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城市 公交车 节能 能力 分析 设计 制动 能量 回收 系统

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毕业设计说明书 题 目： 关于提高城市公交车节能减排能力的分析 制动能量回收系统 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2012 年 5 月 30 日 毕业设计任务书 设计题目： 城市公交车节能减排能力的分析 制动能量回收 系统 学号： 2008963308 姓名： 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 朱石砂 系主任： 周友行 一、主要内容及基本要求 1、熟悉和掌握液压蓄能器工作原理及设计参数； 2、总结和撰写设计说明书一份； 3、 图，一张 配图纸及其零件图，共计 2 张 量； 4、翻译外文相关资料一份（ 3000 字数以上）； 二、重点研究的问题 液压蓄能器设计参数的计算。 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 熟悉课题及基础资料 第一周 2 调研及收集资料 第二周 3 方案设计与讨论 第三四周 4 液压蓄能器各部分参数的计算 第五八周 5 件的学习 第九周 6 图 第十周 7 撰写说明书 第十一周 8 英文文献翻译，答辩 第十二 周 四、应收集的资料及主要参考文献 （ 1）扬立忠，杨钧锡。新能源技术 跨世纪国民经济的动力，北京：孛国科学技术出版社， 1994 （ 2）蒋晓夏，刘庆和具有能量回收与重新利用的二次调节传动系统工程机械 1992。 （ 3）廖抒华汽车技术开发与环境保护环境保护， 1999， (4)： 31 张铁柱城市用车辆新型节能动力传动系统研究 搏士学位论文 吉袜工业大学， 1991 （ 4）胡骅，宋慧电动汽车北京：人民交通出版社， 2003 (5)窦一兵。蓄能器在汽车液压系统中的 应用液压气动与密封， 1999， (4)：29 (6)李永堂，雷步芳，高雨茁液压系统建模与仿真北京：冶金工业出版社， 2003 (7)薛定字，陈阳泉基于 京：清华大学出版社。 (8)张铁柱城市用车辆新型节能动力传动系统研究 搏士学位论文 吉袜工业大学， 1991 （ 9） us us ： 1999， 4（ 3） . (10)任国军。公共汽车制动能量再生的液压储能技术研究。山东理工大学：载运王具运用工程， 2006 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 1 题研究的背景 . 1 题研究的意义 . 3 课题的主要研究内容 . 3 第 2 章 能量回收制动系统 . 4 量回收制动系统概述 . 4 辆制动能量回收技术简介 . 5 轮储能 . 6 电池储能 . 7 压储能 . 8 压储能技术在制动能量回收中的应用情况 . 9 士乐二次调节静液驱动系统 . 9 动系统 . 10 统 . 11 第 3 章 共汽车能量回收系统的方案设计 . 13 共汽车相关技术参数 . 13 量回收系统的总体方案选 择及系统实现的技术关键 . 14 3 2 1 能量回收系统的总体方案设计 . 14 能量回收系统的技术关键 . 16 3. 3 能量回收系 统结构方案设计及系统控制策略 . 17 3. 3. 1 能量回收系统的结构设计 . 17 系统工作过程分析 . 18 统控制策 略 . 19 第 4 章 能量回收系统及装置的设计 . 20 压系统的功能、结构选择与原理 . 20 压系统的功能 . 20 压系统结构方案选择 . 21 压系统工作原理 . 21 压系统主要参数的计算 . 23 能器有关参数的计算 . 23 变量泵马达的计算 . 30 泵马达离合器的设计与选择 . 31 离合器结构型式的选择 . 32 能量回收过程的系统工作性能分析 . 32 燃油消耗分析 . 35 第 5 章 结论与展望 . 41 参考文献 . 42 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘 要 目前，减少车辆的油料消耗和废气排放是车辆节能和环境保护的一个迫切问题。本文针对城市公交车节能减排主要进行了能量回收系统的研究，以期在确保在制动安全的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在 起步加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能的目的。本系统由液压技术，传动技术，控制技术组合实现车辆的低油耗，低排放，并有效提高车辆的动力性能，实现由汽车节能环保的重要途径。在分析城市公交车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进行综合对比，并介绍了液压储能技术在制动能量回收中的应用情况，确定了采用液压储能技术，并联式驱动的系统整体方案。 在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储存装置，变量泵 /马达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。在 对车辆制动过程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。通过对液压系统工作性能进行仿真分析可知，参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步加速的需要。 本文针对能量再生系统与原动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合具体的车型，进行了泵 /马达离合器的设计。该装置采用液压离合器进行动力传递，提高了系统的可控性和可靠性。 本文根据标准是去循环工况，分析比较了传统车辆与节能车辆在一个循环工况上的耗油量，通过仿真得出能量回收系统的技能效果。 本文最后从离合器的改进和汽车滑行两个方面 简单介绍了其节能效果。关键词：公共汽车，节能，制动能量回收，液压蓄能器 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 it In of is By is In of by of to It is of By of of of in a as So it On of to of is is to of on of is So of to B 2001)： of on by 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 V At of of 纸和说明书 ,咨询 城市公交车节能减排 制动能量回收系统 第 1 章 绪 论 随着城市化进程的加快，城市人口越来越多，随之带来的交通压力也越来越大，环境问题也越来越严峻。 目前，减少车辆的油料消耗和废气排放量是车辆节能和环境保护的一个迫切问题。本文针对城市公共汽车节能减排主要进行了能量回收系统的研究，以期在确 保制动安全性的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能的目的。本系统由液压技术、传动技术、控制技术相结合实现车辆的低油耗、低排放，并有效地提高车辆的动力性能，是现有汽车节能、环保的重要途径。 在分析城市公共汽车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进行了综合对比，并介绍了液压储能技术在制动能量回收中的应用情况，确定了采用液压储能技术、并联式驱动的系统整体方案。 在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储 存装置、变量泵 /马达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。