CN111132879B - ReWheel-用于能量回收车轮的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于构造ReWheel、即能量回收车轮的方法和装置。在汽车减速期间，汽车的动能经由专门构造并附接到其上的再生制动组件转换为势能。然后，该能量被重新用于汽车的再一次加速，重新转换成汽车的动能。原始车轮和附接到其上的再生制动机构这两个组件的组合代表一种新型的车轮，即ReWheel。当电动发动机以发电机模式工作时，ReWheel设备的效率远高于包括电动汽车中使用的方法的其他再生制动方法。ReWheel在其实用性方面也是原创的，因为其可以应用于所有汽车，而不用考虑它们的发动机类型(电动发动机或内燃机)以及它们的发动机动力源。

Description

ReWheel-用于能量回收车轮的方法和装置
相关专利申请
本申请要求同一发明人于2017年09月25提交的美国申请15/715,136的优先权日期。
技术领域
1.发明领域
本发明旨在解决以下全球性问题：
·通过限制汽车和发电厂产生的二氧化碳污染来保护地球的气候；
·节约能源并使不同国家对额外能源的进口需求降至最低；
·使驾驶汽车对于汽车拥有者更加实惠。
更确切地说，本发明涉及通过再生制动来保存汽车的动能并在汽车的系统内捕获和储存这种能量的不同方法。
2.发明背景
自然资源十分宝贵，不能被浪费。
用于生产汽车内燃机的燃料的自然资源十分宝贵。产生驱动电动汽车所需的电力在大多数情况下也仍然需要燃烧相同的化石燃料、石油、汽油和煤。
美国的汽油消耗
“在2014年，美国消耗了约1367.8亿加仑1(或32.6亿桶)汽油2，平均每天消耗约3.7474亿加仑(或892万桶)3。这比2007年消耗的约1423.5 亿加仑(或33.9亿桶)的历史最高记录低约4％。”
http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm？id＝23&t＝10
汽油价格
“2月份汽油的平均价格为每加仑2.23美元，这是自2009年以来最低的 2月份平均价格。2014年2月的平均价格为每加仑3.34美元。”(最终年平均值＝5.57美元/2＝2.77美元/每加仑)
newsroom.aaa.com/tag/gas-prices/
也就是说，消费者每年给汽车加油的费用是：
1367.8亿加仑×2.77美元/加仑＝3788.8亿美元
美国石油进口费用
“美国在2014年从约80个国家每天进口约9百万桶(MMbbl/d)原油。”
http://www.eia.gov/tools/faqs/faq.cfm？id＝727&t＝6
31.5加仑/桶×900万桶＝2.835亿加仑/天
每年1367.8亿加仑中的1035亿加仑是进口的。
背景技术
回顾：再生制动
再生制动是在制动过程中将动能储存在汽车系统内的方法。
传统上，并且在提供再生制动的近期的尝试之前，汽车能量消耗极其低效。当在施加制动时没有通过将行驶中的汽车的动能转化为其他形式的能量而在汽车系统内储存动能时，所产生的(例如，由内燃机产生)并被用于向该汽车赋予特定动量的所有能量都被损耗。然后，损耗的能量破坏物体(制动器)并在此过程中产生热量。热量释放到大气中并且被破坏的物体(制动器)最终需要更换。
再生制动的已知方法(https://en.wikipedia.org/wiki/Regenerative brake)或“动能回收系统”(https://en.wikipedia.org/wiki/Kinetic energy recovery system) 包括：
(a)飞轮-出于某种原因(太重，不允许轻易改变汽车的方向-星象效应(horoscope effect)-储存其自身的运动动量，这种储存的能量随着时间被损耗) 被证明不实用，
(b)以发电机模式工作的电动发动机，以及
(c)将转换的动能保存在压缩气体罐内的相对较新的技术，要求重新设计的传动系统、液压泵和多个气罐。
例子
