CN101016890A - 液压式车载全面能量回收利用系统 - Google Patents

Abstract

液压式车载全面能量回收利用系统是涉及汽车节能技术领域(特别是关于汽车内燃机余热利用、发动机低负载时的富余功率回收以及车辆的制动、震动能量的回收利用方面)的一项发明。本发明是在综合分析汽车运行中各个环节的能量转化过程后提出的一个效率较高、较为全面的能量回收利用方案，该系统可有效回收利用汽车制动能量、震动能量、发动机低负荷运转时的富余功率，同时还利用发动机余热建立一个回热循环实现了机械能的再生。本发明通过全面回收利用汽车运行过程中的各种能量，以达到降低汽车燃油消耗的目的。

Description

液压式车载全面能量回收利用系统

一、技术领域

液压式车载全面能量回收利用系统是涉及汽车节能技术领域，特别是关于汽车内燃机余热利用、发动机低负载时的富余功率回收以及车辆的制动、震动能量回收利用方面的一项发明，它可适用于一切由内燃机驱动的常规汽车。在汽车上配备液压式车载全面能量回收利用系统能够有效降低车辆的燃油消耗。

二、技术背景

通过充分回收利用汽车运行过程中的各种能量以降低汽车燃油消耗是能够实现的，如混合动力就是这一技术领域中的一个例子。基于当前汽车越来越普及、城市污染越来越严重、世界石油资源越来越紧张的形势，通过有效的途径回收利用汽车运行过程中的各种能量、降低车辆的燃油消耗、高效合理的利用有限的自然资源，对改善城市环境、减轻空气污染、创建节约型社会等方面均有着重大的实际意义，有关汽车节能的技术已成为汽车行业内广受关注的一个焦点。

目前以电化学储能原理为基础的混合动力技术已经进入实用阶段，市场上已有比较成熟的混合动力汽车产品。据现有混合动力汽车与普通汽车实际油耗的比较，在市区行驶条件下混合动力汽车比不带能量回收利用装置的汽车燃油消耗节省可达50％(见《农机化研究》2006年第12期《混合动力汽车节油与排放技术研究》，作者：牟春燕、赵万胜、姚美红，鲁东大学交通学院)。但由于现有的混合动力汽车技术比较复杂，采用这一技术的汽车与普通汽车相比较增加了高效能蓄电池、电动机(发电机)以及为保证电动机与内燃机之间相互协调工作的控制系统，因此目前的混合动力技术代价是比较昂贵的。这也是虽然混合动力汽车燃油经济性优秀，但它并不能替代常规汽车的根本原因。此外，由于现有的混合动力技术只是回收汽车运行过程中的宏观机械能，其能量的回收利用须经历从动能→电能→动能的转化，该过程中反复的传动和能量转化造成的能量损失是很大的，因此现有的混合动力技术的能量回收利用效率并不高。

有关汽车能量回收利用的现有技术中，除基于电化学储能原理的混合动力技术外，还有液压式、弹簧式、飞轮式等不同储能原理的能量回收利用方式。其中液压式储能装置研究较多，液压储能方面已经有一些申请了专利的技术，如山东省的王昌令申请的“汽车节能增力器”实用新型技术专利(CN85 2 0039U)、天津郑悦申请的“车辆的制动储能驱动”发明专利(公开号：CN1432499A)等。关于液压式能量回收利用方面的现有技术在原理上是回收汽车宏观动能(主要是汽车制动时的能量)，然后通过液压系统将能量以压缩气体的形式储存在一个储能罐中，在需要时让气体膨胀推动液压系统来实现能量的再利用。由于基于这一原理的节能系统在能量的储存、释放过程中伴随着热耗散，因此在能量的转化过程中除了传动系统的损失外，还有气体的热过程产生的损失，当储能气体的压缩比较大、压缩—膨胀过程有—定时间间隔时——如汽车在等待交通信号灯期间，储能系统由于热耗散引起的能量损失是不可忽略的。因此，现有的液压储能技术在能量的利用效率方面也不是很理想(约30％～60％)，关于这一问题的理论分析在《液压与机床》2006.NO.5《新型电控液驱车辆传动系统特性及匹配研究》(作者：李翔晟、常思勤；单位：南京理工大学车辆与交通工程系)一文中有细致的论述。