在对车辆制动过程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。通过对液压系统工作性能进行仿真分析可知，系统参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步加速的需要。 本文针对能量再生系统与原车动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合具体车型，进行了泵 /马达离合器的设计。该装置釆用液压离合器进行动力传递， 提髙了系统的可控性和可靠性。 题研究的背景 汽车的出现改变了世界，它起到了促进经济发展和社会进步的重要作用。但人们在 享受汽车文明的同时，也必须面对汽车带来的负面影响：环境污染和能源消耗。随着汽车工业的迅速发展，能源问题、环境污染已成为待解决的突出问题，购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 节约能源、保护环境 已成为各个国家的主要发展战略之一。近年来，随着经济的快速发展，汽车保有量的与日俱增，使我国面临汽车能源需求和环境保护的双重压力 . (1)能源问题 近年来，能源问题的阴影就笼罩着全世界。能源问题成为已成为世界各个国家共同注的焦点问题。自 1972年第一次石油危机以来，在世界范围内接连发生了第二次和第三次石油危机，世界石油供应出现紧缺。能源问题 己成为关系国家经济命脉的头等重要问题。如何有效的利用能源已成为世界科学家与工程师们普遍关注的问题。 作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的 l 10，仅次于美国，居世界第二位。中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。上个世纪 90年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。自 1993年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的结构性矛盾日益成为中国能源安全所面临的最大难题。 （ 2）环保问题 与能源危机伴随而来的是环保问题。当今世界是和平与发展的年代，在总体和平的背景下，各国经济情况较好，物资生活水平迅速提高。可是，随着国民经济的迅速发展，大量人为排放的废水废气、噪音、无节制地取用地下水、没有计划的开发资源已 严重破坏了自然界的生态平衡，酸雨、洪涝、千早、各种罕见疾病不断出现，对人们的日常生活带来严重的影响，环境保护成为社会日益关注的问题。 监测表明，我国城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点。一些地区灰霾、酸雨和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生，这些问题的产生都与车辆尾气排放密切相关。同时，由于机动车大多行驶在人口密集区域，尾气排放会直接影响群众健康。统计数据显示， 2010年，全国机动车排放污染物购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 中氮氧化物 氢化合物 氧化碳 粒 物 中汽车排放的M 超过 %85 ， 过%70 。按汽车车型分类，全国货车排放的 显高于客车，其中重型货车是主要贡献者；而客车 放量则明显高于货车。按燃料分类，全国柴油车排放的60 ，超过 %90 ；而汽油车 放量则较高，超过排放总量的 %70 。按排放标准分类，占汽车保有量 %排放的污染物占汽车排放总量的 %40 以上；而占保有量%国及以上标准汽车，其排放量不到排放总量的 %按环保标志分类，仅占汽车保有量 %“黄标车”却排放了 % % % 题研究的意义 市区公共汽车的工作特点是频繁的起步加速与换挡制动，公共汽车在频繁制动过程中，其巨大的动能全部经制动器的摩擦转化为热能消耗掉。如 果将车辆在减速制动过程中的动能通过能量回收系统吸收并储存，而在车辆起步加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动车辆行驶的动力，那么便可使发动机更长时间地在经济工况下运转。这样不仅能够有效降低汽车油耗，提高动力性，减少尾气排放带来的污染，还可延长汽车制动器的寿命，具有重要的实用价值。 课题的主要研究内容 本课题从能量回收和离合器的改进两个方面分别对公共汽车节能减排进行研究，本课题的研究目标是研制一种适合公共汽车的液压式制动能量回收系统，课题选用东风扬子江汽车有限公司生产的 样机。作者主要进行公共汽车制动能量回收系统计的研制与开发。采用液压储能技术来实现汽车减速及制动能量回收再利用，并通过自动控制系统将整个系统中的液压、传动部分有机结合并与发动机协调工作以实现车辆的低油耗、低排放运行， 同时有效地提高其动力性能。本论文主要研究内容如下： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (1)针对城市公共汽车特殊的运行工况，进行车辆制动能量回收与再利用系统的原理分析，制定系统方案。 (2)进行液压储能系统的设计与开发。 (3)针对具体车型，对车辆制动能量回收系统的动力传动装置进行优化设计。 (4)利用软件仿真分析设计幵发的能 量回收系统的工作性能，检验其是否达到设计要求，并针对城市运行工况仿真计算其在一个循环工况上的油耗，同传统车辆进行比较，分析其节能效果。 第 2 章 能量回收制动系统 量回收制动系统概述 制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一，也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能，并向大气中释放。而在电动汽车与混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。例如，当车辆起步或加速时 ，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的辅助动力，使电能获得有效应用。一般认为，在车辆非紧急制动的普通制动场合，约 1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。 量回收制动系统的原理 汽车在正常行驶时都具有很高的动能，传统汽车的这部分能量在制动时由制动器的摩擦生热消耗掉，并且在制动过程中产生噪声，缩短制动器的使用寿命。随着汽车的起步、加速、匀速和制动等工况的相互转换，内燃机经常处于怠 速和不稳定工况，不但消耗燃油，而且污染严重。鉴于传统汽车存在的诸多问题，能量回收制动系统应运而生，其作为一种新型节能技术，得到了快速的发展。 台行驶的车辆，其发动机分配的各部分能量所占的比例是随车辆行驶循环特性而变化的。车辆行驶过程中，按着起步、加速、匀速、制动四个工况循环交替地工作。车辆在这四个工况发动机的工作状态如下： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (1)起步，车辆状态由静到动，由于惯性载荷大 (尤其对大、中型车辆 )，导致耗油多，冲击力大； (2)加速，发动机处于大负荷甚至超负荷状态，燃气室内混合气浓度大，且燃烧不完全现象加剧。导致 耗油量大、环境噪声与废气污染； (3)匀速，一般认为此时发动机处于最佳工作状态，燃气室内燃油燃烧充分， 此时发动机效率最高，最节省燃油，且一氧化碳及碳氢化合物排放最少； (4)制动，实质上是将其在上一工况行驶中具有的机械能借助空气阻力、道路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使汽车机械能被浪费掉， 制动系统磨损，而且发动机内燃烧及排放恶化；由上述各工况发动机状态可知， 唯有在匀速行驶时汽车才处在最佳工作状态，而其余三个工况都有大量的能量被浪费并且尾气中有害气体含量增加。 