專利名稱：一種混合動力驅動系統的配置及布局與控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種混合動力車動力系統的配置及其布局與控制，尤其是發動機型式
的選擇及其性能的提升
背景技術：
燃油汽車發動機供給的燃料所放出的熱量，只有20_30%轉變為有用功，而其余的 熱量將隨廢氣、冷卻介質等不同途徑排出發動機外。以汽油機為例，汽油燃燒產生的100% 能量，除去發動機附件損失2、2% (1、6% )、怠速/空轉損失17、2% (3、6%)以及輸出有 用功18、2% (25、6% )夕卜，而余下的62、4% (69、2% )則全部是發動機損失(括號內的數 字是公路行駛時的數據)。其中，廢氣帶走的熱量約占21-25%，冷卻介質帶走的熱量約占 30-40% ，不完全燃燒的熱損失約占6-13% ，其它熱量損失約占7-16%……其最主要的弊端 是，燃油發動機排出的廢氣對環境所造成的污染； 電動汽車是電池動力驅動的汽車，其優點是布置方便、控制靈活、無級變速、起動 變速平穩……但，電動汽車"零污染"的優點僅僅是從汽車本身而得出的，假若從宏觀的角 度看，其電池電能的生產企業一發電廠(特別是火力發電廠)及廢舊電池對環境所造成的 污染并不小；加之，其電池技術(如電池充放電效率)在短時間內還無法發生突破性的進 展，而使其無論在加速還是續航能力方面都無法與燃油汽車相比…… 混合動力車(HEV)是由內燃機和電池兩種動力驅動的汽車，可以消除發動機的怠 速工作狀態，而使發動機盡可能工作在高效率、低排放區域，且保持了由燃油汽車續駛里程 長的固有特點，并可回收一些制動能量……故較電動汽車更具研發價值。但，由于目前的混 合動力車仍存在著如下一些不足 1、發動機的熱效率仍然不高(僅僅是消除了發動機的怠速工況……)及各種類別 的蓄電池又普遍存在著價格高、壽命短、充放電效率較低等缺陷； 2、其動力電動機的電能是消耗發動機的動力而轉換來的，能量幾經轉換，效率較 低； 3、為了實現對發動機和電動機的最佳控制和為了加大回收制動能量所需要投入 的研制成本較大……即其性價比太低，而未能實現人們所預測的市場前景(即處于"叫好 不叫賣"之狀態)，更未能為節能減排和應對全球氣候變暖發揮出其應有的效能。
發明內容
針對混合動力車目前所存在的缺陷，本發明從汽車的動力配置、布局與控制入手， 通過大膽創新——集成性創新和突破性創新，對原有車型的設計(乃至其造車理念、設計思 維)進行了全方位、系統性改良與變革，以使產品的系統的聯合效果最佳。
本發明所采用的技術方案是
—、實施新的動力配置及布局方案 本發明的動力配置、布局如附圖1所示，其主要的結構技術特點及其所包含的技
3術是( — )、采用合適的發動機型式，并對其性能加以提升 該子方案包括，采用六沖程發動機并對其實施微電腦直接有級模糊的燃油控制模 式、高溫風冷和缸內噴射、分缸斷油技術與之集成及適時反向轉動等幾項具體技術措施
1、選用六行程發動機(發動機的缸數原則上應等于或大于六)，并對其實施微電 腦直接有級模糊的燃油控制模式和高溫風冷 1)、目前的混合動力車選用的發動機是活塞式四沖程發動機，其主要弊端是，缸內 的新鮮空氣難以充足、廢氣難以排凈。其主要原因一是，進氣時間短——上一工作循環后， 缸內廢氣的壓力、溫度較高，使新鮮空氣必須等到缸內廢氣的壓力降至低于進氣壓力后才 能進入氣缸，從而縮短了進氣時間；二是進氣壓力小——發動機的轉速一般比較高，進、排 氣通道的截面又很小，氣流通道的阻力(主要是節氣門對氣流的阻力)，會使進入氣缸的氣 體壓力下降，特別是當節氣門尚未完全打開時……所以，人們才不得不對其采用了"進、排 氣門提前開啟并延遲關閉"及增設附加空氣閥、多氣門、諧波增壓、渦輪增壓……等措施來 加以彌補，以獲得較高的充氣系數和較低的殘余廢氣系數。但是，排氣門提前開啟(如紅旗 ca770、上海sh130的排氣門提前開啟角y分別為89° 、66° )，致使缸內的氣體壓力、熱量 的提前降低，會導致發動機的有效功率下降……而增設附加空氣閥、多氣門、諧波增壓等措 施，雖對提高發動機的充氣系數有所幫助，但卻增加了制造成本和控制系統的復雜性；實施 渦輪增壓的汽油機則會因其燃燒機理與柴油機的燃燒機理的不同，而使"爆震"更加容易發 生……另外，無論是柴油機還是汽油機，采用廢氣渦輪增壓都會因發動機工作強度的增大， 而影響材料和結構強度，縮短發動機的使用壽命…… 在對四行程發動機乃至二行程發動機、三角活塞轉子式發動機、車用渦輪發動機 及美國人布魯斯 克魯研制的六沖程發動機等進行綜合性分析后，本發明選擇了六行程發 動機作為本發明的發動機而加以應用，并大膽的廢棄了傳統的節氣門燃油控制模式[這是 目前發動機設計中所普遍存在著的一個矛盾現象一方面不惜增加制造成本，千方百計地 采取各種措施來努力的提高發動機的充氣系數，而另一方面卻又采用節流的方法(節氣 門)來控制進入氣缸的空氣量……]，而采用微電腦直接有級模糊的燃油控制模式。
