汽车转化储能应用新装置

本发明属于汽车制造领域，主要是指汽车能量充分利用和安全 保障方面的储能应用新装置。

在汽车运输方面长期以来有一种要求，即如何充分转化储存利 用浪费能量，在汽车的耗油量得到大力降低的同时，其运输经济性、 安全性、动力性同步得到大力加强和改善。

在现代汽车上已有此发明的启蒙式，如所有汽车上的电气设备、 大型汽车上的压缩空气机构、发动排气制动和压缩制动装置等，虽 然这些机构和装置可以转化储存供应一些设备所需的能量或达到安 全制动、限速的目的，但它们都没有合理地将汽车上应该转化储存 的能量——空闲发动机能量(见注释<1>)、制动抵消的位能(见注释 <2>)和动能(见注释<3>)进行充分转化储存再利用，相反地增大了 发动机自身运转负荷，增大了耗油量并加速了发动机和刹车机件磨 损。现代汽车上的发电机和大型汽车上的空压机、转向油泵等都是 通过发动机前端曲轴传动的，在发动机上不存在压缩空气起动装置 和压缩空气进气增压装置，离合器和变速器是直接连接的，中间不 存在储能取力器，在变速器的前后不存在牵引助力装置，在汽车前 部和中部也不存在储能发电机和储能压缩机，等等。现代汽车这种 固有的一般结构关于能量充分利用和安全合理结构方面是不合理的， 汽车必须设置本发明中的储能机构和应用储能机构。

本发明所提供的机构组成可以克服上述固有方式的不足之处， 使空闲发动机能量和制动过程中抵消的动能和位能(主要是位能)充 分储存备用，并通过储能牵阻进行制动限速，达到经济行车和安全 行车的双重目地，还可以利用储存能量帮助或代替发动机进行牵引 工作或其它工作。

本发明装置与现有汽车共有的必要技术特征是：本新装置是必 须通过动力传动，才能进行转化储能应用，所转化储存的能量根源 是发动机能量，这是因为动能和位能归根结底是由发动机能量转化 的。本发明装置是为节能降耗，保障运行安全的目的而设计的。

本发明中的储能应用设计方法有两种。一种是发电储能应用方 法，即通过储能取力器将储能动力充分取得，传动电源发电机(见注 释<4>)和储能发电机(见注释<5>)运转(或只传动储能发电机运转)， 将应该进行转化储存的机械能(空闲发动机能量、制动抵消的位能 和动能)充分转化成电能；将电源发电机发出的电能供用电设备需要， 并将多余的电能向电源蓄电池(见注释<6>)充电，转化成化学能储 存起来备用，以补充电源蓄电池放电时的消耗；储能发电机将发出 的电能全部向储能电池组(见注释<7>)充电，转化成化学能储存起来 备用，以补充储能蓄电池放电时的消耗(取消了原汽车结构中的电 源发电时，也可利用一少部分电能供应用电设备)；电源蓄电池的电 应用于向备用电设备供电，如启动发动机、点火、照明等；储能电 池组的电主要应用于向助力电机(见注释<8>)供电，进行牵引助力 工作，其次是在电源发电机和电源蓄电池出现特殊故障时(如电源 发电机发电弱或不发电，电源蓄电池存电不足等)，或取消了原结构 中的电源发电机和电源蓄电池时，向用电设备供电。以上这种储能 应用方法一般应用于满载总重量在4吨以下的中小型汽车(不绝对)。 另一种是发电气压综合储能应用方法，即除上述发电储能应用方法 外，还可通过储能取力器将储能动力充分取得，传动储能压缩机(见 注释<9>)运转，将应该进行转化贮存的机械能充分转化成气压能， 通过储能贮气机构贮气，贮存的气压能一部分供应制动、起动、气 喇叭等用气设备用气，大部分供应气压牵引助力器用气，进行牵引 助力工作，并在柴油车上设计出对气压牵引助力器的排气进行再利 用的压缩空气进行增压装置。以上这种方法多应用于总重量在4吨 以上的大中型汽车(不绝对)。两种储能应用方法不仅在汽车上可以 设计，在其它运输工具上同样可以设计。

