CN104454158B - 可变冲程气动内燃混合动力发动机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变冲程气动内燃混合动力发动机及其运行方法。它包括至少两个气缸，气缸具有活塞、连杆和曲轴，所述每一个气缸上均设置排气门、进气门和压缩空气气门；本发明发动机能够通过机械结构实现发动机冲程以及四种工作模式的切换，切换机构简单，发动机整体结构较其他混合动力形式紧凑，节省空间，以二冲程空气压缩机形式工作时，可以实现制动能量回收，达到节能的效果；回收的制动能量被储存在气罐内，根据不同的运行工况选择合理的发动机工作模式，可使混合动力发动机工作在最佳区域，动力性经济性和排放性达到更为理想的状态。还具有内燃机工作区域调整功能，可使内燃机工作在高效区域，而多余的动力用于回收压缩空气。

Description

可变冲程气动内燃混合动力发动机及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种动力发动机及其运行方法，更具体地说，本发明涉及一种可变冲程气动内燃混合动力发动机及其运行方法。

背景技术

随着节能减排主题的不断深化，汽车工业致力于寻求高效节能的新技术，来满足日益严格的排放法规。气动内燃混合动力可以利用气动发动机回收内燃机余能，是实现高效低排放的有利途径。中国专利[CN200710067863.0]、中国专利[CN201020158252.4]及中国专利[201120165652.2]分别提出了气动内燃混合动力发动机的系统模式，这些专利或利用内燃机排气加热气动发动机进气，提高压缩空气做功可用能；或将内燃机排气引入气动发动机进行膨胀，回收排气余压；或利用压缩空气对内燃机进行增压，提高内燃机瞬态响应和升功率，但均未涉及发动机制动能量的回收利用。由于气动机多为二冲程发动机，而内燃机多为四冲程发动机，已有的气动内燃混合动力的设计，需将二者进行耦合，多结构复杂，并且不能使混合动力系统保持工作在最佳区域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种兼具内燃机模式、气动发动机模式、气动内燃混合动力发动机模式与制动能量回收模式的可变冲程气动内燃混合动力发动机及其运行方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

可变冲程气动内燃混合动力发动机，包括至少两个气缸，气缸具有活塞、连杆和曲轴，所述每一个气缸上均设置排气门、进气门和压缩空气气门；压缩空气气门与压缩空气喷气阀相连，其开闭受压缩空气喷气阀控制；压缩空气喷气阀通过压缩空气进气管、截止阀和调压机构连接至一个储气罐；排气门和进气门由一个可切换的气门驱动机构控制；气门驱动机构包括液压挺柱机构、与液压挺柱机构相对应的单双峰凸轮轴、气门推杆、气门摇臂和摇臂轴；液压挺柱机构包括液压挺柱、液压油腔和滚子；液压挺柱一端通过液压油腔与滚子相连，另一端与气门推杆底端相接，气门推杆顶端通过摇臂轴与气门摇臂一端相连，气门摇臂另一端与排气门、进气门相连；滚子与单双峰凸轮轴的凸轮一一对应相接；液压挺柱机构的液压油腔与液压挺柱电磁阀相连；压缩空气喷气阀的液压油嘴与压缩空气喷气阀电磁阀相连。

所述的单双峰凸轮轴通过链条或皮带与曲轴连接，由曲轴带动单双峰凸轮轴旋转。

所述的压缩空气喷气阀经由压缩空气喷气阀电磁阀与电控柱塞泵相连，压缩空气喷气阀的动力源由电控柱塞泵提供，升程与正时受电控柱塞泵控制。

所述的气门驱动机构的液压挺柱机构经由液压挺柱电磁阀与电控柱塞泵相连，由电控柱塞泵控制液压挺柱机构的液压油腔加压与卸压。

所述的可变冲程气动内燃混合动力发动机的运行方法包括如下步骤：

1）发动机全部气缸的压缩空气喷气阀均处于常闭状态，控制液压挺柱电磁阀，使液压挺柱机构切换到进气门、排气门都是与单双峰凸轮轴的单峰凸轮相接合状态，喷油嘴正常喷油，发动机以四冲程内燃机模式工作；

