CN110469399A - 一种液态空气和燃油双能源混合动力式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其包括发动机本体、热交换器、废气收集容器和液态压缩空气储气容器；发动机本体内有内燃燃油缸和气动缸，内燃燃油缸的废气排入废气收集容器，气动缸在气动缸活塞处于进气行程时把废气吸入气动缸；在气动缸活塞接近压缩行程终了时，加热后的液态空气进入气动缸，废气瞬间加热进入气动缸的液态空气，膨胀作功。本发明通过对发动机的尾气进行再循环，可以降低排出气体中的氮氧化物，并可提高燃料消耗率；发动机使用的液态压缩空气，廉价易得，可适用性强，汽化后的高压气体能提供较大范围的功率需求，并且有更好的安全性。

Description

一种液态空气和燃油双能源混合动力式发动机

技术领域

本发明专利涉及发动机技术领域，具体涉及一种液态空气和燃油双能源混合动力式发动机。

背景技术

内燃发动机工作时会产生大量废气。发动机尾气的排气再循环技术是一种较为通用的发动机尾气控制和利用技术，采用该技术的内燃机将排出气体的一部分分离，然后再导入自身进气侧，使其再度燃烧。当前汽油机中使用的EGR技术，虽然使发动机尾气的排放量有一定的降低，但是会导致末端混合气温度升高，增加了爆震的可能性。李洋涛等公开了一种油气混合发动机，申请公布号CN108374719A，该发明利用发动机尾气与液氮在热交换器内交换热量使液氮受热膨胀产生高压气体，利用该高压气体推动活塞做功，从而节省燃料，但是液氮成本较高，且液氮对存储的条件要求较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能降低发动机尾气对环境的污染，安全可靠，燃油消耗少的发动机。

为解决上述技术问题，本发明首先公开了一种液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其包括发动机本体、热交换器、废气收集容器和液态压缩空气储气容器；

所述发动机本体内有发动机气缸，所述发动机气缸包括内燃燃油缸和气动缸；

所述废气收集容器，用于收集所述内燃燃油缸产生的废气；

所述液态压缩空气储气容器，用于储存液态压缩空气；

所述热交换器，用于将所述液态压缩空气储气容器中进气总管输出的液态压缩空气与所述内燃燃油缸水套的高温液体进行热交换；

所述内燃燃油缸通过安装单向阀的废气排气管与所述废气收集容器相连接；所述气动缸通过安装单向阀的废气进气管与所述废气收集容器相连，在所述气动缸活塞处于进气行程时把废气从废气收集容器吸入气动缸；

所述液态压缩空气储气容器依次通过进气总管、热交换器、进气歧管和喷射器与所述气动缸连接；在所述气动缸活塞接近压缩行程终了时，所述加热后的液态空气经过进气歧管由喷射器喷射进入所述气动缸，所述废气瞬间加热进入所述气动缸的液态空气膨胀作功。

相对于现有技术，本发明利用发动机废气收集装置，将发动机废气收集起来，在次喷入发动机气动缸加压，使气动缸内的液态压缩空气被高温的废气加热，瞬间迅速膨胀推动气动缸的活塞作功,对发动机的尾气进行再循环，不但充分利用了发动机废气的能量，还可以降低排出气体中的氮氧化物；发动机使用的液态压缩空气，廉价易得，可适用性强，汽化后的高压气体能提供较大范围的功率需求，并且有更好的安全性。

优选的，所述废气收集容器和所述液态压缩空气储气容器都安装压力传感器和安全阀；所述进气总管安装减压阀。

优选的，所述废气收集容器和液态压缩空气储气容器外表面均附着保温材料保温。

优选的，所述发动机本体内设有三个发动机气缸，一个气缸为内燃燃油缸，两个气缸为气动缸。

优选的，所述内燃燃油缸缸径小于气功缸缸径，其活塞行程大于气动缸活塞行程，用以降低气动缸废气膨胀做功时的能量损失，并保证燃油缸和气动缸输出转矩基本平衡。

优选的，所述内燃燃油缸压缩比为9:1,气动缸压缩比为3.5:1。

优选的，所述废气排气管和所述废气进气管的开闭通过电磁驱动转阀控制。

优选的，所述气动缸与所述内燃燃油缸可以为集成式，对同一曲轴做功输出功率与转矩，也可以为分体式，分别对各自曲轴做功然后进行动力耦合对外输出功率与转矩。

优选的，所述液态压缩空气储气容器通向所述气动缸的气路中设有稳压腔，对所述液态空气进行稳压。

本发明还提出一种所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的工作方法，包括以下具体步骤：

步骤1、所述发动机内燃燃油缸在进气行程吸入可燃混合气，位于所述废气排气管上的所述单向阀关闭；

步骤2、通过压缩行程，所述发动机内燃燃油缸点火使可燃混合气产生高温高压废气，活塞做功后，位于所述废气排气管上的所述单向阀打开，所述废气在排气行程经过所述废气排气管进入到所述废气收集容器中；

