城市公交車節(jié)能減排能力分析設計--制動能量回收系統(tǒng)

城市公交車節(jié)能減排能力分析設計--制動能量回收系統(tǒng),城市公交車節(jié)能減排能力分析設計,制動能量回收系統(tǒng),城市,公交車,節(jié)能,能力,分析,設計,制動,能量,回收,系統(tǒng) 畢業(yè)設計任務書 設計題目： 城市公交車節(jié)能減排能力的分析—制動能量回收系統(tǒng) 學號：2008963308 姓名： 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內容及基本要求 1、熟悉和掌握液壓蓄能器工作原理及設計參數(shù)； 2、總結和撰寫設計說明書一份； 3、CAD制圖，一張AO裝配圖紙及其零件圖，共計2張A0圖量； 4、翻譯外文相關資料一份（3000字數(shù)以上）； 二、重點研究的問題 液壓蓄能器設計參數(shù)的計算。 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 完成時間 1 熟悉課題及基礎資料 第一周 2 調研及收集資料 第二周 3 方案設計與討論 第三～四周 4 液壓蓄能器各部分參數(shù)的計算 第五～八周 5 CAD軟件的學習 第九周 6 CAD制圖 第十周 7 撰寫說明書 第十一周 8 英文文獻翻譯，答辯 第十二周 四、應收集的資料及主要參考文獻 （1）揚立忠，楊鈞錫。新能源技術——跨世紀國民經(jīng)濟的動力，北京：孛國科學技術出版社，1994． （2）蔣曉夏，劉慶和．具有能量回收與重新利用的二次調節(jié)傳動系統(tǒng)．工程機械．1992。 （3）廖抒華．汽車技術開發(fā)與環(huán)境保護．環(huán)境保護，1999，(4)：31-34． 張鐵柱．城市用車輛新型節(jié)能動力傳動系統(tǒng)研究[搏士學位論文]．吉襪工業(yè)大學，1991． （4）胡驊，宋慧．電動汽車．北京：人民交通出版社，2003． (5)竇一兵。蓄能器在汽車液壓系統(tǒng)中的應用．液壓氣動與密封，1999，(4)：29-32。 (6)李永堂，雷步芳，高雨茁．液壓系統(tǒng)建模與仿真．北京：冶金工業(yè)出版社，2003． (7)薛定字，陳陽泉．基于Matlab／Simulink的系統(tǒng)仿真技術與應用．北京：清華大學出版社。 (8)張鐵柱．城市用車輛新型節(jié)能動力傳動系統(tǒng)研究[搏士學位論文]．吉襪工業(yè)大學，1991． （9）Peter Romilly．Substitution of Bus for Car Travel in Urban Britain：an Economic Evaluation of Bus and Car Exhaust Emission and Other Costs，Transportation Research Part D：Transport and Environment ，1999，4（3）. (10)任國軍。公共汽車制動能量再生的液壓儲能技術研究。山東理工大學：載運王具運用工程，2006 畢業(yè)設計說明書 題 目：關于提高城市公交車節(jié)能減排能力的分析 ——制動能量回收系統(tǒng) 學 院：xxxx 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期：2012年5月30日 目錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 課題研究的意義 3 1.3 本課題的主要研究內容 3 第2章 能量回收制動系統(tǒng) 4 2.1 能量回收制動系統(tǒng)概述 4 2.3 車輛制動能量回收技術簡介 5 2.3.1飛輪儲能 6 2.3.2 蓄電池儲能 7 2.3.3 液壓儲能 8 2.4 液壓儲能技術在制動能量回收中的應用情況 9 2.4.1力士樂二次調節(jié)靜液驅動系統(tǒng) 9 2.4.2 驅動系統(tǒng) 10 2.4.3.CPS系統(tǒng) 11 第3章 WG6930EH公共汽車能量回收系統(tǒng)的方案設計 13 3.1 WG6930EH公共汽車相關技術參數(shù) 13 3.2 能量回收系統(tǒng)的總體方案選擇及系統(tǒng)實現(xiàn)的技術關鍵 14 3．2．1能量回收系統(tǒng)的總體方案設計 14 3.1.2 能量回收系統(tǒng)的技術關鍵 16 3. 3 能量回收系統(tǒng)結構方案設計及系統(tǒng)控制策略 17 3. 3. 1能量回收系統(tǒng)的結構設計 17 3.3.2 系統(tǒng)工作過程分析 18 3.3.3 系統(tǒng)控制策略 19 第4章 能量回收系統(tǒng)及裝置的設計 20 4.l 液壓系統(tǒng)的功能、結構選擇與原理 20 4.l.1液壓系統(tǒng)的功能 20 4.1.2液壓系統(tǒng)結構方案選擇 21 4.1.3 液壓系統(tǒng)工作原理 21 4.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的計算 23 4.2.1蓄能器有關參數(shù)的計算 23 4.2.2 變量泵馬達的計算 30 4.3 泵／馬達離合器的設計與選擇 31 離合器結構型式的選擇 32 4.4 能量回收過程的系統(tǒng)工作性能分析 32 4.5 燃油消耗分析 35 第5章 結論與展望 41 參考文獻 42 摘 要 目前，減少車輛的油料消耗和廢氣排放是車輛節(jié)能和環(huán)境保護的一個迫切問題。本文針對城市公交車節(jié)能減排主要進行了能量回收系統(tǒng)的研究，以期在確保在制動安全的前提下，使車輛制動過程中的動能充分吸收和儲存，并在起步加速過程中充分釋放，形成車輛行駛的動力，從而達到節(jié)能和改善車輛排放性能的目的。本系統(tǒng)由液壓技術，傳動技術，控制技術組合實現(xiàn)車輛的低油耗，低排放，并有效提高車輛的動力性能，實現(xiàn)由汽車節(jié)能環(huán)保的重要途徑。在分析城市公交車特殊運行工況的基礎上，本文對現(xiàn)有的各種儲能方案進行綜合對比，并介紹了液壓儲能技術在制動能量回收中的應用情況，確定了采用液壓儲能技術，并聯(lián)式驅動的系統(tǒng)整體方案。 在液壓系統(tǒng)的設計中采用皮囊式液壓蓄能器作為能量儲存裝置，變量泵/馬達作為能量轉換元件，實現(xiàn)了系統(tǒng)結構緊湊、反應迅速的要求。在對車輛制動過程動力學分析的基礎上，確定了液壓系統(tǒng)的主要工作參數(shù)。通過對液壓系統(tǒng)工作性能進行仿真分析可知，參數(shù)選取合理，可以滿足常規(guī)制動及輔助車輛起步加速的需要。 本文針對能量再生系統(tǒng)與原動力系統(tǒng)之間采用并聯(lián)驅動方式的特點，結合具體的車型，進行了泵/馬達離合器的設計。該裝置采用液壓離合器進行動力傳遞，提高了系統(tǒng)的可控性和可靠性。 本文根據(jù)標準是去循環(huán)工況，分析比較了傳統(tǒng)車輛與節(jié)能車輛在一個循環(huán)工況上的耗油量，通過仿真得出能量回收系統(tǒng)的技能效果。 