CN104847426A - 一种混合循环增压直喷发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合循环增压直喷发动机，该发动机中的内燃机气缸与外燃机气缸同轴或分轴设置，外燃机气缸上的工质入口与工质出口之间连有将从工质出口流出的工质冷凝压缩的散热器，以及将从散热器内流出的冷凝压缩工质加热成高压蒸汽工质，并送入工质入口的加热器，加热器具有供工质流经的加热通道，以及具有供从内燃机气缸的排气口排出的废气流经的废气通道，废气通道对加热通道内的工质加热，在配气系统的控制下，内燃机气缸处于排气状态时，对应的外燃机气缸处于工质做功状态。本发明的发动机使用环保燃料，通过内燃机与外燃机模式结合在一起，能够回收利用内燃机模式的废气能量做功，从而降低油耗，提高发动机的效率，改善排放，降低污染。
Description
技术领域
本发明涉及汽车的动力装置领域，具体地说涉及一种混合循环增压直喷发动机。
背景技术
汽车发动机从外燃机发展到内燃机时代，由自然吸气发展到增压，由单点、多点缸外喷射到缸内直喷技术。内燃机与外燃机的区别为：内燃机通过燃烧工质做功产生动力，内燃机以奥拓(Otto)循环和狄塞尔(Diesel)为代表；而外燃机则通过加热工质，利用工质的冷热循环做功，以斯特林(Stirling Engine)发动机为代表。由于外燃机最关键的部件是热交换器，也就是加热器、回热器、冷却器，它们直接影响发动机的性能，斯特林发动机之所以发展这么慢就是热交换器的技术不成熟，过程不及内燃机反应迅速，发展受到限制。因此，现有技术的发动机中基本上采用的是内燃机作为动力，内燃机虽然反应迅速，动力足，但仍存在如下缺陷：1、普通内燃机仅以汽油做为主要能源，面对石油能源危机，汽油发动机终将被淘汰；2、普通内燃机废气中的热量不能得到利用，能力损失大；3、普通发动机由汽油燃烧产生的废气对环境造成的污染大。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的发动机仅以汽油作为原料，且废弃中的热量不能得到利用，而且对环境造成污染大的问题，进而提供一种以醇类混合燃料为原料，实现燃气-废气-蒸汽联合工作循环的混合循环增压直喷发动机。
为解决上述技术问题，本发明的一种混合循环增压直喷发动机，包括通过连杆驱动曲轴转动的气缸，所述气缸包括内燃机气缸以及外燃机气缸，其中所述内燃机气缸与外燃机气缸共同驱动一曲轴设置，或所述内燃机气缸驱动主曲轴，所述外燃机气缸驱动辅曲轴设置，且所述外燃机气缸上设有一工质入口和工质排出口，所述工质入口与所述工质出口之间通过管路连有将从所述工质出口流出的工质冷凝压缩的散热器，以及将从所述散热器内流出的冷凝压缩工质加热成高压蒸汽工质，并送入所述工质入口的至少一个加热器，所述加热器具有供所述工质流经的加热通道，以及具有供从所述内燃机气缸的排气口排出的废气流经的废气通道，所述废气通道通过热传递对所述加热通道内的所述工质加热，且在配气系统的控制下，所述内燃机气缸处于排气状态时，对应的所述外燃机气缸处于工质做功状态。
所述外燃机气缸还具有废气入口和废气出口，所述内燃机气缸的排气口与所述外燃机气缸的废气入口连通。
所述加热器与所述散热器之间还设有对所述工质过滤的杂质滤清器。
还包括对所述内燃机气缸进行空气增压的废气涡轮增压器，所述废器涡轮增压器包括通过增压器轴刚性连接的涡轮机与压气机，其中所述压气机的进气口与空气连通，排气口与所述内燃机气缸的进气口相连通，所述涡轮机的进气口与所述加热器的所述废气通道的排气口连通。