步骤3、当所述发动机内燃燃油缸压缩末了行程时，其中1个气动缸处于进气行程，所述废气进气管上的所述单向阀的开启，所述废气收集容器里的高温废气通过所述废气进气管进入所述发动机气动缸；

步骤4、所述废气管上的所述单向阀关闭，气动缸处于压缩行程，进入所述气动缸的所述废气被进一步压缩，使其温度进一步提高；

步骤5、在气动缸压缩行程的末期，所述液态压缩空气储气容器中的液态压缩空气经过所述喷射器喷入发动机气动缸中，所述进气歧管上的所述单向阀关闭，液态压缩空气被高温的废气加热，瞬间迅速膨胀推动气动缸的活塞作功；以及

步骤6、当所述气动缸处于排气行程时，膨胀作功后的所述空气和废气通过所述排气管排出气缸，当曲轴转过一定角度，另一个所述气动缸循环进行同样的工作过程。

附图说明

图1是集成式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的结构示意图；以及

图2是分体式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的结构示意图。

图中：1发动机本体，2发动机气动缸，3废气收集容器，4液态压缩空气储气容器，5废气进气管，6进气歧管，7废气排气管，8单向阀，9内燃燃油缸，10发动机气动缸，11安全阀，12压力传感器，13内燃燃油缸水套，14热交换器，15减压阀，16稳压腔，17喷射器，18排气管，19冷却液流出管，20冷却液回流管，21电磁流量调节阀，22进气总管，23内燃燃油缸输出轴，24气动缸输出轴，25动力耦合输出轴。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，集成式的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机包括发动机本体1，发动机本体1内设有内燃燃油缸9、发动机气动缸2和发动机气动缸10，其中内燃燃油缸9与内部供油系统相连接。需另外安置废气收集容器3和液态压缩空气储气容器4以及热交换器14，稳压器、废气收集容器3与发动机气动缸2、10之间通过废气进气管5相连接，与发动机内燃燃油缸9通过废气排气管7相连，发动机气动缸2、10与液态压缩空气储气容器4通过喷射器17、进气歧管6、稳压腔16、热交换器14、减压阀15、进气总管22相连接；废气收集容3和液态压缩空气储气容器4都安装压力传感器12和安全阀11，压力传感器12用于监测废气收集容器3或者液态压缩空气储气容器4的压力，当废气收集容器3或者液态压缩空气储气容器4的压力超过安全压力时，安全阀11打开以保证废气收集容器3或者液态压缩空气储气容器4的压力在安全范围内。

本实施例的发动机在工作时，内燃燃油缸9和普通发动机内燃燃油缸工作过程类似，发动机内燃燃油缸9在进气行程将可燃混合气吸入，然后通过压缩行程，点火使可燃混合气产生高温高压废气；活塞做功后，排气终了气缸内压力为0.1Mpa左右，废气温度为900-1200k,内燃燃油缸9燃烧产生的废气在排气行程排出，内燃燃油缸9排气时，位于废气排气管7上的单向阀8打开，废气经过废气排气管7收集到废气收集容器3中，当内燃燃油缸9进气行程开始时，位于废气排气管7上的单向阀8关闭。

当发动机内燃燃油缸9压缩末了行程时，即当其中1个气动缸处于进气行程时，随着单向阀8的开启，依靠排气的压力把废气收集容器3里的高温尾气通过废气进气管5压入发动机气动缸2和10。废气吸入完毕后废气管上的单向阀8关闭,当气动缸2和10处于压缩行程时，压入气动缸2和10的废气被进一步压缩，使其温度进一步提高。

为避免过度压缩造成动力损失，气动缸活塞行程短，压缩比较小。另外需要安装液态压缩空气储气容器4、热交换器14和稳压腔16。发动机气动缸2和10喷入液态压缩空气时，安装在进气总管22的减压阀15打开，使液态压缩空气在热交换器14内与经过内燃燃油缸水套13循环至此的高温液体进行热交换，然后安装在进气歧管6上的单向阀8打开，

在气动缸2和10压缩行程的末期，液态压缩空气先经过稳压腔16稳定压力，然后通过电磁流量调节阀21调节流量，最后经过液态空气喷射器17把液态空气喷入发动机气动缸2和10中。同时，进气总管22安装的减压阀15和进气歧管6上的单向阀8关闭。液态压缩空气被高温的废气加热，瞬间迅速膨胀推动气动缸的活塞作功。当气动缸处于排气行程时，把膨胀作功后的空气和废气通过排气管18排出气缸。当曲轴26转过一定角度，另一个气动缸循环进行同样的工作过程。

