CN104776525A - 一种基于cvt的共轴并联式混合动力燃气热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统是一种将CVT无级变速传动装置与混合动力燃气热泵系统相结合为有机整体的新型空调系统，由CVT传动装置、发动机、电机、磷酸铁锂电池组、压缩机、蒸发器、冷凝器和余热回收系统等组成。发动机和电机的动力经耦合后经CVT的液力变矩器、金属带式无极变速机构、主减速器传递给驱动轴，驱动热泵系统中的压缩机运行。驱动系统中的传动比调节是通过控制主、从动带轮轮缸内的液压力从而改变金属带在主、从动带轮上的工作半径而实现的，它可以在相当宽的范围内实现无级连续变速，从而获得传动系统与发动机工况的最佳匹配，提高整个热泵系统的燃气经济性。

Description

一种基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统
技术领域
本发明涉及一种新型混合动力燃气热泵空调系统，尤其涉及一种基于CVT无极变速的混合动力燃气热泵的传动系统，属于空气调节器制造的技术领域。
背景技术
进入21世纪以来，能源与环境已经成为各国急需解决的战略问题。天然气作为一种清洁能源，将是未来能源发展的一大趋势，所以，开发以天然器为驱动能源新型高效的空调设备将显得尤为重要。燃气热泵正是以天然气驱动燃气发动机并带动压缩机实现制冷以及制热循环的一种装置。但在低负荷运行时，发动机会偏离运行的经济区导致热效率下降。混合动力燃气热泵是将混合动力技术与燃气热泵技术结合的一种新型的空调设备。通过发动机和电机两个动力源扭矩和转速的协调以及功率的合理分配，使发动机一直运行在高效区，以确保天然气较高的能源使用效率。
目前，在混合动力燃气热泵的研究中，由于热泵负荷的不可避免的频繁的变化，对传动装置的研究越来越成为重点，因为动力传动系统影响着发动机的运行工况及整个系统的能源转换率。稳定而又高效的传动装置可以使整个系统既可以一直运行在最佳工况下，也可以实时的满足热泵负荷的变化。目前关于共轴并联式混合动力燃气热泵的研究主要是基于多级传动比的驱动系统，以不同的齿轮搭配组成几个固定的变传动比，这无法满足发动机转速与热泵负荷连续变化之间的匹配，只有不断地换齿轮搭配或改变发动机的转速，结果是使发动机脱离了最佳工作区域，动力下降，燃气消耗量增加，污染加剧。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提供一种基于CVT无极变速器的共轴并联式混合动力燃气热泵系统，实现系统的传动比连续调节，使发动机工作在燃气效率高的区域。
技术方案：一种基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统，包括由动力传动系统、主动力系统、辅助动力系统、热泵系统以及余热回收系统；所述动力传动系统包括动力耦合装置、无级变速器CVT、第一至第三离合器，所述主动力系统包括燃气发动机，所述辅助动力系统包括电机、电机控制器、蓄电池，所述热泵系统包括压缩机、气液分离器、油分离器、四通阀、节流装置、蒸发器、冷凝器，所述余热回收系统包括烟气换热器、发动机缸套水换热器、水泵、生活水箱、三通调节阀以及三通阀；
其中，所述燃气发动机与电机的动力输出布置在同一条直线上，并通过动力耦合装置进行动力合成，合成后的动力经无级变速器CVT传递给压缩机，第一离合器连接燃气发动机和动力耦合装置，第二离合器连接电机和动力耦合装置，第三离合器连接无级变速器CVT和动力耦合装置，电机控制器同时连接电机和蓄电池；
热泵系统中油分离器设置在压缩机和冷凝器之间，压缩机的排气口连接油分离器的蒸汽输入口，所述油分离器经过四通阀与冷凝器相连，冷凝器出液口通过节流装置连接到蒸发器，蒸发器的出气口通过四通阀接入气液分离器，气液分离器的出气口连接到压缩机进气口；
