以壓縮空氣和汽油為動力源的混合動力發動機及使用方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種以壓縮空氣和汽油為動力源的混合動力發動機及使用方法，屬于新能源氣動發動機領域。
【背景技術】
[0002]內燃機的出現極大的推動了人類社會的進步。但是，隨著汽車飛快的走進了普通人家，能源問題和環境問題不斷凸顯，世界上的主要工業國家都開始并已經在新能源汽車領域取得了成果，我國在電動汽車和混合動力汽車領域也已經有了具有創新性成果，但是在壓縮空氣動力的氣動汽車的研發上是剛剛起步。
[0003]氣動發動機是指使用壓縮空氣或者液氮作為動力來源，驅動汽車行駛，氣動發動機由于其零排放等優點正日益得到人們的重視，但也存在儲能密度較低和續駛里程較短的缺陷。傳統內燃機雖然熱效率較高，但是其燃燒產生的能量浪費巨大，內燃機熱平衡研究表明，內燃機動力輸出一般只占燃料燃燒釋放總能量的30%_45% (柴油機)或20%_30% (汽油機)，大約30%的能量被內燃機排氣帶走。如何回收利用內燃機廢熱也逐步成為人們研究的熱點問題。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種以壓縮空氣和汽油為動力源的混合動力發動機及使用方法，在原有發動機的基礎上，增加了一套壓縮空氣系統和燃油-氣動切換系統，利用壓縮空氣驅動發動機工作，降低了車輛尾氣排放，同時保留發動機的燃油工作模式，通過對燃油尾氣余熱利用，提高了壓縮空氣的能量利用率，并且解決了單純壓縮空氣汽車續駛里程不足的問題。
[0005]本發明提供了一種以壓縮空氣和汽油為動力源的混合動力發動機，包括原裝自然吸氣發動機，其特征在于:還包括儲氣罐，壓縮空氣進排氣機構，壓縮空氣開閉機構，發動機進氣氣門開閉機構，燃油尾氣和壓縮空氣換熱裝置；
在發動機缸頭上增加壓縮空氣進排氣機構，動力來自發動機自身的輸出，通過在發動機配氣鏈輪上并聯一個24齒的大鏈輪，再通過鏈條帶動12齒的小鏈輪，使發動機在氣動模式下以二沖程方式工作；
所述壓縮空氣進排氣機構，包括上蓋板、下蓋板、配氣滑塊和驅動機構，上蓋板和下蓋板相對平行設置，所述配氣滑塊設置在上蓋板和下蓋板之間，配氣滑塊上設有進氣通孔和排氣槽，配氣滑塊上部連接驅動機構，在驅動機構作用下沿導槽上下滑動；驅動機構包括軸
1、偏心轉盤、球頭萬向節，軸I連接軸承，固定在軸承座上，軸I由小鏈輪帶動旋轉，與發動機活塞的往復頻率一致，偏心轉盤上部設有通孔，軸I穿過該通孔帶動偏心轉盤轉動，偏心轉盤下端設有帶內絲扣的圓柱筒，球頭萬向節插入該圓柱筒內通過絲扣緊固連接，球頭萬向節的另一端連接配氣滑塊；
所述配氣滑塊上有進氣通孔和排氣槽，所述上蓋板上接通壓縮空氣后，配氣滑塊往復運動，進氣孔和上下蓋板的壓縮空氣進氣口、發動機連通的進氣口對正時，是氣動發動機的進氣行程，配氣滑塊的排氣槽和下蓋板的發動機連通進氣口對正時，上蓋板的壓縮空氣進氣口被堵住，是氣動發動機的排氣行程。
[0006]所述壓縮空氣開閉機構包括空心閥桿和安裝在空心閥桿上可以使空心閥桿旋轉360度的齒輪傳動機構，空心閥桿一端為通孔，與下蓋板的通孔連接，空心閥桿另一端為盲孔，桿壁上設有孔，該孔連接發動機的缸頭孔；通過傳動機構實現空心閥桿的開閉:所述空心閥桿的桿壁上的孔和發動機缸頭孔對正時可以接通壓縮空氣，空心閥桿旋轉180°后，其桿壁上的孔被封閉。
