CN103998744A - 飞轮混合系统 - Google Patents

Abstract

一种用于皮带传动附属系统的动能回收系统包括动能存储装置，具有驱动器输出部的驱动器，具有传动比的连接到驱动器输出部的变速器，通过第一离合器连接到变速器的皮带传动附属系统；动能存储装置通过第二离合器连接到皮带传动附属系统，并且动能存储装置和变速器通过第一离合器和第二离合器可连接。

Description

飞轮混合系统

技术领域

本发明涉及一种飞轮混合系统，并且尤其地涉及一种包括有选择地连接到内燃机附属皮带传动系统的飞轮的飞轮混合系统。

背景技术

飞轮是储存能量和调节速度的公知装置。在包括汽车在内的车辆上，大的飞轮典型地安装到曲轴上。飞轮惯性起到消除内部燃烧过程的脉冲属性并且防止速度波动传递到变速器以及动力传动系统的其它部件上的作用。

飞轮的其它用途也是公知的。例如，飞轮用于调节电网频率。如图1A所示，如图1所示，当需要的电力高时，发电机速度降低，引起供给的AC电力的频率的降低。在峰值需求，飞轮系统可以提供功率，降低发电机上的负载。这将发电机的速度保持增加并且维持了AC电力的频率。另外，基于飞轮的辅助动力单元(APU)可以在电力设备应用中使用。在医院，如果失去电网电力，则基于飞轮的APU可用于提供紧急电力以桥接电网电力损失与柴油发电机启动之间的缺口。类似地，在断电面前，紧急的计算机系统可以是保持供电。

图1B示出了飞轮在制造业中的使用。诸如压床的机器使用飞轮A在变化的负载下保持恒定的速度。

此外，叫做动能回收系统(KERS)的飞轮系统在包括开式轮的座圈的某些座圈应用中使用。例如，通过回收否则在制动中被浪费的能量，KERS可以在6.67秒提供额外的80Hp。

另一公知的系统由如图2所示的英国，北安普敦郡，Flybrid系统提供。该系统通常包括飞轮模块A，CVT模块B，传动机构C，以及输出传动轴D。系统提供60kW并且可以在飞轮中存储最高速度为60000RPM的400kJ的能量。

现有技术的代表是美国专利号3,672,244，其公开了一种汽车系统，采用了能够存储并且迅速地消散连接到变速器的大量动能的高速、质量适中的飞轮，以及用于以相对低的能量水平供给动能至飞轮的装载装置，所述变速器适于允许来自飞轮的存储动能平稳的释放至车辆车轮。该系统通过有效的能量转换装置提供了极大的燃料经济性和减轻的污染。

需要的是飞轮混合系统，其包括有选择地离合到内燃机附属皮带传动系统的飞轮。本发明满足该需求。

发明内容

本发明的主要方面是提供一种飞轮混合系统，其包括有选择地离合到内燃机附属皮带传动系统上的飞轮。

通过发明的以下描述和附图，将会明显地指出或作出本发明的其它方面。

本发明包括用于皮带传动附属系统的动能回收系统，该系统包括动能存储装置，具有驱动器输出部的驱动器，具有传动比的连接到驱动器输出的变速器，通过第一离合器连接到变速器的皮带传动附属系统，该动能存储装置通过第二离合器连接到该皮带传动附属系统，并且该动能存储装置和该变速器通过第一离合器和第二离合器可连接。