本文最后從離合器的改進和汽車滑行兩個方面簡單介紹了其節(jié)能效果。關鍵詞：公共汽車，節(jié)能，制動能量回收，液壓蓄能器 Abstract Today it becomes very urgent problems to reduce fuel consumption and exhaust gases from road vehicles for enviromental protection．In this paper，the braking energy regeneration system of city bus is studied．By using the energy regeneration technology，the kinetic energy generated during braking is recovered and then released when the bus spee&up．In this way，the city bus can reduce fuel consumption and the associated emissions．The low oil consumption and lowbleeder of vehicle are achieved by using of transmission，hydraulie power control and the compound drive system works hamoniously with engine to raise the motive capability effectively．It is the important way of saving energy and environmental protection for automobile． By analyzing the special driving cycle of city bus and comparing with different type of regenerative schemes，this paper introduced the using of hydraulic energy storage in the braking energy regeneration system and proposed a system scheme which is using the hydraulic energy storage and parallel connection driving techniques． The hydraulic system uses the bladder hydraulic accumulator and the pump／motor as the energy storage and transformation part，So it has compact structure and the rapid reaction．On the basic of the dynamics analysis to the braking process，the parameters only draulic system are figured out.Through simulation，the performance of hydraulic system is demonstrated．The results show that the energy regeneration system is effective to improve the fuel economy of city bus． Based on the parallel connection-driving structure and the given vehicle，the power-train of this system which includes hydraulic clutch is designed．So the controllability and reliability of the system are improved． According to national standard(GB／T183886—’2001)：circulation driving patterns of city，this paper analyzed the fuel consumption of conventional vehicle and energy savingvehicle on one circulation driving patterns by usingof MATLAB． At last，this paper introduced the energy saving effect of improving the disign of clutch and vehicle skiding． Key words：City bus，Saving energy，Regenerative braking energy，Hydraulic accumulat I 城市公交車節(jié)能減排—制動能量回收系統(tǒng) 第1章 緒 論 隨著城市化進程的加快，城市人口越來越多，隨之帶來的交通壓力也越來越大，環(huán)境問題也越來越嚴峻。目前，減少車輛的油料消耗和廢氣排放量是車輛節(jié)能和環(huán)境保護的一個迫切問題。本文針對城市公共汽車節(jié)能減排主要進行了能量回收系統(tǒng)的研究，以期在確保制動安全性的前提下，使車輛制動過程中的動能充分吸收和儲存，并在起步加速過程中充分釋放，形成車輛行駛的動力，從而達到節(jié)能和改善車輛排放性能的目的。本系統(tǒng)由液壓技術、傳動技術、控制技術相結合實現(xiàn)車輛的低油耗、低排放，并有效地提高車輛的動力性能，是現(xiàn)有汽車節(jié)能、環(huán)保的重要途徑。 在分析城市公共汽車特殊運行工況的基礎上，本文對現(xiàn)有的各種儲能方案進行了綜合對比，并介紹了液壓儲能技術在制動能量回收中的應用情況，確定了采用液壓儲能技術、并聯(lián)式驅動的系統(tǒng)整體方案。 在液壓系統(tǒng)的設計中采用皮囊式液壓蓄能器作為能量儲存裝置、變量泵/馬達作為能量轉換元件，實現(xiàn)了系統(tǒng)結構緊湊、反應迅速的要求。在對車輛制動過程動力學分析的基礎上，確定了液壓系統(tǒng)的主要工作參數(shù)。通過對液壓系統(tǒng)工作性能進行仿真分析可知，系統(tǒng)參數(shù)選取合理，可以滿足常規(guī)制動及輔助車輛起步加速的需要。 本文針對能量再生系統(tǒng)與原車動力系統(tǒng)之間采用并聯(lián)驅動方式的特點，結合具體車型，進行了泵/馬達離合器的設計。該裝置釆用液壓離合器進行動力傳遞， 提髙了系統(tǒng)的可控性和可靠性。 1.1 課題研究的背景 汽車的出現(xiàn)改變了世界，它起到了促進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的重要作用。