飞轮储能器及采用其的交通工具的制作方法
【专利摘要】一种飞轮储能器及采用其的交通工具。该飞轮储能器包括：飞轮，用于储存动能；可分离传动装置，用于在需要时将所述飞轮与外界连接，从而能够实现在外界的动力装置运转时给所述飞轮加速储存能量，而在外界的动力装置不运转时使用所述飞轮向外输出动力。本发明在交通拥堵时关闭发动机用飞轮储能器驱动汽车行驶，可避免发动机反复启动及原地怠速造成的能量浪费以及发动机磨损和废气超标排放。
【专利说明】
飞轮储能器及采用其的交通工具
技术领域
[0001] 本发明涉及汽车节能减排技术领域，更具体地涉及一种飞轮储能器及采用其的交 通工具。
【背景技术】
[0002] 在大中城市中心区，交通经常拥堵，特别在上下班高峰时间更拥堵;若遇到红绿灯 则会等很长时间，此时汽车经常缓慢行驶或原地怠速，拥堵期间汽车经常处在起动和制动 状态。这种状态不但造成能量浪费，而且此时汽车尾气严重污染，超标排放，这也是大中城 市空气污染重要来源，随着汽车总量不断增加，这个问题越来越引起重视。
[0003] 针对解决城市空气污染问题，用电动汽车代替燃油汽车是目前提出的主要解决办 法。但是电动汽车不但造价昂贵，而且也存在电池质量等问题，目前只能靠政策补贴才能销 售，售出后又遇到充电粧少，人们又遇到充电时间长和充电难问题。据相关部门发布的调查 报告指出，在短期内（至少十年内），燃油汽车仍占汽车总量90 %以上，用电动汽车替代燃油 汽车在相当长的时间内不易实现。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种飞轮储能器，以便在汽车缓慢行驶或 拥堵时用飞轮储能驱动汽车，减少汽车能源消耗和碳排放。
[0005] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种飞轮储能器，包 括：
[0006] 飞轮，用于储存动能；
[0007] 可分离传动装置，用于在需要时将所述飞轮与外界连接，从而能够实现在外界的 动力装置运转时给所述飞轮加速储存能量，而在外界的动力装置不运转时使用所述飞轮向 外输出动力。
[0008] 作为优选，所述飞轮采用环形旋转体结构。
[0009] 作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种采用如上所述的飞轮储能器的交 通工具。
[0010] 基于上述技术方案可知，本发明具有如下优点和有益效果:在交通拥堵时，汽车会 缓慢行驶或原地怠速，从而汽车经常处在起动和制动状态;此时，关闭发动机而改用飞轮储 能器驱动汽车行驶，可避免发动机反复启动及原地怠速造成的能量浪费以及发动机磨损和 废气超标排放;用飞轮驱动汽车行驶期间不产生任何废气排放，在原地怠速时飞轮空转耗 能很少，仅消耗飞轮滚动轴承的摩擦力及风阻，也不排放废气；用飞轮储能器启动汽车时不 会产生发动机磨损。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的飞轮储能器与汽车发动机及其传动系统的关系示意图；
[0012] 图2是作为本发明一个优选实施例的环形旋转结构体形式的飞轮的结构示意图。
【具体实施方式】
[0013] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0014] 城市中交通行驶缓慢，甚至因为拥堵而寸步难行，导致汽车等交通工具油耗增大， 碳排放量急剧增加，用车成本也激增。而利用本发明的飞轮储能器可以较容易地解决上述 问题，是迅速解决大中城市汽车尾气排放污染的另一途径。
[0015] 具体地，本发明的飞轮储能器包括：
[0016] 飞轮，用于储存动能；
[0017] 可分离传动装置，用于在需要时将飞轮与外界连接，从而能够实现在外界的动力 装置运转时给飞轮加速储存能量，而在外界的动力装置不运转时使用飞轮向外输出动力。
[0018] 作为优选，飞轮的直径在20~80厘米范围之间，质量在5~40千克范围之间。
[0019] 作为优选，可分离传动装置为离合器，优选为摩擦离合器，进一步优选为电磁摩擦 离合器。
[0020] 作为优选，该飞轮储能器还包括变速齿轮，用于将飞轮的转速变小后再与可分离 传送装置连接。
[0021] 作为优选，该飞轮储能器还包括测速仪，用于测量所述飞轮的转速。在一个优选实 施例中，测速仪将其测量的结果输出到仪表盘上的显示仪表上，以方便驾驶员对飞轮的转 速和转动时间有个大体判断。
[0022] 作为优选，飞轮采用环形旋转体结构。
[0023] 本发明还公开了一种采用如上所述的飞轮储能器的交通工具，例如汽车，优选为 小客车。
