CN101029593A - 混合动力发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及动力发动机，旨在提供一种气动－燃油/燃气混合动力发动机。该发动机包括至少一个气缸，气缸上设置气缸进气门、乏气排气门、废气排气门和点火装置；换热器的压缩空气出口与气缸进气门相连；换热器的压缩空气入口经输气管与压缩空气储罐相连，在输气管上设有减压装置；换热器的废气入口与废气排气门相连；燃料储罐经燃料输送管路与气缸的点火装置相连；换热器的废气出口和气缸的乏气排气门分别与大气相通。该发动机采用了气动、内燃同缸做功，能够将气动与内燃的缺点都予以解决，将各自不可避免的损失能量有效的加以利用，提高了经济性能，并且本结构简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉一种动力发动机，更具体地说，本发明涉及一种气动-燃油/燃气混合动力发动机。
背景技术
内燃机的燃油/燃气燃烧产生了排放污染，并且面临着能源危机的压力。气动发动机的能量来源广泛并且对环境是零污染，但是发展至今气动发动机受机构的影响，动力不足，效率低下。
中国专利[99116190]公开的“空气动力汽车”提出了气动与内燃或电动的混合，但是该专利的混合动力发动机压缩空气做功气缸是独立的气缸，并且只有当压缩空气动力使用不便时，才使用内燃动力或电动动力。中国专利“压缩空气-燃油/燃气混合动力的汽车发动机”(ZL02111984.8)也提出了压缩空气与燃油/燃气的混合，但是该专利压缩空气做功和燃油/燃气做功分别为两个气缸。
以上混合动力发动机的专利都存在以下问题：不仅从结构上至少设置两个以上气缸，而且气动发动机和内燃机或电动机各自的附属结构都必须具备，结构上庞大而复杂，另外设置两个气缸分别做功还具有以下难题，使得其难以进一步进入实用。
内燃机单独气缸做功存在的问题：
1.能量损耗严重
内燃机燃烧时产生的高温会导致零部件的过热，为了保证零部件的正常工作，内燃机都设置了冷却系统。冷却系统一方面维持了零部件正常工作的温度范围，另一方面也带走了大量的热量，造成了能量浪费。燃料燃烧产生的能量有1/3被冷却水带走了。
2.缸内活塞等结构无法冷却
虽然冷却系统会降低缸壁的温度，但是活塞组件和气缸内壁依然难以冷却，不仅使得活塞组件长期处于高温的状态，并且会导致表面点火、爆燃等后果。
3.燃烧室温度过高
内燃机在排气结束后，缸内温度依然很高，过高的温度会影响充气效率，空气的不足导致燃烧不充分，不仅浪费能源而且对环境造成了严重的污染。
4.残余废气的问题
内燃机在排气结束时，由于余隙容积的影响，在气缸内还残留一些废气会对下一循环的燃烧产生不利影响。
气动发动机单独气缸做功存在以下问题：
1.乏气浪费的问题
气动发动机做功后的乏气还具有一定的压力，有利用的价值，如果直接将其排入大气会造成浪费。
2.膨胀做功换热效率低下
气动发动机在做功时膨胀如果从外界吸收热量，可以提高输出功率，而以上两个专利的结构都存在换热效率低下的问题，膨胀做功冲程的时间是极短的，经过缸壁和换热设施得到的热量是微乎其微的，无法充分利用内燃机燃烧产生的废热。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种气动与燃油/燃气的工作缸为同一个气缸，同时将压缩空气和燃油/燃气作为动力源，也可以单独使用压缩空气或者燃油/燃气作为动力源。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种混合动力发动机，包括至少一个气缸13，气缸13具有活塞10和连杆11结构，所述气缸13上设置气缸进气门6、乏气排气门7、废气排气门8和点火装置9；换热器12的压缩空气出口与气缸进气门6相连；换热器12的压缩空气入口经输气管2与压缩空气储罐1相连，在输气管2上设有减压装置3；换热器12的废气入口与废气排气门8相连；燃料储罐4经燃料输送管路5与气缸13的点火装置9相连；换热器12的废气出口和气缸的乏气排气门7分别与大气相通。
作为本发明的一种改进，所述点火装置9是燃气点火装置或喷油点火装置其中一种。
作为本发明的一种改进，所述减压装置3与换热器12压缩空气入口之间的输气管2上设有一个与大气相通的转换阀14。
作为本发明的一种改进，所述乏气排气门7和点火装置9分别通过信号线连接一个控制装置。
作为本发明的一种改进，所述气缸进气门6和废气排气门8分别通过传动机构与曲轴相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
这种发动机采用了气动、内燃同缸做功，能够将气动与内燃的缺点都予以解决，将各自不可避免的损失能量有效的加以利用，提高了经济性能，并且本结构简单，易于实现。
(1)内燃缸内零部件：冷的压缩空气进入气缸可以直接冷却活塞顶部和缸壁，并且在此后的膨胀做功和排气过程中，都可以逐渐冷却内燃缸内难以冷却的零部件。
(2)内燃废气残留：压缩空气的压力远远大于废气排气终了缸内废气的压力，因此压缩空气的进入足以将缸内残留废气驱逐出气缸。
(3)内燃进气：内燃燃烧的空气来自乏气，乏气留在缸内的质量可以通过可控乏气排气门控制，保证内燃燃烧足够的空气。
