CN103711573A - 采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置、系统及动力输出构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置，包括四冲程内燃机气缸和气动机气缸，其中，所述气动机气缸包括缸体、内置于所述缸体内的活塞和与所述缸体及活塞围合形成气源工作腔室的缸盖，所述缸盖上设置有进气门、排气门和伸入所述气源工作腔的喷液嘴；且所述气动机气缸的活塞与所述内燃机气缸的活塞通过连杆机构相连，以在相应的缸体内交替滑动。本发明基于液态气体和燃料作为形成驱动力的基础源，并有效利用液态气体作功后排放的气体作为受热膨胀的预压缩气源，从而可最大限度的提高效率，并降低污染。在此基础上，本发明还提供一种应用该动力装置的混合动力系统，以及采用燃料和直喷液态气体的混合动力输出构建方法。

Description

采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置、系统及动力输出构建方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置、系统及动力输出构建方法。

背景技术

随着人类社会的高速发展，大量动力机械得以广泛应用，并已经成为人类社会不可或缺的一部分。众所周知，现有的动力机械能源使用方式均给自然环境带来了严重的破坏，例如，产生热能排放、温室气体排放、烟尘颗粒物排放等环境污染，带来地球变暖、海平面上升、气候变坏等问题。

其中，技术较为成熟的内燃机在汽车及各作业设备应用较为普遍，通过将燃料的化学能转换成机械能实现动力的输出。然而，受其自身结构的限制，现有内燃机使用过程中，燃料燃烧产生的热能爆发推动活塞运行做功，这时相当一部分的热量将传到发动机的机体和缸盖上，并通过冷却系统散发掉，此外还有大量热能随排气排放。也就是说，大部分燃烧热被排放到环境中，正是基于上述热损失的客观存在，使得内燃机效率仅达到20%左右。

为了解决能量储存再释放的问题，现有技术提出了一种处理方式。将气体压缩形成高压储存，然后加注至气缸形成压力驱动，代替部分由燃烧后产生的压力。但是，该技术实现过程中，高压储存需要消耗能量30%，释放加注过程损失30%，即该手段的再利用率只有9%左右。在此基础上，应用该处理方式的内燃机能量利用率也只能达到20%-30%。

此外，现有内燃机对于石化燃料等能源物质的消耗量较大，且燃料燃烧后的烟尘颗粒物排放直接污染环境，因此，受到节能减排相关要求的制约。

有鉴于此，亟待另辟蹊径提供一种混合动力技术，在有效提升内燃机效率的基础上，可降低能源消耗和排放污染方面的影响。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于，提供一种采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置，以基于液态气体和燃料作为形成驱动力的基础源，并有效利用液态气体作功后排放的气体作为受热膨胀的预压缩气源，从而可最大限度的提高效率，并降低污染，保持启动气缸内部清洁。在此基础上，本发明还提供一种应用该动力装置的混合动力系统，以及采用燃料和直喷液态气体的混合动力输出构建方法。

本发明提供的采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置，包括四冲程内燃机气缸和气动机气缸，其中，所述气动机气缸包括缸体、内置于所述缸体内的活塞和与所述缸体及活塞围合形成气源工作腔室的缸盖，所述缸盖上设置有进气门、排气门和伸入所述气源工作腔的喷液嘴；且所述气动机气缸的活塞与所述内燃机气缸的活塞通过连杆机构相连，以在相应的缸体内交替滑动。

优选地，所述气动机气缸的缸体与所述内燃机气缸的缸体一体成形。

优选地，所述内燃机气缸和所述气动机气缸均为多个，且依次间隔排布。

优选地，所述内燃机气缸和所述气动机气缸均为三个或者四个，形成六缸或者八缸动力装置。

优选地，所述内燃机气缸的数量小于所述气动机气缸的数量。

本发明提供的采用燃料和直喷液态气体的混合动力系统，包括如前所述的采用燃料和液态气体的混合动力装置，还包括：绝热储液箱，用于存储液态气体；换热预热器，其第一热源支路用于与动力装置的冷却回路连通，其预热支路连通所述气动机气缸的排气岐管和进气门；和喷气控制器，以输出控制指令控制所述喷液嘴的启动和停止时刻。