[0007]所述發動機進氣氣門開閉機構包括凸輪軸、搖臂、導向塊和滑桿、彈簧、進氣氣門。所述凸輪軸的轉速是發動機曲軸轉速的1/2，凸輪軸上的凸輪和搖臂一端接觸，搖臂另一端和進氣氣門接觸，搖臂隨著凸輪軸的轉動規律性的頂開進氣氣門，彈簧在整個過程中規律性的實現氣門的關閉；所述滑桿安裝在導向塊的導向孔中，導向塊固定在發動機缸頭上；滑桿既可以沿著導向塊上下滑動，也能以導向塊上的導向孔為中心做0~30度的旋轉，滑桿通過旋轉可以連接發動機搖臂調整螺釘和氣門，使發動機進氣氣門在燃油狀態下正常工作；也可以斷開發動機搖臂調整螺釘和氣門的連接，使發動機進氣氣門在氣動狀態下處于常閉狀態。
[0008]所述燃油尾氣和壓縮空氣換熱裝置由U型管式換熱器、電控壓力表、電控開關組成；換熱器的壓縮空氣入口連接儲氣罐，換熱器的壓縮空氣出口連接上蓋板的通孔；
該裝置是利用發動機燃油排放的尾氣給壓縮空氣加熱，通過將燃油尾氣通入U型管換熱器的殼層加熱U型管換熱器管層內的壓縮空氣；所述U型管換熱器管層壓縮空氣的壓力和溫度通過傳感器輸出信號控制管路上的電磁閥的開閉來調節U型管換熱器管層的壓力，以及控制燃油-氣動的切換時間。
[0009]上述方案中，所述偏心轉盤頂部設有定位螺栓，用于固定軸I。
[0010]上述方案中，所述傳動機構包括大齒輪和小齒輪，小齒輪安裝在軸II上，大齒輪安裝在空心閥桿上，大齒輪和小齒輪嚙合，軸II從下蓋板邊緣(不影響配氣滑塊工作的位置)通到上蓋板，通過旋轉上蓋板外的軸II部分帶動空心閥桿的旋轉，空心閥桿在大齒輪帶動下能旋轉180°，實現壓縮空氣與發動機缸頭孔直接通路的開閉。
[0011]上述方案中，所述燃油尾氣和壓縮空氣換熱裝置，在發動機燃油工作時將高溫尾氣通過U型管式換熱器的殼層上進氣口進入，從殼層下出氣口排出，發動機燃油工作時，U型管式換熱器的管層內密閉2MPa壓力的壓縮空氣，以便充分吸收殼層高溫尾氣的熱量。換熱器內氣體狀態變化近似滿足狀態方程:pV= mRT，根據查理定律，換熱器內壓縮空氣體積不變，其溫度每升高273K，壓縮空氣壓強就增大I倍。當U型管式換熱器的管層內密閉2MPa壓力的壓縮空氣，溫度從25°C升高到298°C時，壓縮空氣壓強增大到4MPa。
[0012]本發明提供一種以壓縮空氣和汽油為動力源的混合動力發動機的使用方法，該混合動力發動機的工作模式由燃油到氣動的切換如下:氣動切換信號一旋轉空心閥桿180°接通壓縮空氣，同時旋轉滑桿使發動機搖臂空載運行，使進氣氣門處于常閉狀態一切換完成。相反該混合動力發動機的工作模式由氣動切換到燃油模式的過程，如下:燃油切換信號—旋轉空心閥桿180°關閉壓縮空氣，同時旋轉滑桿使發動機搖臂恢復工作狀態。
[0013]壓縮空氣和汽油為動力源的混合動力發動機工作分為燃油模式和氣動模式兩種工作模式交替進行: (1)燃油工作模式是傳統的四沖程汽油機工作模式，即為吸氣(油氣混合氣)一壓縮一點火做功一排氣四個沖程:發動機在燃油模式下工作時，配氣滑塊在發動機動力的作用下作往復運動；此時空心閥桿桿壁上的孔被封閉，壓縮空氣不能進入氣缸；發動機燃油尾氣通入U型管換熱器的殼層加熱U型管換熱器管層內的壓縮空氣；當管層壓縮空氣被加熱到達到上臨界溫度時，通過傳感器發出氣動切換信號；
(2)通過傳動機構旋轉空心閥桿180°使其桿壁上的孔和發動機缸頭進氣口對正，同時旋轉滑桿，使發動機搖臂調整螺釘和氣門的連接斷開，發動機進氣氣門處于常閉，發動機變成:壓縮空氣進氣做功一配氣滑塊排氣一壓縮空氣進氣做功一配氣滑塊和發動機排氣門同時排氣的氣動工作模式；當管層壓縮空氣溫度降低到下臨界溫度時，傳感器發出燃油切換信號;
(3)通過傳動機構旋轉空心閥桿180°使桿壁上的孔封閉，同時旋轉滑桿，使發動機搖臂調整螺釘和氣門連接，發動機進氣氣門正常工作，發動機恢復吸氣一壓縮一點火做功一排氣的燃油工作模