專利名稱：通過轉換傳統(tǒng)的ic發(fā)動機動力汽車而形成的混合動力汽車及其轉換方法
Mii轉槲專統(tǒng)的ic發(fā)動機動力^^而形成的混翰力^^及賺換力法 相關申請0001本申i青要求2005年9月23日提交的序號為ll/233，847的美國專利 申請的優(yōu)先權，該美國專利申請是2005年7月14日提交的序號為 11/181，318的美國專利申請的部分連續(xù)申請，序號為11/181,318的美國專 利申請要求2004年8月9日提交的序號為60/599，卯6、 2004年10月14日提交 的序號為60/618,881、 2004年11月10日提交的序號為60/626,556、 2004年 11月29日提交的序號為60/631,310、 2005年3月22日提交的序號為 60/664,043、 2005年3月22日提交的序號為60/664,052、 2005年3月22日提 交的序號為60/664，309和2005年4月15日提交的序號為60/671,567的美國 專利申請的優(yōu)先權。技術領域0002本發(fā)明涉及主要由內(nèi)燃機提供動力的機動車輛，且更具體地涉及通過下述步驟將這種汽車轉換成混合動力汽車的方法增加連接到傳動系統(tǒng)中的電動機/發(fā)電機從而在再生制動或反饋制動期間提供驅動力和 除去動力來為汽車電池再充電，并且增加由來自發(fā)動機的廢氣驅動的渦 輪機從而提供動力至向電驅動電動機和存儲系統(tǒng)提供電力的發(fā)電機。
背景技術：
0003公知地，利用內(nèi)燃機和電驅動電動機二者為汽車提供動力的混 合動力汽車在燃料節(jié)約、排放、汽車性能等方面提供了優(yōu)于由內(nèi)燃機單 獨提供動力的傳統(tǒng)汽車的重要優(yōu)點。0004混合動力汽車通常實現(xiàn)了燃料節(jié)約，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力汽車相 比，其做出了25-40%的改進。由于內(nèi)燃機將以更有效率的方式運行較長 一段時間，所以不期望排放的降低量很可能比燃料消耗中的降低量更多。 可能促使全球變暖的物質(zhì)的排放也將以類似量降低。0005然而，將仍然耐用的傳統(tǒng)汽車簡單地當作廢物丟棄或使其隱退 以利于新型混合動力汽車在經(jīng)濟上是不可靠的。美國有超過2億3千萬輛 汽車在行駛中，并且其平均剩余使用壽命估計有7-9年，而較新型的汽車 可能有12-14年的剩余使用壽命。隨著具有被驗證的最佳耐用性的汽車、 輕型卡車以每年超過9百萬輛的速率銷售，可預期到汽車報廢率將持續(xù)下 降。0006作為該問題部分解決方案的顯著優(yōu)點將通過用混合動力汽車替 換傳統(tǒng)的內(nèi)燃機動力汽車來實現(xiàn)，且只要一定百分比的新型汽車是混合 動力形式的則會實現(xiàn)相對慢的轉換，因而本發(fā)明針對將現(xiàn)有的傳統(tǒng)內(nèi)燃 動力汽車轉換為混合動力形式的方法。該轉換被設計成在轉換勞力和轉 換期間所增加的組件方面都是以最低成本相對容易地被實現(xiàn)的。通過使 用按照本發(fā)明所形成的方法和設備，從內(nèi)燃機動力汽車的現(xiàn)有庫存到更 有效率的混合動力形式的轉換比例將達到最大值。發(fā)明內(nèi)容0007本發(fā)明大致涉及將傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力汽車比如汽車、卡車或者用 于拖車的牽引車改型為混合動力形式的方法。這些汽車大致使用內(nèi)燃機通過傳動系統(tǒng)來驅動汽車的動力輪，傳動系統(tǒng)可以包括轉矩變換器、變 速器和/或差速器，以及由萬向接頭連接的一個或更多個驅動軸。這些元 件典型以串聯(lián)方式連接。