2）电控柱塞泵调节至活塞运行至上止点后供油，发动机全部气缸的压缩空气喷气阀按时打开喷气，控制液压挺柱电磁阀，使液压挺柱机构切换到进气门常闭状态、排气门与单双峰凸轮轴的双峰凸轮相接合状态，喷油嘴关闭，发动机以二冲程气动发动机模式工作；

3）电控柱塞泵调节至活塞运行至上止点后供油，发动机部分气缸的压缩空气喷气阀按时打开喷气，液压挺柱机构切换到进气门常闭状态，排气门与单双峰凸轮轴的双峰凸轮相接合状态，喷油嘴关闭，这部分气缸以二冲程气动发动机模式工作；其余气缸的压缩空气喷气阀关闭，液压挺柱机构切换到进气门、排气门都是与单双峰凸轮轴的单峰凸轮相接合状态，喷油嘴正常喷油，这部分气缸以四冲程内燃机模式工作；发动机以气动内燃混合动力发动机模式工作；

4）电控制柱塞泵调节至活塞运行至上止点前供油，发动机气缸的压缩空气喷气阀按时打开，此时压缩空气气门作为排气门，缸内的压缩空气通过压缩空气气门1排入储气罐内并进行储存，控制液压挺柱电磁阀，使液压挺柱机构切换到进气门与单双峰凸轮轴的双峰凸轮相接合状态，排气门常闭状态，喷油嘴关闭，发动机作为一个二冲程空气压缩机，以制动能量回收模式工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）这种可变冲程气动内燃混合动力发动机能够通过机械结构实现发动机冲程以及四种工作模式的切换，切换机构简单，发动机整体结构较其他混合动力形式紧凑，节省空间。

2）混合动力发动机以二冲程空气压缩机形式工作时，可以实现制动能量回收，达到节能的效果；回收的制动能量被储存在气罐内，可以用于气动发动机模式或者气动内燃混合动力发动机模式，实现能量的再利用。

3）根据不同的运行工况选择合理的发动机工作模式，可使混合动力发动机工作在最佳区域，动力性经济性和排放性达到更为理想的状态。

4）还具有内燃机工作区域调整功能，可使内燃机工作在高效区域，而多余的动力用于回收压缩空气。

附图说明

图1为可变冲程气动内燃混合动力发动机的结构示意图；

图2为本发明的气门驱动机构中的液压挺柱结构示意图；

图3为本发明的与液压挺柱相应的单双峰凸轮轴结构示意图；

图中附图标记为：1 压缩空气喷气阀；2 排气门；3 进气门；4 气门摇臂；5气门推杆；6 活塞；7 连杆；8 液压挺柱机构；9 单双峰凸轮轴；10 液压挺柱电磁阀；11 曲轴；12压缩空气喷气阀电磁阀；13 压缩空气气门；14 压缩空气进气管；15 液压挺柱；16 液压油腔；17 滚子。

具体实施方式

首先，需要说明的是，本发明中的内燃机形式可以为汽油机、柴油机以及天然气发动机等。下面将以柴油机为例，结合附图对本发明进行详细描述。

本实施例中可变冲程气动内燃混合动力发动机结构如图1至图3所示。

可变冲程气动内燃混合动力发动机，包括至少两个气缸，气缸具有活塞6、连杆7和曲轴11，所述每一个气缸上均设置排气门2、进气门3和压缩空气气门13；压缩空气气门13与压缩空气喷气阀1相连，其开闭受压缩空气喷气阀1控制；压缩空气喷气阀1通过压缩空气进气管14、截止阀和调压机构连接至一个储气罐；排气门2和进气门3由一个可切换的气门驱动机构控制；气门驱动机构包括液压挺柱机构8、与液压挺柱机构8相对应的单双峰凸轮轴9、气门推杆5、气门摇臂4和摇臂轴；液压挺柱机构8包括液压挺柱15、液压油腔16和滚子17；液压挺柱15一端通过液压油腔16与滚子相连17，另一端与气门推杆5底端相接，气门推杆5顶端通过摇臂轴与气门摇臂4一端相连，气门摇臂4另一端与排气门2、进气门3相连；滚子17与单双峰凸轮轴9的凸轮一一对应相接；液压挺柱机构8的液压油腔16与液压挺柱电磁阀10相连；压缩空气喷气阀1的液压油嘴与压缩空气喷气阀电磁阀12相连。