“混合空气传动系使用液压泵和活塞来压缩被称为高压蓄能器的储罐中的氮气。
撞击加速器释放加压气体，该加压气体随后使液压流体反向流过同一个泵。泵用作驱动车轮的马达，液压流体最终进入第二储罐。
混合空气汽车使用压缩氮气，其被保持在称为高压蓄能器的储罐中。
液压泵和活塞压缩蓄能器中的氮气。
当释放氮气时(借助于按压加速器)，泵反向运行。其现在充当马达，利用运动的液压流体的能量向车轮传递动力。液压流体穿过马达后流向低压蓄能器并储存在此处以备后用。”(参见图片-空气驱动汽车)
“http://www.popsci.com/article/cars/car-runs-air”
强制更换传动系的上述技术(c)实际上是在重构汽车。相比之下，本文提出的本发明仅需要对现有的汽车车轮进行补充。
回顾：电动汽车
尽管通过新发明使电池寿命不断增加，但缺点如下。电力仍然必须来自某处。如今，最常见的发电方式仍然是燃烧化石燃料，即汽油、煤和石油，这仍然会污染大气并因此违背了电动汽车的绿色能源的承诺。
电动汽车内的再生制动
电池充电程序需要时间。该程序的效率低。汽车动能的一部分(由以发电机模式运行的电动马达储存)微不足道，这是因为以此模式产生的电量相对较低并且电池可以累积电荷的速度相对较低。汽车内相对较小的马达/发电机无法产生与通过用于以其他方式为这些电池充电的高压电线获得的相同电力。
发明内容
传统认为，车轮要由某个其他设备(例如发动机)驱动。对车轮(改进的车轮—ReWheel)可以是其自身的发动机的理解是一个新概念，即，能够将自身转动的能量转换为自身内部的势能，然后将该能量重新用于其后续的转动等。尽管在这些转换过程中总是会损耗一些能量并且没有装置能实现100％的效率，但此概念要比将能量排放为进入大气中且破坏制动器的热量更有利。
汽车的动能完全由车轮的旋转来代表。尽管传统上车轮是发动机针对的对象，但是构造在车轮自身上的这种设备实际上允许所得到的车轮在这样的转换过程中以相对较高的效率和相对较低的能量损耗而用作其自身的发动机。
为了更好地理解本发明背后的原因，设想下面的理论情况：
·(i1)是否(在理论上)不会有由于轮胎与道路之间的摩擦而造成的能量损耗，以及
·(i2)是否(在理论上)不会有由于行驶中的车辆的空气阻力而造成的能量损耗，以及
·(i3)此设备的效率是否可以(在理论上)为100％。
然后，给予汽车原始的运动动量，在制动过程中捕获所有动能，然后将该相同的能量重新用于加速，则将不需要额外的动力(电力或内燃机动力)。
当然，不可能具有这样的理想条件(i1)、(i2)和(i3)，因此将始终需要持续地替代这些损耗的外部动力。尽管在从汽车的动能转换为汽车内储存的势能的过程中仍然不可避免地会有一些能量损耗，但是本文描述的装置内的能量保存效率远高于以发电机模式工作的电动发动机所能提供的效率。
本文提出的发明不同于本领域中已知的通过再生制动来保存汽车动能的方法。本发明的装置构造在传统汽车车轮上。因此，在已经在公路上行驶的汽车或新构造的汽车上实施这种能量保存技术时唯一受影响的组件是车轮，并且不需要如上述例子(c)中那样对整个传动系进行重构。
通过构造在车轮上，这种技术可应用于所有汽车，而不用考虑用于为其提供动力的能源。这种技术适用于现有的在公路上行驶的汽车以及新汽车的构造。
以下是这种技术的效果：
·节约全球自然资源；
·最大限度地减少如今因过度使用内燃机和大量使用电厂而造成的空气污染；
·为汽车使用者提供更少的车辆驱动费用；
·在安装该设备的所有车轮上为汽车提供额外动力；
·此外，将两轮驱动汽车升级为所有车轮上都具有更高动力的四轮驱动汽车。
所有现有类型的汽车都可以进行此升级，这些汽车包括：
·传统内燃机汽车；
·电动汽车；
·混合动力汽车；
·由任何替代能源驱动的汽车。
使用ReWheel设备需要在汽车的两个(2)或全部四个(4)车轮上执行以下三个(3)简单步骤：
1.取下原始车轮；
2.将ReWheel设备放在原始车轮的位置上，并将其固定部分安装到下文所述的汽车部件上；
3.将原始车轮附接至ReWheel设备。
