以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机及使用方法

摘要

本发明公开了一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，属于新能源气动发动机领域。该发动机是在原有四冲程发动机的基础上，增加了压缩空气装置和燃油‑气动切换装置，并利用了燃油尾气给压缩空气加热。压缩空气装置包括储气罐和一套进排气机构，通过停止发动机原进气气门，接通气动系统的空心阀杆，使发动机切换成二冲程气动工作模式；相反，通过关闭压缩空气空心阀杆同时开启发动机原进气气门，使发动机恢复燃油工作模式。本发明利用压缩空气驱动发动机工作，降低了车辆尾气排放，同时保留发动机的燃油工作模式，通过对燃油尾气余热利用，提高了压缩空气的能量利用率，解决了单纯压缩空气汽车续驶里程不足的问题。

权利要求

1.一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，包括原装自然吸气发动机，其特征在于：还包括储气罐，压缩空气进排气机构，压缩空气开闭机构，发动机进气气门开闭机构，燃油尾气和压缩空气换热装置；

所述压缩空气进排气机构，包括上盖板、下盖板、配气滑块和驱动机构，上盖板和下盖板相对平行设置，所述配气滑块设置在上盖板和下盖板之间，配气滑块上设有进气通孔和排气槽，配气滑块上部连接驱动机构，在驱动机构作用下沿导槽上下滑动；驱动机构包括轴Ⅰ、偏心转盘、球头万向节，轴Ⅰ连接轴承，固定在轴承座上，轴Ⅰ由小链轮带动旋转，与发动机活塞的往复频率一致，偏心转盘上部设有通孔，轴Ⅰ穿过该通孔带动偏心转盘转动，偏心转盘下端设有带内丝扣的圆柱筒，球头万向节插入该圆柱筒内通过丝扣紧固连接，球头万向节的另一端连接配气滑块；

所述压缩空气开闭机构包括空心阀杆和安装在空心阀杆上可以使空心阀杆旋转360度的齿轮传动机构；空心阀杆一端为通孔，与下盖板的通孔连接，空心阀杆另一端为盲孔，杆壁上设有孔，该孔连接发动机的缸头孔；

所述发动机进气气门开闭机构包括凸轮轴、摇臂、导向块和滑杆、弹簧、进气气门；所述凸轮轴的转速是发动机曲轴转速的1/2，凸轮轴上的凸轮和摇臂一端接触，摇臂另一端和进气气门接触，摇臂随着凸轮轴的转动规律性的顶开进气气门，弹簧在整个过程中规律性的实现气门的关闭；所述滑杆为L型杆，滑杆固定在导向块上，导向块固定在发动机缸头上，导向块中间设有导向孔，滑杆能以导向孔为中心旋转，也能沿着导向孔上下移动，滑杆通过螺栓与摇臂固定；

所述燃油尾气和压缩空气换热装置由U型管式换热器、电控压力表、电控开关组成；换热器的压缩空气入口连接储气罐，换热器的压缩空气出口连接上盖板的通孔。

2.根据权利要求1所述的以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，其特征在于：

所述偏心转盘顶部设有定位螺栓，用于固定轴Ⅰ。

3.根据权利要求1所述的以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，其特征在于：

所述齿轮传动机构包括大齿轮和小齿轮，小齿轮安装在轴Ⅱ上，大齿轮安装在空心阀杆上，大齿轮和小齿轮啮合，轴Ⅱ穿过下盖板边缘和上盖板，通过旋转上盖板外的轴Ⅱ带动空心阀杆的旋转，空心阀杆在大齿轮带动下能旋转180°，实现压缩空气与发动机缸头孔直接通路的开闭。

4.根据权利要求1所述的以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，其特征在于：

所述发动机进气气门开闭机构的滑杆以导向块上的导向孔为中心旋转0 30度，实现发动机~

进气气门由正常工作状态和常闭状态的切换。

5.根据权利要求1所述的以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，其特征在于：

所述燃油尾气和压缩空气换热装置，在发动机燃油工作时将高温尾气通过U型管式换热器的壳层上进气口进入，从壳层下出气口排出，发动机燃油工作时，U型管式换热器的管层内密闭2MPa压力的压缩空气，以便充分吸收壳层高温尾气的热量。