因此，按照汽车储能量(见注释<10>)大小，本发明装置组成情 况可分为两种。1、在中小型汽车上(满载总重量在4吨以下的汽车) 一般由储能取力器、发电储能机构、应用储电机构三部分组成。2、 在大中型汽车上(满载总重量在4吨以上的汽车)一般由储能取力器、 发电储能机构、气压储能机构、应用储电机构、应用储气机构五部 分组成。(注：以上大小车型界线情况不是绝对的)

不管组成情况如何，与现有汽车上的所有做功传动装置一样， 各储能装置都要通过汽车传动机构传动，各应用储能装置主要对传 动件做功，转化储能离不开发电或压气，应用储能离不开用电或用 气，转化储能新装置中就离不开发电机或压缩机，应用储能装置就 离不开电动机或气体做功装置。

下面根据对汽车储能应用设计情况对本发明进行分组介绍说明。

一、取力传动组

取力传动组有储能取力器和储能传动机构。储能取力器设置在 发动机离合器(以后皆称主离合器，见注释<11>)和变速器之间，通 过螺栓螺母与主离合器和变速器连接固定，其主要由储能取力齿轮 箱(简称储能取力箱)、储能离合器(以后简称副离合器，见注释 <12>)、储能操纵机构三部分组成(也可以由液力偶合件组成)；储 能齿轮箱安装在主副离合器之间，通过螺栓螺母固定在发动机飞轮 壳后端，由壳体及各轴、轴承、齿轮等组成；储能离合器设置在储 能齿轮箱和变速器之间，通过螺栓螺母固定在储能齿轮箱后端，其 结构基本上与汽车上通用的主离合器相同，变速器通过螺栓螺母固 定于其壳体后端；储能取力操纵机构主要是指操纵杆及相应联动件 和副离合器踏板及相应联动件，储能操作杆一般有两根，设置在驾 驶室中适当位置，副离合器踏板设置在驾驶中主离合踏板的左上方， 通过驾驶员左脚操作。储能取力器即可以将发动机的动力有效地取 得传递给变速器进行牵引传动或传递给储能机构进行储能传动，也 可以将汽车本身运动动力(位能、动能产生的反传动力)有效地取得 传递给储能机构进行储能传动。在未进行储能的牵引工作中，发动 机动力的传动效率基本上不受影响，即与未安装储能取力器时一样。 储能传动机构是储能取力器与储能发电机或储能压缩机之间的动力 传递机构，一般由万向传动轴和连接突缘或万向接盘等组成。在储 能行驶过程中，通过换档储能或变压储能，或与发动机进行联合牵 阻，能调控速度，达到安全制动效果，进行经济行车和安全行车。

