CN101845991A - 一种往复内燃机增扭扩速装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种往复内燃机增扭扩速装置和方法，包括行星排、齿轮机构、第一电机、调速齿轮和第二电机，行星排的齿圈通过轴与往复内燃机连接，作为输入端用于将往复内燃机的动力输入；第一电机通过调速齿轮与行星排的太阳轮连接，齿轮机构分别通过轴与行星排的行星架和第二电机连接，齿轮机构的第三根轴作为输出端，第一电机和第二电机通过电线连接，用于相互传递电功率。采用了本发明的技术方案，能够实现柴油机转矩适应性系数和转速适应性系数大于2，极大地改善柴油机与车辆的匹配特性。

Description

一种往复内燃机增扭扩速装置和方法

技术领域

本发明涉及往复内燃机技术领域，尤其涉及一种往复内燃机增扭扩速装置和方法。

背景技术

对于履带车辆的高强化涡轮增压柴油机，其转矩适应性系数一般小于1.2，转速适应性系数小于1.6。而履带车辆为了适应不同道路工况，要求牵引力是最小牵引力的10倍以上，最大速度是最小速度的10倍以上。显然，一般柴油机能供利用的转矩和转速变化范围与车辆需求之间存在着较大的差距。为了满足车辆实际的使用要求，就必须在传动装置中采用增加档位数和液力变矩器等措施。如此反而增加了车辆整个动力传动装置的体积和复杂程度，也增加了在车辆使用过程中的换挡次数和操作复杂度，换挡次数的增加和液力工况的采用会直接影响到车辆的油耗。

目前广泛采用的液力变矩器是以液体为介质的液力传动机械，由带叶片的泵轮、涡轮和导轮组成，形成一个封闭的液力循环系统，通过工作过程中内部油液循环流动时能量的变化，在往复内燃机曲轴和变速器之间传递功率和转矩。

液力变矩器工作过程是首先往复内燃机直接驱动泵轮，使动力通过泵轮的转动而被转换成液体的能量，液体高速流入涡轮，在涡轮叶片中的运动推动涡轮转动，自动地适应于外界转矩而变化转速，使液体的动能又被转化成机械能，由涡轮轴输出，从涡轮流出的液体经导轮变换液流方向后又流入泵轮。

液力传动的关键问题在于传动效率不高。为提高效率，多采用带闭锁式液力变矩器，当车辆起步和低档换档或遇到较大阻力时，变矩器起作用；当变速比达到某预定值，变矩器闭锁，进入纯机械传动工况，使其兼有液力传动和机械传动二者之长、避二者之短。只为起步和低档换档而设置变矩器及附属的补油、冷却等系统，尽管扩大了传动的适应性，在有限的液力工况减小传动系统中的振动和冲击、增长传动装置寿命，和在稳定行驶中可提高对地面的驱动力，但无论体积、重量、结构复杂性和成本等方面，都付出了相当的代价。

液力变矩器输出特性一般它是针对往复内燃机最大转矩转速以下部分进行增扭作用，实际上无法改善往复内燃机常用转速范围的转矩特性，因而影响了整个动力传动装置的动力性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种往复内燃机增扭扩速装置和方法，能够实现柴油机转矩适应性系数和转速适应性系数大于2，极大地改善柴油机与车辆的匹配特性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种往复内燃机增扭扩速装置，包括行星排、齿轮机构、第一电机、调速齿轮和第二电机，其中行星排的齿圈通过轴与往复内燃机连接，作为输入端用于将往复内燃机的动力输入；第一电机通过调速齿轮与行星排的太阳轮连接，齿轮机构分别通过轴与行星排的行星架和第二电机连接，齿轮机构的第三根轴作为输出端，第一电机和第二电机通过电线连接，用于相互传递电功率。

行星排的转速和转矩关系由以下公式确定：

n_t+k·n_q-(1+k)·n_j＝0，

T_t∶T_q∶T_j：＝1∶k∶-(1+k)，

其中，T_t为行星排的太阳轮的转矩；T_q为行星排的齿圈的转矩，即往复内燃机输入转矩，T_j为行星排的行星架的转矩，即行星排机械部分输出转矩，n_t为行星排的太阳轮的转速，n_q为行星排的齿圈的转速，n_j为行星排的行星架的转速。