优选地，所述喷气控制器根据所述混合动力装置的转速输出所述控制指令。

优选地，所述换热预热器还具有第二热源支路，所述第二热源支路与动力装置的内燃机排气管路并联连通。

优选地，还包括超低温低压液泵，以自所述绝热储液箱泵取液态气体并输送至所述喷液嘴。

优选地，所述超低温低压液泵内置于所述绝热储液箱中。

优选地，所述液态气体具体为液态空气、液态氮气或者液态混合气体。

本发明提供的采用燃料和直喷液态气体的混合动力输出构建方法，采用液态气体和燃料作为形成驱动力的基础源，其中，所述液态气体受热膨胀作功形成的压力，与所述燃料燃烧作功形成的压力，共同作为动力输出的驱动力，并利用液态气体作功后排放的气体作为受热膨胀的预压缩气源。

优选地，应用如前所述的采用燃料和液态气体的混合动力系统。

优选地，所述燃料具体为汽油、柴油、液化石油气、氢气、沼气、页岩气、生物柴油或者天然气。

优选地，低温启动时配置成：采用燃料作功的内燃部分先启动，采用液态气体作功的气动部分后启动。

优选地，低功耗情况下、环境高温工况下配置成：减少所述内燃机气缸的燃油供给且提高气动机气缸的气体供给，或者内燃机停止工作。

基于现有内燃机技术，本发明提出了一种采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置，除内燃机气缸外，设置有与其适配的气动机气缸。具体地，该气动机气缸的缸盖、缸体及内置于缸体内的缸盖围合形成气源工作腔室，缸盖上设置有进气门、排气门和伸入所述气源工作腔的喷液嘴；并且，气动机气缸的活塞与内燃机气缸的活塞通过连杆机构相连，以在相应的缸体内交替滑动。由此，形成气动机气缸的进气、压缩、做功及排气四个工作过程。

进气行程时，进气门开启、排气门关闭，气动机气缸的活塞可在连杆机构的带动下由上止点移至下止点，整个过程中曲轴将转动180°。压缩行程时，气动机气缸的进、排气门同时关闭，随着活塞逐渐上移，其内的气体受压后温度将逐渐上升。做功行程时，进气门、排气门均关闭，接近上止点时喷液嘴直接喷注入液态气体，与缸体内高温气体充分混合后膨胀，空间内压力瞬时增加，高温高压气体推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。排气行程时，排气门开启、进气门关闭，活塞从下止点向上止点运动，实现完成作功后的气体排出。与现有技术相比，本方案提供的混合动力装置可应用液态气体作为“燃料”，与使用传统燃料的内燃机气缸形成有机的结合，可大大降低传统燃料的使用量，从而大大降低颗粒物排放导致的环境污染。

在此基础上，应用该动力装置的混合动力系统进一步包括用于存储液态气体的绝热储液箱。工作时，该气动机气缸的进气由其自身的排气岐管引入，并经换热预热器预热后被吸入气缸体，该热预热器的第一热源支路与动力装置的冷却回路连通，从而利用待排放的热量完成气体预热，低温液态气体直接喷入气动机气缸内实现气缸动作；如此设置，与传统动力系统相比具有以下有益效率：

首先，本方案提供的混合动力系统在获得同样动力性能的前提下可以减小燃料使用量，可降低污染。

其次，该系统可以充分利用燃料燃烧过程中释放的热能，在气缸体内膨胀过程的热量提供，进而可最大限度的提高燃料利用效率，克服了传统内燃机的热损失问题。

第三，本方案中气动机气缸排出的气体，部分用于气缸的进气，与传统技术吸入环境大气相比，由于该封闭系统的排气没有污染，气缸内具有较为优质的环境，一方面，进一步利用具有一定排气温度的热量，另外对于气缸作动性能提供了可靠的保障。各种液化的气体，不可能包含冰或干冰等物质，气化为气体后，成为较为纯净的进气无杂质，可完全规避结冰现象。

第四，本发明有效利用了液态气体的沸点较低，且温度变化膨胀率较高的特点，即便是在极寒天气也能可靠应用；此外，液态体积小，与压缩空气作为驱动介质的技术相比，液态气体的存储体积相差2-3倍，且储存能量大。本方案一次充加液态气体可供较长时间的使用，且液态气体保温可靠即可，特别地，水、空气、土壤均为热的不良导体，实际使用时具有安全性高的特点。