余热回收系统中生活水箱的出水口通过水泵连接三通调节阀，三通调节阀的一路输出连接发动机缸套水换热器输入口，三通调节阀的另一路输出连接三通阀的第一接口，发动机缸套水换热器输出口连接三通阀的第二接口，三通阀的第三接口连接烟气换热器的输入端，烟气换热器的输出端连接生活水箱的进水口。
作为本发明的优选方案，所述传动系统CVT包括液力变矩器、变速行星机构、变速机构以及中间减速机构；其中，所述变速机构包括主动带轮固定轮盘、主动半可推锥轮、主动轮移动液压缸、从动带轮固定轮盘、从动半可推锥轮、从动轮移动液压缸以及金属带；
所述液力变矩器作为传动系统CVT的动力入口，液力变矩器动力输出轴通过变速行星机构连接主动带轮轴，主动带轮固定轮盘固定设置在主动带轮轴上，主动半可推锥轮套接在主动带轮轴上，主动轮移动液压缸带动主动半可推锥轮在主动带轮轴上移动，主动带轮固定轮盘和主动半可推锥轮构成主动带轮；从动带轮固定轮盘固定设置在从动带轮轴上，从动半可推锥轮套接在从动带轮轴上，从动轮移动液压缸带动从动半可推锥轮在从动带轮轴上移动，从动带轮固定轮盘和从动半可推锥轮构成从动带轮；金属带连接主动带轮和从动带轮，从动带轮轴通过中间减速机构输出动力。
作为本发明的优选方案，所述蓄电池为磷酸铁锂电池。
有益效果：本发明提出的一种基于CVT无极变速器的共轴并联式混合动力燃气热泵系统，该系统将CVT无极变速装置与混合动力燃气热泵结合为有机整体，系统可以连续调节传动比，在相当宽的范围内实现无级连续变速，从而获得传动系统与发动机工况的最佳匹配，通过最佳经济性速比匹配规律使发动机工作在燃气效率高的区域，提高整个系统的能源利用率，降低燃气消耗，减少排放。相对于现有技术具有如下优点：
1.动力性增强，经济性好：对于热泵系统而言，CVT变速器可以调整燃气发动机的运行参数在等功率线变化，它与混合动力技术相结合可以调整发动机的运行参数在运行经济区内的多个等功率线上变化，使整个系统一直运行在最佳工况下，并能实时地满足热泵系统负荷的变化。CVT可以使混合动力燃气热泵系统的动力传输系统真正做到无动力中断的变速器，克服有级变速器那样在运行模式切换过程中出现“漏洞”而使驱动系统的效率变低的问题。
2.结构简单，系统运行稳定：CVT主要由液力变矩器、变速行星机构、变速机构以及中间减速机构组成，单机的零件数量少、重量轻、体积小，有利于整个热泵机组的轻量化设计。CVT的速比调节过程完全根据动力耦合装置的转速和压缩机的转速，由CVT控制器自动完成，且速比是逐渐调节的，变速过程中没有动力中断，所以在热泵系统负荷变化时动力传输不存在大的波动，机组震动频率小，运行稳定。
3.节能环保。采用比能量高、功率密度大、充电时间短、无记忆效应且绿色环保的磷酸铁锂电池作为辅助动力源，可以明显改善系统的储能和释能效率，提高整个系统的能量转换效率。余热回收系统采用旁通式热量回收方式，既可以保证发动机温度保持在安全高效的范围内，也可以合理的利用低品位热能，减少尾气排放。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中有：燃气发动机1、CVT2、动力耦合装置3、离合器C1、离合器C2、离合器C3、电机2、电机控制器12、锂电池13、压缩机5、冷凝器11、蒸发器10、四通阀8、油分离器7、气液分离器6、烟气换热器14、发动机缸套水换热器15、生活热水箱16、三通调节阀18、三通阀19；
图2是本发明的CVT无级变速装置示意图；