6.一种权利要求1 5任一项所述的以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机的使~

用方法，其特征在于：压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机工作分为燃油模式和气动模式两种工作模式交替进行：（1）燃油工作模式是传统的四冲程汽油机工作模式，即为吸气→压缩→点火做功→排气四个冲程：发动机在燃油模式下工作时，配气滑块在发动机动力的作用下作往复运动；此时空心阀杆杆壁上的孔被封闭，压缩空气不能进入气缸；发动机燃油尾气通入U型管换热器的壳层加热U型管换热器管层内的压缩空气；当管层压缩空气被加热到上临界温度时，通过传感器发出气动切换信号；

（2）通过传动机构旋转空心阀杆180°使其杆壁上的孔和发动机缸头进气口对正，同时旋转滑杆，使发动机摇臂调整螺钉和气门的连接断开，发动机进气气门处于常闭，发动机变成气动工作模式：压缩空气进气做功→配气滑块排气→压缩空气进气做功→配气滑块和发动机排气门同时排气；当管层压缩空气温度降低到下临界温度时，传感器发出燃油切换信号；

（3）通过传动机构旋转空心阀杆180°使杆壁上的孔封闭，同时旋转滑杆，使发动机摇臂调整螺钉和气门连接，发动机进气气门正常工作，发动机恢复吸气→压缩→点火做功→排气的燃油工作模式。

说明书

以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机及使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机及使用方法，属于新能源气动发动机领域。

背景技术

[0002] 内燃机的出现极大的推动了人类社会的进步。但是，随着汽车飞快的走进了普通人家，能源问题和环境问题不断凸显，世界上的主要工业国家都开始并已经在新能源汽车领域取得了成果，我国在电动汽车和混合动力汽车领域也已经有了具有创新性成果，但是在压缩空气动力的气动汽车的研发上是刚刚起步。

[0003] 气动发动机是指使用压缩空气或者液氮作为动力来源，驱动汽车行驶，气动发动机由于其零排放等优点正日益得到人们的重视，但也存在储能密度较低和续驶里程较短的缺陷。传统内燃机虽然热效率较高，但是其燃烧产生的能量浪费巨大，内燃机热平衡研究表明，内燃机动力输出一般只占燃料燃烧释放总能量的30%-45%（柴油机）或20%-30%（汽油机），大约30%的能量被内燃机排气带走。如何回收利用内燃机废热也逐步成为人们研究的热点问题。

发明内容

[0004] 本发明提供一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机及使用方法，在原有发动机的基础上，增加了一套压缩空气系统和燃油-气动切换系统，利用压缩空气驱动发动机工作，降低了车辆尾气排放，同时保留发动机的燃油工作模式，通过对燃油尾气余热利用，提高了压缩空气的能量利用率，并且解决了单纯压缩空气汽车续驶里程不足的问题。

[0005] 本发明提供了一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，包括原装自然吸气发动机，其特征在于：还包括储气罐，压缩空气进排气机构，压缩空气开闭机构，发动机进气气门开闭机构，燃油尾气和压缩空气换热装置；

[0006] 在发动机缸头上增加压缩空气进排气机构，动力来自发动机自身的输出，通过在发动机配气链轮上并联一个24齿的大链轮，再通过链条带动12齿的小链轮，使发动机在气动模式下以二冲程方式工作；

[0007] 所述压缩空气进排气机构，包括上盖板、下盖板、配气滑块和驱动机构，上盖板和下盖板相对平行设置，所述配气滑块设置在上盖板和下盖板之间，配气滑块上设有进气通孔和排气槽，配气滑块上部连接驱动机构，在驱动机构作用下沿导槽上下滑动；驱动机构包括轴Ⅰ、偏心转盘、球头万向节，轴Ⅰ连接轴承，固定在轴承座上，轴Ⅰ由小链轮带动旋转，与发动机活塞的往复频率一致，偏心转盘上部设有通孔，轴Ⅰ穿过该通孔带动偏心转盘转动，偏心转盘下端设有带内丝扣的圆柱筒，球头万向节插入该圆柱筒内通过丝扣紧固连接，球头万向节的另一端连接配气滑块；