第五，采用液态气体作为气动机的作功基础源，其制备过程中将产生大量集中热，例如制备液氮，可以将该集中热收集并加以有效利用，作为供暖等需暖系统的热源，由此确保整个产业链的产能得以优化。

最后，基于本方案对于动力装置冷却回路的热量回收利用，可以简化冷却系系统，例如，对于坦克等大型内燃机的散热设计变得简单，可进一步降低制造成本。

附图说明

图1示出了具体实施方式所述采用燃料和直喷液态气体的实现混合动力输出的构建方法的原理框图；

图2为第一实施例所述采用燃料和直喷液态气体的混合动力系统原理图；

图3为具体实施方式所述内燃机气缸的整体结构示意图；

图4为具体实施方式所述直喷气动机气缸的整体结构示意图。

图1-图4中：

喷气控制器1、控制线2、气动机气缸3、喷液嘴4、进气管5、冷却液入口6、去排气管7、排气岐管8、内燃机排气入口9、内燃机排气出口10、超低温低压管路11、超低温低压液泵12、加液口13、绝热储液箱14、换热预热器15、冷却液出口16；

进气门31、火花塞32、喷油嘴33、排气门34、活塞35、连杆36；

进气门41、连杆42、活塞43、排气门44。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种采用燃料和直喷液态气体的混合动力输出构建方法，以及应用该构思的采用燃料和直喷液态气体的混合动力系统。应用本发明能够在节能减排的基础上，充分提高能源利用率。下面结合说明书附图具体说明本实施方式。

请参见图1，该图示出本实施方式所述采用燃料和直喷液态气体的实现混合动力输出的构建方法的原理框图。

如图所示，该采用燃料和直喷液态气体的混合动力输出构建方法，以液态气体和燃料作为形成驱动力的基础源，其中，液态气体受热膨胀作功形成的压力，与燃料燃烧作功形成的压力，共同作为动力输出的驱动力，并利用液态气体作功后排放的气体作为受热膨胀的预压缩气源。优选地，受热热源来自于内燃机的排放热量：冷却回路的热量和/或排气管路的热量。

这里，“液态气体”可以为液压空气、液氮等具有沸点低、受热体积膨胀率高的特点的气体，具体可以实际车型等应用场合的需要进行选择；也可以为液态混合气体，实际原料的加工可来自于工业生产制备高纯度气体后的所剩余的残液，可进一步提高液态气体制备产业链的产能。“燃料”可以为汽油、柴油、液化石油气、氢气、沼气、页岩气、生物柴油或天然气等传统内燃机燃料，只要能够与本发明的气动机作功形成有效配合均可。

不失一般性，本实施方式以液氮作为气动缸的基础气源进行详细说明，应当理解，该气源并不构成对本方案实质内容的限制。

请参见图2，该图示出了具体实施方式所述采用液态气体的混合动力系统原理图。

需要说明的是，该混合动力系统所应用的动力装置以液态气体和传统燃料为作功基础源，具体由内燃机气缸和气动机气缸两个主要部分构成；其中，本领域技术人员可以采用现有技术实现四冲程的内燃机气缸部分，故为了更加清晰示出本申请的核心设计所在，图中仅针对该混合动力系统的气动机部分作出详细示明。

如图2所示，该混合动力系统的绝热储液箱14用于存储液态氮，以充加提供液态氮气作为气动机的直喷“燃料”，具体可以通过绝热储液箱14上开设的加液口13实现加注。当然，其作功过程为受热膨胀释放压力，并非传统概念上的燃烧。其中，换热预热器15的第一热源支路同样与动力装置（内燃机部分）的冷却回路连通，充分利用内燃机待排放的热量，即其冷却液入口6和冷却液出口16连通于内燃机的冷却回路；换热预热器15具有一路预热支路连通气动机气缸3的排气岐管8和进气门，具体通过进气管5连通进气门，由此，该气动机气缸3的进气由其自身的排气岐管8引入，并同样经换热预热器15预热后被吸入气缸体，从而携带热量进入气缸工作。经换热预热器15后，温度可达到-40℃～90℃（异常时发动机开锅可以达到110℃）。当然，排气岐管8另一分支连通去排气管7。

另外，换热预热器15还可以具有第二热源支路，该第二热源支路与动力装置的内燃机排气管路并联连通，即其内燃机排气入口9与内燃机排气出口10连通于内燃机排气管路，由此进一步利用内燃机的排气热量，最大限度的降低热损失。

