CN201442510U - 复合动力车 - Google Patents

Abstract

一种复合动力车的动力配置与控制，它主要包括内燃机、电动机、发电机、蓄电池及控制系统等，其特征在于实施缸内直喷、分缸断油、间歇供油、高温风冷技术的六行程发动机有档、无节气门、可适时反向转动、功率变换由驾驶员通过汽车微电脑直接操控，电动机为开关磁阻电动机，并利用发动机的废气及汽车行驶时所产生的风力发电，其废气动力涡轮发电机组及汽车风力发电机的电机也均选用磁阻电机；其装配形式可根据车型的不同，分别采用发动机前置前驱、电动轮后置后驱或发动机与电动机均前置后驱两种不同的装配形式；本实用新型优点和效果：更节能减排、更实用耐用。

Description

复合动力车

所属技术领域

本实用新型涉及一种复合动力车的动力配置与控制，尤其是发动机和整车控制策略。

背景技术

(一)、

公知的燃油汽车，其发动机供给的燃料所放出的热量，只有20-30％转变为有用功，而其余的热量将随废气、冷却介质等不同途径排出发动机外。以汽油机为例，汽油燃烧产生的100％能量，除去发动机附件损失2、2％(1、6％)、怠速/空转损失17、2％(3、6％)以及输出有用功18、2％(25、6％)外，而余下的62、4％(69、2％)则全部是发动机损失(括号内的数字是公路行驶时的数据)。其中，废气带走的热量约占21-25％，冷却介质带走的热量约占30-40％，不完全燃烧的热损失约占6-13％，其它热量损失约占7-16％......其最主要的弊端是，燃油发动机排出的废气对环境所造成的污染。

(二)、

公知的电动汽车是电池动力驱动的汽车，被誉为“零污染”绿色环保动力车。其优点是布置方便、控制灵活、无级变速、起动变速平稳；电机的转速与汽车的车速无直接关系，可以按汽车行驶的功率要求，以恒功率自动调速而获得其转速的最佳经济效益……其缺点是，电池的能量密度与汽油差百倍，远未达到人们所需求的数值，各种类别的蓄电池又普遍存在着价格高、寿命短、充电时间长及电池的平均充放电效率较低，从电网经镍氢电池和锂离子电池提供电能的费用较高和充电后行驶距离短等……其最主要的弊端是，电动汽车“零污染”的优点只是从微观的角度所得到的，即仅仅是从汽车本身而得出的。假若从宏观的角度看，其电动汽车使用的电能的源头生产企业-发电厂所产生的环境污染，即其“宏观污染值”并不小(目前中国电力的80％以上是燃煤产生的)。

(三)、

公知的氢动力汽车，是以液态氢作为汽油的替代能源，其最大优点是零污染，这是十分可取的。但，若从安全的角度去分析，一辆装载着被压缩成液态氢的高压隔热储氢罐的汽车，一旦其储氢罐或其输气管被撞击破裂、点燃，其后果是难以想象的。所以，以氢气、天然气、煤气、甲醛等可燃气体为燃油的替代燃料，应用于快速移动且存在着较大冲撞几率的汽车中，其安全、成本控制问题还是有待深入探讨的；

(四)、

复合动力汽车也被称之为混合动力车(HEV)，是由内燃机和电池两种动力驱动的汽车，其技术实质是燃油汽车技术与电动汽车技术的集成。它优点是，可以消除或大大地减少怠速工作状态，而使发动机尽可能的工作在高效率、低排放区域，且保持了由燃油汽车续驶里程长的固有特点，其设计思维是正确的。

目前复合动力车的动力配置按动力总成的动力传输路线的不同，被分为串联式、并联式和混联式三种。串联式复合动力车的发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动车轮……并联式复合动力车的电机既可以作电动机又可以作发电机……丰田的Prius属于以电动机为主的混联式复合动力车，在常规行驶时发动机作主动力源，由动力分离装置将动力分成两路，一路驱动发电机进行发电，产生的电力驱动电动机运行，另一路则直接驱动车轮……其共性一是，其发电机产生的电能，都是消耗发动机的动力而转换来的，能量几经转换，效率较低；其二是，所采用的四冲程水冷发动机的性能并不是最佳的(参见下文)……加之，为了实现对发动机和电机的最佳控制和为了提高纯电池工况下可行驶里程及加大制动回收能量的数量，所需要增加的研制成本较大——这正是虽人们预测它可能具有巨大的发展潜力和十分看好的市场前景，但事实上并非如此之症结。

(五)、

利用太阳能以非常经济的手段生产液态氢，并将液态氢存储在氢化金属燃料箱中，用这种燃料电池系统供应电力马达的电动汽车，也是一个非常好的研发方向，只是目前离其应用还有一段时间距离。

发明内容

为了进一步提升汽车的性能，实用新型在对汽车发动机与汽车理论(特别是其最基础理论)及汽车实用技术较系统的学习、研究的基础上，从发动机的结构型式和性能改良、车辆能量的回收利用和动力系统的配置及控制等几方面入手，通过集成化创新，对目前复合动力车进行了系统性改进和优化，以使之能够更加节能减排、更加实用耐用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、发动机的结构型式和性能的改良

该子方案包括，采用六冲程发动机并对其实施风冷系高温冷却及将六冲程发动机技术与缸内喷射、分缸断油和间歇供油技术集成和采用新的发动机燃料控制摸式以及发动机的适时反向转动等几项具体技术措施：

