CN101209663A - 复合循环车用动力*** - Google Patents

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曲延涛
王俊
赵钢炜
袁怡祥
孟广军
梁冰
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Abstract

一种复合循环车用动力***，属于车用动力技术，涉及一种内燃机动力和压缩空气动力的双动力源、并回收制动能和发动机尾气废热的复合循环车用动力***。它包括发动机、空气压缩机、储气筒、废气换热器、涡轮机、离合器、中央控制机构、底盘。发动机与空气压缩机之间、发动机与底盘之间、涡轮机与底盘之间、空气压缩机与底盘之间，分别采用数个离合器进行连接，空气压缩机与储气筒连接，发动机、储气筒均与废气换热器连接，废气换热器与涡轮机连接，空气压缩机与涡轮机连接。中央控制***对整个驱动***进行控制。本发明的有益结果是：油耗低、污染小，提高了驱动***的效率，且逻辑控制易于实现，适用于新型车用动力***的开发和传统车用动力***的改造。

Description

复合循环车用动力***
技术领域
本发明属于车用动力技术领域，具体涉及一种内燃机动力和压缩空气动力的双动力源、并利用发动机废热的混合动力汽车驱动***。
背景技术
随着人们生活水平的提高，汽车得到广泛地应用，汽车保有量逐年增加，随之而来的汽车能耗和污染问题备受关注。普通内燃机式汽车发动机能耗较高，在最佳工作工况时，其热效率可以达到30％以上；而在城市工况运行时，即使采用具有较高传动效率的机械传动方式时，汽车整车热效率也常会低于10％，即使是汽车在最省油车速行驶时，其发动机一般也是运行在偏离最高效率的工况。内燃机式汽车发动机的尾气排放污染问题非常突出。压缩空气动力汽车尾气排放为零，但是对复杂工况适应性较差，且需要配备高压储罐，***较复杂。现在正在研究中的内燃机、蓄电池式混合动力汽车，驱动和控制***复杂，整车性能受制于车用电池因素的制约，电池本身还存在严重的二次污染问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有油耗低、排放少，可采用不同动力源进行驱动，可实现制动能和尾气热量回收，有效提高效率，同时降低尾气温度，便于尾气净化处理，自动控制易于实现，且结构紧凑的一种复合循环车用动力***。
本发明的技术方案是：本发明包括发动机、空气压缩机、储气筒、废气换热器、涡轮机、离合器、中央控制机构、底盘(在汽车工业中，底盘是指包括传动系、行驶系、转向系、制动系四部分的整个***)，空气压缩机在储气筒之前，储气筒在废气换热器之前，废气换热器在涡轮机之前，发动机与空气压缩机通过离合器连接，空气压缩机与储气筒连接，发动机、储气筒均与废气换热器连接，废气换热器的压缩空气出口与涡轮机连接，发动机、涡轮机均通过离合器与汽车传动***连接，空气压缩机与涡轮机通过离合器连接。
本发明的有益结果是：本发明油耗低、排放少，可以保持内燃式发动机保持在效率较高的工况，采用两种动力源的多种组合方式进行驱动，回收了制动能和尾气废热，有效提高了驱动***的效率，逻辑控制易于实现，可在现有的前轮驱动和四轮驱动车辆上实现。
附图说明
图1本发明原理示意图。
具体实施方式
现结合附图1作进一步说明。本发明包括发动机1、空气压缩机2、储气筒3、废气换热器4、涡轮机5、离合器6、中央控制机构7、底盘8。发动机1与空气压缩机2之间、发动机1与底盘8之间、涡轮机5与底盘8之间、空气压缩机2与底盘8之间，分别采用数个离合器6进行连接，空气压缩机2与储气筒3连接，发动机1、储气筒3均与废气换热器4连接，废气换热器4与涡轮机5连接，空气压缩机2与涡轮机5连接。
整个动力***可分为顶循环动力***和底循环动力***：顶循环动力***是发动机1，一般为高性能内燃机；底循环动力***由空气压缩机2、储气筒3、废气换热器4、涡轮机5、中央控制机构7等构成。顶循环动力***和底循环动力***并联在车辆底盘8上，都通过离合器6与底盘8相连，并输出功来驱动汽车。底循环动力***中空气压缩机2可由发动机1通过离合器6带动；也可以在车辆制动时通过底盘8传动系中的驱动轴通过第一离合器6反拖来带动，回收车辆制动能；涡轮机5转动时，始终有部分轴功用来带动空气压缩机2。蓄热式废气换热器4回收顶循环***中发动机1的尾气废热，加热来自储气筒3的压缩空气，压缩空气通过涡轮机5膨胀做功，涡轮机5的输出功通过离合器6向底盘8等提供动力。
关于制动能回收的技术，传统汽车制动时，其自身的惯性能在制动器内转化为大量的热能耗散到大气中，在当前能源供应紧张的情况下，对制动能加以利用可以降低耗油量以及减小污染。国内外许多研究机构也进行了一定的研究。目前已有的回收制动能的方式有：机械储能、液压储能、电储能等。只有在制动减速度小于3m/s2，大于制动***不工作时滑行减速度的情况下，制动能才可以被回收。本说明书中所述及的回收制动能均指的是回收该部分的制动能。据分析，大于80％的净制动能量可以被回收利用(见《北京市区电动轻型客车制动能量回收潜力》，机械工程学报，2005年第12期)。本发明回收制动能的方法是：底盘8中的传动***通过离合器6与空气压缩机2相连，制动时第一离合器6传递扭矩，使得传动轴带动空气压缩机2转动，相当于空气压缩机2给底盘8的传动系一定的阻力，达到制动减速的效果。其原理是将汽车的惯性能转化为压缩空气的压力能，储存在储气筒3内，该压力能最终体现在涡轮机5的做功能力上，即在同样耗油量下，提高了行驶里程，起到降低油耗的作用。
本发明通过中央控制机构7控制离合器6连接和断开的方式，顶循环动力***和底循环动力***可以单独地或共同地向底盘8提供动力。在不同工况下，可以采用多种组合驱动方式：当储气筒3中高压空气储量较少时，单独采用顶循环动力***驱动，发动机1起动，动力通过离合器6传到底盘8一般在汽车中，发动机输出扭矩给离合器，离合器连接变速器，通过变速器转速降低的同时扭矩增大，变速器再带动驱动轴旋转，驱动轴再通过驱动桥、万向节、差动器等将扭矩传递给车轮；(本说明书为了突出不同点并避免冗叙，将目前汽车工业上视为惯例的连接方式省略，但是在发明的实施上，依然要按照汽车工业惯例执行。下面将要提到的空气压缩机与底盘的连接、涡轮机与底盘的连接均和发动机与底盘的连接相似)在制动时，底盘8传动系的传动轴作为主动轴与第一离合器6相连，第一离合器6的从动轴与空气压缩机2连接，拖动空气压缩机2，将惯性能转换为压缩空气能，达到制动目的，回收了部分制动能来压缩空气，此时发动机1和涡轮机5均不对底盘8提供动力；在低负荷要求状态下，让发动机1处于较高效的工作状态，一部分动力通过离合器6传到底盘8，另一部分动力输送给空气压缩机2来制造压缩空气并存入储气筒3中，同时储气筒3向外输出压缩空气，气体经过废气换热器4吸热后进入涡轮机5做功，涡轮机5输出的动力通过离合器6传到底盘8；在爬坡或超车等高负荷要求状态下，发动机1与空气压缩机2之间的离合器6断开，发动机1停止给空气压缩机2传递动力，仅传递动力到底盘8，涡轮机5利用储气筒3中的压缩空气做功，也同时传递动力到底盘8，顶循环***和底循环***同时给底盘8提供动力，以获得大扭矩或者高转速；在对排放要求特别严格的特殊场合，比如城市中心、重点旅游区、自然保护区，顶循环***停止使用，即关闭发动机1，仅利用储气筒3中的高压空气为涡轮机5提供动力，情形和压缩空气动力汽车相同。多种驱动方式的组合，以及各部件的运转状态、启停，都靠中央控制机构7来实现。
本发明的一个实施例是：汽车底盘8上布置着发动机1、空气压缩机2、储气筒3、废气换热器4、涡轮机5、离合器6、中央控制***7。直接给底盘8提供驱动力的分别是顶循环***中的发动机1和底循环***中的涡轮机5。发动机1通过燃烧液体燃料提供动力；涡轮机5的动力来源是由空气压缩机2压缩并储存在储气筒3中的高压空气，经过废气换热器4吸热后成为高温高压空气，再在涡轮机5中膨胀做功的。为了提高本发明的循环***效率，顶循环***与底循环***之间有如下连接：发动机1尾气排到废气换热器4内，并在其中与高压空气换热，提高高压空气的温度，增强其做功能力，回收尾气废热。为了提高本发明的循环***效率，底盘8与底循环***之间有如下连接：底盘8的传动系通过第一离合器6与空气压缩机2连接，制动时第一离合器6传递扭矩，使得传动轴带动空气压缩机2转动，相当于空气压缩机2给底盘8的传动系一定的阻力，达到制动减速的效果，并回收了制动能。为了在提高本发明的循环***效率的同时提高工况适应性，有如下连接：顶循环***与底循环***并联在底盘8上，并且都为底盘8提供驱动力，根据不同工况，由中央控制***7调节顶循环***和底循环***对底盘8输出驱动力的分配，尽量保持发动机1和涡轮机5都工作在最高效率区域或接近最高效率区域，也就是保持进入发动机1的液体燃料量、发动机1的转速、进入涡轮机5的压缩空气流量、进入涡轮机5的压缩空气压力这些指标保持在一定范围内。
根据循环***未来应用产品的设计输出功率，以及所选用涡轮机的最高效率工作区域综合考虑，可以在设计应用产品时选用多个涡轮机5，保证每个涡轮机5都工作在高效区域。
本发明在结构上需要若干离合器6，而离合器6在汽车工业中使用非常普遍，对***整体结构的复杂性增加不大。

