頻繁起停車輛剎車能量再利用系統(tǒng)研究*

姜忠愛，牛春亮，李秀辰

(大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)與城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市車輛的保有量飛速增長。以柴油機(jī)或汽油機(jī)為動(dòng)力的客運(yùn)車輛，特別是城市公交車處于頻繁剎車及起步的工作狀態(tài)，在起步過程中，由于內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣效果欠佳、啟動(dòng)扭矩大等特點(diǎn)，油料消耗大且燃油燃燒不充分，造成城市空氣環(huán)境污染。針對(duì)這一情況，結(jié)合相關(guān)研究成果，設(shè)計(jì)了一套能夠在公交車進(jìn)站前將車輛的慣性能轉(zhuǎn)化為液壓蓄能器的壓縮能的裝置，并將此部分能量用于輔助公交汽車起步，達(dá)到節(jié)能減排、減少浪費(fèi)的目的。

目前車輛慣性能存儲(chǔ)再利用方面主要有液壓蓄能器、電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等幾種形式[1]，液壓蓄能器儲(chǔ)能以功率密度大、成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)被作為首選儲(chǔ)能方式[2]。早在20世紀(jì)80年代末,瑞典Volvo汽車公司就展開了串聯(lián)式液壓節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究，由于當(dāng)時(shí)液壓技術(shù)水平較低,因而該技術(shù)應(yīng)用具有局限性，后來日本著名學(xué)者Hiroshi Nakazawa、Yasuo Kita等開始研究定壓源液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并取得了較大進(jìn)展。國內(nèi)對(duì)此方面的研究從2003年開始起步，北京理工大學(xué)苑士華、西南交通大學(xué)萬里翔、南京理工大學(xué)的韓文等人均進(jìn)行了相關(guān)基礎(chǔ)性研究[3-5]。本研究旨在基于前人的研究成果，從特定公交車實(shí)際工作出發(fā)，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)⒐黄嚨膽T性能轉(zhuǎn)化為液壓蓄能器的壓縮能的裝置并實(shí)現(xiàn)能量再利用，經(jīng)過詳盡的計(jì)算與校核，對(duì)系統(tǒng)的元器件選型、能實(shí)現(xiàn)的剎車距離、助力效果能方面進(jìn)行了定量分析，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

剎車蓄能器的設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)公交車在進(jìn)站前減速開始時(shí),液壓系統(tǒng)啟動(dòng)工作，通過車輛后橋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)液壓泵,將油液從油箱泵入蓄能器，隨著蓄能器中壓力的逐漸升高，蓄能器中的壓力能逐漸增加，即實(shí)現(xiàn)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能儲(chǔ)存起來，液壓泵泵油的動(dòng)力來自于變速箱的二軸，產(chǎn)生反作用力會(huì)降低后橋傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)車輛減速，等效于實(shí)現(xiàn)剎車；當(dāng)車輛起步開始時(shí),蓄能器中的高壓油液經(jīng)過換向閥驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá),再通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將扭矩傳遞給變速箱二軸,實(shí)現(xiàn)輔助車輛啟動(dòng)加速，從而減少發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)負(fù)載，減少油量消耗，達(dá)到省油的目的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

為滿足后期市場的應(yīng)用需求，選用常見的公交車作為研究對(duì)象，本研究選用黃海DD6129S23非空調(diào)型城市客車，其相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示，其底盤空間大，適合后期剎車蓄能器的安裝使用。

2 系統(tǒng)主要零部件設(shè)計(jì)與選型

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)行了動(dòng)力傳輸部分設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及元器件選型與校核方面的研究。

2.1 蓄能器選型

蓄能器的選型主要考慮其工作壓力和容積，氣囊式蓄能器相對(duì)于重力式和彈簧式蓄能器，具有工作壓力大、單位體積存儲(chǔ)能力大等特點(diǎn)[6]，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用氣囊式蓄能器，初定其額定壓力為31.5 MPa，最大工作壓力為P1=28 MPa，充氣壓力P0=7 MPa，最低工作壓力P2=8.5 MPa。為保證最大程度吸收公交車的慣性能，現(xiàn)計(jì)算蓄能器容積。

對(duì)于波紋型氣囊式蓄能器，P0～P2過程為系統(tǒng)工作準(zhǔn)備過程，因此氣囊中氣體為等溫工作過程。由氣體狀態(tài)方程P0V0=P2V2(V0為蓄能器容積)，可得最低工作壓力下氣囊內(nèi)氣體體積V2為:

V2=0.82V0.