本發(fā)明大致包括對這些元件中的一個的改進， 以便其執(zhí)行與未改進狀態(tài)中所執(zhí)行的相同的機械功能，且另外提供連接 器用于將電動機且優(yōu)選地是電動機/交流發(fā)電機連接到傳動系統(tǒng)中，以便 來自電動機的動力可以被添加到作用于輪子的驅動動力上，并且典型地 在減速和制動期間該動力可以被去除，以便產(chǎn)生電力用來為系統(tǒng)的電池 和/或電容器或其他電力存儲系統(tǒng)充電。電動機/發(fā)電機或者電動機/交流發(fā) 電機也將提供動力到能量存儲系統(tǒng)或從能量存儲系統(tǒng)提取動力，以便利 于內(nèi)燃機更加經(jīng)濟的運行。0008實現(xiàn)到混合驅動轉換的已選傳動系統(tǒng)元件的改進可以包括移除 元件中的一個元件，比如將變速器互連至差速器的驅動軸，其中分動器 提供了在傳動系統(tǒng)和可連接到電動機/發(fā)電機的副軸之間的齒輪連接。這實際包括以串聯(lián)的方式將分動器放入傳動系統(tǒng)中，以便分動器的輸入軸 以與被替換的驅動軸部件相同的方式接收動力并且通過分動器的輸出軸 輸出動力?？蛇x地，改進可以包括將如齒輪、滑輪、鏈輪等的驅動元件 連接到驅動軸部件，以便動力可以被引入到傳動系統(tǒng)以及從傳動系統(tǒng)除 去，或者具有從每端伸出的驅動軸的電動機/發(fā)電機可以以與被替換的驅 動軸部件相同的方式以串聯(lián)方式被放入傳動系統(tǒng)中。0009本發(fā)明的系統(tǒng)還包括一個或更多個由汽車排氣驅動的徑向燃氣 渦輪機和/或軸向燃氣渦輪機，并且這種渦輪機將驅動次級發(fā)電機和/或交 流發(fā)電機，來提供用于電力存儲系統(tǒng)的附加的充電動力?？蛇x地，由廢 氣燃氣渦輪機所產(chǎn)生的動力的一部分或全部可以被直接送往電力推進器 或輔助驅動電動機。渦輪增壓器典型地只在汽車需要更高動力以及發(fā)動 機需要更多空氣/氧氣以提供該動力的時候使用。如果提供過高的氣壓和 增壓(boost)，則發(fā)動機可能被毀壞，并且如果渦輪增壓器旋轉速度過 大，則其將自毀。當需要來自發(fā)動機的更高動力的時候，渦輪增壓器只 使用來自排氣的為燃氣渦輪機驅動空氣壓縮機或增壓器部件所需的動力 量，且這樣渦輪增壓器大多數(shù)時候只在部分動力輸出的情況下運行。一 個局限性在于當需要渦輪增壓器時，在其可以加速來提供需要的增壓之 前需要一定的時間。0010本發(fā)明通過與渦輪增壓器所用的徑向燃氣渦輪機類似的徑向燃 氣渦輪機，或者通過軸向燃氣渦輪機，優(yōu)選地為軸向多級燃氣輪機，提 供來自廢氣的動力的最大提取值?？蛇x地，兩個或更多個徑向渦輪機可 以被串聯(lián)使用，他們各自被制造成一定尺寸以便在其特定位置與廢氣的 溫度和流速相匹配。最靠近排氣總管的渦輪機將針對廢氣在該點的膨脹 進行設計，且下一個徑向渦輪機將與從第一渦輪機排出的氣體的較低溫 度和流速相匹配。這些渦輪機可以在最佳速度和動力輸出下運行，該速 度和動力輸出將由發(fā)電機負載控制。取決于燃氣渦輪機的大小和類型， 該系統(tǒng)在燃料節(jié)約方面可以提供附加的10-30%的改進，并相關地降低了在不期望的排放。0011在本發(fā)明可選實施方式中，不是替換傳動系統(tǒng)的組件以允許引 入和移除來自電動機/發(fā)電機的驅動動力，而是通過將驅動元件固定在驅動軸外部使得傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)得到改進，其中該驅動軸允許機械連接， 比如傳動齒輪、皮帶輪或者鏈輪，本發(fā)明的這個可選實施方式將在下面 本發(fā)明的詳細說明書中詳細討論。