但人們在享受汽車文明的同時，也必須面對汽車帶來的負面影響：環(huán)境污染和能源消耗。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，能源問題、環(huán)境污染已成為待解決的突出問題，"節(jié)約能源、保護環(huán)境"已成為各個國家的主要發(fā)展戰(zhàn)略之一。近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量的與日俱增，使我國面臨汽車能源需求和環(huán)境保護的雙重壓力. (1)能源問題 近年來，能源問題的陰影就籠罩著全世界。能源問題成為已成為世界各個國家共同注的焦點問題。自1972年第一次石油危機以來，在世界范圍內接連發(fā)生了第二次和第三次石油危機，世界石油供應出現(xiàn)緊缺。能源問題己成為關系國家經(jīng)濟命脈的頭等重要問題。如何有效的利用能源已成為世界科學家與工程師們普遍關注的問題。作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國是一個能源生產(chǎn)和消費大國。能源生產(chǎn)量僅次于美國和俄羅斯，居世界第三位；基本能源消費占世界總消費量的l／10，僅次于美國，居世界第二位。中國又是一個以煤炭為主要能源的國家，發(fā)展經(jīng)濟與環(huán)境污染的矛盾比較突出。近年來能源安全問題也日益成為國家生活乃至全社會關注的焦點，日益成為中國戰(zhàn)略安全的隱患和制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。上個世紀90年代以來，中國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展帶動了能源消費量的急劇上升。自1993年起，中國由能源凈出口國變成凈進口國，能源總消費已大于總供給，能源需求的對外依存度迅速增大。煤炭、電力、石油和天然氣等能源在中國都存在缺口，其中，石油需求量的大增以及由其引起的結構性矛盾日益成為中國能源安全所面臨的最大難題。 （2）環(huán)保問題 與能源危機伴隨而來的是環(huán)保問題。當今世界是和平與發(fā)展的年代，在總體和平的背景下，各國經(jīng)濟情況較好，物資生活水平迅速提高?？墒牵S著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大量人為排放的廢水廢氣、噪音、無節(jié)制地取用地下水、沒有計劃的開發(fā)資源已嚴重破壞了自然界的生態(tài)平衡，酸雨、洪澇、千早、各種罕見疾病不斷出現(xiàn)，對人們的日常生活帶來嚴重的影響，環(huán)境保護成為社會日益關注的問題。監(jiān)測表明，我國城市空氣開始呈現(xiàn)出煤煙和機動車尾氣復合污染的特點。一些地區(qū)灰霾、酸雨和光化學煙霧等區(qū)域性大氣污染問題頻繁發(fā)生，這些問題的產(chǎn)生都與車輛尾氣排放密切相關。同時，由于機動車大多行駛在人口密集區(qū)域，尾氣排放會直接影響群眾健康。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2010年，全國機動車排放污染物5226.8萬噸，其中氮氧化物599.4萬噸，碳氫化合物487.2萬噸，一氧化碳4080.4萬噸，顆粒物59.8萬噸，其中汽車排放的和超過，和超過。按汽車車型分類，全國貨車排放的和明顯高于客車，其中重型貨車是主要貢獻者；而客車和排放量則明顯高于貨車。按燃料分類，全國柴油車排放的接近汽車排放總量的，ＰＭ超過；而汽油車和排放量則較高，超過排放總量的。按排放標準分類，占汽車保有量的國Ｉ前標準汽車，其排放的污染物占汽車排放總量的以上；而占保有量的國Ⅲ及以上標準汽車，其排放量不到排放總量的。按環(huán)保標志分類，僅占汽車保有量的“黃標車”卻排放了的、的、的和的。 1.2 課題研究的意義 市區(qū)公共汽車的工作特點是頻繁的起步加速與換擋制動，公共汽車在頻繁制動過程中，其巨大的動能全部經(jīng)制動器的摩擦轉化為熱能消耗掉。如果將車輛在減速制動過程中的動能通過能量回收系統(tǒng)吸收并儲存，而在車輛起步加速時再把儲存的能量釋放出來，形成驅動車輛行駛的動力，那么便可使發(fā)動機更長時間地在經(jīng)濟工況下運轉。這樣不僅能夠有效降低汽車油耗，提高動力性，減少尾氣排放帶來的污染，還可延長汽車制動器的壽命，具有重要的實用價值。 1.3 本課題的主要研究內容 本課題從能量回收和離合器的改進兩個方面分別對公共汽車節(jié)能減排進行研究，本課題的研究目標是研制一種適合公共汽車的液壓式制動能量回收系統(tǒng)，課題選用東風揚子江汽車有限公司生產(chǎn)的WG6930EH型公共汽車為試驗樣機。作者主要進行公共汽車制動能量回收系統(tǒng)計的研制與開發(fā)。采用液壓儲能技術來實現(xiàn)汽車減速及制動能量回收再利用，并通過自動控制系統(tǒng)將整個系統(tǒng)中的液壓、傳動部分有機結合并與發(fā)動機協(xié)調工作以實現(xiàn)車輛的低油耗、低排放運行， 同時有效地提高其動力性能。本論文主要研究內容如下： (1)針對城市公共汽車特殊的運行工況，進行車輛制動能量回收與再利用系統(tǒng)的原理分析，制定系統(tǒng)方案。 (2)進行液壓儲能系統(tǒng)的設計與開發(fā)。 (3)針對具體車型，對車輛制動能量回收系統(tǒng)的動力傳動裝置進行優(yōu)化設計。 (4)利用軟件仿真分析設計幵發(fā)的能量回收系統(tǒng)的工作性能，檢驗其是否達到設計要求，并針對城市運行工況仿真計算其在一個循環(huán)工況上的油耗，同傳統(tǒng)車輛進行比較，分析其節(jié)能效果。 第2章 能量回收制動系統(tǒng) 2.1 能量回收制動系統(tǒng)概述 制動能量回收是現(xiàn)代電動汽車與混合動力車重要技術之一，也是它們的重要特點。在一般內燃機汽車上，當車輛減速、制動時，車輛的運動能量通過制動系統(tǒng)而轉變?yōu)闊崮?，并向大氣中釋放。而在電動汽車與混合動力車上，這種被浪費掉的運動能量已可通過制動能量回收技術轉變?yōu)殡娔懿Υ嬗谛铍姵刂?，并進一步轉化為驅動能量。例如，當車輛起步或加速時，需要增大驅動力時，電機驅動力成為發(fā)動機的輔助動力，使電能獲得有效應用。一般認為，在車輛非緊急制動的普通制動場合，約1/5的能量可以通過制動回收。制動能量回收按照混合動力的工作方式不同而有所不同。 2.2 能量回收制動系統(tǒng)的原理 汽車在正常行駛時都具有很高的動能，傳統(tǒng)汽車的這部分能量在制動時由制動器的摩擦生熱消耗掉，并且在制動過程中產(chǎn)生噪聲，縮短制動器的使用壽命。隨著汽車的起步、加速、勻速和制動等工況的相互轉換，內燃機經(jīng)常處于怠速和不穩(wěn)定工況，不但消耗燃油，而且污染嚴重。鑒于傳統(tǒng)汽車存在的諸多問題，能量回收制動系統(tǒng)應運而生，其作為一種新型節(jié)能技術，得到了快速的發(fā)展。 —臺行駛的車輛，其發(fā)動機分配的各部分能量所占的比例是隨車輛行駛循環(huán)特性而變化的。車輛行駛過程中，按著起步、加速、勻速、制動四個工況循環(huán)交替地工作。車輛在這四個工況發(fā)動機的工作狀態(tài)如下： (1)起步，車輛狀態(tài)由靜到動，由于慣性載荷大(尤其對大、中型車輛)，導致耗油多，沖擊力大； (2)加速，發(fā)動機處于大負荷甚至超負荷狀態(tài)，燃氣室內混合氣濃度大，且燃燒不完全現(xiàn)象加劇。導致耗油量大、環(huán)境噪聲與廢氣污染； (3)勻速，一般認為此時發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，燃氣室內燃油燃燒充分， 此時發(fā)動機效率最高，最節(jié)省燃油，且一氧化碳及碳氫化合物排放最少； (4)制動，實質上是將其在上一工況行駛中具有的機械能借助空氣阻力、道路阻力、制動器以及發(fā)動機制動予以吸收。這一工況不僅使汽車機械能被浪費掉， 制動系統(tǒng)磨損，而且發(fā)動機內燃燒及排放惡化；由上述各工況發(fā)動機狀態(tài)可知， 唯有在勻速行駛時汽車才處在最佳工作狀態(tài)，而其余三個工況都有大量的能量被浪費并且尾氣中有害氣體含量增加。 傳統(tǒng)汽車的節(jié)能方法都是在提高發(fā)動機的效率、減少阻礙運動的因素上努力，而在很大程度上車輛的制動能量至今仍然還是一個未開發(fā)的能源。因此，目前節(jié)能減排最有效的手段就是對其制動能量進行回收再利用，這就要從汽車的 (1)、(2)、(4) 三個工作狀態(tài)入手，最大限度的使用發(fā)動機提供的功率，達到理想的節(jié)能減排效果。 2.3 車輛制動能量回收技術簡介 帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛混和動力驅動系統(tǒng)一般由內燃機和儲能元件兩個動力源組成，它可以充分利用兩種動力源的優(yōu)點，通過自動控制形成最優(yōu)匹配，其中儲能元件用于吸收車輛減速時的慣性能量，并能將它傳輸給傳動系統(tǒng)供附件使用或用于協(xié)助驅動車輛。按照儲能元件型式的不同，制動能量回收系統(tǒng)大致可以分為飛輪儲能、蓄電池儲能、液壓儲能三種。它們所具有的傳遞形式如圖2-1所示，其中轉換器根據(jù)儲能元件型式的不同可以分為無級變速器、電動機、液壓泵/馬達等。 2.3.1飛輪儲能 飛輪儲能是以慣性能（動能)的方式，將能量儲存在高速旋轉的飛輪中。當車輛制動時，飛輪儲能系統(tǒng)使飛輪加速，將車身的慣性動能轉化為飛輪的旋轉動能。當車輛需起動或加速時，飛輪減速，釋放本身旋轉動能給車身。 使用飛輪儲能的混和動力驅動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、髙速儲能飛輪、增速齒輪、離合器、變速器和驅動橋組成，系統(tǒng)結構如圖2-2所示"氣發(fā)動機用來提供驅動汽車的主要動力，髙速儲能飛輪用來回收制動能量以及作為負荷平衡裝置為發(fā)動機提供輔助動力來滿足峰值功率要求。 飛輪儲能由于只有機械能間的相互轉換，因此能量傳遞效率高，能量損耗相應較小，飛輪儲能的主要缺點是抗震性能差，平穩(wěn)性不好，噪聲大，對工作環(huán)境要求高。 2.3.2 蓄電池儲能 蓄電池儲能以電能方式儲存能量。系統(tǒng)以具有可逆作用的發(fā)電機/電動機實現(xiàn)蓄電池中的電能和車輛動能之間的轉化。在車輛制動時，發(fā)電機、電動機以發(fā)電機形式工作，車輛行駛的動能帶動發(fā)電機將車輛動能轉化為電池中；在車輛起動或加速吋，發(fā)電機與電動機以電動機形式工作，將儲存在蓄電池中的電能轉化為機械能驅動車輛。裝備蓄電池儲能系統(tǒng)的汽車稱為混合能并儲存在蓄電動力電動汽車，其原理如圖2-3所示，車輛在行駛時主要使用發(fā)動機的動力，電力驅動系統(tǒng)只是用于低速時驅動，或者用于需要大功率的場合。這種車輛在市區(qū)行駛條件下可以提高燃油經(jīng)濟性達30% 以上。 蓄電池儲能的功率密度低，充放電頻率小，不能迅速轉化吸收大量功率，而車輛在制動或起動時，需要迅速釋放或得到大量功率，這使蓄電池儲能受到很大限制。近幾年以來，各國技術人員都在加緊研制大容量高性能電池，為蓄電池儲能提供應用基礎。 2.3.3 液壓儲能 液壓儲能以液壓能的方式儲存能量。系統(tǒng)由一個具有可逆作用的泵/馬達實現(xiàn)蓄能器中的液壓能與車輛動能之間的轉化，即在車輛制動時，儲能系統(tǒng)將泵/馬達以泵的形式工作，車輛行駛的動能帶動泵旋轉，將高壓油壓入蓄能器中，實現(xiàn)動能到液壓能的轉化；在車輛起動或加速時，儲能系統(tǒng)再將泵/馬達以馬達的形式工作，高壓油從蓄能器中流出，帶動馬達工作，實現(xiàn)液壓能到車輛動能的轉化。液壓儲能的優(yōu)點是的功率密度較大，能量保存時間較長，各個部件制造技術成熟，工作性能可靠；缺點是液壓系統(tǒng)的壓力高，系統(tǒng)的密封性能要求較高，并且液壓系統(tǒng)體積龐大，只適合在大型公共汽車上布置。 表2-1 三種蓄能方案比較 比較項目 飛輪 液壓蓄能器 蓄電池 能量密度() 4～20（鋼）4～50（復合材料） 6～40 20～40(鉛酸電池）20～100（新蓄電池） 功率密度（） + ++ - 儲能效率（短時間） + + ++ 儲能效率（長時間） - ++ 0 能量轉換效率 + - - 系統(tǒng)使用壽命 ++ ++ -- 長時間保存能量 -- ++ ++ 可靠性 + + - 維護性 + + _ 生產(chǎn)成本 + - -- 注：++（優(yōu)秀）；+（好）；0（中等）；-（差）；--（很差）。 以上三種儲能方式根據(jù)各自不同的特點有不同的適用范圍。能量密度與功率密度是衡量儲能元件性能的兩個重要指標。高的能量密度使汽車的后備能量充足，大的功率密度使汽車能迅速而充分地儲存和利用汽車的慣性能量。由表2-1可知，液壓蓄能器的功率密度最高，適用于負載變化頻繁的傳動系：飛輪功率密度和能量密度適中，可用于負載幅度變化不大的傳動系；蓄電池盡管能量密度很大，但功率密度太低液壓儲能的能量密度相比飛輪儲能，不利于負載頻繁變化的傳動系進行能量回收和利用。與蓄電池儲能都小，但液壓儲能方式在三者中具有最大的功率密度，能在車輛起步和加速時提供給車輛所需要的大扭矩。同時，液壓儲能可較長時間儲能，各個部件技術成熟，工作可靠，整個系統(tǒng)實現(xiàn)技術難度小，便于實際商業(yè)化應用。本文的研究對象是城市公交汽車，屬大型客車，慣性阻力大，對驅動系統(tǒng)的動力性能要求較高。因此，釆用液壓儲能的驅動系統(tǒng)是較為理想的。 2.4 液壓儲能技術在制動能量回收中的應用情況 德國M.A.N公司、瑞典Volvo公司和日本Mitsubishi公司都曾開發(fā)過使用液壓儲能車輛混合動力驅動系統(tǒng)，經(jīng)對樣車測試表明：系統(tǒng)可行，燃油經(jīng)濟性可提高25%~30%目前，這種系統(tǒng)己成功的在歐洲和北美多個城市的公共汽車上得到實現(xiàn)。 