二、储能组

储能组包括发电储能机构和气压储能机构。发电储能机构由电 源发电机、电源储电池、储能发电机、储能蓄电池等组成，其中电 源发电机和储能发电机的传动方式，以及储能发电机和储能电池组 的增设情况及其发电量、容电量等技术参数的确定属于本发明的新 颖范畴，其它结构构造方面不属于本发明的范畴。即：在本发明中， 电源发电机以及部分汽率上的转向油泵、真空助力泵等都是通过储 能取力器取力传动的，这样便于节油、储能，并不是象以前安装在 发动机上传动，增加发动机自身负荷，且不便在运行中停机节能； 从前在汽车上根本不存在储能发电机和储能电池组，而汽车上运用 中确实存在大量浪费能量需要进行转化储存再利用，这就必须设置 储能发电机和储能电池组。储能发电机通过储能取力器取力传动， 将应该进行转化储存的机械能(空闲发动机能量、制动抵消的位能 和动能)充分转化成电能，电能由导线导入储能电池组，转化成化 学能储存起来(充电)；储能发电机与电源发电机的主要区别是发电 功率的不同，即在同一辆车上，储能发电机的发电功率比电源发电 机功率要大得多；电源发电机一般将外壳通过螺栓螺母(或螺钉)固 定在储能取力器壳体上适当位置，通过花键套合传动；储能发电机 一般被固定在车架上适当位置，与储能取力器通过万向轴连接传动 或通过万向接盘连接传动，在汽车上的安装位置情况分为前置和后 置，即将储能发电机安装在汽车前部，与发动机并列的位置上为前 置；将储能发电机安装在汽车中后部与变速器、传动轴并列的位置 上为后置，不管是前置还是后置，储能发电机一般不能与发动机排 气管同边，一般在汽车传动中心线左边(发动机排气管左置情况例 外)；储能发电机可以是交流发电机，也可以是直流发电机，输出 电压一般在24伏以上，功率一般在1000瓦以上，额定电流一般高于 40安。在同一辆汽车上，储能电池组的容量比电源蓄电池的容量大； 储能电池组一般由多个12伏的起动用铅蓄电池通过串、并联组成； 12伏蓄电池的个数一般为偶数，多少由具体车型而定，它们的连接 方法是：先将每两个12伏电池并联后，再进行串联，使总电池组的 电压始终为24伏。通过合理地设计，在部分汽车上可以取消原汽车 结构中的电源发电机和电源蓄电池，而将储能发电机和储能蓄电池 作为汽车电气设备中的电源，在进行电路设计时，要保证用电电压 (24伏的起动电机除外、助力电机除外)为12伏，用电电流不能超过 各电器设备中的额定电流。

气压储能机构由储能压缩机和储能贮气机构组成。储能压缩机 是大中型汽车上进行储能工作和牵阻工作的主要执行机件之一，是 根据汽车本身提供的技术参数确定出被传动扭矩、吸气量、终压、 功率等后设制的，与储能发电机一样，在汽车上的安装位置情况分 为有前置和后置，即将压缩机安装在发动机并列的位置上为前置， 将压缩机安装在与变速器、传动轴等并列的位置上为后置，不管是 前置还是后置，储能压缩机都不能与发动机排气管同边，一般在汽 车的传动中心线左边(发动排气管左置例外)。储能压缩机前置时， 与发动机即可分开设制，也可制成一体并能与发动机共用冷却系，对 发动机进行传动保温。储能压缩机的型式一般为多缸、多级、往复、 水冷式空气压缩机，它能将汽车上应该进行储存再利用的机械能尽 量充分地转化成压缩空气的气压能以便储存备用。储能贮气机构是 根据汽车本身所提供的一些技术参数确定出终压和最大贮存容量后 设置的，它主要由输气管道、贮气筒以及对压缩空气进行降温、油 水分离、检测、调控等机件组成，它能将储能压缩机排出的压缩空 气进行安全合理地应变贮存备用，它的主要存气机件是高压贮气筒， 大、中型汽车上还设置有低压贮气筒，低压贮气筒的压缩空气是由 高压贮气筒补充的，高压贮气筒一般以儿个整体式设置在汽车车架 上，并平分为若干个贮气室，每个贮气室都设有贮气电磁阀和用气 电磁阀，并都分别对应有一个压力表和一个电磁阀开关，压力表和 电磁阀开关都集中安装在一个压力表盘上，压力表盘设置在驾驶室 仪表台上，一般在方向盘右边便于观察和操作的位置，高压压力表 对应的电磁阀开关即可以选择贮气也可以选择用气，为三档二用开 关。