三、发明内容

在汽车运行过程中，为了降低车辆的燃油消耗，除车辆制动时的动能有明显的回收利用价值外，还有发动机余热、发动机低负荷运转时的富余功率、汽车在颠簸路面上行驶的震动能量等均有很大的回收利用价值。液压式车载全面能量回收利用系统是在综合分析汽车运行中各个环节的能量转化过程后，提出的一个效率较高、较为全面的能量回收利用方案。

(一)液压式车载全面能量回收利用系统的组成

液压式车载全面能量回收利用系统的构造原理如图1、图2所示，该能量回收利用系统包括如下几个主要的组成部分：

1、带有加热循环和冷却循环的聚能罐，这是本发明的核心部分。该部分主要由以下组件构成：

聚能罐承压外壳1；

液压油内囊2；

储能工质3(工质可选用二氧化碳、氨气、一氧化二氮等)；

液压油4；

对储能工质进行加热和冷却的热交换器5；

回收发动机余热的热交换器6；

高温热质7；

加热循环驱动泵8；

冷却液9；

冷却循环驱动泵10；

2、兼有回收汽车制动能量和利用聚能罐中收集的能量驱动汽车这双重功能的液压传动系统，该部分由以下组件构成：

齿轮泵/马达11(图1中该组件的转动方向与汽车前进运行相对应)；

液压油流向控制阀12；

滑动销13；

可在齿轮泵/马达与车轮之间实现相互传动的轴14(该轴可以是汽车传动系统中的一部分)。

3、用于回收发动机低负荷运转时的富余功率的液压传递系统，该部分由以下组件构成：

齿轮泵15；

单向阀16；

离合器17。

4、用于回收汽车震动能量的液压传递系统，该部分由以下组件构成：

油缸18；

活塞19；

单向阀20、21；

5、其他组件：

限压阀22；

油箱23；

油管24；

高温热质容器25。

冷却液容器26。

流量记录表27；

压强表28；

发动机转速/扭矩监控表29；

汽车前进/倒退判断议30。

减震弹簧31

(二)液压式车载全面能量回收利用系统的工作原理

从工程热力学的角度来分析，图1所示的液压式车载全面能量回收利用系统的工作过程属于回收用发动机余热作为高温热源的热功循环。其工作原理为：在汽车发动机运行时，由于从气缸排除的废气具有大量的余热，此时利用热交换器6不断吸收发动机余热使热质7处于较高的温度状态；当汽车具有宏观机械能可以回收时，利用机械能驱动液压泵(可为齿轮泵、柱塞泵、叶片泵等)向聚能罐输送液压油，同时启动冷却循环驱动泵10，利用冷却液9使储能工质3维持在相对低温低压状态；当需要利用聚能罐内的能量驱动汽车时，启动加热循环驱动泵8，利用高温热质7加热储能工质3使聚能罐内压强升高。由于聚能罐的液压油在输出、输入时存在压强差，输出压强大于输入压强，因此从聚能罐输出的能量将大于外界输入聚能罐的能量。由此可见该系统不但可实现汽车宏观机械能的回收利用，同时还利用发动机余热建立的回热循环实现了宏观机械能的再生。

液压式车载全面能量回收利用系统能够方便地回收发动机低负荷运转时的富余功率、汽车制动能量以及汽车在颠簸路面上行驶的震动能量，在需要的时候聚能罐中的能量可以非常方便的释放出来驱动汽车。该系统各种工况下的能量回收、利用原理分别如下：

1、制动能量的回收过程

由于图1所示的液压式车载全面能量回收利用系统的齿轮泵/马达11与车轮可实现互传动，汽车制动能量的回收通过调节液压油的流经路线即可实现。其原理为：当汽车前进运行过程中需要制动时，使流向控制阀12的b点与c点连通、a点与d点连通，此时油箱中的液压油经c→b→齿轮泵/马达11→d→a的路径被充入聚能罐中，液压油对储能工质做功使其被压缩，此时齿轮泵/马达11在汽车动能的驱动下处于泵工作状态，汽车的动能就被转化为工质的高压势能储存起来。