附图说明

附图，其合并入并且形成说明书的一部分，示出了本发明的优选实施例，并且与说明书一起，起到解释本发明的原理的作用。

图1A是示出了动力系统的调节的图示的现有技术。

图1B是示出了使用飞轮的一件工业设备的现有技术。

图2是示出了动力传动系统KERS系统的现有技术。

图3A是用于图3B中的系统的皮带轮比的图表。

图3B是本发明的KERS系统的图解。

图4是飞轮的透视图。

图5A是用于图5B中的系统的皮带轮比的图表。

图5B是示出了飞轮传动的发明的KERS系统的图解。

图6是示出了系统特性的图表。

图7是示出了系统特性的图表。

图8A是用于图8B中的系统的皮带轮比的图表。

图8B是示出了在制动情况期间飞轮再装载的本发明的KERS系统的图解。

图9是示出了在飞轮再装载期间飞轮速度特性的图表。

图10A是示出了在空调工作时燃料节省的图表。

图10B是示出了没有空调时燃料节省的图表。

具体实施方式

以下的描述仅仅是提供了实施例，并不旨在限制权利要求的范围、应用或结构。相反地，以下的描述仅为本领域技术人员提供了实施所述的示例性的描述。应当理解，在不背离所附权利要求的精神和范围的情况下在元件的功能和布置上可以作出各种改变。

发明的系统包括用于驱动内燃机皮带传动附属系统(ABDS)的动能回收系统(KERS)。双离合器结构允许内燃机或者飞轮驱动附件。

如果当车辆制动作用时原本浪费的能量被回收并且存储以随后使用用于推动附件时，可以实现显著的燃料节省。通常，再生制动能量用于推动车辆，这是效率不高的。在本发明的系统中，回收能量通过使用飞轮将用于驱动发动机附件。

用于驱动发动机附件的本发明的KERS系统在图3中示出。

系统1000包括内燃(IC)发动机100。发动机100可以包括在诸如客车，卡车，公共汽车的车辆或任意其它使用IC发动机的车辆使用的发动机。发动机100可以包括任意数量的气缸，可适于使用该发动机的特定车辆应用。

发动机100具有诸如曲轴的发动机输出部101。皮带轮102连接到曲轴101的端部。皮带轮102可以包括V形皮带轮或多楔V形皮带轮。

皮带105跨越在皮带轮102和皮带轮103之间。皮带105可以包括或者V形皮带，多楔V形皮带，链或者其它适当的柔性动力传递构件。

皮带轮103连接到轴104上。皮带轮103可以包括V形皮带轮或多楔V形皮带轮。轴104用于重新定向该输出部并且取决于车辆的结构可以包含在系统内或排除在系统外。

轴104连接到变速器300。示例性的变速器包括三个速度比，即，2.0∶1(齿轮301、304)、1.2∶1(齿轮302、305)和0.94∶1(齿轮303、306)。变速器300可以包括适于与旋转的输出轴一起使用的本领域中任意公知的。

变速器300连接到第一离合器400。变速器300是摩擦片类型离合器。

飞轮200连接到齿轮201和齿轮202。在该实施例中，齿轮201和202的传动比是8.0∶1。齿轮202连接到第二离合器500。变速器500是摩擦片类型离合器。

离合器400的输出部和离合器500的输出部都连接到皮带轮405。皮带轮405可以包括V形皮带轮或多楔V形皮带轮。

皮带轮405通过皮带204连接到双皮带轮203A，203B的皮带轮203B。双皮带轮203A，203B可以包括V形皮带轮或多楔V形皮带轮。皮带轮203A和203B固定在一起。皮带204可以包括或者V形皮带，多楔V形皮带，或者其它适当的柔性动力传递构件。

附件包括交流发电机600，空调压缩机700和动力转向泵800。皮带轮601连接到交流发电机600。皮带轮701连接到空调压缩机700。皮带轮801连接到动力转向泵800。皮带205在每个皮带轮601，701和801与皮带轮203A之间顺序连接。每个皮带轮601，701，801可以包括V形皮带轮或多楔V形皮带轮。然而，每个皮带轮必须与用于给定系统的相同皮带类型一致。皮带205可以包括V形皮带轮或多楔V形皮带轮。

系统的布置允许飞轮使用与仅使用变速器300的三速附件驱动相同的齿轮装置。示例性的飞轮在图4中示出。在该实施例中，飞轮2000包括卷绕在钢轮毂2002上的碳绳索环形物2001。碳绳索环形物被容纳在壳体2003中以防止碎屑的进入。