所述的单双峰凸轮轴9通过链条或皮带与曲轴11连接，由曲轴11带动单双峰凸轮轴9旋转。

所述的压缩空气喷气阀1经由压缩空气喷气阀电磁阀12与电控柱塞泵相连，压缩空气喷气阀1的动力源由电控柱塞泵提供，升程与正时受电控柱塞泵控制。

所述的气门驱动机构的液压挺柱机构8经由液压挺柱电磁阀10与电控柱塞泵相连，由电控柱塞泵控制液压挺柱机构8的液压油腔16加压与卸压。

本实施例中可变冲程气动内燃混合动力发动的运行方式如下：

模式一：

发动机处于内燃机模式。此时，压缩空气喷气阀电磁阀12旁通卸压，发动机全部气缸的压缩空气喷气阀1均处于常闭状态，控制液压挺柱电磁阀10，使液压挺柱机构8切换到进气门3、排气门2都是与单双峰凸轮轴9的单峰凸轮相接合状态，喷油嘴正常喷油，发动机以四冲程内燃机模式工作。

模式二：

发动机处于气动发动机模式。此时，电控柱塞泵调节至活塞6运行至上止点后供油，发动机全部气缸的压缩空气喷气阀1按时打开喷气，储气罐内的压缩空气通过压缩空气气门13喷入气缸内，控制液压挺柱电磁阀10，使液压挺柱机构8切换到进气门3常闭状态，排气门2与单双峰凸轮轴9的双峰凸轮相接合状态，喷油嘴关闭，发动机以二冲程气动发动机模式工作。

模式三：

发动机处于气动内燃混合动力发动机模式。电控柱塞泵调节至活塞6运行至上止点后供油，发动机部分气缸的压缩空气喷气阀1按时打开喷气，储气罐内的压缩空气通过压缩空气气门13喷入气缸内，液压挺柱机构8切换到进气门3常闭状态，排气门2与单双峰凸轮轴9的双峰凸轮相接合状态，喷油嘴关闭，这部分气缸以二冲程气动发动机模式工作；其余气缸的压缩空气喷气阀1关闭，液压挺柱机构8切换到进气门3、排气门2都是与单双峰凸轮轴9的单峰凸轮相接合状态，喷油嘴正常喷油，这部分气缸以四冲程内燃机模式工作；发动机以气动内燃混合动力发动机模式工作。

模式四：

发动机处于制动能量回收模式。此时电控制柱塞泵调节至活塞6运行至上止点前供油，发动机气缸的压缩空气喷气阀1按时打开，此时压缩空气气门1作为排气门，缸内的压缩空气通过压缩空气气门1排入储气罐内并进行储存，控制液压挺柱电磁阀10，使液压挺柱机构8切换到进气门3与单双峰凸轮轴9的双峰凸轮相接合状态，排气门常闭状态，喷油嘴关闭，发动机作为一个二冲程空气压缩机，以制动能量回收模式工作。

Claims (4)