同时还应注意，由于车轮与齿轮泵/马达11是相互传动的，因此在汽车处于正常运行状态时应保持流向控制阀12的b点与d点连通，此时液压油的流向为从b→齿轮泵/马达11→d→b的无压差循环流动，齿轮泵/马达11处于空转状态。考虑到齿轮泵/马达11即使处于空转状态，液压油从b→齿轮泵/马达11→d→b的循环流动由于存在粘滞会消耗少许能量，若汽车是运行在交通繁忙的市区，那么齿轮泵空转消耗的能量相对于回收利用的能量是微不足道的；但若汽车在畅通的公路上行驶，那齿轮泵11长期的空转则有损无益。为解决这一问题，可在齿轮泵11与轴14之间设置滑动销13，当汽车行驶在经常需要对能量进行回收利用的市区时，将滑动销13置于齿轮泵11与轴14之间的销槽内，使车轮与齿轮泵11联动；当汽车行驶在畅通的公路上时则可将滑动销13滑出销槽，使车轮与齿轮泵11的运动分开(齿轮泵11与轴14之间也可采用离合器控制传动，其原理相同，不再赘述)。

2、发动机富余功率的回收过程

如图2所示，在发动机与齿轮泵15之间设有离合器17，当需要回收发动机的富余功率时，只要使离合器17闭合，发动机即可驱动齿轮泵15向聚能罐输送液压油，从而实现发动机富余功率的回收。

3、汽车震动能量的回收过程

汽车震动能量的回收是通过与减震弹簧31相联的油缸18、活塞19以及单向阀20、21来实现的，由于单向阀20、21的组合作用，液压油的流向只能是从油箱24→油缸18→液压油内囊2，因此，只要汽车振动使减震弹簧31有压缩和舒张变形，活塞19与油缸18就会有相对运动，液压油就会自动被吸入油缸并输送到聚能罐内，从而实现了汽车震动能量的回收。

4、利用聚能罐中的能量驱动汽车的过程

在聚能罐内储存有一定的能量的情况下，若需要利用该能量来驱动汽车，只要调节液压油流向控制阀12，使其a点与b点联通、c点与d点联通，聚能罐内的高压液压油经a→b→齿轮泵/马达11→d→c的路径回到油箱中，由于液压油在a、c两点间存在压差，在该压差的推动下齿轮泵/马达11处于马达工作状态，从而驱动车轮使汽车加速。

(三)液压式车载全面能量回收利用系统效率分析

从前述液压式车载全面能量回收利用系统的工作原理可见，本发明在能量的回收利用原理上，有别于现有的混合动力和其它液压储能技术中纯粹针对汽车宏观机械能的回收、转化、储存、释放的工作流程。液压式车载全面能量回收利用系统的特别之处在于同时回收汽车宏观机械能、发动机富余能量、发动机余热的基础上，又利用气体(或液、汽共存)工质的封闭热功循环实现了机械能的再生。因此，与现有的其他汽车能量回收利用技术相比，本发明所描述的系统在能量的利用效率方面将有显著的提高。

对热循环工质(储能工质)的选择，由于回收发动机余热形成的高温热源温度不可能很高，同时为了能够利用自然温度作为冷源，工质的热循环过程的工作温度范围比较狭窄；为了使工质在这个温度范围内能够获得良好的体积变化率和压强范围，工质最好选择临界点位于常温附近的物质——如二氧化碳、氨气、一氧化二氮等。下面以纯二氧化碳工质为例，对循环的效率进行分析。

对液压式车载全面能量回收利用系统的热功循环过程进行效率分析时，将储能工质的循环过程简化为由临界温度下的等温压缩(气体液化放热)、定容升温(温度越过临界点，工质发生相变，压强升高)、定压吸热膨胀、定容降温(温度降到临界点以下，压强降低)这四个环节组成的热功循环。现将对储能工质的循环按照上述4个简化过程进行分析计算，所得的各主要技术参数指标汇总如下表：

子过程名称		工质热物理参数			与外界热交换(kJ/kg)	与外界功交换(kJ/kg)
							温度(℃)	比体积(L/kg)	压强(MPa)
		等温压缩	初态(过热蒸汽)	30						4.04	6.8	-89	-16.5
末态(饱和液)	30				1.68	7.2
			定容升温	初态(饱和液)			30	1.68	7.2	21	0
末态(过热蒸汽)	60	1.68			15
				等压膨胀		初态(过热蒸汽)	60	1.68	15			171	35.4
末态(过热蒸汽)	150	4.04	15
					定容降温	初态(过热蒸汽)	150	4.04	15	-84	0
末态(过热蒸汽)	30	4.04	6.8
				热循环后机械能放大倍率		δ E＝2.14
循环的热效率		η＝9.8％