传统汽车的节能方法都是在 提高发动机的效率、减少阻碍运动的因素上努力，而在很大程度上车辆的制动能量至今仍然还是一个未开发的能源。因此，目前节能减排最有效的手段就是对其制动能量进行回收再利用，这就要从汽车的 (1)、 (2)、 (4) 三个工作状态入手，最大限度的使用发动机提供的功率，达到理想的节能减排效果。 辆制动能量回收技术简介 带有制动能量回收系统的车辆混和动力驱动系统一般由内燃机和储能元件两个动力源组成，它可以充分利用两种动力源的优点，通过自动控制形成最优匹配，其中储能元件用于吸收车辆减速时的惯性能量，并能将它传输给传动 系统供附件使用或用于协助驱动车辆。按照储能元件型式的不同，制动能量回收系统大致可以分为飞轮储能、蓄电池储能、液压储能三种。它们所具有的传递形式如图2中转换器根据储能元件型式的不同可以分为无级变速器、电动机、液压泵 /马达等。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 轮储能 飞轮储能是以惯性能（动能 )的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。当车辆制动时，飞轮储能系统使飞轮加速，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车身。 使用飞轮储能的混和动力驱动系统主要由发动机、髙速储能飞 轮、增速齿轮、离合器、变速器和驱动桥组成，系统结构如图 2气发动机用来提供驱动汽车的主要动力，髙速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负荷平衡装置为发动机提供辅助动力来满足峰值功率要求。购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 飞轮储能由于只有机械能间的相互转换，因此能量传递效率高，能量损耗相应较小，飞轮储能的主要缺点是抗震性能差，平稳性不好，噪声大，对工作环境要求高。 电池储能 蓄电池储能以电能方式储存能量。系统以具有可逆作用的发电机 /电动机实现蓄电池中的电能和车辆动能之间的转化。在车辆制动时，发电机、电动机以发电机形式 工作，车辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电池中；在车辆起动或加速吋，发电机与电动机以电动机形式工作，将储存在蓄电池中的电能转化为机械能驱动车辆。装备蓄电池储能系统的汽车称为混合能并储存在蓄电动力电动汽车，其原理如图 2辆在行驶时主要使用发动机的动力，电力驱动系统只是用于低速时驱动，或者用于需要大功率的场合。这种车辆在市区行驶条件下可以提高燃油经济性达 30% 以上。 蓄电池储能的功率密度低，充放电频率小，不能迅速转化吸收大量功率，而车辆在制动或起动时，需要迅速释放或得到大量功率，这使蓄电池 储能受到很大限制。近几年以来，各国技术人员都在加紧研制大容量高性能电池，为蓄电池储能提供应用基础。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 压储能 液压储能以液压能的方式储存能量。系统由一个具有可逆作用的泵 /马达实现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转化，即在车辆制动时，储能系统将泵 /马达以泵的形式工作，车辆行驶的动能带动泵旋转，将高压油压入蓄能器中，实现动能到液压能的转化；在车辆起动或加速时，储能系统再将泵 /马达以马达的形式工作，高压油从蓄能器中流出，带动马达工作，实现液压能到车辆动能的转化。液压储能的优点是的功率密度较大，能量保存 时间较长，各个部件制造技术成熟，工作性能可靠；缺点是液压系统的压力高，系统的密封性能要求较高，并且液压系统体积庞大，只适合在大型公共汽车上布置。 表 2 三种蓄能方案比较 比较项目 飞轮 液压蓄能器 蓄电池 能量密度( ) 4 20（钢）4 50（复合材料） 6 40 20 40( 铅 酸 电池） 20 100（新蓄电池） 功率密度（ ） + + - 储能效率（短时间） + + + 储能效率（长时间） - + 0 能量转换效率 + - - 系统使用寿命 + + 时间保存能量 + + 可靠性 + + - 维护性 + + _ 生产成本 + - ： +（优秀）； +（好）； 0（中等）； -（差）； 差）。 以上三种储能方式根据各自不同的特点有不同的适用范围。能量密度与功率密度是衡量储能元件性能的两个重要指标。高的能量密度使汽车的后备能量充足，大的功率密度使 汽车能迅速而充分地储存和利用汽车的惯性能量。由表 2压蓄能器的功率密度最高，适用于负载变化频繁的传动系：飞轮功率密购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 度和能量密度适中，可用于负载幅度变化不大的传动系；蓄电池尽管能量密度很大，但功率密度太低液压储能的能量密度相比飞轮储能，不利于负载频繁变化的传动系进行能量回收和利用。与蓄电池储能都小，但液压储能方式在三者中具有最大的功率密度，能在车辆起步和加速时提供给车辆所需要的大扭矩。同时，液压储能可较长时间储能，各个部件技术成熟，工作可靠，整个系统实现技术难度小，便于实际商业化应用。本文的研究对象 是城市公交汽车，属大型客车，惯性阻力大，对驱动系统的动力性能要求较高。因此，釆用液压储能的驱动系统是较为理想的。 压储能技术在制动能量回收中的应用情况 德国 典 对样车测试表明：系统可行，燃油经济性可提高25%30%目前，这种系统己成功的在欧洲和北美多个城市的公共汽车上得到实现。 士乐二次调节静液驱动系统 二次调节静液传动是由德国汉堡国防工业大学 H W 977年 提出的新型液压传动技术。二次调节系统是一种接在定压网络中的由变量液压马达和蓄能器组成的传动系统 ,对二次调节静液传动技术进行研究的主要目的是对制动过程中的能量进行回收和重新利用，并且从宏观的角度对静液传动系统的总体结构进行合理的配置以及改善其控制特性。另外，由于二次元件工作于恒压网络， 通过调节二次元件的斜盘倾角可以调节系统的输出扭矩、功率及转速，因而，可以实现对系统不同参数的控制，这为系统的设计和实现提供了极大的方便。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 图 24力士乐二次调节静液驱动系统原理图 1 发动机： 2 一次元件； 3 液压蓄能器： 4 二次元件： 5 汽车后桥 德国 司早在 1978年就从事液压公共汽车的研制工作。 R 997年在力士乐季刊 (发表文章介绍了为老式公共汽车配置力士乐驱动装置的研究工作。在公共汽车上配备二次调节静液传动系统后的节能效果相当显著。经过改造后的市内 公共汽车由一台轴向柱塞单元图 2在满载启动时能给出大约 180此可使汽车在 200km/0 150 压蓄能器的充压是在制动过程中进行的，在这个过程中二次元件作为泵来工作。同一般的公共汽车传动系统比较，这种带能量回收的无级传动装置对频繁刹车不敏感。另外由于液压功率传递部分仅占总传动功率的一小部分，故传动系统的总效率非常高。 动系统 瑞典 995年起就开始从事节能汽车的研究工作 ,并于 1997年研制成功了液压储能式公共汽车。图 2动系统是一种典型的并联式液压储能混合动力驱动系统，这种公共汽车的传动轴同时与发动机和液压泵 /马达相连。当公共汽车制动时，传动轴就驱动液压泵，将备罐中的油液泵入一个压缩器，压缩器随即将氮气压入两个髙压容器中；当汽车重新发动时，压缩购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 气体被释 放回原系统驱动汽车。当柴油发动机发动起来时，车速一般可达 30 kw/h。