采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置、系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置，包括四沖程內燃機汽缸和氣動機汽缸，其中，所述氣動機汽缸包括缸體、內置于所述缸體內的活塞和與所述缸體及活塞圍合形成氣源工作腔室的缸蓋，所述缸蓋上設置有進氣門、排氣門和伸入所述氣源工作腔的噴液嘴；且所述氣動機汽缸的活塞與所述內燃機汽缸的活塞通過連桿機構相連，以在相應的缸體內交替滑動。本實用新型基于液態氣體和燃料作為形成驅動力的基礎源，并有效利用液態氣體作功后排放的氣體作為受熱膨脹的預壓縮氣源，從而可最大限度的提高效率，并降低污染。在此基礎上，本實用新型還提供一種應用該動力裝置的混合動力系統。
【專利說明】采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置、系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及發動機【技術領域】，特別涉及一種采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置、系統。
【背景技術】
[0002]隨著人類社會的高速發展，大量動力機械得以廣泛應用，并已經成為人類社會不可或缺的一部分。眾所周知，現有的動力機械能源使用方式均給自然環境帶來了嚴重的破壞，例如，產生熱能排放、溫室氣體排放、煙塵顆粒物排放等環境污染，帶來地球變暖、海平面上升、氣候變壞等問題。
[0003]其中，技術較為成熟的內燃機在汽車及各作業設備應用較為普遍，通過將燃料的化學能轉換成機械能實現動力的輸出。然而，受其自身結構的限制，現有內燃機使用過程中，燃料燃燒產生的熱能爆發推動活塞運行做功，這時相當一部分的熱量將傳到發動機的機體和缸蓋上，并通過冷卻系統散發掉，此外還有大量熱能隨排氣排放。也就是說，大部分燃燒熱被排放到環境中，正是基于上述熱損失的客觀存在，使得內燃機效率僅達到20%左右。
[0004]為了解決能量儲存再釋放的問題，現有技術提出了一種處理方式。將氣體壓縮形成高壓儲存，然后加注至汽缸形成壓力驅動，代替部分由燃燒后產生的壓力。但是，該技術實現過程中，高壓儲存需要消耗能量30%，釋放加注過程損失30%，即該手段的再利用率只有9%左右。在此基礎上，應用該處理方式的內燃機能量利用率也只能達到20%-30%。
[0005]此外，現有內燃機對于石化燃料等能源物質的消耗量較大，且燃料燃燒后的煙塵顆粒物排放直接污染環境，因此，受到節能減排相關要求的制約。
[0006]有鑒于此，亟待另辟踐徑提供一種混合動力技術，在有效提升內燃機效率的基礎上，可降低能源消耗和排放污染方面的影響。
實用新型內容
[0007]針對上述缺陷，本實用新型解決的技術問題在于，提供一種采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置，以基于液態氣體和燃料作為形成驅動力的基礎源，并有效利用液態氣體作功后排放的氣體作為受熱膨脹的預壓縮氣源，從而可最大限度的提高效率，并降低污染，保持啟動汽缸內部清潔。在此基礎上，本實用新型還提供一種應用該動力裝置的混合動力系統。
[0008]本實用新型提供的采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置，包括四沖程內燃機汽缸和氣動機汽缸，其中，所述氣動機汽缸包括缸體、內置于所述缸體內的活塞和與所述缸體及活塞圍合形成氣源工作腔室的缸蓋，所述缸蓋上設置有進氣門、排氣門和伸入所述氣源工作腔的噴液嘴；且所述氣動機汽缸的活塞與所述內燃機汽缸的活塞通過連桿機構相連，以在相應的缸體內交替滑動。
[0009]優選地，所述氣動機汽缸的缸體與所述內燃機汽缸的缸體一體成形。[0010]優選地，所述內燃機汽缸和所述氣動機汽缸均為多個，且依次間隔排布。