[0024] 在实际应用中，飞轮可以储存动能，在汽车上安装飞轮储能器以后，飞轮可以随时 从发动机获取动能(无论汽车在行驶中或静止时均可以从发动机获取动能）。飞轮存储的能 量不必像汽车电池储能的能量那样多。一般而言，飞轮储能的动能只要够汽车行驶1公里左 右即可，这样飞轮就不必加工做得很大。而且设计好的飞轮储能器还可把汽车制动时或汽 车下坡时的动能量转换成飞轮的动能储存起来。类似赛车上的动能回收系统(Kers)，但技 术要求可低于赛车标准。飞轮的转速代表飞轮储能的动能。因此用飞轮转速表反映到驾驶 盘上，司机可随时了解飞轮的储存能量，决定是否给飞轮补充能量或消耗掉飞轮的能量。例 如汽车将到达目的地且会长期停留时，可在最后行驶的1公里内消耗飞轮的能量。若汽车仅 短暂停留，则不必用掉飞轮的储能，短暂停留时该飞轮空转，耗能很少。等到汽车再起动时 可利用飞轮的能量起动汽车，这样不但可以减少汽车起动时的污染，而且会减少发动机起 动时的磨损。
[0025] 飞轮储能器应设计成一个独立的小客车附件。因为不是所有汽车都必须配置飞轮 储能器，只有经常在大中城市中心区行驶的小客车才需配置飞轮储能器。汽车制造商或大 型汽车经销商或汽车维修部门均可以为用户配置飞轮储能器。飞轮储能器是一种机械装 置，其结构安全可靠性也很高。
[0026]现有汽车发动机曲轴上大多配有一个小飞轮，这个小飞轮仅起到帮助曲轴平稳运 行的作用（曲轴是将汽缸的往复运动转换为平稳的旋转运动）。本专利提出的飞轮储能器要 比这个小飞轮大一些，而且转速也会快一些(转速应达到2~3万转a分），因为飞轮的动能与 其转速的平方成正比。飞轮的动能为
，式中J表示飞轮转动惯量，《表示飞轮转速。
[0027]飞轮储能器与汽车的发动机及传动系统的连接以摩擦离合器为佳，因为摩擦离合 器可以无级变速，这样可以平稳地驱动汽车及平稳地与发动机联接，防止发动机因负载突 变引起超负荷损坏或停止运转。当然正常运行时仍为刚性连接。离合器"离"或"合"的控制， 司机以电磁控制为佳，即用电磁离合器。离合器分离时将不使用飞轮储能器。在发动机运转 情况下合上离合器是给飞轮加速储存能量;在发动机停止运转的情况下合上离合器是用飞 轮的储能器驱动汽车，或用飞轮储能启动发动机运转。
[0028]由于汽车发动机正常转速约为6000转/分左右，而飞轮转速为2~3万转/分，因此， 由汽车曲轴驱动飞轮时需经过一对齿轮增速(1:3~5左右）。
[0029] 飞轮储能器与汽车发动机及其传动系统关系如图1所示。其中由飞轮、变速齿轮、 摩擦离合器等组成该飞轮储能器。
[0030] 飞轮储能器的尺寸和重量可大致估算如下：
[0031] 经济型小客车每公里耗汽油约为7升，由此可推出小客车行驶1000米做的功为570 千焦耳。
[0032] 根据1焦耳= 0.101972千克力?米;换算570千焦耳= 58000kgf .Hi
[0033] 根据lkgf = 9.8kg ? m/s2;换算58000kgf ? m=568400kg ? m2/s2
[0034] 飞轮储存的动能
，式中J表示飞轮转动惯量，《表示飞轮转速设w = 30000转/分，令E = 568400kg ? m2/s2,《 =30000转/分= 3141 弧度/s，则可算出：
[0035] 设飞轮为环形旋转体，则飞轮的直径D和质量M有以下公式：
[0037] 设飞轮外径为0.3米，则可算飞轮质量为8.5公斤。如果将《降至一般转速《 = 18000转/分，则M = 23.7kg。可见飞轮的尺寸及重量均不大，可以安装在小客车的发动机附 近，当然具体设计飞轮储能器的图纸，还要根据具体型号小客车的发动机箱图纸而设计。
[0038] 作为一个优选实施例，为减轻飞轮重量及尺寸，易于飞轮平稳运行以及便于加工 等原因，该飞轮采用环形旋转体结构，如图2所示，飞轮的材料应选择密度较大、价格便宜且 易于加工的优质钢材(密度例如优选约为7.8Kg/cm 3)。
[0039] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种飞轮储能器，其特征在于，包括： 飞轮，用于储存动能； 可分离传动装置，用于在需要时将所述飞轮与外界连接，从而能够实现在外界的动力 装置运转时给所述飞轮加速储存能量，而在外界的动力装置不运转时使用所述飞轮向外输 出动力。2. 如权利要求1所述的飞轮储能器，其特征在于，所述飞轮的直径在20~80厘米范围之 间。3. 如权利要求1所述的飞轮储能器，其特征在于，所述飞轮的质量在5~40千克范围之 间。4. 如权利要求1所述的飞轮储能器，其特征在于，所述可分离传动装置为离合器。5. 如权利要求4所述的飞轮储能器，其特征在于，所述可分离传动装置为摩擦离合器， 优选为电磁摩擦离合器。6. 如权利要求1所述的飞轮储能器，其特征在于，所述飞轮储能器还包括变速齿轮，用 于将所述飞轮的转速变小后再与所述可分离传送装置连接。7. 如权利要求1所述的飞轮储能器，其特征在于，所述飞轮储能器还包括测速仪，用于 测量所述飞轮的转速。8. 如权利要求8所述的飞轮储能器，其特征在于，所述测速仪将其测量的结果输出到仪 表盘上的显不仅表上。9. 如权利要求1所述的飞轮储能器，其特征在于，所述飞轮采用环形旋转体结构。10. -种采用如权利要求1至9任意一项所述的飞轮储能器的交通工具。
【文档编号】B60K6/10GK105882377SQ201610454348
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】张文生, 肖功弼, 任俊宏
【申请人】中国科学院自动化研究所