专利名称：动力系统和使用该动力系统的工作机械的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及动力系统，尤其涉及一种可在一工作机械中恢复能量的动力系统。
背景技术：
通常使用柴油发动机向各种类型的工作机械提供动力。虽然多年来对柴油发动机进行了各种改进，但柴油发动机仍然不仅是振动源和噪声源，而且为人所不希望地排放诸如二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOx)、未燃烧的烃类和煤灰。已发现所有这些都导致全球变暖和空气污染。
多年来，工程师们都试图减少对柴油发动机的使用以减少为人所不希望的排放以及噪声和振动。例如，工作机械通常使用柴油发动机来向为液压缸传送液压流体的液压泵提供动力。重力驱动的柱塞在液压缸中的运动驱动工作机械的工具、比如装载机、挖掘机等运动。当柱塞在重力负荷作用下缩进时，可以获取从在缩进的柱塞下液压缸的减小的容积中被推动的液压流体所产生的液压动力并对其再利用。被推出液压缸的液压流体可流回液压缸中缩进的柱塞的上方增加的容积中。这样，在缩进过程中就可以将液压流体所产生的一部分能量恢复，从泵流过来的液压流体可以减少，从而使操作泵所需的柴油发动机动力也减少。
由于将柱塞与重力部件连接的杆子所占据的区域，在液压缸中缩进的柱塞上方增加的容积要小于缩进的柱塞下方减少的容积。这样，在柱塞缩进时，被推出柱塞下方减少的容积的流体要多于填充柱塞上方容积所需的流体。使用节流阀来使多余的液压流体从液压缸中减少的容积排入液压流体箱中。这样，从柱塞下减少的容积中流出的液压流体只有大约一半被输送到柱塞上增加的容积中。由于大量高压液压流体从动力系统中排出，能量的恢复率很低，从而不够。此外，只有当柱塞在液压缸中缩进时才进行能量恢复，从而进一步降低了能量恢复的效率。
为了提高能量的恢复，工程师们已经发现了将从柱塞缩进所引起的加压液压流体流所获取的能量储存起来的方法。例如2002年7月10日出版的日本专利2002-195218的摘要显示，从缩进柱塞下的容积排入流体箱中的液压流体也可用来使向一发电机提供动力的涡轮机工作。由发电机所产生的电流可流入一水槽中，在水槽中将水电解成氢气和氧气。可将氢气积聚并储存在一吸氢合金电池(hydrogen absorbing alloy cell)中。当需要的时候，氢气可用在一变换器中产生的氢气来补充并被输送到一燃料电池中，氢气在该燃料电池中与氧气再次化合以产生热水和电流。该电流被输送到为液压泵提供动力的电动机。这样，可由最终部分地由所恢复的液压动力驱动的电动机来替代柴油发动机，由此可进一步减少为人所不希望的排放、噪音和振动，增加能量恢复的效率。
虽然由燃料电池提供动力的电动机减少了为人所不希望的排放、噪音和振动，但还是有改进的空间。即使使用电动机，从液压缸的减小的容积中流到流体箱的多余的液压流体在为涡轮机提供动力之前仍由节流阀节流。这样，流体的一部分液压动力还是被浪费而没有用于向发电机提供动力。另外，燃料电池、吸氢合金电池和转换器相对较贵且有问题。
本发明旨在解决以上一个或多个问题。
发明内容
在本发明的一个方面，一动力系统包括可操作用于向一液压泵提供动力的一电动机。至少一个液压缸与液压泵流体连通。由液压缸形成的一第一流体容积和一第二流体容积由一可移动柱塞互相分开。一流体驱动旋转装置至少与液压缸的第一流体容积流体连通，可操作该流体驱动旋转装置向一发电机提供动力。发电机和电动机与包括一电池和一电容中至少一个的一动力储存系统电气连接。
在本发明的另一个方面，涉及一种操作一动力系统的方法。将一液压缸中产生的液压动力转化为机械动力以向一发电机提供动力。将由发电机所产生的电力储存在电池和电容中的至少一个中。向连接于一液压泵的电动机供应来自电池和电容中的至少一个的电力以向液压泵提供动力。至少部分地通过操作液压泵来向液压缸提供液压流体。
