CN102069788A - 一种车辆制动能量气压回收和利用装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆制动能量气压回收和利用装置及控制方法,属于车辆节能减排技术领域。该装置在车辆减速制动过程中,通过电磁离合器把空气压缩机与车辆传动系相连,利用车辆的惯性驱动压气机工作以回收车辆的制动能量,压气机产生的高压空气储存在高压气瓶中;存储在气瓶中的高压空气可在车辆加速时,对内燃机进行进气补偿,有利于内燃机在瞬态工况下获得充足的空气,提高其动力性和加速性能,特别可缩短涡轮增压内燃机加速时的进气响应延迟;而在起动过程中可对内燃机的排气进行额外空气补偿,特别是内燃机较频繁受控起停的混合动力汽车,以降低起动过程的有害物排放。

Description

一种车辆制动能量气压回收和利用装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种车辆制动能量气压回收和利用装置及控制方法,具体为利用车辆制动能量,在车辆加速过程中对内燃机进气进行补偿以及内燃机起动时对尾气进行额外空气补偿的系统和方法,属于车辆节能减排技术领域。
背景技术
能源紧缺和环境污染是当今世界的两大主要课题,同时伴随车辆排放法规日趋严格,促使人们不断探索提高内燃机燃烧效率和降低有害物排放的途径。现代内燃机一般通过废气涡轮增压器或机械增压器对内燃机进气进行增压,以提高充气效率、燃烧效率和功率密度,从而达到节能减排的目的。涡轮增压器依靠内燃机排出的高温废气驱动涡轮转子,进而带动同轴安装的空气压缩机对进气进行压缩增压。涡轮增压的特性是利用排放废气驱动实现内燃机进气增压,从而提高充气效率、功率和扭矩,装置本身基本不消耗发动机动力,其运行时受内燃机转速影响,通常涡轮介入增压有一定的响应时间延迟,存在响应速度慢、寿命短、制造材料要求高等缺点,同时在排气端也形成了一定的排气背压。机械增压器不能有效利用废气能量,通过消耗内燃机的部分有效功驱动增压器运行工作,实现内燃机进气增压。机械增压的特性是发动机开始启动运转就介入,以增大空气进气量来增加动力,使起步加速有力,相对于废气涡轮增压方式,机械增压响应速度快、寿命长。其缺点是发动机高转速时,输出功率增大不明显,且其结构和体积较大,同时在一定程度上增加了内燃机的负荷。为了拓宽内燃机进气增压的工作区域,充分发挥废气涡轮增压器和机械增压器的优点,二者相结合的模式得到了应用,但也增加了结构的复杂程度和生产成本。
发明内容
本发明的目的是回收车辆的制动能量,解决内燃机瞬时加速响应慢的缺陷,并降低起动过程中内燃机的有害物排放,同时在一定程度上减轻制动系的磨损。
本发明的方案是在车辆减速制动过程中,通过电磁离合器把空气压缩机与车辆传动系相连,使车辆的惯性带动压缩机工作,回收车辆制动能量,并将其储存在高压气瓶中;储存在高压气瓶中的压缩空气可在车辆瞬时加速过程中,对内燃机进气进行补偿,特别是可缩短涡轮增压内燃机的进气时间响应延迟;而在起动过程中对内燃机的排气进行额外空气补偿,特别是内燃机较频繁受控起停的混合动力汽车,以降低起动过程的有害物排放。
一种车辆制动能量气压回收和利用装置,包括:进气管1、内燃机2、排气管3、离合器4、变速箱5、驱动轮6、差速器7、空气压缩机驱动齿轮副8、电磁离合器9、空气压缩机10、空气滤清器11、单向阀S112、控制单元13、高压气瓶14、单向阀S215、制动踏板位置传感器16、加速踏板位置传感器17、电磁开关阀V118、电磁开关阀V219、来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号b、内燃机起动信号c、车速信号d、电磁离合器9的控制信号e、电磁开关阀V219的控制信号f、电磁开关阀V118的控制信号g。车辆正常行驶时,由内燃机2经离合器4驱动变速箱5运转,进而带动差速器7、驱动轮6运转从而驱动车辆行驶。空气压缩机10通过电磁离合器9经空气压缩机驱动齿轮副8与车辆传动系相连,空气压缩机10的排气口经单向阀S112与高压气瓶14相连,并分别通过电磁开关阀V219、电磁开关阀V118使高压气瓶14与内燃机2的进气管1、排气管3相连;在装有气压制动系的车辆中,高压气瓶14经单向阀S215与制动系的储气罐相连,其中气动制动系各部件均为现有技术,在没有气压制动系的车辆中,高压气瓶14经单向阀S215与大气相连。