这种公共汽车对每公里 4站到 5站的城市公交路线，可节省燃料约30%，废气的排放量减少了 30%，汽车加速离开车站时的噪音降低，发动机、传动部件和摩擦制动部件的工作时间减少，降低了损耗。该系统具有效率高、能量损失小等特点，并且由于系统不改变原车的传动装置，使其在液压系统不工作时可以获得与原车相同的动力特性。 图 2 式动力驱动系统的结构 图 达； 1一加速信号； 2一制动信号； 3一发动枧控制； 4一变速器档位控制； 5一泵马达控制；6统 日本自上世纪 80年代以来便开始对汽车节能及能量回收驱动技术进行研究，近年来开发了一种定压力源系统 (适用的液力平衡式 (压泵乂马达 (如图 2有几家汽车制造公司生产了 东京等 3个城市运营，尾气 排放和燃油费用各降低了 20%以上。 个釆用 马达以及飞轮、蓄能器、压力补偿机构组成。发动机 1带动泵 /马达 2， 通过单向阀 3向系统供油，泵马达 5与压力补偿器 4相连，蓄能器 8有助于系统保持恒定的压力状态。驱动泵 7马达 9带动车轮 10转动，驱动车辆行驶。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 当汽车加速行驶时，驱动轴上的变量泵义马达 9作为马达工作，消耗压力油而使系统压力降低，此时将由蓄能器 8和高速旋转的飞轮 7为系统提供动力。通过与飞轮相连的变量泵 /马达 5作为泵工作给系统 补充压力油，使系统的油压维持在某一压力水平。当飞轮的转速下降到所容许的下限值时，飞轮不再给系统提供动力，此时应起动发动机至最大动力，给液压系统提供动力，与发动机相连的变量泵 7马达 2作为泵工作给系统提供压力油，使系统的油压上升。此时，一方面通过与飞轮相连的变量泵 7马达 5作为马达工作为飞轮提供动力，直至飞轮的转速达到所规定的最高转速，将能量储存起来；另一方面保证系统压力的基本恒定。然后使发动机停止运行，再继续由飞轮给液压系统提供所必须的动力，因此， 飞轮在 汽车在减速行驶时，驱 动轮上的变量泵 /马达 9作为泵工作，回收汽车行驶时的能量，使系统的油压上升，通过与飞轮相连的变量泵 /马达 5作为马达工作使飞轮的动能增加而储存起来，以供汽车起动或加速时使用。此时，发动机及与它相连的变量泵 /马达 2处于停转状态。当汽车行驶的能量较大，或汽车下长坡制动时，驱动轮上的变量泵 /马达作为泵工作时给系统提供的能量超过飞轮所设置的最大动能时，为了保证系统压力的恒定及飞轮的最大动能不超过所规定的上限值，可通过安全阀来实现，将剩余的能量释放掉。 力补偿器能够自动地调节利用飞轮 7 的动能。飞轮的能量密度及利用效率比蓄电池及单独的液压蓄能器都高，在低速下购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 以一定的转矩间断地运行时，汽车的燃料消耗和尾气排放大大减低，行驶平稳性得以提髙。但是，由于在传统的机械传动式汽车底盘上，其空间不大，较大体积的蓄能器、飞轮和减速装置以及该结构的复杂性限制了在其它汽车上的应用。 通过以上分析，力士乐二次静液驱动能量回收系统效率很髙，但这种带能量回收的无级传动装置对频繁刹车不敏感； 油经济性好，行驶平稳性也有很大提高，但其结构较为复杂，制造成本高。综合考虑， 本课题制动能量回收系 统的液压系统参考 联式动力驱动系统，以此为基础并作出一些改进。该驱动系统具有能量回收率高，降低了发动机、传动部件和摩擦制动部件损耗，且不需要改变原车的传动装置等优点。 第 3 章 共汽车能量回收系统的方案设计 本研究课题是对现运行车辆和在生产车辆进行设计改造，因此，对能量回收系统的设计要考虑在原车上安装的可能性。本课题选用东风扬子江汽车有限公司生产的 3及发动机的主要技术参数。 要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储能元件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统进行设计。要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储能元件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统。要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储能元件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统进行设计。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 量回收系 统的总体方案选择及系统实现的技术关键 3 2 1 能量回收系统的总体方案设计 采用液压储能的驱动系统按其动力传动元件的布置方式不同，可分为两种类型：一种是基于传统结构的并联式驱动系统，如图 3一种是基于静液传动结构的串联式驱动系统，如图 3 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 图 3并联式驱动系统由两套动力系统组成：第一路为发动机的动力通过离合器传递至传动系统，与传统的汽车结构完全一致；第二路为液压驱动系统，能量经由蓄能器、液压泵马达、传动轴传递。这两套动力系统既可单独使用，也可 以同 时使用。在一般路面上行驶时，驾驶员剩用发动机作为动力来驾驶汽车，如遥爬坡或加速等情况，则可借助液压驱动系统，采用双动力系统共间驱动汽车。串联式驱动系统主要由发动机、液压泵、液压蓄熊器、液压泵马达以及汽车的传动系统组成。发动机带动液压泵旋转，产生的液压能一部分直接驱动液压马达，另一部分则可储存到蓄能器中，在汽车加速或其它工况下使用。由于发动机与车购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 轮间没有直接的机械连接，发动机的调节控制是独立的，因此可以使发动机工作在效率和排放最佳的工况下，从而获得良好的燃油经济性和排放性能。这种布置具有结构简单、布置 方便的特点。但是，由于经过了发动机一液压泵一液压马达间的多次能量转换，这种系统的能量利用率较低。 并联式系统与串联式系统相比，具有效率高、能量损失小等特点，并且由于并联式驱动系统不改变原车的传动装置，使其在液压系统不工作时可以获得与原车相同的动力特性。 综上分析，本系统总体方案采用并联式驱动、液压储能的制动能量再生系统， 其组成包括传动系统、液压系统和控制系统三部分。传动系统仍使用原车的传动系统，以使改装后的汽车仍能保持原来的动力性能；液压系统实现汽车制动能量的回收和再利用，在汽车起步、加速和爬坡时，协助发 动机克服短时间的大负荷或超负荷工况，尽可能使其更长时间地工作在经济工况；控制系统用来协调整个系统的正常运行。 能量回收系统的技术关键 1、提高能量转化率 制动能量再生系统工作时，应具有合理的能量回收率以及转化率。若能量回收率过小，会使车辆制动时损失的机械能不能充分回收，又会造成所设计的系统成本太高，导致其技术经济性不良的实际运行工况，综合考虑车辆制动和起步加速时的要求，对系统参数进行优化设计，提高系统的工作效率。 2、能量回收系统与原车动力系统的合理匹配 制动能量回收系统与原车动力系统之间的 匹配问题涉及到系统的整体结构设计和系统控制策略的选择，是能量回收系统实用化的关键因素，在车辆制动或正常行驶时，能量回收智能控制系统应保证两套动力系统独立运行而不相互干扰；当车辆在起步、加速、爬坡等大负荷工况时，能量再生系统应与发动机进行动力匹配后，协助发动机克服短时间的大负荷工况，尽可能使其更长时间地工作在经济工况。 3、能量回收动力传动系统的优化设计 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 从液压储能系统到驱动桥之间的动力传动系统设计包括确定泵 /马达附加传动比、提高系统传动效率以及对泵 /马达离合器进行自动控制等问题。