch disc wear. For this reason, they refused to use an electric machine with a collector. Permanent magnet valve machines are more suitable for this purpose, but they have a high cost.

Поэтому в качестве электрической машины предлагается реактивный индукторный двигатель - бесконтактную электрическую машину синхронного типа. Она имеет ряд несомненных достоинств: шихтованный зубчатый ротор без обмотки, потери в котором, как известно, минимальны; многофазную обмотку статора, выполненную в виде отдельных концентрических катушек без пересечения лобовых частей, что упрощает конструкцию, повышает технологичность производства и увеличивает ее надежность в эксплуатации [М.Л. Костырев, А.И. Скороспешкин. Автономные синхронные генераторы с вентильным возбуждением. - М: Энергоатомиздат, 1993, - 160 с].Therefore, as an electric machine, a reactive induction motor is proposed - a synchronous contactless electric machine. It has a number of undoubted advantages: a lined gear rotor without a winding, the losses in which, as you know, are minimal; multiphase stator winding made in the form of separate concentric coils without crossing the frontal parts, which simplifies the design, increases the manufacturability of production and increases its reliability in operation [M.L. Kostyrev, A.I. Skorospeshkin. Autonomous synchronous generators with valve excitation. - M: Energoatomizdat, 1993, - 160 s].

Преимущество предлагаемой конструкции СГУ, размешенной между двигателем и сцеплением силового агрегата, заключается в возможности использования электрической машины для пуска ДВС, которая в этом случае включается в режим электродвигателя, и в процессе работы ДВС переключается на генераторный режим, обеспечивая питание электрической энергией бортовую сеть.The advantage of the proposed design of the SSU, placed between the engine and the clutch of the power unit, is the possibility of using an electric machine to start the internal combustion engine, which in this case is switched on in the electric motor mode, and during the operation of the internal combustion engine it switches to the generating mode, providing power to the electrical system.

Кроме того, объединение стартера и генератора в одном единственном узле позволяет значительно сократить затраты на изготовление и сборку такой конструкции, что является преимуществом с точки зрения производственных издержек, заменив генератор и стартер, и на некоторых тракторах пусковой поршневой двигатель.In addition, combining the starter and generator in one single unit can significantly reduce the cost of manufacturing and assembling such a design, which is an advantage in terms of production costs by replacing the generator and starter, and on some tractors, a starting piston engine.

Для обеспечения оптимального теплового режима предлагаемой электрической машины необходимо использовать жидкостное охлаждение, что можно реализовать путем подключения ее к системе жидкостного охлаждения ДВС. Циркуляция происходит через кольцевую проточку (фиг. 5) детали корпус-проставки 10 статора (фиг. 4), изготавливаемой из алюминиевого сплава.To ensure the optimal thermal regime of the proposed electric machine, it is necessary to use liquid cooling, which can be realized by connecting it to the liquid cooling system of the internal combustion engine. The circulation takes place through an annular groove (Fig. 5) of the stator housing spacer 10 (Fig. 4) made of an aluminum alloy.

Интегрированная стартер-генераторная установка с микропроцессорным управлением обладает функциональными возможностями совокупного совершенствования ДВС и трактора:The integrated starter-generator set with microprocessor control has the functionality of the combined improvement of the engine and tractor:

- обеспечивает высокий пусковой момент и эффективный запуск тракторного дизеля;- provides a high starting torque and efficient starting of a tractor diesel;

- генерирует многоуровневую электрическую энергию напряжением 12 и 42 В для всех потребителей, развивая электрическую мощность до 8 кВт;- generates multilevel electric energy with voltage of 12 and 42 V for all consumers, developing electric power up to 8 kW;

- выполняет функции электромагнитного демпфирования крутильных колебаний вала ДВС;- performs the functions of electromagnetic damping of torsional vibrations of the internal combustion engine shaft;

- обеспечение оптимального теплового режима электрической машины путем применения корпуса-проставки 10 позволяющей охлаждать статор 11 за счет циркуляции жидкости из системы охлаждения ДВС.- ensuring the optimal thermal regime of the electric machine through the use of a spacer body 10 that allows cooling of the stator 11 due to the circulation of fluid from the internal combustion engine cooling system.

Claims (1)

Силовой агрегат трактора содержит двигатель внутреннего сгорания, сцепление и коробку передач, передающее приводное усилие на ведущие колеса трактора, электрическую машину, размещенную между блоком цилиндров ДВС и сцеплением, отличающийся тем, что ротор электрической машины, установленный на маховике, кинематически соединен с коленчатым валом двигателя и первичным валом коробки передач с возможностью обеспечения запуска ДВС в режиме электродвигателя и обеспечения электрической энергией потребителей трактора в режиме генератора, причем электрическая машина имеет жидкостное охлаждение при помощи охлаждающей жидкости ДВС, циркулирующей через кольцевую проточку в корпусе-проставке статора.The tractor power unit contains an internal combustion engine, a clutch and a gearbox transmitting drive force to the driving wheels of the tractor, an electric machine located between the engine block and the clutch, characterized in that the rotor of the electric machine mounted on the flywheel is kinematically connected to the crankshaft of the engine and the input shaft of the gearbox with the possibility of starting the engine in the mode of the electric motor and providing electric energy to the consumers of the tractor in the generator mode, etc. than the electric machine has a water-cooled internal combustion engine by means of a cooling fluid circulating through the annular groove in the housing, the stator spacer.

Images