(4)气动发动机乏气：气动发动机做功的乏气直接排入大气会造成了浪费。本发明将一部分乏气作为燃油/燃气燃烧需要的压缩空气，有效地利用了一部分能量。
本发明将两者的缺点转换为有利的因素，在内燃排气结束后，缸壁和活塞顶的温度依然很高，此时压缩空气进入缸内，在此后的做功和排气的过程中都可以逐渐冷却这些零部件，一方面保证零部件的温度，另一方面膨胀做功吸收部分热量，也提高了输出功。
附图说明
图1是混合动力发动机构成示意图；
图2是气缸进气门、乏气排气门和废气排气门的驱动机构结构图；
图3是乏气排气门和喷油点火装置的控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施例中的混合动力发动机构成如图1所示，发动机一个气缸13，气缸13具有活塞10和连杆11结构，气缸13上设置气缸进气门6、乏气排气门7、废气排气门8和点火装置9；换热器12的压缩空气出口与气缸进气门6相连；换热器12的压缩空气入口经输气管2与压缩空气储罐1相连，在输气管2上设有减压装置3；换热器12的废气入口与废气排气门8相连；燃料储罐4经燃料输送管路5与气缸13的点火装置9相连；换热器12的废气出口和气缸的乏气排气门7分别与大气相通。减压装置3与换热器12压缩空气入口之间的输气管2上还设有一个与大气相通的转换阀14。
气缸进气门6和废气排气门8分别分别通过凸轮或其它传动机构与曲轴相连。乏气排气门7和点火装置9分别通过信号线连接一个控制装置15。
点火装置9根据燃料储罐4中提供的燃料性质选择，可以是燃气点火装置或喷油点火装置其中一种。
本实施例中混合动力发动机的运行方式如下：
工况一：
压缩空气从储气罐1中经过输气管2在预膨胀的过程中，与废气排气门8排出的高温废气通过换热器12进行热交换，得到加热后，在活塞上止点位置，气缸进气门6打开，进入缸内，充气结束。气缸进气门6关闭后，压缩空气推动活塞10带动连杆11做功，减压并吸收热量，缸内零部件得到冷却；
活塞10运行至下止点位置后，乏气排气门7打开，膨胀后的空气逐渐排出缸外，在活塞10上行至设定位置，缸内存留有一定量的乏气，乏气排气门7关闭，活塞10上行至上止点位置；
燃料储罐4内的燃油/燃气通过输送管路5，并由点火装置9喷入气缸点燃，燃料燃烧做功直至活塞10运行至下止点位置；
废气排气门8打开，燃烧废气排至换热器12，高温废气经由换热器12与预膨胀的压缩空气进行换热。
图2是气缸进气门、乏气排气门和废气排气门的驱动机构结构图；图2气缸进气门6和废气排气门8的开启和关闭时刻是固定的，它们与传统发动机一样，可以通过凸轮机构，由曲轴带动进行凸轮进行进排气。乏气排气门7的关闭时刻要根据工况进行调整，当负载增大时，乏气排气门7关闭时刻提早，缸内留有更多的乏气，喷入气缸内的燃料也要增加，从而提高发动机的输出功，反之亦然。
图3中，传感器将检测到的负载调节信号输入控制装置15，控制装置15采用控制器ECM，经计算后输出信号，控制乏气排气门7和点火装置9的动作。控制器ECM可选用Freescale公司生产的MC9S12DP256芯片，编程环境可用Metrowerks公司的Codewarrior软件。
工况二：
当燃油不足或者负载较低时，可以只采用压缩空气做功。压缩空气从储气罐1中经过输气管2预膨胀的过程后，在活塞上止点位置，气缸进气门6打开，进入缸内，充气结束；气缸进气门6关闭后，压缩空气推动活塞10和连杆11做功，直到活塞10运行至下止点位置；乏气排气门7打开，膨胀后的空气逐渐排出缸外，在活塞10上止点位置，乏气排气门7关闭；此后，发动机在360°的曲轴转角空转不进行做功，直到下一个循环开始。
工况三：
当压缩空气不足时，可以从大气环境中直接进气，此时，减压装置3与换热器12压缩空气入口之间的输气管2上设有的与大气相通的转换阀14打开，乏气排气门7在整个循环中完全关闭。与传统内燃机一样经历吸气、压缩、做功和排气四个冲程。
显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (5)
1、一种混合动力发动机，包括至少一个气缸(13)，气缸(13)具有活塞(10)和连杆(11)结构，其特征在于，所述气缸(13)上设置气缸进气门(6)、乏气排气门(7)、废气排气门(8)和点火装置(9)；换热器(12)的压缩空气出口与气缸进气门(6)相连；换热器(12)的压缩空气入口经输气管(2)与压缩空气储罐(1)相连，在输气管(2)上设有减压装置(3)；换热器(12)的废气入口与废气排气门(8)相连；燃料储罐(4)经燃料输送管路(5)与气缸(13)的点火装置(9)相连；换热器(12)的废气出口和气缸的乏气排气门(7)分别与大气相通。
2、根据权利要求1所述的混合动力发动机，其特征在于，所述点火装置(9)是燃气点火装置或燃油点火装置其中一种。
3、根据权利要求1所述的混合动力发动机，其特征在于，所述减压装置(3)与换热器(12)压缩空气入口之间的输气管(2)上设有一个与大气相通的转换阀(14)。
4、根据权利要求1所述的混合动力发动机，其特征在于，所述乏气排气门(7)通过信号线连接一个控制装置。
5、根据权利要求1所述的混合动力发动机，其特征在于，所述进气门(6)和废气排气门(8)分别通过传动机构与曲轴相连。
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