專利名稱：基于冷卻水余熱多級利用的氣動-內燃混合動力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及發動機動力系統，特別涉及基于冷卻水余熱多級利用的氣動-內燃混合動力系統。
背景技術：
為緩解石油資源緊張和環境污染的雙重壓力，氣動-內燃混合動力作為新能源汽車領域的一個范疇早就被提出。氣動發動機是指利用壓縮空氣或者液氮作為工作介質推動活塞做功，從而輸出動力的發動機。因為采用了壓縮空氣或液氮，氣動發動機實現了真正的零排放。但是氣動發動機單獨做功輸出功率低，工作過程中氣缸壁、氣缸蓋等零部件溫度低，工質膨脹從環境的吸熱量少，不能高效利用壓縮氣體或液氮的能量。而內燃機在單獨工作過程中能量損耗嚴重，燃料產生的熱量中有20%左右的熱量被冷卻水帶走，冷卻水帶走的熱量最終也耗散到大氣中。而且內燃機的冷卻系統還包括散熱器和風扇，風扇的工作又需要消耗一定的能量。中國專利[200710067863. 0]公開的“混合動力發動機”利用內燃機的排氣加熱氣動發動機的進氣，從一定程度上提高了氣動工作模式的動力性，但是專利中并沒有涉及到內燃機冷卻水熱量利用的問題。中國專利[200910097991.9]公開的“氣動-燃油混合動力系統”將內燃機的冷卻水引入熱交換器中，利用冷卻水加熱氣動發動機的進氣，只是將冷卻水進行了一級利用，存在的缺點是能量回收利用率不高。中國專利[200810059577.4]公開的“嵌套式氣動/內燃混合動力發動機”利用內燃缸周圍布置氣動缸的形式來冷卻內燃氣缸，但是此種結構帶來熱量分布不均勻的問題，氣動缸沒有很好地利用到內燃機的余熱。因此，需要有一套系統，利用內燃機冷卻水的熱量加熱氣動發動機的氣缸壁等零部件和氣動發動機的進氣，實現多級利用，在提高氣動發動機功率的同時對內燃機工作環境進行冷卻， 在一定條件下甚至可以通過匹配設計以及智能控制使得內燃機關閉或者省去散熱器循環和風扇，最終達到節能環保的效果。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服現有技術中的不足，提供一種能夠實現內燃機冷卻水多級回收利用的氣動-內燃混合動力系統，該系統中內燃機的冷卻水可與氣動發動機的進氣進行熱交換，同時也可以對氣動發動機的缸壁、缸蓋等零部件進行熱交換。為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現提供一種基于冷卻水余熱多級利用的氣動-內燃混合動力系統，包括氣動發動機和水冷式內燃機，其中氣動發動機的進氣穩壓箱經高壓氣體管路接于儲氣罐，水冷式內燃機的氣缸體、氣缸蓋，水泵和管路構成回路循環；水冷式內燃機的冷卻水的循環回路分為三級；其中，第一級循環回路為內燃機本身的小循環，由內燃機氣缸體、內燃機氣缸蓋、水泵和管路構成；第二級循環回路由內燃機氣缸體、內燃機氣缸蓋、水泵、氣動發動機氣缸體、氣動發動機氣缸蓋和管路構成；第三級循環回路由內燃機氣缸體、內燃機氣缸蓋、水泵、氣動發動機氣缸體、氣動發動機氣缸蓋、水空換熱器的水側通道和管路構成；第一級循環回路與第二級循環回路之間、第二級循環回路與第三級循環回路之間分別通過電子節溫器連接，由電子節溫器的開閉動作實現循環回路的轉換；所述水空換熱器的另一側通道接于所述的高壓氣體管路。作為一種改進，所述水泵設于水冷式內燃機的冷卻水出口管路上；一個電子節溫器分別通過管路連接至水冷式內燃機的冷卻水入口、氣動發動機的冷卻水入口和水泵出口 ；另一個電子節溫器分別通過管路連接至氣動發動機的冷卻水出口、水空換熱器水側通道的入口和水冷式內燃機的冷卻水入口。作為一種改進，所述電子節溫器通過信號線連接至電子控制單元。作為一種改進，水冷式內燃機的冷卻水入口處設置溫度傳感器。作為一種改進，所述儲氣罐的出口處設置減壓閥。作為一種改進，所述水泵為電動水泵，水泵的轉速根據內燃機的熱負荷大小來調節。水空換熱器中的介質分別為第三級循環回路的冷卻水和氣動發動機的高壓進氣。電子控制單元(ECU，Electronic control unit)接收溫度傳感器傳遞的溫度測量值，并根據預置的控制指標對兩個電子節溫器發出開或閉的動作指令。所述的電子節溫器是車輛通用設備，本系統中包含兩個，其中一個布置在一級循環旁通管路入口與二級循環高溫管路入口交接處，另一個布置在二級循環旁通管路與三級循環管路入口交接處，并且都通過電線連接至E⑶。儲氣罐內高壓氣體經過減壓閥、水空換熱器空氣側通道、進氣穩壓箱、氣動發動機進氣閥進入氣缸內。在混合動力系統中，內燃機和氣動發動機動力輸出屬于并聯的工作方式，兩者既可單獨工作，也可同時工作。與現有技術相比，本發明的有益效果是1、本發明利用內燃機冷卻水對氣動發動機進氣和氣缸體、缸蓋等零部件進行加熱，更加充分地利用了內燃機冷卻水的余熱，改善了氣動發動機的工作環境，有效地提高了氣動發動機的循環輸出功，最終能夠降低氣動發動機的氣耗率。2、本發明中設計的冷卻水多級循環，可通過匹配設計滿足內燃機在不同功率下的散熱需求，關閉或省去了內燃機原有冷卻系統中的散熱器循環和風扇，減少了內燃機的能
