CN1092758C - 用于配有二次压缩空气的无污染发动机的车辆的回收热能的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于发动机或车辆回收热能的方法，发动机或配有无污染由机的车辆在燃烧室(2)中注入二次压缩空气并具有储存高压压缩空气的蓄压器(23)。蓄压器(23)中的高压压缩空气，在其被喷射到室(2)之前，在可变体积的系统(例如，活塞-气缸装置(54，55))中膨胀而做功，通过机械方式或类似的方式利用该功。该做功的膨胀(喷射压力)使空气冷却到非常低的温度。然后推进该空气使其进入加热该空气的热交换器(41)中，因而，通过回收由大气提供的热能可增加压力和/或体积。本发明能用于所有的配有压缩空气喷射的发动机并用于产生车辆中的调节空气。

Description

用于配有二次压缩空气的无污染发动机的车辆的回收热能的方法和装置
本发明，即本专利的主题，涉及地面车辆，具体说，涉及配有无污染或污染减少的发动机的、带有或没有分开的燃烧室的、用二次压缩空气喷射操作的，并引入高压压缩空气蓄压器的地面车辆。
在WO96/27737公开的专利申请中，作者描述了一种发动机污染减少的方法，发动机配有分开的外部燃烧室，根据双模式原理用两种类型的能量工作，在不设防的道路上(用空气/燃料混合物的单模式工作)或在低速(特别是在城市和市郊)使用例如汽油之类的常规的燃料或柴油，给燃烧室附加压缩空气(或任何其它无污染的气体)，排除任何其它燃烧(空气式单模式工作，即，使用外加压缩空气)。在FR9607714的专利申请中，作者描述了单模式工作的这类发动机的安装，在服务车辆上，例如在市区公共汽车上外加压缩空气。
在这类发动机中，使用空气/燃烧混合模式，将空气/燃料混合物吸入一个分开的进气和压缩室并在该室中压缩空气/燃料混合物。然后，仍然在压力的作用下并且以不变的体积将此混合物传送至一个分开的燃烧室，并接着燃烧以增加所述混合物的温度和压力。在将所述燃烧或膨胀室与减压和排气室相连的转换系统开放之后，在后一室中使混合物减压以便作功。接着，通过排气管将减压的气体排到大气中。
在以较低的功率使用空气加二次压缩空气的操作(这是本发明的具体的主题)的期间，不再控制燃料喷射系统：在此情况下，在由进气和压缩室进入无燃料的压缩空气的燃烧室之后，主要在进入后者之后，从外部蓄压器喷射少量的二次压缩空气，外部蓄压器在高压(例如200巴)和环境温度下储存空气。此少量的环境温度下的压缩空气只要与燃烧或膨胀室中包含的大量高温空气接触就将变热，并将膨胀并由此增加了室中的压力，从而能在减压期间传递发动机作的功。
通过删除使用常规燃料的发动机的所有操作，也能修改这类双模式或双能源发动机(空气和汽油，或者空气和二次压缩空气)，优先用于(例如在市区)所有车辆，具体地说，用空气/二次压缩空气单模式的市内公共汽车或其它服务车辆(出租车，垃圾车，等等)。
发动机将仅仅以二次压缩空气进入燃烧室的单模式运行，该燃烧室因而将变成一个膨胀室。此外，经一个或多个碳过滤器或由任何其它机械或化学工艺，或经分子筛或经其它过滤器，能过滤和净化发动机吸入的空气，从而提供无污染的发动机。在此文中使用的术语“空气”也包括“任何无污染的气体”。
在此类发动机中，将二次压缩空气喷射到在工作压力下的燃烧或膨胀室中，所建立的这个工作压力为该室中原有压力的函数，并以比所述室中的压力高很多的压力(例如30巴)将二次压缩空气喷射到该燃烧或膨胀室中，以使其转换。为了实现这一点，使用常规的减压系统，进行不吸收热的无功减压，并因而不产生温度降低，从而使环境温度下的减压空气(在我们的例子中大约为30巴)喷射至燃烧或膨胀室中。
也可将喷射二次压缩空气的该方法应用在常规的2-冲程或4-冲程的发动机上，其中大约在点火的上死点将所述喷射的二次压缩空气带进发动机燃烧室。