該六行程發動機是在活塞式四行程發動機的基礎上，通過凸輪機構的改進設計， 而增加了進、排氣兩個行程的活塞式發動機(其活塞往復六個單程進氣1行程一壓縮行程 —膨脹行程一排氣1行程一進氣2行程一排氣2行程，而完成一個工作循環)；而所謂微電 腦直接有級模糊的燃油控制模式，是指在將發動機置于無節氣門裝置后，即將發動機的進 氣量由傳統的變量變為"常量"后，通過微電腦對發動機的燃料供應量實施直接控制(而不 是先控制其進氣量，然后通過空氣流量等傳感器將空氣量變為電信號輸入汽車微電腦，微 電腦再通過執行器來控制進入氣缸的燃料量的間接控制)，其燃料供應量的變化曲線是斷 續的(即是按照汽車行駛的實際需要，劃分成若干個數量級)，其燃料供應量的控制精度是 "模糊的"。采用此項措施可以獲得的有益效果是 (1)、可以獲得較為理想的節油效果。這是因為，該發動機功率的小幅下降(估 算值為20%左右——這與四沖程發動機的功率并不是二沖程發動機功率的1/2的道理相 似)，卻可以換得油耗降低的33. 33%。 (2)、可以不采用"排氣門提前開啟"及增設附加空氣閥、多氣門、諧波增壓、廢氣渦
4輪增壓……等方法(即可以在完全自吸的條件下)，充分利用該六行程發動機進、排氣時間 的增加以及進氣通道的順暢(無節氣門之阻礙)之有利條件，而獲得較高的充氣系數和較 低的殘余廢氣系數。這樣，不僅可以減少發動機的功率損失(是指排氣門提前開啟所導致 的發動機功率下降)，且可以大大的降低汽車的制造成本和控制系統的復雜性；
(3)、可以使汽車的安全系數得以提高。這是因為，目前汽車的油門踏板和制動踏 板都是由駕駛員的右腳控制的，當汽車突然需要制動時，慌亂中的駕駛員誤將油門踏板當 作制動踏板，而釀成的安全事故時有發生。而當發動機實施微電腦直接的有級的模糊的燃 油控制模式(油門踏板被取消)后，此類安全事故自然就會被杜絕；并可以通過對發動機最 大燃料供應量的設定，而有效地控制汽車的最高時速，以確保行車安全和避免超速罰款。
2)、從工程熱力學的角度看，雖然熱機并不可能把混合氣體燃燒產生的熱全部轉 換為機械功，但在燃燒的過程中盡量減少其熱損失以使發動機產生盡量大的膨脹功，則是 十分重要和必要的。而與其相矛盾的是，為了保證發動機的正常工作，又必須對在高溫條件 下工作的缸內機件加以及時適度冷卻……顯然，這是目前水冷系冷卻水套中的循環水和風 冷系缸體外的流動氣流，對發動機缸內運動機件所實施的"隔靴撓癢"式冷卻，所難以協調 和平衡的(特別是多缸發動機)…… 本發明采用的六行程發動機，可以利用冷卻介質(低溫空氣)重復的直接接觸到 缸內高溫機件之條件，經濟而便捷實現"高溫風冷"(即在不使燃油發生自燃的前提下，盡可 能的提高燃燒室的溫度和燃料燃燒所產生熱量的利用率)，而極大限度的減少冷卻系的負 面效應(水冷卻介質帶走的熱量約占發動機燃料所放出的熱量的30-40% )，其可能達到的 效果則是目前水冷四沖程發動機采用的高溫冷卻技術所難以達到的[目前的水冷系高溫 冷卻是，采用增加散熱器蓋蒸汽閥開啟壓力、高沸點液體等方法，而使冷卻液的沸點升高至 ll(TC以上(其提高熱效率僅為2.5-3%)]。 2、將六行程發動機技術與缸內直噴、分缸斷油技術集成 1)、該六行程發動機的進氣2行程會將汽化器中的混合氣或將進氣歧管中殘留的 混合氣吸入到氣缸內，而被此后的排氣2行程排出……所以，當該發動機為汽油機時則必須 采用直噴式發動機，以克服此機型(六行程)在非缸內直噴條件下產生燃油浪費之缺陷；
采用缸內直噴技術不僅可以克服燃油噴射所吸進的油氣只能在氣門開啟狀態下 才能進行的缺陷，其最大優勢還在于它可以實現稀薄燃燒(空燃比可達22-24)，改善汽 油機的熱效率和有害氣體排放。而可燃空燃比的拓寬，也會為本發明實施的發動機"有檔 化"(詳見下文)，提供了良好的"客觀條件"。 2)、六沖程發動機實施高溫風冷后，雖可以克服水冷系容易造成冷卻系統結垢、導 熱性變壞、零件銹蝕而使內燃機熱狀態不好和功率下降之弊端，雖可以解決冬季需要添加 防凍液或對機艙的進風口進行遮擋、夏天水箱"開鍋"等問題，雖具有結構簡單，使用和維修 方便……等優點，但由于空氣的熱容量低、導熱性差，而容易出現冷卻不夠可靠，消耗功率 大、噪聲大等缺點。所以，必須在其實施風冷的客觀條件已經優于四行程發動機的基礎上 [重復性進氣、排氣可以使冷卻介質(空氣)有更多直接接觸缸內運動機件的機會，并會對 發動機的冷卻起到一定的調節作用，以及該發動機作功頻率低、冷卻時間長及(混合動力 車)怠速、低速工況時發動機所能得到的休息……]，再佐以發動機的分缸斷油技術，以使發 動機的氣缸得以"忙中偷閑"……
