节能型车辆动力系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及的节能型车辆动力系统其核心本质是将传统汽车内燃机的“吸气→压缩”和“点火爆发→膨胀做功→排气”这两组动作分开，并使其可独立运行，同时加入储气设备(储存及调剂压缩空气)，实现了以压缩空气的形式回收利用制动能量。该技术优化了车辆能量利用方式和动力核心的工作方式，能显著提高车辆能量利用效率。该系统具有以下特点：1、输出动力的燃料气动马达可实现供气量和膨胀比连续可变，由此可获得宽广的动力输出，并有利于提高热机效率。2、燃料气动马达可不消耗燃料，作为纯气动马达工作。3、燃料气动马达可根据需要即时启停，避免怠速能耗。4、汽车制动时以压缩空气的形式回收利用车辆动能，提高了能量利用效率。5、改善了传统汽车中“动力性能”和“燃油经济性”之间的矛盾，使汽车在获得良好动力性能的同时具有很好的燃油经济性。
【专利说明】节能型车辆动力系统
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及的节能型车辆动力系统属于汽车动力系统领域。
二、【背景技术】
[0002]传统的汽车动力系统存在明显不足:汽车以单一活塞式内燃机作为唯一动力源；内燃机的“压缩比”限制影响其热能利用效率；制动能量不能回收利用；汽车“动力性能”和“燃油经济性”之间存在尖锐的矛盾冲突；在普遍拥堵的市区交通中，频繁制动、走走停停的拥堵状态造成汽车能量利用效率很低。传统汽车动力系统的缺陷在经济上造成了巨大浪费，同时加剧了环境污染，因此，优化改进汽车动力系统具有重大的现实意义。油电混合动力技术作为一项对传统汽车动力系统的优化改进技术，取得了很好的节能效果。但油电混合动力技术受“机械能一电能一机械能”的转化过程效率较低、系统成本较高、技术较复杂等不利因素的制约，因此，虽然油电混动系统在能耗方面比传统汽车动力系统有显著优势，但实际应用中却难以全面取代传统的汽车动力系统。本发明涉及的节能型车辆动力系统是以机械技术为基础，通过对车辆动力核心的工作过程进行优化和分工、避免无效运行、利用压缩空气回收利用制动能量等途径，提高车辆能量利用效率。
三、
【发明内容】
[0003]本发明涉及的节能型车辆动力系统其核心本质是将传统汽车发动机的“吸气一压缩”和“点火爆发一膨胀做功一排气”这两组动作分开，并使其可独立运行，同时加入储气设备(储存及调剂压缩空气)，以压缩空气的形式回收利用制动能量，优化了车辆能量利用方式和动力核心的工作方式。该系统具有以下特点:
[0004]1、该节能型车辆动力系统核心部分由空气压缩机、燃料气动马达、储气设备、传动机构等部分组成。
[0005]2、空气压缩机的功能是产生压缩空气，驱动空气压缩机的动力来自燃料气动马达和回收车辆制动动能；
[0006]3、燃料气动马达的功能是输出动力，用以驱动车轮和压缩机、以及其它需要驱动的设备；它可以同时消耗压缩空气和燃料输出动力，也可只消耗压缩空气输出动力；燃料气动马达工作时可实现供气量和膨胀比连续可变，由此获得宽广的动力输出范围。
[0007]4、储气设备的功能是储存压缩空气，并在供气、耗气设备之间调剂空气流量；
[0008]5、传动机构的功能是在燃料气动马达、压缩机、车轮、以及其他需要驱动的各组成部分之间根据需要传输动力并进行速度匹配；
[0009]6、燃料气动马达可根据车辆运行需要即时启停，避免怠速能耗。
[0010]7、系统具有自动调节储气压强的功能。
四、【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1、图2所示为该节能型车辆动力系统的工作原理，图中各编号对应的组件名称如下:
[0012]I一一压缩机(产生压缩空气的装置)
[0013]2一一储气设备(储存压缩空气的装置)
[0014]3一一燃料气动马达(输出动力的装置)
[0015]41、42、43—一离合器(传动路径上用于接通或切断动力传输的装置)
[0016]50、51、52、53——变速器(调节传动比的装置)
[0017]54一一分动箱(分配动力的装置)
[0018]55一一差速器(传动路径上调节不同输出轴之间转速差的装置)
[0019]61、62、63、64——车轮
[0020]图1、图2中各组件之间的实线表示动力交换关系，虚线表示工质(空气)交换关系O
[0021]图3、图4为该节能型车辆动力系统的中燃料气动马达的工作原理示意图，图3中各编号对应的组件名称如下:
[0022]31——气缸
[0023]32--活塞
[0024]33--曲轴
[0025]34——连杆
[0026]35——进气门
[0027]36——排气门