图1是根据本发明的一工作机械的一个例子的侧视图；以及图2是包括在图1所示工作机械中的一动力系统的示意图。
具体实施例方式
参见图1，其中示出了工作机械10的侧视图。工作机械10包括连接有一工具的工作机械主体11。虽然显示工作机械10为一装载机12，但应该知道，本发明可应用于包括有任何类型液压控制工具的工作机械。此外，本发明也可应用于具有一个以上工具的工作机械。另外，本发明也可应用于向工具以外的其它设备提供动力的动力系统、以及/或者除建筑工作机械以外的其它车辆中的动力系统。
装载机12由工具控制器17控制。虽然工作机械10包括连接于操作员座椅的一臂的工具控制器17，但熟悉本领域技术的人员会知道，工具控制器17可以位于操作员控制室中任意一个操作员够得到的位置。工具控制器17较佳地通过工具通讯线18与连接于工作机械主体11的动力系统14电气连接。动力系统14包括控制流进和流出液压缸15的液压流体流量的各种阀门(在图2中示出)。装载机12包括与液压缸15中的柱塞19(在图2中示出)的运动可操作地相连的一铲斗16。在所示的实施例中，液压缸15将装载机12的一对臂13可操作地向上和向下移动以将装载机铲斗16提升和放低。虽然将工作机械10描述为只有一个液压缸15，但应该知道的是，本发明设想包括任意数量液压缸的动力系统。例如，工作机械10可包括控制装载机铲斗绕一水平轴的运动的第二液压缸。
参见图2，这里示出了在图1的工作机械10中的动力系统14的示意图。动力系统14包括被构造成由电动机21提供动力的液压泵22。动力系统14包括用来通过液压泵22向液压缸15供应液压流体的装置54。液压缸15被构造成接收来自液压泵22的液压流体。液压泵22可通过供应管25与由液压缸15所形成的第一流体容积23和第二流体容积24流体连通。第一流体容积23和第二流体容积24还可通过流体箱管46与液压流体箱34流体连通。供应管25和流体箱管46分享共用部分47a和47b。第一流体容积23和第二流体容积24通过供应管25和共用部分47a和47b互相流体连通。
可移动柱塞19将第一流体容积23与第二流体容积24分开。杆子45将可移动柱塞19与重力部件44(装载机铲斗16)连接，可操作该重力部件以在液压缸15中驱动柱塞19运动。为了降低装载机的臂13，柱塞19在重力部件44的作用之下缩进，而为了提升装载机的臂13，柱塞19克服重力部件44前进。熟悉本领域技术的人员会知道，可以通过由液压泵22向第二流体容积24提供液压流体来加快缩进速度。第一流体容积23位于柱塞19上与重力部件44相反的一侧，而第二流体容积24位于柱塞19上与重力部件44相同的一侧。由于杆子45所占用的空间，当柱塞19缩进和前进时，第一流体容积23的截面23a要比第二流体容积24的截面24a大。
供应管25包括第一、第二和第三阀门26、27和28，流体箱管46包括第四阀门29。阀门26、27、28和29控制流进和流出液压缸15的流量。阀门26、27、28和29较佳地分别通过第一、第二、第三和第四阀门通讯线30、31、32和33与电子控制模块20电气连接。另外，工具控制器17通过工具通讯线18与电子控制模块20连接。这样，可将工具控制器17与所需的装载机铲斗16的位置相对应的位置通过工具通讯线18传送给电子控制模块20。然后，电子控制模块20可决定阀门26、27、28和29的位置以产生获得所需的装载机铲斗16的运动所需要的液压流。也可将控制器直接与诸阀门连接而不会背离本发明的范围。
