CN109519273A - 一种分置式超大膨胀比发动机及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分置式超大膨胀比发动机及调控方法，属于发动机领域，包括气体压缩装置、膨胀做功装置及高压管道，气体压缩装置、膨胀做功装置之间设有高压气罐，高压气罐通过高压管道与气体压缩装置、膨胀做功装置气路连接，膨胀做功装置的气缸容积＞进气自然体积。和普通奥拓循环内燃机不同，本分置式发动机将压气冲程移至做功缸外的气体压缩装置中进行，并设置高压气罐对压缩气体进行缓冲、稳压和暂存。通过一定的技术方案和调控方法，使得本发动机在各种工况下均能轻松地、低成本实现阿特金森循环，而且在小油门工况下实现膨胀比远大于压缩比，从而大幅降低油耗，小油门工况下尤其明显。

Description

一种分置式超大膨胀比发动机及调控方法

技术领域

本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种分置式超大膨胀比发动机及调控方法。

背景技术

在常规的奥拓循环内燃发动机中，在每次循环中四个冲程：进气冲程、压缩冲程、动力冲程和排气冲程均在一个气缸中完成，活塞的压缩行程和做功行程相等且小于气缸长度，压缩比和膨胀比相等且固定。结果1，活塞做功行程结束，缸内气体仍有较高的剩余气压，高温燃气未能充分膨胀做功，造成能量浪费，这点在大油门工况下表现尤甚；在普通四冲程发动机万有特征曲线图中也可看出，相同转速下，扭矩(油门)在中高值以上时，扭矩(油门)越大，燃料效率则急剧降低。结果2，小油门工况下，汽油机节气风门开度减小，每循环进气量显著减少，但是压缩终了时气体体积和大油门时一致，但密度减小了，这就造成点火燃烧时，缸内燃气温度、密度和气压均大幅减少，进而造成燃料效率低下；在普通四冲程发动机万有特征曲线图中也可看出，相同转速下，扭矩(油门)在中高值以下，扭矩(油门)越小燃料效率越低；柴油机也是如此，只是原因有所不同。结果3，由于压缩过程也在做功气缸内进行，压缩过程产生的高温无法有效降温，这就造成汽油机压缩比只能采用较低值，否则会造成爆震破坏，而低压缩比意味着低燃油效率。结果4，排气行程结束时仍有剩余容积，容积利用率低，并造成废气难以排空，进而造成一系列问题。结果5，为实现曲轴旋转一周完成一个动力冲程，要求配置两个内燃气缸。

事实上，市面上的汽车发动机属奥拓循环内燃机，而且汽油机居多，大部分发动机大部分时段运行在非中高扭矩(油门)这个工况下，故综合燃油效率很低，汽油机尤甚，甚至达不到15％。如能显著提高现有发动机的燃油效率，特别是提高非中高扭矩(油门)这个工况下的燃油效率，对实现节能减排，意义重大。

其他类似现有技术

阿特金森循环发动机：和奥拓循环发动机类似，属于四冲程，能实现膨胀比大于压缩比，但结构复杂，维修麻烦，压缩气体无法有效降温，用于汽油机时压缩比较低，燃油效率较低；

米勒循环发动机：与阿特金森差不多，都是属于四冲程，膨胀比大于压缩比，只不过采用的是气门早关实现，在进气行程结束前，提前关闭气门。缺点是高负荷是会导致发动机功率不足，低油门工况下压缩比降低较多，需要复杂的配气机构，压缩气体无法有效降温，用于汽油机时压缩比较低，燃油效率较低；

中国专利CN 102472152 A公开一种具有点火和充气模式的分开式循环空气混合动力发动机：属于分置式，即压缩和做功发生在不同气缸；其配气机构及配气调控相当复杂，压缩比不固定、不稳定，不利于发动机正常工作，且燃油效率较低；

中国专利CN107407190A公开一种分置循环发动机：属于分置式，其整体结构复杂，配气机构及配气调控相当复杂，压缩比不固定、不稳定，不利于发动机正常工作，燃油效率较低。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种分置式超大膨胀比发动机，将压缩和膨胀做功分开进行，通过一定的技术手段，使得在各种工况下均能轻松地、低成本实现阿特金森循环，而且在小油门工况下实现膨胀比远大于压缩比，从而大幅降低油耗，小油门工况下尤其明显。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