表中热交换以工质吸热为正，功交换以工质对外做功为正。各过程的热交换量根据《超临界流体技术应用手册》(化学工业出版社，主编：彭英利、马承愚)附表5-9(P481)中的数据推算，工质工作范围内的各物理参数根据《工程热力学》第三版(高等教育出版社，主编：曾丹苓、敖越、张新铭、刘朝)通用压缩因子图(P414)确定。

由于物质在临界点附近的热物理性质在理论上难以用精确的方程式加以描述，以上计算是以现有的实验数据图表为依据，计算存在一定误差。从定性的角度对上述计算进行评估，内燃机从气缸排除的废气温度约在500K～600K之间(摄氏温标为227℃～337℃)，因此利用废气余热将工质加热到150℃是可以实现的，低温季节利用自然温度将工质压缩时的温度控制在30℃左右也是现实的(在温度较高的季节，为了能够利用自然温度作为冷源，需要适当提高冷源温度，同时对二氧化碳工质可在其中加入少量有机物组分以提高工质临界点温度。不同的季节工质的组分和工作温度范围有一定差异，能量回收利用系统的效率也会有稍许波动)。根据热力第二定理，工作在30℃的冷源和150℃的高温热源之间的理想可逆循环的热效率(理论最高热效率)为：

${\mathrm{\η}}_{\max }=1-\frac{273.15+30}{273.15+150}=28.3\%$

上述由等温压缩、定容升温、定压膨胀、定容降温这四个环节组成的热功循环的热效率(9.8％)远小于理论上的最高热效率(28.3％)。由此可见，以上对本能量回收利用系统的工作循环的计算热效率具有良好的可信度。

根据计算结果，在上述限定的工作温度和压强范围，利用发动机余热的工质热循环过程的理论热效率η＝9.8％，经过热循环之后宏观机械能被放大了2.14倍。由于本系统在能量的回收—释放过程中，工质的热功过程进行较缓慢，循环过程中工质的状态是便于控制的，但考虑到实际的热工循环过程总是具有一定多变性，在对汽车实际运行过程中能量的回收利用效率进行分析时，工质循环的热效率计入0.8的折减系数；此外基于现有技术水平，齿轮泵的机械效率按85％计；另外再计入传动、液压油的流动等过程中的能量损失，其效率按95％进行估算，则该系统在经历各转化过程和热循环之后汽车最终可得到的宏观机械能的增大系数为：

δ＝[0.8×9.8％×(21+171)+15.6]×0.85²×0.95²/15.6＝1.28

从以上计算分析可见，本发明对能量的利用效率是相当高的。以汽车制动—启动过程为例，在该能量利用效率下，若汽车制动前的速度为50km/h，汽车完全由液压系统制动，以制动时储存的能量经回热循环后再用于汽车加速，可获得的速度为：

$v=50\×\sqrt{1.28}=56.6(\mathrm{km}/h)$

由此可见，在能量回收利用效率这一关键的技术指标上，本发明描述的液压式车载全面能量回收利用系统远优于现有的其它能量回收利用技术。

但为了不引起对本发明的误解，此处还有必要作如下说明：虽然本能量回收利用系统的回热循环中工质输出的机械能大于外界对工质进行压缩时所消耗的机械能——即使按以上计算考虑几种可能的损耗之后宏观机械能仍有增长。从表面上看，好像如果利用发动机的全部功率去驱动本发明所描述的回热循环，似乎就可以实现机械能的放大而得到更多的可用功。但实际上这一点是不可以实现的。其原因是回热循环需要消耗的热量非常多，如果利用发动机的全部功率去驱动该回热循环，那么发动机的余热就供应不上循环的热量需要了，而如果此时消耗另外的燃油提供给这个封闭热循环所需的热量，由于本系统工作循环的热效率比内燃机的热效率低很多，因此另外消耗的这本分燃油的利用就不经济了。这个特点决定了本发明的能量利用方式只能是作为提高汽车的能量利用效率的一种补充，却不可能完全抛开目前利用内燃机经变速后驱动汽车的传动模式，而去另外建立一种全新的带回热循环的液压传动系统。