[0011]優選地，所述內燃機汽缸和所述氣動機汽缸均為三個或者四個，形成六缸或者八缸動力裝置。
[0012]優選地，所述內燃機汽缸的數量小于所述氣動機汽缸的數量。
[0013]本實用新型提供的采用燃料和直噴液態氣體的混合動力系統，包括如前所述的采用燃料和液態氣體的混合動力裝置，還包括:絕熱儲液箱，用于存儲液態氣體；換熱預熱器，其第一熱源支路用于與動力裝置的冷卻回路連通，其預熱支路連通所述氣動機汽缸的排氣岐管和進氣門；和噴氣控制器，以輸出控制指令控制所述噴液嘴的啟動和停止時刻。
[0014]優選地，所述噴氣控制器根據所述混合動力裝置的轉速輸出所述控制指令。
[0015]優選地，所述換熱預熱器還具有第二熱源支路，所述第二熱源支路與動力裝置的內燃機排氣管路并聯連通。
[0016]優選地，還包括超低溫低壓液泵，以自所述絕熱儲液箱泵取液態氣體并輸送至所述噴液嘴。
[0017]優選地，所述超低溫低壓液泵內置于所述絕熱儲液箱中。
[0018]優選地，所述液態氣體具體為液態空氣、液態氮氣或者液態混合氣體。
[0019]基于現有內燃機技術，本實用新型提出了一種采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置，除內燃機汽缸外，設置有與其適配的氣動機汽缸。具體地，該氣動機汽缸的缸蓋、缸體及內置于缸體內的缸蓋圍合形成氣源工作腔室，缸蓋上設置有進氣門、排氣門和伸入所述氣源工作腔的噴液嘴；并且，氣動機汽缸的活塞與內燃機汽缸的活塞通過連桿機構相連，以在相應的缸體內交替滑動。由此，形成氣動機汽缸的進氣、壓縮、做功及排氣四個工作過程。
[0020]進氣行程時，進氣門開啟、排氣門關閉，氣動機汽缸的活塞可在連桿機構的帶動下由上止點移至下止點，整個過程中曲軸將轉動180°。壓縮行程時，氣動機汽缸的進、排氣門同時關閉，隨著活塞逐漸上移，其內的氣體受壓后溫度將逐漸上升。做功行程時，進氣門、排氣門均關閉，接近上止點時噴液嘴直接噴注入液態氣體，與缸體內高溫氣體充分混合后膨脹，空間內壓力瞬時增加，高溫高壓氣體推動活塞從上止點向下止點運動，并通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。排氣行程時，排氣門開啟、進氣門關閉，活塞從下止點向上止點運動，實現完成作功后的氣體排出。與現有技術相比，本方案提供的混合動力裝置可應用液態氣體作為“燃料”，與使用傳統燃料的內燃機汽缸形成有機的結合，可大大降低傳統燃料的使用量，從而大大降低顆粒物排放導致的環境污染。
[0021]在此基礎上，應用該動力裝置的混合動力系統進一步包括用于存儲液態氣體的絕熱儲液箱。工作時，該氣動機汽缸的進氣由其自身的排氣岐管引入，并經換熱預熱器預熱后被吸入汽缸體，該熱預熱器的第一熱源支路與動力裝置的冷卻回路連通，從而利用待排放的熱量完成氣體預熱，低溫液態氣體直接噴入氣動機汽缸內實現汽缸動作；如此設置，與傳統動力系統相比具有以下有益效率:
[0022]首先，本方案提供的混合動力系統在獲得同樣動力性能的前提下可以減小燃料使用量，可降低污染。
[0023]其次，該系統可以充分利用燃料燃燒過程中釋放的熱能，在汽缸體內膨脹過程的熱量提供，進而可最大限度的提高燃料利用效率，克服了傳統內燃機的熱損失問題。[0024]第三，本方案中氣動機汽缸排出的氣體，部分用于汽缸的進氣，與傳統技術吸入環境大氣相比，由于該封閉系統的排氣沒有污染，汽缸內具有較為優質的環境，一方面，進一步利用具有一定排氣溫度的熱量，另外對于汽缸作動性能提供了可靠的保障。各種液化的氣體，不可能包含冰或干冰等物質，氣化為氣體后，成為較為純凈的進氣無雜質，可完全規避結冰現象。
[0025]第四，本實用新型有效利用了液態氣體的沸點較低，且溫度變化膨脹率較高的特點，即便是在極寒天氣也能可靠應用；此外，液態體積小，與壓縮空氣作為驅動介質的技術相比，液態氣體的存儲體積相差2-3倍，且儲存能量大。本方案一次充加液態氣體可供較長時間的使用，且液態氣體保溫可靠即可，特別地，水、空氣、土壤均為熱的不良導體，實際使用時具有安全性高的特點。
