混合動力柔性發動機的製作方法

2023-06-13 06:28:11

專利名稱：混合動力柔性發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能與計算機技術完美結合的、用於汽車動力的，混合動力柔性發動機。
背景技術：
現有發動機都是自身完成吸氣和壓縮功能的整體式發動機。從技術層面上來看，這種整 體式發動機已十分優秀和完善。但是，由於它缺乏柔性、難以組織成最優化的工作模式，在"節 能、減排"方面，巳經難以取得長足的進展。面對"環保和能源"方面的巨大社會壓力，需 對發動機實施重大變革。
現有發動機在"節能、減排"方面難以取得長足進展的主要障礙是
1. 要大幅度提高燃油效率，就得大幅度的提高發動機的壓縮比；但是"爆震"問題是無法逾越 的障礙。
2. 要大幅度降低有害排放物、降低廢氣中的NOx的含量，就得確保燃油充分的燃燒並大幅度 降低氣缸內混合氣燃燒溫度和燃燒溫度的峰值(一般希望燃燒溫度的峰值不超過1372'C)， 但是、現有發動機根本無法很有效的控制混合氣燃燒以及燃燒溫度和燃燒溫度的峰值。
3. 能源利用形式單一。

發明內容
為了克服現有發動機在"節能、減排"方面的不足之處，本發明提供一種工作模式可以 靈活組織的混合動力柔性發動機。混合動力柔性發動機的工作模式由ECU的監控軟體所確定， ECU能有效的控制混合動力柔性發動機在全工況內都運行於最佳狀態。混合動力柔性發動機 的性能也隨著ECU監控軟體升級而提高。
為了實現上述發明目的，本發明的技術方案是
1. 混合動力柔性發動機的高壓內燃機(1)只有做功行程和排氣行程，無吸氣行程和壓縮 行程。高壓內燃機(1)燃燒室內應用的高壓空氣由高壓儲氣罐(14)供給。高壓內燃機(1) 的充氣由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)獨立完成，排氣則由ECU控制的液壓伺服高壓 氣門(23)獨立完成。高壓內燃機(1)通過齒輪Zi、 Z2和電磁離合器(4)按需拖動空氣壓 縮機(2)、 (2h)壓縮空氣；負載慣性轉軸則通過齒輪Z3、 Z4和電磁離合器(4)拖動空氣壓 縮機(2)、 (2h)壓縮空氣，空氣壓縮機(2)、 (2h)主要用於發動機續航和輕載、空載或負 載制動時回收動能。這樣一來發動機的各工作過程、及其工作狀態都可單獨調控，因此，為 ECU提供了一個柔性的環境。其中最重要的是讓ECU能方便、靈活的為發動機全工況都 組織好最優化的工作模式，並實施有效的控制。
2. 為了更加節省燃料和更進一步減少有害氣體排放；引入了更低成本的壓縮空氣動能，省 去了靠燃燒燃料來完成的吸氣行程和壓縮行程。
3. 高壓內燃機(1)燃燒室內採用直接充入調溫後的超高壓空氣(20~30Mpa)與霧狀燃 油迅速混合形成均勻的燃油混合氣，電火花正時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功的方式。由 於燃燒室內、燃油混合氣點火前的壓力越髙、其燃點將越低、越有利於燃油混合氣低溫燃燒、 燃燒越充分；所以，能方便的組織燃油混合氣在高壓內燃機(1)燃燒室內平穩的快速低溫燃 燒，既徹底解決了排放問題、又獲得極高的燃油燃燒效率。
混合動力柔性發動機的基本工作方式是
高壓儲氣罐(14)輸出的高壓空氣、被進氣溫度控制器(7)調溫後，當高壓內燃機(1)排氣行程結束、轉向做功行程時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量 高速噴入高壓內燃機(1)的燃燒室、與由ECU控制的壓電式噴嘴同步噴入燃燒室的霧狀燃 油迅速混合形成均勻的燃油混合氣，待電火花正時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功。 本發明與現有發動機相比較具有如下優點
1. 混合動力柔性發動機能精確的控制燃燒室內髙壓可燃混合氣著火前的溫度，而有效的組織 高壓可燃混合氣平穩快速低溫燃燒，因此，發動機可以有效地控制氮氧化合物(NOx)和 一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)的排放，在環保方面的優勢非常明顯。
