专利名称：混合动力系统的制作方法
混合动力系统
技术领域：
本发明涉及混合动力系统。具体地，本发明涉及带尾气余热利用的可变增压式混合动力系统。
背景技术：
发动机在小负荷工况运行时发动机燃油经济性较差，尤其对多怠速和低速行驶的城市路况下行驶的车辆，其百公里油耗明显增加。若要取消发动机怠速工况以改善燃油经济性，要求发动机能够在短时间内实现快速停/起。目前车用小型发动机多采用起动电机带动实现起动，由于起动电机功率较小，拖动转速较低，发动机在起动的前几个点火燃烧循环须采用开环控制控制喷油，这就导致了燃油经济性及排放的恶化，若要提高起动电机的拖动转速，实现快速起动，必须增加起动电机的功率，而大功率起动电机要求很大的起动电流，这对车辆原有的供电系统和电子电器设备造成影响。目前的涡轮增压发动机普遍存在增压迟滞的现象，而机械增压发动机则须牺牲部分发动机功率用以驱动压气机，造成高负荷转矩损失及燃油经济性的下降。对用于动力输出用气动系统，其技术水平发展明显滞后于混合动力技术。国内外以压缩空气为动力的汽车，存在以下一些问题在使用过程中由于高压空气的膨胀需大量吸热，在热交换不充分的情况下气动发动机的低温排气会导致结露、冰堵现象；高压的压缩空气在进入气动发动机之前要经过减压，在这过程中造成了压缩空气的能量损失。这些原因都将导致动力系统的效率下降。中国专利02111984. 8公开的“压缩空气-燃油/燃气混合动力的汽车发动机”和中国专利200720107832公开的“混合动力发动机”利用发动机尾气加热压缩空气进气，能一定程度提高气动发动机效率和缓解结露、冰堵现象，但是上述系统中气动发动机与发动机之间运行配合仍有一定的局限性，未显示出足够的运行工况互调节能力，且仍然未能解决压缩空气的自灌装和储存要求有很高储气压力的问题。这一系列问题使得纯气动系统目前很难走向实用。
发明内容本发明的目的是提供一种能解决若干发动机现有技术缺陷的混合动力系统。本发明的目的通过以下技术方案实现。一种混合动力系统包含用于对被压气机压缩过的压缩空气进行储存并作为第一动力源的储气罐；作为第二动力源的发动机；带有对来自第一动力源的高压空气进行稳压的稳压腔的高压空气管路，其中第一动力源通过截止阀连接到稳压腔的上游，第二动力源通过第三流量控制阀连接到稳压腔的下游；以及沿高压空气管路设置在稳压腔下游和第三流量控制阀上游的热交换器；其中在热交换器中， 高压空气管路与尾气管路相邻设置，尾气管路通过三元催化器与第二动力源流体连通，热交换器将来自尾气管路的热量存储在其中，以便对流经高压空气管路并进入第二动力源的高压空气进行加热。根据上述技术方案的混合动力系统，其中混合动力系统还包括通过空气滤清器与混合动力系统的总进气口串联的第一进气管路，第一进气管路通过第一流量控制阀与发动机流体连通。根据上述技术方案的混合动力系统，其中混合动力系统还包括与第一进气管路并联并通过空气滤清器与混合动力系统的总进气口串联的第二进气管路，第二进气管路与压气机流体连通，压气机通过传动机构与发动机的输出轴连接，其中传动机构能够对发动机的输出动力进行调节，从而使得压气机能够按照混合动力系统的需要对来自第二进气管路的空气进行压缩，压缩空气能够存储在储气罐中或者流入发动机中。根据上述技术方案的混合动力系统，其中混合动力系统还包括彼此并联、并通过中冷器与压气机串联的第一压缩空气管路和第二压缩空气管路，其中第一压缩空气管路通过自密封单向阀与储气罐流体连通，储气罐用于储存来自其中的压缩空气，第二压缩空气管路通过第二流量控制阀与第一进气管路流体连通。据上述技术方案的混合动力系统，其中发动机通过设置在其上的可变气门机构， 即通过可变凸轮型线机构、可变气门相位/升程机构或电动气门机构改变进气阀的开启时刻和开启持续时间来控制发动机的进气时刻和进气量。