1.一种可变冲程气动内燃混合动力发动机，包括至少两个气缸，气缸具有活塞（6）、连杆（7）和曲轴（11），其特征在于，所述每一个气缸上均设置排气门（2）、进气门（3）和压缩空气气门（13）；压缩空气气门（13）与压缩空气喷气阀（1）相连，其开闭受压缩空气喷气阀（1）控制；压缩空气喷气阀（1）通过压缩空气进气管（14）、截止阀和调压机构连接至一个储气罐；排气门（2）和进气门（3）由一个可切换的气门驱动机构控制；气门驱动机构包括液压挺柱机构（8）、与液压挺柱机构（8）相对应的单双峰凸轮轴（9）、气门推杆（5）、气门摇臂（4）和摇臂轴；液压挺柱机构（8）包括液压挺柱（15）、液压油腔（16）和滚子（17）；液压挺柱（15）一端通过液压油腔（16）与滚子（17）相连，另一端与气门推杆（5）底端相接，气门推杆（5）顶端通过摇臂轴与气门摇臂（4）一端相连，气门摇臂（4）另一端与排气门（2）、进气门（3）相连；滚子（17）与单双峰凸轮轴（9）的凸轮一一对应相接；液压挺柱机构（8）的液压油腔（16）与液压挺柱电磁阀（10）相连；压缩空气喷气阀（1）的液压油嘴与压缩空气喷气阀电磁阀（12）相连；所述的压缩空气喷气阀（1）经由压缩空气喷气阀电磁阀（12）与电控柱塞泵相连，压缩空气喷气阀（1）的动力源由电控柱塞泵提供，升程与正时受电控柱塞泵控制。

2.根据权利要求1所述的可变冲程气动内燃混合动力发动机，其特征在于，所述的单双峰凸轮轴（9）通过链条或皮带与曲轴（11）连接，由曲轴（11）带动单双峰凸轮轴（9）旋转。

3.根据权利要求1或2所述的可变冲程气动内燃混合动力发动机，其特征在于所述的气门驱动机构的液压挺柱机构（8）经由液压挺柱电磁阀（10）与电控柱塞泵相连，由电控柱塞泵控制液压挺柱机构（8）的液压油腔（16）加压与卸压。

4.一种如权利要求1所述的可变冲程气动内燃混合动力发动机的运行方法，其特征在于包括如下步骤：

1）发动机全部气缸的压缩空气喷气阀（1）均处于常闭状态，控制液压挺柱电磁阀（10），使液压挺柱机构（8）切换到进气门（3）、排气门（2）都是与单双峰凸轮轴（9）的单峰凸轮相接合状态，喷油嘴正常喷油，发动机以四冲程内燃机模式工作；

2）电控柱塞泵调节至活塞（6）运行至上止点后供油，发动机全部气缸的压缩空气喷气阀（1）按时打开喷气，控制液压挺柱电磁阀（10），使液压挺柱机构（8）切换到进气门（3）常闭状态、排气门（2）与单双峰凸轮轴（9）的双峰凸轮相接合状态，喷油嘴关闭，发动机以二冲程气动发动机模式工作；

3）电控柱塞泵调节至活塞（6）运行至上止点后供油，发动机部分气缸的压缩空气喷气阀（1）按时打开喷气，液压挺柱机构（8）切换到进气门（3）常闭状态，排气门（2）与单双峰凸轮轴（9）的双峰凸轮相接合状态，喷油嘴关闭，这部分气缸以二冲程气动发动机模式工作；其余气缸的压缩空气喷气阀（1）关闭，液压挺柱机构（8）切换到进气门（3）、排气门（2）都是与单双峰凸轮轴（9）的单峰凸轮相接合状态，喷油嘴正常喷油，这部分气缸以四冲程内燃机模式工作；发动机以气动内燃混合动力发动机模式工作；

4）电控制柱塞泵调节至活塞（6）运行至上止点前供油，发动机气缸的压缩空气喷气阀（1）按时打开，此时压缩空气气门（13）作为排气门，缸内的压缩空气通过压缩空气气门（13）排入储气罐内并进行储存，控制液压挺柱电磁阀（10），使液压挺柱机构（8）切换到进气门（3）与单双峰凸轮轴（9）的双峰凸轮相接合状态，排气门常闭状态，喷油嘴关闭，发动机作为一个二冲程空气压缩机，以制动能量回收模式工作。