將六沖程發動機技術與分缸斷油技術集成后，不僅可以增加發動機冷卻的可靠 性，還可以降低冷卻風扇的功率消耗及噪音污染，還可以為本發明實施的發動機"有檔化" 提供了技術性支持與保障； 發動機的"有檔化"，不僅可以進一步降低汽車操控系統的復雜性(詳見下文)，且
可以取得進一步改善發動機經濟性和排放之效益。 3、發動機適時反向轉動 目前汽車發動機的旋轉方向是固定的。當發動機的轉向被人為的確定下來后，其 具有幾何對稱性工作表面的機件(如活塞、活塞環、缸套、連桿活塞銷、連桿襯套、連桿軸 瓦、曲軸的軸頸及曲軸的主軸承乃至其凸輪機構中的鏈輪等)的工作表面上的壓力和作用 點，隨著活塞位移的不斷變化和連桿的左右搖擺以及行程的不同而不斷地變化著，從而造 成了機件各處磨損的不均勻性。這種磨損不均的現象，隨著機件使用時間的延長而日趨嚴 重，當機件工作表面的一側或某一部位(即局部)達到失效標準時，其對稱的另一側或其余 的部位，雖尚未達到失效標準，但也被隨之報廢。此類現象所造成的浪費是十分嚴重而普遍 的，但卻被人們所司空見慣。 針對這一浪費現象，本發明采取的措施是，通過發動機適時的反向轉動[由曲柄 連桿機構構成的活塞式發動機，其旋轉方向可逆(時鐘)可順，而取決于其起動轉矩之方 向]來改變機件工作表面的受力狀況，以使機件的各對稱性工作表面的磨損盡量趨于均 勻，借以提高其使用壽命。其效益是 微觀的看，會使每臺發動機的使用壽命延長130-140% (估算值)； 宏觀的看，可以產生"積土成山、積水成淵"之效應，而獲得較大的社會經濟效益。
這是因為，以內燃機作為原動機的機械多、數量大；其二是，其設計思維有一定的推廣價值
(因為，在一般機械中磨損失效的零、部件大約占全部報廢零、部件的80% )。 (二)、選用開關磁阻電機作為其動力電動機，其原因是，它具有結構簡單、可靠、
成本低、效率高、損耗小(特別是小于額定轉速時)、啟動性能好……兼有交流感應電機變
頻調速和直流電機調速的優點；二是人們對開關磁阻電動機的研制和應用，已經有了較比
成熟的經驗，而可供參考、借鑒(特別是逆變電技術和各種降低電機噪聲技術)；三是可以
減少汽車的制造成本。(三)、采用了較比簡捷、經濟的方法，使發動機的廢氣和汽車行駛時所產生的風 力得以利用(發電)，而使發動機熱效率、車輛能量得以進一步提升 1、動力渦輪復合機技術是在廢氣增壓器之外再配備一單級渦輪，使部分廢氣能量 在其中轉換成機械功，再將這部分機械功通過減速齒輪和偶合裝置傳遞給曲軸。該項技術 在大功率的船用內燃機或軍用機上應用，已取得了可喜的效果整機的熱效率可達46% ; 但，動力渦輪復合機的傳動裝置速比大、結構復雜、成本較高，而不能被廣泛應用……
本發明受此技術的啟發而研發的廢氣渦輪發電機組是將發動機的廢氣作為一種 風力資源，按照風力發電機的技術要求，將渦輪增壓器之渦輪機作為原動機，通過聯軸器 (或干式多片電磁離合器)等零部件將其轉矩傳遞給開關磁阻發電機……(參見下文)，其 技術實質是廢氣渦輪增壓技術與開關磁阻電機技術的集成； 廢氣渦輪增壓器的轉子軸轉速可高達每分鐘數萬轉以上……開關磁阻電機的結 構為軸向氣隙電機，電機的轉子無電樞繞組，具有電動機和發電機運行狀態，且具有結構簡單、制造簡便、成本低、起動性能好、沒有大的沖擊電流、效率高、消耗小及適用于各種惡劣、 高溫甚至強振動和超高速運轉(最高速度可達100， 000r/min)等特點，功率范圍從10W到 5麗……所以，它完全可以適應原動機的超高轉速，且反而會因其超高轉速而受益(風力發 電機的輸出功率P與風速——廢氣的流速U3成正比)，從而可以獲得更為理想的發電效果 (廢氣帶走的熱量約占發動機燃料所放出的熱量的21-25% )。 2、本混合動力車的發動機多是待汽車行駛速度達到一定值后才投入工作的，而此 時進入汽車機艙的空氣流速也會大為提高，且呈現出風量、風速與車速成正比之態，所以， 完全可以利用此風能發電，并可利用風能的"可再生性"，將已被汽車風力發電機"用過的 風"，通過"集風罩"裝置搜集、引導到風冷系的導流罩中為發動機進行冷卻。而在發動機已 投入工作但車速又不高的特殊工況下(如低速爬坡等工況)，則可以將汽車風力發電機切 換為風扇(電動機)為發動機進行冷卻。 這樣，不僅可以節省設置專職冷卻風扇所產生的功率消耗，還可以減少噪音源，降 低噪音對環境所造成的污染；更可以變害為利而使車輛能量得以提升[空氣阻力是車速的 二次方程函數，汽車行駛的速度愈高，空氣阻力的成分就愈大，并可能成為汽車行駛阻力的 主要因素。