(四)液压式车载全面能量回收利用系统的控制模块

根据上述液压式车载全面能量回收利用系统的工作原理及其在汽车不同的运行状态下回收利用各种能量的工作过程，其中可见：汽车处于不同的运行工况下能量回收利用系统的工作状态是不一样的；汽车的各组成部分需要根据不同的运行工况开启相应的功能。为了保持汽车的发动机、能量回收利用系统、传动系统、制动系统、减震系统在工作上相互协调，使汽车的各组成部分成为一个有机整体保证汽车安全、正常地运行，就还需要一个负责收集关于汽车运行状态的各种信息，并根据这些信息作出正确的操作反应的控制系统。该控制系统应包括以下模块：

1、回收发动机富余功率的控制模块

汽车运行过程中回收发动机富余功率需要同时具备以下两个条件：

①确认发动机功率有富余；

②确认聚能罐内储能尚未饱满。

在以上两个条件同时满足的情况下，作出如下的操作反应即可实现发动机富余功率的回收：

I、通过闭合离合器17使齿轮泵15启动；

II、通过启动冷却循环驱动泵10使聚能罐内的工质降温。

判断发动机功率是否有富余的任务由连接在发动机输出轴上的转速/扭矩监控表29完成。由于特定的发动机在负载饱和时其转速与输出扭矩之间存在一定的函数关系，因此通过监测发动机的转速和扭矩，即可获得发动机的工作状态信息。

聚能罐储能信息可从流量记录表27的数据获得。根据流量记录表27的数据可知聚能罐内的液压油是否达到设计的最大值，由此即可判断聚能罐内储能是否饱满。

发动机富余功率回收控制模块即是按照上述原则，对汽车发动机及聚能罐的状态进行监测和判断，并作出相应的反应。

2、汽车制动及回收制动能量控制模块

由于在回收制动能量时齿轮泵/马达11与车轮是联动的，在液压油流向控制阀12的接通状态相同的条件下，齿轮泵/马达11对汽车的作用力方向始终是一至的。例如在汽车前进时，若流向控制阀12的某种接通情况下齿轮泵/马达11对汽车产生的是制动效果，那么同样的接通情况在汽车停止或后退时产生的就是向后加速的效果。因此必须将汽车的前进制动、倒车制动和驻车制动分开加以区别对待，所以汽车的制动工况应区分为以下几种类别：

A、汽车前进运行、缓慢制动；

B、汽车前进运行、紧急制动；

C、倒车制动；

D、驻车制动。

由于汽车的制动系统最频繁的工作状态是前进制动，汽车倒车速度一般很小，倒车时的制动能量几乎没有回收利用价值。因此为方便起见，制动能量的回收只针对汽车前进运行工况即可，倒车制动和驻车制动一律采用常规摩擦制动。

基于以上分析，本发明将汽车制动过程中回收制动能量的判别条件设置为：

①确认汽车处于前进运行状态；

②确认聚能罐内储能尚未饱满。

当以上两个回收制动能量的条件同时满足时，应作出的操作反应是：

I、调节流向控制阀12，使其b点与c点连通、a点与d点连通，齿轮泵/马达11在汽车动能驱动下工作在泵状态向聚能罐输送液压油。

II、通过启动冷却循环驱动泵10使聚能罐内的工质降温降压。

当回收制动能量的两个条件有任何一个不满足时，则汽车仍采用常规的摩擦制动方式。

对于满足回收制动能量的两个条件的紧急制动，为了实现短距离停车，该工况下还必须同时启动汽车的摩擦制动系统。

为了不改变汽车的现有制动操纵方式，液压储能制动和普通摩擦制动仍由同一个踏板控制，系统通过与制动踏板相连的位移传感器感知踏板位移量，由此判断是否属于紧急制动，同时结合汽车运行方向信息和储能容量信息在纯液压制动、纯摩擦制动、液压与摩擦共同制动三者之间进行判断。

3、汽车震动能量回收控制模块

当汽车运行过程中有震动时，由于单向阀20、21的存在，油缸18与活塞19的相对运动就会自动汲取油箱中的液压油而向聚能罐输送。由于震动储能过程是在汽车有震动时自动完成的，若汽车长时期行驶在颠簸路面上，不断的震动储能就可能使聚能罐达到饱满状态，当聚能罐饱满后压强升高到一定值，通过限压阀22会自动释放多余的液压油，由此可保证聚能罐内压强处于正常水平。