(一)、采用六冲程发动机并对其实施风冷系高温冷却：

公知的二冲程发动机是不易将废气自缸内排除干净的，且会在换气时减少有效工作行程，还会将一部分可燃混合气体随同废气排出(汽油机)；三角活塞转子式发动机低速时的动力性和经济性较差，起动性和耐久性低；四冲程发动机的动力性和经济性等综合指标，均好于二冲程发动机和转子式发动机而被汽车所广泛应用。但由于发动机的转速一般比较高，进、排气通道的截面又很小，气流通道的阻力会使进入气缸的气体压力下降；又由于上一工作循环后，缸内废气的压力、温度较高，使新鲜空气必须等到缸内废气的压力降至低于大气压力P₀后才能进入气缸，从而缩短了进气时间；而进入气缸的新鲜空气除了与缸内的高温机件产生热交换外，还要被缸内的废气加热，而使其密度减小。在排气终了，活塞达到上至点时，废气充满压缩容积，虽利用废气流动惯性，亦难使之排除干净。残余的废气冲淡和沾污了新鲜气体，对此后的燃烧极为不利，而且还会妨碍新鲜气体进入气缸，使充气量减少……因此，人们才千方百计地采取了各种措施，来努力提高发动机的充气系数和降低残余废气系数。

目前所采用的措施及弊端其一是，排气门提前开启并延迟关闭。排气门提前开启的益处是，增加了排气时间，而使残余废气系数得以降低，并可以降低排气冲程时活塞的运动阻力，减少发动机的负功消耗。但其弊端是，在发动机膨胀行程时排气门的提前开启，使缸内气体的压力、热量迅速降低，而导致发动机功率的大幅度下降；其二是，增设了附加空气阀、怠速控制阀、谐波增压、多气门、可变进气歧管……这些措施对提高发动机的充气系数确实是有帮助作用，但却增加了制造成本和发动机控制系统的复杂性；其三是，采用废气涡轮增压。但废气涡轮增压对于汽油机来说，又会因汽油机的燃烧机理与柴油机的燃烧机理的不同，而使“爆震”更加容易发生……关键问题还在于汽油机采用废气涡轮增压后，其效果只要在高原地区或节气门开度为3/4以上时才能显现，因此必须在发动机和增压器之间装有离合控制机构，或采用可变压缩比技术(如发动机管理系统Trionic)……这就使得发动机的操控机构变得更加复杂，也增加了汽车的制造成本；另外，无论是柴油机还是汽油机，采用废气涡轮增压都会使发动机的工作强度增大，从而影响材料和结构强度，缩短了发动机工作寿命，因而不被汽油机广泛应用……

从热力学的角度看，虽然通过热机并不可能把混合气燃烧产生的热全部转换为机械功，但在混合气燃烧的过程中还是应该尽量减少其热损失，以使其产生的热量能发挥其尽量大的效能，而产生尽量大的膨胀功；可是，为了保证发动机的正常工作，又必须对在高温条件下工作的缸内机件加以及时适度冷却。这一矛盾，显然是目前水冷系冷却水套中的循环水和风冷系缸体外的流动气流，对发动机缸内运动机件“隔靴挠痒”式的冷却，所难以协调和平衡的(特别是多缸发动机)......发动机的冷却状态不能按着发动机各行程的不同需求，而“随机应变”，以致使发动机的热量损失过多，则是燃油汽车热效率低的一个主要因素。

实用新型采用的发动机是活塞式六行程发动机。其活塞往复六个单程完成一个工作循环：进气1行程→压缩行程→膨胀行程→排气1行程→进气2行程→排气2行程(进气2、排气2这两个行程也可以称为冷却扫气行程)。该发动机的优点，一是可以利用重复性进气、排气，而使发动机获得较高的充气系数和较低的残余废气系数；二是，在对发动机实施风冷系冷却的条件下，可以利用重复性进气、排气，而使缸内机件的冷却状态随着行程的不同而改变，即在压缩、膨胀的两个行程时，由于缸内没有冷却介质(低温空气)的介入，而使发动机缸内处于弱冷却状态；在发动机的进气行程时，由于低温空气直接接触到缸内的高温机件，而使缸内机件处于强冷却状态。这样，再加上风冷系冷却的合理设计，就可以在确保缸内机件得到较好冷却的同时，大大地减少冷却系的负面效应，而达到提高发动机热效率之目的；

发动机压缩行程的弱冷却状态，加之风冷系所实施的高温冷却(缸体所始终处于的较高温度)，会使缸内的空气和混合气得到较好的预热，对燃油的蒸发、雾化的作用会更加直接有效，可以大大的提高发动机热效率。

(二)、将六冲程发动机技术与缸内喷射、分缸断油和间歇供油技术集成：

与四冲程发动机的功率并不是二冲程发动机功率的1/2的道理相似，在相同的工作容量和曲轴转速的情况下，该六冲程发动机功率的估算值约为四冲程发动机功率的80-90％；在相同运行时间内，六冲程发动机与四冲程发动机相比较，其燃油可节省1/3即33.33％……功率小幅下降换得燃油大幅度降低，是该机型的又一个优点。但，该机型却不能用于非缸内喷射的条件下，这是因为，后增加的进气行程会将残留在进气歧管中的混合气带入到气缸内，而被此后的排气行程排出，产生燃油浪费现象，所以又必须将缸内直喷技术与其集成，这是其一；其二是，该机型发动机的冷却，若仅仅依赖其自身的重复性排气、进气对缸内机件的冷却或仅仅在风冷发动机现有的结构设计模式(现有的结构设计模式是：气缸盖和气缸体的外表面均布满散热片，并装有导流罩、分流板......)的基础上加以结构性完善，还是不行的。这是因为，发动机风冷虽可以克服了水冷系容易造成冷却系统结垢，使其导热性变坏、零件锈蚀，出现内燃机热状态不好和功率下降，及冬季需要添加防冻液或对机舱的进风口进行遮挡等问题，而具有结构简单，使用和维修方便之优点，但由于空气的热容量低、导热性差，而使之存在着冷却不够可靠、消耗功率大、噪声大等缺点。而发动机重复性排气、进气虽可以使缸内的高温机件能够得以与低温空气能够直接接触，但其气体的流量、压力毕竟比较小，所能起到的冷却作用毕竟有限……所以，该机型发动机则必须在利用发动机重复性排气、进气对缸内机件直接接触、冷却和风冷系冷却的合理设计的基础上，再佐以发动机的分缸断油、间歇供油技术，以使发动机(缸)能“忙里偷闲”；这样，再加上复合动力车怠速、低速工况时，发动机所能得到的“休息”，就可以在确保发动机冷却效果的同时，而使风扇的功率和噪声得以降低；

