专利名称：一种基于双动力输出的机液混合动力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力和液压领域。
背景技术：
近年来，随着经济的快速发展，汽车保有量持续增长，作为汽车主要动力的内燃机工业出现了空前迅猛的发展。然而，尽管内燃机进行了多种措施的优化与革新，但是随着汽车保有量与日俱增，带来的汽车废气污染问题和能源危机困惑日益突出，对人类健康、生态平衡造成巨大威胁。在如此巨大的双重压力下，内燃机工业正处于其历史发展的转折点。人们一方面积极致力于传统发动机本身的改进、优化和新型动力装置的开发，以适应能源结构的变化和满足日益严格的性能要求；另一方面设计出各种多能源复合动力系统。在此背景下，各种新型混合动力系统如雨后春笋般发展起来，如机-电混合动力系统等。现在流行的混合动力系统以机-电混合为主,其传动系统主要有串联式、并联式、混联式和轮边式四 种连接方式。普通动力输出装置均是单动力输出的，例如传统发动机只输出机械能，液压自由活塞发动机输出液压能。在能源危机与环境保护的背景下，能够集内燃机与液压泵为一体，综合内燃机技术、液压技术、微电子技术、控制技术以其潜在节能、环保、燃料适应性强、高功率密度、高度柔性布置等优势的动力输出装置还不普遍。
发明内容
本发明的目的是提供一种可柔性控制的双动力输出的机-液混合系统，其结构紧凑，功率密度高，综合效率高。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案—种基于双动力输出的机液混合动力系统，其包括发动机、液压柱塞模块、液压能量模块，以及机械能量模块；其中，所述液压能量模块包括液压泵/马达(7)、高压油路(5(a))、低压油路(5 (b))、低压蓄能器(12)和高压蓄能器(6)，所述机械能量模块包括行星齿轮系(15);所述高压蓄能器(6)和所述低压蓄能器(12)分别通过所述高压油路(5 (a))和所述低压油路(5 (b))与所述液压泵/马达(7)相连，所述液压泵/马达(7)还与所述行星齿轮系(15)的第一输入端相连。本发明的基于双动力输出的机液混合动力系统，所述发动机包括摇臂，所述液压柱塞模块包括液压柱塞(2)和液压柱塞缸(3)，该发动机可为单缸和多缸发动机；所述柱塞
(2)包括上端点和下端点，所述上端点与所述摇臂以球铰形式相连，所述下端点与所述液压柱塞(2)以球铰形式相连；所述液压柱塞缸(3)固定于发动机机体上，所述液压柱塞(2)下端点位于所述液压柱塞缸(3)内，并且能够沿液压柱塞缸轴线上下来回移动。本发明的基于双动力输出的机液混合动力系统，所述液压能量模块还包括单向压缩阀(4)、单向吸入阀(8)、电磁阀(9)、低压油缸(11)和电磁阀(10);所述电磁阀(9)设置于所述低压蓄能器(12)与低压油路5b间，所述单向压缩阀(4)设置于液压缸出油口 A和高压油路5a之间，所述单向吸入阀(8)设置于液压缸进油口 B 口与低压油路之间，所述电磁阀(10)设置于所述B 口与所述低压油缸(11)之间；所述液压柱塞缸(3)包括A 口和B 口，A口通过液压油管与所述高压油路(5 (a))接通，B 口通过液压油管与所述低压油路(5 (b))和所述低压油缸(11)接通。本发明的基于双动力输出的机液混合动力系统，所述机械能量模块还包括发动机曲轴输出端(13)、离合器I (14)、离合器2 (16)、驱动桥(17)和从动轮(18);行星齿轮系(15)包括变速箱、汇流机构、第二机械输入端和机械输出端，第二机械输入端通过机械传动轴与曲轴输出端(13)相连，所述离合器(14)设置于所述曲轴输出端(13)和所述行星齿轮系(15)之间的传动轴上，所述机械输出端 通过机械传动轴与所述后驱动桥(17)相连，所述离合器(17)设置于两者之间。本发明提供的基于双动力输出的机液混合动力系统，利用发动机可通过曲轴输出机械能，同时该发动机通过摇臂将机械能转化为液压能输出，从而实现机械能和液压能双动力输出的特点，构成机-液混合动力系统；另外一方面，该系统中采用液压蓄能技术可回收制动能，减少系统能量损失。该发明专利同时具有机械输出和液压输出的优点，结合车辆的行驶工况要求，可通过匹配液压输出功率和机械输出功率达到优化发动机循环工况的目的，提高发动机的经济性和排放特性。根据具体情况，也可将液压能转换为机械能输出。此系统优化了发动机和传动系统的能量传输形式，实现了动力传动装置的柔性调节，进一步提高了动力系统功率密度。实现了高度柔性布置，有效利用空间；通过采用蓄能技术，使小功率发动机满足较高功率车辆的动力需求。