上述的控制单元13接收来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号b、内燃机起动信号c、车速信号d,输出电磁离合器9的控制信号e、电磁开关阀V219的控制信号f、电磁开关阀V118的控制信号g。
上述的一种车辆制动能量气压回收和利用装置,其控制方法如下:
车辆在制动减速过程中,控制单元13接收来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号b、车速信号d,同时发出指令e使电磁离合器9结合,车辆惯性带动空气压缩机10工作并给高压气瓶14泵气蓄能,回收车辆的制动能量。
车辆在起动过程中,内燃机2起动时,控制器单元13接收内燃机2起动信号c,同时发出指令g使电磁开关阀V118由初始关闭状态变为接通状态,储存在高压气瓶14的高压空气进入排气总管3,对内燃机2的尾气作进一步氧化,以降低有害物排放。
车辆在加速过程中,控制单元13接收来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号a、车速信号d,同时发出指令f,使电磁开关阀V219由初始关闭状态变为接通状态,储存在高压气瓶14的高压空气进入进气管1,快速地实现内燃机进气补偿,内燃机2在瞬态工况下获得充足的空气,提高其动力性和加速性能。
在具有气压制动系的车辆中,当该系统中高压气瓶14气压达到工作上限,单向阀S215被迫打开,高压气瓶14中压缩空气经单向阀S215对制动系储气罐压缩空气进行补充,以减少通过内燃机直接驱动的空气压缩机的泵气工作次数,从而降低内燃机的工作负荷,在一定程度上达到节能的目的。
本发明可以取得如下有益效果:通过气压能的形式有效地回收车辆的制动能量,并在车辆瞬态工况下对所回收的制动能量实现再利用。有利于内燃机在加速工况下获得充足的空气,提高其动力性和加速性能,特别可缩短涡轮增压内燃机加速时的进气响应延迟;而在起动过程中对尾气补气,特别是内燃机较频繁受控起停的混合动力汽车,可降低起动过程的有害物排放;同时,制动过程中回收了车辆的制动能量,在一定程度上能减轻摩擦式制动器的磨损。
附图说明
图1:一种车辆制动能量回收和利用装置原理图。
图中:1.进气管,2.内燃机,3.排气管,4.离合器,5.变速箱,6.驱动轮,7.差速器,8.空气压缩机驱动齿轮副,9.电磁离合器,10.空气压缩机,11.空气滤清器,12.单向阀S1,13.控制单元,14.高压气瓶,15.单向阀S2,16.制动踏板位置传感器,17.加速踏板位置传感器,18.电磁开关阀V1,19.电磁开关阀V2,a.来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号,b.来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号,c.内燃机起动信号,d.车速信号,e.电磁离合器9的控制信号,f.电磁开关阀V219的控制信号,g.电磁开关阀V118的控制信号。
具体实施方式