根据上述技术方案的混合动力系统，其中混合动力系统还包括用于控制发动机和各个阀的电子控制系统，通过电子控制系统，可使得混合动力系统能运行在起动模式、压缩模式、普通燃烧模式以及超高负荷模式下。根据上述技术方案的混合动力系统，其中当混合动力系统工作在起动模式时，高压空气从储气罐经截止阀单向流出，沿着高压空气管路经稳压腔稳压后，流经热交换器， 高压空气在热交换器中被加热，加热后的高压空气经过第三流量控制阀流入发动机进气歧管，并随后进入发动机，进入发动机的加热后的高压空气推动发动机活塞下行，并在进气阀关闭后进行膨胀做功。根据上述技术方案的混合动力系统，其中当混合动力系统工作在压缩模式时，第一流量控制阀关闭或略微开启，且第二流量控制阀关闭，此时流经空气滤清器的空气全部或者大部分进入压气机而被压缩，压缩后的空气经中冷器冷却后，流经第一压缩空气管路后流向自密封单向阀，并自此流入储气罐中。根据上述技术方案的混合动力系统，其中在压缩模式下，通过调节传动机构的传动速比，进而调节压气机的气体流量和压缩比。根据上述技术方案的混合动力系统，其中当混合动力系统工作在普通燃烧模式， 且发动机工作在小负荷情况下时，压气机脱离与发动机的动力输入连接，空气在流经空气滤清器之后由第一流量控制阀控制后进入发动机内。根据上述技术方案的混合动力系统，其中当混合动力系统工作在普通燃烧模式， 且发动机工作在高负荷情况下时，传动机构连接发动机与压气机，在它们之间建立动力传输，并根据发动机的负荷和转速，通过调节第一流量控制阀和第二流量控制阀的开度以及传动机构的传动比，控制通过压气机后准备流入发动机气缸内的气体流量和气体压力，压缩后的空气经中冷器冷却后，经第二流量控制阀流入第一进气管路，随后流向发动机进气歧管并经过可变气门机构后进入发动机。根据上述技术方案的混合动力系统，其中当混合动力系统工作在超高负荷模式下时，截止阀打开，储气罐内的高压空气流入高压空气管路，沿着高压空气管路依次流经稳压腔、热交换器以及第三流量控制阀，流向发动机进气歧管，自此经可变气门机构后流入发动机。根据上述技术方案的混合动力系统，其中流入发动机内的高压空气在气缸内膨胀，高压空气膨胀后的压力大于大气压，这使得气缸内的进气量大于自然吸气时的进气量， 从而提高了发动机的升功率。根据上述技术方案的混合动力系统，其中传动机构为可变传动比传动机构，且压气机为可变式压气机。根据上述技术方案的混合动力系统，其中热交换器为蓄热式热交换器。根据上述技术方案的混合动力系统，其中热交换器的蓄热介质为包含储热型混合盐或者金属合金的储热型材料。根据上述技术方案的混合动力系统，其中第一进气管路和第二进气管路可采用管路相互独立的方式进行设置。根据上述技术方案的混合动力系统，其中在第一进气管路和第二进气管路上分别设置有空气滤清器。本发明的混合动力系统的益处在于当混合动力系统运行在起动模式下时，对于热起动工况，由于采用了热交换器对高压空气进行了加热，使得尾气的焓值增加，降低由于进气温度过低产生的能量损失并防止空气在缸内膨胀后可能在排气管造成“冰堵”现象；而对于冷起动工况，可以通过延迟进气阀关闭时刻，增加进入气缸的高压空气流量，减少空气膨胀比，使各缸平均指示压力(IMEP)提高，缩短起动时间，同时，小膨胀比不至于使排气温度下降很多。在起动模式下，控制进入气缸的高压空气流量，即可以对起动转矩进行调节， 使发动机快速达到更高的起动转速，实现点火燃烧。本发明的混合动力系统的益处还在于由于传动机构的传动比可调节，因而当混合动力系统工作在压缩模式时，压气机的工作效率也可调节，从而使得压气机能够工作在理想的经济模式下。本发明的混合动力系统的益处还在于由于采用了压气机，从而当合动力发动机系统运行在高负荷模式下时，通过空气滤清器的空气流经第二进气管路后被压气机压缩， 随后通过第二流量控制阀进入发动机，这提高了发动机的升功率。本发明的混合动力系统的益处还在于由于采用了压气机，使得发动机的部分能量被存储在储气管中，从而当当合动力发动机系统运行在超高负荷模式下时，储气管内的的高压气体会进入发动机，推动发动机活塞膨胀，增大了发动机的升功率。