所述加热器设有两个，分别为第一加热器和第二加热器，所述第一加热器的所述加热通道的入口与所述杂质滤清器的出口连通，所述第一加热器的所述加热通道的出口与所述第二加热器的所述加热通道的入口连通，所述第二加热器的所述加热通道的出口与所述外燃机气缸的所述工质入口连通，所述废气涡轮的进气口与所述第二加热器的所述废气通道的排出口连通，所述废气涡轮的排气口与所述第一加热器的所述废气通道的进气口连通。
所述废气涡轮增压器设有两套，形成双级增压。
所述内燃机气缸上设置有对所述内燃机气缸的进气管内的增压气体喷水冷却的喷水器。
所述内燃机气缸与外燃机气缸共同驱动一曲轴设置，且所述内燃机气缸设有两个，所述外燃机气缸设有两个，根据先后做功顺序分别为第一内燃机气缸、第二外燃机气缸、第三内燃机气缸、第四外燃机气缸，所述第一内燃机气缸与所述第二外燃机气缸一组，所述第三内燃机气缸与所述第四外燃机气缸一组，同一组的所述内燃机气缸的排气口通过管路分别与所述外燃机气缸的所述废气进口、所述外燃机气缸的所述加热器的所述废气通道相通，且在所述配气系统的控制下，所述第一内燃机气缸处于排气状态时，所述第二外燃机气缸处于工质做功状态；所述第三内燃机气缸处于排气状态时，所述第四外燃机气缸处于工质做功状态。
所述总排气管处设有在所述内燃机气缸的排气口向所述外燃机气缸的所述废气入口输送废气时关闭形成背压的背压阀。
由所述内燃机气缸与所述外燃机气缸共同驱动的所述曲轴上串联有ISG/BSG。
所述内燃机气缸驱动的曲轴上还串联有废气压燃机，所述废气压燃机通过管路分别与燃料源、所述内燃机气缸的排气口，以及装有来自所述第一加热器中的所述废气通道内的废气的集气瓶连通。
所述主曲轴上串联有ISG/BSG，所述辅曲轴以及所述压气机均驱动串联在所述主曲轴上的所述ISG/BSG充电。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、在本发明中，通过将处于排气状态的所述内燃机气缸中燃烧后排出的废气通过排至正处于做功状态的所述外燃机气缸的加热器内，利用废气中的热量对加热器中的工质进行进一步加热，使得废气中的热量能够得到回收利用，大大提高了发动机的效率。进一步地，所述内燃机气缸的排气口与所述外燃机气缸的废气入口连通。这样能够将所述内燃机气缸排气时瞬时间排放的最大的废气能量输入所述外燃机气缸内，将所述外燃机气缸内的工质汽化。本发明的混合循环增压直喷发动机使用环保燃料，通过内燃机与外燃机模式结合在一起，能够回收利用内燃机模式的废气能量做功，从而降低油耗，提高发动机的效率，改善排放，降低污染。
2、在本发明中，由于纯醇燃料的蒸汽压低，冷起动困难，增加ISG/BSG电机与曲轴串联后，能够增加冷起动的起动性能和特殊工况的动力性。ISG/BSG根据发动机的扭矩需求和发动机不同工况按需控制的工作和停止。
3.在本发明中，所述内燃机气缸上设置有对所述内燃机气缸的进气管内的增压气体喷水冷却的喷水器，能够冷却所述内燃机气缸的进气温度，降低燃料与空气构成的混合气的燃烧温度，降低爆震趋势，同时可以对所述内燃机气缸的进气门定期清洗，减少积碳。
4、在本发明中，由于醇类燃料着火点高，在曲轴上增加废气压燃机，进一步利用废气加热，压燃方式进行混合循环做功，提高热效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的混合循环增压直喷发动机的实施例一的原理图；
图2是本发明的混合循环增压直喷发动机的实施例二的原理图；
图3是本发明的混合循环增压直喷发动机的实施例三的原理图；
图4是本发明的混合循环增压直喷发动机设置成四缸四冲程的示意图；
图5是本发明的外燃机气缸的示意图；
图6是本发明的内燃机气缸的示意图；
图7是本发明的混合循环增压直喷发动机设置成四缸四冲程的另一示意图；
图8是本发明的混合循环增压直喷发动机的实施例四的原理图；