汽油机缸内喷射技术是受柴油发动机缸内喷射技术的启发而发展起来的。供油系统采用缸内直喷技术，可以排除早期化油器技术带来的燃烧不充分，在冷启动和怠速运转过程中产生黑烟和马力不足的问题，也可克服由于汽油机构造的先天限制，而使燃油喷射发动机所吸进的油气，只能在气门开启状态下才能进行的缺陷。但由于目前采用缸内直喷技术[如奥迪所使用的FSI(压燃式)发动机和凯迪拉克使用的SIDI发动机]原来只是针对纯燃油汽车的，所以，它们将“涡轮增压”、可变进气岐管”、“凸轮轴相位调节VVT”……等技术与之进行了捆绑、集成，也是必要和有益的。

本实用新型的发动机虽然也采用了缸内喷射技术，但并没有捆以“涡轮增压”、“可变进气岐管”、“凸轮轴相位调节VVT”……等技术。这种“去功能化”措施，不仅仅是为了压缩汽车的制造成本(特别是购买国外专利技术的费用)，只是因为没有这个必要，其理由有二：

1、可燃混合气迅速并完全燃烧的条件是：混合气的浓度合适，汽油在空气中彻底雾化蒸发并与空气均匀混合。混合气的浓度不同，燃烧时火焰传播速度也不同。稀混合气所供给的氧气充足，理论上全部燃料都能完全燃烧，还有剩余的氧气同不参加反应的氮气一起被加热而留在燃气中……但当混合气过稀，补燃会一直延续到排气终了；如果混合气稀到燃料分子的距离太大时，则将使混合气中火焰不能传播，发动机就不能稳定地工作，甚至缺火停车……因此可以得出这样的结论：涡轮增压发动机扭矩和功率的提高，其主要因素是燃料的供给量随着空气量的增加而增加所致。从节能减排的角度去看，涡轮增压技术所起到的作用并不大，且还有其负面影响(上文已叙)，而要加大进入缸内的，又不一定非得采用涡轮增压技术不可……

2、“可变进气岐管”、“凸轮轴相位调节VVT”技术，都是旨在根据发动机不同工况调节进气量的。由于本实用新型已将发动机的工况加以界定(参见下文)；由于其发动机已将进气量由传统的变量改变为“常量”；由于本发明的发动机的最佳进气量，完全可以通过最佳气缸容积、最佳进气岐管几何尺寸的设计而获得……

本实用新型的发动机风冷系高温冷却，不仅可以有效地提高发动机热效率，还可以减轻缸内喷射发动机对其结构和材质、燃油品质、喷油压力等的苛求，而使汽车的制造成本、使用成本得以降低；而六冲程发动机重复性排气、进气的冷却气流，对喷油嘴的及时地吹扫、冷却，对提高喷油器的使用寿命也会起到一定的作用。

(三)、创新发动机燃料的控制摸式：

使用液体燃料的发动机，其燃料在可燃混合气体中所占的比例和体积都很小，混合气体燃烧所产生热量的大小，主要受限于进入气缸内空气量的多少。这是大家的共识。然而，目前的汽车却都在采用节流的方法来控制进入气缸的空气量：使用汽化器的汽车，节气门开大时，流过喉管的空气量增加，流速增大，真空度升高，从喷油管吸出的燃料也增多……实施汽油喷射的汽车，也是采用节流(节气门)的方法来控制进入气缸的空气量，然后通过空气流量等传感器将空气量变为电信号输入汽车微电脑，微电脑再通过执行器控制进入气缸的燃料量……一方面，不惜增加制造成本，千方百计地采取各种措施来努力的提高发动机的充气系数，而另一方面，却又采用节流的方法(节气门)来控制进入气缸的空气量，这正是目前汽车设计中所普遍存在着的一个矛盾现象。如果说，使用汽化器的汽车采用节气门装置还是可以理解的话，那么在汽油喷射、汽车微电脑控制技术日益成熟的今天，再采用节流的方法来控制进入气缸的空气量，则明显是一个错误。只是由此所造成的弊端，如发动机潜能的发挥和利用、汽车操控系统的复杂化和资金的浪费等，并没引起人们足够的认识。

实用新型复合动力车大胆的废弃了发动机传统节气门装置的控制模式，而采用微电脑直接的有级的模糊的燃油控制模式。所谓“直接的”是指，在将发动机的进气量由传统的变量变为“常量”后，即在发动机始终处于“节气门全开”之状态[拆除现有的节气门装置，即拆除现有的油门拉线控制进气总管开度的机构或利用直流电动机通过减速机构自动实现对进气总管开度控制的机构(对于重新设计或装配的发动机，则应不再设置节气门装置)]后，通过微电脑对发动机燃料供应量的直接控制，来实现对发动机功率或扭矩的直接控制。而不是采用先控制发动机的进气量，然后通过空气流量等传感器将空气量变为电信号输入汽车微电脑，微电脑再通过执行器控制进入气缸的燃料量的间接控制方式；所谓“有级的”是指，按照汽车行驶的实际需要(扭矩、速度的不同)，将燃料的供应量划分为若干个数量级，其燃料供应量的变化是“有级”的，燃料供应量曲线是断续的；所谓“模糊的”是指，对发动机燃料控制精度的要求是“模糊的”……其可行性是：

1、从发动机的燃料调整特性来说，在发动机处于一定的节气门开度和转速保持恒定的情况下，汽油机的功率或扭矩是随着燃料供应量的变化而变化的。据此可知，在发动机始终处于“节气门全开”之状态后，是完全可以通过改变燃料的供应量，来控制汽油机的功率或扭矩；

2、虽然目前的汽车，其行驶速度在0-200km/h(或＞200km/h)之间是可以任意取值或设定的。但从汽车的实际运行需求和驾驶员的操作习惯来说，实际所取的速度值往往是断续的，即是“有级”的。所以，发动机燃料的供应量，也可以根据汽车的实际运行需求，而设定为“有级”的，即发动机完全可以实现“有档”化。“有档”发动机与有档变速器配合，完全可以满足汽车各工况之要求的；