图1是根据本发明的混合动力系统的结构原理图；图2是图1中的根据本发明的混合动力系统的阀控制原理图。部件及标号列表
权利要求
1.一种混合动力系统，包括用于对被压气机(3)压缩过的压缩空气进行储存并作为第一动力源的储气罐(9)；作为第二动力源的发动机(1)；高压空气管路(90)，带有对来自储气罐(9)的高压空气进行稳压的稳压腔(12)，其中储气罐(9)通过截止阀(10)连接到高压空气管路上的稳压腔(1 的上游，发动机(1)通过第三流量控制阀(11)连接到高压空气管路上的稳压腔(1 的下游；以及热交换器(13)，沿高压空气管路设置在稳压腔(1 下游和第三流量控制阀(11)上游；其特征在于，在热交换器(1 中，高压空气管路与尾气管路(140)相邻设置，尾气管路 (140)通过三元催化器(14)与作为第二动力源的发动机(1)流体连通，热交换器(1 将来自尾气管路(140)的热量存储在其中，以便对流经高压空气管路并进入发动机(1)的高压空气进行加热。
2.如权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，混合动力系统还包括通过空气滤清器(4)与混合动力系统的总进气口串联的第一进气管路(40)，第一进气管路00)通过第一流量控制阀(5)与发动机(1)流体连通。
3.如权利要求2所述的混合动力系统，其特征在于，混合动力系统还包括与第一进气管路GO)并联并通过空气滤清器(4)与混合动力系统的总进气口串联的的第二进气管路 (42)，第二进气管路0 与压气机C3)流体连通，压气机C3)通过传动机构( 与发动机 (1)的输出轴(108)连接，其中传动机构O)能够对发动机(1)的输出动力进行调节，从而使得压气机(3)能够按照混合动力系统需要的压缩空气量对来自第二进气管路G2)的空气进行压缩，压缩空气能够储存在储气罐(9)中或者流入发动机(1)中。
4.如权利要求3所述的混合动力系统，其特征在于，混合动力系统还包括彼此并联、并通过中冷器(6)与压气机C3)串联的第一压缩空气管路(60)和第二压缩空气管路(62)，其中第一压缩空气管路(60)通过自密封单向阀(8)与储气罐(9)流体连通，储气罐(9)用于储存来自其中的压缩空气，第二压缩空气管路(6 通过第二流量控制阀(7)与第一进气管路GO)流体连通。
5.如前述权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，发动机(1)通过设置在其上的可变气门机构(15)，即通过可变凸轮型线机构、可变气门相位/升程机构或电动气门机构改变发动机进气阀的开启时刻和开启持续时间来控制发动机(1)的进气时刻和进气量。
6.如权利要求2-5中任一项所述的混合动力系统，其特征在于，混合动力系统还包括用于控制发动机(1)和各个阀的电子控制系统，混合动力系统通过电子控制系统可运行在起动模式、压缩模式、普通燃烧模式以及超高负荷模式下。
7.如权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，当混合动力系统工作在起动模式时，高压空气从储气罐(9)经截止阀(10)单向流出，沿着高压空气管路(90)经稳压腔(12) 稳压后，流经热交换器(13)，高压空气在热交换器(1 中被加热，加热后的高压空气经过第三流量控制阀(11)流入发动机进气歧管，并随后进入发动机，进入发动机的加热后的高压空气推动发动机活塞下行，并在进气阀关闭后进行膨胀做功。