(1)

(2)

將式(1)和相關(guān)參數(shù)代入式(2)得出：

E1=7 079.5V0.

(3)

為保證蓄能器能夠充分吸收公交車的慣性能，需核算蓄能器最大儲(chǔ)能值與公交車慣性能之間的關(guān)系。首先核算公交車進(jìn)站前總動(dòng)能E2：

(4)

其中：m為載客后車體總質(zhì)量，取值為16 200 kg；v1為進(jìn)站前車速，取值8.33m/s；v2為系統(tǒng)工作過程中公交車最小車速，取值2.78 m/s。

考慮公交車進(jìn)站過程中空氣阻力、自身機(jī)械摩擦阻力及路面阻力等綜合固定消耗，根據(jù)文獻(xiàn)資料，該部分消耗約為整車動(dòng)能的20%，則要保證蓄能器最大限度地存儲(chǔ)汽車的動(dòng)能，需滿足：

E1≥0.8E2.

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)可得V0≥56.44 L，最終選取蓄能器型號(hào)為NXQ-60/31.5-L(F)-Y，系統(tǒng)配合的溢流閥為DBD型直動(dòng)式溢流閥，并設(shè)定系統(tǒng)溢流閥開啟壓力為28 MPa，系統(tǒng)實(shí)際最高壓力為26.25 MPa。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求，選用齒輪液壓泵3APF51F11。根據(jù)所選的液壓元件和該車的動(dòng)能進(jìn)行理論分析，保證公交車既定距離內(nèi)完成減速進(jìn)站，需計(jì)算確定系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)比N1：

(6)

其中：ΔV為蓄能器內(nèi)壓縮氣體的體積變化量，取值27.33 L；q為液壓泵的排量，取值0.051 L/r；D為車輪直徑，取值1 m；N0為后橋差速器傳動(dòng)比，取值4∶1；S為蓄能器實(shí)現(xiàn)的剎車距離，取值30 m。

通過式(6)確定傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為N1=14，研究采用齒輪傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，配合相應(yīng)的離合器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的連接與切斷。

經(jīng)過上述研究與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)公交車在30 m距離內(nèi)通過蓄能器儲(chǔ)能將車速從8.33 m/s降低至2.78 m/s，之后將通過傳統(tǒng)的剎車系統(tǒng)，將公交車停靠進(jìn)站。這一過程完全符合實(shí)際公交車運(yùn)行要求，系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量將用于公交車起步助力。

2.3 車輛起步過程中助力扭矩計(jì)算

公交車起步瞬間，蓄能器油液釋放，壓力為26.25 MPa的液壓油推動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)通過齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)二軸旋轉(zhuǎn)輔助車輛起步，在起步初期能夠提供的扭矩為[7]：

式中：P為系統(tǒng)實(shí)際最高壓力，取值26.25 MPa；V為液壓馬達(dá)排量，取值為51 mL/r。經(jīng)計(jì)算可得扭矩T=208.99 N·m，目前公交車最大扭矩一般在660 N·m～710 N·m之間，可見蓄能器提供的扭矩約占最大扭矩的29.4%～31.7%，這個(gè)比例將大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載，減少車輛起動(dòng)加速時(shí)間，對(duì)車輛減少油耗、節(jié)能減排起到顯著作用。

3 結(jié)論與建議

本文主要介紹了一種將車輛慣性能轉(zhuǎn)換為壓力能，并將此能量用于輔助車輛起步的液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念，對(duì)減少車輛油量消耗，特別是車輛起步階段油量消耗大且燃料燃燒不充分對(duì)環(huán)境造成的污染起到顯著的改善作用。

研究從理論層面上進(jìn)行了相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核，充分證明了系統(tǒng)工作的可靠性與實(shí)用性，為后續(xù)實(shí)物產(chǎn)品設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)，是一項(xiàng)富有應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)影響力的創(chuàng)新型的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李欣,王佳.節(jié)能汽車制動(dòng)能量回收與再利用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016(4):91-93,97.

[2] 管志宏.公交汽車節(jié)能環(huán)保驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究[D].成都：西南交通大學(xué),2003:9-10.

[3] 周奉香,苑士華,李輝.公交車輛制動(dòng)能量回收與再利用系統(tǒng)研究[J].能源研究與信息,2003,19(2):91-94.

[4] 萬里翔.汽車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008:19-20.

[5] 韓文，常思勤.液壓技術(shù)在車輛制動(dòng)能量回收的研究[J].機(jī)床與液壓,2003(6):247-248.

[6] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).液壓傳動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7] 毛謙德，李振清.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.