4、聚能罐内的工质制热/冷却循环控制模块

根据本系统能量回收利用过程的热力学原理，当外界向聚能罐输送液压油时，为了使输入一定量的液压油所消耗的能量尽可能少，就要尽量降低聚能罐内的压强，此时就需要启动冷却循环；当聚能罐向外界输送液压油时，为了使输出一定量的液压油对外界所做的功尽可能多，就要提高聚能罐内的压强，此时就需要启动制热循环。因此，对制热循环与冷却循环的控制，可根据与聚能罐连接的输油管内的液压油流向进行判断，该控制模块的判断条件和相应操作为：

①液压油流出聚能罐，启动加热循环驱动泵8；

②液压油流入聚能罐，启动冷却循环驱动泵10。

在聚能罐内设置加热/冷却循环是为了控制罐内的压强，通过与聚能罐连接的压强表28对工质压强进行监测，并根据监测数据对加热循环驱动泵8与冷却循环驱动泵10的运转速度进行实时调整，便可保证罐内压强处于设计考虑的最佳的状态。

对液压油的流向信息可从流量记录表27的变化情况(增大或减小)获得。

5、利用聚能罐中的能量驱动汽车的控制模块

当聚能罐内储存的能量达到一定水平时，就可以将其释放出来驱动汽车。为实现该过程，需要设置一个供驾驶员操纵的加速手柄，同时将流量记录表27所记录的数据实时反映给驾驶员，驾驶员根据流量记录表27所指示的储能状况判断是否启用液压储能系统驱动汽车。若驾驶员认为储能状况良好，将相应的控制手柄掰到加速位置，即发出利用液压系统驱动汽车的指令。控制系统收到驾驶员的加速指令后将液压油流向控制阀12调整到释放聚能罐能量的位置，在高压液压油驱动下齿轮泵/马达11处于马达工作状态，从而带动车轮实现对汽车的加速。

为了不改变现有汽车的驾驶操纵系统，驾驶员发出加速指令的控制杆最好与汽车现有的档位控制杆共用，将加速指令设置为一个前进档，为符合手动档汽车的驾驶习惯还可以配合离合器一同使用。对自动档汽车可以在前进档的电控程序中增加相应的控制模块。

6、储能安全防范模块

由于液压式车载全面能量回收利用系统的储能核心是一个内部高压的容器，如果其内部压强超过设计压强，或是聚能罐遭受外界的非正常侵袭，轻则可能使能量回收利用系统不能正常工作，严重的情况将给汽车带来危险，甚至引发爆炸！因此对汽车运行过程中可能出现的一些会对聚能罐造成威胁的因素，必须采取有效措施加以防范，这对保证汽车的运行安全至关重要。总结汽车运行中可能出现的意外，对聚能罐有威胁的几种情况如下：

A、储能部件的故障导致储能过饱和；

B、意外事故对聚能罐造成撞击；

C、汽车失火导致聚能罐温度急剧升高；

为了尽量降低上述可能出现的意外情况对储能系统造成危险，必须设计一个安全防范系统，将储能系统在汽车出现意外情况时的风险控制在尽可能低的水平。对储能部件的非正常工作导致储能过饱和引起的压强升高，只要通过设置在聚能罐与油箱之间的限压阀22，即可将罐内压强控制在不会发生危险的水平。针对“意外事故的撞击”这一安全隐患，在汽车的整体设计时应将聚能罐安置在不易被撞击到的部位，并采取一定的防撞措施，聚能罐的承压外壳还可采用高弹性耐冲击材料制作(如类似于汽车外胎的橡胶结构)；同时当压强表28监测到聚能罐压强超过安全警戒线时，即释放聚能罐内的储能工质，这些措施将大大降低汽车遭受撞击时对聚能罐造成的风险。为了应对“意外失火”的情况，可在聚能罐外壳周围安置监测温度和烟雾的火灾预警传感器，当出现火灾危险信号时，释放聚能罐内的储能工质即可排除爆炸的危险。

7、液压式车载能量回收利用系统控制流程图

综上所述，液压式车载全面能量回收利用系统的控制模块可用图3所示的流程图表示。图3中实线表示在左侧沿线的条件均满足时执行右端的动作；虚线表示线条连接的两者之间是相互影响的关系，如“正常压强范围”与“启动制热循环泵8”之间的虚线，表示启动制热循环泵8将对储能压强产生影响，同时制热循环泵8的运转速度要根据储能压强的变化实时调整。