3、汽车实际载重量不是定值，路面性质及道路坡度、路上车流和人流情况的随机性很大，其汽车的的速度或扭矩总是在不停的变化着；加之，用脚踏油门的方法来予以操控，其本身就难以精确。所以，虽通过各种传感器、微电脑和变速器等来加以调整，所能达到的实际效果仍然是模糊的。其控制精度只能是定性性的，即所谓“小负荷”、“中等负荷”、“大负荷和全负荷”，而不是定量性的。这就是说，就汽车运行的实际需求而言，其速度的控制精度或扭矩的控制精度之要求，可以是“模糊”的，即其燃料供应量精度的要求，可以是“模糊”的，而允许有一定的误差存在，无须刻意追求。

发动机燃料实施新的控制模式的可行性还在于：实用新型已将其六冲程发动机技术与缸内喷射、分缸断油和间歇供油技术集成。

发动机的间歇供油，即是俗称的“加速-滑行法”。为了节约燃料，驾驶员往往采用加大节气门开度，增加发动机负荷，使汽车加速行驶，然后收紧油门，利用汽车的惯性滑行，从而节约燃料。但，这种操作方法会增加驾驶员的疲劳和加速发动机的磨损。可是，若将这种操作交付给发动机微电脑的话，微电脑超高速运算和自动执行的能力，是完全可以使这一操作达到“分寸适宜”之最佳效果；

发动机实施间歇供油是以将发动机负荷调高为原则的，即将小负荷调高至中等负荷或将中等负荷调高至较大负荷；又由于发动机又实施了缸内喷射、稀薄燃烧技术……所以，虽发动机始终处于“节气门全开”之状态，但也不会因缸内的混合气体过于稀薄，而影响其正常燃烧；自然，还应采用分缸断油技术来适时的调解发动机的负荷，以使之能与电动机更好地配合；并可以在反复试验的基础上，对发动机的气缸尺寸进行重新设计，以提高气缸工作容积的利用率和燃料燃烧的合理性……

以发动机微电脑控制技术为代表的汽车新技术的日趋完善，更为无节气门装置的六冲程发动机实施直接的有级的模糊的燃油控制，提供技术性保障。

发动机燃料实施新的控制模式后，不仅可以使发动机具有较高的充气系数，而使发动机功率得以提高；又会因汽车机构的简化，而使汽车的故障率和制造成本降低、性价比提高；

汽车的油门踏板和制动踏板都是由驾驶员的右脚控制的，当汽车突然需要制动时，慌乱中的驾驶员误将油门踏板当作制动踏板，而酿成的安全事故时有发生，而当发动机采用新的燃料控制模式，油门踏板被取消后，此类安全事故自然就会被杜绝；并可以通过对发动机最大燃料供应量的设定，而有效地控制汽车的最高时速，以确保行车安全和避免超速罚款。

(四)、发动机适时反向转动，以延长发动机及传动系的使用寿命：

目前汽车发动机的旋转方向是固定的。当发动机的转向被人为的确定下来后，其具有几何对称性工作表面的机件(如活塞、活塞环、缸套、连杆活塞销、连杆衬套、连杆轴瓦、曲轴的轴颈及曲轴的主轴承、齿轮等)的工作表面上的压力和作用点，随着活塞位移的不断变化和连杆的左右摇摆以及行程的不同，而不断地变化着，并造成了机件各处磨损的不均匀性。这种磨损不均的现象，随着机件使用时间的延长而日趋严重，当机件工作表面的一侧或某一部位(即局部)达到失效标准时，其对称的另一侧或其余的部位，虽尚未达到失效标准，但也被随之报废。此类现象所造成的浪费是十分严重而普遍的，但却被人们所司空见惯。针对这一浪费现象，本实用新型采取的措施是，适时的使发动机反向转动，以延长发动机及其传动系的使用寿命，其可行性是：

1、由曲柄连杆机构构成的发动机，其旋转方向可逆(时钟)可顺，而取决于其起动转矩之方向。所以，只要适时的给发动机输入一个反向转动之起动转矩，发动机即可实现反向转动；

2、目前发动机的大修是以发动机压缩压力下降值为依据的。当发动机的压缩压力下降值达到(2、2-2、7Mpa)或各缸压力差增大到(0、3Mpa)时，即认为应该大修。所以，完全可以在注重发动机润滑的同时，通过对发动机压缩压力的监测，将机件的磨损严格地控制在稳定磨损阶段内(机械零件正常运行的磨损过程，可分为三个阶段，即跑合阶段、稳定磨损阶段和激烈磨损阶段，其中稳定磨损阶段的磨损较缓慢稳定)，待压缩压力下降到某一数值时(其数值可通过试验统计数据来加以确定)，通过发动机反向转动，来改变机件工作表面的受力状况，而使其对称性工作表面的磨损尽量趋于均匀。机件的整体使用功能若能得到较充分的利用，其使用寿命自然就会提高；

3、汽车是由若干机构组成的比较复杂的机器。当发动机由单向转动式变为双向(可适时反向)转动式后，自然会牵连到其中的一些机构……但若对发动机及传动系的结构加以深入分析则会发现，是完全可以通过比较简单的方法(详见下文)，就能使其各机构适应这一变化，而完成各自功用。这些举手之劳的效果，是不能低估的。微观的看，发动机适时反向转动，会使每台发动机及传动系的使用寿命得以延长(估算值约130-140％)：宏观的看，发动机适时反向转动技术的实施，是可以获得较大的社会经济效益；其思维也有一定的推广价值(在一般机械中磨损失效的零、部件大约占全部报废零、部件的80％)。