2. 混合動力柔性發動機能完全消除"爆震"其壓縮比很高，而極大的提高燃油效率；而且適 用燃料的範圍大大拓寬，可以使用低標號的車用汽油和廉價的車用燃料(含大量正庚烷)。
3. 由於燃燒室內高壓可燃混合氣是平穩快速低溫燃燒，燃燒氣體和缸壁表面之間的溫差AT 小、流向缸壁的熱量也小；發動機溫升低無需專門冷卻，熱能不會被冷卻液帶走而保留在 燃燒氣體內膨脹做功。噴入燃燒室內的高壓空氣溫度不高，很快從較熱的缸壁吸收熱量而 升溫升壓、回收以前流向缸壁的熱能，參與做功。所以，混合動力柔性發動機能量損失極 小，而不像現有發動機將燃燒氣體的大部分熱量讓冷卻液白白帶走。
4. 由於混合動力柔性發動機採用高壓儲氣罐(14)輸出的髙壓空氣、預置高壓燃油混合氣的 供給形式來代替理想氣體動力循環中的等熵絕熱壓縮過程；因而，其能量密度可比現有發 動機提高很多。
5. 混合動力柔性發動機的ECU能方便的根據負載所需功率大小"自適應"的調控燃燒室內 可燃混合氣充量、壓力、溫度以及空燃比；而避免大馬拉小車的浪費現象。
6. 噴入燃燒室內的髙壓空氣溫度不髙而密度大，進入燃燒室內的空氣密度與現有發動機相比 將大幅度提高。而空氣密度越大，功率越大，所以，與現有同排量的發動機相比其輸出的 功率大很多。混合動力柔性發動機不是由高壓空氣內燃氣缸來完成吸氣和壓縮，受高寒地 區的低氣壓影響較現有發動機小因此，也更適合高原地區使用。
7. 混合動力柔性發動機能完美繼承現有發動機的先進技術，直接利用現有發動機生產企業和
現有空壓機生產企業的工藝及技術裝備、無特殊製造工藝要求和無需添置專用設備。混合 動力柔性發動機結構簡單、製造工藝性好、造價低、維修簡便，適用於各種類型的汽車， 在汽車中應用其布局方便。
8. 混合動力柔性發動機特別適合於汽車需要頻繁起步、變速的城市交通環境使用；在汽車處 於低功耗運行狀況時可以使發動機處於對應的最佳狀態運行，同時可用增加空氣壓縮機 負荷的方式將發動機多餘的動力轉化成壓縮空氣儲蓄至髙壓儲氣罐中。當汽車遇到紅燈或 需臨時停車時運行在最佳狀態的發動機，將全力拖動空氣壓縮機對高壓儲氣罐充氣儲能。
9. 混合動力柔性發動機所需的高壓空氣可直接由地面高壓供氣站將高壓空氣充入車載儲氣 罐內供發動機使用，以實現極大限度的降低燃油消耗和降低對空氣的汙染。同時、由於供 氣站充氣的成本比車上用燃油動力充氣的成本低很多、而大大的降低了汽車的運行成本。 而且地面髙壓供氣站可在電網處於供電低谷時段用電，使運行成本近一步降低並改善了電 網的運行。混合動力柔性發動機上的空氣壓縮機僅用於汽車輕載、減速、制動時回收汽車 動能或續航備用。
10. 發動機具備自起動功能可即時起動正常運轉，無需苔速運轉狀態、也無需配套起動電機。


圖1是本發明的系統結構示意圖。
圖中，l.高壓內燃機，2.空氣壓縮機，3.曲軸，4.電磁離合器，5.單向閥，6.輸氣管道， 7.進氣溫度控制器，8.進氣管道，9.輸氣管道，IO.順序閥，ll.輸氣管道，12.空氣冷卻器， 13.輸氣管道，14.高壓儲氣罐，15.氣溫、氣壓傳感器，16.輸氣管道，17.電磁換向閥，18. 輸氣管道，19.氣溫傳感器，20.高壓內燃機綜合傳感器，21.燃燒室氣溫、氣壓、氧傳感器， 22.液壓伺服高壓氣門，23.液壓伺服高壓氣門，SJX.數據線，KZX.控制線。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明浪合動力柔性發動機作進一步詳細的說明。
混合動力柔性發動機主要由髙壓內燃機(1)和空氣壓縮機(2)，高壓儲氣罐(14)這三 個主體；以及進氣溫度控制器(7)，電子控制器ECU、及傳感器組件(15、 19、 21…) ，等 組合而成。其中髙壓內燃機(1)是由現有缸內直噴(或普通進氣道噴射)、火花點火式汽油 機的基礎上改造而成；主要的改造工作是將一個由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)和一 個由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)去取代現有發動機的凸輪軸系統和進、排氣門系統。 其二、空氣壓縮機(2)、 (2h)為現成商品；推薦選用重慶大學設計的那種變壁厚髙壓縮比渦 旋壓縮機。其三、進氣溫度控制器(7)可選用變頻熱泵輔助調溫。其四、高壓儲氣罐(14) 為現成碳纖維高壓空氣儲氣罐。其五、電子控制器ECU存儲有大量的以實驗數據和經練數據 為依據的監控程序、供ECU自適應選擇性調用；ECU負責釆集各傳感器組件(15、 19、 21…) 的檢測數據，並為高壓內燃機(1)的燃燒室內組織最佳的可燃混合氣溫度、空燃比、壓力及 可燃混合氣充量，以及排氣、充氣、點火正時控制。