图中附图标记表示为：1-曲轴；2-增压器轴；3-主曲轴；4-辅曲轴；5-喷水器；6-集成缸压传感器；7-换向阀；8-截断阀。
具体实施方式
以下将结合附图，使用以下实施方式对本发明进行进一步阐述。
本发明的混合循环增压直喷发动机的燃料优选使用环保清洁燃料，如醇燃料或氢燃料，这样能够做到排出的尾气低污染，当然也可以使用汽油作为燃料。下面具体通过结构介绍本发明的混合循环增压直喷发动机如何充分利用废气能量，实现能量回收，提高发动机效率的。
本发明有多种布置形式，下面实施例1-3将以四缸四冲程方案结构介绍。当然，本发明不限于四缸四冲程发动机，仅以四缸发动机为例，对于四缸以上或者V型、星型发动机同样适用，原则是半数气缸燃气模式，半数气缸蒸汽模式，内燃烧模式汽缸数的总扭矩需要满足起动、冷起动及基本怠速要求。实施例4与实施例1-3的结构有所不同，另外叙述。
实施例1
如图1和图4-7所示，本实施例的一种混合循环增压直喷发动机，包括通过连杆驱动曲轴转动的四个气缸，所述气缸包括两个内燃机气缸，以及两个外燃机气缸，根据先后做功顺序分别为第一内燃机气缸、第二外燃机气缸、第三内燃机气缸、第四外燃机气缸，所述第一内燃机气缸与所述第二外燃机气缸一组，所述第三内燃机气缸与所述第四外燃机气缸一组，所述外燃机气缸上设有一工质入口和工质排出口，所述工质入口与所述工质出口之间通过管路连有将从所述工质出口流出的工质冷凝压缩的散热器，以及将从所述散热器内流出的冷凝压缩工质加热成高压蒸汽工质，并送入所述工质入口的至少一个加热器，所述加热器具有供所述工质流经的加热通道，以及具有供从同组的所述内燃机气缸的排气口排出的废气流经的废气通道，所述废气通道通过热传递对所述加热通道内的所述工质加热，且在配气系统的控制下，所述第一内燃机气缸处于排气状态时，所述第二外燃机气缸处于工质做功状态；所述第三内燃机气缸处于排气状态时，所述第四外燃机气缸处于工质做功状态。
上述方案为本发明的核心方案，通过将处于排气状态的所述内燃机气缸中燃烧后排出的废气排至正处于做功状态的所述外燃机气缸的加热器内，利用废气中的热量对加热器中的工质进行进一步加热，使得废气中的热量能够得到回收利用，大大提高了发动机的效率。
进一步地，所述外燃机气缸还具有废气入口和废气出口，所述内燃机气缸的排气口与所述外燃机气缸的废气入口连通。这样能够将所述内燃机气缸排气时瞬时间排放的最大的废气能量输入所述外燃机气缸内，将所述外燃机气缸内的工质汽化。所述总排气管处设有在所述内燃机气缸的排气口向所述外燃机气缸的所述废气入口输送废气时关闭形成背压的背压阀，背压阀的设置在所述内燃机气缸的排气口向所述外燃机气缸的所述废气入口输送废气完毕后开启，从而防止废气倒流入所述内燃机气缸中。
为了保证工质的清洁，所述加热器与所述散热器之间还设有对所述工质过滤的杂质滤清器。
进一步地，为了提供所述内燃机中空气的密度，促进充分燃烧，还包括对所述内燃机气缸进行空气增压的废气涡轮增压器，所述废器涡轮增压器包括通过增压器轴刚性连接的涡轮机与压气机，其中所述压气机的进气口与空气连通，排气口与所述内燃机气缸的进气口相连通，所述涡轮机的进气口与所述加热器的所述废气通道的排气口连通。从加热器中出来的废气仍具有较大动能，冲击涡轮机转动，带动压气机工作。
在本实施例中，优选所述加热器设有两个，分别为第一加热器和第二加热器，所述第一加热器的所述加热通道的入口与所述杂质滤清器的出口连通，所述第一加热器的所述加热通道的出口与所述第二加热器的所述加热通道的入口连通，所述第二加热器的所述加热通道的出口与所述外燃机气缸的所述工质入口连通，所述废气涡轮的进气口与所述第二加热器的所述废气通道的排出口连通，所述废气涡轮的排气口与所述第一加热器的所述废气通道的进气口连通。所述第一加热器对工质进行预热，第二加热器将工质加热成高压蒸汽。从所述第一加热器中出来的废气可以直接排出大气或流向集气瓶内，如实施例3。