但辯證地看，進入汽車機艙的空氣流速的提高，也會為汽車風力發電機提供很好 的風力資源(在不考慮風向的前提下，當車速達60km/h時，其風力就能達到8級)，所以只 要汽車風力發電機/風扇設計的合理，其回收的能量也將是可觀的]。(四)、電池選用鉛酸蓄電池，這主要是鑒于鉛酸蓄電池價格低，含污染的成分比 較少，可回收性好……而待新的電池技術有了突破性發展后再進行必要性改進，以盡量降 低汽車的制造成本； 本發明并沒有采用加大電池容量的方法來增加回收的制動能量，加之其發電機發 出的電已能夠適時的為其電動機、點火系等車用電器直接提供電能。所以，動力電池組8的 容量不必選用的過大，以盡量減少重量、提高汽車動力性。
(五)、無腳踏油門機構、變速器和腳踏離合器 本發明混合動力車無腳踏油門機構的理由是，其發動機實施了微電腦直接有級模 糊的燃油控制模式……發動機"有檔化"后，發動機輸出扭矩的變化范圍得以擴展，可完全 滿足汽車行駛的實際需要，而無須變速器和腳踏離合器(傳統的發動機輸出扭矩的變化范 圍有限，所以它才必須通過變速器來加以擴展)； 減速換向器5是為了改善發動機與電動機兩者最佳工作區域不匹配以及為了發 動機適時反向轉動而設置的。其換向功能是通過改變齒輪機構中外嚙合齒輪對數之方式來 加以實現的(圖略)，其傳動比應通過試驗而加以優化； 這樣，不僅可以大大的減輕發動機重量，從而提高汽車的動力性，還可以進一步降
低汽車的制造成本和控制系統的復雜性。 二、實施新的整車控制策略 本發明采用的六行程發動機除了有不能在非缸內噴射的條件下應用之缺點外 (是指汽油機)，其最大的缺陷是運轉的平穩性差(六行程發動機發生做功過程的頻率太 低)，而分缸斷油、間歇供油技術(詳見下文)與之集成所產生的負面效應，又會使這一缺陷 變得更加突出。但這一弊端卻又是僅僅依靠增加發動機的缸數或加大發動機飛輪的轉動慣 量所難以解決的。這是因為，過度的增加發動機的缸數和加大飛輪的轉動慣量，不僅會增加汽車的重量和制造成本，且會因飛輪的轉動慣量過大，而造成發動機啟動的困難……本發 明遵照"系統的優化并不是各機構優化的疊加，而是系統的聯合效果最佳"的設計原則，通 過合理的整車控制，充分而巧妙的利用混合動力車兩種能源之優勢，而使該發動機能夠得 以揚長避短，使系統得以優化……其具體措施是( — )、發動機的輸出轉矩可用于驅動，但不單獨工作。即發動機7可與電動機4 同軸驅動，但不單獨工作。這樣，在電動機4的直接拖動助力下，發動機的活塞、曲軸就可以 較輕松的越過上、下止點和克服各個非作功行程的阻力，并可以避免突然斷油、供油(即活 塞、曲軸等機件驟停、驟啟)，如間歇供油等給發動機所帶來的沖擊，以確保發動機能夠平穩 的工作……發動機7可與電動機4同軸聯接的另一個效益是，可以利用電動機的轉速與車 速無直接關系之特性來降低或排除車速對發動機轉速的影響，即利用電動機對發動機所實 施的幫襯(或約束)，而使發動機能夠始終工作在燃油經濟性最佳轉速區域內——這是目 前混合動力車的發動機所難以實現的[這是因為，與電動機非同軸驅動的發動機的轉速與 汽車的行駛速度相互聯系且相互影響著。而影響汽車的行駛速度的因素又較多、隨機性又 很強，所以很難予以操控、把握];其效益三是，發動機無須配置飛輪，以減輕發動機重量， 提高汽車的動力性。 (二)、采用了雙電機驅動形式兩臺功率不同的電動機可分別單獨的驅動前、后 輪[其中，功率較大的電動機可由廢氣渦輪發電機組中的第二級發電機兼任(參見下文)]。 這樣，不僅可避免由一臺電動機驅動可能產生的"大馬拉小車"之浪費現象(這是目前多數 混合動力車所采用的形式)，還可適時的發揮"四輪驅動"地面附著力大之優勢以提高汽車 的通過性，如汽車的起動、道路濕滑等工況。(三)、用間歇供油巡航控制模式取代了目前應用的(CCS)巡航控制模式
間歇供油巡航控制(參見下文)的實質是，利用發動機曲軸的高速運轉(每一個 工作循環用時僅為百分之幾秒)和汽車微電腦超高速運算和執行能力，在確保汽車的舒適 性和盡量降低間歇供油負面效應的前提下，來達到減輕駕駛員的駕駛操控強度之作用。與 目前應用的(CCS)巡航控制模式相比，本發明的間歇供油巡航控制模式則更符合或貼近 于汽車的實際運行狀態——實際上，汽車在行駛過程中其各瞬間的即時速度并不是相等的 [這也是(CCS)巡航控制模式不得不隨時改變其節氣門開度，以隨時改變汽車驅動力的大 小……之原因]; 間歇供油巡航控制模式具有機構簡化、操控簡單、降低制造成本之效果，還具有輔
助發動機冷卻的效能(也會使發動機得以"忙中偷閑"的冷卻機會)，其最大的效益是它可
以使以動能形式而儲存的車輛能量得以回收利用，從而可以達到進一步節能減排之效果。(四)、其整車控制策略并不是將發動機和電機的轉矩分配作為動力控制系統的