[0008] 所述配气滑块上有进气通孔和排气槽，所述上盖板上接通压缩空气后，配气滑块往复运动，进气孔和上下盖板的压缩空气进气口、发动机连通的进气口对正时，是气动发动机的进气行程，配气滑块的排气槽和下盖板的发动机连通进气口对正时，上盖板的压缩空气进气口被堵住，是气动发动机的排气行程。

[0009] 所述压缩空气开闭机构包括空心阀杆和安装在空心阀杆上可以使空心阀杆旋转360度的齿轮传动机构，空心阀杆一端为通孔，与下盖板的通孔连接，空心阀杆另一端为盲孔，杆壁上设有孔，该孔连接发动机的缸头孔；通过传动机构实现空心阀杆的开闭：所述空心阀杆的杆壁上的孔和发动机缸头孔对正时可以接通压缩空气，空心阀杆旋转180°后，其杆壁上的孔被封闭。

[0010] 所述发动机进气气门开闭机构包括凸轮轴、摇臂、导向块和滑杆、弹簧、进气气门。所述凸轮轴的转速是发动机曲轴转速的1/2，凸轮轴上的凸轮和摇臂一端接触，摇臂另一端和进气气门接触，摇臂随着凸轮轴的转动规律性的顶开进气气门，弹簧在整个过程中规律性的实现气门的关闭；所述滑杆安装在导向块的导向孔中，导向块固定在发动机缸头上；滑杆既可以沿着导向块上下滑动，也能以导向块上的导向孔为中心做0 30度的旋转，滑杆通~
过旋转可以连接发动机摇臂调整螺钉和气门，使发动机进气气门在燃油状态下正常工作；
也可以断开发动机摇臂调整螺钉和气门的连接，使发动机进气气门在气动状态下处于常闭状态。

[0011] 所述燃油尾气和压缩空气换热装置由U型管式换热器、电控压力表、电控开关组成；换热器的压缩空气入口连接储气罐，换热器的压缩空气出口连接上盖板的通孔；

[0012] 该装置是利用发动机燃油排放的尾气给压缩空气加热，通过将燃油尾气通入U型管换热器的壳层加热U型管换热器管层内的压缩空气；所述U型管换热器管层压缩空气的压力和温度通过传感器输出信号控制管路上的电磁阀的开闭来调节U型管换热器管层的压力，以及控制燃油-气动的切换时间。

[0013] 上述方案中，所述偏心转盘顶部设有定位螺栓，用于固定轴Ⅰ。

[0014] 上述方案中，所述传动机构包括大齿轮和小齿轮，小齿轮安装在轴Ⅱ上，大齿轮安装在空心阀杆上，大齿轮和小齿轮啮合，轴Ⅱ从下盖板边缘（不影响配气滑块工作的位置）通到上盖板，通过旋转上盖板外的轴Ⅱ部分带动空心阀杆的旋转，空心阀杆在大齿轮带动下能旋转180°，实现压缩空气与发动机缸头孔直接通路的开闭。

[0015] 上述方案中，所述燃油尾气和压缩空气换热装置，在发动机燃油工作时将高温尾气通过U型管式换热器的壳层上进气口进入，从壳层下出气口排出，发动机燃油工作时，U型管式换热器的管层内密闭2MPa压力的压缩空气，以便充分吸收壳层高温尾气的热量。换热器内气体状态变化近似满足状态方程：pV= mRT，根据查理定律，换热器内压缩空气体积不变，其温度每升高273K，压缩空气压强就增大1倍。当U型管式换热器的管层内密闭2MPa压力的压缩空气，温度从25℃升高到298℃时，压缩空气压强增大到4MPa。