二、加大车辆能量回收利用的力度，以进一步提高复合动力汽车的热效率和节能减排之功效，其具体措施有二：

(一)、发动机实施间歇工作制：

统计表明，一般汽车在水平道路上以常用速度行驶时，只利用了同转速下最大功率的50-60％，这等于发动机最大功率的20％，特别是在空载行驶时，发动机的利用率尤其低……发动机输出的功，除转化为声、光、摩擦热难以回收利用外，绝大部分是以动能的形式而储存。但，目前复合动力车燃油节省的途径，除了是因减少了发动机怠速工况而使其发动机工作在高效率区，还来自再生制动。可是，汽车的制动过程十分短暂，一般不超过10S，在短短的几秒内电机要发出很大的电流，才能有效地回收制动能量，但电池的充电倍率只有放电倍率的一半……所以，虽理论上汽车有50％-60％的制动能量是可以回收的，但实际回收的制动能量往往＜20％，其最简单的改进方法是加大动力电池组的容量，例如至少加大容量一倍，这样回收的制动能量就可能由20％增加到40％(目前的复合动力汽车多是采取这种方法)，但这将大大增加整车成本和汽车自重，经济上可能得不偿失。

实用新型复合动力车虽然也是在车辆制动时，将电动机变换成发电机，但并没有采用加大动力电池容量的方法，来提高制动能量的回收量。而是采用更为直接且简易的方法，即采用发动机间歇工作制的办法，来及时回收和利用车辆能量，其道理上文已阐述，具体实施方法如下文所叙。

(二)、利用发动机的废气和汽车行驶时产生的风力发电：

1、动力涡轮复合机技术是在增压器之外再配备一单级涡轮，使部分废气能量在其中转换成机械功，再将这部分机械功通过减速齿轮和偶合装置传递给曲轴。该项在大功率的船用内燃机或军用机上应用，已取得了可喜的效果：整机的热效率可达46％；但，动力涡轮复合机的传动装置速比大、结构复杂、成本较高，而不能被广泛应用……受此技术的启发，而研发的废气动力涡轮发电机技术是：将发动机的废气作为一种风力资源，按照风力发电机的技术要求，将废气涡轮增压技术与磁阻电机技术集成，而研发的一个新的技术——废气动力涡轮发电组技术。

废气涡轮增压器的转子轴转速可高达每分钟数万转以上，若将发电机的转子轴与涡轮增压器的转子轴直接啮合，对于普通发电机来说是根本不行的。这是因为，过高转速所产生的离心力，会使发电机电枢绕组松弛、飞散……磁阻电机的结构为轴向气隙电机，具有电动机和发电机运行状态，且具有结构简单、制造简便、成本低、起动性能好、没有大的冲击电流、效率高、消耗小及适用于各种恶劣、高温甚至强振动和超高速运转(最高速度可达100,000r/min)等特点，功率范围从10W到5MW……所以，完全可以将磁阻电机的转子轴与涡轮增压器的转子轴通过联轴器而直接啮合，而获得较为理想的发电效果。

磁阻电机的缺点是噪音较大，但近年来研究的最优励磁控制策略、两次换流控制策略、电机噪声根源、定子振动模态、定子固有频率计算等成果，对降低电机噪声都有积极的促进作用；只是磁阻电机目前多是作为开关磁阻电动机而应用，将其作为发电机使用，还须自行摸索。

2、汽车在空气中运动，空气本身也有运动，两者综合形成的相对运动，造成对汽车行驶的阻力。空气阻力是车速的二次方程函数，汽车行驶的速度愈高，空气阻力的成分就愈大，并可能成为汽车行驶阻力的主要因素(为了减少汽车行驶时的空气阻力，人们在汽车的外形设计方面作了大量研究、实验，也取得了一定的科研成果......)，但辩证地看，汽车与空气的相对运动，使进入汽车机舱的空气流速大为提高，为汽车风力发电机提供了很好的风力资源(在不考虑风向的前提下，当车速达60km/h时，其风力就能达到8级)，其应用的市场背景还在于它是清洁、无污染的可再生能源……近年来，风电技术有了很大的进步和发展，并已经成为有一定科技含量的小系统，而可为研发汽车风力发电机所借鉴。所以，只要汽车风力发电机设计合理，其回收的能量也将是可观的；

在汽车行驶的过程中，汽车风力发电机和废气动力涡轮发电机组发出的电，就能随时随地的为其蓄电池及动力电动机、点火系、空调等车用电器提供和补充电能，会使复合动力车更具实用性，其最大优点是，这些电能并没有消耗发动机的功率，即这些电能并没有消耗用于驱动发动机曲轴旋转的那部分能量。

三、对实用新型实施新的动力配置方案及整车控制策略和手段：

(参见下文)。

本实用新型的优点及效果是：会使复合动力车更节能环保、更耐用、更具实用性；这一新的设计思维，对中国汽车工业的发展和进步，或许会起到一定的抛砖引玉之作用。

附图说明

附图1是本实用新型的发动机的配气示意图

附图2是本实用新型的发动机进、排气凸轮几何轮廓示意图

附图3是本实用新型的凸轮轴结构形式示意图

如图4是本实用新型的差动器的改进设计、安装示意图

附图5是本实用新型的微电脑控制汽油直喷系统示意图

附图6是本实用新型的废气动力涡轮发电机组的工作原理示意图

附图7是本实用新型的动力系统示意图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

(一)、六冲程发动机的结构设计：

实用新型的六冲程发动机的配气相位如附图1-1所示。

配气相位的实现，除了要依赖其凸轮机构的曲轴链轮与凸轮轴链轮的3∶1传动比，更是依靠具有“双凸峰”轮廓形状的进、排气凸轮，借以保证气门开启和关闭的持续时间符合配气相位的要求，且使气门有合适的升程及其升降过程的运动规律……其进、排气凸轮轮廓形状如附图2所示。

配气相位是每个气缸开始开启和关闭终了的时刻，也就是相对于上、下止点时曲轴位置，其曲轴转角的具体数值，应根据发动机不同的机型，通过反复试验而加以确定。但总的原则是：

1、应尽量减小排气1行程时，排气门提前开启角γ₁的度数，以保证燃料燃烧所产生能量的充分利用，并应适当的加大排气门延迟关闭角δ₁的度数，以弥补排气门提前开启角的减小，所造成排气时间的减少之损失；

