CN104963769B - 节能环保空气‑燃油混合动力发动机 - Google Patents

Abstract

一种节能环保空气‑燃油混合动力发动机，属于发动机技术领域。主要包括燃油发动机气缸一(1)、燃油发动机气缸二(2)、压缩空气缸(15)、压缩空气膨胀缸(5)和换热器(9)。换热器(9)收集来自两个燃油发动机排出的热气，和压缩空气缸(15)排出的常温气体，经过再次加热后，排放到压缩空气膨胀缸(5)做功；从而实现燃油发动机废气余热利用。本发明备用一个储气罐，刹车时，被压缩的空气进入储气罐，启动和怠速时，用储气罐的压缩空气驱动压缩空气膨胀缸完成。启动、低速时使用气动发动机，不但节省能源，更无尾气排放，寿命与传统发动机一样，不需要定期更换电池，并且成本低廉，易于改装，具有成本优势。

Description

节能环保空气-燃油混合动力发动机

技术领域

本发明涉及空气-燃油混合动力发动机，特别涉及发动机废气余热回收利用。

背景技术

传统意义上的混合动力发动机多是指油-电混合。油-电混合的一大缺陷是车上需配备一定量的蓄电池，而蓄电池的寿命是有限的，油-电混合中，尽管发动机可以一直工作在高效区，但发动机的尾气能量还是白白浪费。

法国标致雪铁龙集团(PSA)公布的压缩空气-汽油混合动力发动机，该动力系统与油电混合动力的原理相似。系统由一款普通汽油机、一个储气罐、一个储液罐和液压马达液力泵组成，它有三种驱动模式，分别是气动模式、油动模式和混合模式。

发动机废气余热的回收利用主要包括复合涡轮增压、热电转换技术、底循环技术(Kalina循环、朗肯循环)等，热电转换技术简易方便，但转换效率底。复合涡轮增压影响原机工作性能。底循环回收废气余热具有转化效率高，对内燃机负面影响小等优势。但结构过于复杂，与内燃机的匹配也成为很大困难。

空气-燃油混合动力近年来引起人们很大关注。气动发动机的优势可从如下几方面考虑

启动与怠速：传统发动机的启动受环境影响很大，气温太低，启动困难。频繁的启动不但损坏启动马达，对燃油经济性也并无益处。压缩空气发动机有极好的启动性能。车辆停车后，发动机可以停机，高压储气瓶的压缩空气可以满足车辆的需要。

制动：按SAE J227a城市运行工况仿真加速，公交车制动所耗费能量占发动机发出的机械功的60％，传统的发动机，制动所耗费的能量以摩擦热的形式消耗掉。车辆制动时，以压缩空气的形式，从而替代摩擦发热。所压缩的空气为气动发动机所用，而空气压缩机压缩空气并不受负荷大小的限制(电动车中，发动机发电受充电电流大小限制)。

低速运行：传统发动机在低速运行时，油耗很高，这是由发动机特性决定的。城市运行的车辆比高速公路运行的车辆油耗要高出很多。发动机工作点距经济工况点很远。在车辆低速运行时使用压缩空气发动机工作，而低速运行正是压缩空气发动机的高效工作段。

发动机尾气余热：燃油发动机大体上有30％-50％的能量以废气余热的形式浪费掉，油-电混合动力中燃油发动机所排放的废气的热量也是白白浪费的。气动发动机的工作能力与效率与压缩空气温度有密切关系，温度越高效率越高。用燃油发动机的废气余热加热压缩空气技术上并不难行。并且加热效率要比其他形式要高的多。

排放：气动发动机在启动、低速、加速、减速时有其特殊优势，而频繁启动、加速、减速的工况常见于城市路况。而气动发动机的零排放更具优势。

当然，纯气动发动机也有缺陷：(1)要想提高行车里程，必须加大储气罐容积和提高压缩空气压力。加大储气罐容积对于车辆的布局有难度，同时大的储气罐也使车辆重量增加；提高压缩空气压力，在气动发动机工作时，由于不能以储气罐内的压缩空气压力工作，需减压运行，这就浪费了许多压力能。(2)纯气动发动机在高速运行时效率不高。燃油发动机的优势与缺点正好与气动发动机相反。将两者结合起来，整机效率将大大提高。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的具有发动机废气余热回收功能的空气-燃油混合动力发动机。本发明采用的技术方案是：提供了一种节能环保空气-燃油混合动力发动机，主要包括燃油发动机气缸一、燃油发动机气缸二、压缩空气缸、压缩空气膨胀缸、水雾化器、换热器、两位三通阀、电磁阀、储气罐和节流阀。