参照图1为一种车辆制动能量气压回收和利用装置,包括:进气管1、内燃机2、排气管3、离合器4、变速箱5、驱动轮6、差速器7、空气压缩机驱动齿轮副8、电磁离合器9、空气压缩机10、空气滤清器11、单向阀S112、控制单元13、高压气瓶14、单向阀S215、制动踏板位置传感器16、加速踏板位置传感器17、电磁开关阀V118、电磁开关阀V219、来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号b、内燃机起动信号c、车速信号d、电磁离合器9的控制信号e、电磁开关阀V219的控制信号f、电磁开关阀V118的控制信号g。车辆正常行驶时,由内燃机2经离合器4驱动变速箱5运转,进而带动差速器7、驱动轮6运转从而驱动车辆行驶。空气压缩机10通过电磁离合器9经空气压缩机驱动齿轮副8与车辆传动系相连,空气压缩机(10)的排气口经单向阀S112与高压气瓶14相连,并分别通过电磁开关阀V219、电磁开关阀V118使高压气瓶14与内燃机2的进气管1、排气管3相连;在装有气压制动系的车辆中,高压气瓶14经单向阀S215与制动系的储气罐相连,其中气动制动系各部件均为现有技术,在没有气压制动系的车辆中,高压气瓶14经单向阀S215与大气相连。
车辆在制动减速过程中,控制单元13接收来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号b、车速信号d,当制动踏板处于空行程且车速不为零时,控制单元13发出指令e使电磁离合器9结合,车辆惯性带动空气压缩机10工作并给高压气瓶14泵气蓄能,回收车辆的制动能量;车辆在启动过程中,内燃机2起动时,当控制器单元13接收内燃机2起动信号c时,发出指令g使电磁开关阀V118由初始关闭状态变为接通状态,储存在高压气瓶14的高压空气进入排气总管3,对内燃机2的尾气作进一步氧化,以降低有害物排放;车辆在加速过程中,控制单元13接收来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号a、车速信号d,当加速踏板位置信号连续变化增大且车速不为零时,控制单元发出指令f,使电磁开关阀V219由初始关闭状态变为接通状态,储存在高压气瓶14的高压空气进入进气管1,快速地实现内燃机进气补偿,内燃机2在瞬态工况下获得充足的空气,提高其动力性和加速性能;在具有气压制动系的车辆中,当该系统中高压气瓶14气压达到工作上限,单向阀S215被迫打开,高压气瓶14中压缩空气经单向阀S215对制动系储气罐压缩空气进行补充,以减少通过内燃机直接驱动的空气压缩机的泵气工作次数,从而降低内燃机的工作负荷,在一定程度上达到节能的目的。
控制单元13通过接收来自加速踏板位置传感器17的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器16的制动踏板位置信号b、内燃机2的起动信号c以及车速信号d,从而判断内燃机2与车辆的状态。其中,在汽油机上,加速踏板位置信号a可采用节气门位置信号。
当制动踏板位置处于制动踏板空行程,并且车速不为零时,此时控制单元13判定车辆将进行减速制动,并发出指令e,使电磁离合器9结合,车辆惯性带动空气压缩机10工作,空气经空气滤清器11泵入高压气瓶14实现车辆制动能量的回收和储存,其中高压气瓶14为总容积不小于5L的刚性容器。当气压蓄能器15中压缩空气相对压力超过7-8bar时:在装有气压制动系的车辆中,单向阀S215被迫打开,压缩空气进入制动系储气罐;而在没有气压制动系的车辆中,压缩空气经单向阀S215排入大气。如此可确保各元件在工作压力下正常工作,同时在制动减速过程中提供一定的制动力矩,减轻摩擦式制动器的磨损。
为了提高内燃机的起动性能,在起动过程中内燃机2采用过浓燃烧,从而导致排放恶化,特别是混合动力车辆中,内燃机较频繁的受控停车或起动,使得因起动带来的有害物排放增加。当控制单元13接收内燃机起动信号c时,发出指令g,使电磁开关阀V118由关闭状态切换至接通状态,接通高压气瓶14与内燃机2的排气管3之间的气路,压缩空气进入排气管3使排气进一步氧化,其中,在含有三元催化装置的汽油机上,为保证三元催化和氧传感器的正常工作,此时压缩空气的补偿入口在三元催化装置之后。