2、适当加大进气1行程时，进气门提前开启角α₁的度数和进气门延迟关闭角β₁的度数，以保证发动机有较高的充气系数；

3、进气2行程时节气门的提前开启角α₂、延迟关闭角β₂以及排气2行程时节气门的提前开启角γ₂、延迟关闭角δ₂的度数，应以既可以利用新鲜空气和废气的流动惯性，将缸内的废气排净，又不发生废气倒流入进气管为洽；

实用新型的发动机的配气机构布置形式采用顶置气门式，用同步齿形胶带进行传动。为了能较便宜的适应发动机适时反向转动，实用新型选用单列式(直列式)缸数为偶数缸(4缸、6缸……)发动机，其发动机进、排气门的排列形式呈进排、排进、进排、排进……的对称形式，凸轮轴的两端对其轴向中心线具有轴向对称性(如附图3所示)；这样，只要适时的将凸轮轴轴向翻转180°安装、调试，并给发动机输入一个反向转动之启动转矩，发动机就会实现反向转动(其配气相位如附图1中的b图所示)；而发动机的点火系则无须做任何调整，其润滑系统则应以不受其发动机转向变化的影响为原则，来加以予以配置。

在发动机反向转动后，可以利用汽车差速器中的圆锥齿轮传动所具有的换向功能，而使驱动轮的转向不变，具体的方法因车而异。附图4所示之例，是将差速器横向(驱动桥半轴之轴向)翻转180°安装、调试，即将图(a)的安装形式变换成图(b)的安装形式，利用圆锥齿轮传动机构所具有的换向功能，而得到类似数学乘法运算“负负为正”的效果，而使汽车驱动轮的转向不变。

此时，若将驱动桥及驱动轮等也一起翻转安装，其半轴、半轴套、车轮及轮胎等使用寿命也会得以延长；

还应在气缸盖上预留气缸压力传感器的安装孔(以用于定期检测发动机的气缸压力)，其安装孔的具体位置要视发动机的具体结构，而予以设定；

凸轮轴、差速器的轴向翻转安装和发动机压缩压力的定期检测(采用定期检测制，是为了减少压力传感器之消耗)等工作，可以通过汽车的售后服务来加以完成的。

(二)、创新发动机燃料控制摸式的设计：

实用新型的微电脑控制汽油直喷系统示意图如附图5所示。

在将发动机的进气量由传统的变量变为“常量”后，当驾驶员通过键盘或按钮设定某一目标速度时，巡航微电脑2获取、记忆该目标速度之指令，并判断该目标速度所属的速度段，然后将该速度段之上限速度，传递给汽车微电脑4，汽车微电脑4按该速度段之上限速度所须燃料的供应量，向执行器(喷油器)1发出供油指令，汽车加速行驶，当汽车的速度达到该目标速度的上限值时，巡航微电脑2再通过汽车微电脑4向执行器1发出停止供油的控制指令，汽车惯性行进；待汽车的速度降至该目标速度的下限值时，巡航微电脑2通过汽车微电脑4向执行器1发出恢复供油的控制指令(仍按照该速度段之上限速度所须燃料的供应量予以供油)，汽车再次加速行驶……在汽车转弯行驶时，汽车微电脑4也将会根据转弯信号，按预先设定的燃料供应量，向执行器(喷油器)1发出供油指令，以保证行车安全。

为了便于进一步说明这一燃料控制摸式，现假设本实用新型复合动力车的发动机是按，50km/h-80km/h、80km/h-110km/h、110km/h-150km/h……划分3-4个速度段(0-50km/h速度段是由电动机负责驱动的)，各速度段的上限速度则分别是80km/h、110km/h、150km/h……各速度段内速度公差值可分别为±5km/h、±8km/h、±10km/h……目标速度可相应的分别设定为60km/h、70km/h、90km/h、100km/h、120km/h、130km/h……那么，假设通过键盘或按钮设定的目标速度为90km/h，巡航微电脑2获取、记忆该目标速度之指令，并判断该目标速度所属的速度段(80km/h-110km/h)，然后将该速度段之上限速度(110km/h)，传递给汽车微电脑4，汽车微电脑4按该速度段之上限速度(110km/h)所须燃料的供应量，向执行器(喷油器)1发出供油指令，汽车加速行驶，待汽车行驶速度达到该设定该目标速度的上限值即98km/h时，巡航微电脑2再通过汽车微电脑4向执行器1发出停止供油的控制指令，汽车惯性行进；待汽车的速度降至设定该目标速度的下限值即82km/h时，巡航微电脑2通过汽车微电脑4向执行器1发出恢复供油的控制指令(仍按照该速度段之上限速度110km/h所须燃料的供应量予以供油)，汽车再次加速行驶……

通过汽车微电脑直接的有级的模糊的燃料控制与目前应用的巡航控制系统(CCS)的相似之处是，它们都是一个闭环控制系统，其车速传感器3输出的车速信号为反馈信号，是控制发动机的输出功率的依据。它们的不同点是，后者实际上是自动恒速控制系统，而前者则是对某时间段内汽车平均速度的自动控制；所以，其速度段的划分及各速度段内速度的公差值，应根据发动机型式的不同，通过反复试验来加以合理确定，并预先输入微电脑的ROM中，且赋予“空燃比自学习控制”功能，以确保汽车的舒适性和尽量降低间歇供油的负面效应；

(三)、废气动力涡轮发电机和汽车风力发电机的设计：

废气动力涡轮发电机的工作原理示意图如附图6所示。废气动力涡轮发电机的工作原理是，当高速的废气流按照一定的方向冲击着涡轮2，使涡轮2高速旋转，经涡轮转子轴4、联轴器5将运动传递给磁阻电机6而发电。

废气动力涡轮发电机的涡轮可选用径流式涡轮增压器之涡轮，并根据六冲程多缸发动机的工作循环，将两个缸的排气道连接到同一根排气歧管上，沿着涡轮壳3上的一条进气通道，通向1/2(或1/3)圆喷嘴环1；而将另外两个缸的排气道连接到另一根排气歧管上，沿着另一涡轮壳3上的进气通道，通向另一个1/2(或1/3)圆喷嘴环1……再将排出的废气引至下一级废气动力涡轮发电机……最终将废气排入到汽车的排气管，继而排入大气中。