重點，而是側重在對驅動形式、發動機"檔位"的選擇和對電池組和發電機兩個電源的供電
管理——兩種電源的相互配合要合理、準確，即要能夠自動而適時地接通和切斷發電機對
電動機、點火器等用設備和蓄電池電的供(充)電電路，自動而適時地接通和切斷蓄電池對
電動機等用電設備的供電電路。(五)、適度的降低了其智能化控制程度 汽車工業是技術密集型產業，技術進步對發展的貢獻較大。這是應該加以肯定的。 特別是汽車微電腦控制技術在其中所發揮的作用，更是不能低估和否定的。但，對智能化控
8制程度及其控制精度的過度追求，則會造成汽車制造成本的增加，而使汽車性價比的降低 (這也是目前汽車制造業所普遍存在著的一種傾向)……實際上，人的頭腦具有快速敏捷的 思維能力，其"模糊性思維"速度之快非現代微電腦所能比擬的，如當搜索一個多年前曾經 去過的景點時，頭腦中就可以瞬間呈現出該景點以及與之相關的交通圖像……所以，類似 目前的混合動力車所采用的動力控制系統(ECU)的智能性控制[(ECU)是將控制模式分成 工況管理層和能量管理層2個層次，分別由駕駛模式解釋器、模式調度器和能量理解釋執 行器(EMI)依次逐層進行模式判斷和執行……]中的一些判斷與選擇，則完全可以由駕駛 員來加以完成。 設計只是手段，需求才是目的。在滿足代步(載重)、快捷、平穩等需求，在確保其 安全可靠的同時，大膽且適度的降低汽車的智能化控制程度，充分發揮人(駕駛員)的主觀 能動性，則是可行和十分必要的。因為這樣，不僅可以提高控制的可靠性，還可以縮短技術 研發周期、降低專利使用費或專利產品費用(這在強調知識產權的大環境下則是更為重要 的。依DVD為例，中國生產的DVD有80%以上出口，每臺要交的各種專利費就高達20多美 元，而其出口價格每臺僅為35美元，中國的制造商每臺DVD的利益只有1美元。而目前中 國的汽車制造企業也只能賺取一點微薄的制造利益……)，而使汽車研發、制造成本得以大 幅度的降低，使汽車的性價比得以提升…… 本發明的優點及效果是會使混合動力車更加節能環保、更加經濟實用、耐用、 安全，而具有較好的性價比(在相似的測試環境、手段下，其各項指標均可遠遠超過豐田 Prius)。
圖1是本發明的動力系統配置示意圖 圖2是本發明的發動機進、排氣凸輪幾何輪廓示意圖 圖3是本發明的發動機的配氣示意圖 圖4是本發明的廢氣渦輪發電機示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明
—、本發明的動力系統配置 本發明的動力系統配置如附圖1所示[其布局(乃至配置)可隨著車型、發動機 缸數的不同而所改變]。其中 1-風力發電機；2、14-前、后主減速器；3、3'、13-干式多片電磁離合器；
4-電動機； 5-減速換向器；6-廢氣渦輪發電機；7-發動機； 8、8'-動力電池組與12伏電池組；9-指令鍵盤； 10-制動踏板； ll-控制單元；12-電動機； 15-車速傳感器。
二、六沖程發動機結構改進設計的要點( — )、六沖程發動機的進氣1行程一壓縮行程一膨脹行程一排氣1行程一進氣2 行程一排氣2行程的工作循環，除了要依賴其凸輪機構中的曲軸鏈輪與凸輪軸鏈輪的3 : 1 傳動比，更需要依靠具有"雙凸峰"輪廓形狀的進、排氣凸輪(如附圖2所示)和配氣(如附圖3所示)的合理設計來加以實現。 因為，六沖程發動機重復性進、排氣已為發動機贏得足夠的進、排氣時間，所以其 凸輪輪廓大可不必像四沖程發動機的凸輪輪廓那樣復雜，而可以使
y,S2; y2=S1; a1=e2; ^2=^ 其中L、 y2、 32分別為排氣1、2排氣門的提前開啟角和延遲關閉角 Ql、 a2、|32分別為進氣1、2進氣門的提前開啟角和延遲關閉角 以使之具有一定的對稱性，而可以便捷的實現發動機的適時反向轉動；自然，其具 體數值是應通過反復試驗來加以優化、確定。但總的原則是 1、盡量減小排氣1行程時，排氣門提前開啟角y i的度數，以保證燃料燃燒所產生 熱量的充分利用； 2、適當加大進氣1行程時，進氣門提前開啟角a工的度數，以保證發動機有較高的 充氣系數； ( 二 )、在確定汽油機燃燒室的結構型式時應在反復試驗的基礎上，努力回避可能 與國外有效專利發生的知識產權糾紛(對于汽油機而言，其早已經成熟的柴油機燃燒室的 結構型式是完全可以借鑒的)。(三)、該發動機的配氣機構布置形式應采用頂置氣門式，用同步齒形膠帶進行傳 動；(四)、發動機的氣缸蓋、氣缸體均應該用導熱性良好的鋁合金鑄造；其氣缸蓋和 氣缸體上部的散熱片也應比氣缸體下部的散熱片長一些，散熱片應呈縱向排列(順著風向 排列)以克服氣流阻力；集風罩、導流罩和分流板可用塑料或鋁合金鑄成；缸套應該用耐磨 性較好的合金鑄鐵或合金鋼制造，以延長缸套的使用壽命；發動機缸體、汽缸蓋、缸套的壁 厚和散熱片的長度等具體幾何尺寸等都是需要通過反復試驗來加以確定、優化。