根据本发明的方法提供了一个系统，该系统使能用的和可利用的能量增加。它的特征在于所使用的装置，具体地说，在非常高的高压(例如，大约200巴)的蓄压器中的环境温度(例如，20度)的压缩空气在其最后以低压(例如30巴)使用之前被减压，压力减到接近其最后使用所需的压力，在可变体积系统(例如气缸中的活塞)内，能由任何已知的方式(机械的、电的、液压的，或其它方式)回收和使用做的功。做功的减压操作具有使压缩空气冷却到非常低的温度(例如，-100℃)并且其压力接近最后使用所需要的压力的结果。然后将已经减压到其使用压力并且非常低温的该压缩空气传送到具有环境空气的热交换器中，以加热到接近环境温度的温度，并由此通过从大气中回收热能增加其压力和/或体积。
根据本发明的方法的优点是相当大的：首先，在减压期间做功并能直接由发动机的主轴利用该功，或者例如通过驱动机械的、电的或其它部件间接利用该功；第二，利用环境温度获得自由热能，引起空气的压力和/或体积增加，并由此增加操作范围。
在此领域中有合适资格的人能计算供给做功的减压系统的非常高的压力的空气量，以及后者的特性和体积，以在该做功的减压操作结束时获得最后选择的工作压力和最冷的可能温度，这些值随发动机的使用情况而变。管理这些参数的电子控制系统使利用和回收的压缩空气的量在所有时候都为最佳。在此领域中有合适资格的人也能计算热交换器的特性和尺寸，他们能应用本领域的所有已知的概念而不改变本发明的方法。
也能根据本发明的方法，部分地或按其它方式，使用在发动机所有的热区中已经减压的、低温的空气的全部或部分，所述的热区为例如在气缸和/或气缸盖冷却系统中或别处。
根据本发明的另一特征，利用减压所作的功给燃烧或膨胀室中的气体增压系统提供气动辅助设备。
根据本方法的另一特征，能利用做功的减压系统通过例如在线圈内移动的磁心来发电，有利地代替车辆的交流发电机。
根据本发明的方法的另一特征，通过加热空气的引入和分配(在车辆内)，能将空气/热空气交换器设计成在夏季给车辆提供空气调节，所述加热空气当它通过散热器并将它的热量传送给减压空气时冷却。
此外，能在不改变原理的情况下组合上面描述的本发明工作的特有特征；例如，一方面，能分两步进行减压冷却空气的加热，在大气空气后面有致冷，反之亦然；类似地，能在行程的起始点回收电能，并然后在行程结束处回收用于辅助设备的机械能。
也能以两种或多种操作实现做功的减压操作，在进一步做功(由所有已知系统利用)的减压和再加热之前，例如，中间压力的做功(也由所有已知系统利用)的减压后面有在空气/热空气交换器中的再加热。
本发明的其它目的、优点以及特征在阅读参考附图描述的几个特定实施例的说明书后将变得很清楚。
图1是配有用于控制增压活塞的气动辅助设备的无污染发动机示意侧投影图；
图2表示处在发动机减压开始时的同一个设备；
图3表示处在发动机减压结束时的同一个设备；
图4表示用于产生电能的一个气动设备；
图5表示用于产生电能和机械能这两者的一个气动设备；
图6表示用于回收直接用在发动机主轴上的周围环境热能的设备的示意侧投影图；
图7示意表示使用热交换器的一个设备，它可为车辆提供空气调节。
图1示出了无污染发动机和其压缩空气供给装置的示意侧投影图，包括进气和压缩室1和体积不变的燃烧室或膨胀室2，在体积不变的燃烧室或膨胀室2上安装有从压力非常高的蓄压器23输送压缩空气的附加空气喷射器22，以及减压和排气室4。进气和压缩室1经过其开和闭由密封关断阀瓣6控制的管道5与燃烧室或膨胀室2相连接。燃烧室或膨胀室2经过其开和闭由密封的关断阀瓣8控制的管道或输送系统7与减压和排气室4相连接。经进气管道13给进气和压缩室1供给空气，由阀门14控制进气管道13的打开，在进气管道13的上游安装有无污染碳过滤器24。