2.4.1力士樂二次調節(jié)靜液驅動系統(tǒng) 二次調節(jié)靜液傳動是由德國漢堡國防工業(yè)大學H．W．Nikolaus于1977年提出的新型液壓傳動技術。二次調節(jié)系統(tǒng)是一種接在定壓網(wǎng)絡中的由變量液壓馬達和蓄能器組成的傳動系統(tǒng),對二次調節(jié)靜液傳動技術進行研究的主要目的是對制動過程中的能量進行回收和重新利用，并且從宏觀的角度對靜液傳動系統(tǒng)的總體結構進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壓網(wǎng)絡， 通過調節(jié)二次元件的斜盤傾角可以調節(jié)系統(tǒng)的輸出扭矩、功率及轉速，因而，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)不同參數(shù)的控制，這為系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供了極大的方便。 圖24力士樂二次調節(jié)靜液驅動系統(tǒng)原理圖 1—發(fā)動機：2—一次元件；3—液壓蓄能器：4—二次元件：5—汽車后橋 德國 公司早在1978年就從事液壓公共汽車的研制工作。，R．E等1997年在力士樂季刊(RIQ)上發(fā)表文章介紹了為老式公共汽車配置力士樂驅動裝置的研究工作。在公共汽車上配備二次調節(jié)靜液傳動系統(tǒng)后的節(jié)能效果相當顯著。經(jīng)過改造后的市內公共汽車由一臺軸向柱塞單元A4VSO250DS21來驅動，如圖2-4所示。它在滿載啟動時能給出大約180KW的功率，由此可使汽車在20s內加速到它的最大速度50km/h.而發(fā)動機的功率卻只有30kw，其150 kw的差值是從液壓蓄能器中獲得的。液壓蓄能器的充壓是在制動過程中進行的，在這個過程中二次元件作為泵來工作。同一般的公共汽車傳動系統(tǒng)比較，這種帶能量回收的無級傳動裝置對頻繁剎車不敏感。另外由于液壓功率傳遞部分僅占總傳動功率的一小部分，故傳動系統(tǒng)的總效率非常高。 2.4.2 驅動系統(tǒng) 瑞典Volvo汽車公司從1995年起就開始從事節(jié)能汽車的研究工作,并于1997年研制成功了液壓儲能式公共汽車。圖2-5所示的驅動系統(tǒng)是一種典型的并聯(lián)式液壓儲能混合動力驅動系統(tǒng)，這種公共汽車的傳動軸同時與發(fā)動機和液壓泵/馬達相連。當公共汽車制動時，傳動軸就驅動液壓泵，將備罐中的油液泵入一個壓縮器，壓縮器隨即將氮氣壓入兩個髙壓容器中；當汽車重新發(fā)動時，壓縮氣體被釋放回原系統(tǒng)驅動汽車。當柴油發(fā)動機發(fā)動起來時，車速一般可達30 kw/h-40km/h。這種公共汽車對每公里4站到5站的城市公交路線，可節(jié)省燃料約30%，廢氣的排放量減少了30%，汽車加速離開車站時的噪音降低，發(fā)動機、傳動部件和摩擦制動部件的工作時間減少，降低了損耗。該系統(tǒng)具有效率高、能量損失小等特點，并且由于系統(tǒng)不改變原車的傳動裝置，使其在液壓系統(tǒng)不工作時可以獲得與原車相同的動力特性。 圖2-5 并聯(lián)式動力驅動系統(tǒng)的結構圖 A-液壓泵／馬達；B一鏈傳動裝置；C蓄能器；D--油箱；E一電控單元;1一加速信號；2一制動信號；3一發(fā)動枧控制；4一變速器檔位控制；5一泵／馬達控制；6-液壓潤控制 2.4.3.CPS系統(tǒng) 日本自上世紀80年代以來便開始對汽車節(jié)能及能量回收驅動技術進行研究，近年來開發(fā)了一種定壓力源系統(tǒng)(CPS—Constant pressure System)和適用的液力平衡式(FFC—Fluid Force Couple)液壓泵乂馬達(如圖2-6）。有幾家汽車制造公司生產(chǎn)了CPS公交汽車，在東京等3個城市運營，尾氣排放和燃油費用各降低了 20%以上。CPS系統(tǒng)工作原理如圖2-6所示，CPS驅動系統(tǒng)主要由3個釆用FFC結構的液壓泵/馬達以及飛輪、蓄能器、壓力補償機構組成。發(fā)動機1帶動泵/馬達2， 通過單向閥3向系統(tǒng)供油，泵馬達5與壓力補償器4相連，蓄能器8有助于系統(tǒng)保持恒定的壓力狀態(tài)。驅動泵7馬達9帶動車輪10轉動，驅動車輛行駛。 當汽車加速行駛時，驅動軸上的變量泵義馬達9作為馬達工作，消耗壓力油而使系統(tǒng)壓力降低，此時將由蓄能器8和高速旋轉的飛輪7為系統(tǒng)提供動力。通過與飛輪相連的變量泵/馬達5作為泵工作給系統(tǒng)補充壓力油，使系統(tǒng)的油壓維持在某一壓力水平。當飛輪的轉速下降到所容許的下限值時，飛輪不再給系統(tǒng)提供動力，此時應起動發(fā)動機至最大動力，給液壓系統(tǒng)提供動力，與發(fā)動機相連的變量泵7馬達2作為泵工作給系統(tǒng)提供壓力油，使系統(tǒng)的油壓上升。此時，一方面通過與飛輪相連的變量泵7馬達5作為馬達工作為飛輪提供動力，直至飛輪的轉速達到所規(guī)定的最高轉速，將能量儲存起來；另一方面保證系統(tǒng)壓力的基本恒定。然后使發(fā)動機停止運行，再繼續(xù)由飛輪給液壓系統(tǒng)提供所必須的動力，因此， 飛輪在CPS中起著一個定壓動力源的作用。 汽車在減速行駛時，驅動輪上的變量泵/馬達9作為泵工作，回收汽車行駛時的能量，使系統(tǒng)的油壓上升，通過與飛輪相連的變量泵/馬達5作為馬達工作使飛輪的動能增加而儲存起來，以供汽車起動或加速時使用。此時，發(fā)動機及與它相連的變量泵/馬達2處于停轉狀態(tài)。當汽車行駛的能量較大，或汽車下長坡制動時，驅動輪上的變量泵/馬達作為泵工作時給系統(tǒng)提供的能量超過飛輪所設置的最大動能時，為了保證系統(tǒng)壓力的恒定及飛輪的最大動能不超過所規(guī)定的上限值，可通過安全閥來實現(xiàn)，將剩余的能量釋放掉。 CPS驅動系統(tǒng)不需要齒輪變速箱，壓力補償器能夠自動地調節(jié)利用飛輪7 的動能。飛輪的能量密度及利用效率比蓄電池及單獨的液壓蓄能器都高，在低速下以一定的轉矩間斷地運行時，汽車的燃料消耗和尾氣排放大大減低，行駛平穩(wěn)性得以提髙。但是，由于在傳統(tǒng)的機械傳動式汽車底盤上，其空間不大，較大體積的蓄能器、飛輪和減速裝置以及該結構的復雜性限制了在其它汽車上的應用。 通過以上分析，力士樂二次靜液驅動能量回收系統(tǒng)效率很髙，但這種帶能量回收的無級傳動裝置對頻繁剎車不敏感；CPS驅動系統(tǒng)能量回收率高，燃油經(jīng)濟性好，行駛平穩(wěn)性也有很大提高，但其結構較為復雜，制造成本高。綜合考慮， 本課題制動能量回收系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)參考并聯(lián)式動力驅動系統(tǒng)，以此為基礎并作出一些改進。該驅動系統(tǒng)具有能量回收率高，降低了發(fā)動機、傳動部件和摩擦制動部件損耗，且不需要改變原車的傳動裝置等優(yōu)點。 