(五)液压式车载全面能量回收利用系统的特点

1、能量回收全面、利用效率高

从前述对液压式车载全面能量回收利用系统的工作原理和效率分析中可见，由于本系统对汽车运行过程中各种具有利用价值的能量几乎都进行了回收，而且还采用回热循环利用了大量的发动机余热实现了机械能的再生。因此能量的利用效率高是本发明最为显著的特点。在汽车节能技术领域本发明对能量的利用率在理论上超过现有的混合动力等其他技术，可以预见，本系统研发装车成功后必然大大提高汽车的燃油经济性，尤其是对在制动频繁的市区内行驶的公交车、轿车等，燃油消耗量有望节省50％以上。

2、汽车在利用储能系统进行制动、加速时运行平稳

由于本发明的核心部分在能量的储存、释放过程中理论上可处于恒压状态，因此只要采用现有的在应用上最广泛、技术上最成熟、构造上最简单的等容齿轮泵，即可使汽车在利用液压储能系统进行制动和加速时获得平稳的运行效果。

3、构造简单、易于实现

液压式车载全面能量回收利用系统的工作全过程中，每一个环节均没有尖锐、突出的矛盾，如液压系统的工作最高压强基本在15MPa左右，这个压强在液压系统中属于中等水平；储能工质的最高工作温度在150℃左右(视废气可利用的最高温度可适当调整)，这些条件均十分容易满足。

对于储能工质，可选用二氧化碳、氨气、一氧化二氮等。从化学稳定性和分子间作用力相对较小的角度考虑采用二氧化碳比较好(分子间作用力小则热效率高)，并且根据不同季节自然界温度的变化可采用纯二氧化碳或二氧化碳与少量其他有机物的混合物(如丁醛、甲苯、环己烷等，掺入少量第二组分可提高工质的临界点温度——见《高等学校化学学报》VOL23《超临界二氧化碳二元体系相平衡性质的研究》，作者：张敬畅、吴向氧、曹维良)。

同时液压式车载全面能量回收利用系统对现有汽车结构改变小，在汽车上装配该系统不会对现有的汽车制造技术造成影响。

四、在汽车上装配本系统后的经济性分析

在汽车上装配液压式全面能量回收利用系统后，在一定程度上增加了汽车构造的复杂性，对汽车的成本有所提高。从定性的角度分析，对普通轿车而言，发动机成本约占整车成本的30％，从构造上比较本发明比汽车发动机要简单很多。以价格为10万元的普通轿车衡量，若装配该能量回收利用系统后汽车价格提高2万元。按目前的汽油价格5.0元/升计算，一般家庭用车年行驶里程2万公里，市区行驶消耗在燃油方面的成本按0.5元/公里计算，则每年的燃油费用为1万元。若装备液压式全面能量回收利用系统后燃油消耗降低50％，则每年节省5000元燃油费。按照这样估算对家庭轿车而言4年以内在燃油方面的节省可抵消购车时增加的费用。若对于城市出租汽车，每年行驶里程约20万公里，则半年内节省的燃油费用足可抵消购车时增加的成本。以上估算表明本发明描述的全面能量回收利用系统在经济方面具有良好的可行性，而同时它在环保方面的意义却是难以估量的。

五、将本发明应用于1.5吨级轿车的估算

液压式车载全面能量回收利用系统的优越性主要体现在汽车运行过程中需要频繁制动的场合(主要是市区行驶工况)。现以运行重量1.5吨级的城市出租汽车为例，计算出适合装配在这一重量等级的汽车上的全面能量回收利用系统的一些关键技术参数。由于在城市中运行的汽车速度一般不会很高，现按照储能设备能够将汽车速度提高到50km/h为标准来考虑。

汽车以50km/h的速度行驶时其动能为：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\frac{1}{2}\×1.5\×{\left(\frac{50}{3.6}\right)}^2=145\left(\mathrm{kJ}\right)$

按工质释放能量时压强15MPa、齿轮泵机械效率0.85、流动及其他环节的能量传递效率0.95计算，聚能罐中至少需要储存的液压油体积为：

根据系统效率分析计算中的数据，二氧化碳工质在15MPa下定压吸热膨胀(工作温度60℃～150℃，体积变化1.68L～4.04L)每公斤二氧化碳可对外做功35.4kJ，因此所需工质质量为：

聚能罐内部所需有效容积为：

V_罐＝5.1×4.04＝20.6(升)

聚能罐外形取Ф250mm×500mm(直径×长度)的圆柱筒体即可满足内部容积要求。

汽车每次加速需要吸收的热量为：

Q_吸＝5.1×(21+171)＝980(kJ)