8.如权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，当混合动力系统工作在压缩模式时，第一流量控制阀( 关闭或略微开启，且第二流量控制阀(7)关闭，此时流经空气滤清器的空气全部或者大部分进入压气机C3)而被压缩，压缩后的空气经中冷器(6)冷却后，流经第一压缩空气管路(60)后流向自密封单向阀(8)，并自此流入并储存在储气罐(9) 中。
9.如权利要求8所述的混合动力系统，其特征在于，在压缩模式下，通过调节传动机构 (2)的传动速比以及压气机(3)内部结构，进而调节压气机(3)的气体流量和压缩比。
10.如权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，当混合动力系统工作在普通燃烧模式，且发动机(1)工作在小负荷情况下时，压气机C3)脱离与发动机(1)的动力输入连接，空气在流经空气滤清器(4)之后由第一流量控制阀( 控制后进入发动机(1)内。
11.如权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，当混合动力系统工作在普通燃烧模式，且发动机(1)工作在高负荷情况下时，传动机构( 连接发动机(1)与压气机(3)， 在它们之间建立动力传输，并根据发动机(1)的负荷和转速，通过调节第一流量控制阀(5) 和第二流量控制阀(7)的开度以及传动机构O)的传动比，控制通过压气机C3)后准备流入发动机(1)气缸内的的气体流量和气体压力，压缩后的空气经中冷器(6)冷却后，经第二流量控制阀(7)后流入第一进气管路(40)，随后流向发动机进气歧管并经过可变气门机构 (15)后进入发动机(1)。
12.如权利要求6所述的混合动力系统，其特征在于，当混合动力系统工作在超高负荷模式下时，截止阀(10)打开，储气罐(9)内的高压空气流入高压空气管路(90)，沿着高压空气管路(90)依次流经稳压腔(12)、热交换器(1 以及第三流量控制阀(11)，流向发动机进气歧管，自此经可变气门机构(15)后流入发动机(1)。
13.如权利要求12所述的混合动力系统，其特征在于，流入发动机(1)内的高压空气在气缸内膨胀，推动活塞对外做功，高压空气膨胀后的压力大于大气压，这使得气缸内的进气量大于自然吸气时的进气量，从而提高了发动机的升功率，膨胀过程缸内气体温度降低，减少燃烧爆震倾向。
14.如权利要求3所述的混合动力系统，其特征在于，传动机构(2)为可变传动比传动机构，且压气机C3)为可变式压气机，第一进气管路GO)和第二进气管路0 可采用管路相互独立的方式进行设置。
15.如权利要求14所述的混合动力系统，其特征在于，在第一进气管路00)和第二进气管路0 上分别设置有空气滤清器(4)。
16.如权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，热交换器(13)为蓄热式热交换器，蓄热式热交换器的蓄热介质为包含储热型混合盐或者金属合金的储热型材料。
全文摘要
本发明提供了一种混合动力系统，包括发动机；彼此并联、并通过空气滤清器与总进气口串联的第一和第二进气管路，第一进气管路与发动机串联；彼此并联、并通过中冷器与压气机串联的第一压缩空气管路和第二压缩空气管路，第二压缩空气管路与第一进气管路串联；通过储气罐与第一压缩空气管路串联的高压空气管路，高压空气管路还与发动机串联；以及设置在高压空气管路上的热交换器，其中高压空气管路在热交换器中与发动机尾气管路相邻设置，以便对来自储气罐的高压气体进行加热，从而减少了起动工况下由于进气温度过低以及空气在缸内膨胀产生的能量损失而在排气管上造成“冰堵”现象的发生。
文档编号F02B41/00GK102261279SQ201010184249
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者孔毅, 张华 , 张小红, 邵强 申请人:上海汽车集团股份有限公司