第3章 WG6930EH公共汽車能量回收系統(tǒng)的方案設計 3.1 WG6930EH公共汽車相關技術參數(shù) 本研究課題是對現(xiàn)運行車輛和在生產(chǎn)車輛進行設計改造，因此，對能量回收系統(tǒng)的設計要考慮在原車上安裝的可能性。本課題選用東風揚子江汽車有限公司生產(chǎn)的WG6930EH為安裝制動能量再生系統(tǒng)的對象。表3-1為該公共汽車整車 及發(fā)動機的主要技術參數(shù)。 要將該車改裝成帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛，需要添加能量轉換元件、儲能元件及其輔件，同時還要根據(jù)后面所確定的總體方案對傳動系統(tǒng)進行設計。要將該車改裝成帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛，需要添加能量轉換元件、儲能元件及其輔件，同時還要根據(jù)后面所確定的總體方案對傳動系統(tǒng)。要將該車改裝成帶有制動能量回收系統(tǒng)的車輛，需要添加能量轉換元件、儲能元件及其輔件，同時還要根據(jù)后面所確定的總體方案對傳動系統(tǒng)進行設計。 3.2 能量回收系統(tǒng)的總體方案選擇及系統(tǒng)實現(xiàn)的技術關鍵 3．2．1能量回收系統(tǒng)的總體方案設計 采用液壓儲能的驅動系統(tǒng)按其動力傳動元件的布置方式不同，可分為兩種類型：一種是基于傳統(tǒng)結構的并聯(lián)式驅動系統(tǒng)，如圖3-1所示；另一種是基于靜液傳動結構的串聯(lián)式驅動系統(tǒng)，如圖3-2所示。 圖3-2基于靜液傳動結構的串聯(lián)式驅動系統(tǒng)原理圖 并聯(lián)式驅動系統(tǒng)由兩套動力系統(tǒng)組成：第一路為發(fā)動機的動力通過離合器傳遞至傳動系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的汽車結構完全一致；第二路為液壓驅動系統(tǒng)，能量經(jīng)由蓄能器、液壓泵／馬達、傳動軸傳遞。這兩套動力系統(tǒng)既可單獨使用，也可以同 時使用。在一般路面上行駛時，駕駛員剩用發(fā)動機作為動力來駕駛汽車，如遙爬坡或加速等情況，則可借助液壓驅動系統(tǒng)，采用雙動力系統(tǒng)共間驅動汽車。串聯(lián)式驅動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、液壓泵、液壓蓄熊器、液壓泵／馬達以及汽車的傳動系統(tǒng)組成。發(fā)動機帶動液壓泵旋轉，產(chǎn)生的液壓能一部分直接驅動液壓馬達，另一部分則可儲存到蓄能器中，在汽車加速或其它工況下使用。由于發(fā)動機與車輪間沒有直接的機械連接，發(fā)動機的調節(jié)控制是獨立的，因此可以使發(fā)動機工作在效率和排放最佳的工況下，從而獲得良好的燃油經(jīng)濟性和排放性能。這種布置具有結構簡單、布置方便的特點。但是，由于經(jīng)過了發(fā)動機一液壓泵一液壓馬達間的多次能量轉換，這種系統(tǒng)的能量利用率較低。 并聯(lián)式系統(tǒng)與串聯(lián)式系統(tǒng)相比，具有效率高、能量損失小等特點，并且由于并聯(lián)式驅動系統(tǒng)不改變原車的傳動裝置，使其在液壓系統(tǒng)不工作時可以獲得與原車相同的動力特性。 綜上分析，本系統(tǒng)總體方案采用并聯(lián)式驅動、液壓儲能的制動能量再生系統(tǒng)， 其組成包括傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分。傳動系統(tǒng)仍使用原車的傳動系統(tǒng)，以使改裝后的汽車仍能保持原來的動力性能；液壓系統(tǒng)實現(xiàn)汽車制動能量的回收和再利用，在汽車起步、加速和爬坡時，協(xié)助發(fā)動機克服短時間的大負荷或超負荷工況，盡可能使其更長時間地工作在經(jīng)濟工況；控制系統(tǒng)用來協(xié)調整個系統(tǒng)的正常運行。 3.1.2 能量回收系統(tǒng)的技術關鍵 1、提高能量轉化率 制動能量再生系統(tǒng)工作時，應具有合理的能量回收率以及轉化率。若能量回收率過小，會使車輛制動時損失的機械能不能充分回收，又會造成所設計的系統(tǒng)成本太高，導致其技術經(jīng)濟性不良的實際運行工況，綜合考慮車輛制動和起步加速時的要求，對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計，提高系統(tǒng)的工作效率。 2、能量回收系統(tǒng)與原車動力系統(tǒng)的合理匹配 制動能量回收系統(tǒng)與原車動力系統(tǒng)之間的匹配問題涉及到系統(tǒng)的整體結構設計和系統(tǒng)控制策略的選擇，是能量回收系統(tǒng)實用化的關鍵因素，在車輛制動或正常行駛時，能量回收智能控制系統(tǒng)應保證兩套動力系統(tǒng)獨立運行而不相互干擾；當車輛在起步、加速、爬坡等大負荷工況時，能量再生系統(tǒng)應與發(fā)動機進行動力匹配后，協(xié)助發(fā)動機克服短時間的大負荷工況，盡可能使其更長時間地工作在經(jīng)濟工況。 3、能量回收動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設計 從液壓儲能系統(tǒng)到驅動橋之間的動力傳動系統(tǒng)設計包括確定泵/馬達附加傳動比、提高系統(tǒng)傳動效率以及對泵/馬達離合器進行自動控制等問題。在設計時， 應充分考慮車輛的實際布置空間，在滿足整個系統(tǒng)工作性能的前提下，提高傳動系統(tǒng)的可靠性和技術經(jīng)濟性。 3. 3 能量回收系統(tǒng)結構方案設計及系統(tǒng)控制策略 3. 3. 1能量回收系統(tǒng)的結構設計 車輛制動能量回收系統(tǒng)的結構原理圖如下所示。 1．發(fā)動機；2．主離合器；3．傳動裝置；4．動力接口；5．驅動橋；6-電控單元；7．制動踏板；8．加速踏板；9．泵／馬達離合器；10-油箱；11單向閥；12．低壓蓄能器；13．泵，馬達；14.過濾器；15．電液換向閥；l6高壓蓄能器；17.壓力計；18．節(jié)流閥；19．二位二通電磁換向閥；20-溢流閥； 制動能量再生系統(tǒng)能量的回收與釋放通過可逆的液壓泵/馬達實現(xiàn)。液壓泵/ 馬達在回收能量時作為油泵，在釋放能量時作為馬達，其能量回收與釋放功能轉換由換向閥及其相應的輔助裝置實現(xiàn)，并受電控單元控制。電控單元接受發(fā)動機轉速、系統(tǒng)壓力、車輛運行狀況及駕駛員操作意圖等相關信號，綜合處理后對整個系統(tǒng)進行控制。 回收的能量以液壓能的形式存儲于蓄能器中，在能量釋放過程中，儲存的液壓能由馬達經(jīng)動力傳動裝置協(xié)同發(fā)動機驅動汽車工作。為了消除回收能量時發(fā)動機起制動作用而使能量不能充分回收再利用，方案設置了車輛的傳動系統(tǒng)與發(fā)動機間的電控液動離合裝置。