0012通過下面本發(fā)明若干實施方式的詳細說明，本發(fā)明的其他目的、應用和優(yōu)點將顯而易見。說明書參考下列附圖0013圖l是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，被轉換為混合動力驅動并配 備有廢氣渦輪機的傳統(tǒng)內(nèi)燃機動力汽車的傳動系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
0014本發(fā)明的方法大致包括通過以下兩種手段中的任一手段來改進傳統(tǒng)汽車的一個傳動元件通過移除其中一個傳動系統(tǒng)元件并在傳動系統(tǒng)中放入一個改進的元件或者通過改進一個傳動系統(tǒng)元件，從而允許將 電動機且優(yōu)選為電動機/發(fā)電機機械連接到傳動系統(tǒng)中，以便它的機械動 力可以用于向汽車的輪子提供驅動力，并且在電動機/發(fā)電機的情況下， 動力可以從傳送系統(tǒng)除去從而驅動發(fā)電機并為汽車的電力存儲系統(tǒng)再充 電，并且附加由廢氣渦輪機提供動力的交流發(fā)電機以提供附加的電力。0015圖l是按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方式形成的，通過將分動器10插入 到傳動系統(tǒng)中，并且附加轉換所必需的輔助元件，從而將傳統(tǒng)的后輪驅 動汽車轉換為混合動力汽車的示意圖。0016要被轉換的傳統(tǒng)汽車是由內(nèi)燃機12提供動力的，內(nèi)燃機12是要 被轉換的汽車的唯一動力源。這種發(fā)動機可以是汽油或柴油機，或者由 非傳統(tǒng)燃料提供動力。發(fā)動機12照慣例包括加速器和剎車踏板(未示出)， 并提供其輸出到飛輪14。在一些配置中，飛輪可以通過齒輪裝置18被連 接到發(fā)電機或交流發(fā)電機16，從而提供充電力到電力存儲系統(tǒng)20，并且/ 或者直接提供充電力到驅動電動機/發(fā)電機44，其中電力存儲系統(tǒng)20典型 地為電池。通過飛輪14，發(fā)動機的機械輸出可以被連接到轉矩變換器22 和/或變速器(transmission) 24?？蛇x地，摩擦離合器(未示出)可以用 來代替轉矩變換器(torque converter)。鑒于內(nèi)燃機典型地在零速度時不具有轉矩，所以這允許發(fā)動機12產(chǎn)生足夠的轉矩從而將汽車從停止啟動。 變速器24還允許通過改變汽車的速度，將發(fā)動機轉速維持在有效的范圍 內(nèi)。被提供給驅動軸26的轉矩變換器22和/或變速器24的輸出典型地包括 由萬向接頭30和32連接的固定部分和可調(diào)節(jié)部分28。在未轉換的汽車中， 驅動軸28在接頭30和32之間是連續(xù)的，但是在轉換后的汽車中，傳動系 統(tǒng)可以被分動器(transfer case) IO截斷。在傳統(tǒng)的和轉換后的汽車中， 驅動軸都為差速器34提供動力，差速器34通過兩個驅動橋(powered axle) 36和38被連接到汽車的后驅動輪40和42。0017在變速器30的輸出軸處可以有萬向接頭。典型地，在這個接頭 和接頭32之間的軸在長度和位置上是固定的。同樣地，可以有帶有驅動 橋的第二差速器，其通過從前差速器后部的輸出軸連接到后差速器輸入 軸的傳動系(driveline)來驅動的。0018在本發(fā)明的系統(tǒng)中，通過在傳動系統(tǒng)的一些元件和輔助電動機/ 發(fā)電機44之間提供機械連接，以及提供之后將描述的某些輔助組件和系 統(tǒng)，由此所描述的傳統(tǒng)汽車被轉換為混合動力汽車。在圖l系統(tǒng)的情況下， 通過以下手段實現(xiàn)這個改進將分動器放到驅動軸28中，有效地把驅動 軸分離為兩部分，并且在分離的驅動軸的驅動端和分動器10的一個輸入 之間建立驅動連接，并且在分動器10的輸出和傳動系統(tǒng)的后端之間提供 輸出連接。