CN101649786B - 混合动力柔性发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能与计算机技术完美结合的、混合动力柔性发动机：它由高压内燃机(1)、空气压缩机(2)、高压储气罐(14)这三个主体；以及进气温度控制器(7)，电子控制器ECU、及传感器组件(18、24…)，等组合而成。混合动力柔性发动机为ECU提供了一个柔性的环境，发动机的各工作过程、及其工作状态都可单独调控，ECU能方便、灵活的为发动机全工况都组织好最优化的工作模式，并实施有效的控制。本发明能精确的控制燃烧室内高压可燃混合气着火前的温度，有效的组织高压可燃混合气平稳快速低温燃烧、而极大的提高燃油效率以及高效的利用压缩空气动能；并能获得近零排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种能与计算机技术完美结合的、用于汽车动力的，混合动力柔性发动机。
背景技术
现有发动机都是自身完成吸气和压缩功能的整体式发动机。从技术层面上来看，这种整体式发动机已十分优秀和完善。但是，由于它缺乏柔性、难以组织成最优化的工作模式，在“节能、减排”方面，已经难以取得长足的进展。面对“环保和能源”方面的巨大社会压力，需对发动机实施重大变革。
现有发动机在″节能、减排″方面难以取得长足进展的主要障碍是：
1.要大幅度提高燃油效率，就得大幅度的提高发动机的压缩比；但是″爆震″问题是无法逾越的障碍。
2.要大幅度降低有害排放物、降低废气中的NOx的含量，就得确保燃油充分的燃烧并大幅度降低气缸内混合气燃烧温度和燃烧温度的峰值(一般希望燃烧温度的峰值不超过1372℃)，但是、现有发动机根本无法很有效的控制混合气燃烧以及燃烧温度和燃烧温度的峰值。
3.能源利用形式单一。
发明内容
为了克服现有发动机在“节能、减排”方面的不足之处，本发明提供一种工作模式可以灵活组织的混合动力柔性发动机。混合动力柔性发动机的工作模式由ECU的监控软件所确定，ECU能有效的控制混合动力柔性发动机在全工况内都运行于最佳状态。混合动力柔性发动机的性能也随着ECU监控软件升级而提高。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
1.混合动力柔性发动机的高压内燃机(1)只有做功行程和排气行程，无吸气行程和压缩行程。高压内燃机(1)燃烧室内应用的高压空气由高压储气罐(14)供给。高压内燃机(1)气缸内的充气由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)独立完成，排气则由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)独立完成。高压内燃机(1)通过齿轮Z1、齿轮Z2和电磁离合器(4)按需拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气；负载惯性转轴则通过齿轮Z3、齿轮Z4和电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气，空气压缩机(2、2H)主要用于发动机续航和轻载、空载或负载制动时回收动能。这样一来发动机的各工作过程、及其工作状态都可单独调控，因此，为ECU提供了一个柔性的环境。其中最重要的是：让ECU能方便、灵活的为发动机全工况都组织好最优化的工作模式，并实施有效的控制。
2.为了更加节省燃料和更进一步减少有害气体排放；引入了更低成本的压缩空气动能，节省了靠燃烧燃料来完成的吸气和压缩的所需燃料。
3.高压内燃机(1)燃烧室内采用直接充入调温后的超高压空气(20-30Mpa)与雾状燃油迅速混合形成均匀的燃油混合气，电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功的方式。由于燃烧室内、燃油混合气点火前的压力越高、其燃点将越低、越有利于燃油混合气低温燃烧、燃烧越充分；而燃烧室内燃油混合气燃烧温度越低、燃油混合气燃烧越平稳、越能避免产生过高峰值的压力脉冲。所以，能方便的组织燃油混合气在高压内燃机(1)燃烧室内平稳的快速低温燃烧，既彻底解决了排放问题、又获得极高的燃油燃烧效率。
混合动力柔性发动机的基本工作方式是：
高压储气罐(14)输出的高压空气、被进气温度控制器(7)调温后，当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室、与由ECU控制的压电式喷嘴同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合形成均匀的燃油混合气，待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功。
本发明与现有发动机相比较具有如下优点：
1.混合动力柔性发动机能精确的控制燃烧室内高压可燃混合气着火前的温度，而有效的组织高压可燃混合气平稳快速低温燃烧，因此，发动机可以有效地控制氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)的排放，在环保方面的优势非常明显。
2.混合动力柔性发动机能完全消除“爆震”其压缩比很高，而极大的提高燃油效率；而且适用燃料的范围大大拓宽，可以使用低标号的车用汽油和廉价的车用燃料(含大量正庚烷)。
3.由于燃烧室内高压可燃混合气是平稳快速低温燃烧，燃烧气体和缸壁表面之间的温差ΔT小、流向缸壁的热量也小；发动机温升低无需专门冷却，热能不会被冷却液带走而保留在燃烧气体内膨胀做功。喷入燃烧室内的高压空气温度不高，很快从较热的缸壁吸收热量而升温升压、回收以前流向缸壁的热能，参与做功。所以，混合动力柔性发动机能量损失极小，而不像现有发动机将燃烧气体的大部分热量让冷却液白白带走。
4.由于混合动力柔性发动机采用高压储气罐(14)输出的高压空气、预置高压燃油混合气的供给形式来代替理想气体动力循环中的等熵绝热压缩过程；因而，其能量密度可比现有发动机提高很多。
5.混合动力柔性发动机的ECU能方便的根据负载所需功率大小“自适应”的调控燃烧室内可燃混合气充量、压力、温度以及空燃比；而避免大马拉小车的浪费现象。