[0028]37——火花塞
[0029]38一一喷油嘴
[0030]图4中各字母对应意义如下:
[0031]O——曲轴旋转中心
[0032]S——活塞上止点对应的曲轴位置
[0033]X——活塞下止点对应的曲轴位置
[0034]A——进气起始点对应的曲轴位置
[0035]B——进气终止点对应的曲轴位置
五、【具体实施方式】
[0036]1、动力系统总体工作原理
[0037]该节能型车辆动力系统的总体工作原理为:压缩机运转产生压缩空气；燃料气动马达消耗压缩空气和燃料(或只消耗压缩空气)输出动力；燃料气动马达输出的动力通过离合器、变速器、差速器、传动轴等传动机构驱动车轮及压缩机；压缩机产生的压缩空气流量和燃料气动马达消耗的气流量不等时通过储气设备调剂；制动时利用车辆动能驱动压缩机产生压缩空气储存备用(车辆动能转化为压缩空气的势能)，实现制动能量的回收利用。
[0038]2、燃料气动马达工作原理
[0039]该节能型车辆动力系统中燃料气动马达是将压缩空气和燃料的能量转化为机械能的设备。燃料气动马达输出的动力用于驱动车轮、压缩机、以及其它需要动力的设备。
[0040]燃料气动马达自身的工作过程可细分为“进气一点火爆发一膨胀做功一排气”，下面结合图3、图4说明其工作原理:
[0041]⑴进气
[0042]当活塞运行到上止点附近(曲轴旋转至图4中A点)，排气门36关闭，进气门35打开，喷油嘴38喷油，活塞继续运动到达上止点后开始下行，混有燃料的压缩空气进入气缸，曲轴运转到达B点时，进气门35关闭，进气过程结束(进气过程对应图4中曲轴转角范围 Z AOB) ο
[0043]⑵点火
[0044]进气门关闭后，火花塞37点火，燃料混合气在气缸内燃烧爆发。
[0045](3)膨胀做功
[0046]点火爆发后，气缸内的工作气体温度、压强升高，推动活塞下移做功，活塞运行到下止点，做功过程结束(膨胀做功过程对应图4中曲轴转角范围Z BOX)。
[0047]⑷排气
[0048]活塞运行到下止点附近时，打开排气门排气，活塞上行，当曲轴旋转到靠近图4中A点时，关闭排气门，排气结束。
[0049](5) “膨胀比”的调节
[0050]燃料气动马达工作时，通过调整进气终止点(即改变图4中Z SOB的大小)，可改变燃料气动马达的进气量和做功过程气体工质的“膨胀比”，从而获得不同的动力水平。对应图4中，当加大Z SOB时，进气量增多，做功过程膨胀比减小，输出的动力增强；当减小Z SOB时，进气量减少，做功过程膨胀比增大，输出的动力变弱。
[0051](6)关于燃料及供给方式
[0052]燃料气动马达采用的燃料可为汽油、天然气、石油液化气等。燃料可在进气道内喷射(混合)，也可采用缸内喷射(混合)的方式，或两种方式结合使用(图3所示为在进气道喷油)。
[0053](7)燃料气动马达的停机、启动、及随时启停
[0054]停机:当燃料气动马达不需要输出动力时，停止供气、供油，在摩擦作用下它就可以自动减速停机。
[0055]启动:由于燃料气动马达工作中没有像常规内燃机的“压缩冲程”这样的耗能过程，因此其启动阻力很小。燃料气动马达可采用外力驱动(如设置启动电机)，或利用压缩空气启动。当利用压缩空气启动时，燃料气动马达停机点须位于活塞下行区内(可通过停机装置实现)，这样需再次启动时向气缸提供压缩空气即可推动活塞下行实现启动(例如，通过停机装置使燃料气动马达的停机相位固定在图4中BX之间的B点附近，需要启动时，打开进气门35，压缩空气流入气缸即可推动活塞下行实现启动。
[0056]随时启停:由于燃料气动马达很容易启动，因此随时启停功能很容易实现。当燃料气动马达不需要输出动力时，停止供气、供油，让其自动减速停机；当需要输出动力时，通过启动装置使其随时启动。(随时启停可通过油门控制，当没有触发油门的动作时，就停止供油、供气，当触发油门时，就使其运转)。
[0057](8)作为纯气动马达工作
[0058]当需要燃料气动马达输出的动力较弱时，可将供给燃料的动作取消，这样，进入气缸的压缩空气中没有燃料，不会燃烧爆发，燃料气动马达就按纯气动马达的方式工作。
[0059]3、传动变速机构
[0060]该节能型车辆动力系统中，通过对传动变速机构进行操作一一即离合器的分离、结合、及档位的切换匹配一一可在压缩机、燃料气动马达、车轮三者之间进行任意组合的动力传递，驱动车辆、回收制动能量、消耗燃料对储气设备充气等动作均可通过操作传动变速机构来实现。下面以图1为例，说明驱动车辆、回收制动能量、对储气设备充气等功能的实现原理。
[0061](I)燃料气动马达单独驱动车辆
[0062]图1中，离合器41闭合，变速器51设置在所需档位，其余离合器分开(或其余变速器设置为“空档)，可实现燃料气动马达3单独驱动车轮61、62。