[0016] 本发明提供一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机的使用方法，该混合动力发动机的工作模式由燃油到气动的切换如下：气动切换信号→旋转空心阀杆180°接通压缩空气，同时旋转滑杆使发动机摇臂空载运行，使进气气门处于常闭状态→切换完成。相反该混合动力发动机的工作模式由气动切换到燃油模式的过程，如下：燃油切换信号→旋转空心阀杆180°关闭压缩空气，同时旋转滑杆使发动机摇臂恢复工作状态。

[0017] 压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机工作分为燃油模式和气动模式两种工作模式交替进行：

[0018] （1）燃油工作模式是传统的四冲程汽油机工作模式，即为吸气（油气混合气）→压缩→点火做功→排气四个冲程：发动机在燃油模式下工作时，配气滑块在发动机动力的作用下作往复运动；此时空心阀杆杆壁上的孔被封闭，压缩空气不能进入气缸；发动机燃油尾气通入U型管换热器的壳层加热U型管换热器管层内的压缩空气；当管层压缩空气被加热到达到上临界温度时，通过传感器发出气动切换信号；

[0019] （2）通过传动机构旋转空心阀杆180°使其杆壁上的孔和发动机缸头进气口对正，同时旋转滑杆，使发动机摇臂调整螺钉和气门的连接断开，发动机进气气门处于常闭，发动机变成：压缩空气进气做功→配气滑块排气→压缩空气进气做功→配气滑块和发动机排气门同时排气的气动工作模式；当管层压缩空气温度降低到下临界温度时，传感器发出燃油切换信号；

[0020] （3）通过传动机构旋转空心阀杆180°使杆壁上的孔封闭，同时旋转滑杆，使发动机摇臂调整螺钉和气门连接，发动机进气气门正常工作，发动机恢复吸气→压缩→点火做功→排气的燃油工作模式。

[0021] 本发明在一个气缸上实现燃油和气动的两种工作模式，通过换热器吸收发动机燃油尾气排放的大约30%的能量，给压缩空气加热，提高压缩空气的可用能。由于压缩空气在气缸内膨胀做功是吸热过程，燃油和气动混合动力发动机在切换工作后发动机缸体不会产生过热现象。由于燃油工作模式是四冲程模式，而气动工作模式是二冲程模式，在相同的功率输出情况下，气动工作模式的进气压力可以降低2倍左右，气动发动机的工作压力越低，气瓶内压缩空气的利用率越高。

[0022] 本发明可通过对原有发动机的改造来实现：所述压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机保留了原四冲程汽油机系统，发动机缸头上加工一个压缩空气进气孔，通过关闭发动机进气气门，接通压缩空气使发动机实现利用压缩空气驱动的工作模式。当发动机在燃油模式下工作时，燃油产生的高温尾气通过换热器给压缩空气加热。当发动机切换成气动模式工作时，高温的压缩空气进入气缸膨胀做功，同时吸收缸壁的温度，压缩空气实现了效率最高的等温膨胀，利用发动机尾气，既提高了燃油的热利用率又实现了压缩空气的高效率热膨胀，在两种工作模式下，解决了纯气动发动机续驶里程不足的问题。

[0023] 本发明的有益效果：

[0024] （1）本发明设计了一套压缩空气配气机构，通过发动机缸头上的一个进气孔实现进排气两个功能而且互不影响：发动机缸头开孔降低了发动机燃油工作模式下的压缩比，但是通过空心阀杆的作用可以大大降低对压缩比的变化，使在缸头开了孔后，发动机在燃油状况下依旧有很好的动力性。

[0025] （2）压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，在燃油模式下工作是四冲程，切换成气动模式下工作是二冲程，二冲程相比四冲程在发动机排量相同的条件下，理论上二冲程发动机的输出功率是四冲程发动机的2倍。当发动机在气动模式下工作时，为了实现和燃油四冲程模式下相当的输出功率，气动发动机的进气压力就可以降低，这样可以最大化的利益气瓶内压缩空气的能量。