(五)、發動機氣缸蓋上要預留氣缸壓力傳感器的安裝孔(以用于定期檢測發動機 的氣缸壓力)，其安裝孔的具體位置及方式要視發動機和壓力傳感器的具體結構形式而予 以設定。 三、發動機的分缸斷油與"有檔化"和間歇供油及適時反向轉動
( — )、發動機的分缸斷油與"有檔化" 按發動機投入工作缸數的不同，六缸發動機(為了便于闡述，本文僅是以六缸發 動機為例)的分缸斷油可以分別采用三缸投入、四缸投入、五缸投入及六缸投入等四種形 式。這樣只要 1、測出三缸、四缸、五缸、六缸投入工作時，各自的最大功率時的轉速r^與最大扭 矩時的轉速n2; 2、在其各自的"定義域"[ni、n2]內，通過改變發動機的轉速及供油量，確立幾個 "工作點"(即功率/轉速)； 3、將上述各個"工作點"按著其輸出功率的大小進行排序、修正、再排序……以得 到一組有一定量差的數據； 4、將上述各個數據及其所對應的分缸斷油形式等存儲在微電腦的ROM中。這樣，
就可以得到一臺輸出功率變化范圍能夠滿足汽車行駛需求的、"有檔化"的發動機。 發動機"非工作氣缸"與"工作氣缸"的分配與排序是應該根據發動機的工作循環(即發火次序)予以合理的設計。現以發動機三缸工作形式為例，假設該發動機的工作循環 如下表1所示，那么當其工作氣缸l-3-2(或5-6-4)達到了 "工作時間"后，便可與非工作 氣缸5-6-4(或1-3-2)進行的角色輪換(當發動機以四缸投入或五缸投入工作時，其"非工 作氣缸"與"工作氣缸"的角色輪換也應該是有序的)…… 發動機分缸斷油的主要參數是，工作氣缸的"工作時間"，其具體數據的則是應該 通過反復試驗來加以確定，并應將其以及與之相對應的各分缸斷油形式存儲在微電腦的 ROM中。 六沖程六缸發動機工作循環表(發火次序1-5-3-6-2-4) 表l
曲軸轉角第一缸第二缸第三缸第四缸第五缸第六缸
0-180°作功進氣2進氣l排氣l壓縮排氣2
180-360°排氣l排氣2壓縮進氣2作功進氣l
360-540°進氣2進氣l作功排氣2排氣l壓縮
540-720°排氣2壓縮排氣l進氣l進氣2作功
720-900°進氣l作功進氣2壓縮排氣2排氣l
900-1080°壓縮排氣l排氣2作功進氣l進氣2 (二)、本發明用發動機間歇供油巡航控制模式取代了發動機巡航控制模式 (CCS)，其模式是 當發動機參與驅動且達到某一目標車速時，駕駛員通過指令鍵盤9進入微電腦控 制的間歇供油巡航控制程序后，微電腦獲取并判斷該目標車速所對應的"停止供油時間"和 "持續供油時間"，適時的向發動機的工作氣缸發出停止供油或恢復供油指令，使汽車在一 個可以接受的加速一減速一加速一減速……變速中"巡航行駛"； 間歇供油巡航控制的主要參數則是"停止供油時間"和"持續供油時間"，它是在反 復試驗的基礎上所得出的一組預先輸入微電腦的ROM中的數據(其不同的"停止供油時間" 和"持續供油時間"與不同的汽車行駛速度、分缸斷油的形式等參數對應)。應該特別指出 的是 1、當汽車進入間歇供油巡航控制程序后，在發動機停止供油時，電動機(特別是 電動機4)則必須處于運行狀態，并要拖動發動機繼續運轉。這樣，不僅可以確保發動機平 穩工作，且有利于提高汽車的安全性； 2、由于其分缸斷油與間歇供油可能是同時進行的，所以對上述數據的處理(即其 編程時)應注意到上述概念("工作時間"、"持續供油時間"、"停止供油時間")的區別，而
11不能予以混淆。(三)、發動機適時反向轉動的實現是比較容易的待檢測到壓縮壓力值下降或各 缸壓力差增大到某一個數值后(其數值可通過試驗的統計數據來加以確定)，適時的給發 動機輸入一個反向轉動之起動轉矩，發動機即可實現反向轉動。所要注意的是
1、在裝配凸輪軸上的大鏈輪時，必須根據發動機的轉向將大鏈輪上的"正"或"反" 的正時標記與小鏈輪上的正時標記對準(圖略)； 2、調整減速換向器齒輪嚙合對數，以獲得類似數學乘法運算"負負為正"之效果， 而使驅動輪的轉向不變； 3、發動機的潤滑系統則不應受其轉向變化的影響(如油泵型式的選用)； 發動機壓縮壓力的定期檢測(采用定期檢測制，是為了減少壓力傳感器之消耗)、
減速換向器齒輪嚙合對數的調整及大、小鏈輪的正時標記對準等工作，可通過汽車的售后