为利用冷却系统排出的热量，内燃燃油缸水套13的冷却液体经过冷却液流出管19循环至热交换器14中，与液态压缩空气进行热交换，然后经过冷却液回流管20回流至内燃燃油缸水套13，加热后的液态空气经过进气管进入稳压腔16，再经过进气歧管6由喷射器17喷射进入气动缸。

对于集成式的内燃燃油缸和气动缸，还可以在发动机内燃燃油缸周围安装特殊传热装置，将内燃燃油缸产生的热量传递至发动机气动缸，有助于发动机气动缸里的空气受热膨胀做功。

实施例2

图2为分体式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的结构示意图，分体式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的基本结构和工作机理与实施例1中的集成式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机相同，他们的不同之处在于，实施例1中的集成式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，内燃燃油缸9的连杆和气动缸2、10的连杆27连接在同一根曲轴26上，此种情况下内燃燃油缸和气动缸对同一曲轴26做功，发动机动力由此曲轴输出；与集成式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的不同之处在于，分体式液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的内燃燃油缸和气动缸分开布置，内燃燃油缸的连杆连接在内燃燃油缸输出轴23，气动缸的连杆连接在气动缸输出轴24，发动机输出的动力由内燃燃油缸输出轴23与气动缸输出轴24进行耦合，然后由动力耦合输出轴25输出。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，其包括发动机本体、热交换器、废气收集容器和液态压缩空气储气容器；

所述发动机本体内有发动机气缸，所述发动机气缸包括内燃燃油缸和气动缸；

所述热交换器的进气端口与所述所述热交换器的进气总管的一端相连接，出气端口与所述热交换器的进气歧管的一端相连接，用于将所述液态压缩空气储气容器中进气总管输出的液态压缩空气与所述内燃燃油缸水套的高温液体进行热交换；

所述废气收集容器，通过安装单向阀的废气排气管与所述内燃燃油缸相连接，所述内燃燃油缸燃烧产生的废气在排气行程排出，经过所述废气排气管收集到废气收集容器；所述废气收集容器，通过安装单向阀的废气进气管与所述气动缸相连，在所述气动缸活塞处于进气行程时把废气从废气收集容器吸入气动缸；以及

所述液态压缩空气储气容器依次通过所述进气总管、所述热交换器、所述进气歧管和喷射器与所述气动缸连接；在所述气动缸的活塞接近压缩行程终了时，经所述热交换器加热后的液态空气经过进气歧管由喷射器喷射进入所述气动缸，所述废气瞬间加热进入所述气动缸的液态空气膨胀作功。

2.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述废气收集容器和所述液态压缩空气储气容器都安装压力传感器和安全阀；所述进气总管安装减压阀。

3.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述废气收集容器和液态压缩空气储气容器外表面均附着保温材料保温。

4.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述发动机本体内设有三个发动机气缸，一个气缸为内燃燃油缸，两个气缸为气动缸。

5.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述内燃燃油缸缸径小于气功缸缸径，其活塞行程大于气动缸活塞行程。

6.根据权利要求5所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述内燃燃油缸压缩比为9:1,气动缸压缩比为3.5:1。

7.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述废气排气管和所述废气进气管的开闭通过电磁驱动转阀控制。

8.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述气动缸与所述内燃燃油缸可以为集成式，对同一曲轴做功输出功率与转矩，也可以为分体式，分别对各自曲轴做功然后进行动力耦合对外输出功率与转矩。

9.根据权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机，其特征在于，所述液态压缩空气储气容器通向所述气动缸的气路中设有稳压腔，对所述液态空气进行稳压。

10.一种权利要求1所述的液态空气和燃油双能源混合动力式发动机的工作方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1、所述发动机内燃燃油缸在进气行程吸入可燃混合气，位于所述废气排气管上的所述单向阀关闭；

步骤2、通过压缩行程，所述发动机内燃燃油缸点火使可燃混合气产生高温高压废气，活塞做功后，位于所述废气排气管上的所述单向阀打开，所述废气在排气行程经过所述废气排气管进入到所述废气收集容器中；

步骤3、当所述发动机内燃燃油缸压缩末了行程时，其中1个气动缸处于进气行程，所述废气进气管上的所述单向阀的开启，所述废气收集容器里的高温废气通过所述废气进气管进入所述发动机气动缸；

步骤4、所述废气管上的所述单向阀关闭，气动缸处于压缩行程，进入所述气动缸的所述废气被进一步压缩，使其温度进一步提高；

步骤5、在气动缸压缩行程的末期，所述液态压缩空气储气容器中的液态压缩空气经过所述喷射器喷入发动机气动缸中，所述进气歧管上的所述单向阀关闭，液态压缩空气被高温的废气加热，瞬间迅速膨胀推动气动缸的活塞作功；以及

步骤6、当所述气动缸处于排气行程时，膨胀作功后的所述空气和废气通过所述排气管排出气缸，当曲轴转过一定角度，另一个所述气动缸循环进行同样的工作过程。