废气动力涡轮发电机的工作原理与风力发电机的工作原理相同，其输出功率P与发电机涡轮的直径D₂和废气(空气)的流速U³成正比……所以，在确定其具体结构时，应努力加大涡轮的直径和废气的流速，以提高发电机组的输出功率；其电机的额定功率应通过试验来加以确定；

废气动力涡轮发电机组是由几台废气动力涡轮发电机所组成？除了要考虑到其废气的“风力”为可再生能源外，还要考虑到汽车的空间几何尺寸、性价比等约束，通过试验来加以权衡、确定；由于废气动力涡轮发电机是通过排气软管与发动机的排气孔进行的柔性连接，各废气动力涡轮发电机之间也是通过软管的柔性连接，而具有较强的安装灵活性，所以各废气动力涡轮发电机的相互位置及发电机组的具体安装部位，是可以根据不同车型，予以灵活处理；

汽车风力发电机的结构是，将风轮的轴套与发电机的转子轴采用过盈配合的装配形式，而直接固定在发电机的转子轴上的，并用螺栓将其固定在汽车机舱进风口处；其风轮的叶片可用塑料或铝合金铸成，风轮叶片的数量、形状及安装角，应通过反复试验来加以确定；电机选用磁阻电机，其额定功率也应通过试验来加以确定；由于受到汽车机舱空间尺寸的限制，其发电机的风轮不可能做的太大，故可采用两台发电机并排布置的形式，来提高风能的利用率；

实用新型在反复试验的基础上，将废气动力涡轮发电机组、汽车风力发电机及动力电动机的制动运行发电与高、低压蓄电池组，进行了合理的分工与搭配，以满足动力电动机和传统汽车的仪表、照明和信号等对电源的不同要求，且装配了外接电源充电插口。

(四)、实用新型的动力系统与整车控制策略和手段：

附图7是本实用新型的动力系统示意图，其动力系统是由发动机1、电动机(或电动轮)2、发电机3、动力电池组4和动力控制单元(逆变器、升压转换器)5及减速器6等机构和装置组成，并根据车型的不同，而分别采用不同的驱动方式：附图7-a所示为发动机1前置前驱、电动轮2后置后驱的“二、四驱”驱动方式，即电动轮单独驱动时的后置二驱和发动机和电动轮同时驱动时的前、后置四驱；

附图7-b所示为发动机1和电动机2均前置后驱的“二驱”驱动方式，其电动机的定子直接固定在发动机的机壳上，电动机的转子直接安装在发动机曲轴的动力输出端，取代发动机飞轮(这样，它既传递动力又减缓曲轴扭转振动，并可以使结构得以简化)；因电动机是利用汽车变速器和差动器对驱动轮扭矩和速度的调节作用，来完成其驱动任务，故可以大大的降低其额定功率。其缺点是，长传动轴限制了汽车地板的降低，增大了汽车自重，载荷变换反应大。

在汽车行驶的过程中发动机与电动机的工作配合是：

汽车起动或以较低速度行驶时，由电动轮单独驱动，电动机的电能由电池组提供；当车速大于所设定的车速时，发动机进入实质性工作状态，开始辅助电动机进行驱动，随着发动机输出功率的提升，电动轮与发动机的主、辅关系会自动变换为电动机辅助发动机进行驱动，电动机的电能则是由发电机直接供应(发电机还应该在满足电动机用电需求的前提下，向电池组、点火系、空调等车用电器提供和补充电能)；当汽车制动时，则由车轮的惯性力驱动电动机，电动机变换成发电机向电池组充电。

显然，在汽车整个行驶过程中，其电动机始终处于工作状态(或单独工作或与发动机同时驱动)，而发动机则是根据汽车工况的需要或“停”或动。在汽车行驶的过程中，发动机的状态是：

1)、在汽车由电动机单独驱动行驶时，发动机是处于非实质性工作状态，即仅仅是其活塞、曲轴等运动，而燃油供给系统、冷却系、点火装置等并不工作。这样做的好处是，既可以利用发动机的泵气作用，而使废气动力涡轮发电机产生一些电能，又可以利用新鲜空气的泵入，对发动机的喷油嘴和废气涡轮发电机中的涡轮起到吹扫之作用；

2)、当发动机进入实质性工作后，是要执行间歇工作制的，只是当发动机熄火后，由于电动机仍在工作，而使车速下降的速率减缓。显然，这对于汽车的平稳性反而是有益的。

实用新型复合动力车将汽车的启动、倒车工况给予电动机来加以完成的。所以，它不格外设置启动电动机，而所使用的各类变速器也均不设置“倒车档”，并可以应在不设置“倒车档”的基础上，适当的增加变速档数。

与目前复合动力车的整车控制策略(将发动机和电机的转矩分配，作为动力控制系统(ECU)的重点)不同的是，实用新型的整车控制策略是侧重在：

1、对发动机与电动机的动作加以协调：即根据前、后轮转速传感器所输入的信号，及时调整电动轮的转速，并对两个电动轮实施自适应差速控制；或者根据发动机曲轴转速传感器和电动机转速传感器所输入的信号，及时调整电动机的转速(这如同两匹马拉车一样，两匹马各自用力可以不同，但步调则必须一致)。另外，从经济性来考虑，一般发动机的最佳转速范围应在其最大功率时的转速与最大扭矩时的转速之间。(据有关资料介绍，燃油经济性最佳的转速区域，在现代轿车柴油机中是2500r/min上下的中速范围；在汽油机中则是在较低的转速范围，即2000r/min左右)。然而，由于燃烧气体的动力传递与电力传动、机械传动不同，其发动机的转速与汽车的行驶速度是相互联系且相互影响着的(其原理有些类似于液压传动系统的“压力决定于外负载”和“速度决定于流量”)。所以，必须通过汽车的变速器、电动机，对发动机的转速加以约束和调控。其电动机的额定转速应与发动机的最佳转速范围相适应，具体数值是需要通过试验来确定的。