服務來加以完成的。 四、廢氣渦輪發電機和汽車風力發電機的設計( — )、廢氣渦輪發電機可以通過拆除現有徑流式渦輪增壓器的壓氣機等零部件 后，將其渦輪機(原動機)的轉子軸通過聯軸器(或干式多片電磁離合器)等零部件與開關 磁阻電機3的轉子軸相連接組裝而成的(也可以按現有渦輪增壓器的型式通過改進設計、 制造而成)，具體的結構形式如附圖4所示。 其裝配要點是根據六缸六沖程發動機的結構特點及工作循環，將發動機三個缸 排出的廢氣用同一根排氣管，沿著渦輪機1的渦輪殼上的一條進氣通道通向其1/2圓噴嘴 環；而將發動機另三個缸排出的廢氣用同一根排氣管，沿著渦輪機1的渦輪殼上的另一條 進氣通道通向另一個1/2圓噴嘴環，再通過聯軸器2將渦輪機(原動機)的動力傳遞給開 關磁阻電機3 ;并將該發電機中的渦輪機排出的廢氣分成兩路，分別引至第二級(臺)發電 機中渦輪機1渦輪殼上的兩個1/2圓噴嘴環，通過干式多片電磁離合器2將渦輪機的動力 傳遞給開關磁阻電機3……最終將廢氣排入到汽車的排氣管，繼而排入大氣中；
廢氣渦輪發電機設計、制造的關鍵在于，其渦輪殼上的進氣通道和噴嘴環的幾何 尺寸及其粗糙度。這是因為，廢氣渦輪發電機的工作原理與風力發電機的工作原理相同，其 輸出功率P與發電機風輪的直徑tf和廢氣的流速W成正比。所以，在確定其具體結構時， 應該在盡量增大渦輪直徑的同時努力加大廢氣的流速，以提高發電機組的輸出功率；
廢氣渦輪發電機組中的第一臺廢氣渦輪發電機是通過排氣軟管與發動機的排氣 歧管進行連接的，各級發電機的渦輪機之間也是通過排氣軟管進行連接的。所以，各發電機 的相互位置及其安裝部位，可以根據不同車型予以靈活處理；所要注意的是，排氣軟管的保 溫和電機的降噪、隔噪。 (二)、汽車風力發電機由電機與風輪組裝而成(圖略)，其風輪的軸套與電機的轉 子軸為過盈配合，電機的定子被螺栓固定在汽車機艙進風口處(進氣格柵后)；風輪的葉片 可用塑料或鋁合金鑄成，葉片的數量、形狀及安裝角應兼顧發電、風扇兩個功能，通過反復 試驗來加以確定； 由于受到汽車機艙空間尺寸的限制，汽車風力發電機的風輪不可能做的太大，故 可采用兩臺發電機并排布置的形式，以提高風能的利用率；其電機也應選用開關磁阻電機， 以適應風力強勁時發電機的高轉速；
廢氣渦輪發電機組是由幾級(臺)發電機所組成及各個發電機(包括風力發電 機)功率的確定，除了要考慮到其"風力"為可再生能源應予以較充分利用外，還要考慮到 汽車的重量、汽車空間尺寸、性價比……等約束。所以，應該通過試驗來加以權衡、確定。
(三)、發電機用于汽車上正常工作，必須符合以下三個條件
(1)端電壓應在轉速發生變化時，能保持基本穩定；
(2)在過載工況下，應能限制輸出電流不超過額定值； (3)能自動而適時地接通和切斷對蓄電池的充電電路，保證兩個電源相互配合供 電，并對蓄電池進行及時的補充充電。 然而，廢氣渦輪發電機及汽車風力發電機的固有性能是無法完全滿足這些要求 的，故需要配置必要的自動調節裝置予以調節，以滿足汽車使用條件；并應該在反復試驗的 基礎上，將廢氣動力渦輪發電機組、汽車風力發電機及電動機制動發電與動力電池組8與 12伏電池組8'進行合理的分工與搭配，以滿足動力電動機和儀表、照明和信號等對電源的 不同要求。 五、電動機、發動機功率的選擇 電動機4的主要職責是確保發動機平穩工作，所以其功率只要能夠滿足汽車行駛 的最低功率需求即可；電動機12為電力拖動的主要驅動力，其功率原則上要能夠滿足汽車 中等負荷時的功率需求； 考慮到該發動機采用了分缸斷油技術后，多是在其較低功率情況下運行及其需有 一定的功率儲備和它所承擔的發電任務等實際情況，發動機的最大功率原則上可定為電動 機12功率的3-4倍為恰(以微型轎車為例電動機4與電動機12的功率可分別為5KW、 20KW ;發動機的最大功率可選用60-80KW)。 自然，這些數據應根據車型的不同而不同。但總的匹配原則是，既要考慮到發動機 廢氣發出的電能能夠滿足電池及電動機、點火器等用電設備的電能需求，且不過剩；又要考 慮到汽車重量、制造成本等約束，即要通過反復試驗來加以權衡、優化。 電動機12可由廢氣渦輪發電機組中的第二級發電機兼任。其發電機的原動機(渦 輪機)與開關磁阻電機之間的連接件——電磁離合器的離或合，可將開關磁阻電機切換為 電動機、制動能量回收發電機或廢氣渦輪發電機；當其作為電動機使用時，它可以單獨的驅 動后輪；當其切換為制動能量回收發電機時，其控制應與制動踏板相連鎖。
六、汽車的驅動形式及其控制( — )、駕駛員可根據電池S0C狀況以及汽車行駛的實際需求，而分別選用如下幾 種驅動形式 1)、電動機12單獨驅動的后驅； 2)、電動機4單獨驅動的前驅； 3)、電動機4和電動機12共同驅動的"四驅"； 4)、電動機4與發動機7共同驅動的前驅； 5)、電動機4和發動機7與電動機12共同驅動的"四驅"。 ( 二 )、本發明并沒有采用目前混合動力車的動力控制系統(ECU)，而是將一些相 應的控制，如驅動形式及發動機檔位的選擇、間歇供油巡航和電機形式(發電機或電動機) 的轉換……等交由駕駛員來完成。駕駛員可根據汽車行駛的實際需求以及儀表盤上所顯示出來的各種數據(如電池SOC狀況、車速、發電機的工作狀況等)或語音提示，作出判斷并 通過指令鍵盤將其決策輸入至微電腦中，指令微電腦執行……其鍵盤或常用鍵安裝在方向 盤上(類似游戲方向盤或法拉利方向盤)，以提高操控的便捷性。