图I是具有一个液压柱塞的本发明的一个具体实施例的示意图；图2是具有多个液压柱塞的本发明的另一具体实施例的示意图；图3是将本发明一个实施例运用于整车的示意图；图4是使用本发明一个实施例的车辆的发动机首次起动时的整车能量流向图；图5是使用本发明一个实施例的车辆当液压柱塞储能作时整车能量流向图；图6是使用本发明一个实施例的车辆当车辆正常行驶时整车能量流向图；图7是使用本发明一个实施例的车辆当制动能收获时的整车能量流向图；图8是使用本发明一个实施例的车辆当怠速停车时的整车能量流向图；图9是使用本发明一个实施例的车辆当车辆再次启动时的整车能量流向图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。一种基于双动力输出的机液混合动力系统，其包括发动机，用于将发动机机械能转换成液压能的液压柱塞模块，用于产生高压液压能、释放和贮存液压能的液压能量模块，以及用于将由液压能转换而来的机械能和由发动机直接输出的机械能进行合理匹配和汇合，并将整合后的机械能输送到该系统所装配的车辆的驱动轮的机械能量模块；其中，所述液压能量模块包括液压泵/马达7和高压蓄能器6，当为车辆提供机械功率时，液压泵/马达7为液压马达工作模式，将经由液压柱塞模块转换而来的液压能通过压泵/马达7提供给车辆；当回收车辆制动能量时，液压泵/马达7为液压泵工作模式，将低压油加压后储存于高压蓄能器6。如图I所示，所述发动机包括摇臂；所述液压柱塞模块包液压柱塞2和液压柱塞缸3 ;所述液压柱塞2包括上端点和下端点，所述上端点与所述摇臂以球铰形式相连，所述下端点与所述液压柱塞2以球铰形式相连；所述液压柱塞缸3固定于发动机机体上，所述液压柱塞2下端点位于所述液压柱塞缸3内，并且能够沿柱塞缸3轴线上下来回移动。图I只给出了单缸情况下的一个液压柱塞构成的机-液混合动力系统，另一个柱塞缸同样可以接入机-液混合动力系统；图2给出了单缸情况下多个液压柱塞接入机-液混合动力系统的连接示意图。所述液压能量模块包括单向压缩阀4、高压油路5 (a)、低压油路5 (b)、单向吸入阀8、控制接通低压油路5 (b)的电磁阀9、低压油缸11、用于控制接通低压油缸11的电磁 阀10和低压蓄能器12 ;所述高压蓄能器6和所述低压蓄能器12分别通过所述高压油路5Ca)和所述低压油路5 (b)与所述液压泵/马达7相连，所述电磁阀9设置于所述低压蓄能器12与低压油路5 (b)间，所述单向压缩阀4设置于所述A 口和高压油路5 Ca)之间，所述单向吸入阀8设置于所述B 口与低压油路之间，所述电磁阀10设置于所述B 口与所述低压油缸11之间；所述液压柱塞缸3包括A 口和B 口，A 口通过液压油管与所述高压油路5 (a)接通，B 口通过液压油管与所述低压油路5 (b)和所述低压油缸11接通。所述机械能量模块包括发动机曲轴输出端13、离合器A14、行星齿轮系15、离合器B16、驱动桥17和从动轮18 ;行星齿轮系15包括变速箱和汇流机构，所述行星齿轮系15设有两个机械输入端和一个机械输出端，两个机械输入端分别通过机械传动轴与液压泵/马达7和曲轴输出端13相连，所述离合器14设置于所述曲轴输出端13和所述行星齿轮系15之间的传动轴上，所述机械输出端通过机械传动轴与所述后驱动桥17相连，所述离合器17设置于两者之间。液压柱塞模块是将发动机机械能转换成液压能的装置，图I为单一柱塞形式。根据不同发动机配合和性能要求，发动机有多缸形式，则此发明则由多个液压柱塞模块组成，如图2所示。