构造方案

一种分置式超大膨胀比发动机，包括气体压缩装置、膨胀做功装置、高压管道及高压气罐，所述高压气罐设在气体压缩装置和膨胀做功装置之间，该高压气罐通过高压管道与气体压缩装置、膨胀做功装置气路连接，所述膨胀做功装置的气缸容积＞最大进气自然体积＝最大泵气自然体积，确保其每周进气量达到最大时，膨胀比仍能大于压缩比，燃气能充分膨胀做功，从而提高燃油效率；所述的气缸容积指膨胀做功装置内可容纳工作气体的最大气腔总容积；所述的进气自然体积＝每周进入膨胀做功装置的气体在未进入发动机压缩装置之前自然状态下的体积；所述的泵气自然体积＝每周泵出气体压缩装置的气体在未进入发动机压缩装置之前自然状态下的体积；所述每周指膨胀做功装置每个做功循环。

本发明优选的技术方案在于，所述高压管道上还串接有散热单元，用于对汽油机之类的非压燃发动机的压缩气体降温，以便不发生爆燃的前提下提高压缩比，而较高的压缩比意味着更高的燃油效率。

本发明优选的技术方案在于，本分置式超大膨胀比发动机还包括有控制单元，该控制单元与气体压缩装置、膨胀做功装置及散热单元有控制性连接。该控制单元能根据一定规则，对气体压缩装置的每周泵气量、膨胀做功装置的每周进气量及散热单元的散热速度进行一系列有益控制。

所述的气体压缩装置，其优选的技术方案在于包括：气缸缸体，该缸体顶部装有上缸盖，缸体底部装有下缸盖，上下缸盖上均装有单向进气阀和单向排气阀，该缸体内有能往复滑动的活塞，该活塞上装有一固定直杆，该直杆穿过缸盖通过一活动连杆和曲轴相连接，该活塞将压气缸内腔分成上下两半，压气缸进气管上串接有节气阀，压气缸的上下气腔通过单向进气阀及进气管和该节气阀连通，压气缸的上下气腔通过单向排气阀和高压管道连通。优选的方案还在于活塞运行至上止点时，上气腔容积接近于零，活塞运行至下止点时，下气腔容积接近于零，其目的在于充分利用气缸容积。本方案的主要优点是曲轴旋转一圈能压缩两次，等效于工作容积加倍。

所述的膨胀做功装置，其优选的技术方案在于包括：做功缸缸体，该缸体顶部装有缸盖，该缸盖上装有进气阀和排气阀，所述缸体内有能往复滑动的活塞，该活塞通过活动连杆和曲轴相连接，做功缸内腔通过进气阀和高压管道连通、通过排气阀和排气管连通。膨胀做功装置的气缸容积＞其进气自然体积＝最大泵气自然体积，目的在于实现膨胀比大于压缩比。优选的方案还在于活塞运行至上止点时，气腔容积接近于零，目的在于使废气能完全排出，提高容积利用率。本方案的特点是曲轴旋转一圈能做功一次。

所述的高压气罐及高压管道，其优选的技术方案在于：高压气罐总容积+高压管道内气腔总容积＞膨胀做功装置每工作循环的最大进气体积×5，高压气罐容积足够大，才能对来流有很好缓冲和暂存作用，才能有效减少气压的脉动，其一边为膨胀做功装置提供稳定的高压气源，一边源源不断地获得压气装置输送来的压缩气体补充，维持着动态平衡，维持着压缩比及压强的稳定，确保发动机能正常稳定地工作。

调控方案

一种用于上述分置式超大膨胀比发动机的调控方法，包括以下步骤：

S01动力输出调控：对所述膨胀做功装置调控，改变该膨胀做功装置压缩气体的每周进气量，再根据每周进气量混入预设比例的燃料，每周能量和每周进气量成正比，因此控制该每周进气量等于控制着发动机的扭矩输出。

S02压缩比调控：根据膨胀做功装置每周进气量的大小，同步控制着压缩装置的每周泵气量，使其和膨胀做功装置每周进气量维持基本相等，以此同时，将压缩气体的压强值和预设值比较，对气体压缩装置的每周泵气量进一步控制，压强大于预设值时减少每周泵气量，反之加大每周泵气量，最终使进入膨胀做功装置的压缩气体的压强稳定在预设值，由于气体压强和压缩比成正比，故压缩比也稳定在相对固定的预设值。