第一實施例
高壓儲氣罐(14)輸出的高壓空氣、依次經過輸氣管道(16)、電磁換向閥(17)、輸氣 管道(18)、輸氣管道(6)、進入進氣溫度控制器(7)，進氣溫度控制器(7)先按ECU預定 值將輸入的高壓空氣進行溫度調製；當高壓內燃機(1)排氣行程結束、轉向做功行程時，由 ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)關閉，排氣結束調溫後的髙壓空氣經過進氣管道(8)、 由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量高速噴入高壓內燃機(1)的燃燒 室與由ECU控制的壓電式噴嘴(圖l中未標示)同步噴入燃燒室的霧狀燃油迅速混合、形成 均勻的燃油混合氣，並且燃油混合氣在燃燒室內迅速吸收缸內餘熱而升溫升壓提高易燃性； 待電火花正時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功當高壓內燃機(1)活塞向下移動到下死點附 近時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)正時開啟、高壓內燃機(1)做功行程結束而 進入排氣行程；當高壓內燃機(1)活塞又向上移動到上止點TDC附近時，由ECU控制的液 壓伺服髙壓氣門(23)關閉，排氣結束；高壓內燃機(1)便完成一次工作循環。
第二實施例
混合動力柔性發動機冷起動時高壓儲氣罐(14)輸出的高壓空氣、依次經過輸氣管道 (16)、電磁換向閥(17)、輸氣管道(18)、輸氣管道(6)、進入進氣溫度控制器(7),進 氣溫度控制器(7)先按ECU預定值將輸入的高壓空氣進行溫度調製；然後ECU將過上止點 TDC最近的那個氣缸的液壓伺服高壓氣門(23)關閉，調溫後的高壓空氣經過進氣管道(8) 由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量噴入那個氣缸的燃燒室與由ECU控 制的壓電式噴嘴(圖l中未標示)同步噴入燃燒室的霧狀燃油迅速混合、形成均勻的燃油混 合氣，電火花點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功；當高壓內燃機(1〉那個氣缸活塞向下移動到 下死點附近時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)開啟、高壓內燃機(1)做功行程結 束而進入排氣行程；當高壓內燃機(1)排氣行程結束、轉向做功行程時，由ECU控制的液 壓伺服高壓氣門(23)關閉，排氣結束；調溫後的高壓空氣經過進氣管道(8)、由ECU控制 的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量高速噴入高壓內燃機(1)的燃燒室與由ECU 控制的壓電式噴嘴(圖l中未標示)同步咖入燃燒室的霧狀燃油迅速混合、形成均勻的燃油 混合氣，並且燃油混合氣在燃燒室內迅速吸收缸內餘熱而升溫升壓提高易燃性；待電火花正 時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功；當高壓內燃機(1)活塞向下移動到下死點附近時，由 ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)正時開啟、高壓內燃機(1)做功行程結束而進入排氣行 程；當高壓內燃機(1)活塞又向上移動到上止點TDC附近時，由ECU控制的液壓伺服高壓 氣門(23)關閉，排氣結束；高壓內燃機(1)便進入正常工作循環。
第三實施例
當高壓儲氣罐(14)儲存的高壓空氣快用完，需續航時ECU控制高壓內燃機(1)通過