結語 1、雖然本發明采用了諸多措施以努力降低汽車的制造成本，但由于混合動力車的 特殊屬性，其制造成本仍可能要高于燃油汽車和電動汽車。所以，在方案具體實施時除了應 以確保質量為原則，以節能減排為抓手，努力提升汽車性能外，還應從"萬物皆數"的角度， 對發動機、發電機、電動機、蓄電池及雙向DC-DC轉換器等主要部件的規格、型號，予以合理 的選用與匹配，以取得性價比的最優化； 2、汽車理論和發動機理論的實踐性都很強，許多技術參數需要通過反復試驗才能 獲取。所以，在方案具體實施時應通過反復試驗，對上述方案進行梳理、修正和補充，以使之 更趨完善，而早日服務于社會。
1權利要求
一種混合動力驅動系統的配置及布局與控制，其特征是它是由一臺發動機、兩臺電動機和發電機及電池組等構成，廢氣渦輪發電機和汽車風力發電機可適時的為電池和電動機等提供電能；兩臺功率不同的電動機可分別單獨的驅動前、后輪，發動機不單獨工作而須與電動機共同驅動；無變速器無腳踏離合器無腳踏油門汽車的驅動形式及發動機檔位選擇、間歇供油巡航和電機形式(發電機或電動機)的轉換……等控制，由駕駛員通過指令鍵盤來指令微電腦執行，其指令鍵盤或常用鍵安裝在方向盤上。
2. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是發動機不單獨工作，而須與其同軸聯 接的電動機共同驅動。
3. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是利用了發動機廢氣和汽車行駛時所 產生的風力發電，可適時的為電池、電動機和點火器等電設備提供電能。
4. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是廢氣渦輪發電機可兼作動力電動機 或制動能量回收發電機用，汽車風力發電機可兼作發動機的冷卻風扇用。
5. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是動力電池組選用了容量較小的鉛酸 蓄電池。
6. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是采用了雙電動機驅動形式——兩臺 功率不同的電動機可分別單獨的驅動前、后輪。
7. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是該車無變速器和腳踏離合器及腳踏 油門機構。
8. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是以間歇供油巡航控制模式取代了目 前應用的(CCS)巡航控制模式。
9. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是其整車控制策略并不是將發動機和 電機的轉矩分配作為動力控制策略的重點，而是側重在對汽車驅動形式、發動機檔位的選 擇和對電池組及發電機兩個電源的供電管理。
10. 根據權利要求1所述的混合動力車，其特征是該車沒有采用目前混合動力車的動 力控制系統(ECU)，而是將汽車一些相應的控制——驅動形式及發動機檔位的選擇、間歇供 油巡航和電機形式(發電機或電動機)的轉換……等交由駕駛員通過指令鍵盤來指令微電 腦執行，其指令鍵盤或常用鍵安裝在方向盤上(類似游戲方向盤或法拉利方向盤)。
全文摘要
本發明公開一種混合動力驅動系統的配置及布局與控制它是由一臺發動機、兩臺電動機和發電機及電池組等構成，廢氣渦輪發電機和汽車風力發電機可適時為電池和電動機等提供電能；兩臺功率不同的電動機可分別單獨的驅動前、后輪，發動機不單獨工作而須與電動機共同驅動；無變速器無腳踏離合器無腳踏油門汽車的驅動形式及發動機檔位選擇、間歇供油巡航和電機形式(發電機或電動機)的轉換……等控制，由駕駛員通過指令鍵盤來指令微電腦執行；其指令鍵盤或常用鍵安裝在方向盤上。效果是，可使汽車更節能減排，更經濟實用、耐用，更安全，而具較好性價比。
文檔編號B60W10/26GK101791942SQ20101011718
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月4日 優先權日2010年3月4日
發明者欒泓, 欒繼勝 申請人:欒繼勝;欒泓