附图说明
通过考虑下文的详细说明以及附图，可以容易地理解本文提出的发明。
图1A：ReWheel设备的优选实施方式。
图1B：特殊块体构造的例子。
图2：ReWheel设备的替代实施方式。
具体实施方式
参照图1A -1B ，将圆柱体形状的ReWheel(能量回收车轮)设备在传统轮辋与传统轮毂之间的位置添加到传统汽车的车轮上。
ReWheel设备像放置在汽车车轮内的强力弹簧一样运行，在制动过程中将行驶中的汽车的动能转换为压缩气体的势能，然后再在加速过程中将压缩气体的势能再次转换成汽车的动能。
ReWheel设备通过原始轮毂连接器41连接至位于原始车轮上的原始轮毂 40。原始轮毂连接器41通过车轮延长轴24使原始轮轴伸长到辅助轮毂连接器 44。
原始轮毂连接器41占据了通常由原始轮辋42占据的位置。安装有原始轮胎43的原始轮辋42被连接至辅助轮毂连接器44。
设备的主体、即ReWheel主体100通过固定式连接器110保持固定。固定式连接器110又连接至汽车轮胎悬挂系统的一部分，该部分始终固定在轮轴上。例如，它可以连接至上部球窝接头或其等同物。
该图1A -1B 示出了在径向方向上从车轮延长轴24突出的两个蓄能器10，它们的加压气体侧朝向轮轴。ReWheel设备可以利用多个蓄能器，每个蓄能器都连接至三通阀11，而无需改变该设备的工作原理。
ReWheel的这种实现方式中有许多涡轮式组件。一个是制动涡轮31，其他是加速器齿轮21。该实现方式示出了位于中央齿轮22的相对两侧上的两个加速器齿轮21，中央齿轮22由加速器齿轮21驱动。中央齿轮22硬连接至车轮延长轴24并在其上旋转。
蓄能器10预填充加压气体13，即惰性气体，例如氮气。最初，蓄能器的另一侧不被填充。然后，在制动过程中，加压流体12到达蓄能器并进一步压缩加压气体13。由于在此实现方式中使用的流体是受压时几乎不可压缩的油，并且由于它可以根据所流过的管道而改变其形状和方向，因此使其成为良好的力传导体。
由任何机械或电子设备控制的三通阀11继而控制汽车的制动和加速。它们可以处于以下3种状态中的任意一种状态：中间状态，即当所有制动器阀B 和加速器阀A均关闭时；加速状态，即当制动器阀B关闭且加速器阀A打开时，产生加速时的流体流200，这继而引起加速器齿轮21旋转得更快，从而使中央齿轮22旋转；以及制动状态，即当加速器阀A关闭且制动器阀B打开时，产生制动时的流体流300，这引起加压气体13进一步压缩并进一步给蓄能器累积压缩气体13的势能，由于每个力都有反作用力，该过程继而对汽车进行制动。
如下文所述那样实现设备状态的改变，引起汽车的制动并将能量从动能转换成势能。在设备的中间状态(无制动且无加速)，硬连接并定位在车轮延长轴24上的制动涡轮30与原始轮胎43一起旋转。位于制动涡轮叶片31之间的流体在没有对其施加任何压力的情况下旋转。
ReWheel设备内的大部分流体始终位于制动涡轮30的叶片之间，并且在蓄能器10内处于压缩状态12。
制动状态
当需要对汽车进行制动时，执行以下操作：打开三通阀11的端口B(此时只能关闭端口A)；以及将特殊块体设置为移出且往回移入，以阻止流体自由旋转。
块体的运动与叶片的旋转同步，从而不阻挡叶片而仅阻挡叶片之间的液体。
阻挡液体给制动涡轮叶片31施加压力。由于制动涡轮30与原始辋42放置在同一延长轴24上，因此对液体的阻挡起到对抗原始轮胎43的旋转的作用。行驶中的汽车的惯性产生反作用力，该反作用力继而迫使蓄能器10中的制动时的流体流300穿过三通阀的此时打开的端口B。
加速状态
当需要加速汽车时，打开三通阀11的端口A(此时只能关闭端口B)。
然后，加压气体13能够挤压加压液体12，产生加速时的流体流200，以撞击加速器齿轮21的叶片。加速器齿轮21继而使与其相连的中央齿轮22旋转，该中央齿轮位于与原始轮辋42连接的同一延长轴24上。然后，在加速过程中使用的液体经由回到制动涡轮的流体通道230流回到制动涡轮叶片31。这时，由于特殊块体处于移入状态并且在叶片之间具有液体可用的空间，因此制动涡轮在没有负荷(其叶片上没有压力)的情况下旋转。