将本发明的基于双动力输出的机液混合动力系统的各个部分工作过程描述如下发动机运行过程中，摇臂按规律左右摆动，柱塞2上端点随摇臂摆动，此时液压油柱塞2下端点沿液压柱塞缸3轴线上下往复运动，按柱塞泵原理工作。当关闭控制接通油缸电磁阀10时，液压柱塞的往复运动输出液压能。当电磁阀10断开时，往复运动的液压柱塞不输出液压能。由此，通过控制该电磁阀实现液压能输出调节。I)当需要柱塞输出液压能时控制油缸电磁阀10断开，当活塞至于上止点时，液压柱塞2下端运动到高处；当活塞往下止点运动时，活塞从左向右运动，液压柱塞缸3内的压力升高；柱塞缸内液压油加压后通过A 口进入高压端，当液压油压力低于高压蓄能器6设定值时，液压柱塞缸3内的液压油和流经液压泵/马达7并流回低压蓄能器12，此时液压液压泵/马达7工作状态为马达状态，将液压能转换为机械能输送到行星齿轮系15 ;当液压柱塞缸3内液压油压力高于高压蓄能器6设定值时，高压蓄能器6的液压油不往外流，液压柱塞缸3内的液压油将过剩的压力流入高压蓄能器，其余部分流向液压泵/马达7并流回低压蓄能器，此时液压液压泵/马达7工作状态为马达状态，将液压能转换为机械能输送到行星齿轮系15。当活塞从下止点往上止点运动时，液压柱塞2从右向左运动，此时液压柱塞缸3内压力降低，控制接通低压油路开关电磁阀9闭合，液压油从低压蓄能器12通过B 口进入液压柱塞缸。2)当不需要储存液压能时，即发动机完全输出机械能时候，控制接通油缸开关电磁阀10闭合。此时液压柱塞缸3的液压油与油箱11相连，液压柱塞2左右往复运动无液压能输出。另外，当高压蓄能器6内的液压油压力高于高压油路5 (a)时，高压蓄能器6内的液压油仍流向液压泵/马达7，将液压能转换为机械能。3)制动回收状态(液压能量再生系统) 液压能量再生系统由一双向且可逆的变量液压泵/马达7和高低压蓄能器6和12组成，液压泵/马达7完成高低压蓄能器之间的能量交换，低压蓄能器12为低压油提供相对稳定充足的低压油源。高压蓄能器6存储和释放制动能量。此系统中的控制器，用于管理发动机和蓄能器之间的动力切换、信号输出以及回收刹车能量。当汽车制动时，发动机怠速，离合器114断开，离合器216闭合，控制接通油缸开关电磁阀10，液压泵/马达7工作状态为泵状态，此时驱动桥17通过行星齿轮系15带动液压泵/马达工作，汽车的动能通过行星机构带动液压油泵7工作，将低压蓄能器12中的液压油泵入高压蓄能器6中，实现制动能的回收，将制动能转化为液压能储存起来。制动能回收能连控制通过控制高压蓄能器6和液压泵/马达7之间的压力和流量进行制动能回收控制。具体方法为车辆制动减速时，先轻踏刹车踏板，踏板角度处在低强度刹车区时，控制器接受制动踏板信号并发出指令，改变液压泵/马达7变量机构倾角工作象限，液压泵/马达7起液压泵作用，旋转车轮的惯性带液压泵转动，将低压蓄能器12中的油液吸入到液压泵7，并将高压油液输出到高压蓄能器6，实现刹车能量回收。4)启动、加速状态启动和加速时，先轻踏油门踏板，油门踏板角度处在仅使用液压能量再生系统的区域，控制器接受油门踏板信号并发出指令，改变液压泵/马达7变量机构倾角工作象限，使液压泵/马达7作液压马达用，高压蓄能器6向液压马7，即液压泵/马达达输出储存的能量，液压马达7，即液压泵/马达转动并带动车辆启动，同时液压马达7，即液压泵/马达出油口的油液回到低压蓄能器12 ;这个过程中离合器114断开，发动机未启动。当加速需要更多动力且高压蓄能器6的液压能不够用时，才启动发动机工作并向行星齿轮系7输出机械能。将使用本发明的基于双动力输出的机液混合动力系统的整车系统不同工况时的工作动力流向描述如下图三为该发明运用于整车的示意图，I为双动力输出发动机，该对置发动机可为多缸发动机，根据功率需要可选择具体缸数。各缸柱塞端分别通过单向阀4和8与高压油路5(a)和低压油路5(b)相连接；6和12分别为高压油路上的高压蓄能器和低压油路上的低压蓄能器；7为液压泵/马达，位于高压油路5(a)和低压油路5(b)之间，其机械输出端通过传动轴与行星汇流排15连接。发动机曲轴端13通过传动轴与行星汇流排15连接，两者之间的传动轴安装一个离合器14。