三、应用储能组

应用储能组有应用储电机构和应用储气机构，应用储电机构中 储电牵引助力装置属于本发明，其它不属于本发明范畴，应用储气 机构中高压(压力在10kgf/cm2以上)用气属于本发明范畴，低压(压 力在10kgf/cm2以下)用气不属于本发明范畴。储能电池组的电主 要应用于牵引助力，其次是电气设备中的电源部分出现故障时或电 力不足时，或取消了原结构中的电源发电机和电源蓄电池时，充作 电源向用电设备供电。储电牵引助力装置由助力电机、助力总开关、 助力按钮、助力驱动齿轮、助力从动齿轮等组成。助力电机安装在 副离合器壳上适当位置，其主要机件基本上和起动机相似，它与起 动机的主要区别是：助力电机能较长时间地运转做功，而起动电机 不能长时间运转做功。助力电机的具体技术数据和技术参数由具体 车型而定；助力总开关与助力按钮都安装在驾驶室中，结构与起动 开关、起动按钮相同，助力按钮可以安置在加速踏板附近某一位置， 便于与加速踏板一起操作。驱动齿轮安装在助力电机转子轴的一端， 助力从动齿轮安置在副离合器飞轮上，驱动齿轮与从动齿轮的啮合 方式也可与起动啮合一样进行电磁操作强制啮合。电动牵引助力装 置不仅可以对汽车进行牵引助力，还可以在发动机上的电起动装置 工作不良或不能工作时，作为起动装置使用。高压用气机构有气压 牵引助力装置、气压起动装置、压缩空气进气增压装置、气压倾卸 装置等，这些装置都由供气件和执行件组成，供气件是共同的，执 行件是分开独立的。供气件又由操作件和输气件组成，操作件有电 磁阀开关和输气踏板，电磁阀开关设置在驾驶室仪表台上的压力表 盘上，通过操作，可使相应的电磁阀打开，再通过踩踏输气踏板， 就可以向指定的执行件供气，使执行件工作，并可灵活控制输气量， 以应变各种情况。输气踏板又称为副加速踏板，可以在进行气压起 动和辅助牵引或自卸时，对发动机和汽车进行副加速，它一般安装在 主加速踏板(油门踏板)的右边并列位置上，通过驾驶员的右脚可 以对主、副加速踏板进行双踏和单踏。输气件包括：用气电磁阀、 用气管道、输气阀、增气阀(也可没有)、电磁分路阀等，用气电 磁阀安装在高压贮气筒各贮气室上，由对应的压力表下方的开关控 制。在使用高压气时，高压贮气筒内的压缩空气依次经用气电磁阀、 输气阀、用气总管道、增气阀、电磁分路阀、分路管道进入指定的 执行件做功，并可通过控制输气踏板的行程控制输气阀的阀门开度， 根据情况需要，向执行件供应不同量的压缩空气。从用气电磁阀起 到各执行件之间都是通过管道相连接的。气压牵引装置助力是高压 用气设备中的主要用气装置，它的执行件是气压牵引助力器，其安 装在变速器的后端，可以在发动机负荷较大或贮气能量很大的运行 情况下，通过利用高压空气对传动件做功产生辅助牵引力，以降低 发动机使用负荷或代替发动机进行牵引工作，使储存能量得到充分 利用，达到节约燃油、降低发动机负荷、提高车速等目的。气压起 动装置分为机内起动装置和机外起动装置，机内起动装置只适用于 缸径在135mm以上的大型柴油发动机，在汽车上比较少见，机外起 动装置可适用于各型汽车发动机，它的执行件设置在发动机的飞轮 与飞轮壳上，这种起动装置可以作为发动机的备用起动装置和辅助 起动装置，即在电起动装置产生故障而不能工作时，它就可以作为备 用起动装置工作，在电起动装置工作不良或其它原因造成的发动机 不易起动时，它也可以作为辅助起动装置与电起动装置一起进行起 动工作。压缩空气进气增压装置是对辅助牵引装置和压缩空气机外 起动装置的排气进行再利用的装置，它只适用于柴油发动机，它能 使气压牵引助力装置和压缩空气机外起动装置的排气得到再利用， 减少能量浪费、消除排气噪音，并通过排出的压缩空气对柴油发动 机进行增压，使柴油发动机更易起动，改善柴油发动机工作时的动 力性、经济性和排烟度，这是一种能量反馈方式，这种装置一般设 置在柴油发动的进气管上(对于汽油车上的气压牵引助力装置排气 可以再利用起来进行降温调节工作，以达到上述部分类似目的。)。 气压倾卸装置是对于倾卸汽车设置的，它的执行件是高压气顶，通 过利用高压空气，高压气顶可以顶起车箱进行自卸工作，这种装置 对于倾卸汽车从一定程度上简化了结构。