6.喷入燃烧室内的高压空气温度不高而密度大，进入燃烧室内的空气密度与现有发动机相比将大幅度提高。而空气密度越大，功率越大，所以，与现有同排量的发动机相比其输出的功率大很多。混合动力柔性发动机不是由高压空气内燃气缸来完成吸气和压缩，受高寒地区的低气压影响较现有发动机小：因此，也更适合高原地区使用。
7.混合动力柔性发动机能完美继承现有发动机的先进技术，直接利用现有发动机生产企业和现有空压机生产企业的工艺及技术装备、无特殊制造工艺要求和无需添置专用设备。混合动力柔性发动机结构简单、制造工艺性好、造价低、维修简便，适用于各种类型的汽车，在汽车中应用其布局方便。
8.混合动力柔性发动机特别适合于汽车需要频繁起步、变速的城市交通环境使用；在汽车处于低功耗运行状况时：可以使发动机处于对应的最佳状态运行，同时可用增加空气压缩机负荷的方式将发动机多余的动力转化成压缩空气储蓄至高压储气罐中。当汽车遇到红灯或需临时停车时：运行在最佳状态的发动机，将全力拖动空气压缩机对高压储气罐充气储能。
9.混合动力柔性发动机所需的高压空气可直接由地面高压供气站将高压空气充入车载储气罐内供发动机使用，以实现极大限度的降低燃油消耗和降低对空气的污染。同时、由于供气站充气的成本比车上用燃油动力充气的成本低很多、而大大的降低了汽车的运行成本。而且地面高压供气站可在电网处于供电低谷时段用电，使运行成本近一步降低并改善了电网的运行。混合动力柔性发动机上的空气压缩机仅用于汽车轻载、减速、制动时回收汽车动能或续航备用。
10.发动机具备自起动功能可即时起动正常运转，无需苔速运转状态、也无需配套起动电机。
附图说明：
图1是本发明的***结构示意图。
图中，1.高压内燃机，(2、2H).空气压缩机，3.曲轴，4.电磁离合器，5.单向阀，6.第三输气管道，7.进气温度控制器，8.进气管道，9.第四输气管道，10.顺序阀，11.第五输气管道，12.空气冷却器，13.第六输气管道，14.高压储气罐，15.气温、气压传感器，16.第一输气管道，17.电磁换向阀，18.第二输气管道，19.气温传感器，20.高压内燃机综合传感器，21.燃烧室气温、气压、氧传感器，22.第一液压伺服高压气门，23.第二液压伺服高压气门，SJX.数据线，KZX.控制线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明混合动力柔性发动机作进一步详细的说明。
混合动力柔性发动机主要由高压内燃机(1)和空气压缩机(2、2H)，高压储气罐(14)这三个主体；以及进气温度控制器(7)，电子控制器ECU、及传感器组件(15、19、21…)…，等组合而成。其中高压内燃机(1)是由现有缸内直喷(或普通进气道喷射)、火花点火式汽油机的基础上改造而成；主要的改造工作是将一个由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)和一个由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)去取代现有发动机的凸轮轴***和进、排气门***。其二、空气压缩机(2、2H)为现成商品；推荐选用重庆大学设计的那种变壁厚高压缩比涡旋压缩机。其三、进气温度控制器(7)可选用变频热泵辅助调温。其四、高压储气罐(14)为现成碳纤维高压空气储气罐。其五、电子控制器ECU存储有大量的以实验数据和实践中总结出来的经练数据为依据的监控程序、供ECU自适应选择性调用；ECU负责采集各传感器组件(15、19、21…)的检测数据，并为高压内燃机(1)的燃烧室内组织最佳的可燃混合气温度、空燃比、压力及可燃混合气充量，以及排气、充气、点火正时控制。
第一实施例
高压储气罐(14)输出的高压空气、依次经过第一输气管道(16)、电磁换向阀(17)、第二输气管道(18)、第三输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)先按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)正时开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)活塞又向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；高压内燃机(1)便完成一次工作循环。
第二实施例
混合动力柔性发动机冷起动时：高压储气罐(14)输出的高压空气、依次经过第一输气管道(16)、电磁换向阀(17)、第二输气管道(18)、第三输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)先按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；然后ECU将过上止点TDC最近的那个气缸的第二液压伺服高压气门(23)关闭，调温后的高压空气经过进气管道(8)由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量喷入那个气缸的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，电火花点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)那个气缸活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)正时开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)活塞又向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；高压内燃机(1)便进入正常工作循环。
第三实施例
当高压储气罐(14)储存的高压空气快用完，需续航时：ECU控制高压内燃机(1)通过齿轮Z1、齿轮Z2和电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气；空气压缩机(2)、(2H)输出的高压空气依次经过单向阀(5)、第三输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)先按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室、与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)正时开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)活塞又向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；高压内燃机(1)便完成一次工作循环。