行星汇流排15输出端通过传动轴和离合器16与车辆后桥连接。20为前轮高压单向阀，与高压油路和前轮液压泵/马达21 ;22为前轮制动能回收电磁阀，连接前轮液压泵/马达21和低压油路；前轮液压泵/马达21的机械输出端与前轮车桥相连。前轮高压单向阀20作用是阻挡高压油路的油流向前轮液压泵/马达21，即保证此整车系统为后轮驱动，同时能使制动时候回收的液压能可以流向高压油路，从而进入高压蓄能器6进行储能；若去掉前轮高压单向阀20，并对系统做适当的改变，则此整车系统为四轮驱动系统。
I)发动机起动时。当发动机初始起动时，利用发动机所带的常规起动系统进行启动利用需电器的能量将起动电机接通，起动发动机。其动力能量传输如图四所示，此时离合器114和离合器216闭合，控制接通油缸开关电磁阀10闭合。2)液压柱塞储能作时。液压柱塞储能作是否储能与高压蓄能器6中的液压能量相关，当高压蓄能器6中的压力低于设定值时，控制接通低压油路开关电磁阀9闭合，控制接通油缸开关电磁阀10断开，前轮制动能回收开关电磁铁22断开，液压柱塞为高压蓄能器6补充高压液压油，保证高压蓄能器6中维持设定液压压力；当液压蓄能器6能量足够时，控制接通低压油路开关电磁阀9断开，控制接通油缸开关电磁阀10闭合，前轮制动能回收开关电磁阀22断开，液压柱塞停止为高压蓄能器储能。液压柱塞储能作时能量走向如图五所示，单向阀5打开，单向阀18断开，液压油被柱塞压入高压油路，液压油进入高压蓄能器。3)车辆正常行驶时。当车辆正常行驶时，系统是否只输出机械或者液压能或者二者兼有，取决车辆行驶的要求；在设计中，分别有节能模式和动力模式。中央控制系统会根据所需要的模式，决定并采取机械能和液压能分配比例，以达到目的。车辆正常行驶时整车能量流向如图六所示，机械能直接由发动机曲轴13输出；单向阀5和18均闭合，液压能则由高压蓄能器6提供，发动机柱塞不断补给液压能。离合器23、14和15均闭合，高压油通过液压泵7将液压能转换为机械能，这部分机械能与曲轴的机械能在行星汇流排15汇合，并传到驱动桥上。4)制动能回收时。当车辆减速制动时，离合器A14断开，离合器B16闭合，控制接通油缸开关电磁阀10和前轮制动能回收开关电磁铁22闭合，发动机19处于怠速状态。制动能收获时的整车能量流向如图七所示，旋转车轮的惯性带液压泵7和21转动，将低压蓄能器12中的油液吸入到液压泵7，即液压泵/马达中，并将高压油液输出到高压蓄能器6，实现刹车能量回收。5)怠速停车时。车辆遇到需要短暂停车时，怠速停车时的整车能量流向如图8所示，将发动机19熄灭，车辆辅助系统切换到液压驱动方式，即通过液压马达7输出动力通过皮带驱动空压机等装置，保证发动机停止工作期间车辆辅助系统能够正常工作。图中24为辅助系统，如空调压缩机等。此状态下，离合器A23断开，液压马达7输出的能量用于驱动辅助系统24。6)当车辆需要再次起动时。当车辆需要再次起动时，即司机给出启动指令后，整车能量流向如图9所示；这时液压泵/马达7被调整为液压马达工况，高压蓄能器6中的高压油驱动液压马达旋转。这部分旋转能量由行星齿轮系15分为两部分，一部分通过后桥传到驱动轮上，使车辆起步并加速；另一部分通过离合器A14和曲轴13将扭矩传至发动机19，拖动发动机19高速起动，使发动机19快速进入工作状态。
综上所述，本发明的基于双动力输出的机液混合动力系统，利用该发动机可通过曲轴输出机械能，同时该发动机通过摇臂将机械能转化为液压能输出，从而实现机械能和液压能双动力输出的特点，构成机-液混合动力系统；另外一方面，该系统中采用液压蓄能技术可回收制动能，减少系统能量损失。该发明专利同时具有机械输出和液压输出的优点，结合车辆的行驶工况要求，可通过匹配液压输出功率和机械输出功率达到优化发动机循环工况的目的，提高发动机的经济性和排放特性。根据具体情况，也可将液压能转换为机械能输出。此系统优化了发动机和传动系统的能量传输形式，实现了动力传动装置的柔性调节，进一步提高了动力系统功率密度。