從機械角度出發(fā)，實現(xiàn)這種機械連接的配置是有經(jīng)驗的汽車 技工所在行的。改進傳動系統(tǒng)從而包括用于電動機的機械連接的可選方 式將在之后的圖中描述。0019如果那種方案被傳統(tǒng)汽車采用，那么分動器10和電動機/發(fā)電機 44優(yōu)選地被支撐在輔助橫梁46上，所述輔助橫梁46被放在汽車的兩個縱 梁48和50之間或者在整體車底架的相似元件之間。傳統(tǒng)的框架系統(tǒng)將有 某些橫梁用于支撐發(fā)動機、變速器等等；并且附加一個或更多個橫梁來 支撐電動機和分動器是執(zhí)行圖l轉換所需的唯一結構變化。0020分動器IO優(yōu)選地包括除了接納傳動系元件(drive line dement) 28的輸入軸之外的第二輸入軸52，和被連接到安裝后輪的傳動系元件的 輸出軸54。分動器優(yōu)選地包括齒輪裝置和離合器，其中所述齒輪裝置調(diào) 節(jié)輸入52和28之間的正常軸速(the normal shaft speed)之間的差，所述離合器可以使輸入28從輸出軸54斷開。該離合器允許內(nèi)燃機在汽車 運行周期中的不同時刻被關閉，比如當交通運輸期間汽車停止時。因為 電動機44在啟動速度時達到最大轉矩，所以它能夠獨立地啟動汽車，且 內(nèi)燃機12在汽車已達到預定速度之后可以被再啟動。0021電動機/發(fā)電機44被電氣連接到電池20或者汽車的其他電力存儲 系統(tǒng)，其可以包括其他輔助電存儲元件，比如超級電容器。在將傳統(tǒng)汽 車轉換為混合動力形式時，原始電池必須被有更大動力存儲能力和輸出 能力的電池所取代。在電力被應用到驅動輪的驅動周期的各階段期間， 存儲系統(tǒng)20單獨地或者與來自發(fā)動機12的驅動動力一起為電動機44提供 動力。當在汽車剎車或者減速期間電動機44被去激勵(deenergize)的時 候，存儲系統(tǒng)20可以通過由內(nèi)燃機12驅動的發(fā)電機16以及通過部件44的 發(fā)電機部分被再充電，從而再生地將與汽車動量相關的機械動力轉換為 電力，并同時輔助汽車剎車?？蛇x地，對于有些配置，發(fā)電機16和相關 的連接將不包括在內(nèi)。0022只要當使用轉矩變換器時，發(fā)電機典型地被使用。發(fā)電機的功 能是直接提供動力到電動機和存儲系統(tǒng)，并且也充當電動機來再啟動IC 發(fā)動機。在有轉矩變換器的電動機中，其中通過使用發(fā)動機起動器或單 獨的電動機/發(fā)電機被成形來運行連接到蛇形帶上的附件，則不需要單獨 的發(fā)電機。在這種情況下，曲軸皮帶輪上的電力/水力離合器可以被嚙合， 從而在停止后再啟動發(fā)動機。0023為了將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機動力汽車轉換為混合動力汽車，還必須提 供控制器16?？刂破鞅举|(zhì)上是特殊的編程的數(shù)字計算機。0024如圖l中進一步顯示的，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機動力汽車向混合動力形式 的轉換包括提供徑向燃氣輪機和/或軸向燃氣輪機來從廢氣中提取最大量 的能量，并且使用那些能量驅動發(fā)電機，該發(fā)電機將提供動力到電能量 存儲系統(tǒng)。這種渦輪機將開足馬力運行或者用以重新獲得不同發(fā)動機操 作條件下可用的能量。典型地由發(fā)動機渦輪增壓器組件所提供的能量推 進可以替換為由從電能量存儲系統(tǒng)汲取的能量提供，來為電動機提供動 力。這種操作可以從廢氣重新獲得更多的能量，并且更有效率地使用那 些能量。另外，這將極大地簡化發(fā)動機進氣系統(tǒng)。