[0063](2)燃料气动马达单独驱动压缩机(对储气设备充气)
[0064]图1中，离合器42闭合，变速器52设置在所需档位，其余离合器分开(或其余变速器设置为“空档)，可实现燃料气动马达3单独驱动压缩机I对储气设备充气。
[0065](3)燃料气动马达同时驱动车辆和压缩机
[0066]燃料气动马达同时驱动车辆和压缩机有多种方式可实现:
[0067]操作一(两驱):图1中，离合器41、42闭合，变速器51、52分别设置在所需档位，离合器43分开(或变速器53设置为“空档)，可实现燃料气动马达3同时驱动压缩机I和车轮61、62 ；
[0068]操作二(两驱):图1中，离合器42、43闭合，变速器52、53分别设置在所需档位，离合器41分开(或变速器51设置为“空档)，可实现燃料气动马达3同时驱动压缩机I和车轮63、64 ；
[0069]操作三(四驱):图1中，离合器41、42、43均闭合，变速器51、52、53设置在前后车轮转速匹配的档位，可实现燃料气动马达3同时驱动压缩机I和车轮61、62、63、64。
[0070](4)利用车辆动能驱动压缩机(回收制动能量)
[0071]图1中所示的车辆需制动时，断开燃料气动马达3与车轮及压缩机的动力传输，闭合离合器43，通过调节变速器53的传动比获得适当的制动强度，车辆动能经车轮63、64 —变速器53 —离合器43的路径驱动压缩机1，压缩机I产生压缩空气并储存在储气设备中，从而将车辆动能转化为压缩空气的势能。(由于仅通过回收车辆动能进行制动的方式难以满足多样化的制动需求，因此车辆还应设置常规摩擦制动系统，车辆实际运行中，应根据不同场合的制动需求，将回收能量制动和摩擦制动两者组合使用)。
[0072](5)传动变速机构的其他形式
[0073]该节能型车辆动力系统的传动变速机构有多种可能的形式，燃料气动马达、压缩机及车轮三者之间可采用串联、并联、混联等形式。例如，图2中的传动变速机构相当于将图1中的三个变速器(51、52、53)集成为一个变速器50，变速器50通过分动箱54及传动轴与4个车轮相连形成四驱系统(图2中若取消分动箱54，只将一组车轮与变速器相连，四驱即变为两驱)。图1、图2中所示的传动方案仅为两种可能的形式，所给出的传动方案仅为了说明该节能型车辆动力系统的工作原理。
[0074]4、其它
[0075](I)关于储气压强的调节
[0076]为保证系统的安全和正常工作，该节能型车辆动力系统的工作气压须维持在一定范围内。系统的工作气压上限可通过限压阀现实(储气压强高于一定数值时限压阀自动放气)。工作气压下限可通过主动充气程序来实现，如可设置储气压强传感器，当储气压强低于设定值时，系统主动调节到压缩机产气量大于燃料气动马达耗气量的运行状态，对储气设备进行充气，充气达到一定压强时即停止充气(停止充气的压强应低于储气系统正常工作压强的上限值，为回收制动能量产生压缩空气留出空间)。
[0077](2)关于压缩机及气路
[0078]该节能型车辆动力系统中的压缩机可采用各种形式(如螺杆式、活塞式、涡轮式、涡旋式，偏心式、离心式等，或采用几种形式的组合)。气体压缩过程可采用一级压缩或多级压缩，压缩气路及储气气路上可设置冷却装置对工作气体进行冷却；气路上可根据需要设置各类气阀(如开闭阀、单向阀、限压阀、充气阀等)。
[0079](3)废气余能利用
[0080]燃料气动马达的排气管路上可设置涡轮，利用废气驱动涡轮获得机械能，以提高系统的热功转化效率。涡轮输出的机械能可汇入曲轴，或用于驱动其他设备。
[0081]排气管路上可设置热交换器收集利用废气余热。废气余热可用于对进入燃料气动马达的压缩空气进行预热，或用于取暖等。
【权利要求】
1.本发明涉及的节能型车辆动力系统核心部分由空气压缩机、燃料气动马达、储气设备、传动机构等部分组成；该节能型车辆动力系统具有如下核心特征: (1)空气压缩机的功能是产生压缩空气，驱动空气压缩机的动力来自燃料气动马达和回收车辆制动动能； (2)燃料气动马达的功能是输出动力，用以驱动车轮和压缩机、以及其它需要驱动的设备；它可以同时消耗压缩空气和燃料输出动力，也可只消耗压缩空气输出动力； (3)储气设备的功能是储存压缩空气，并在供气、耗气设备之间调剂空气流量； (4)传动机构的功能是在燃料气动马达、压缩机、车轮、以及其他需要驱动的各组成部分之间根据需要传输动力并进行速度匹配。
【文档编号】B60K6/08GK104512236SQ201410796672
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】曾礼 申请人:曾礼