2、对电池组和发电机两个电源的供电管理：在尽量采用发电机直接供电的原则下，两个电源相互配合要合理、准确：要能够自动而适时地接通和切断对蓄电池的充电电路及自动而适时地接通和切断对电动机、点火系等的供电电路，并能自动而适时地接通和切断蓄电池对电动机、点火系等的供电电路……

目前汽车发动机的标定功率，从普及性轿车的30KW到大功率豪华型轿车的数百KW，售价从几万元、几十万元乃至数百、千万元……而呈多元化之势。但，汽车的发展必须符合人类社会的发展要求。考虑到在城市行驶工况中，汽车怠速时间长，平均车速低，功率需求只有7.5KW左右及各类公路又有其最高车速的限制，特别是人们的安全意识和节能减排意识的不断增强……实用新型复合动力车虽然也可采取不同的车型，以适应和满足不同的行驶工况和不同消费群体的需求，但发动机总的配置原则还是：尽量选用小功率发动机。

动力电动机是复合动力车必不可少的关键部件，目前美国和德国多是采用交流感应电机，而日本则多是采用永磁无刷电机。交流感应电机，其主要优点是价格较低、效率高、重量轻，缺点是启动转矩小；永磁无刷电机，其主要优点是效率较高(比交流感应电机高六个百分点)，但缺点是价格较高、耐热差(120℃以下)；开关磁阻电动机的优点是结构简单、可靠、成本较低，启动性能好……兼有交流感应电机变频调速和直流电机调速的优点。又鉴于，人们对开关磁阻电动机的研制和应用，已经有了较比成熟的经验可供参考、借鉴……所以，实用新型选用开关磁阻电机作为其动力电动机；其额定功率应根据发电机所能提供的电量以及对汽车自重和制造成本控制等方面因素，来加以综合考虑；并应通过试验加以修正。

汽车工业是技术密集型产业，技术进步对其发展的贡献较大。这是应该加以肯定的但，对自动化、智能化控制程度和控制精度以及对加速性能(加速度、加速时间、加速行程)的过分追求，则会造成汽车的制造成本增加，而使汽车性价比的降低。“系统的优化并不是各机构优化的叠加”，设计只是手段，需求才是目的。实用新型在充分借鉴目前复合动力车的动力控制系统(目前的复合动力车的动力控制系统(ECU)，是将控制模式分成工况管理层和能量管理层2个层次，分别由驾驶模式解释器、模式调度器和能量管理解释执行器(EMI)依次逐层进行模式判断和执行......)的基础上，根据自身结构特点和实际需求，适度的降低其自动化、智能化控制程度，而采用了人机(微电脑)动力控制手段，即一些控制赋予汽车微电脑来执行，一些控制则由驾驶员采用人工操作的方式来加以完成，充分发挥人的主导作用：一些主要的技术参数及控制程序，在汽车的组装时候，就实验、调试好，并存储在汽车微电脑的ROM中，以备随机调用，而无需随机计算；驾驶员可根据仪表盘上所反映出来的各发电机工作状态、电池SOC状况、车速、发动机转速等数据显示，以及灯光或语音的提示，用人工操作的方式来完成一些相应的控制；

对于对自动化、智能化控制程度要求较高的高档车型，则也是应该根据实用新型复合动力车的自身结构特点，对现有的动力控制系统(ECU)采取一些可行性的“去功能化”措施，而加以简化。

结语：

1、虽然该实用新型采取了诸多措施来努力的降低汽车的制造成本，如发动机采用了新的燃油供给模式、风冷式冷却及采用了一些可行性的“去功能化”措施……可是，成本偏高问题仍可能是它的突出问题。所以在方案具体实施时还是应从“万物皆数”的角度出发，对发动机、发电机、电动机、蓄电池及双向DC-DC转换器等主要部件进行合理配置，以取得性价比的最优化；

2、汽车理论和发动机理论的实践性都很强。所以，在方案具体实施时，应以节能减排为抓手，以机构简化、精化为原则，通过反复试验，来对上述技术方案加以梳理、修剪、修正和完善。

Claims (8)

1.一种复合动力车，其特征是：实施缸内直喷、分缸断油、间歇供油技术的六行程发动机有档、无节气门、高温风冷、可适时反向转动，电动机为开关磁阻电动机，可根据车型的不同，而分别采用发动机前置前驱、电动轮后置后驱或发动机与电动机均前置后驱两种不同的装配形式；废气动力涡轮发电机组及汽车风力发电机的电机也均选用磁阻电机。

2.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：其发动机是实施缸内直喷、分缸断油、间歇供油技术的六行程发动机，其凸轮机构的进、排气凸轮具有“双凸峰”形的几何轮廓。

3.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：其发动机有档、无节气门装置，发动机的燃油控制模式不是传统的节气门控制模式，而是采用微电脑直接的有级的模糊的控制模式。

4.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：其气缸体和气缸盖的表面均布满散热片，并加装冷却气体导流罩、分流板，发动机实施高温风冷。

5.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：汽车风力发电机的转子轴与风轮的轴套为过盈配合，发动机的定子被螺栓固定在汽车机舱进风口处；汽车风力发电机的电机选用磁阻电机。

6.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：废气动力涡轮发电机是由涡轮增压器之喷嘴环1、涡轮2、涡轮壳3、转子轴4等零部件及联轴器5、磁阻电机6组装而成，各发电机之间用排气软管连接，安装位置可视具体车型而予以灵活布置；其涡轮可选用径流式涡轮增压器之涡轮，电机选用磁阻电机。

7.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：电动机的电机为开关磁阻电动机，其装配形式可根据车型的不同，而分别采用发动机前置前驱、电动轮后置后驱或发动机与电动机均前置后驱两种不同的装配形式。

8.根据权利要求1所述的复合动力车，其特征是：其变速器不设置“倒车档”。

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