6齒輪Zi、 Z2和電磁離合器(4)拖動空氣壓縮機(2)、 (2h)壓縮空氣；空氣壓縮機(2)、 (2h) 輸出的高壓空氣依次經過單向閥(5)、輸氣管道(6)、進入進氣溫度控制器(7)，進氣溫度 控制器(7)先按ECU預定值將輸入的髙壓空氣進行溫度調製；當髙壓內燃機(1)排氣行程 結束、轉向做功行程時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)關閉，排氣結束；調溫後的 高壓空氣經過進氣管道(8)、由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量高速 噴入髙壓內燃機(1)的燃燒室、與由ECU控制的壓電式噴嘴(圖l中未標示)同步噴入燃 燒室的霧狀燃油迅速混合、形成均勻的燃油混合氣，並且燃油混合氣在燃燒室內迅速吸收缸 內餘熱而升溫升壓提高易燃性；待電火花正時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功；當髙壓內燃 機(1)活塞向下移動到下死點附近時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)正時開啟、 高壓內燃機(1)做功行程結束而進入排氣行程；當高壓內燃機(1)活塞又向上移動到上止 點TDC附近時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)關閉，排氣結束；高壓內燃機(1) 便完成一次工作循環。 第四實施例
當髙壓儲氣罐(14)需在旅途中充氣時、或者混合動力柔性發動機輕載或空載時；ECU 控制高壓內燃機(1)通過齒輪Zi、 Z2和電磁離合器(4)拖動空氣壓縮機(2)、 (2h)壓縮空 氣，空氣壓縮機(2)、 (2h)輸出的髙壓空氣依次經過單向閥(5)、輸氣管道(6)、輸氣管道
(9)、順序閥(10)、輸氣管道(11)、空氣冷卻器(12)、輸氣管道(13)向高壓儲氣罐(14) 充氣或回收動能。當混合動力柔性發動機的負載進入預製動或汽車下坡時；ECU控制高壓內 燃機(1)關機，並通過負載慣性轉軸、齒輪Zs、 Z4和電磁離合器(4)拖動空氣壓縮機(2)、
(2h)壓縮空氣，空氣壓縮機(2)、 (2h)輸出的高壓空氣依次經過單向閥(5)、輸氣管道(6)、 輸氣管道(9)、順序閥(10)、輸氣管道(11)、空氣冷卻器(12)、輸氣管道(13)向高壓 儲氣罐(14)充氣回收動能。
本發明不局限於所示的實施例，在所附權利要求的範圍內可以進行各種變型。以上對本 發明及其實施方式的描述是示意性的，沒有限制性。所以，如果本領域的技術人員受其啟示， 在不脫離本發明創造宗旨的情況下，作出的其它實施例，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種混合動力柔性發動機由高壓內燃機(1)、空氣壓縮機(2)和高壓儲氣罐(14)這三個主體；以及進氣溫度控制器(7)，電磁離合器(4)，單向閥(5)，輸氣管道(6)，進氣管道(8)，液壓伺服高壓氣門(22)，液壓伺服高壓氣門(23)，電子控制器ECU、及傳感器組件(15、19、21…)…，等組合而成；其特徵在於高壓內燃機(1)的氣缸不參予吸氣與壓縮氣體的工作、只有做功行程和排氣行程，高壓內燃機(1)燃燒室內應用的高壓空氣由高壓儲氣罐(14)供給，高壓儲氣罐(14)輸出的高壓空氣、被進氣溫度控制器(7)按ECU預定值將輸入的高壓空氣進行溫度調製；當高壓內燃機(1)排氣行程結束、轉向做功行程時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)關閉，排氣結束；調溫後的高壓空氣經過由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量高速噴入高壓內燃機(1)的燃燒室與由ECU控制的壓電式噴嘴(圖1中未標示)同步噴入燃燒室的霧狀燃油迅速混合、形成均勻的燃油混合氣，並且燃油混合氣在燃燒室內迅速吸收缸內餘熱而升溫升壓提高易燃性；待電火花正時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功。
2. 根據權利要求1所述的混合動力柔性發動機，其特徵在於高壓內燃機(1)有至少一個或 多個髙壓空氣內燃氣缸；高壓空氣內燃氣缸的進氣、排氣由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)和由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)獨立完成。