对于以上发明中的具体装置，我将会在以后的专利申请中作更 详细地介绍说明。

本发明的优点是：

1、改空闲发动机能量、制动抵消的位能和动能白白浪费情况 为能够转化储存再利用情况，达到节油、降耗、减轻机件磨损等经 济性目的；

2、改制动消能为制动储能，主要将下坡运行中的大量位能转 化储存备用，既经济又安全，预计山区汽车节油达20％～50％；

3、改附设传动件(发电机、打气泵、转向油泵等)由发动机传 动为被迁移到储能取力器上传动，能降低发动机自身运转负荷，便 于节油储能，且传动效果好，出故障少；

4、改下坡运行时发动机不能停机白白消耗燃油浪费能量情况 为能停机节油或有效运转储能情况，以节约燃油、减少机件磨损、 改善经济性；

5、改下坡运行中固有的发动机牵阻、刹车制动方法为储能牵 阻方法或综合储能制动方法，既能转化储存能量又能减少刹车使用 情况，减轻刹车负荷、减少刹车件磨损、预防并保险刹车失灵情况， 从而使汽车的运行经济性、安全性同步得到大力加强和改善，预计 山区交通事故发生率下降15％～20％；

6、改无辅助牵引装置为有辅助牵引装置，既能使储存能量得 到充分发挥有利作用，又能降低发动机使用负荷、节约燃油、延长 使用寿命，并增大汽车牵引力，加强汽车的动力性，提高汽车平均 运行速度，缩短运输工作时间，解决上坡起步难、爬坡难等问题；

7、改无副起动装置为有副起动装置，解决一些起动难问题；

8、改柴油发动机上无压缩空气增压装置为有压缩空气增压装 置，使柴油车在进行气压辅助牵引时(主要是爬坡)一同改善柴油发 动机的动能性、经济性和排烟度；

9、改电器设备中无备用电源为有备用电源，实行电源故障自 救；

10、改不经济性结构为经济结构，取消山区汽车副加的大水箱 结构；取消部分汽车上的原装压缩机、发动机排气制动和压缩制动 结构；取消原结构中的电源发电机和电源蓄电池，以储能发电机和 储能电池组作为电源；缩小部分汽车上低压贮气筒灌注容量等，使 各型汽车的自重和各机件的灌注容量更趋合理。

注释：

<1>空闲发动机能量——发动机在无负荷时输出的能量和负荷 较小时输出的多余能量。

<2>位能——也叫做重力势能，即汽车在运行中与相对位置高 度有关的能，位置高度指相对海拔高度差。汽车的位能等于汽车所 受重力跟相对位置高度乘积，它是汽车上的主要储源(储存能量的 来源)

<3>动能——汽车由于运动而具有的与速度有关的能，其大小 等于汽车总擀量跟速度平方乘积的一半。

<4>电源发电机——汽车用电设备中，原配作为电源的发电机。

<5>储能发电机——汽车上增设的专门进行储能的发电机。

<6>电源蓄电池——汽车电器设备中，原配作为电源的蓄电池。

<7>储能电池组——汽车上增设的专门进行储能的蓄电池组。

<8>助力电机——设计在储能取力器上，由储能电池组供电运 转，主要进行牵引助力工作，其次是备用起动。

<9>储能压缩机——汽车上增设的专门进行储能工作和储能牵 阻工作的压缩机。其功率比现代汽车上安装的压缩机大得多。

<10>储能量——汽车在运输工作中，段时间或段路程(坡道)内 应该进行转化储存备用的能量多少。

<11>主离合器——装配在发动机后而的离合器，相应踏板称为 主离合器踏板。

<12>副离合器——增设在储能取力箱和变速箱之间，方便储能 取力传动的离合器。相应踏板称为副离合器踏板。

本发明中储能压缩机设置的位置情况有两种，即前置式和后置 式，其中前置式在现阶段可供参考，作为以后的一种技术发展倾向， 为适应汽车制造工业技术从旧到新缓慢过渡的情况，各个汽车生产 厂家可以先选择后置式进行构造。