此外，该混合动力系统利用喷气控制器1输出控制指令，以控制喷液嘴4的启动和停止时刻，如图所示，喷气控制器1通过控制线2将控制指令传递至喷液嘴4的控制端口，具体可由软件自适应实现。

其中的，内燃机气缸的主体结构请参见图3所示，图中所示以汽油机气缸作为示例性说明，应当理解，除点燃内燃机外，本方案还适用于压燃内燃机。该内燃机气缸的活塞35内置于缸体内，通过连杆36与曲柄连杆机构相连，具体可以采用现有技术实现，故本文不再赘述。同样地，其气缸盖上设置有进气门31、排气门34、火花塞32以及喷油嘴33，通过进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程四个阶段构成一封闭工作过程，以汽油作为燃料燃烧作功推动活塞下移实现动力输出。

其中的，气动机气缸的主体结构与内燃机气缸相同，请一并参见图4，该图为气动机气缸的整体结构示意图。其活塞43内置于缸体中，其缸盖与缸体及活塞43围合形成气源工作腔室，该缸盖上设置有进气门41、排气门44和伸入气源工作腔的喷液嘴4；这里，气动机气缸的活塞43通过连杆42与曲柄连杆机构相连，实现动力输出，同样为四冲程：进气、压缩、做功及排气四个工作过程。该气动机气缸的活塞43与内燃机气缸的活塞35通过连杆机构相连，以各自在相应的缸体内交替滑动。此外，气动机气缸的缸体与内燃机气缸的缸体一体成形，当然，两者之间也可以为分体式设计，相比较而言一体成形具有较好的工艺性，故为最优方案。

下面简要说明其工程过程：

进气行程时，进气门41开启、排气门44关闭，气动机气缸的活塞43可在连杆机构42的带动下由上止点移至下止点，整个过程中曲轴将转动180°。

压缩行程时，进气门41、排气门44同时关闭，随着活塞43逐渐上移，其内的气体受压后温度将逐渐上升；根据进气温度和压缩比，温度可以在100℃～800℃直接甚至更高。

做功行程时，进气门41、排气门44均关闭，接近上止点时喷液嘴4直接喷注入液态气体，与缸体内高温气体充分混合后膨胀，空间内压力瞬时增加，高温高压气体推动活塞43从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。具体地，喷气控制器1根据混合动力装置的转速输出控制指令，对喷液嘴4的启动时机及时长进行调整控制。

排气行程时，排气门44开启、进气门41关闭，活塞43从下止点向上止点运动，实现完成作功后的气体排出。

优选地，活塞43可以为自增加喷液嘴，压力增高喷出更细致均匀的，更加易于与缸内高温气态气体充分混合的，迅速实现由液态到气态瞬间气化的喷嘴，瞬间吸热迅速膨胀体积增加1000倍左右，产生极大的压力100-150大气压。而且，膨胀过程相对爆燃过程均匀缓慢，力量的释放更稳定些。

另外，对于压燃内燃机来说，其压缩比较大，压缩到顶点的时候，温升比点燃内燃机还要高，储存的热量更多，使得液态气体喷入后更加充分的气化膨胀作功，膨胀过程中气缸的缸壁继续补充部分热量，设备在低速运转过程也能够输出大量的动力。

需要说明的是，除做功行程外，该气动机气缸的活塞动作可基于单缸惯性或者多缸带动进行，具体可以根据额定参量的实际需要进行设计。例如，内燃机气缸和所述气动机气缸可以均为三个，且依次间隔排布，形成六缸动力装置。显然，该混合动力装置还可以为四缸、八缸、十二缸等其他复数个，只要应用本方案的核心设计构思均在本申请请求保护的范围内。

特别地，气动机气缸和内燃机气缸不局限于前述数量相同的设置，两者数量完全可以不同。优选地，内燃机气缸的数量小于气动机气缸的数量，该设计可以用于环境温度较高的工况，例如，赤道等，由于环境能源充足极易获取能量，此工况下，可大部分或者全部采用气动机气缸提供驱动力的输出。