S03最大每周进气量调控：当膨胀做功装置的最大每周进气量大于气体压缩装置的最大每周泵气量时，会造成压缩气体压强及压缩比大幅下降，发动机无法正常工作，故有必要对所述膨胀做功装置的最大每周进气量进行调控限制，具体控制方法是：控制单元对发动机进行探测，当探测到压缩装置的每周泵气量已经达最大无法再增加时，立即停止膨胀做功装置每周进气量的增加，同时将压缩气体的压强值和预设值比较，对膨胀做功装置的每周进气量进一步控制，当压强小于预设值时减少每周进气量，反之加大每周进气量，最终使进入膨胀做功装置的压缩气体的压强及压缩比稳定在预设值，使得最大每周进气量不超过最大每周泵气量，确保发动机能正常工作。

S04气体压缩装置的调控：上述优选的气体压缩装置的调控方法是1)曲轴旋转，通过连杆带动气缸内的活塞上下往复运动，活塞把气缸分成两半，上腔压气的同时下腔完成吸气，反之亦然；2)在单向阀的逆止作用下，被压缩的气体通过高压管道被导进高压气罐，同时，外界气体通过进气管及节气阀被吸进气缸；3)减小节气阀开度时，吸进气缸的气体真空度增大，密度减小，质量减少，每周泵气量也随之减少，反之每周泵气量加大，因此，通过改变节气阀的开度就可以控制气体压缩装置的每周泵气量。通过如此调控，使得该气体压缩装置能不断输出压缩气体且每周泵气量可调。

S05膨胀做功装置的调控：上述优选的膨胀做功装置的调控方法是1)曲轴旋转，通过连杆带动做功缸内活塞上下运动，当活塞到达上止点时，排气阀关闭，可控进气阀打开，活塞下行，来自高压气罐的压缩气体注入做功气缸，进气行程开始，当曲轴旋转角度到达关闭角时进气阀关闭，活塞的进气行程结束；2)由于进气阀关闭角和进气行程成正相关，进气行程和进气体积正相关，进气量＝进气体积×气体密度，因此，通过改变排气阀关闭角就可以控制膨胀做功装置的每周进气量；3)当进气阀关闭时点火，活塞继续下行，燃气膨胀推动活塞做功，活塞通过连杆推动曲轴旋转，将能量转化成轴功向外输出，直至活塞运行至下止点时，做功行程结束；4)曲轴继续旋转，带动活塞开始上行，这时打开排气阀，废气开始排出缸外，直至活塞运行至上止点时，关闭排气阀，废气被完全排出缸外，排气行程结束，进入下一做功循环。通过如此调控，确保该膨胀做功装置能正常工作且每周进气量可调。

S06对压缩气体温度的调控：1)所述控制单元将探测到的压缩气体的温度和预设值对比，当该温度大于预设值时加大散热单元的散热速度，反之则减慢散热，最终将进入膨胀做功装置的气体温度控制在预设值；2)在进入膨胀做功装置的气体温度受控且不发生爆燃的前提下，将汽油机之类的非压燃发动机的压缩比预设值尽量提高，从而提高燃油效率。

所述的预设比例、预设值指按一定算法得出的能满足需求的有益值，该值可以是在某区间变动的动态值；所述的每周指膨胀做功装置的每一做功循环；所述的进气量及泵气量指气体重量或质量。

本发明的有益效果为：

1、各种工况下膨胀比大于压缩比

为理解本发明的优势和有益效果，对本发明装置的膨胀比与压缩比的关系进行梳理如下：

膨胀比＝气缸容积/进气体积

压缩比＝进气自然体积/进气体积

气缸容积＞最大进气自然体积＝最大泵气自然体积(本发明的特征)

从上述三个公式推出，膨胀比/压缩比＞最大进气自然体积/进气体积

因为，最大进气自然体积/进气体积＝最大每周进气量/每周进气量

所以，膨胀比/压缩比＞最大每周进气量/每周进气量(公式1)

因为，最大每周进气量＝最大每周泵气量

所以，膨胀比/压缩比＞最大每周泵气量/每周进气量(公式2)

从公式1和公式2可以看出：当每周进气量达到最大每周进气量或最大每周泵气量时，膨胀比仍能大于压缩比；当每周进气量小于最大每周进气量或最大每周泵气量时，膨胀比远大于压缩比。