[0026]第五，采用液態氣體作為氣動機的作功基礎源，其制備過程中將產生大量集中熱，例如制備液氮，可以將該集中熱收集并加以有效利用，作為供暖等需暖系統的熱源，由此確保整個產業鏈的產能得以優化。
[0027]最后，基于本方案對于動力裝置冷卻回路的熱量回收利用，可以簡化冷卻系系統，例如，對于坦克等大型內燃機的散熱設計變得簡單，可進一步降低制造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1示出了【具體實施方式】所述采用燃料和直噴液態氣體的實現混合動力輸出的構建方法的原理框圖；
[0029]圖2為第一實施例所述米用燃料和直噴液態氣體的混合動力系統原理圖；
[0030]圖3為【具體實施方式】所述內燃機汽缸的整體結構示意圖；
[0031]圖4為【具體實施方式】所述直噴氣動機汽缸的整體結構示意圖。
[0032]圖1-圖 4 中:
[0033]噴氣控制器1、控制線2、氣動機汽缸3、噴液嘴4、進氣管5、冷卻液入口 6、去排氣管7、排氣岐管8、內燃機排氣入口 9、內燃機排氣出口 10、超低溫低壓管路11、超低溫低壓液泵12、加液口 13、絕熱儲液箱14、換熱預熱器15、冷卻液出口 16 ；
[0034]進氣門31、火花塞32、噴油嘴33、排氣門34、活塞35、連桿36 ；
[0035]進氣門41、連桿42、活塞43、排氣門44。
【具體實施方式】
[0036]本實用新型的核心是提供一種采用燃料和直噴液態氣體的混合動力輸出構建方法，以及應用該構思的采用燃料和直噴液態氣體的混合動力系統。應用本實用新型能夠在節能減排的基礎上，充分提高能源利用率。下面結合說明書附圖具體說明本實施方式。
[0037]請參見圖1，該圖示出本實施方式所述采用燃料和直噴液態氣體的實現混合動力輸出的構建方法的原理框圖。
[0038]如圖所不，該米用燃料和直噴液態氣體的混合動力輸出構建方法，以液態氣體和燃料作為形成驅動力的基礎源，其中，液態氣體受熱膨脹作功形成的壓力，與燃料燃燒作功形成的壓力，共同作為動力輸出的驅動力，并利用液態氣體作功后排放的氣體作為受熱膨脹的預壓縮氣源。優選地，受熱熱源來自于內燃機的排放熱量:冷卻回路的熱量和/或排氣管路的熱量。
[0039]這里，“液態氣體”可以為液壓空氣、液氮等具有沸點低、受熱體積膨脹率高的特點的氣體，具體可以實際車型等應用場合的需要進行選擇；也可以為液態混合氣體，實際原料的加工可來自于工業生產制備高純度氣體后的所剩余的殘液，可進一步提高液態氣體制備產業鏈的產能。“燃料”可以為汽油、柴油、液化石油氣、氫氣、沼氣、頁巖氣、生物柴油或天然氣等傳統內燃機燃料，只要能夠與本實用新型的氣動機作功形成有效配合均可。
[0040]不失一般性，本實施方式以液氮作為氣動缸的基礎氣源進行詳細說明，應當理解，該氣源并不構成對本方案實質內容的限制。
[0041]請參見圖2，該圖示出了【具體實施方式】所述采用液態氣體的混合動力系統原理圖。
[0042]需要說明的是，該混合動力系統所應用的動力裝置以液態氣體和傳統燃料為作功基礎源，具體由內燃機汽缸和氣動機汽缸兩個主要部分構成；其中，本領域技術人員可以采用現有技術實現四沖程的內燃機汽缸部分，故為了更加清晰示出本申請的核心設計所在，圖中僅針對該混合動力系統的氣動機部分作出詳細示明。
[0043]如圖2所示，該混合動力系統的絕熱儲液箱14用于存儲液態氮，以充加提供液態氮氣作為氣動機的直噴“燃料”，具體可以通過絕熱儲液箱14上開設的加液口 13實現加注。當然，其作功過程為受熱膨脹釋放壓力，并非傳統概念上的燃燒。其中，換熱預熱器15的第一熱源支路同樣與動力裝置(內燃機部分)的冷卻回路連通，充分利用內燃機待排放的熱量，即其冷卻液入口 6和冷卻液出口 16連通于內燃機的冷卻回路；換熱預熱器15具有一路預熱支路連通氣動機汽缸3的排氣岐管8和進氣門，具體通過進氣管5連通進氣門，由此，該氣動機汽缸3的進氣由其自身的排氣岐管8引入，并同樣經換熱預熱器15預熱后被吸入汽缸體，從而攜帶熱量進入汽缸工作。經換熱預熱器15后，溫度可達到-40°C?90°C (異常時發動機開鍋可以達到110°C)。當然，排氣岐管8另一分支連通去排氣管7。