在设计时， 应充分考虑车辆 的实际布置空间，在满足整个系统工作性能的前提下，提高传动系统的可靠性和技术经济性。 3. 3 能量回收系统结构方案设计及系统控制策略 3. 3. 1 能量回收系统的结构设计 车辆制动能量回收系统的结构原理图如下所示。 1发动机； 2主离合器； 3传动装置； 4动力接口； 5驱动桥； 67制动踏板； 8加速踏板； 9泵马达离合器； 1011单向阀；12低压蓄能器； 13泵，马达； 15电液换向阀； 18节流阀； 19二位二通电磁换向阀； 20 制动能量再生系统能量的回收与释放通过可逆的液压泵 /马达实现。液压泵 / 马达在回收能量时作为油泵，在释放能量时作为马达，其能量回收与释放功能转购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 8 换由换向阀及其相应的辅助装置实现，并受电控单元控制。电控单元接受发动机转速、系统压力、车辆运行状况及驾驶员操作意图等相关信号，综合处理后对整个系统进行控制。 回收的能量以液压能的形式存储于蓄能器中，在能量释放过程中，储存的液压能由马达经动力传动装置协同发动机驱动汽车工作。为了消除回收能量时发动机起制动作用而使能量不能充分回收再利用，方案设置了车 辆的传动系统与发动机间的电控液动离合装置。该装置在能量回收时将发动机与传动系统间动力传递切断，从而消除了减速制动过程中发动机起制动作用而使储能装置不能充分发挥作用的现象。 系统工作过程分析 1、制动能量回收过程 汽车开始制动时，司机踩动制动踏板和主离合器踏板，此时汽车主离合器断开，由于车辆的惯性而产生的负载力矩驱动液压泵 /马达，使其转化为泵工况工作，所产生的高压液压油通过液压阀进入高压蓄能器。这样就把汽车制动时的动能转换成液压能储存起来。系统压力的最大值可通过安全阀控制。 当紧急制动时，司机猛 踩制动踏扳，踏板在极短的时间内就通过启动能量回收系统阶段的行程，在本系统起作用的同时，汽车原来的制动系统也一起工作， 从而使汽车能在极短时间减速至所要求速度或停止。如果能量回收系统的蓄能器未充满而减速过程已经停止，则系统将保持该压力，等下一个加速或减速过程将其释放或充满。 2、制动能量释放过程 当汽车起步加速时，高压液体经过电液换向阀驱动液压泵 /马达，该元件作为马达再推动驱动轴，使汽车起步加速。在这个过程当中，发动机可以同时工作， 汽车此时有两个动力源，使得汽车能在更短的时间内加速并减少发动机油耗。当在加速 过程中系统压力小于设定值时，由压力传感器发出信号控制能量回收系统的离合器自动断开与传动系统的连接，由发动机驱动汽车继续前进。汽车又回到减速制动前的工作状态。 当汽车在行驶过程中加速时，随着司机踩动油门，在发动机加大输出功率的购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 9 同时，能量回收系统也被激活。当泵纟马达输出轴的转速与发动机的转速相匹配时，控制系统控制其与汽车传动系接合，为汽车提供额外动力，直至加速过程结束或液压系统压力小于设定值时，才将本系统与汽车传动系断开。 统控制策略 1、系统控制策略的选择 车辆制动能量再生系统有三个关键因素：目录 摘 要 . 1 . 2 第 1 章 绪 论 . 错误 !未定义书签。 题研究的背景 . 错误 !未定义书签。 题研究的意义 . 错误 !未定义书签。 课题的主要研究内容 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 能量回收制动系统 . 错误 !未定义书签。 量回收制动系统概述 . 错误 !未定义书签。 辆制动能量回收技术简介 . 错误 !未定义书签。 轮储能 . 错误 !未定义书签。 电池储能 . 错误 !未定义书签。 压储能 . 错误 !未定义书签。 压储能技术在制动能量回收中的应用情况 . 错误 !未定义书签。 士乐二次调节静液驱动系统 . 错误 !未定义书签。 动系统 . 错误 !未定义书签。 统 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 共汽车能量回收系统的方案设计 . 错误 !未定义书签。 共汽车相关技术参数 . 错误 !未定义书签。 量回收系统的总体方案选择及系统实现的技术关键 . 错误 !未定义书签。 3 2 1 能量回收系统的总体方案设计 . 错误 !未定义书签。 能量回收系统的技术关键 . 错误 !未定义书签。 3. 3 能量回收系统结构方案设计及系统控制策略 . 错误 !未定义书签。 3. 3. 1 能量回收系统的结构设计 . 错误 !未定义书签。 系统工作过程分析 . 错误 !未定义书签。 统控制策略 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 能量回收系统及装置的设计 . 错误 !未定义书签。 压系统的功能、结构选择与原理 . 错误 !未定义书签。 压系统的功能 . 错误 !未定义书签。 压系统结构方案选择 . 错误 !未定义书签。 压系统工作原理 . 错误 !未定义书签。 压系统主要参数的计算 . 错误 !未定义书签。 能器有关参数的计算 . 错误 !未定义书签。 变量泵马达的计算 . 错误 !未定义书签。 泵马达离合器的设计与选择 . 错误 !未定义书签。 离合器结构型式的选择 . 错误 !未定义书签。 能量回收过程的系统工作性能分析 . 错误 !未定义书签。 燃油消耗分析 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 结论与展望 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 1 摘 要 目前，减少车辆的油料消耗和废气排放是车辆节能和环境保护的一个迫切问题。本文针对城市公交车节能减排主要进行了能量回收系统的研究，以期在确保在制动安全的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能的目的。本系统由液压技术，传动技术，控制技术组合实现车辆的低油耗，低排放，并有效提高车辆的动力性能，实现由汽车节能环保的重要途径。在分析城市公交车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进行综合对比，并介绍了液压储能技术在制动能量回收 中的应用情况，确定了采用液压储能技术，并联式驱动的系统整体方案。 在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储存装置，变量泵 /马达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。在对车辆制动过程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。通过对液压系统工作性能进行仿真分析可知，参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步加速的需要。 本文针对能量再生系统与原动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合具体的车型，进行了泵 /马达离合器的设计。该装置采用液压离合器进行动力传递，提高了 系统的可控性和可靠性。 本文根据标准是去循环工况，分析比较了传统车辆与节能车辆在一个循环工况上的耗油量，通过仿真得出能量回收系统的技能效果。 本文最后从离合器的改进和汽车滑行两个方面简单介绍了其节能效果。关键词：公共汽车，节能，制动能量回收，液压蓄能器 2 it In of is By is In of by of to It is of By of of of in a as So it On of to of is is to of on of is So of to B 2001)： of on by At of of 目录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 1 题研究的背景 . 