該裝置在能量回收時將發(fā)動機與傳動系統(tǒng)間動力傳遞切斷，從而消除了減速制動過程中發(fā)動機起制動作用而使儲能裝置不能充分發(fā)揮作用的現(xiàn)象。 3.3.2 系統(tǒng)工作過程分析 1、制動能量回收過程 汽車開始制動時，司機踩動制動踏板和主離合器踏板，此時汽車主離合器斷開，由于車輛的慣性而產(chǎn)生的負載力矩驅動液壓泵/馬達，使其轉化為泵工況工作，所產(chǎn)生的高壓液壓油通過液壓閥進入高壓蓄能器。這樣就把汽車制動時的動能轉換成液壓能儲存起來。系統(tǒng)壓力的最大值可通過安全閥控制。 當緊急制動時，司機猛踩制動踏扳，踏板在極短的時間內就通過啟動能量回收系統(tǒng)階段的行程，在本系統(tǒng)起作用的同時，汽車原來的制動系統(tǒng)也一起工作， 從而使汽車能在極短時間減速至所要求速度或停止。如果能量回收系統(tǒng)的蓄能器未充滿而減速過程已經(jīng)停止，則系統(tǒng)將保持該壓力，等下一個加速或減速過程將其釋放或充滿。 2、制動能量釋放過程 當汽車起步加速時，高壓液體經(jīng)過電液換向閥驅動液壓泵/馬達，該元件作為馬達再推動驅動軸，使汽車起步加速。在這個過程當中，發(fā)動機可以同時工作， 汽車此時有兩個動力源，使得汽車能在更短的時間內加速并減少發(fā)動機油耗。當在加速過程中系統(tǒng)壓力小于設定值時，由壓力傳感器發(fā)出信號控制能量回收系統(tǒng)的離合器自動斷開與傳動系統(tǒng)的連接，由發(fā)動機驅動汽車繼續(xù)前進。汽車又回到減速制動前的工作狀態(tài)。 當汽車在行駛過程中加速時，隨著司機踩動油門，在發(fā)動機加大輸出功率的同時，能量回收系統(tǒng)也被激活。當泵纟馬達輸出軸的轉速與發(fā)動機的轉速相匹配時，控制系統(tǒng)控制其與汽車傳動系接合，為汽車提供額外動力，直至加速過程結束或液壓系統(tǒng)壓力小于設定值時，才將本系統(tǒng)與汽車傳動系斷開。 3.3.3 系統(tǒng)控制策略 1、系統(tǒng)控制策略的選擇 車輛制動能量再生系統(tǒng)有三個關鍵因素：液壓蓄能器、泵/馬達、控制策略。控制策略是整套系統(tǒng)工作的核心，不同的控制策略將會產(chǎn)生不同的燃油經(jīng)濟性以及要求不同盡可的蓄能器容量來匹配。對于一個給定行駛條件下的特定車輛，為盡可能減少燃油消耗，驅動控制系統(tǒng)應能滿足以下條件： 〈1〉制動能量再生系統(tǒng)盡可能多回收車輛動能； 〈2〉所回收能量再利用效率高； 〈3〉主要能量轉換單元及其傳動裝置工作效率高。 控制策略選取的原則是簡單有效，使車輛盡量降低耗油量，動力傳動系統(tǒng)穩(wěn)定，具有適當?shù)捻憫c動態(tài)指標，考慮系統(tǒng)設計要求就是要盡量減少對原車的動力傳動系統(tǒng)的改變，根據(jù)以上條件系統(tǒng)采用行程開關控制。當車輛制動時，車輪帶動液壓泵工作將車輛的動能回收到蓄能器中，當回收的能量超過了蓄能器的存儲容量時，原車的摩擦制動器起作用，使車輛進一步減速或制動：當車輛起步或加速時,只要蓄能器中的能量達到某一值,液壓馬達就輸出扭矩協(xié)助發(fā)動機工作， 當蓄能器的能量降到最小值時，由發(fā)動機單獨完成汽車后面的加速和勻速行駛過程。 2、行程開關控制分析 當車輛起步加速吋，首先判斷蓄能器中的壓力大小，若蓄能器中的壓力符合釋能條件，則把油門踏板行程分為兩個階段。第一階段：車輛制動能量再生系統(tǒng)釋放的能量與油門行程成正比，這樣保證車輛初期主要由液壓儲能系統(tǒng)供應能量，降低對發(fā)動機的功率需求，降低油耗，并有利于駕駛員對車輛的控制，這一行程占總油門行程的2/5；第二階段：到這一油門行程說明駕駛員需大功率加速車輛，儲能系統(tǒng)將把泵/馬達排量調在最大，保證最大限度釋放能量。 對于制動工況，也把制動踏板行程分為兩個階段。第一階段原制動系統(tǒng)不工作，由控制系統(tǒng)來實現(xiàn)同制動踏板行程成正比的車輛制動減速板超度。當制動踏過第一階段，由控制系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)最大制動強度，與原制動系統(tǒng)一同工作， 另外，由于本系統(tǒng)制動時，只能是驅動輪工作，造成的系統(tǒng)能提供的最大制動強度有限，在雨雪天氣，路面附著系數(shù)小，強度比較大的制動時，能量回收系統(tǒng)與原制動系統(tǒng)一同工作，會造成前后制動力嚴重不均，對汽車穩(wěn)定性造成危害。為此系統(tǒng)需計算車輪滑移率，以保證在雨雪天氣不會因增加能量回收系統(tǒng)對車輛穩(wěn)定性造成危害。超過一定滑移率，能量回收系統(tǒng)會適當降低提供的制動強度，甚至不工作，這由控制系統(tǒng)來判斷。系統(tǒng)控制結構簡圖見圖3-4。 第4章 能量回收系統(tǒng)及裝置的設計 4.l 液壓系統(tǒng)的功能、結構選擇與原理 4.l.1液壓系統(tǒng)的功能 液壓系統(tǒng)的任務一是將車輛在減速制動與下坡工況損失的機械能及時地轉變?yōu)橐簤郝从枰詢Υ?；二是在車輛處于加速、爬坡或起步工況時，將儲存的液壓能予以釋放轉換為機械能，幫助發(fā)動機驅動車輛行駛，能量釋放強度以保證發(fā)動機經(jīng)濟工況為基準，并綜合考慮加減速的循環(huán)頻率。要求整個系統(tǒng)隨動作用快，換向速度高，自動化程度高，安全可靠，壽命長，質量小，結構緊湊，噪聲低，成本低。 4.1.2液壓系統(tǒng)結構方案選擇 綜合以上因素考慮，液壓系統(tǒng)方案選擇如下： (1)選擇開式液壓系統(tǒng) 開式系統(tǒng)中液壓泵從油箱吸油，油經(jīng)各種控制閥艏，驅動液壓執(zhí)行元件，回油再經(jīng)過換向閥回油箱。這種系統(tǒng)結構較為簡單，可以發(fā)揮油箱的散熱、沉淀雜質作用，但因油液常與空氣接魅，使空氣易予滲入系統(tǒng)，導致機構運動不平穩(wěn)等后果。開式系統(tǒng)油箱大，油泵自吸性能好。閉式系統(tǒng)中，液壓泵的進油管直接與執(zhí)行元件的回油管相連，工作液體在系統(tǒng)的管路中進行封閉循環(huán)。其結構緊湊，與空氣接觸機會少，空氣不易滲入系統(tǒng)，傳動較平穩(wěn)，但閉式系統(tǒng)較開式系統(tǒng)復雜，因無油箱，油液的敖熱和過濾條件較差。為補償系統(tǒng)中的泄漏，通常需要一個小流量的補油泵和油箱。由于閉式系統(tǒng)在技術要求和成本上比較高，考慮到經(jīng)濟性的問題，所以采取開式系統(tǒng)。 （2）執(zhí)行元件選擇功能可逆的變量泵7馬達； 制動時，變量泵／馬達作為泵工作，將油泵入蓄能器中儲存能量；起步或加速時，變量泵7馬達作為馬達工俸，為汽車提供動力。 (3)液壓回路的方向控制采用電液換向閥； 由于液壓系統(tǒng)中流量較大，采用電液換向閥以滿足系統(tǒng)需要。系統(tǒng)中采用兩個高壓蓄能器和一個低壓蓄能器；盡管采用一個高壓蓄能器也可行，但這種情況下所需的蓄能器容積會很大，給系統(tǒng)布置造成較大困難，如果采用兩個高壓蓄能器，就能使得在汽車上布置較靈活方便，同時也能降低成本。