[0026] （3）该发动机在原装四冲程汽油机上改装，通过导向块和滑杆实现了发动机进气气门的开闭切换，而对于发动机的排气气门则没有做改动。由于气动发动机的工作特点，要求气动发动机的进排气要在短时间内完成，这样的设计使发动机在气动模式下工作时每四个冲程有一次排气是通过配气滑块的排气槽和发动机排气气门一起排气，这样就大大的降低了气动发动机由于排气阻力造成的能量损失。该发动机在一套成熟的发动机系统上实现了两种动力源的工作模式，具有很强的实用性。

[0027] （4）本发明通过U型管式换热器，利用燃油发动机的尾气余热对压缩空气加热，换热器内气体状态变化近似满足状态方程：pV= mRT，根据查理定律，换热器内压缩空气体积不变，其温度每升高273K,压缩空气压强就增大1倍。当U型管式换热器的管层内密闭2MPa压力的压缩空气，温度从25℃升高到298℃时，压缩空气压强增大到4MPa.。这样既提高了内燃机的燃油利用率，又解决了压缩空气在绝热膨胀情况下膨胀效率低的问题。燃油和压缩空气混合动力发动机相比内燃机和纯气动发动机有明显的高效率和节能减排的效果。

附图说明

[0028] 图1为本发明混合动力发动机的结构示意图（局剖）。

[0029] 图2为原装自然吸气发动机的结构示意图（局剖）。

[0030] 图3为压缩空气进排气过程示意图（剖视）。

[0031] 图中：1--轴承座 ；2-凸轮轴 ；3-轴承 ；4-轴承盖 ；5-轴Ⅰ ；6-小链轮；7-偏心转盘 ；8-链条Ⅰ ；9-配气链轮 ；10-球头万向节；11-螺钉 ；12-大链轮 ；13-下盖板；14-上盖板；15-配气滑块；16-轴Ⅱ；17-小齿轮；18-大齿轮；19-薄壁轴承；20-空心阀杆；21-推力轴承；22-缸头孔；23-链条Ⅱ；24-活塞；25-曲轴小链轮；26-换热器；27-储气罐；28-摇臂；29-气门调节螺钉；30-导向块；31-滑杆；32-弹簧；33-进气气门。

具体实施方式

[0032] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

[0033] 实施例：

[0034] 如图1 3所示，一种以压缩空气和汽油为动力源的混合动力发动机，包括原装四冲~程自然吸气发动机，储气罐，压缩空气进排气机构，压缩空气开闭机构，发动机进气气门开闭机构，燃油尾气和压缩空气换热装置。

[0035] 所述原装四冲程自然吸气发动机，包括活塞24、曲轴小链轮25，曲轴小链轮25和配气链轮9通过链条Ⅱ23链接，配气链轮9和大链轮12通过螺钉11固定在凸轮轴2上，凸轮轴2通过摇臂28顶开弹簧32，打开进气气门33，进气气门33和摇臂28的间隙通过气门调节螺钉29调节。

[0036] 所述压缩空气进排气机构包括轴承座1、轴承3、轴承盖4、轴Ⅰ5，其中轴Ⅰ5上装有小链轮6，小链轮6通过链条Ⅰ8和大链轮12连接，轴Ⅰ5上装有偏心转盘7，偏心转盘7上装有球头万向节10、球头万向节10和配气滑块15连接，配气滑块15介于上盖板14和下盖板13之间。偏心转盘7顶部设有定位螺栓，用于固定轴Ⅰ5。

[0037] 所述压缩空气开闭机构包括空心阀杆20、薄壁轴承19、推力轴承21、大齿轮18、小齿轮17，其中小齿轮17安装在轴Ⅱ16上，大齿轮18安装在空心阀杆20上，大齿轮18和小齿轮17啮合，轴Ⅱ16从下盖板13边缘（不影响配气滑块工作的位置）通到上盖板14；通过旋转轴Ⅱ16带动小齿轮17，从而带动大齿轮18实现空心阀杆20的旋转，空心阀杆20杆壁上的孔和发动机缸头孔22对正时，即接通压缩空气，空心阀杆20旋过180°即切断压缩空气进气；通过空心阀杆的旋转，实现压缩空气与发动机缸头孔直接通路的开闭。