其中有：液力变矩器41、变速行星机构42、主动带轮固定轮盘45a、主动半可推锥轮44a、从动带轮固定轮盘45b、从动半可推锥轮44b、金属带46、主动轮移动液压缸43a、从动轮移动液压缸43b、中间减速机构47。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示的基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统包括由动力传动系统、主动力系统、辅助动力系统、热泵系统以及余热回收系统。其动力传动系统包括动力耦合装置3、无级变速器CVT4、第一至第三离合器C1～C3。主动力系统包括燃气发动机1，辅助动力系统包括电机2、电机控制器12、蓄电池13，本实施例中蓄电池采用磷酸铁锂电池。热泵系统包括压缩机5、气液分离器6、油分离器7、四通阀8、节流装置9、蒸发器10、冷凝器11。余热回收系统包括烟气换热器14、发动机缸套水换热器15、水泵16、生活水箱17、三通调节阀18以及三通阀19。
燃气发动机1与电机2的动力输出布置在同一条直线上，并通过动力耦合装置3进行动力合成，合成后的动力经无级变速器CVT4传递给压缩机5。第一离合器C1连接燃气发动机1和动力耦合装置3，第二离合器C2连接电机2和动力耦合装置3，第三离合器C3连接无级变速器CVT4和动力耦合装置3，通过第一至第三离合器C1～C3的接合控制整个系统的工作模式和模式切换过程。电机控制器12同时连接电机2和蓄电池13。
热泵系统中油分离器7设置在压缩机5和冷凝器11之间，压缩机5的排气口连接油分离器7的蒸汽输入口，油分离器7经过四通阀8与冷凝器11相连，冷凝器出液口通过节流装置9连接到蒸发器10，蒸发器10的出气口通过四通阀8接入气液分离器6，气液分离器6的出气口连接到压缩机5进气口。
余热回收系统中生活水箱17的出水口通过水泵16连接三通调节阀18，三通调节阀18的一路输出连接发动机缸套水换热器15输入口，三通调节阀18的另一路输出连接三通阀19的第一接口，发动机缸套水换热器15输出口连接三通阀19的第二接口，三通阀19的第三接口连接烟气换热器14的输入端，烟气换热器14的输出端连接生活水箱17的进水口。
如图2所示，传动系统CVT4包括液力变矩器41、变速行星机构42、变速机构以及中间减速机构47。其中，变速机构包括主动带轮固定轮盘45a、主动半可推锥轮44a、主动轮移动液压缸43a、从动带轮固定轮盘45b、从动半可推锥轮44b、从动轮移动液压缸43b以及金属带46。液力变矩器41作为传动系统CVT4的动力入口，液力变矩器41动力输出轴通过变速行星机构42连接主动带轮轴，主动带轮固定轮盘45a固定设置在主动带轮轴上，主动半可推锥轮44a套接在主动带轮轴上，主动轮移动液压缸43a带动主动半可推锥轮44a在主动带轮轴上移动，主动带轮固定轮盘45a和主动半可推锥轮44a构成主动带轮。从动带轮固定轮盘45b固定设置在从动带轮轴上，从动半可推锥轮44b套接在从动带轮轴上，从动轮移动液压缸43b带动从动半可推锥轮44b在从动带轮轴上移动，从动带轮固定轮盘45b和从动半可推锥轮44b构成从动带轮。金属带46连接主动带轮和从动带轮，从动带轮轴通过中间减速机构47输出动力。
传动系统CVT4中采用液力变矩器41作为起步离合器装置，燃气发动机1和电机2动力经动力耦合装置3耦合后输入到液力变矩器41，然后动力通过液力变矩器41输入到变速行星机构42，再经变速行星机构42传输到变速机构。变速机构的主动带轮和从动带轮分别在主动轮移动液压缸43a和从动轮移动液压缸43b的夹紧力的作用下，通过金属带46进行动力传递。动力从主动带轮轴传递到从动带轮轴，最后通过中间减速机构47将动力传递到压缩机的驱动轮上。控制系统采用机-液控制系统，主要由油泵、液压调节阀、传感器、主从动轮的液压缸及管道组成。传感器用以检测燃气发动机转速、电机转速和压缩机转速，液压调节阀用于调节传动比和传动带与轮之间的压紧力。通过压缩机转速和耦合装置输出的转速来连续改变主、从动轮工作半径，从而连续改变传动比而实现无极调速。