1 题研究的意义 . 3 课题的主要研究内容 . 3 第 2 章 能量回收制动系统 . 4 量回收制动系统概述 . 4 辆制动能量回收技术简介 . 5 轮储能 . 6 电池储能 . 7 压储能 . 8 压储能技术在制动能量回收中的应用情况 . 9 士乐二次调节静液驱动系统 . 9 动系统 . 10 统 . 11 第 3 章 共汽车能量回收系统的方案设计 . 13 共汽车相关技术参数 . 13 量回收系统的总体方案选择及系统实现的技术关键 . 14 3 2 1 能量回收系统的总体方案设计 . 14 能量回收系统的技术关键 . 16 3. 3 能量回收系统结构方案设计及系统控制策略 . 17 3. 3. 1 能量回收系统的结构设计 . 17 系统工作过程分析 . 18 统控制策略 . 19 第 4 章 能量回收系统及装置的设计 . 20 压系统的功能、结构选择与原理 . 20 压系统的功能 . 20 压系统结构方案选择 . 21 压系统工作原理 . 21 压系统主要参数的计算 . 23 能器有关参数的计算 . 23 变量泵马达的计算 . 30 泵马达离合器的设计与选择 . 31 离合器结构型式的选择 . 32 能量回收过程的系统工作性能分析 . 32 燃油消耗分析 . 35 第 5 章 结论与展望 . 41 参考文献 . 42 I 摘 要 目前，减少车辆的油料消耗和废气排放是车辆节 能和环境保护的一个迫切问题。本文针对城市公交车节能减排主要进行了能量回收系统的研究，以期在确保在制动安全的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能的目的。本系统由液压技术，传动技术，控制技术组合实现车辆的低油耗，低排放，并有效提高车辆的动力性能，实现由汽车节能环保的重要途径。在分析城市公交车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进行综合对比，并介绍了液压储能技术在制动能量回收中的应用情况，确定了采用液压储能技术，并联 式驱动的系统整体方案。 在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储存装置，变量泵 /马达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。在对车辆制动过程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。通过对液压系统工作性能进行仿真分析可知，参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步加速的需要。 本文针对能量再生系统与原动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合具体的车型，进行了泵 /马达离合器的设计。该装置采用液压离合器进行动力传递，提高了系统的可控性和可靠性。 本文根据标 准是去循环工况，分析比较了传统车辆与节能车辆在一个循环工况上的耗油量，通过仿真得出能量回收系统的技能效果。 本文最后从离合器的改进和汽车滑行两个方面简单介绍了其节能效果。关键词：公共汽车，节能，制动能量回收，液压蓄能器 it In of is By is In of by of to It is of By of of of in a as So it On of to of is is to of on of is So of to B 2001)： of on by At of of 城市公交车节能减排 制动能量回收系统 第 1 章 绪 论 随着城市化进程的加快，城市人口越来越多，随之带来的交通压力也越来越大，环境问题 也越来越严峻。 目前，减少车辆的油料消耗和废气排放量是车辆节能和环境保护的一个迫切问题。本文针对城市公共汽车节能减排主要进行了能量回收系统的研究，以期在确保制动安全性的前提下，使车辆制动过程中的动能充分吸收和储存，并在起步加速过程中充分释放，形成车辆行驶的动力，从而达到节能和改善车辆排放性能的目的。本系统由液压技术、传动技术、控制技术相结合实现车辆的低油耗、低排放，并有效地提高车辆的动力性能，是现有汽车节能、环保的重要途径。 在分析城市公共汽车特殊运行工况的基础上，本文对现有的各种储能方案进行了综合对 比，并介绍了液压储能技术在制动能量回收中的应用情况，确定了采用液压储能技术、并联式驱动的系统整体方案。 在液压系统的设计中采用皮囊式液压蓄能器作为能量储存装置、变量泵 /马达作为能量转换元件，实现了系统结构紧凑、反应迅速的要求。在对车辆制动过程动力学分析的基础上，确定了液压系统的主要工作参数。通过对液压系统工作性能进行仿真分析可知，系统参数选取合理，可以满足常规制动及辅助车辆起步加速的需要。 本文针对能量再生系统与原车动力系统之间采用并联驱动方式的特点，结合具体车型，进行了泵 /马达离合器的设计。该装置釆用液压 离合器进行动力传递， 提髙了系统的可控性和可靠性。 题研究的背景 汽车的出现改变了世界，它起到了促进经济发展和社会进步的重要作用。但人们在享受汽车文明的同时，也必须面对汽车带来的负面影响：环境污染和能源消耗。随着汽车工业的迅速发展，能源问题、环境污染已成为待解决的突出问题， 2 节约能源、保护环境 已成为各个国家的主要发展战略之一。近年来，随着经济的快速发展，汽车保有量的与日俱增，使我国面临汽车能源需求和环境保护的双重压力 . (1)能源问题 近年来，能源问题的阴影就笼罩着全世界。能源 问题成为已成为世界各个国家共同注的焦点问题。自 1972年第一次石油危机以来，在世界范围内接连发生了第二次和第三次石油危机，世界石油供应出现紧缺。能源问题己成为关系国家经济命脉的头等重要问题。如何有效的利用能源已成为世界科学家与工程师们普遍关注的问题。 作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的 l 10，仅次于美国，居世界第二位。中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。近年来能源安全问题也日益成 为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。上个世纪 90年代以来，中国经济的持续高速发展带动了能源消费量的急剧上升。自 1993年起，中国由能源净出口国变成净进口国，能源总消费已大于总供给，能源需求的对外依存度迅速增大。煤炭、电力、石油和天然气等能源在中国都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的结构性矛盾日益成为中国能源安全所面临的最大难题。 （ 2）环保问题 与能源危机伴随而来的是环保问题。当今世界是和平与发展的年代，在总体和 平的背景下，各国经济情况较好，物资生活水平迅速提高。可是，随着国民经济的迅速发展，大量人为排放的废水废气、噪音、无节制地取用地下水、没有计划的开发资源已严重破坏了自然界的生态平衡，酸雨、洪涝、千早、各种罕见疾病不断出现，对人们的日常生活带来严重的影响，环境保护成为社会日益关注的问题。 监测表明，我国城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点。一些地区灰霾、酸雨和光化学烟雾等区域性大气污染问题频繁发生，这些问题的产生都与车辆尾气排放密切相关。同时，由于机动车大多行驶在人口密集区域，尾气排放会直接影响群众健 康。统计数据显示， 2010年，全国机动车排放污染物 3 中氮氧化物 氢化合物 氧化碳 粒物 中汽车排放的M 超过 %85 ， 过%70 。按汽车车型分类，全国货车排放的 显高于客车，其中重型货车是主要贡献者；而客车 放量则明显高于货车。按燃料分类，全国柴油车排放的60 ，超过 %90 ；而汽油车 放量则较高，超过排放总量的 %70 。