3. 根據權利要求1所述的混合動力柔性發動機，其特徵在於空氣壓縮機(2) 、 (2h)主要 用於發動機續航和輕載、空載或負載制動時回收動能；高壓內燃機(1)的曲軸(3)可以 通過齒輪Zi、 Z2和電磁離合器(4)按需拖動空氣壓縮機(2) 、 (2h)壓縮空氣；負載制 動時，通過負載慣性轉軸、齒輪Z3、 Z4和電磁離合器(4)拖動空氣壓縮機(2)、 (2h)壓 縮空氣。
4. 根據權利要求1所述的混合動力柔性發動機，其特徵在於電子控制器ECU存儲有大量的 由實驗數據和經練數據為依據的監控程序、供ECU自適應選擇性調用；ECU負責採集各傳感 器組件(15、 19、 21…)的檢測數據，並為高壓內燃機(1)的燃燒室內組織最佳的可燃混 合氣溫度、空燃比、壓力及可燃混合氣充量，以及點火正時控制。
5. 根據權利要求1所述的混合動力柔性發動機，其特徵在於高壓儲氣罐(14)儲存的高壓 空氣依次經過輸氣管道(16)、電磁換向閥(17)、輸氣管道(18)、輸氣管道(6)、進入進 氣溫度控制器(7)、被進氣溫度控制器(7)按ECU預定值將輸入的高壓空氣進行溫度調製； 當高壓內燃機(1)排氣行程結束、轉向做功行程時，由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23) 關閉，排氣結束；調溫後的高壓空氣經過進氣管道(8)、由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量高速噴入高壓內燃機(1)的燃燒室與由ECU控制的壓電式噴嘴(圖 1中未標示)同步噴入燃燒室的霧狀燃油迅速混合、形成均勻的燃油混合氣，並且燃油混合 氣在燃燒室內迅速吸收缸內餘熱而升溫升壓提高易燃性；待電火花正時點火、燃油混合氣 燃燒膨脹做功。
6. 根據權利要求1所述的混合動力柔性發動機，其特徵在於當高壓儲氣罐(14)儲存的高壓空氣快用完，需續航時ECU控制高壓內燃機(1)通過齒輪Zi、 Z2和電磁離合器(4)拖 動空氣壓縮機(2)、 (2h)壓縮空氣；空氣壓縮機(2)、 (2h)輸出的高壓空氣依次經過單向 閥(5)、輸氣管道(6)、進入進氣溫度控制器(7),進氣溫度控制器(7)先按ECU預定值 將輸入的高壓空氣進行溫度調製；當髙壓內燃機(1)排氣行程結束、轉向做功行程時，由 ECU控制的液壓伺服高壓氣門(23)關閉，排氣結束；調溫後的高壓空氣經過進氣管道(8)、 由ECU控制的液壓伺服高壓氣門(22)按ECU預定的充量高速噴入高壓內燃機(1)的燃燒 室與由ECU控制的壓電式噴嘴(圖1中未標示)同步噴入燃燒室的霧狀燃油迅速混合、形 成均勻的燃油混合氣，並且燃油混合氣在燃燒室內迅速吸收缸內餘熱而升溫升壓提高易燃 性；待電火花正時點火、燃油混合氣燃燒膨脹做功。
7.根據權利要求1所述的混合動力柔性發動機，其特徵在於空氣壓縮機(2)、 (2h)輸出的 髙壓空氣的全部或多餘部分，依次經過單向閥(5)、輸氣管道(6)、輸氣管道(9)、順序 閥(10)、輸氣管道(11)、空氣冷卻器(12)、輸氣管道(13)、進入高壓儲氣罐(14)儲 存；當發動機需要時，可以由高壓儲氣罐(14)儲存的高壓空氣和空氣壓縮機(2)、 (2h) 輸出的高壓空氣共同供給高壓內燃機(1)。
全文摘要
本發明涉及一種能與計算機技術完美結合的、混合動力柔性發動機。它由高壓內燃機(1)、空氣壓縮機(2)、高壓儲氣罐(14)這三個主體；以及進氣溫度控制器(7)，電子控制器ECU、及傳感器組件(18、24…)，等組合而成。混合動力柔性發動機為ECU提供了一個柔性的環境，發動機的各工作過程、及其工作狀態都可單獨調控，ECU能方便、靈活的為發動機全工況都組織好最優化的工作模式，並實施有效的控制。本發明能精確的控制燃燒室內高壓可燃混合氣著火前的溫度，有效的組織高壓可燃混合氣平穩快速低溫燃燒、而極大的提高燃油效率以及高效的利用壓縮空氣動能；並能獲得近零排放。
文檔編號F02D43/00GK101649786SQ20081004578
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月12日 優先權日2008年8月12日
發明者彭德康 申請人:彭德康