本系统中的辅助动力系统采用磷酸铁锂电池作为辅助动力源，通过逆变器向电机、CVT中液压油泵等用电设备供电；当电机工作于发电状态时，用过逆变器向磷酸铁锂电池充电。并且给电池组配以相应的锂电池能量管理设备，对电池组的电压、电流、SOC等进行实时监控。余热回收系统中生活热水由水泵16一部分经过发动机缸套水换热器15，另一部分经过旁通，两部分热水混合后经过烟气换热器14最终进入热水箱，提供生活所需热水。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统，其特征在于：包括由动力传动系统、主动力系统、辅助动力系统、热泵系统以及余热回收系统；所述动力传动系统包括动力耦合装置(3)、无级变速器CVT(4)、第一至第三离合器(C1～C3)，所述主动力系统包括燃气发动机(1)，所述辅助动力系统包括电机(2)、电机控制器(12)、蓄电池(13)，所述热泵系统包括压缩机(5)、气液分离器(6)、油分离器(7)、四通阀(8)、节流装置(9)、蒸发器(10)、冷凝器(11)，所述余热回收系统包括烟气换热器(14)、发动机缸套水换热器(15)、水泵(16)、生活水箱(17)、三通调节阀(18)以及三通阀(19)；
其中，所述燃气发动机(1)与电机(2)的动力输出布置在同一条直线上，并通过动力耦合装置(3)进行动力合成，合成后的动力经无级变速器CVT(4)传递给压缩机(5)，第一离合器(C1)连接燃气发动机(1)和动力耦合装置(3)，第二离合器(C2)连接电机(2)和动力耦合装置(3)，第三离合器(C3)连接无级变速器CVT(4)和动力耦合装置(3)，电机控制器(12)同时连接电机(2)和蓄电池(13)；
热泵系统中油分离器(7)设置在压缩机(5)和冷凝器(11)之间，压缩机(5)的排气口连接油分离器(7)的蒸汽输入口，所述油分离器(7)经过四通阀(8)与冷凝器(11)相连，冷凝器出液口通过节流装置(9)连接到蒸发器(10)，蒸发器(10)的出气口通过四通阀(8)接入气液分离器(6)，气液分离器(6)的出气口连接到压缩机(5)进气口；
余热回收系统中生活水箱(17)的出水口通过水泵(16)连接三通调节阀(18)，三通调节阀(18)的一路输出连接发动机缸套水换热器(15)输入口，三通调节阀(18)的另一路输出连接三通阀(19)的第一接口，发动机缸套水换热器(15)输出口连接三通阀(19)的第二接口，三通阀(19)的第三接口连接烟气换热器(14)的输入端，烟气换热器(14)的输出端连接生活水箱(17)的进水口。
2.根据权利要求书1所述的一种基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统，其特征在于：所述传动系统CVT(4)包括液力变矩器(41)、变速行星机构(42)、变速机构以及中间减速机构(47)；其中，所述变速机构包括主动带轮固定轮盘(45a)、主动半可推锥轮(44a)、主动轮移动液压缸(43a)、从动带轮固定轮盘(45b)、从动半可推锥轮(44b)、从动轮移动液压缸(43b)以及金属带(46)；
所述液力变矩器(41)作为传动系统CVT(4)的动力入口，液力变矩器(41)动力输出轴通过变速行星机构(42)连接主动带轮轴，主动带轮固定轮盘(45a)固定设置在主动带轮轴上，主动半可推锥轮(44a)套接在主动带轮轴上，主动轮移动液压缸(43a)带动主动半可推锥轮(44a)在主动带轮轴上移动，主动带轮固定轮盘(45a)和主动半可推锥轮(44a)构成主动带轮；从动带轮固定轮盘(45b)固定设置在从动带轮轴上，从动半可推锥轮(44b)套接在从动带轮轴上，从动轮移动液压缸(43b)带动从动半可推锥轮(44b)在从动带轮轴上移动，从动带轮固定轮盘(45b)和从动半可推锥轮(44b)构成从动带轮；金属带(46)连接主动带轮和从动带轮，从动带轮轴通过中间减速机构(47)输出动力。
3.根据权利要求书1所述的一种基于CVT的共轴并联式混合动力燃气热泵系统，其特征在于：所述蓄电池(13)为磷酸铁锂电池。
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