當電液換向閥換向時，高壓油會對馬達造成較大沖擊，采用低壓蓄麓器作為緩沖裝置，以緩沖瞬聞翔在馬達上的高壓油。 4.1.3 液壓系統(tǒng)工作原理 液壓系統(tǒng)工作原理如圖4-1所示。單向閥2的作用是防止液壓泵／馬達4泵出的油液倒流圓油箱。電液換向閥6是由一個Y型三位四透電磁換向閥鞠一個O型三位四通液動換向閥組成。電磁換向閥接收ECU電信號接通，起先導作用， 從而控制波動換向閥的動作。液動換向閥作為主闋，用于控制液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。液壓泵／馬達4的蓄能與能量釋放功能轉換由電液換向閥6及其相應的輔助裝置實現(xiàn)，并受ECU控制，ECU接受發(fā)動機轉速、泵／馬達轉速、系統(tǒng)壓力、 車輛運行狀況及駕駛員操作意圖等相關傳感信號，綜合處理后對節(jié)能系統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)工作壓力由溢流閥9設定并通過壓力表8顯示。溢流閥9保證了回路中油壓均不超過系統(tǒng)的最大工作匿力，起到安全保護作用。節(jié)流閥12用來控制高壓蓄能器7的充液和放液速度，節(jié)流閥10用來控制壓力計8的壓力升降速度。車輛制動時，ECU根據(jù)接收到的制動信號，接通電液換向閥6，液壓泵／馬達4以油泵的形式工作，車輛的動能帶動液壓泵／馬達4旋轉，把低壓油從油箱1泵出，多余油液經(jīng)溢流閥9流回油箱l，低壓油則經(jīng)過濾器5過濾后經(jīng)電液換向閥6壓入高壓蓄能器7，將車輛的動能轉變成液壓能儲存起來，實現(xiàn)能量的回收轉化，多余油液經(jīng)節(jié)流閥10、二位二通電磁換向閥11、溢流閥9流回油箱1， 這時車輛制動力由液壓系統(tǒng)提供，翻動器本身不工作，車速慢慢降低，液壓系統(tǒng)處于蓄能狀態(tài)。緊急制動時，液壓系統(tǒng)也切換到蓄能狀態(tài)，這時車輛制動器與液壓系統(tǒng)同時對汽車制動，使制動更加可靠。車輛起步時，ECU根據(jù)接收到的車輛檔位和離合器的信號，接通電液換向閥6，液壓泵，馬達4以馬達的形式工作，高壓蓄能器7中的高壓油經(jīng)過電液換向閥6推動液壓泵／馬達4旋轉，同時向低壓蓄能器3釋放油液，通過液壓泵，馬達4輔助車輛起步，當高壓蓄能器7壓力大于供油界限時，液壓系統(tǒng)繼續(xù)工作，反之停止。爬坡或加速時，踏下加速踏板，ECU根據(jù)接收到的加速踏板信號，如果蓄能器油壓離子某一闞值，液壓泵，馬達4作為馬達工作，提供發(fā)動機輔勃動力，當油壓到達最低值或車速達到某設定值時，液壓泵／馬達4切換到無壓回路的空轉狀態(tài)。 4.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的計算 4.2.1蓄能器有關參數(shù)的計算 蓄能器的最低工作壓力、最高工作壓力和充氣壓力。 蓄能器壓力技術參數(shù)主要包括充氣壓力、最低工作壓力和蓄能器最高工作壓力。 （1）蓄能器最低工作壓力的確定 蓄能器最低工作壓力應能滿足執(zhí)行機構最大負載時所需壓力?？砂匆韵鹿接嬎悖? 式中：—執(zhí)行機構所需最大工作壓力； —蓄能器到最遠的執(zhí)行機構的最大的壓力損失之和。 蓄能器最高壓力的確定 蓄能器最高壓力的確定，既要考慮到蓄能器的壽命，又要考慮到能適當增加排油量。 對皮囊式蓄能器來說，從延長其使用壽命考慮應使P《3 P1，即P2越低于極限壓3P1，皮囊壽命越長。提高P2,雖然可以增加蓄能器有效排油量，但勢必使泵的工作壓力提高，相應功率消耗也提高了，因此P2應小于系統(tǒng)所選泵的額定壓力。作為動力源使用的蓄能器，為使其在有效工作容積過程中液壓機構的壓力相對穩(wěn)定，根據(jù)常用經(jīng)驗公式，一般推薦： （0.6-0.85） (3)蓄能器充氣壓力P0的確定，在本系統(tǒng)中蓄能器作為儲能裝置及輔助動力源使用，這種蓄能器充氣壓力的確定首先應考慮使蓄能器容積最小，而單位容積的蓄能器的儲能量最大，然后考慮膠囊壽命，盡量延長其使用期。目前常用的經(jīng)驗公式： 使蓄能器總容積圪最小，單位容積儲存能量最大的條件下，絕熱過程時 0.471 b．使蓄能器重量最小時 （0.65-0.75） C.在保護氣囊時，延長其使用壽命的條件下 折合型氣囊 （0.8-0.85） 波紋型氣囊 （0.6-0.65） 隔膜式 蓄能器的充氣壓力po，根據(jù)應用條件的不同，選用不同計算公式進行計算，代號含義同前。 2．蓄能器容積的計算 由于本系統(tǒng)任務是將車輛的所損失的機械能(主要是動能)轉換為液壓能，所以根據(jù)能量守恒定律，車輛所損失的機械能必與系統(tǒng)液壓能相等。汽車制動前后動能損失為： （4—1） 式中：m-車輛質量 、一一車輛制動前后的速度而在液壓系統(tǒng)中，蓄能器為儲能裝置。其儲存的液壓能應與汽車損失的動能相等。對于蓄能器，據(jù)單通道穩(wěn)態(tài)流動能量方程，有如下能量守恒公式： （4—2） 其中： —單位質量流體與外界的作用功； —所考查的兩截面間的壓力能差； — 所考查的兩截面間的動能差； —所考查的兩截面間的壓縮能差； —所考查的兩截面間的位能差； —所考查的兩截面間的內能差； —對外熱傳導、輻射、對流等熱能損耗。 其中： 壓力能是液壓技術中最主要的能量形式，也是蓄能器的主要儲能方式，在液壓管路中，單位質量流體介質的壓力能表達式為： 式中：—液體密度（） —壓力（） —體積流量（） 單位質量液體所具有的動能為 (3)壓縮能是因液體的可壓縮性而消耗的能量。工程上認為，容積V隨著壓力升高按線性規(guī)律逐步被壓縮，故其壓縮能為： 式中：p一質的體積彈性能量。由于液體的可壓縮性較差，即液體體積變化受壓力影響很小，在主要靠壓力能儲能，即壓力能為主要儲能方式下可以忽略不計。 (4)位能相對于壓力能所占的比重很小，可以忽略不計。 (5)內能指能耗導致的介質溫升的熱能部分 式中：為介質比熱 (6)△項由于難以估算，且系統(tǒng)溫升限定在熱平衡狀態(tài)，故忽略不計。 綜上所述，把以上不容忽視的各項能量表達式代入能量守恒方程（4-2),得 本系統(tǒng)所采用的蓄能器中，所儲存的能量形式主要是壓力能。由于蓄能器充、放油完成后，即系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，殼體內液體處于靜止非流動狀態(tài)，故液體速度為零。同時，由于介質的能耗導致的溫升的熱能部分，即內能部分，考慮到蓄能器與整個液壓系統(tǒng)相通，且熱能又在通過傳導、對流、輻射的形式散失，因而介質的能耗導致的液體溫升總體不大，故也可在計算蓄能器的儲能量時不以考慮。所以由式可計算蓄能器的儲能量為 式中：一蓄能器最大工作壓力 一蓄能器最大工作容積因此，聯(lián)立公式（4一1），（4一4）可得： (4—5) 式中：—汽車傳東西效率，取 —液壓系統(tǒng)效率，取=0.8 汽車行駛方程為 （4—6） 其中： （4—7）