飞轮系统通过8.0∶1.0速度比的变速器连接到离合器400，500。例如，如果发动机的最小速度是800RPM并且飞轮的最小速度是32,000RPM，那么飞轮与ABDS的比率将是

在该速度比，当发动机转速上升超过一些阈值时，飞轮200必须与发动机100断开以防止超速。例如，如果飞轮的速度极限是60,000RPM，那么的发动机转速和以上时，飞轮应当断开。

图3A中示出了用于系统的皮带轮比。图3A中的图表符号示出了用于相关齿轮组的传动比。

本发明中使用的飞轮200在图4中示出，其相对较小并且以30,000RPM以上的速度工作。示例性的飞轮是安装在金属轮毂上的碳纤维复合材料。飞轮在真空中工作以将通风损耗最小化。在该实施例中，飞轮的惯性大约是0.035kg.m²。

在第一模式中，存储在飞轮200中的动能用于推动附件。在第二模式中，飞轮通过车辆的制动能量装载。在第三模式中，当飞轮怠速的同时，发动机驱动附件。

如图5所示，附件通过恒定的速度比连接到高速飞轮上：

$\frac{1.0}{8.0}\×0.4\×0.50=0.025$

通过使用这样大的速度比，附件的速度保持很低并且附件的转速变化保持相对很小，即使飞轮速度可能有较大程度的变化。这将最小化飞轮必须提供的功率，并且因此提供更高效的系统。

为了使用飞轮推动附件，离合器400断开并且离合器500接合。该结构将附件与发动机断开并且使用来自飞轮的功率。图5B中的箭头示出了从飞轮至附件的功率流。

为了该示例，假定飞轮维持在32,000RPM的最小速度上。如果飞轮速度低于该值，则离合器400接合并且离合器500断开。这将附件与发动机重新连接并且断开飞轮。当飞轮怠速的同时附件然后将通过三速变速器300由发动机驱动，直到车辆制动情况发生以回收能量并且装载飞轮为止。

在提及的示例中，FTP75城市循环用作系统分析的基础。此外，诸如具有2.4L发动机的丰田凯美瑞的通用车辆在两个ABDS加载条件下作为模型。基本结构具有25安培的电力负载，并且没有空调。加载结构具有50安培电力负载和空调负载。增加的电力负载是用于AC风机马达。

图6中示出的示例示出了基础结构，从车辆制动器回收的能量足以在整个循环中推动附件。在示例中，当飞轮到达较低速度阈值并且发动机推动附件时，仅存在两个短暂的情况，直到飞轮再次装载为止。

当车辆停止时，由于发动机在这时停机，示例的系统配置为不推动附属。绘图示出了当车辆速度为零时，由飞轮和发动机供给的功率为零。

当AC启动，ABDS比AC停止时的基础系统需要更多的功率。剩余功率由飞轮200和发动机100供给。如果假定在发动机怠速期间，附件在工作时暂停，则图7中示出了推动附件的功率的绘图。注意发动机现在不得不供给电力至附件的周期更大。

当发动机驱动附件时，其通过三速附属传动变速器300这样做。每当存在制动情况时，系统装载提供制动转矩至车辆的飞轮。为了良好的驾驶性，大多数的制动能量可以回收，但不是全部。这是因为驾驶员不得不对制动器作用的时间长度以及什么压力进行控制。设法回收全部的制动能量可能导致不合意的驾驶经历。

在图8中示出了在制动情况期间的系统结构。图8A示用于图8B中的系统的皮带轮比的图表。在制动情况期间，发动机转速减少并且同时希望增加飞轮速度。这可以用离合器和变速器实现。箭头示出了从飞轮至附件的功率流。

在飞轮装载过程期间，如图9中所示，离合器400和离合器500接合并且功率从发动机通过离合器和变速器传递至飞轮和附件。在装载过程期间选择的实际比率将取决于在该点的发动机转速。