进气和压缩室1像活塞式压缩机装置那样操作，其中，由连杆11和曲柄轴12控制在气缸10内滑动的活塞9。减压和排气室4通过在气缸16内滑动的活塞15控制常规的活塞发动机，从而，经连杆17驱动曲柄轴18转动。通过其开口由阀20控制的排气管19排出减压的空气。由减压和排气室4的发动机曲轴18通过机械联动21控制进气和压缩室1的曲轴12的转动。
根据本发明，燃烧室2装有由气缸25构成的增压器室，活塞26在气缸25内移动；由压杆27和28控制活塞26的运动。在压杆和其控制凸轮29之间有一辅助系统，由发动机驱动控制凸轮29的转动并与发动机同相。该辅助系统包括在两端闭合的气缸31内滑动的活塞30、杆和连杆系统34；通过杆32将活塞30连接到作用在控制凸轮29上的轴承33上，杆和连杆系统34将该辅助系统连接到控制增压活塞26的压杆27和28上。活塞30控制在气缸内的两个密封室35和36的通道，一个在控制凸轮29端的减压和做功室35，一个在压杆端的背压室36。高压空气进气管37通到减压和做功室35；由电阀38控制该高压空气进气管37的打开与闭合。排气管39也通到减压和做功室35，由电阀40控制该排气管39的打开与闭合。排气管39还连接到空气/热空气交换器或散热器41，空气/热空气交换器或散热器41本身经过管道42连接到具有实际不变的最终使用压力的存储缓冲系统43。背压室36经过管道44连接到缓冲蓄压器43，缓冲蓄压器43经管道45供应附加空气喷射器22。
当发动机正运行在空气/二次压缩空气方式(参见图1)时，并且当增压器活塞26在下死点时，压缩活塞使高温压缩空气进入膨胀室2；然后切换附加空气喷射器22以便该附加空气喷射器将少量的环境温度下的并且压力略比膨胀室2高的空气喷射到该膨胀室2中。然后在膨胀室2中可观察到第一压力增加。由计算机控制的电阀38打开，允许由蓄压器23供给的、高压的、环境温度下的少量空气进入，然后，在凸轮29开始向后推动辅助活塞30的同时电阀闭合。已经允许进入减压和做功室35的高压压缩空气向后推动辅助活塞30，辅助活塞30本身通过杆和连杆系统34、压杆27和28将增加压力器活塞26向后推向上死点，以进一步增加膨胀室2内的压力。
在辅助活塞30的行程期间，在辅助室35中的压缩空气减压而做功并引起大幅度的温度下降；它在行程末端的压力大约等于背压室36中的空气的压力。在进行这些操作的期间，控制减压室4的发动机活塞15到达上死点(参见图2)，并且打开密封的关断阀瓣8以便使膨胀室2中压缩空气减压并使发动机作功。在此减压期间，凸轮29使增压器活塞26保持在上死点。因为压杆，由在室2中的压力所产生的力并没有传送给凸轮29，并且辅助室35和背压室36中的压力大约相等，没有给所述的凸轮施加转矩。
一旦在减压和排气室4中供给发动机功的减压操作发生(参见图3)，再次闭合密封的关断阀瓣8。凸轮29的转动使辅助活塞进一步运动，并且密封的关断阀瓣8打开以使另一部分的气体进入燃烧和膨胀室2；电阀40打开；通过回动弹簧46和室2中的压力的推动作用，辅助活塞30返回到其起始位置，将压缩的但已经经过部分减压的并为低温的空气从辅助室35传送到空气/热空气交换器或散热器41。利用热交换器41，该空气将加热到接近环境温度，并且当返回到缓冲蓄压器43时其体积将增加，已经从大气中回收大量的能量。
根据本发明的方法的特征，能使用做功减压将电能供给车辆。图4中示出了实现这一方法的设备的一个例子，在该图中，你可以看到一个与前面所述的辅助设备极其类似的设备，并且与前面所述的辅助设备有许多共同点；它包括一个活塞30，活塞30在两端封闭的气缸31内滑动。活塞30与杆34为一整体，支承在线圈50内穿过的铁氧体磁芯49，杆的末端与回动弹簧46相连。活塞30控制在气缸内的至两个密封室35和36的通道，这两个密封室为：一个减压和做功室35和一个在压杆34端的背压室36。高压空气进气管57通到减压和做功室35；由电阀38控制该高压空气进气管57的打开与闭合。排气管39也通到减压和做功室35，由电阀40控制该排气管39的打开与闭合。排气管39还连接到空气/热空气交换器或散热器41，空气/热空气交换器或散热器41本身经过管道连接到具有实际不变的最终使用压力的存储缓冲蓄压器43。背压室36经过管道44连接到缓冲蓄压器43，缓冲蓄压器43经管道45供给附加空气喷射器22。