运行质量1.5吨级的轿车其发动机最大功率在100kW左右，但市区行驶条件下发动机一般远达不到最大功率，若发动机平均实际运行功率按40kW计，其热效率按30％计，发动机余热回收利用率按20％计，则为蓄积供汽车一次加速必需的热量所需时间为：

即若汽车发动机以平均40kW的功率(余热排放功率93.3kW)每正常运行52.5秒，只要利用发动机余热的20％，即可供给能量回收利用系统完成工质的预期膨胀做功过程将汽车速度提高到50km/h。

若高温热源采用水作为蓄热材料，控制水的最高温度180℃(饱和液压强1.002MPa)，对工质加热后按水温平均下降30℃考虑，则所需热水量为：

汽车每次加速完成后，为了能够按照效率分析中限定的过程完成能量的再次蓄积，工质须向外释放热量，其中定容降温过程释放的热量为：

Q_放，1＝5.1×84＝428(kJ)

等温压缩过程(向聚能罐充入液压油的过程)释放的热量为：

Q_放，2＝5.1×89＝454(kJ)

由于聚能罐向外释放机械能是在汽车启动时，能量释放完成后工质处于高温状态，聚能罐内的温度比环境温度高很多，且在汽车启动之后一般会正常运行一段时间，在段时间内聚能罐表面可自动与外界发生热传递。因此若对工质的冷却只考虑带走工质压缩过程中释放的热量，采用水作为冷却剂，在对工质进行冷却的过程中其温度若从10℃升高到20℃，则所需冷水量为：

在温度较低的季节(如冬季)，冷却水通过与外界进行热交换可重新回到低温状态。在温度较高的季节(如夏季)，则可同时提高冷却水温度和工质压缩时的温度，对二氧化碳工质可在其中加入少量有机物组分以提高工质临界点温度，由此便可通过与外界的自发热交换保持冷源的低温状态。

通过以上将本发明应用于1.5吨级轿车的各个工作环节的计算，结果表明，该系统的工作过程中每个环节均可实现。由此可见，本发明在技术上是完全可行的。

Claims (6)

1、带有回热循环的储能核心，其特征为：利用热交换器回收发动机的余热并将其储存在蓄热剂中形成高温热源；利用与自然环境之间的热交换使冷却剂保持常温状态形成冷源；利用封闭在聚能罐中的工质工作在高温热源与冷源之间构成一个封闭热功循环；通过液压油流入、流出聚能罐实现工质的压缩、膨胀以及能量的储存、释放过程；当外界向聚能罐输入能量时，通过与冷源的热交换使工质维持在相对低温低压状态，当聚能罐向外界输出能量时，通过与高温热源的热交换使工质维持在相对高温高压状态，从而实现利用发动机余热转化为宏观机械能的热工过程。

2、汽车制动能量回收利用模块，其特征为：汽车制动时，根据汽车运动方向传感器和储能容量记录表的信息对制动类别作出判断，当汽车处于前进运行状态且储能尚未饱满时，利用汽车动能驱动液压泵，将油箱中的液压油输送到权利要求1所述的核心聚能罐中，使汽车产生制动效果并实现能量的回收。

3、汽车发动机富余功率回收利用模块，其特征为：通过监测发动机转速和扭矩判断发动机负载情况，当发动机功率有富余时，通过闭合离合器使发动机驱动液压泵，将油箱中的液压油输送到权利要求1所述的核心聚能罐中，从而实现发动机富余功率的回收。

4、汽车震动能量回收利用模块，其特征为：通过与汽车减震系统相联的油缸与活塞、单向阀及限压阀的组合作用，在汽车有震动时将油箱中的液压油输送到权利要求1所述的核心聚能罐中，从而实现汽车震动能量的回收；在储能罐压强偏高的情况下，限压阀能够自动释放液压油使储能压强维持在正常水平。

5、汽车液压驱动模块，其特征为：当汽车需要动力驱动时，驾驶员根据能量回收利用系统的储能情况，作出是否启用液压储能系统驱动汽车的选择，当驾驶员发出启用液压系统驱动汽车的指令时，通过调节液压油流向控制阀使权利要求1所述的储能核心释放液压油驱动液压马达，并由液压马达驱动汽车。

6、由以上权利要求1、2、3、4、5联合工作构成的液压式车载全面能量回收利用系统。

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