中间状态
三通阀11的两个端口均关闭。特殊块体处于移入状态。
制动涡轮和加速器齿轮(涡轮)自由旋转。
替代实施方式的说明
图2示出了替代实施方式。
该图示出了高压圆柱体(蓄能器)中的两种容积。每个圆柱体的一侧充满液体，另一侧充满气体。
同样在此处，蓄能器用在作为对汽车车轮的轮辋的补充并定位在汽车的车轮延长轴上的结构中。
同样在此处，在汽车减速期间被压缩的气体用作能量的储存器。
同样在此处，液体都是旋转涡轮内的叶片上的压力与压缩气体之间的力的传导体。有时气体被称为“空气”，但是这些组件的唯一重要特性是“液体”和“气体”。在这种情况下，惰性气体是更合适的，即氮气。
与车轮的轮辋位于相同轴上的涡轮影响轮辋的旋转。
替代实施方式
在图2中描绘了两个涡轮，左侧的制动涡轮和右侧的加速涡轮，两个蓄能器位于它们之间。轮辋和右侧的加速涡轮都放置在车轮延长轴的齿轮上，即始终以相同的速度旋转。
加速：
在液体上加压继而又在加速涡轮的特定角度的叶片上加压的压缩气体引起加速。然后，用于加速的液体可以进入左侧的制动涡轮的叶片之间。此时，制动涡轮及其叶片之间的液体在与加速涡轮相同的方向上自由旋转。通过来自加速涡轮的液体和制动涡轮叶片的角度来确保这种旋转。
制动：
旋转方向反转机构用于将自由旋转的制动涡轮与车轮延长轴上的盘相连。这使制动涡轮开始在与车轮的旋转相反的方向上旋转。涡轮叶片的角度使得液体在与其来源方向相反的方向上被推动，即，在朝着加速涡轮的方向上，加速涡轮位于并且被锁定在车轮延长轴上。现在，液体对加速涡轮的旋转施压，因此对车轮的旋转施压，这继而引起汽车制动。

Claims (5)

1.一种用于实现能量保存设备的能量回收车轮的系统，其包括：
(a)位于车轮的轴上或车轮的延长轴上并且设置在所述系统的壳体中的一个或多个制动涡轮以及位于车轮的轴上或车轮的延长轴上并且设置在所述系统的壳体中的一个或多个加速涡轮；
(b)一个或多个蓄能器，其设置在所述系统的壳体中并且利用压缩气体和液体；
(c)用于原始轮毂的连接器，
其中每个蓄能器都具有加速器阀和制动器阀，
其中制动涡轮在制动器阀打开且加速器阀关闭时的制动时刻将液体推入蓄能器，
其中加速涡轮在制动器阀关闭且加速器阀打开时的加速时刻被离开蓄能器的加压液体驱动，
其中在制动功能期间通过设定在移动的液体的路径上的特殊块体来实现通过制动涡轮产生压力，该特殊块体与制动涡轮的叶片的转动同步地移入和移出该路径。
2.根据权利要求1所述的系统，其还包括附接至所述轴或所述延长轴的辅助轮毂。
3.一种将权利要求1所述的系统添加到车辆的传动系中的方法，借助于以下步骤：
(a)取下原始车轮；
(b)将系统附接至原始轮毂。
4.一种将权利要求2所述的系统添加到车辆的传动系中的方法，借助于以下步骤：
(a)取下原始车轮；
(b)通过辅助轮毂将系统附接至原始轮毂；
(c)将原始车轮附接至辅助轮毂。
5.一种用于实现能量保存设备的能量回收车轮的系统，其包括：
(a)位于车轮的轴上或车轮的延长轴上并且设置在所述系统的壳体中的一个或多个制动涡轮以及位于车轮的轴上或车轮的延长轴上并且设置在所述系统的壳体中的一个或多个加速涡轮；
(b)一个或多个蓄能器，其设置在所述系统的壳体中并且利用压缩气体和液体；
(c)用于原始轮毂的连接器，
其中每个蓄能器都具有加速器阀和制动器阀，
其中制动涡轮在制动器阀打开且加速器阀关闭时的制动时刻将液体推入蓄能器，
其中加速涡轮在制动器阀关闭且加速器阀打开时的加速时刻被离开蓄能器的加压液体驱动，
其中通过旋转方向反转机构在制动时实现通过制动涡轮产生压力，该旋转方向反转机构将位于延长轴连接器上的自由旋转的制动涡轮连接至原始轮毂，使得该制动涡轮开始在与车轮的旋转相反的方向上旋转，其中制动涡轮的叶片角度使得液体穿过打开的制动器阀被推入蓄能器中并且还推抵连接至轮辋的加速涡轮的叶片。
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