根据本发明的方法，在发动机的操作在压缩空气方式的期间，随着附加空气喷射器22所消耗的压缩空气量的变化，打开电阀38并然后关闭电阀38以允许一定量的高压压缩空气进入室35。通过在室35和室36之间的压力差的推动作用，活塞30移动，压缩弹簧46并使杆34引起铁氧体磁芯49在线圈50内移动，从而产生电流。环境温度的高压压缩空气负载的减压(做功)使温度降低。当压力，或者说得更精确些，在两个室之间的作用力达到平衡时，打开电阀40，并通过回动弹簧46的推动作用使活塞30和铁氧体磁芯49返回到它们的起始位置，将包含在减压室35中经过压缩的、但已部分减压的并且极低温度的空气传送到空气/热空气交换器或散热器41中。利用热交换器41，将该空气将加热到接近环境温度并因此体积增加；该空气进入已经从大气中回收大量的能量的缓冲蓄压器43中。
根据本发明的一个特征，也可有利地将前面描述的两种装置组合：刚好在活塞30行程的起始点压力是最高的，而使压杆操作所需要的作用力较小。在图5中描述了这样组合的装置，在该图中你能看到，在如图1至3所示的辅助系统和压杆之间的控制杆34上有一个在铜线线圈50内滑动的铁氧体磁芯49，它与图4中所示的类似。因此，在操作期间，它能在为此目的而设的和然后为按图1至3所描述的方式操作而设的线圈50内的行程的起始点处回收电能。
根据本发明的一个关键的特征，图6示出了应用和实现本发明的方法的另一装置，在该装置中减压用来做功，能在发动机的主轴直接利用该功，在此，连杆装置53和操作活塞54都与发动机主轴18直接相连。该活塞54在其一端55闭合的气缸内滑动并控制至工作室35的通道：首先，打开由电阀38控制其打开和关闭的高压进气管37进入工作室35；然后打开与空气/热空气交换器或散热器41相连的排气管39进入工作室35，空气/热空气交换器或散热器41本身通过管道42与具有实际不变的最后使用压力的存储缓冲系统相连。在操作期间，当工作活塞54在其上死点时，打开电阀并然后关闭以导入压力非常高的压缩空气；该空气然后在活塞54推向其下死点的过程中减压并经连杆驱动发动机曲轴18。然后，在活塞54向上的行程期间，打开排气阀40并且将在工作室中的压缩空气(已部分减压并且温度非常低)压到空气/空气热交换器或散热器41中。因而，该空气加热到接近环境温度的温度并当行进到缓冲蓄压器43时体积增加，已从大气中回收大量的能量。
图7是如前面图中所描述的空气/热空气交换器或散热器41的透视图，实现下面将描述的本发明方法的每一装置本身都配备有空气/热空气交换器或散热器41，以便通过管道39送出极低温度的空气和通过带走最后使用的加热的空气的抽气管道42给车辆提供空调；通过集流腔58收集想要再加热的大气并穿过散热器由风扇56吹入。通过在散热器中将其热量传送给压缩空气，大气空气冷却并收集在管道59中，在管道59上的活动关断阀瓣57允许把所述空气的所有部分引向车辆乘客室，以根据所述关断阀瓣的打开程度提供空调。可通过该领域任何已知的方式调整致冷空气的流量，例如在散热器上的贮藏物，关断阀瓣，加入热空气，等等，而不改变本发明的特征的原理。该系统可与前面描述的其它装置组合使用，而不改变上面描述的本发明的原理。

Claims (11)