当电子控制模块20确定工具控制器17位于空档时，电子控制模块20将确认阀门26处于打开位置，允许任何来自液压泵22的液压流体流流入流体箱34。当电子控制模块20通过工具控制器17的位置确定操作员希望将装载机铲斗16提升时，第二流体容积24将确认阀门26位于关闭位置，而阀门28向打开位置移动。这样，液压流体和从液压泵22通过供应管25流入液压缸15的第一流体容积23中。电子控制模块20还将确认阀门27处于关闭位置，而阀门29处于打开位置，使来自第二流体容积24的液压流体可流到流体箱34中。这样，柱塞19可克服重力部件44而前进，使装载机铲斗16向上运动。当电子控制模块20确认操作员希望放低装载机铲斗16时，电子控制模块20可确认阀门26和阀门29处于关闭位置，而阀门27和阀门28向打开位置移动，使液压流体从液压泵22和第一流体容积23流向液压缸15的第二流体容积24。另外，液压流体也可通过阀门29从第二流体容积24流向流体箱34。这样，柱塞19可在重力部件44和泵所供应的液压动力的作用下缩进，使装载机铲斗16向下移动。
动力系统14包括用于将液压缸15中所产生的液压动力转化为机械动力的装置50。装置50包括流体驱动旋转装置55，该装置较佳地包括变排量液压发动机35。该变排量液压发动机35被构造成由液压缸15中产生的液压动力提供动力。电子控制模块20还通过发动机通讯线36与变排量液压发动机35相连。虽然流体驱动旋转装置55较佳地为变排量液压发动机35，但应该知道，也可以使用诸如涡轮机的各种流体驱动旋转装置。变排量液压发动机35以流体关系来看位于液压缸15的第一流体容积23和流体箱管46之间。这样，当柱塞19缩进时，从第一流体容积23流向第二流体容积24的流体部分可转向并用于向变排量液压发动机35提供动力。当电子控制模块20通过工具控制器17的位置确定操作员希望放低装载机铲斗16时，电子控制模块20将改变排量液压发动机35的排量以获得所需的柱塞19缩进速度，从而得到所需的装载机12的装载机铲斗16放低速度。
动力系统14还包括用于将变排量液压发动机35的机械动力转化为电力的装置51。装置51包括发电机37，该发电机被构造成由变排量液压发动机35提供动力并向电池40和/或电容39提供电力。变排量液压发动机35以传统的方式连接于发电机37。变排量液压发动机35的旋转向产生电力的发电机提供动力。发电机37通过储存通讯线41与动力储存系统38电气连接。动力系统14包括用于将电力储存到电池40和电容39中的装置52。虽然动力储存系统38可只包括电容和电池之一，但较佳地，该系统将储存容量相对较大的电容39和储存容量相对较小的电池40都包括在内。电池40和/或电容39可在需要的时候阶段性地与外部电源相连以充电。电池40和电容39被构造成向电动机21供应所储存的电力。这样，动力系统14包括用于向连接于液压泵22的电动机21提供来自电池40和电容39的电力的装置53。电池40通过供电线42与电动机21电气相连。较佳地，装置53包括变压器43，该变压器位于供电线路42之中以将来自电池40的直流电源转换成交流电以用于电动机21。
工业应用性参见图1和2，将针对包括在工作机械10中的动力系统14的工作状况来描述本发明。虽然动力系统14驱动液压驱动装载机12，但应该知道，本发明设想的是驱动各种工作机械工具和/或辅助系统的动力系统。另外，本发明还设想应用于除工作机械以外的其它机械和/或车辆中。