[0044]另外，換熱預熱器15還可以具有第二熱源支路，該第二熱源支路與動力裝置的內燃機排氣管路并聯連通，即其內燃機排氣入口 9與內燃機排氣出口 10連通于內燃機排氣管路，由此進一步利用內燃機的排氣熱量，最大限度的降低熱損失。
[0045]此外，該混合動力系統利用噴氣控制器I輸出控制指令，以控制噴液嘴4的啟動和停止時刻，如圖所示，噴氣控制器I通過控制線2將控制指令傳遞至噴液嘴4的控制端口，具體可由軟件自適應實現。
[0046]其中的，內燃機汽缸的主體結構請參見圖3所示，圖中所示以汽油機汽缸作為示例性說明，應當理解，除點燃內燃機外，本方案還適用于壓燃內燃機。該內燃機汽缸的活塞35內置于缸體內，通過連桿36與曲柄連桿機構相連，具體可以采用現有技術實現，故本文不再贅述。同樣地，其汽缸蓋上設置有進氣門31、排氣門34、火花塞32以及噴油嘴33，通過進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程四個階段構成一封閉工作過程，以汽油作為燃料燃燒作功推動活塞下移實現動力輸出。
[0047]其中的，氣動機汽缸的主體結構與內燃機汽缸相同，請一并參見圖4，該圖為氣動機汽缸的整體結構示意圖。其活塞43內置于缸體中，其缸蓋與缸體及活塞43圍合形成氣源工作腔室，該缸蓋上設置有進氣門41、排氣門44和伸入氣源工作腔的噴液嘴4 ;這里，氣動機汽缸的活塞43通過連桿42與曲柄連桿機構相連，實現動力輸出，同樣為四沖程:進氣、壓縮、做功及排氣四個工作過程。該氣動機汽缸的活塞43與內燃機汽缸的活塞35通過連桿機構相連，以各自在相應的缸體內交替滑動。此外，氣動機汽缸的缸體與內燃機汽缸的缸體一體成形，當然，兩者之間也可以為分體式設計，相比較而言一體成形具有較好的工藝性，故為最優方案。
[0048]下面簡要說明其工程過程:
[0049]進氣行程時，進氣門41開啟、排氣門44關閉，氣動機汽缸的活塞43可在連桿機構42的帶動下由上止點移至下止點，整個過程中曲軸將轉動180°。
[0050]壓縮行程時，進氣門41、排氣門44同時關閉，隨著活塞43逐漸上移，其內的氣體受壓后溫度將逐漸上升；根據進氣溫度和壓縮比，溫度可以在100°c?800°C直接甚至更高。
[0051]做功行程時，進氣門41、排氣門44均關閉，接近上止點時噴液嘴4直接噴注入液態氣體,與缸體內高溫氣體充分混合后膨脹,空間內壓力瞬時增加,高溫高壓氣體推動活塞43從上止點向下止點運動，并通過曲柄連桿機構對外輸出機械能。具體地，噴氣控制器I根據混合動力裝置的轉速輸出控制指令，對噴液嘴4的啟動時機及時長進行調整控制。
[0052]排氣行程時，排氣門44開啟、進氣門41關閉，活塞43從下止點向上止點運動，實現完成作功后的氣體排出。
[0053]優選地，活塞43可以為自增加噴液嘴，壓力增高噴出更細致均勻的，更加易于與缸內高溫氣態氣體充分混合的，迅速實現由液態到氣態瞬間氣化的噴嘴，瞬間吸熱迅速膨脹體積增加1000倍左右，產生極大的壓力100-150大氣壓。而且，膨脹過程相對爆燃過程均勻緩慢，力量的釋放更穩定些。
[0054]另外，對于壓燃內燃機來說，其壓縮比較大，壓縮到頂點的時候，溫升比點燃內燃機還要高，儲存的熱量更多，使得液態氣體噴入后更加充分的氣化膨脹作功，膨脹過程中汽缸的缸壁繼續補充部分熱量，設備在低速運轉過程也能夠輸出大量的動力。
[0055]需要說明的是，除做功行程外，該氣動機汽缸的活塞動作可基于單缸慣性或者多缸帶動進行，具體可以根據額定參量的實際需要進行設計。例如，內燃機汽缸和所述氣動機汽缸可以均為三個，且依次間隔排布，形成六缸動力裝置。顯然，該混合動力裝置還可以為四缸、八缸、十二缸等其他復數個，只要應用本方案的核心設計構思均在本申請請求保護的范圍內。