0025對于那些有需求的汽車，這種可選實施方式也可以提供用于內(nèi) 燃機和/或渦輪機的增壓器，由電力存儲系統(tǒng)所驅動的壓縮機向該內(nèi)燃機 提供動力，驅動發(fā)電機的汽車廢氣向渦輪機提供動力，所述發(fā)電機可以 將其動力提供給電力存儲系統(tǒng)或電動機，該電動機驅動用于增壓器的壓 縮機。0026本發(fā)明增加了電力以用于為蓄電池組20的電池充電，或者直接 為電動機44提供動力，所述電力來自由廢氣驅動的渦輪機72提供動力 的發(fā)電機或交流發(fā)電機70。來自內(nèi)燃機歧管的廢氣由排氣系統(tǒng)74送往常 規(guī)型式的催化轉化器76，其中排氣中未燃的碳氫化合物被點燃，并且催 化轉化器的輸出被提供給渦輪機72并且隨后通過排氣管78進入大氣中。 渦輪機72可以是包括多級軸流設計、簡單渦輪機等的任何傳統(tǒng)設計。渦 輪機的旋轉輸出驅動發(fā)電機/交流發(fā)電機70，從而為電池20提供動力源。 當在汽車的再生制動期間電動機-發(fā)電機44由軸28驅動時，電池20還可 以被來自電動機-發(fā)電機44的電輸出充電。0027系統(tǒng)可以包括各種逆變器和變壓器，來對系統(tǒng)電壓和/或頻率做 出適當?shù)母淖?。系統(tǒng)優(yōu)選地具有相對高的頻率比如200-400周期，和高電 壓比如200-400伏特來使電阻損耗最小化。
權利要求
1.一種將內(nèi)燃機動力汽車轉換為混合動力汽車的方法，其中該內(nèi)燃機動力汽車具有包括多個串聯(lián)元件的傳動系統(tǒng)，所述方法包括將所述串聯(lián)元件中的一個元件改進為轉換后的形式，其執(zhí)行與未轉換元件相同的機械功能且另外提供用于將來自電動機的機械動力施加到所述傳動系統(tǒng)中的連接；提供被連接到所述改進元件的電動機；在所述電動機和電力存儲系統(tǒng)之間提供可變換的連接；提供電子控制器，其被可操作地連接到所述內(nèi)燃機和所述電動機的所述可變換的連接上，以便控制所述內(nèi)燃機和所述電動機的激勵狀態(tài)；具有與所述汽車的運行狀態(tài)相聯(lián)系的傳感器；以及提供廢氣驅動的渦輪機，該渦輪機為交流發(fā)電機提供動力從而為所述電動機提供動力；由此，所述電動機可以被連接到所述電力存儲系統(tǒng)，從而向所述汽車提供驅動動力，以便通過所述傳動系統(tǒng)補充由所述內(nèi)燃機提供的驅動動力。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述串聯(lián)元件中的一個元件的所 述改進包括增加一個附加驅動元件到所述串聯(lián)元件中的一個元件上。
3. 根據(jù)權利要求1所述的轉換具有傳動系統(tǒng)的IC發(fā)動機動力汽車的方 法，其中改進所述驅動元件中的一個元件的步驟包括移除那個元件，并且 將其替換為備用元件，所述備用元件執(zhí)行與移除的元件相同的機械功能且 另外提供用于將來自電動機的機械動力施加到所述傳動系統(tǒng)中的連接。
4. 根據(jù)權利要求3所述的轉換所述IC發(fā)動機動力汽車的方法，其中所 述電動機形成電動機/發(fā)電機的一部分，并且所述發(fā)電機的電輸出被連接到 所述電力存儲系統(tǒng)。
全文摘要
通過增加電驅動和由來自內(nèi)燃機的廢氣提供動力的渦輪機，傳統(tǒng)的汽油動力汽車被轉換為混合動力汽車。渦輪機驅動發(fā)電機，該發(fā)電機提供電力到電驅動電動機和用于驅動的電力存儲系統(tǒng)，電力存儲系統(tǒng)通常包括電池。
文檔編號B60K1/00GK101272924SQ200680035238
公開日2008年9月24日 申請日期2006年5月2日 優(yōu)先權日2005年9月23日
發(fā)明者R·凱爾 申請人:海瑞德電力轉換有限公司