第四实施例
当高压储气罐(14)需在旅途中充气时、或者混合动力柔性发动机轻载或空载时；ECU控制高压内燃机(1)通过齿轮Z1、齿轮Z2和电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气，空气压缩机(2、2H)输出的高压空气依次经过单向阀(5)、第三输气管道(6)、第四输气管道(9)、顺序阀(10)、第五输气管道(11)、空气冷却器(12)、第六输气管道(13)向高压储气罐(14)充气或回收动能。当混合动力柔性发动机的负载进入预制动或汽车下坡时；ECU控制高压内燃机(1)关机，并通过负载惯性转轴、齿轮Z3、齿轮Z4和电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气，空气压缩机(2、2H)输出的高压空气依次经过单向阀(5)、第三输气管道(6)、第四输气管道(9)、顺序阀(10)、第五输气管道(11)、空气冷却器(12)、第六输气管道(13)向高压储气罐(14)充气回收动能。
本发明不局限于所示的实施例，在所附权利要求的范围内可以进行各种变型。以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，作出的其它实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种混合动力柔性发动机，由高压内燃机(1)、空气压缩机(2、2H)和高压储气罐(14)这三个主体，以及进气温度控制器(7)，电磁离合器(4)，单向阀(5)，第三输气管道(6)，进气管道(8)，第一液压伺服高压气门(22)，第二液压伺服高压气门(23)，电子控制器ECU、及传感器组件(15、19、20、21)组合而成；其特征在于：高压内燃机(1)的气缸不参予吸气与压缩气体的工作、只有做功行程和排气行程，高压内燃机(1)燃烧室内应用的高压空气由高压储气罐(14)供给，高压储气罐(14)输出的高压空气、被进气温度控制器(7)按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功。
2.根据权利要求1所述的混合动力柔性发动机，其特征在于：空气压缩机(2、2H)用于发动机续航和轻载、空载或负载制动时回收动能；高压内燃机(1)的曲轴(3)通过齿轮Z1、齿轮Z2和电磁离合器(4)按需拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气；负载制动时，通过负载惯性转轴、齿轮Z3、齿轮Z4和电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气。
3.根据权利要求1所述的混合动力柔性发动机，其特征在于：电子控制器ECU存储有大量的由实验数据和经验数据为依据的监控程序、供ECU自适应选择性调用；ECU负责采集各传感器组件(15、19、20、21)的检测数据，并为高压内燃机(1)的燃烧室内组织最佳的可燃混合气温度、空燃比、压力及可燃混合气充量，以及点火正时控制。
4.根据权利要求1所述的混合动力柔性发动机，其特征在于：高压储气罐(14)储存的高压空气依次经过第一输气管道(16)、电磁换向阀(17)、第二输气管道(18)、第三输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)、被进气温度控制器(7)按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功。
5.根据权利要求1所述的混合动力柔性发动机，其特征在于：当高压储气罐(14)储存的高压空气快用完，需续航时：ECU控制高压内燃机(1)通过齿轮Z1、齿轮Z2和电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2、2H)压缩空气；空气压缩机(2、2H)输出的高压空气依次经过单向阀(5)、第三输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)先按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的第二液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的第一液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功。
6.根据权利要求1所述的混合动力柔性发动机，其特征在于：空气压缩机(2、2H)输出的高压空气的全部或多余部分，依次经过单向阀(5)、第三输气管道(6)、第四输气管道(9)、顺序阀(10)、第五输气管道(11)、空气冷却器(12)、第六输气管道(13)、进入高压储气罐(14)储存；当发动机需要时，由高压储气罐(14)储存的高压空气和空气压缩机(2、2H)输出的高压空气共同供给高压内燃机(1)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Jinniu District Tongzi mouth road Chengdu City, Sichuan province 610031 No. 168 Shahe source of gold palace 3 building four unit 401 Applicant after: Peng Dekang Address before: 610031 Sichuan city of Chengdu province Changqing Road No. 10, kumquat garden two:Nanyuan 2-1-7A Applicant before: Peng Dekang |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20121017 Termination date: 20130812 |