按排放标准分类，占汽车保有量 %排放的污染物占汽车排放总量的 %40 以上；而占保有量%国及以上标准汽车，其排放量不到排放总量的 %按环保标志分类，仅占汽车保有量 %“黄标车”却排放了 % % % 题研究的意义 市区公共汽车的工作特点是频繁的起步加速与换挡制动，公共汽车在频繁制动过程中，其巨大的动能全部经制动器的摩擦转化为热能消耗掉。如果将车辆在减速制动过程中的动能通过能量回收系统吸收并储存，而在车辆起步加速时再把储存的能量释放出来，形成驱动车辆行驶的动力，那么便可使发动机更长时间地在经济工况下运转。这样不仅能够有效降低汽车油耗，提高动力性，减少尾气排放带来的污染，还可延长汽车制动器的寿命，具有重要的实用价值。 课题的主要研究内容 本课题从能量回收和离合器的改进两个方面分别对公共 汽车节能减排进行研究，本课题的研究目标是研制一种适合公共汽车的液压式制动能量回收系统，课题选用东风扬子江汽车有限公司生产的 者主要进行公共汽车制动能量回收系统计的研制与开发。采用液压储能技术来实现汽车减速及制动能量回收再利用，并通过自动控制系统将整个系统中的液压、传动部分有机结合并与发动机协调工作以实现车辆的低油耗、低排放运行， 同时有效地提高其动力性能。本论文主要研究内容如下： 4 (1)针对城市公共汽车特殊的运行工况，进行车辆制动能量回收与再利用系统的原理分析，制定系统 方案。 (2)进行液压储能系统的设计与开发。 (3)针对具体车型，对车辆制动能量回收系统的动力传动装置进行优化设计。 (4)利用软件仿真分析设计幵发的能量回收系统的工作性能，检验其是否达到设计要求，并针对城市运行工况仿真计算其在一个循环工况上的油耗，同传统车辆进行比较，分析其节能效果。 第 2 章 能量回收制动系统 量回收制动系统概述 制动能量回收是现代电动汽车与混合动力车重要技术之一，也是它们的重要特点。在一般内燃机汽车上，当车辆减速、制动时，车辆的运动能量通过制动系统而转变为热能，并向大气中释放 。而在电动汽车与混合动力车上，这种被浪费掉的运动能量已可通过制动能量回收技术转变为电能并储存于蓄电池中，并进一步转化为驱动能量。例如，当车辆起步或加速时，需要增大驱动力时，电机驱动力成为发动机的辅助动力，使电能获得有效应用。一般认为，在车辆非紧急制动的普通制动场合，约 1/5的能量可以通过制动回收。制动能量回收按照混合动力的工作方式不同而有所不同。 量回收制动系统的原理 汽车在正常行驶时都具有很高的动能，传统汽车的这部分 能量在制动时由制动器的摩擦生热消耗掉，并且在制动过程中产生噪声，缩短制动器的使用寿命。随着汽车的起步、加速、匀速和制动等工况的相互转换，内燃机经常处于怠速和不稳定工况，不但消耗燃油，而且污染严重。鉴于传统汽车存在的诸多问题，能量回收制动系统应运而生，其作为一种新型节能技术，得到了快速的发展。 台行驶的车辆，其发动机分配的各部分能量所占的比例是随车辆行驶循环特性而变化的。车辆行驶过程中，按着起步、加速、匀速、制动四个工况循环交替地工作。车辆在这四个工况发动机的工作状态如下： 5 (1)起步，车辆状态由静到动，由 于惯性载荷大 (尤其对大、中型车辆 )，导致耗油多，冲击力大； (2)加速，发动机处于大负荷甚至超负荷状态，燃气室内混合气浓度大，且燃烧不完全现象加剧。导致耗油量大、环境噪声与废气污染； (3)匀速，一般认为此时发动机处于最佳工作状态，燃气室内燃油燃烧充分， 此时发动机效率最高，最节省燃油，且一氧化碳及碳氢化合物排放最少； (4)制动，实质上是将其在上一工况行驶中具有的机械能借助空气阻力、道路阻力、制动器以及发动机制动予以吸收。这一工况不仅使汽车机械能被浪费掉， 制动系统磨损，而且发动机内燃烧及排放恶化；由上述 各工况发动机状态可知， 唯有在匀速行驶时汽车才处在最佳工作状态，而其余三个工况都有大量的能量被浪费并且尾气中有害气体含量增加。 传统汽车的节能方法都是在提高发动机的效率、减少阻碍运动的因素上努力，而在很大程度上车辆的制动能量至今仍然还是一个未开发的能源。因此，目前节能减排最有效的手段就是对其制动能量进行回收再利用，这就要从汽车的 (1)、 (2)、 (4) 三个工作状态入手，最大限度的使用发动机提供的功率，达到理想的节能减排效果。 辆制动能量回收技术简介 带有制动能量回收系统的车辆混和动力驱动系统一般 由内燃机和储能元件两个动力源组成，它可以充分利用两种动力源的优点，通过自动控制形成最优匹配，其中储能元件用于吸收车辆减速时的惯性能量，并能将它传输给传动系统供附件使用或用于协助驱动车辆。按照储能元件型式的不同，制动能量回收系统大致可以分为飞轮储能、蓄电池储能、液压储能三种。它们所具有的传递形式如图2中转换器根据储能元件型式的不同可以分为无级变速器、电动机、液压泵 /马达等。 6 轮储能 飞轮储能是以惯性能（动能 )的方式，将能量储存在高速旋转的飞轮中。当车辆制动时，飞轮储能系统使飞轮加速 ，将车身的惯性动能转化为飞轮的旋转动能。当车辆需起动或加速时，飞轮减速，释放本身旋转动能给车身。 使用飞轮储能的混和动力驱动系统主要由发动机、髙速储能飞轮、增速齿轮、离合器、变速器和驱动桥组成，系统结构如图 2气发动机用来提供驱动汽车的主要动力，髙速储能飞轮用来回收制动能量以及作为负荷平衡装置为发动机提供辅助动力来满足峰值功率要求。 7 飞轮储能由于只有机械能间的相互转换，因此能量传递效率高，能量损耗相应较小，飞轮储能的主要缺点是抗震性能差，平稳性不好，噪声大，对工作环境要求高。 电 池储能 蓄电池储能以电能方式储存能量。系统以具有可逆作用的发电机 /电动机实现蓄电池中的电能和车辆动能之间的转化。在车辆制动时，发电机、电动机以发电机形式工作，车辆行驶的动能带动发电机将车辆动能转化为电池中；在车辆起动或加速吋，发电机与电动机以电动机形式工作，将储存在蓄电池中的电能转化为机械能驱动车辆。装备蓄电池储能系统的汽车称为混合能并储存在蓄电动力电动汽车，其原理如图 2辆在行驶时主要使用发动机的动力，电力驱动系统只是用于低速时驱动，或者用于需要大功率的场合。这种车辆在市区行驶条件下可以提高燃油 经济性达 30% 以上。 蓄电池储能的功率密度低，充放电频率小，不能迅速转化吸收大量功率，而车辆在制动或起动时，需要迅速释放或得到大量功率，这使蓄电池储能受到很大限制。近几年以来，各国技术人员都在加紧研制大容量高性能电池，为蓄电池储能提供应用基础。 8 压储能 液压储能以液压能的方式储存能量。系统由一个具有可逆作用的泵 /马达实现蓄能器中的液压能与车辆动能之间的转化，即在车辆制动时，储能系统将泵 /马达以泵的形式工作，车辆行驶的动能带动泵旋转，将高压油压入蓄能器中，实现动能到液压能的转化；在车辆起动 或加速时，储能系统再将泵 /马达以马达的形式工作，高压油从蓄能器中流出，带动马达工作，实现液压能到车辆动能的转化。液压储能的优点是的功率密度较大，能量保存时间较长，各个部件制造技术成熟，工作性能可靠；缺点是液压系统的压力高，系统的密封性能要求较高，并且液压系统体积庞大，只适合在大型公共汽车上布置。 表 2 三种蓄能方案比较 比较项目 飞轮 液压蓄能器 蓄电池 能量密度( ) 4 20（钢）4 50（复合材料） 6 40 20 40( 铅 酸 电池） 20 100（新蓄电池） 功率密度（ ） + + - 储能效率（短时间） + + + 储能效率（长时间） - + 0 能量转换效率 + - - 系统使用寿命 + + 时间保存能量 + + 可靠性 + + - 维护性 + + _ 生产成本 + - ： +（优秀）； +（好）； 0（中等）； -（差）； 差）。 以上三种储能方式根据各自不同的特点有不同的适用范围。能量密度与功率密度是衡量储能元件性能的两个重要指标。高的能量密度使汽车的后备能量充足，大的功率密度使汽车能迅速而充分地储存和利用汽车的惯性能量。由表 2压蓄能器的功率密度最高，适用于负载变化频繁的传动系：飞轮功率密 9 度和能量密度适中，可用于负载幅度变化不大的传动系；蓄电池尽管能量密度很大，但功率密度太低液压储能的能量密度相比飞轮储能，不利于负载频繁变化的传动系进行能量回收和利用。