为了提高增压效果，所述废气涡轮增压器设有两套，形成双级增压。
如图6所示，所述内燃机气缸上设置有对所述内燃机气缸的进气管内的增压气体喷水冷却的喷水器，能够冷却所述内燃机气缸的进气温度，降低燃料与空气构成的混合气的燃烧温度，降低爆震趋势，同时可以对所述内燃机气缸的进气门定期清洗，减少积碳。
如图4所示，2缸、3缸为内燃机气缸，是燃气做功方式，1缸、4缸为外燃机气缸，为蒸汽做功方式。3缸对应第一内燃机气缸，4缸对应第一外燃机气缸，2缸对应第二内燃机气缸，1缸对应第二外燃机气缸。
本方案的做功顺序为3-4-2-1，具体过程如下表：
| 曲轴(°) | 1缸 | 2缸 | 3缸 | 4缸 |
| 0-180 | 蒸汽功 | 排 | 压 | 通气常压 |
| 180-360 | 排气 | 进 | 功 | 自由排气 |
| 360-540 | 通气 | 压 | 排 | 蒸汽功 |
| 540-720 | 排气 | 功 | 进 | 排气 |
当然，四缸形式也可以为设置三个内燃机气缸，一个外燃机气缸的形式，只要满足内燃机气缸的数量不少于外燃机气缸的数量，即内燃机模式气缸数的总扭矩需要满足祁东、冷起动及基本怠速要求。
实施例2
如图2所示，本实施例2与实施例1不同之处在于：由所述内燃机气缸与所述外燃机气缸共同驱动的所述曲轴上串联有ISG/BSG。由于纯醇燃料的蒸汽压低，冷起动困难，在实施例1的基础上增加ISG/BSG电机与曲轴串联后，能够增加冷起动的起动性能和特殊工况的动力性。ISG/BSG根据发动机的扭矩需求和发动机不同工况按需控制的工作和停止。ISG和BSG均为发电起动一体机，当设置在发动机内，根据二者在发动机中的布置不同，其中之一作为发电结构时，另一作为起动结构。
实施例3
如图3所示，本实施3与实施例1不同之处在于：所述内燃机气缸驱动的曲轴上还串联有废气压燃机，所述废气压燃机通过管路分别与燃料源、所述内燃机气缸的排气口，以及装有来自所述第一加热器中的所述废气通道内的废气的集气瓶连通。由于醇类燃料着火点高，在实施例1的基础上，增加废气压燃机，进一步利用废气加热，压燃方式进行混合循环做功，提高热效率。
实施例4
如图8所示，本实施例4与实施例1不同之处在于，若干所述内燃机气缸驱动主曲轴作为发动机的动力输出，若干所述外燃机气缸驱动辅曲轴设置，所述主曲轴上串联有ISG/BSG，所述辅曲轴以及所述压气机均驱动串联在所述主曲轴上的所述ISG/BSG充电。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (12)
1.一种混合循环增压直喷发动机，包括通过连杆驱动曲轴转动的气缸，其特征在于：所述气缸包括内燃机气缸以及外燃机气缸，其中所述内燃机气缸与外燃机气缸共同驱动一曲轴设置，或所述内燃机气缸驱动主曲轴，所述外燃机气缸驱动辅曲轴设置，且所述外燃机气缸上设有一工质入口和工质排出口，所述工质入口与所述工质出口之间通过管路连有将从所述工质出口流出的工质冷凝压缩的散热器，以及将从所述散热器内流出的冷凝压缩工质加热成高压蒸汽工质，并送入所述工质入口的至少一个加热器，所述加热器具有供所述工质流经的加热通道，以及具有供从所述内燃机气缸的排气口排出的废气流经的废气通道，所述废气通道通过热传递对所述加热通道内的所述工质加热，且在配气系统的控制下，所述内燃机气缸处于排气状态时，对应的所述外燃机气缸处于工质做功状态。