实现了高度柔性布置，有效利用空间；通过采用蓄能技术，使小功率发动机满足较高功率车辆的动力需求。利用该发动机可实现机械能同时输出且可以再输出机械能与液压能之间相互转换和调节的功能，以此作为车辆动力系统，实现机-液混合动力驱动概念。且有小体积、低重量、高功率等优点，本发面专利通过对机-液混合驱动系统的总体布置，结合车辆行驶工况对发动机的机械输出功率与液压输出功率之间的功率匹配，优化发动机的循环工况，达到优化发动机经济性、排放特性的目的。结合不同的传动系统的型式、结构，将非常规发动机、液压系统、综合控制有机结合，提高系统的综合效率。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的 保护范围当中。
权利要求
1.一种基于机-液双动力输出发动机的机液混合动力系统，其特征在于， 包括机-液双动力输出发动机、液压柱塞模块、液压能量模、机械能量模块，以及功率汇流模块；其中， 所述液压能量模块包括液压泵/马达(7)、高压油路(5 (a))、低压油路(5 (b))、低压蓄能器(12)和高压蓄能器(6)，所述机械能量模块包括行星齿轮系(15);所述高压蓄能器(6)和所述低压蓄能器(12)分别通过所述高压油路(5 (a))和所述低压油路(5 (b))与所述液压泵/马达(7)相连，所述液压泵/马达(7)还与所述行星齿轮系(15)的第一输入端相连。
2.根据权利要求I所述的动力系统，其特征在于， 所述发动机(I)包括摇臂，所述液压柱塞模块、液压柱塞(2 )和液压柱塞缸(3 ); 所述液压柱塞(2)包括上端点和下端点，所述上端点与所述摇臂以球铰形式相连，所述下端点中心点位于所述液压柱塞缸(3)的轴线上，并能沿轴线做往复运动；所述液压柱塞缸(3)固定于发动机机体上。
3.根据权利要求2所述的动力系统，其特征在于， 所述液压能量模块还包括单向压缩阀(4)、单向吸入阀(8)、电磁阀(9)、低压油缸(11)和电磁阀(10)； 所述电磁阀(9)设置于所述低压蓄能器(12)与低压油路(5 (b))间，所述单向压缩阀(4)设置于所述A 口和高压油路(5 (a))之间，所述单向吸入阀(8)设置于所述B 口与低压油路之间，所述电磁阀(10)设置于所述B 口与所述低压油缸(11)之间； 所述液压柱塞缸(3)包括A 口和B 口，A 口通过液压油管与所述高压油路(5 (a))接通，B 口通过液压油管与所述低压油路(5 (b))和所述低压油缸(11)接通。
4.根据权利要求3所述的动力系统，其特征在于， 所述机械能量模块还包括发动机曲轴输出端(13)、离合器A (14)、离合器B (16)、驱动桥(17)和从动轮(18)； 行星齿轮系(15)包括变速箱、汇流机构、第二机械输入端和机械输出端，第二机械输入端通过机械传动轴与曲轴输出端(13)相连，所述离合器(14)设置于所述曲轴输出端(13)和所述行星齿轮系(15)之间的传动轴上，所述机械输出端通过机械传动轴与所述后驱动桥(17)相连，所述离合器(17)设置于两者之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于机-液双动力输出发动机的机液混合动力系统，包括机-液双动力输出发动机，将发动机机械能转换成液压能的动力装置液压柱塞模块，产生高压液压能、释放和贮存液压能的液压能量贮存模块，以及将由机-液双动力输出发动机液压能和机械能进行合理匹配和汇流的功率汇流模块；其中，液压能量贮存模块包括液压泵/马达和液压蓄能器，当为车辆提供机械功率时，液压泵/马达为液压马达工作模式，将经由液压柱塞模块转换而来的液压能通过液压泵/马达提供给车辆；当回收车辆制动能量时，液压泵/马达为液压泵工作模式，将低压油加压后储存于高压蓄能器。该动力系统可以提供液压能和机械能两种动力。
文档编号B60K6/12GK102862468SQ20121038444
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者张付军, 赵振峰, 赵长禄, 郭顺宏, 董雪飞 申请人:北京理工大学