Claims (4)

1.一种复合循环车用动力***，它包括发动机(1)、离合器(6)、底盘(8)，其特征是：还设有空气压缩机(2)、储气筒(3)、废气换热器(4)、涡轮机(5)、中央控制机构(7)；其中：发动机(1)与空气压缩机(2)之间、发动机(1)与底盘(8)之间、涡轮机(5)与底盘(8)之间、空气压缩机(2)与底盘(8)之间，分别由数个离合器(6)进行连接，其中定义空气压缩机(2)与底盘
(8)之间的为第一离合器(6)；空气压缩机(2)与储气筒(3)连接，发动机(1)、储气筒(3)均与废气换热器(4)连接，废气换热器(4)与涡轮机(5)连接，空气压缩机(2)与涡轮机(5)连接；中央控制机构(7)通过传感器分别与发动机(1)、空气压缩机(2)、储气筒(3)、涡轮机(5)相连。
2.根据权利要求1所述的车用动力***，其特征是：所述发动机(1)与空气压缩机(2)之间的离合器(6)，是可断开式连接。
3.根据权利要求1所述的车用动力***，其特征是：发动机(1)尾气在废气换热器(4)内与压缩空气换热，回收了尾气废热。
4.根据权利要求1或2所述的车用动力***，其特征是：底盘(8)上的驱动轴通过第一离合器(6)在制动时反拖带动空气压缩机(2)，回收部分制动能。
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