[0038] 所述发动机进气气门开闭机构包括凸轮轴2、摇臂28、导向块30和滑杆31、弹簧32、进气气门33。所述凸轮轴2上的凸轮和摇臂28的一端接触，摇臂28另一端和进气气门33接触，摇臂28随着凸轮轴2的转动规律性的顶开进气气门33，弹簧32在整个过程中规律性的实现进气气门33的关闭。

[0039] 所述燃油尾气和压缩空气换热装置包括U型管式换热器26，换热器26有壳层进气口、壳层排气口、管层进气口、管层排气口四个进排气口，其中换热器26的管层进气口和储气罐27相连，换热器26的管层出气口和上盖板14相连，换热器26的管壳层进气口和发动机排气口相连。所述燃油尾气和压缩空气换热装置，在发动机燃油工作时将高温尾气通过U型管式换热器的壳层上进气口进入，从壳层下出气口排出，发动机燃油工作时，U型管式换热器的管层内密闭2MPa压力的压缩空气，以便充分吸收壳层高温尾气的热量。换热器内气体状态变化近似满足状态方程：pV= mRT，根据查理定律，换热器内压缩空气体积不变，其温度每升高273K，压缩空气压强就增大1倍。当U型管式换热器的管层内密闭2MPa压力的压缩空气，温度从25℃升高到298℃时，压缩空气压强增大到4MPa。

[0040] 本发明燃油-气动的混合动力发动机的具体实施过程为：

[0041] （1）发动机在燃油模式下工作时，空心阀杆20杆壁上的孔背对缸头孔22，滑杆31介于进气气门33和气门调节螺钉29之间使发动机排气气门可以随着摇臂正常开闭，此时发动机按照传统四冲程内燃机的吸气-压缩-点火膨胀-排气的模式工作。发动机在燃油模式下工作时，配气滑块15在驱动机构的作用下，作空载的往复运动。燃油排放的尾气通入U型管换热器26的壳层进气口为管层压缩空气加热。

[0042] 所述驱动机构的运行为：动力通过链条Ⅱ23从曲轴小链轮25传递到配气链轮9，配气链轮9和大链轮12相互作用，大链轮12通过链条Ⅰ8又传递到小链轮6；最终将动力传递到轴Ⅰ5上，从而通过偏心转盘7和球头万向节10，使配气滑块15发生上下位移。

[0043] （2）U型管换热器内设有压力和温度传感器，当管层压缩空气温度达到200℃压力达到4MPa时，通过旋转滑杆31，使发动机摇臂28和进气气门33之间没有支撑，进气气门33不能随着摇臂28的动作而开启，发动机进气气门33处于常闭，同时旋转轴Ⅱ16带动小齿轮17，从而带动大齿轮18和空心阀杆20旋转180°，使空心阀杆20杆壁上的孔和缸头孔22正对，压缩空气可以通过空心阀杆20进入发动机，推动活塞24做功。当配气滑块15移动到图3中的A状态时，压缩空气进入发动机；当配气滑块15移动到图3中的B状态时，压缩空气停止进入发动机，气体膨胀做功；当配气滑块15移动到图3中的C状态时，压缩空气排出发动机。发动机在气动模式下以进气-排气（通过配气滑块15排气）-进气-排气（通过配气滑块15和发动机排气门同时排气）的循环模式下工作。

[0044] （3）当U型管式换热器的管层压缩空气温度下降到10℃时，通过旋转滑杆31，使发动机摇臂28和进气气门33之间有支撑，气门33随着摇臂28的动作而开闭，发动机进气气门33恢复正常，同时旋转轴Ⅱ16带动小齿轮17，从而带动大齿轮18和空心阀杆20旋转180°，使空心阀杆20杆壁上的孔背对缸头孔22，切断了压缩空气。发动机切换成燃油模式工作。

[0045] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。