注：

所述的气缸容积＝膨胀做功装置内可容纳工作气体的最大气腔总容积

所述的进气自然体积＝每周进入膨胀做功装置的气体在未进入发动机压缩装置之前自然状态下的体积；

所述的泵气自然体积＝气体压缩装置每周泵出的气体在未进入发动机压缩装置之前自然状态下的体积；

所述每周＝膨胀做功装置每个做功循环。

2、本发动机在小油门工况下，做功缸每周进气量减少，但是进入做功缸的压缩气体的气压、空燃比、等效压缩比和密度并未改变，点火燃烧时，缸内气体温度、密度和气压均未减少(和大油门工况比)，因而燃料效率并未降低，又由于进气行程远小于活塞总行程，膨胀比极大，膨胀比远大于压缩比，燃气能充分膨胀做功，故燃油效率反而提高。由于做功缸气缸容积＞最大进气自然体积，大油门工况下，膨胀比仍大于等效压缩比，燃气也能充分膨胀做功，故燃油效率也能得到很大的提高(和普通发动机比)。本发明无需复杂的机械结构，在各种工况下均能轻松地、低成本实现阿特金森循环(即膨胀比大于压缩比)，而且在小油门工况下实现膨胀比远大于压缩比。因此各种工况下匀能大幅降低油耗，小油门工况下尤其明显。

3、本发明通过加装散热单元降低压缩气体温度，使提高汽油机之类非压燃发动机等效压缩比成为可能，从而提高汽油机的整体燃油效率。由于温度可控，还使得该装置可以适应多种燃点不一的燃料，包括氢气、天然气等绿色能源，具有更好的适用性。

4、普通奥拓循环发动机为实现曲轴旋转一周完成一个动力冲程，要求配置两个内燃气缸。为实现曲轴旋转一周完成一个动力冲程，本发动机需要配置一个内燃气缸和一个压气气缸，但是压气气缸无需在高温高压的极端工况下工作，壁厚、材质强度、散热难度、重量、制造难度等较小，因而整体制造成本较低。本发明压气缸内压缩气体能完全排出，充分利用了缸内容积，又由于曲轴旋转一周能泵气两次，能有效提高整机容积功率，从而整体制造成本进一步降低。

5、本发明方案的优势还在于压缩比是相对固定值并且该预设值可调。压缩比相对固定有益于发动机稳定工作、精确调控和性能稳定，例如小油门工况下压缩比不会减小，热效率不会因此降低。预设值可调有益于发动机工作在最佳状态并提高发动机的适应性，例如选用不同的预设值可以适应多种燃点不一的燃料，再例如根据发动机不同转速，适时选用更匹配的预设值，以便发挥发动机最佳性能。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的实施例一的结构原理示意图；

图2是本发明具体实施方式中提供的实施例一的控制原理示意图；

图3是本发明具体实施方式中提供的实施例二的结构原理示意图；

图中：

11、电子节气阀；12、单向进气阀；13、压气缸；14、单向排气阀；15、压气活塞；16、固定连杆；17、连杆；21、高压管道；22、缓冲高压气罐；23、高压气罐；24、气压传感器；25、温度传感器；26、散热控温单元；31、相控进气阀；32、做功缸；33、排气阀；34、做功活塞；35、连杆；36、火花塞；41、气源进气口；42、气滤；43、尾气氧传感器；5、曲轴；61、微机控制中心；62油门踏板。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

名词解释

为充分理解本发明方案，对可能会应用于现有技术中公开的发动机和在本申请中涉及的术语提供解释和定义如下：

工质：即发动机的工作介质，这里指空气。

工况：发动机所处的工作状况，主要指扭矩(油门)、转速等。

压缩比：指奥拓循环发动机活塞在下止点时气缸内的最大容积与活塞在上止点时气缸内的最小容积之比，即为压缩比，压缩比可以表示气体被压缩的程度。这里的等效压缩比指空气被压缩后与压缩前(外界空气密度)的密度比，它主要由高压气罐中空气的压强和温度决定，是个相对固定的预设值。