1、用于发动机或配备有无污染或减少污染的发动机的车辆的回收环境热能的方法，所述发动机通过注入附加空气到燃烧或膨胀室而操作并具有高压压缩空气贮存系统，其特征在于，在压缩空气在较低压力的最后使用之前，高压蓄压器内的压缩空气在诸如气缸中的活塞之类的可变体积系统内被减压到与最后使用的所需压力相接近的压力，从而做功，此功具有将部分减压的压缩空气冷却到低温的结果；将已经部分减压到其使用压力的该压缩空气传送到热交换器，以通过回收大量的热能加热空气并改变其压力和/或体积。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于将低温度的部分减压的压缩空气传递到具有环境温度周围空气的热交换器中，以被再加热到大约等于所述环境温度的温度，并因而在已从大气中回收大量热能的过程中增加其温度和/或体积。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于在发动机的热区加热全部或部分极低温度的减压空气，从而充当发动机冷却系统的补充装置，而不论它是否与通过热交换器的通道组合。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于在发动机的热区加热全部或部分极低温度的减压空气，从而充当发动机冷却系统的补充装置，而不论它是否与通过热交换器的通道组合。
5、如权利要求1至4所述的方法的应用，其特征在于由机械、电、气动或液压系统回收和利用在可变体积系统内的减压期间所做的功以补充发动机能量。
6、如权利要求2所述的方法的应用，其特征在于利用经过空气/热空气交换器并因而被冷却的环境空气为车辆提供空气调节。
7、应用如权利要求5所述的发明的方法的装置，其特征在于所述的可变体积系统包括：
活塞(30)，其配有控制和/或运动传动杆(32，34)；
气缸(31)，其两端闭合，活塞(30)在其内滑动；
减压和做功室(35)，位于气缸(31)一端，高压空气进气管(37)和排气管(39)，分别与该减压和做功室(35)相连；
电控阀(38)和(40)，分别位于进气管(37)和排气管(39)内，控制进排气管的开关；
热交换器(41)，与带有电控(40)的阀排气管(39)相连，控制减压的压缩空气进入热交换器(41)；
蓄压器(43)，其进气端通过管道(42)与热交换器(41)相连，排气端通过管道(44)与背压室(36)相连，通过管道(45)与二次压缩空气喷射器(22)相连。
8、如实现权利要求5所述的本发明的方法的装置，其特征在于还包括：
一气缸活塞系统(25，26)，活塞(26)通过压杆(27，28)，控制杆(34)与所述的活塞(30)相连；
燃烧或膨胀室(2)，所属的气缸活塞系统(25，26)与二次压缩空气喷射器(22)装配其上，活塞(30)通过压杆(27，28)，控制杆(34)将活塞(25)推向下死点，增加在燃烧或膨胀室(2)中的压力。
9、如实现权利要求5所述的发明的方法的装置，其特征在于所述的利用减压系统所做功提供电能的装置包括：
铁氧体磁芯(49)，固定在所述的控制杆(34)上；
线圈(50)，铁氧体磁芯(49)可在其内移动；和
弹簧(46)，连在控制杆(34)与活塞(30)的相对端；可使活塞(30)回位。
10、如实现权利要求1至4所述的本发明的方法的装置，其特征在于所述的可变体积系统包括：
一气缸活塞系统(55，54)，气缸(55)一端闭合；
连杆(53)和发动机曲轴(18)，发动机曲轴(18)通过连杆(53)与活塞(54)相连；
热交换器(41)和蓄压器(43)，蓄压器(43)一端通过管道(42)与热交换器(41)相连，另一端与二次压缩空气喷射器(22)相连，控制高压空气的进入和减压后的低温空气的排出；
高压空气进气管(37)和电阀(38)，连接气缸(55)和蓄压器(43)；
排气管(39)电阀(40)，连接气缸(55)和热交换器(41)。
11、如实现权利要求6所述本发明的方法的装置，其特征在于包括：
风扇(56)和集流腔(58)，引导环境空气并将环境空气吹过热交换器(41)；
管道(59)和活动的关断阀瓣(57)，控制进入车辆的乘客室的经过冷却的空气。
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