燃油发动机气缸一、燃油发动机气缸二、进气管、排气管组成系统的传统意义的燃油发动机；其中进气管分成两路分别进入燃油发动机气缸一和燃油发动机气缸二的进气口；排气管将燃油发动机气缸一和燃油发动机气缸二排出的热气通过管路排到换热器中。

压缩空气缸、水雾化器、进气阀、排气阀组成系统的空气压缩机；其中水雾化器的气体通过进气阀进入压缩空气缸，经压缩空气缸压缩的气体通过排气阀管路排到两位三通阀处。

压缩空气膨胀缸、进气门、排气门、压缩空气膨胀缸的排气管组成系统的压缩空气膨胀机；来自换热器中的热气通过进气门在压缩空气膨胀缸中做功，膨胀机排气管将做功后的废气排入大气中。

换热器收集并加热来自两个燃油发动机排出的热气，和压缩空气缸排出的常温气体；经换热器热的气体一部分排放到压缩空气膨胀缸做功，另一部分由换热器的排气口排入大气中两位三通阀与排气阀连通，并控制的两路输出：一路通储气罐、一路通换热器，经换热器加热后接入压缩空气膨胀机进气门。

带有节流阀和电磁阀的管路，靠近节流阀一端并入储气罐和两位三通阀之间的管线，另一端并入换热器和两位三通阀之间的管线。储气罐设有排污口。

整个发动机由空气压缩机、压缩空气膨胀机、燃油发动机组成一体机。燃油发动机与传统意义的内燃机一样，在此不做过多阐述。空气压缩机压缩的空气经过换热器被燃油发动机排出的高温废气加热，进入压缩空气膨胀机做功。如果空气压缩机压缩空气过程为绝热过程，被压缩的空气温度很高，不但增加了压缩空气所消耗的有用功，过高的压缩空气温度也不利于从燃油发动机废气中获取热量。例如，空气从0.1mpa、20℃绝热压缩到2mpa，压缩后温度为(273+20)(2/0.1)^((1.4-1)/1.4)＝690k，即417℃。燃油发动机尾气排放温度在400-800℃，由于其温差较小，获取的热量有限，所获取的能量甚至不够克服摩擦阻力。如果是等温压缩，压缩后温度依然是20℃，不但压缩空气所消耗的有用功减小，由于温差加大，压缩空气获取的热量将大大提高。在空气压缩机入口加一水雾化器，将空气、雾化水一同吸入空压机，由于水的潜热大，压缩空气温度不会升高很多。可近似认为为等温压缩。压缩后的含水空气一起进入换热器中，从废气中获取大量热量，水受热变为水蒸气，增加了气体体积，膨胀机可做更多功。

系统中设有一储气罐，当刹车时，空压机压缩的空气送入储气罐中。启动、怠速时用储气罐压缩空气推动压缩空气膨胀机工作，燃油发动机可以停止工作。

当储气罐压力太低时，可用燃油发动机工作，快速给储气罐充气。

充入储气罐的压缩空气不希望带有过多水分，当给储气罐充气时，水雾化器停止工作，但不可避免的会有部分水进入储气罐。在储气罐上设有排污口，可定期将储气罐里的水排掉。

本发明的有益效果在于，充分利用发动机尾气余热，减少汽车尾气的排放，提高整机效率。本发明备用一个储气罐，刹车时，被压缩的空气进入储气罐，启动和怠速时，用储气罐的压缩空气驱动压缩空气膨胀缸完成。启动、低速时使用气动发动机，不但节省能源，更无尾气排放，寿命与传统发动机一样，不需要定期更换电池，并且成本低廉，易于改装，具有成本优势。

附图说明

附图为本发明原理示意图

图中1燃油发动机气缸一、2燃油发动机气缸二、3燃油发动机进气管、4燃油发动机排气管、5压缩空气膨胀缸、6排气门、7膨胀机排气管、8进气门、9换热器、10排气阀、11进气阀、12排气口、13电磁阀、14节流阀、15压缩空气缸、16两位三通阀、17储气罐、18水雾化器、19排污口。

具体实施方法

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

节能环保空气-燃油混合动力发动机，主要包括燃油发动机气缸一1、燃油发动机气缸二2、压缩空气缸15、压缩空气膨胀缸5、水雾化器18、换热器9、两位三通阀16、电磁阀13、储气罐17和节流阀14。

燃油发动机气缸一1、燃油发动机气缸二2、进气管3、排气管4组成系统的传统意义的燃油发动机；其中进气管3分成两路分别进入燃油发动机气缸一1和燃油发动机气缸二2的进气口；排气管4将燃油发动机气缸一1和燃油发动机气缸二2排出的热气通过管路排到换热器9中。