膨胀比：膨胀比是内燃机做功冲程结束时气缸容积与做功冲程开始时气缸容积之比，一般内燃机(奥托循环)膨胀比与压缩比是相等的，是个固定值。这里的膨胀比＝做功结束时气缸容积/做功气缸进气体积＝做功结束时气缸容积/燃气做功开始时气缸容积，它随油门减小逐渐增大，随油门增大逐渐减小，是个变化值。

进气行程：这里指做功缸进气阀从打开到关闭的进气期间，做功缸活塞的行进路程，进气行程的大小和进气阀的关闭角、做功缸每周进气量、发动机扭矩正相关，是个变动值。

做功行程：这里指点火做功开始到燃气做功结束、活塞运行至下止点期间，做功缸活塞的行进路程。做功行程＝总行程(固定值)－进气行程(变动值)，它和进气阀的关闭角、做功缸每周进气量、发动机扭矩负相关，是个变动值。

相位角：定义做功缸内活塞在上止点时曲轴相位角为0°，做功活塞运行至下止点时相位角为180°，做功气缸进气行程对应的相位角为0°～关闭角，做功气缸做功行程对应的相位角为关闭角～180°，做功气缸排气行程对应的相位角为180～360°，所述的关闭角指相控进气阀31关闭时，曲轴所处的相位角，是受控的变动值。

预设值：这里的预设值是指控制中心微机根据预先存入的实验数据、用户意图与需求、各传感器传来的信号、发动机工况等，按照一定算法得出的最佳合理值，此数值可以是动态值。

其他说明：实施例中优选的，节气阀采用电子节气阀11，控制单元配置为微机控制中心61。

实施例一

如图1图2所示，本实施例中提供的一种分置式超大膨胀比发动机技术方案，主要适用于柴油类的压燃式发动机，具体实施方式包括以下步骤：

空气的压缩与储存

曲轴5旋转，通过固定连杆16、连杆17带动压气缸13内的活塞15上下往复运动，活塞15把气缸13分成两半，上腔压气的同时下腔完成吸气，反之亦然。

在单向阀12、14的逆止作用下，被压缩的空气通过高压管道21先进入缓冲气罐22缓冲，再被导进高压气罐23暂存，同时外界空气通过供气管路被顺利吸进压气气缸13。缓冲气罐22的作用在于缓冲、减缓气流脉动并减小有害的振动。

本实施例优选的方案还在于活塞15到达上下止点时上下腔剩余容积均接近于零，目的是为了能完全排气、充分利用缸内容积，又由于曲轴5旋转一周泵气两次，等效于工作容积加倍，效率加倍，故能有效提高整机容积功率。

每周泵气量的控制

减小电子节气阀11开度时，吸进压缩气缸13的气体真空度增大，密度减小，质量减少，每周(指曲轴旋转一周，余同)泵气量也随之减少，反之每周泵气量加大，因此，通过改变节气阀11的开度就可以控制气体压缩装置的每周泵气量。

气压及压缩比控制

缓冲气罐22和高压气罐23总容积＞膨胀做功装置每工作循环的最大进气体积×5－高压管道21内气腔总容积，高压气罐容积足够大，对来流有很好缓冲和暂存作用，能有效减少气压的脉动，其一边为做功做功缸32提供稳定的高压气源，一边源源不断地获得压气缸13输送来的压缩空气补充，维持着动态平衡，维持着压缩比及压强的稳定，确保发动机能正常稳定地工作。高压气罐23内设有气压传感器，当高压气罐23出气量与进气量不平衡时，高压气罐23气压会小幅升降，罐内气压传感器24将该变化反馈给微机控制中心61。

微机控制中心61根据做功缸进气阀31关闭角的大小，同步改变电子节气阀11的开度，使压气缸13每周泵气量和做功缸32每周进气量维持基本相等，以此同时，将高压气罐23内气压和预设值比较，对每周泵气量进一步控制，压强大于预设值时减少每周泵气量，反之加大每周泵气量，最终使压缩气体的压强稳定在预设值，由于气体压强和压缩比成正比，故压缩比也稳定在相对固定的预设值。

做功缸的进气及进气控制

曲轴5旋转通过连杆35带动做功缸内活塞34上下往复运动，当活塞34到达上止点时，排气阀33关闭，相控进气阀31打开，活塞34开始下行，来自高压气罐23的压缩空气注入做功气缸32，进气开始。