当加速踏板位置信号a为连续变化增加,并且车速不为零时,控制单元13判定此时车辆加速,并发出指令f,使电磁开关阀V219由关闭状态切换至接通状态,连通高压气瓶14与进气总管1之间的气路,实现进气补偿。其中,在汽油机上,压缩空气的补偿入口处于节气门前端。该进气补偿方式对自然进气和增压发动机都适用,以提高内燃机的充气系数,特别是降低废气涡轮器的响应延迟,从而增加内燃机的功率密度,减少燃油消耗并降低有害物排放。
本发明提出的车辆制动能量气压回收和利用装置能有效的提高内燃机的充气系数,改善增压发动机,特别是废气涡轮增压低速运行增压不明显,瞬时加速响应慢的缺陷。而所利用的压缩空气通过回收车辆的制动能量所得,实为燃料能量的再次利用,提高了燃料的利用率,从而可降低内燃机燃油消耗,同时排气管的空气补偿可进一步降低有害物的排放。

Claims (3)

1.一种车辆制动能量气压回收和利用装置,其特征在于:包括:进气管(1)、内燃机(2)、排气管(3)、离合器(4)、变速箱(5)、驱动轮(6)、差速器(7)、空气压缩机驱动齿轮副(8)、电磁离合器(9)、空气压缩机(10)、空气滤清器(11)、单向阀S1(12)、控制单元(13)、高压气瓶(14)、单向阀S2(15)、制动踏板位置传感器(16)、加速踏板位置传感器(17)、电磁开关阀V1(18)、电磁开关阀V2(19)、来自加速踏板位置传感器(17)的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器(16)的制动踏板位置信号b、内燃机起动信号c、车速信号d、电磁离合器(9)的控制信号e、电磁开关阀V2(19)的控制信号f、电磁开关阀V1(18)的控制信号g;车辆正常行驶时,由内燃机(2)经离合器(4)驱动变速箱(5)运转,进而带动差速器(7)、驱动轮(6)运转从而驱动车辆行驶;空气压缩机(10)通过电磁离合器(9)经空气压缩机驱动齿轮副(8)与车辆传动系相连,空气压缩机(10)的排气口经单向阀S1(12)与高压气瓶(14)相连,并分别通过电磁开关阀V2(19)、电磁开关阀V1(18)使高压气瓶(14)与内燃机(2)的进气管(1)、排气管(3)相连;在装有气压制动系的车辆中,高压气瓶(14)经单向阀S2(15)与制动系的储气罐相连,在没有气压制动系的车辆中,高压气瓶(14)经单向阀S2(15)与大气相连;
控制单元(13)接收来自加速踏板位置传感器(17)的加速踏板位置信号a、来自制动踏板位置传感器(16)的制动踏板位置信号b、内燃机起动信号c、车速信号d,输出电磁离合器9的控制信号e、电磁开关阀V219的控制信号f、电磁开关阀V118的控制信号g。
2.根据权利要求1所述的一种车辆制动能量气压回收和利用装置,其特征在于:在具有气压制动系的车辆中,当该系统中高压气瓶(14)气压达到工作上限,单向阀S2(15)被迫打开,高压气瓶(14)中压缩空气经单向阀S2(15)对制动系储气罐压缩空气进行补充。
3.根据权利要求1所述的一种车辆制动能量气压回收和利用装置的控制方法,其特征在于:
车辆在制动减速过程中,控制单元(13)接收来自制动踏板位置传感器(16)的制动踏板位置信号b、车速信号d,同时发出指令e使电磁离合器(9)结合,车辆惯性带动空气压缩机(10)工作并给高压气瓶(14)泵气蓄能,回收车辆的制动能量;
车辆在启动过程中,内燃机(2)起动时,控制器单元(13)接收内燃机(2)起动信号c,同时发出指令g使电磁开关阀V1(18)由初始关闭状态变为接通状态,储存在高压气瓶(14)的高压空气进入排气总管(3),对内燃机(2)的尾气作进一步氧化;
车辆在加速过程中,控制单元(13)接收来自加速踏板位置传感器(17)的加速踏板位置信号a、车速信号d,同时发出指令f,使电磁开关阀V2(19)由初始关闭状态变为接通状态,储存在高压气瓶(14)的高压空气进入进气管(1),快速实现内燃机进气补偿,内燃机(2)在瞬态工况下获得充足的空气。
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