2.根据权利要求1所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述外燃机气缸还具有废气入口和废气出口，所述内燃机气缸的排气口与所述外燃机气缸的废气入口连通。
3.根据权利要求2所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述加热器与所述散热器之间还设有对所述工质过滤的杂质滤清器。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：还包括对所述内燃机气缸进行空气增压的废气涡轮增压器，所述废器涡轮增压器包括通过增压器轴刚性连接的涡轮机与压气机，其中所述压气机的进气口与空气连通，排气口与所述内燃机气缸的进气口相连通，所述涡轮机的进气口与所述加热器的所述废气通道的排气口连通。
5.根据权利要求4所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述加热器设有两个，分别为第一加热器和第二加热器，所述第一加热器的所述加热通道的入口与所述杂质滤清器的出口连通，所述第一加热器的所述加热通道的出口与所述第二加热器的所述加热通道的入口连通，所述第二加热器的所述加热通道的出口与所述外燃机气缸的所述工质入口连通，所述废气涡轮的进气口与所述第二加热器的所述废气通道的排出口连通，所述废气涡轮的排气口与所述第一加热器的所述废气通道的进气口连通。
6.根据权利要求5所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述废气涡轮增压器设有两套，形成双级增压。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述内燃机气缸上设置有对所述内燃机气缸的进气管内的增压气体喷水冷却的喷水器。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述内燃机气缸与外燃机气缸共同驱动一曲轴设置，且所述内燃机气缸设有两个，所述外燃机气缸设有两个，根据先后做功顺序分别为第一内燃机气缸、第二外燃机气缸、第三内燃机气缸、第四外燃机气缸，所述第一内燃机气缸与所述第二外燃机气缸一组，所述第三内燃机气缸与所述第四外燃机气缸一组，同一组的所述内燃机气缸的排气口通过管路分别与所述外燃机气缸的所述废气进口、所述外燃机气缸的所述加热器的所述废气通道相通，且在所述配气系统的控制下，所述第一内燃机气缸处于排气状态时，所述第二外燃机气缸处于工质做功状态；所述第三内燃机气缸处于排气状态时，所述第四外燃机气缸处于工质做功状态。
9.根据权利要求8所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述总排气管处设有在所述内燃机气缸的排气口向所述外燃机气缸的所述废气入口输送废气时关闭形成背压的背压阀。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：由所述内燃机气缸与所述外燃机气缸共同驱动的所述曲轴上串联有ISG/BSG。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述内燃机气缸驱动的曲轴上还串联有废气压燃机，所述废气压燃机通过管路分别与燃料源、所述内燃机气缸的排气口，以及装有来自所述第一加热器中的所述废气通道内的废气的集气瓶连通。
12.根据权利要求11所述的混合循环增压直喷发动机，其特征在于：所述主曲轴上串联有ISG/BSG，所述辅曲轴以及所述压气机均驱动串联在所述主曲轴上的所述ISG/BSG充电。
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