每周进气量及动力输出控制：微机控制中心61根据油门踏板62传来的信号，对相控进气阀31关闭角进行控制，当曲轴5旋转相位角到达关闭角时相控进气阀31关闭，进气行程结束，进气停止，由于相控进气阀31关闭角和进气行程成正相关，进气行程和进气体积正相关，进气量＝进气体积×气体密度，因此通过改变相控进气阀31关闭角就可以实现对每周进气量的控制。由于本实施例中空气燃料混合比是相对固定的预设值，能量和每周进气量成正比，因此控制做功缸的每周进气量等于控制着发动机的扭矩输出。

最大每周进气量控制：当做功装置最大每周进气量大于气体压缩装置的最大每周泵气量时，会造成压缩气体压强及压缩比大幅下降，发动机无法正常工作，故有必要对做功装置的最大每周进气量进行调控限制，具体控制方法是：微机控制中心61对电子节气阀11开度进行探测，当探测到电子节气阀11开度已经达最大无法再增加时，立即停止相控进气阀31关闭角的增加，即每周进气量不再增加，与此同时，将压缩气体的压强值和预设值比较，对做功缸32的每周进气量进一步控制，当压强小于预设值时减少每周进气量，反之加大每周进气量，最终使进入做功缸32的压缩气体的压强及压缩比稳定在预设值，使得最大每周进气量不超过最大每周泵气量，确保发动机能正常稳定工作。

燃料的混入与点火

喷油嘴应安装在做功缸进气口等气流湍急处，利用高速、高压、高温的进气气流快速混合油气。本实施例采用柴油之类的低燃点燃料，故只能采用缸内直喷，在进气阀31关闭，进气结束后快速喷入，利用压缩空气的高温直接点火燃烧。

每周喷油量根据做功缸32的每周进气量、尾气氧传感器43的信号、用户意图等，并结合各种工况和需要，由微机控制中心61精确控制，如需要节能则减少喷油量，使空燃比稳定在经济运行区间，如需要高性能则加大喷油量，使空燃比稳定在满足高性能需要的运行区间。

本发明中，压缩空气是以极高的速度在很短的时间内流入做功缸32的，在缸内会形成很强的涡流，这有利于燃料混合及火焰快速传播，加快燃烧速度。而燃烧速度越快，热效率就越高。

燃气膨胀做功

点火后，活塞34继续下行，燃气做功行程开始。混合油气快速燃烧，做功缸32内温度、气压急剧升高，高温高压的燃气膨胀，推动活塞34做功。活塞再通过曲轴连杆35推动曲轴6继续旋转，将能量转化成轴功向外输出。直至活塞35运行至下止点时，做功行程结束。

大油门工况下，每周进气量较大，由于做功缸32气缸容积＞最大进气自然体积(本发明的特征)，即使每周进气量最大，动力输出达到最大时，膨胀比仍大于等效压缩比，燃气也能充分膨胀做功，故燃油效率也能得到很大的提高(和普通发动机比)。在小油门工况下，做功缸每周进气量减少，但是进入做功缸的压缩气体的气压、空燃比、等效压缩比和密度并未改变，点火燃烧时，缸内气体温度、密度和气压均未减少(和大油门工况比)，因而燃料效率并未降低，又由于进气行程远小于活塞总行程，进气体积远小于膨胀后的体积，膨胀比极大，膨胀比远大于压缩比，燃气能充分膨胀做功，故燃油效率反而提高。

排出废气

活塞34运行至下止点，做功行程结束后，做功缸32的排气阀33立即打开，排气行程开始。在曲轴5惯性转动力的推动下，活塞34开始上行，废气被排出缸外，直至活塞运行至上止点时，排气阀33关闭，废气被完全排出缸外，排气行程结束。紧接着，做功缸进入下一工作循环。

本实施例优选的方案还在于做功缸活塞34运行至上止点时，气缸容积接近于零，故废气能完全排出缸外，解决了普通奥拓循环发动机废气难以完全排出以及因此造成的一系列麻烦问题，而且提高容积利用率。

实施例二

本实施例提供的发动机技术方案，主要适用于汽油类的非压燃式发动机或汽柴油双模发动机。

如图3所示，本实施例和实施例一基本相同，区别主要在于：在高压管道21上串接有散热控温单元26，同时在高压气罐23内靠近出气口处加设有温度传感器25，做功气缸内加装有火花塞36。