第一电机与行星排的太阳轮的转速、转矩关系由以下公式确定：

n_m1＝-n_t/i₁，

T_m1＝-i₁·T_t，

其中，n_m1为第一电机的转速，T_m1为第一电机的转矩。

齿轮机构转速、转矩关系由以下公式确定：

n_out＝n_j＝-n_m2/i₂，

i₂·T_m2-T_j-T_out＝0，

其中，n_m2为第二电机的转速、T_m2为第二电机的转矩，n_out为所述增扭扩速装置输出的转速，T_out为所述增扭扩速装置输出的转矩。

行星排中还包括离合器，用于使行星排整体回转，实现机电驱动的闭锁。

一种往复内燃机增扭扩速方法，包括以下步骤：

A、在增扭扩速装置工作于低速段时，往复内燃机输入的机械能在行星排处分流，行星排分流的一部分机械能经第一电机的调速齿轮供给第一电机，第一电机作为发电机将机械能转化为电能提供给第二电机，第二电机作为电动机将电能再转换为机械能，第二电机输出的机械能与行星排分流的剩余机械能在齿轮机构处汇流，然后向外输出；

B、在增扭扩速装置工作于高速段时，往复内燃机保持运行在标定工况点，往复内燃机输入的机械能通过行星排输出给齿轮机构，齿轮机构将行星排输出的机械能进行分流，齿轮机构分流的一部分机械能向外输出，齿轮机构分流的剩余机械能供给第二电机，第二电机作为发电机将机械能转化为电能提供给第一电机，第一电机作为电动机将电能再转换为机械能，第一电机输出的机械能经调速齿轮后与往复内燃机输入的机械能在行星排处汇流。

行星排的转速和转矩关系由以下公式确定：

n_t+k·n_q-(1+k)·n_j＝0，

T_t∶T_q∶T_j：＝1∶k∶-(1+k)，

其中，T_t为行星排的太阳轮的转矩；T_q为行星排的齿圈的转矩，即往复内燃机输入转矩，T_j为行星排的行星架的转矩，即行星排机械部分输出转矩，n_t为行星排的太阳轮的转速，n_q为行星排的齿圈的转速，n_j为行星排的行星架的转速。

第一电机与行星排的太阳轮的转速、转矩关系由以下公式确定：

n_m1＝-n_t/i₁，

T_m1＝-i₁·T_t，

其中，n_m1为第一电机的转速，T_m1为第一电机的转矩。

齿轮机构转速、转矩关系由以下公式确定：

n_out＝n_j＝-n_m2/i₂，

i₂·T_m2-T_j-T_out＝0，

其中，n_m2为第二电机的转速、T_m2为第二电机的转矩，n_out为所述增扭扩速装置输出的转速，T_out为所述增扭扩速装置输出的转矩。

对于输入转速范围为每分钟1100转到每分钟2100转的往复内燃机，增扭扩速后输出转速范围为每分钟385转到每分钟2200转，每分钟385转到每分钟1700转是低速段，每分钟1700转到每分钟2200转是高速段；

在高于每分钟2100转后，行星排中的离合器使行星排整体回转，实现机电驱动的闭锁，转换为机械驱动。

采用了本发明的技术方案，具有以下效果：

1、实现柴油机转矩适应性系数和转速适应性系数大于2，极大地改善柴油机与车辆的匹配特性。

2、由于电机功率远高于液力变矩器的效率，因此减小了由液力变矩器效率低而损失的往复内燃机功率，提高动力传动系统的效率。

3、简化动力传动装置的结构、缩小其体积，提高功率密度。

4、简化动力传动装置的操纵，提高车辆的操纵性。

5、可以采用先进的机电操纵换挡控制策略，减小换挡冲击，提高车辆乘坐舒适性和动力传动装置的可靠性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中往复内燃机增扭扩速装置的结构示意图。

图2是往复内燃机增扭扩速装置的特性对比图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明具体实施方式中往复内燃机增扭扩速装置的结构示意图。如图1所示，该往复内燃机增扭扩速装置包括行星排1、齿轮机构2、第一电机3、第二电机4和调速齿轮5，其中，行星排的齿圈通过轴与往复内燃机连接，作为输入端，将往复内燃机的动力输入；第一电机通过调速齿轮与行星排的太阳轮连接，齿轮机构分别通过轴与行星排的行星架和第二电机连接，齿轮机构的第三根轴作为增扭扩速装置的输出，第一电机和第二电机通过电线连接，相互传递电功率。

其中，行星排的转速和转矩关系由以下公式确定：

n_t+k·n_q-(1+k)·n_j＝0 (1)，

T_t∶T_q∶T_j：＝1∶k∶-(1+k) (2)，

T_t为行星排的太阳轮的转矩；T_q为行星排的齿圈的转矩，即往复内燃机输入转矩，T_j为行星排的行星架的转矩，即行星排机械部分输出转矩，n_t为行星排的太阳轮的转速，n_q为行星排的齿圈的转速，n_j为行星排的行星架的转速。