[0056]特別地，氣動機汽缸和內燃機汽缸不局限于前述數量相同的設置，兩者數量完全可以不同。優選地，內燃機汽缸的數量小于氣動機汽缸的數量，該設計可以用于環境溫度較高的工況，例如，赤道等，由于環境能源充足極易獲取能量，此工況下，可大部分或者全部采用氣動機汽缸提供驅動力的輸出。
[0057]通常情況下，內燃機汽缸及氣動機汽缸可以同步啟動工作，實時同步輸出驅動力。當然，為了避免低溫啟動時氣動部分的工作可靠性，可以在低溫啟動時配置成:采用燃料作功的內燃部分先啟動，采用液態氣體作功的氣動部分后啟動。這樣，氣動部分的預熱溫度，能夠基于內燃部分燃燒發熱預定時間長度后的冷卻回路得以保證。此外，低功耗情況下、環境高溫工況下配置成:減少所述內燃機汽缸的燃油供給且提高氣動機汽缸的氣體供給，或者內燃機停止工作，即單純由氣動機汽缸工作的模式。
[0058]另外，如圖2所示的混合動力系統，還包括超低溫低壓液泵12，以自絕熱儲液箱14泵取液態氣體并輸送至超低溫低壓液管路11，壓力大致為3-5個大氣壓，以便實現長距離輸出提供至氣動機汽缸的工作介質；圖中所示，該超低溫低壓液泵12可選用浸入式液泵，由此可內置于絕熱儲液箱14中。
[0059]可以理解的是，當液態氣體選擇空氣時，內燃機的進氣系統可以簡化或者取消，對空氣的需求量減少，可以潛水或者空氣稀薄的情況下應用。
[0060]以上所述僅為本實用新型的優選實施方式，并不構成對本實用新型保護范圍的限定。任何在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的權利要求保護范圍之內。
【權利要求】
1.采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置，包括四沖程內燃機汽缸，其特征在于，還包括氣動機汽缸，所述氣動機汽缸包括: 缸體； 活塞，內置于所述缸體內；和 缸蓋，與所述缸體及活塞圍合形成氣源工作腔室，所述缸蓋上設置有進氣門、排氣門和伸入所述氣源工作腔的噴液嘴；且 所述氣動機汽缸的活塞與所述內燃機汽缸的活塞通過連桿機構相連，以在相應的缸體內交替滑動。
2.根據權利要求1所述的混合動力裝置，其特征在于，所述氣動機汽缸的缸體與所述內燃機汽缸的缸體一體成形。
3.根據權利要求1或2所述的混合動力裝置，其特征在于，所述內燃機汽缸和所述氣動機汽缸均為多個，且依次間隔排布。
4.根據權利要求3所述的混合動力裝置，其特征在于，所述內燃機汽缸和所述氣動機汽缸均為三個或者四個，形成六缸或者八缸動力裝置。
5.根據權利要求1或2所述的混合動力裝置，其特征在于，所述內燃機汽缸的數量小于所述氣動機汽缸的數量。
6.采用燃料和直噴液態氣體的混合動力系統，其特征在于，包括: 如權利要求1至5中任一項所述的采用燃料和直噴液態氣體的混合動力裝置，還包括: 絕熱儲液箱，用于存儲液態氣體； 換熱預熱器，其第一熱源支路用于與動力裝置的冷卻回路連通，其預熱支路連通所述氣動機汽缸的排氣岐管和進氣門；和 嗔氣控制器，以輸出控制指令控制所述嗔液嘴的啟動和停止時刻。
7.根據權利要求6所述的混合動力系統，其特征在于，所述噴氣控制器根據所述混合動力裝置的轉速輸出所述控制指令。
8.根據權利要求6或7所述的混合動力系統，其特征在于，所述換熱預熱器還具有第二熱源支路，所述第二熱源支路與動力裝置的內燃機排氣管路并聯連通。
9.根據權利要求8所述的混合動力系統，其特征在于，還包括超低溫低壓液泵，以自所述絕熱儲液箱泵取液態氣體并輸送至所述噴液嘴。
10.根據權利要求9所述的混合動力系統，其特征在于，所述超低溫低壓液泵內置于所述絕熱儲液箱中。
11.根據權利要求6所述的混合動力系統，其特征在于，所述液態氣體具體為液態空氣、液態氮氣或者液態混合氣體。
【文檔編號】F02B41/02GK203669996SQ201420024712
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】茍仲武 申請人:茍仲武