区别还在于压缩空气温度的控制：高压气罐32内靠近出气口处还设有温度传感器25对流进做功气缸32的气体温度进行探测，并反馈给微机控制中心61，微机控制中心61将反馈值和预设值比对后，控制散热控温单元26的散热速度，当该温度大于预设值时加大散热单元的散热速度，反之则减慢散热，从而改变管内流动气体温度，最终将压缩气体温度稳定在符合要求的预设值。高温有利油气快速混均和加快燃烧速度因而节油，低温则能防止汽油机爆燃敲缸，需根据实验找到最佳平衡点。此外，釆用微机控制中心61控制压缩空气的预设温度，还使得该装置可以适应多种燃点不一的燃料，具有更好的适用性。当发动机工作在柴油类模式时，则将该散热控温单元26旁路，使其失效。

区别还在于喷油和点火：当使用汽油类燃料时，喷油方式可以采用缸外或缸内，也可釆用缸外预喷和缸内直喷相结合的方式，这样更有利于油气混和，喷油嘴应安装在做功缸进气口等气流湍急处，利用高速、高压、高温的进气气流快速混合油气。做功缸进气开始时喷油开始，当进气行程结束时，喷油也随之停止。点火的时机由微机控制中心61控制，当进气阀31关闭，进气行程结束时，火花塞36点火，如出现爆燃敲缸异常情形，可将点火时机适当延后来迅速解决。

实施例三

本实施例提供的方案，主要用于改善实施例一、二中所述发动机的泵气损失，具体的方案在于：采用晚关单向阀代替实施例一、二中压气气缸的单向进气阀12，相应的电子节气阀11取消。

在小油门工况下，电子节气阀11开度较小，气阻较大，因此泵气损失较大。如果要减少这部份能量损失，则釆用进气门晚关单向阀代替压气缸的单向进气阀12，相应的电子节气阀11取消。进气门晚关单向阀的工作原理是：通过控制晚关单向阀延迟关闭一定的相位角，在压气行程中使一定量的空气吐回进气管道，使每次泵气减少一定量的体积，从而实现对每周泵气量进行控制。由于取消电子节气阀1，泵气损失大幅减小。

各种空气管路、空气阀门应优先选用口径较大、内壁光滑元件，尽量减少气阻、减少泵气损失。

采用该方案的缺点是配气机构较复杂，制造成本会有所增加。

另外，本发明中仅需在气体压缩装置和膨胀做功装置之间增设专用的高压气罐等组件并采取一定控制方法，还可以实现汽车制动能量的回收与利用。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种分置式超大膨胀比发动机，包括气体压缩装置、膨胀做功装置及高压管道，其特征在于：还包括该气体压缩装置、膨胀做功装置之间设有高压气罐，该高压气罐通过高压管道与气体压缩装置、膨胀做功装置气路相连，该膨胀做功装置的气缸容积＞进气自然体积；

所述的气缸容积＝膨胀做功装置内可容纳工作气体的最大气腔总容积；

所述的进气自然体积＝每做功循环进入膨胀做功装置的气体在未进入发动机压缩装置之前自然状态下的体积。

2.根据权利要求1所述的分置式超大膨胀比发动机，其特征在于：

所述的高压管道上串接有散热单元。

3.根据权利要求2所述的分置式超大膨胀比发动机，其特征在于：

还包括控制单元，所述控制单元与所述的气体压缩装置、膨胀做功装置之间有控制性连接。

4.根据权利要求1或2或3任一项所述的分置式超大膨胀比发动机，其特征在于：

所述的气体压缩装置包括压气缸，所述压气缸顶部装有上缸盖，所述压气缸底部装有下缸盖，上下缸盖上均装有单向进气阀和单向排气阀，所述压气缸内有能往复滑动的活塞，该活塞上装有一固定直杆，直杆穿过缸盖通过一活动连杆和曲轴相连接，该活塞将压气缸内腔分成上下两半，在压气缸的进气管上串接有节气阀，压气缸的上下气腔通过单向进气阀及进气管和该节气阀连通，压气缸的上下气腔通过单向排气阀和高压管道连通。

5.根据权利要求1或2或3任一项所述的分置式超大膨胀比发动机，其特征在于：

所述的膨胀做功装置包括做功缸缸体，该缸体顶部装有缸盖，该缸盖上装有进气阀和排气阀，该缸体内有能往复滑动的活塞，该活塞通过活动连杆和曲轴相连接，做功缸内腔通过进气阀和高压管道连通、通过排气阀和排气管连通。