量消耗。3、通過本發明的實施，氣動-燃油混合動力系統的動力性得到提高，經濟性得到改善。
圖1為本發明其中一個實施例。圖中附圖標記1內燃機、2氣動發動機、3進氣穩壓箱、4水空換熱器、5減壓閥、6 儲氣罐、7水泵、8動力輸出機構、9 一級循環旁通管路、10 二級循環高溫管路、11 二級循環旁通管路、12三級循環高溫管路、13高壓氣體管路、14溫度傳感器，A和B分別為電子節溫器。
具體實施例方式下面將結合
和實施例對本發明進一步說明。本發明系統實施例包括內燃機1、氣動發動機2、進氣穩壓箱3、水空換熱器4、減壓閥5、儲氣罐6、水泵7、動力耦合機構8、一級循環旁通管路9、二級循環高溫管路10、二級循環旁通管路11、三級循環高溫管路12、高壓氣體管路13、電子節溫器(A和B)、溫度傳感器 14和電子控制單元(ECU，Electronic control unit)等部分。本發明所述氣動發動機和內燃機缸數不限，氣動發動機包含冷卻水水套，內燃機的冷卻形式是水冷，內燃機的燃料可以是汽油、柴油或者天然氣等。所述水空換熱器中進行熱交換的介質為氣動發動機的高壓進氣和內燃機的冷卻水。所述儲氣罐內的高壓氣體經過減壓閥、水空換熱器空氣側通道、進氣穩壓箱、氣動發動機進氣閥進入氣缸內。本發明混合動力系統中冷卻水的循環流動路徑可以分為一級循環、二級循環和三級循環。各級循環之間的轉化通過ECU控制電子節溫器開閉加以實現。具體地(1)當內燃機冷態起動時，ECU控制兩節溫器關閉，這時內燃機冷卻水進行一級循環，這樣能使冷卻水迅速升溫。(2)內燃機暖機后，當ECU檢測到冷卻水溫度達到一定值時，控制節溫器A開啟 (關閉一級循環旁通管路通道，開啟二級循環高溫管路入口)，這時冷卻水進行二級循環。(3)隨著內燃機功率的不斷提高，當冷卻水溫度繼續升高達到另一設定值時，節溫器B開啟(關閉二級循環旁通管路，打開三級循環高溫管路入口)，這時冷卻水進行三級循環。上述調節方法同時適用于氣動發動機工作或者不工作的情況，區別在于當氣動發動機不在工作狀態時，冷卻水換熱量減小，本系統根據冷卻水的溫度高低通過ECU控制水泵轉速調節冷卻水循環流動速度，使之滿足內燃機散熱需求。
權利要求
1.基于冷卻水余熱多級利用的氣動-內燃混合動力系統，包括氣動發動機和水冷式內燃機，其中氣動發動機的進氣穩壓箱經高壓氣體管路接于儲氣罐，水冷式內燃機的氣缸體、 氣缸蓋，水泵和管路構成回路循環；其特征在于，水冷式內燃機的冷卻水的循環回路分為三級；其中，第一級循環回路為內燃機本身的小循環，由內燃機氣缸體、內燃機氣缸蓋、水泵和管路構成；第二級循環回路由內燃機氣缸體、內燃機氣缸蓋、水泵、氣動發動機氣缸體、氣動發動機氣缸蓋和管路構成；第三級循環回路由內燃機氣缸體、內燃機氣缸蓋、水泵、氣動發動機氣缸體、氣動發動機氣缸蓋、水空換熱器的水側通道和管路構成；第一級循環回路與第二級循環回路之間、第二級循環回路與第三級循環回路之間分別通過電子節溫器連接，由電子節溫器的開閉動作實現循環回路的轉換；所述水空換熱器的另一側通道接于所述的高壓氣體管路。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述水泵設于水冷式內燃機的冷卻水出口管路上；一個電子節溫器分別通過管路連接至水冷式內燃機的冷卻水入口、氣動發動機的冷卻水入口和水泵出口 ；另一個電子節溫器分別通過管路連接至氣動發動機的冷卻水出口、水空換熱器水側通道的入口和水冷式內燃機的冷卻水入口。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述電子節溫器通過信號線連接至電子控制單元。
4.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，水冷式內燃機的冷卻水入口處設置溫度傳感器。
5.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述儲氣罐的出口處設置減壓閥。
6.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述水泵為電動水泵。
全文摘要
本發明涉及發動機動力系統，旨在提供一種基于冷卻水余熱多級利用的氣動-內燃混合動力系統。該系統中，氣動發動機的進氣穩壓箱經高壓氣體管路接于儲氣罐，水冷式內燃機的氣缸體、氣缸蓋，水泵和管路構成回路循環；水冷式內燃機的冷卻水的循環回路分為三級；其中，第一級循環回路為內燃機本身的小循環，第二級、第三級的循環回路分別加入氣動發動機氣缸和水空換熱器；各級循環回路之間由電子節溫器的開閉動作實現循環回路的轉換。本發明更加充分地利用內燃機冷卻水的余熱，改善了氣動發動機的工作環境，有效地提高了氣動發動機的循環輸出功，最終能夠降低氣動發動機的氣耗率；減少了內燃機能量消耗；動力系統動力性得到提高，經濟性得到改善。
文檔編號F01P7/16GK102505998SQ201110352849
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者俞小莉, 葉錦, 徐煥祥, 李小飛, 李道飛, 王雷 申請人:浙江大學