为了使动力系统14工作，将缩进的柱塞19所产生的液压动力转换成驱动发电机37的机械动力。当操作员移动工具控制器17以放低装载机铲斗16时，工具控制器17的移动将通过工具通讯线18被传送给电子控制模块20。电子控制模块20将适当地定位阀门26、27、28和29以放低铲斗16，这可以通过多种方式来实现。例如，阀门28可关闭而阀门27打开从而通过供应管25从液压泵22来充满第二流体容积24。可将任何来自液压泵22的多余的流体通过阀门26引回流体箱34。在第二个替代方案中，可将阀门27关闭，通过位于阀门29附近的止回阀的真空从流体箱34将容积24充满。第三个替代方案是第一和第二个方案的某种接合。第四个替代方案可以是将泵22的输出量减到零，打开阀门27和28，从而从容积23对容积24进行填充。在任何情况下，第一流体容积23由装载机铲斗16、装载机臂13的重力以及在装载机铲斗16中的任何负荷而加压。可将所有或部分从第一流体容积23排出的流体在其通往流体箱34的路径上引导通过变排量液压发动机35。通过改变变排量液压发动机35的排量，电子控制模块20将控制柱塞19的缩进速度，以获得所需的放低装载机铲斗16的速度。经变排量液压发动机从流体箱管46流向流体箱34的加压液压流体将驱动变排量液压发动机35。变排量液压发动机35的旋转向产生动力的发电机37提供动力。可以认识到，如果不需要生成全功率，则将来自第一流体容积23的流体可控制地转向通过阀门28以帮助填充第二流体容积24。同样，如果通过阀门28进入第二流体容积24的流体过多，则可将阀门29可控制地向流体箱34打开以避免在第二流体容积24中加压。
为了储存发电机37所产生的电力，将电流从发电机37通过储存通讯线41输送给电容39。将电容39设计成储存容量比电池40大。这样，电容39可储存无法储存在电池40中的电流。当储存在电池40中的电力跌到预定量以下时，电容39可向电池40补充电力。因此，由缩进柱塞19产生的液压动力可作为电力储存在电池40和电容39中，直到需要动力为止。
为了向液压泵22提供动力，通过电流供应线42向电动机21供应储存在电池40中的电流。然而，由于电动机21通常是通过交流电来工作的，而发电机37所产生的电流通常为直流电，因此较佳地由变压器43将来自电池40的直流电转换为交流电以向电动机21提供电力。应该知道的是，本发明也设想不需要变压器的动力系统。向电动机21供应的电力将驱动电动机21来使液压泵22工作。然后，在柱塞19在液压缸15中前进的过程中，液压泵22可通过供应管25向第一流体容积23供应液压流体。液压泵22还可在柱塞19缩进的时候通过供应管25向第二流体容积24供应流体。在柱塞19缩进的过程中，由液压泵22所产生的液压流体将使第二流体容积24保持充满，而剩余的流体将通过阀门26被旁路到流体箱34中。在缩进过程中从第一流体容积23流向流体箱34的加压液压流体中的多余部分驱变排量液压发动机35，且能量恢复过程可自己重复进行。恢复的能量可补充需要从外界动力源传输并储存在电池40和/或电容39中的能量。这样，可以缩短对电池40和/或电容39充电的时间，并且延长两次外部充电之间的时间。
本发明是有优势的，因为包括电池40、电容39和变排量液压发动机35的动力系统14相对廉价且可有效替代柴油发电机。通过将柴油发动机从动力系统中去除，诸如CO2和NOx之类的为人所不希望的排放如果不能消除的话也得到减少，而这种排放是全球变暖和空气污染的主要因素。另外，由动力系统14所产生的噪音和振动也得到减少。另外，通过在柱塞19通过变排量液压发动机35而缩进的过程中将液压流体流从第一流体容积23引出动力系统14，就可由经过该系统流向流体箱管46的未经节流的液压流提供动力。这样，通过用变排量液压发动机35来替代在柱塞19缩进过程中调节来自第一流体容积23的较大截面23a的流体流的节流阀，动力系统14的效率得到提高。