下面根据附图对本发明作进一步介绍说明。

图1储能压缩机前置、储能发电机后置的储能应用新装置设计 示意图

图2储能发电机前置、储能压缩机后置的储能应用新装置设计 示意图

图3高压用气机构设计示意图

图1中各编号名称为：电源蓄电池1、高压贮气筒2、高压供气机 构3、助力电机4、压缩空气进气增压装置5(只适用于柴油发动机)、 气压机内起动装置6(只适用于一些大型柴油发动机)、发动机7、主 离合器8(内可设有气压机外起动装置)、储能取力箱9、副离合器 10、变速器11、气压牵引助力器12、中央制动器13(大中型汽车上 有)、气压顶14(倾卸汽车上设)、低压贮气筒15(大中型汽车上设)、 各低压用气机构16(大中型汽车上设)、储能发电机17、电源发电机 18、转向油泵19(一些大型汽车上装有)、储能压缩机20。图中1、7、 11、13、15、16不属于本发明范畴，18、19的传动方式属于本发明 范畴，其它不属于本发明范畴，8中的压缩空气起动装置属于本发明 范畴，其它不属于本发明范畴。

图2中各编号名称均与图1相同，只是储能压缩机22的设置位置 不同。

图3中编号23以前的编号名称均与图1相同，以后的编号名称为： 输气踏板23(或叫附加速踏板)、输气阀24、增气阀25(也可不设)、 电磁分路阀26、用气电磁阀27、电磁阀电线索28、电磁分路阀开关 29(四档三用开关)、低压压力表30、高压压力表31、气压顶排气开 关32、低压充气开关33、高压贮气开关34、压力表盘35、压力表管 36。

参见图1，这是一种储能压缩机前置、储能发电机后置的汽车储 能应用新装置设计示意图，这种设计方法将储能压缩机20设置在汽 车前部，与发动机7并列的左侧位置上，压缩机20即可分开设制，也 可以与发动机7制成一体，注意压缩机20不能与发动机7的排气管同 边，在进行储能传动时，从储能取力器起，动力是从后向前传递的。 这种方式虽然有利于储能压缩机的检修、吸气、冷却降温等，并便 于压缩机20与发动机7共用冷却系、润滑系和相互传热，使机体结 构整体化，但这种方式对汽车改进程度较大。因此，这种设计方式 在现阶段可供参考，作为以后的储能技术发展倾向。

参见图2，这是一种储能发电机前置、储能压缩机后置的汽车储 能应用新装置的设计示意图，将储能压缩机20设置在汽车中部与变 速器11、气压牵引助力器12、传动轴等构成的传动机构左侧并列位 置上，在进行储能传动时，从储能取力箱9起，动力是从前向后传递 的。这种设计方式能使汽车结构松散，也简化了汽车的改装程度， 但是没有前置式那样的优点。为适用汽车构造从旧到新缓步过渡， 各个汽车生产厂家可以先选择这种方式进行设计构造。

在中小型汽车上，一般只设计图1、图2、图3中的助力电机4、 储能取力箱9、副离合器10、储能发电机17、储能传动装置21、储 能电池组22，电源发电机18通过储能取力器取力传动，一般不设计 气压储能机构及用气机构，也可以通过合理设计后，取消电源发电 机18和电源蓄电池1。

在大中型汽车上一般在设计了上述中小型汽车上的储电应用新 装置和电源发电机传动情况外，还应增设储能压缩机20、高压贮气 简2、低压储气筒15、高压供气机构3(包括23、24、25、26、27、 29、31、34、85等)、气压牵引助力器12、低压用气机构16等，在 部分大型汽车上设计的转向油泵，由储能取力器传动；柴油发动机 上设计压缩空气进气增压装置5，所用气源主要是气压牵引助力器 12工作时的排气；部分汽车上可以设计气压机外起动装置(8内)； 部分特大型柴油发动机上可以设计气压机内起动装置6，倾卸汽车 上可以设计气压倾卸装置14。在部分汽车上同样可以如上取消电源 发电机18和电源蓄电池1。