第一电机与行星排的太阳轮的转速、转矩关系由以下公式确定：

n_m1＝-n_t/i₁ (3)，

T_m1＝-i₁·T_t (4)，

n_m1为第一电机的转速，T_m1为第一电机的转矩。

齿轮机构转速、转矩关系由以下公式确定：

n_out＝n_j＝-n_m2/i₂ (5)，

i₂·T_m2-T_j-T_out＝0 (6)，

n_m2为第二电机的转速、T_m2为第二电机的转矩，n_out为所述增扭扩速装置输出的转速，T_out为所述增扭扩速装置输出的转矩。

本往复内燃机增扭扩速装置输入端连接的往复内燃机的转矩外特性作为设计的已知条件，需要确定的主要参数包括：电机功率(第一电机与第二电机功率相同)、行星排特征参数k、太阳轮到第一电机的传动比i₁、第二电机到行星架的传动比i₂。

首先，由于行星排转矩关系式(2)中太阳轮和齿圈(即往复内燃机)的转矩满足1∶k的关系，因此当往复内燃机转矩范围确定后，太阳轮的转矩范围取决于k，从选用较小电机功率角度出发，应在合理范围内选用较大的k值。

从行星排转速关系式(1)：n_t＝(1+k)n_j-kn_q，太阳轮功率(即第一电机功率)主要取决于齿圈和行星架的转速差，所以当k选定后，需要根据齿圈转速(即往复内燃机转速)合理设计行星架的转速，以保证第一电机的功率不超过许用功率。为了获得理想的车辆需求的低速大转矩的驱动特性，以往复内燃机最大转矩工况点作为工作点，确定齿圈的转速和转矩，以第一电机功率为约束，选择不同的k值，使增扭后的转矩最大、转速最低。同时，为了获得理想的等功率转矩特性，通常以往复内燃机额定工况点作为工作点，确定齿圈的转速和转矩，以第二电机功率为约束，进一步核算k值的合理性。确定合理的k后，就可以根据第一电机和第二电机的转矩和转速范围，选择合理的传动比i₁和i₂。

上述设计流程的输入、边界条件、计算公式总结如表1所示。其中设计输入：往复内燃机转速、转矩，行星排特性参数k，传动比i₁和i₂。边界条件：第一电机、第二电机的外特性(或电机功率)。

表1

由于电机良好的转矩特性，使往复内燃机的低速转矩特性得到极大的改善，其改善程度主要取决于第一电机和第二电机的额定功率。电机额定功率越大，转换后的转矩特性越接近等功率线，但是由于电功率比例增加，势必会降低增扭扩速装置的效率，为了保证转换具有高效率，一般取较小的电机功率(小于原往复内燃机功率的30％)，比如200千瓦、250千瓦或者300千瓦。

在车辆对动力性要求低时，为了进一步提高增扭扩速装置的效率，可以在行星排中设置离合器使行星排整体回转，实现机电驱动的闭锁，使增扭扩速装置转换为纯机械驱动，例如在高于每分钟2100转后实现闭锁。

下面具体描述使用往复内燃机增扭扩速装置实现增扭扩速的方法。

首先说明，对于输入转速范围为每分钟1100转到每分钟2100转的往复内燃机，增扭扩速后输出转速范围为每分钟385转到每分钟2200转，每分钟385转到每分钟1700转是低速段，每分钟1700转到每分钟2200转是高速段。

在增扭扩速装置工作于低速段时，往复内燃机输入的机械能在行星排处分流，行星排分流的一部分机械能经第一电机的调速齿轮供给第一电机，第一电机作为发电机将机械能转化为电能提供给第二电机，第二电机作为电动机将电能再转换为机械能，第二电机输出的机械能与行星排分流的剩余机械能在齿轮机构处汇流，然后向外输出；

在增扭扩速装置工作于高速段时，往复内燃机保持运行在标定工况点，往复内燃机输入的机械能通过行星排输出给齿轮机构，齿轮机构将行星排输出的机械能进行分流，齿轮机构分流的一部分机械能向增扭扩速装置外输出，齿轮机构分流的剩余机械能供给第二电机，第二电机作为发电机将机械能转化为电能提供给第一电机，第一电机作为电动机将电能再转换为机械能，第一电机输出的机械能经调速齿轮后与往复内燃机输入的机械能在行星排处汇流。

以输入端连接某额定功率为1103千瓦的往复内燃机，第一电机、第二电机的功率均为200千瓦为例，原往复内燃机转矩特性曲线、经过本增扭扩速装置后输出的特性曲线及车辆需求的理想等功率转矩特性曲线如图2所示。

原往复内燃机稳定工作的转速范围为每分钟1400转到2200转，转速适应性系数为1.57，转矩适应系数为1.1。采用本增扭扩速装置后稳定工作的转速范围变为每分钟700转到2200转，转速适应性系数为3.14(变为原来的2倍)，转矩适应性系数为2.25(变为原来的2.05倍)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种往复内燃机增扭扩速装置，其特征在于，包括行星排、齿轮机构、第一电机、调速齿轮和第二电机，其中行星排的齿圈通过轴与往复内燃机连接，作为输入端用于将往复内燃机的动力输入；第一电机通过调速齿轮与行星排的太阳轮连接，齿轮机构分别通过轴与行星排的行星架和第二电机连接，齿轮机构的第三根轴作为输出端，第一电机和第二电机通过电线连接，用于相互传递电功率。

