頻繁起停車輛剎車能量再利用系統研究*

姜忠愛，牛春亮，李秀辰

(大連海洋大學 機械與動力工程學院，遼寧 大連 116023)

0 引言

隨著經濟與城市化進程的發展，城市車輛的保有量飛速增長。以柴油機或汽油機為動力的客運車輛，特別是城市公交車處于頻繁剎車及起步的工作狀態，在起步過程中，由于內燃機進氣效果欠佳、啟動扭矩大等特點，油料消耗大且燃油燃燒不充分，造成城市空氣環境污染。針對這一情況，結合相關研究成果，設計了一套能夠在公交車進站前將車輛的慣性能轉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，達到節能減排、減少浪費的目的。

目前車輛慣性能存儲再利用方面主要有液壓蓄能器、電池儲能、超導儲能、超級電容儲能、飛輪儲能等幾種形式[1]，液壓蓄能器儲能以功率密度大、成本低、壽命長等優點被作為首選儲能方式[2]。早在20世紀80年代末,瑞典Volvo汽車公司就展開了串聯式液壓節能驅動系統研究，由于當時液壓技術水平較低,因而該技術應用具有局限性，后來日本著名學者Hiroshi Nakazawa、Yasuo Kita等開始研究定壓源液壓驅動系統,并取得了較大進展。國內對此方面的研究從2003年開始起步，北京理工大學苑士華、西南交通大學萬里翔、南京理工大學的韓文等人均進行了相關基礎性研究[3-5]。本研究旨在基于前人的研究成果，從特定公交車實際工作出發，設計一種能夠將公交汽車的慣性能轉化為液壓蓄能器的壓縮能的裝置并實現能量再利用，經過詳盡的計算與校核，對系統的元器件選型、能實現的剎車距離、助力效果能方面進行了定量分析，充分驗證了系統的可行性和實用性。

1 系統總體設計

剎車蓄能器的設計思路是：當公交車在進站前減速開始時,液壓系統啟動工作，通過車輛后橋轉軸帶動液壓泵,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，即實現將動能轉化為壓力能儲存起來，液壓泵泵油的動力來自于變速箱的二軸，產生反作用力會降低后橋傳動軸轉速，從而實現車輛減速，等效于實現剎車；當車輛起步開始時,蓄能器中的高壓油液經過換向閥驅動液壓馬達,再通過傳動機構將扭矩傳遞給變速箱二軸,實現輔助車輛啟動加速，從而減少發動機啟動負載，減少油量消耗，達到省油的目的。其系統結構簡圖如圖1所示。

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

2 系統主要零部件設計與選型

本文根據實際應用需求，進行了動力傳輸部分設計、液壓系統設計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，氣囊式蓄能器相對于重力式和彈簧式蓄能器，具有工作壓力大、單位體積存儲能力大等特點[6]，根據實際應用特點，該系統采用氣囊式蓄能器，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，現計算蓄能器容積。

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

V2=0.82V0.

(1)

(2)

將式(1)和相關參數代入式(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能值與公交車慣性能之間的關系。首先核算公交車進站前總動能E2：

(4)

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

考慮公交車進站過程中空氣阻力、自身機械摩擦阻力及路面阻力等綜合固定消耗，根據文獻資料，該部分消耗約為整車動能的20%，則要保證蓄能器最大限度地存儲汽車的動能，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為NXQ-60/31.5-L(F)-Y，系統配合的溢流閥為DBD型直動式溢流閥，并設定系統溢流閥開啟壓力為28 MPa，系統實際最高壓力為26.25 MPa。

2.2 傳動系統設計

根據系統需求，選用齒輪液壓泵3APF51F11。根據所選的液壓元件和該車的動能進行理論分析，保證公交車既定距離內完成減速進站，需計算確定系統機械結構傳動比N1：

(6)

其中：ΔV為蓄能器內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為后橋差速器傳動比，取值4∶1；S為蓄能器實現的剎車距離，取值30 m。

通過式(6)確定傳動系統的傳動比為N1=14，研究采用齒輪傳動方式實現動力的傳遞，配合相應的離合器實現動力的連接與切斷。

經過上述研究與計算，實現公交車在30 m距離內通過蓄能器儲能將車速從8.33 m/s降低至2.78 m/s，之后將通過傳統的剎車系統，將公交車停靠進站。這一過程完全符合實際公交車運行要求，系統存儲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的液壓油推動液壓馬達旋轉，馬達通過齒輪旋轉帶動二軸旋轉輔助車輛起步，在起步初期能夠提供的扭矩為[7]：

式中：P為系統實際最高壓力，取值26.25 MPa；V為液壓馬達排量，取值為51 mL/r。經計算可得扭矩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%，這個比例將大大減少發動機的啟動負載，減少車輛起動加速時間，對車輛減少油耗、節能減排起到顯著作用。

3 結論與建議

本文主要介紹了一種將車輛慣性能轉換為壓力能，并將此能量用于輔助車輛起步的液壓系統，該系統結構簡單、工作可靠，適應當前節能環保發展理念，對減少車輛油量消耗，特別是車輛起步階段油量消耗大且燃料燃燒不充分對環境造成的污染起到顯著的改善作用。

研究從理論層面上進行了相關機械結構和液壓系統的設計與校核，充分證明了系統工作的可靠性與實用性，為后續實物產品設計奠定了理論基礎，是一項富有應用價值和社會影響力的創新型的研究。

參考文獻：

[1] 李欣,王佳.節能汽車制動能量回收與再利用[J].機械設計與制造，2016(4):91-93,97.

[2] 管志宏.公交汽車節能環保驅動技術的研究[D].成都：西南交通大學,2003:9-10.

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

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

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

[6] 機械設計手冊編委會.液壓傳動與控制[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7] 毛謙德，李振清.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.