与蓄电池储能都小，但液压储能方式在三者中具有最大的功率密度，能在车辆起 步和加速时提供给车辆所需要的大扭矩。同时，液压储能可较长时间储能，各个部件技术成熟，工作可靠，整个系统实现技术难度小，便于实际商业化应用。本文的研究对象是城市公交汽车，属大型客车，惯性阻力大，对驱动系统的动力性能要求较高。因此，釆用液压储能的驱动系统是较为理想的。 压储能技术在制动能量回收中的应用情况 德国 典 对样车测试表明：系统可行，燃油经济性可提高25%30%目前，这种系统己成功的在欧洲 和北美多个城市的公共汽车上得到实现。 士乐二次调节静液驱动系统 二次调节静液传动是由德国汉堡国防工业大学 H W 977年提出的新型液压传动技术。二次调节系统是一种接在定压网络中的由变量液压马达和蓄能器组成的传动系统 ,对二次调节静液传动技术进行研究的主要目的是对制动过程中的能量进行回收和重新利用，并且从宏观的角度对静液传动系统的总体结构进行合理的配置以及改善其控制特性。另外，由于二次元件工作于恒压网络， 通过调节二次元件的斜盘倾角可以调节系统的输出扭矩、功率及转速，因而，可以实 现对系统不同参数的控制，这为系统的设计和实现提供了极大的方便。 10 图 24力士乐二次调节静液驱动系统原理图 1 发动机： 2 一次元件； 3 液压蓄能器： 4 二次元件： 5 汽车后桥 德国 司早在 1978年就从事液压公共汽车的研制工作。 R 997年在力 士乐季刊 (发表文章介绍了为老式公共汽车配置力士乐驱动装置的研究工作。在公共汽车上配备二次调节静液传动系统后的节能效果相当显著。经过改造后的市内公共汽车由一台轴向柱塞单元图 2在满载启动时能给出大约 180此可使汽车在 200km/0 150 压蓄能器的充压是在制动过程中进行的，在这个过程中二次元件作为泵来工作。同一般的公共汽车传动系统比较，这种带能量回收 的无级传动装置对频繁刹车不敏感。另外由于液压功率传递部分仅占总传动功率的一小部分，故传动系统的总效率非常高。 动系统 瑞典 995年起就开始从事节能汽车的研究工作 ,并于 1997年研制成功了液压储能式公共汽车。图 2动系统是一种典型的并联式液压储能混合动力驱动系统，这种公共汽车的传动轴同时与发动机和 液压泵 /马达相连。当公共汽车制动时，传动轴就驱动液压泵，将备罐中的油液泵入一个压缩器，压缩器随即将氮气压入两个髙压容器中；当汽车重新发动时，压缩 11 气体被释放回原系统驱动汽车。当柴油发动机发动起来时，车速一般可达 30 kw/h。这种公共汽车对每公里 4站到 5站的城市公交路线，可节省燃料约30%，废气的排放量减少了 30%，汽车加速离开车站时的噪音降低，发动机、传动部件和摩擦制动部件的工作时间减少，降低了损耗。该系统具有效率高、能量损失小等特点，并且由于系统不改变原车的传动装置，使其在液压系统不工作时可以获得与原车相同的动力特性。 图 2 式动力驱动系统的结构图 达； 1一加速信号； 2一制动信号； 3一发动枧控制； 4一变速器档位控制； 5一泵马达控制；6统 日本自上世纪 80年代以来便开始对汽车节能及能量回收驱动技术进行研究，近年来开发了一种定压力源系统 (适用的 液力平衡式 (压泵乂马达 (如图 2有几家汽车制造公司生产了 东京等 3个城市运营，尾气排放和燃油费用各降低了 20%以上。 个釆用 马达以及飞轮、蓄能器、压力补偿机构组成。发动机 1带动泵 /马达 2， 通过单向阀 3向系统供油，泵马达 5与压力补偿器 4相连，蓄能器 8有助于系统保持恒定的压力状态。驱动泵 7马达 9带动车轮 10转动，驱动车辆行驶。 12 当汽车加速行驶时，驱动轴上的 变量泵义马达 9作为马达工作，消耗压力油而使系统压力降低，此时将由蓄能器 8和高速旋转的飞轮 7为系统提供动力。通过与飞轮相连的变量泵 /马达 5作为泵工作给系统补充压力油，使系统的油压维持在某一压力水平。当飞轮的转速下降到所容许的下限值时，飞轮不再给系统提供动力，此时应起动发动机至最大动力，给液压系统提供动力，与发动机相连的变量泵 7马达 2作为泵工作给系统提供压力油，使系统的油压上升。此时，一方面通过与飞轮相连的变量泵 7马达 5作为马达工作为飞轮提供动力，直至飞轮的转速达到所规定的最高转速，将能量储存起来；另一方面保证 系统压力的基本恒定。然后使发动机停止运行，再继续由飞轮给液压系统提供所必须的动力，因此， 飞轮在 汽车在减速行驶时，驱动轮上的变量泵 /马达 9作为泵工作，回收汽车行驶时的能量，使系统的油压上升，通过与飞轮相连的变量泵 /马达 5作为马达工作使飞轮的动能增加而储存起来，以供汽车起动或加速时使用。此时，发动机及与它相连的变量泵 /马达 2处于停转状态。当汽车行驶的能量较大，或汽车下长坡制动时，驱动轮上的变量泵 /马达作为泵工作时给系统提供的能量超过飞轮所设置的最大动能时，为了保证系统压力的 恒定及飞轮的最大动能不超过所规定的上限值，可通过安全阀来实现，将剩余的能量释放掉。 力补偿器能够自动地调节利用飞轮 7 的动能。飞轮的能量密度及利用效率比蓄电池及单独的液压蓄能器都高，在低速下 13 以一定的转矩间断地运行时，汽车的燃料消耗和尾气排放大大减低，行驶平稳性得以提髙。但是，由于在传统的机械传动式汽车底盘上，其空间不大，较大体积的蓄能器、飞轮和减速装置以及该结构的复杂性限制了在其它汽车上的应用。 通过以上分析，力士乐二次静液驱动能量回收系统效率很髙，但这种带能量回收的无级传 动装置对频繁刹车不敏感； 油经济性好，行驶平稳性也有很大提高，但其结构较为复杂，制造成本高。综合考虑， 本课题制动能量回收系统的液压系统参考 联式动力驱动系统，以此为基础并作出一些改进。该驱动系统具有能量回收率高，降低了发动机、传动部件和摩擦制动部件损耗，且不需要改变原车的传动装置等优点。 第 3 章 共汽车能量回收系统的方案设计 本研 究课题是对现运行车辆和在生产车辆进行设计改造，因此，对能量回收系统的设计要考虑在原车上安装的可能性。本课题选用东风扬子江汽车有限公司生产的 3及发动机的主要技术参数。 要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储能元件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统进行设计。要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储能元件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统。要将该车改装成带有制动能量回收系统的车辆，需要添加能量转换元件、储能元件及其辅件，同时还要根据后面所确定的总体方案对传动系统进行设计。 14 量回收系统的总体方案选择及系统实现的技术关键 3 2 1 能量回收系统的总体方案设计 采用液压储能的驱动系统按其动力传动元件的布置方式不同，可分为两种类型：一种是基于传统结构的并联式驱动系统，如图 3一种是基于静液传动结构的串联式驱动系统，如图 3 15 图 3并联式驱动系统由两套动力系统组成：第一路为发动机的 动力通过离合器传递至传动系统，与传统的汽车结构完全一致；第二路为液压驱动系统，能量经由蓄能器、液压泵马达、传动轴传递。这两套动力系统既可单独使用，也可以同 时使用。在一般路面上行驶时，驾驶员剩用发动机作为动力来驾驶汽车，如遥爬坡或加速等情况，则可借助液压驱动系统，采用双动力系统共间驱动汽车。串联式驱动系统主要由发动机、液压泵、液压蓄熊器、液压泵马达以及汽车的传动系统组成。发动机带动液压泵旋转，产生的液压能一部分直接驱动液压马达，另一部分则可储存到蓄能器中，在汽车加速或其它工况下使用。由于发动机与车 16 轮间没 有直接的机械连接，发动机的调节控制是独立的，因此可以使发动机工作在效率和排放最佳的工况下，从而获得良好的燃油经济性和排放性能。这种布置具有结构简单、布置方便的特点。但是，由于经过了发动机一液压泵一液压马达间的多次能量转换