2.根据权利要求1所述的一种往复内燃机增扭扩速装置，其特征在于，行星排的转速和转矩关系由以下公式确定：

n_t+k·n_q-(1+k)·n_j＝0，

T_t∶T_q∶T_j∶＝1∶k∶-(1+k)，

其中，T_t为行星排的太阳轮的转矩；T_q为行星排的齿圈的转矩，即往复内燃机输入转矩，T_j为行星排的行星架的转矩，即行星排机械部分输出转矩，n_t为行星排的太阳轮的转速，n_q为行星排的齿圈的转速，n_j为行星排的行星架的转速。

3.根据权利要求2所述的一种往复内燃机增扭扩速装置，其特征在于，第一电机与行星排的太阳轮的转速、转矩关系由以下公式确定：

n_m1＝-n_t/i_l，

T_m1＝-i₁·T_t，

其中，n_m1为第一电机的转速，T_m1为第一电机的转矩。

4.根据权利要求3所述的一种往复内燃机增扭扩速装置，其特征在于，齿轮机构转速、转矩关系由以下公式确定：

n_out＝n_j＝-n_m2/i₂，

i₂·T_m2-T_j-T_out＝0，

其中，n_m2为第二电机的转速、T_m2为第二电机的转矩，n_out为所述增扭扩速装置输出的转速，T_out为所述增扭扩速装置输出的转矩。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的一种往复内燃机增扭扩速装置，其特征在于，行星排中还包括离合器，用于使行星排整体回转，实现机电驱动的闭锁。

6.一种往复内燃机增扭扩速方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、在增扭扩速装置工作于低速段时，往复内燃机输入的机械能在行星排处分流，行星排分流的一部分机械能经第一电机的调速齿轮供给第一电机，第一电机作为发电机将机械能转化为电能提供给第二电机，第二电机作为电动机将电能再转换为机械能，第二电机输出的机械能与行星排分流的剩余机械能在齿轮机构处汇流，然后向外输出；

B、在增扭扩速装置工作于高速段时，往复内燃机保持运行在标定工况点，往复内燃机输入的机械能通过行星排输出给齿轮机构，齿轮机构将行星排输出的机械能进行分流，齿轮机构分流的一部分机械能向外输出，齿轮机构分流的剩余机械能供给第二电机，第二电机作为发电机将机械能转化为电能提供给第一电机，第一电机作为电动机将电能再转换为机械能，第一电机输出的机械能经调速齿轮后与往复内燃机输入的机械能在行星排处汇流。

7.根据权利要求6所述的一种往复内燃机增扭扩速方法，其特征在于，行星排的转速和转矩关系由以下公式确定：

n_t+k·n_q-(1+k)·n_j＝0，

T_t∶T_q∶T_j∶＝1∶k∶-(1+k)，

其中，T_t为行星排的太阳轮的转矩；T_q为行星排的齿圈的转矩，即往复内燃机输入转矩，T_j为行星排的行星架的转矩，即行星排机械部分输出转矩，n_t为行星排的太阳轮的转速，n_q为行星排的齿圈的转速，n_j为行星排的行星架的转速。

8.根据权利要求7所述的一种往复内燃机增扭扩速方法，其特征在于，第一电机与行星排的太阳轮的转速、转矩关系由以下公式确定：

n_m1＝-n_t/i₁，

T_m1＝-i₁·T_t，

其中，n_m1为第一电机的转速，T_m1为第一电机的转矩。

9.根据权利要求8所述的一种往复内燃机增扭扩速方法，其特征在于，齿轮机构转速、转矩关系由以下公式确定：

n_out＝n_j＝-n_m2/i₂，

i₂·T_m2-T_j-T_out＝0，

其中，n_m2为第二电机的转速、T_m2为第二电机的转矩，n_out为所述增扭扩速装置输出的转速，T_out为所述增扭扩速装置输出的转矩。

10.根据权利要求6-9任一权利要求所述的一种往复内燃机增扭扩速方法，其特征在于，对于输入转速范围为每分钟1100转到每分钟2100转的往复内燃机，增扭扩速后输出转速范围为每分钟385转到每分钟2200转，每分钟385转到每分钟1700转是低速段，每分钟1700转到每分钟2200转是高速段；

在高于每分钟2100转后，行星排中的离合器使行星排整体回转，实现机电驱动的闭锁，转换为机械驱动。

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