压缩空气缸15、水雾化器18、进气阀11、排气阀10组成系统的空气压缩机；其中水雾化器18的气体通过进气阀11进入压缩空气缸15，经压缩空气缸15压缩的气体通过排气阀10管路排到两位三通阀16处。

压缩空气膨胀缸5、进气门8、排气门6、膨胀机排气管7组成系统的压缩空气膨胀机；来自换热器9中的热气通过进气门8在压缩空气膨胀缸5中做功，膨胀机排气管7将做功后的废气排入大气中。

换热器9收集并加热来自两个燃油发动机排出的热气，和压缩空气缸15排出的常温气体；经换热器9换热的气体一部分排放到压缩空气膨胀缸5做功，另一部分由换热器的排气口12排入大气中。

两位三通阀16与排气阀10连通，并控制的两路输出：一路通储气罐17、一路通换热器9，经换热器9加热后接入压缩空气膨胀机进气门8。

带有节流阀14和电磁阀13的管路，靠近节流阀14一端并入储气罐17和两位三通阀16之间的管线，另一端并入换热器9和两位三通阀16之间的管线。

储气罐17设有排污口19。

系统工作分为如下工作状态：发动机正常工作状态；刹车状态；启动怠速状态；储气罐压力过低状态；储气罐压力过高状态。

燃油发动机正常工作时，电磁阀13关闭，两位三通阀16控制压缩后的压缩空气进入换热器9，燃油发动机气缸一1、燃油发动机气缸二2工作时，产生的高温尾气经过换热器9加热压缩空气后，由排气口12排出。压缩空气缸15压缩由水雾化器18、进气阀11进入的空气、水混合物。加压后的气水混合物经排气阀10、两位三通阀16进入换热器9，被加热后，经进气门8进入压缩空气膨胀缸5，做功后，经排气门6、压缩空气膨胀缸5的排气管7排入大气。

刹车时，燃油发动机停止喷油，电磁阀13关闭，两位三通阀16切换，将压缩空气缸15压缩的空气送入储气罐17。

启动时，燃油发动机停止喷油，电磁阀13打开，两位三通阀16切换到正常工作状态，压缩空气由储气罐17经节流阀14、电磁阀13、换热器9、进气门8进入压缩空气膨胀缸5启动发动机并维持怠速。

当车辆进入一定车速时，切换到发动机正常工作状态。

储气罐压力低于一定值后，在发动机正常工作状态下，两位三通阀16切换，将压缩空气缸15压缩的空气送入储气罐17。充满气罐后，迅速切换到正常工作状态。

刹车后储气罐压力过高，即使发动机工作在正常状态，将电磁阀13打开，让压缩空气参与做功。

Claims (1)

1.节能环保空气-燃油混合动力发动机，其特征是主要包括燃油发动机气缸一(1)、燃油发动机气缸二(2)、压缩空气缸(15)、压缩空气膨胀缸(5)、水雾化器(18)、换热器(9)、两位三通阀(16)、电磁阀(13)、储气罐(17)和节流阀(14)；

燃油发动机气缸一(1)、燃油发动机气缸二(2)、进气管(3)、排气管(4)组成系统的传统意义的燃油发动机；其中进气管(3)分成两路分别进入燃油发动机气缸一(1)和燃油发动机气缸二(2)的进气口；排气管(4)将燃油发动机气缸一(1)和燃油发动机气缸二(2)排出的热气通过管路排到换热器(9)中；

压缩空气缸(15)、水雾化器(18)、进气阀(11)、排气阀(10)组成系统的空气压缩机；其中水雾化器(18)的气体通过进气阀(11)进入压缩空气缸(15)，经压缩空气缸(15)压缩的气体通过排气阀(10)管路排到两位三通阀(16)处；

压缩空气膨胀缸(5)、进气门(8)、排气门(6)、膨胀机排气管(7)组成系统的压缩空气膨胀机；来自换热器(9)中的热气通过进气门(8)在压缩空气膨胀缸(5)中做功，膨胀机排气管(7)将做功后的废气排入大气中；

换热器(9)收集并加热来自两个燃油发动机排出的热气，和压缩空气缸(15)排出的常温气体；经换热器(9)换热的气体一部分排放到压缩空气膨胀缸(5)做功，另一部分由换热器的排气口(12)排入大气中；

两位三通阀(16)与排气阀(10)连通，并控制的两路输出：一路通 储气罐(17)、一路通换热器(9)，经换热器(9)加热后接入压缩空气膨胀机进气门(8)；

带有节流阀(14)和电磁阀(13)的管路，靠近节流阀(14)一端并入储气罐(17)和两位三通阀(16)之间的管线，另一端并入换热器(9)和两位三通阀(16)之间的管线；

储气罐(17)设有排污口(19)。