6.根据权利要求1或2或3任一项所述的分置式超大膨胀比发动机，其特征在于：

所述的高压气罐总容积+高压管道内气腔总容积＞所述的膨胀做功装置每工作循环的最大进气体积×5。

7.一种用于权利要求1～6所述的发动机的调控方法，其特征在于包括以下步骤：

S00动力输出调控：对所述的膨胀做功装置调控，改变该膨胀做功装置压缩气体的每周进气量，再根据每周进气量混入一定比例的燃料，每周能量和每周进气量成正比，从而通过改变每周进气量调控着发动机的扭矩输出；

S10压缩比调控：根据膨胀做功装置每周进气量的大小，同步控制压缩装置的每周泵气量，使其和该膨胀做功装置每周进气量维持基本相等，同时将压缩气体的压强值和预设值比较，对气体压缩装置的每周泵气量进一步控制，大于预设值时减少泵气量，反之加大每周泵气量，最终使进入膨胀做功装置的压缩气体的压强稳定在预设值，由于气体压强和压缩比成正比，故压缩比也稳定在相对固定的预设值；

所述的预设值指能满足需求的有益值，该值可以是在某区间变动的动态值；

所述的每周指膨胀做功装置的每一做功循环；

所述的进气量及泵气量指气体重量或质量；

S20膨胀做功装置最大每周进气量调控：控制单元对发动机进行探测，当探测到压缩装置的每周泵气量已经达最大无法再增加时，立即停止膨胀做功装置每周进气量的增加，同时将压缩气体的压强值和预设值比较，对膨胀做功装置的每周进气量进一步控制，当压强小于预设值时减少每周进气量，反之加大每周进气量，最终使进入膨胀做功装置的压缩气体的压强及压缩比稳定在预设值，使得最大每周进气量不超过最大每周泵气量，确保发动机能正常工作。

8.根据权利要求7所述的发动机调控方法，其特征在于：

对压缩气体温度的调控方法，其步骤如下：

S30所述控制单元将探测到的压缩气体的温度和预设值对比，当该温度大于预设值时加大散热单元的散热速度，反之则减慢散热，最终将进入膨胀做功装置的气体温度控制在预设值；

S40在发动机不发生爆燃的前提下，将汽油机之类的非压燃发动机的压缩比预设值提高。

9.根据权利要求7或8所述的发动机调控方法，其特征在于：

气体压缩装置的调控方法，其步骤如下：

S50曲轴旋转，通过连杆带动压气缸内的活塞上下往复运动，活塞把压气缸分成两半，上腔压气的同时下腔完成吸气，反之亦然；

S60在单向阀的逆止作用下，被压缩的气体通过高压管道被导进高压气罐，同时，外界气体通过进气管及节气阀被吸进气缸；

S70减小节气阀开度时，吸进压气缸的气体真空度增大，密度减小，质量减少，每周泵气量也随之减少，反之每周泵气量加大，因此，通过改变节气阀的开度就可以控制气体压缩装置的每周泵气量。

10.根据权利要求7或8所述的发动机调控方法，其特征在于：

膨胀做功装置的调控方法，其步骤如下：

S80曲轴旋转，通过连杆带动做功缸内活塞上下运动，当活塞到达上止点时，排气阀关闭，可控进气阀打开，活塞下行，来自高压气罐的压缩气体注入做功气缸，进气行程开始，当曲轴旋转角度到达关闭角时进气阀关闭，活塞的进气行程结束；

S90由于进气阀关闭角和进气行程成正相关，进气体积和进气行程正相关，进气量＝进气体积×气体密度，因此，通过改变排气阀关闭角就可以控制所述膨胀做功装置的每周进气量；

S100做功活塞继续下行，燃气膨胀推动做功活塞做功，做功活塞再通过曲轴连杆推动曲轴旋转，将能量转化成轴功向外输出，直至做功活塞运行至下止点时，做功行程结束；

S110曲轴继续旋转，带动做功活塞开始上行，这时打开排气阀，废气开始排出做功缸外，直至做功活塞运行至上止点时，关闭排气阀，废气被完全排出做功缸缸外，排气行程结束，进入下一做功循环。