此外，由于动力系统14包括动力储存系统38，可将液压动力以电力的形式储存，从而延长在动力系统14中的利用。被储存的电力可用于驱动电动机21，从而由该电动机21驱动液压泵22。另外，本发明设想用所储存的能量向除液压工具系统以外的、其它为系统的部分的电力设备提供动力。例如，电动机可向作为同一工作机械的冷却系统的一部分的冷却泵提供动力。这样，对储存在动力系统14中的能量就会有各种用途。另外，电池40和电容39与包括燃料电池、吸氢合金电池和转换器的动力储存系统相比相对较廉价。
应该理解的是，以上的描述只是为了说明的目的，并不是以任何方式对本发明的范围进行限制。因此，熟悉本领域技术的人员会知道，在参考了附图、说明书和所附权利要求之后可以得知本发明的其它方面、目的和优点。
权利要求
1.一种动力系统(14)包括一电动机(21)，可操作该电动机向一液压泵(22)提供动力；至少一个液压缸(15)，该液压缸与液压泵(22)流体连通并形成通过一可移动柱塞(19)而互相分开的一第一流体容积(23)和一第二流体容积(24)；一流体驱动旋转装置(25)，该装置至少与由液压缸(15)形成的第一流体容积(23)流体连通并可操作用于向一发电机(37)提供动力；以及一动力储存系统(38)，该动力储存系统包括一电池(40)和一电容(39)中的至少一个，电池和电容与发电机(37)和电动机(21)电气连接。
2.一种动力系统(14)包括将在至少一个液压缸中产生的液压动力转化为机械动力的装置(50)；将机械动力转化为电力的装置(51)；将电力储存在一电池(40)和一电容(39)中至少一个中的装置(52)；从电池(40)和电容(39)中的至少一个向连接于液压泵(22)的一电动机(21)供应电力的装置(53)；以及通过液压泵(22)向至少一个液压缸(15)供应液压流体的装置(54)。
3.一种操作一电力系统(14)的方法，该方法包括以下步骤至少部分地通过将一液压缸(15)中产生的液压动力转化为机械动力来向一发电机(37)提供动力；将由发电机(37)所产生的电力储存到一电池(40)和一电容(39)中的至少一个中；至少部分地通过向连接于液压泵(22)的一电动机(21)供应来自电池(40)和电容(39)中至少一个的电力来向一液压泵(22)提供动力；以及至少部分地通过操作液压泵(22)来向液压缸(15)提供液压流体。
4.一种动力系统(14)包括一电池(40)和一电容(39)中的至少一个，它们被构造成向一电动机(21)供应所储存的电力；一液压泵(22)，该液压泵被构造成由电动机(21)提供动力；一液压缸(15)，该液压缸被构造成接收来自液压泵(22)的液压流体；一流体驱动旋转装置(35)，该流体驱动旋转装置被构造成由产生于液压缸(15)中的液压动力提供动力；一发电机(37)，该发电机被构造成由流体驱动旋转装置(35)来提供动力并向电池(40)和电容(39)中的至少一个供应动力。
全文摘要
在本发明中，动力系统(14)包括至少一个液压缸(15)，该液压缸形成通过可移动柱塞(19)而互相分开的第一流体容积(23)和第二流体容积(24)。至少与第一流体容积(23)流体连接的流体驱动旋转装置(35)将液压缸(15)中产生的液压动力转化为机械动力。发电机(37)与流体驱动旋转装置(35)连接并产生电力，这一电力储存在包括电池(40)和电容(39)中至少一个的动力储存系统(38)中。可向可操作用来向液压泵(22)提供动力的电动机(21)输送所储存的电力。液压泵(22)向液压缸(15)供应液压流体。本发明的动力系统(14)相对较廉价并可有效地替代包括柴油发动机的动力系统，而柴油发动机会是为人所不希望的排放、噪音和振动的来源。
文档编号F15B11/024GK1871441SQ200480030769
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月4日 优先权日2003年11月14日
发明者吉野和宪 申请人:卡特彼勒公司, 新卡特彼勒三菱有限公司