通常情况下，内燃机气缸及气动机气缸可以同步启动工作，实时同步输出驱动力。当然，为了避免低温启动时气动部分的工作可靠性，可以在低温启动时配置成：采用燃料作功的内燃部分先启动，采用液态气体作功的气动部分后启动。这样，气动部分的预热温度，能够基于内燃部分燃烧发热预定时间长度后的冷却回路得以保证。此外，低功耗情况下、环境高温工况下配置成：减少所述内燃机气缸的燃油供给且提高气动机气缸的气体供给，或者内燃机停止工作，即单纯由气动机气缸工作的模式。

另外，如图2所示的混合动力系统，还包括超低温低压液泵12，以自绝热储液箱14泵取液态气体并输送至超低温低压液管路11，压力大致为3-5个大气压，以便实现长距离输出提供至气动机气缸的工作介质；图中所示，该超低温低压液泵12可选用浸入式液泵，由此可内置于绝热储液箱14中。

可以理解的是，当液态气体选择空气时，内燃机的进气系统可以简化或者取消，对空气的需求量减少，可以潜水或者空气稀薄的情况下应用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (16)

1.采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置，包括四冲程内燃机气缸，其特征在于，还包括气动机气缸，所述气动机气缸包括：

缸体；

活塞，内置于所述缸体内；和

缸盖，与所述缸体及活塞围合形成气源工作腔室，所述缸盖上设置有进气门、排气门和伸入所述气源工作腔的喷液嘴；且

所述气动机气缸的活塞与所述内燃机气缸的活塞通过连杆机构相连，以在相应的缸体内交替滑动。

2.根据权利要求1所述的混合动力装置，其特征在于，所述气动机气缸的缸体与所述内燃机气缸的缸体一体成形。

3.根据权利要求1或2所述的混合动力装置，其特征在于，所述内燃机气缸和所述气动机气缸均为多个，且依次间隔排布。

4.根据权利要求3所述的混合动力装置，其特征在于，所述内燃机气缸和所述气动机气缸均为三个或者四个，形成六缸或者八缸动力装置。

5.根据权利要求1或2所述的混合动力装置，其特征在于，所述内燃机气缸的数量小于所述气动机气缸的数量。

6.采用燃料和直喷液态气体的混合动力系统，其特征在于，包括：

如权利要求1至5中任一项所述的采用燃料和直喷液态气体的混合动力装置，还包括：

绝热储液箱，用于存储液态气体；

换热预热器，其第一热源支路用于与动力装置的冷却回路连通，其预热支路连通所述气动机气缸的排气岐管和进气门；和

喷气控制器，以输出控制指令控制所述喷液嘴的启动和停止时刻。

7.根据权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，所述喷气控制器根据所述混合动力装置的转速输出所述控制指令。

8.根据权利要求6或7所述的混合动力系统，其特征在于，所述换热预热器还具有第二热源支路，所述第二热源支路与动力装置的内燃机排气管路并联连通。

9.根据权利要求8所述的混合动力系统，其特征在于，还包括超低温低压液泵，以自所述绝热储液箱泵取液态气体并输送至所述喷液嘴。

10.根据权利要求9所述的混合动力系统，其特征在于，所述超低温低压液泵内置于所述绝热储液箱中。

11.根据权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，所述液态气体具体为液态空气、液态氮气或者液态混合气体。

12.采用燃料和直喷液态气体的混合动力输出构建方法，其特征在于，采用液态气体和燃料作为形成驱动力的基础源，其中，所述液态气体受热膨胀作功形成的压力，与所述燃料燃烧作功形成的压力，共同作为动力输出的驱动力，并利用液态气体作功后排放的气体作为受热膨胀的预压缩气源。

13.根据权利要求12所述的混合动力输出构建方法，其特征在于，应用权利要求5至11中任一项所述的采用燃料和直喷液态气体的混合动力系统。

14.根据权利要求13所述的混合动力输出构建方法，其特征在于，所述燃料具体为汽油、柴油、液化石油气、氢气、沼气、页岩气、生物柴油或者天然气。

15.根据权利要求14所述的混合动力输出构建方法，其特征在于，低温启动时配置成：采用燃料作功的内燃部分先启动，采用液态气体作功的气动部分后启动。

16.根据权利要求15所述的混合动力输出构建方法，其特征在于，低功耗情况下、环境高温工况下配置成：减少所述内燃机气缸的燃油供给且提高气动机气缸的气体供给，或者内燃机停止工作。

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