例如，当装载过程开始时，假定发动机转速是2000RPM并且飞轮在32,000RPM。如果采用了具有0.94比率的变速器300，则在离合器一侧上的速度将为：

2000RPM×2.5×0.94＝4700RPM

而在离合器的飞轮侧上的速度将为：

$32000\mathrm{RPM}\×\frac{1}{8.0}=4000\mathrm{RPM}.$

这导致了在离合器400上700RPM的速度差并且发动机与飞轮之间的有效速度比率为：

$\frac{32000}{4000}\×\frac{4000}{4700}\×\frac{4700}{2000}=16.0$

如果假定通过离合器400传递的转矩是有限的，则飞轮200的速度将增加直到离合器400两侧上的速度接近相同，并且发动机与飞轮之间的速度比将为18.75为止。

然而，如果18.75的比率不确定地维持，则飞轮的速度将开始随着发动机的速度而减小。是在此时(速度减小)，传动比切换到1.2(齿轮302，305)。使用第二比率将导致离合器400的一侧具有比另一侧高的速度。再次，由于转矩通过离合器400传递，因此，即使发动机转速减少，飞轮的速度也将增加。当离合器400两侧上的速度接近相同时，2.0的最终比率(齿轮301，304)可以用来完全装载飞轮。

如之前所述的，对于具有AC负载的加载条件，假定在怠速期间，空调700将继续由飞轮200推动。每当飞轮能量用尽时，发动机将启动并且向上加速直到飞轮完全装载然后再次关闭。由于这样，用AC负载仅实现了怠速节约的一部分。在没有AC负载的情况下，假定附件在发动机怠速期间不工作，因此，实现了全部的发动机怠速节省。

图10A是示出了在空调工作时燃料节省的图表。图10B是示出了没有空调时燃料节省的图表。

通过本发明的系统，当空调运行时实现了25.7％的节省，并且当没有空调时实现了26.4％的节省。尽管所节省的在值上类似，但具有空调系统的在考虑燃料体积或重量时，绝对节省更大，因为具有空调的MPG更低。

结果示出了本发明的系统的燃料节省与混合动力电动车辆相同。本发明的系统的优点是：根据公开的报告，在产品上其或许可以实现完全混合动力电力系统的成本的三分之一。根据不需要在典型的混合动力电动机中使用的电池和稀土磁铁，实现了更多的优点。

尽管在此描述了本发明的形式，本领域技术人员将要理解，在不背离在此描述的本发明的精神和范围的情况下可以作出部件的结构和关系的变化。

Claims (10)

1.一种用于皮带传动附属系统的动能回收系统，包括：

动能存储装置；

具有驱动器输出部的驱动器；

具有传动比且连接到所述驱动器输出部的变速器；

通过第一离合器连接到所述变速器的皮带传动附属系统；

所述动能存储装置通过第二离合器连接到所述皮带传动附属系统；以及

所述动能存储装置和所述变速器能够通过所述第一离合器和所述第二离合器连接。

2.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，其中所述驱动器包括内燃机。

3.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，其中所述动能存储装置包括飞轮。

4.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，其中所述皮带传动附属系统包括交流发电机。

5.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，其中所述变速器包括至少两个传动比。

6.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，进一步包括可操作地布置在所述动能存储装置和所述皮带传动附属系统之间的双比率皮带轮。

7.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，其中所述动能存储装置通过皮带连接到所述皮带传动附属系统。

8.根据权利要求1所述的用于皮带传动附属系统的动能回收系统，其中所述变速器和所述驱动器通过皮带连接。

9.一种动能回收系统，包括：

动能存储装置；

驱动器；

具有传动比且通过皮带连接到所述驱动器的变速器；

通过第一离合器能够连接到所述变速器的皮带传动附属系统；

所述皮带传动系统能够通过第二离合器连接到所述动能存储装置；以及

所述第一离合器可连接到所述第二离合器。

10.一种动能回收系统，包括：

驱动器；

皮带传动发动机附属系统；

布置在所述驱动器和所述皮带传动发动机附属系统之间的变速器；

动能存储装置；以及

所述皮带传动发动机附属系统通过第一离合器和皮带能够由所述驱动器驱动或者通过第二离合器和所述皮带能够由所述动能存储装置驱动。