专利名称：复合循环车用动力系统的制作方法
技术领域：
本发明属于车用动力技术领域，具体涉及一种内燃机动力和压縮空 气动力的双动力源、并利用发动机废热的混合动力汽车驱动系统。
背景技术：
随着人们生活水平的提高，汽车得到广泛地应用，汽车保有量逐年 增加，随之而来的汽车能耗和污染问题备受关注。普通内燃机式汽车发动机能耗较高，在最佳工作工况时，其热效率可以达到30%以上；而在 城市工况运行时，即使采用具有较高传动效率的机械传动方式时，汽车 整车热效率也常会低于10%，即使是汽车在最省油车速行驶时，其发动 机一般也是运行在偏离最高效率的工况。内燃机式汽车发动机的尾气排 放污染问题非常突出。压縮空气动力汽车尾气排放为零，但是对复杂工 况适应性较差，且需要配备高压储罐，系统较复杂。现在正在研究中的 内燃机、蓄电池式混合动力汽车，驱动和控制系统复杂，整车性能受制 于车用电池因素的制约，电池本身还存在严重的二次污染问题。发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有油耗低、排放 少，可采用不同动力源进行驱动，可实现制动能和尾气热量回收，有效 提高效率，同时降低尾气温度，便于尾气净化处理，自动控制易于实现， 且结构紧凑的 一种复合循环车用动力系统。本发明的技术方案是本发明包括发动机、空气压缩机、储气筒、 废气换热器、涡轮机、离合器、中央控制机构、底盘(在汽车工业中， 底盘是指包括传动系、行驶系、转向系、制动系四部分的整个系统)，空
气压缩机在储气筒之前，储气筒在废气换热器之前，废气换热器在涡轮 机之前，发动机与空气压縮机通过离合器连接，空气压縮机与储气筒连 接，发动机、储气筒均与废气换热器连接，废气换热器的压縮空气出口 与涡轮机连接，发动机、涡轮机均通过离合器与汽车传动系统连接，空 气压縮机与涡轮机通过离合器连接。本发明的有益结果是本发明油耗低、排放少，可以保持内燃式发 动机保持在效率较高的工况，采用两种动力源的多种组合方式进行驱动， 回收了制动能和尾气废热，有效提高了驱动系统的效率，逻辑控制易于 实现，可在现有的前轮驱动和四轮驱动车辆上实现。
图l本发明原理示意图。
具体实施方式
现结合附图l作进一步说明。本发明包括发动机1、空气压縮机2、储气筒3、废气换热器4、涡轮机5、离合器6、中央控制机构7、底盘8。 发动机1与空气压缩机2之间、发动机1与底盘8之间、涡轮机5与底盘 8之间、空气压縮机2与底盘8之间，分别采用数个离合器6进行连接， 空气压缩机2与储气筒3连接，发动机l、储气筒3均与废气换热器4连 接，废气换热器4与涡轮机5连接，空气压縮机2与涡轮机5连接。整个动力系统可分为顶循环动力系统和底循环动力系统顶循环动 力系统是发动机l， 一般为高性能内燃机；底循环动力系统由空气压縮机 2、储气筒3、废气换热器4、涡轮机5、中央控制机构7等构成。顶循环 动力系统和底循环动力系统并联在车辆底盘8上，都通过离合器6与底 盘8相连，并输出功来驱动汽车。底循环动力系统中空气压縮机2可由 发动机1通过离合器6带动；也可以在车辆制动时通过底盘8传动系中的 驱动轴通过第一离合器6反拖来带动，回收车辆制动能；涡轮机5转动 时，始终有部分轴功用来带动空气压縮机2。蓄热式废气换热器4回收顶 循环系统中发动机1的尾气废热，加热来自储气筒3的压縮空气，压縮 空气通过涡轮机5膨胀做功，涡轮机5的输出功通过离合器6向底盘8等
提供动力。关于制动能回收的技术，传统汽车制动时，其自身的惯性能在制动 器内转化为大量的热能耗散到大气中，在当前能源供应紧张的情况下， 对制动能加以利用可以降低耗油量以及减小污染。国内外许多研究机构 也进行了一定的研究。目前已有的回收制动能的方式有机械储能、液 压储能、电储能等。只有在制动减速度小于3m/s2，大于制动系统不工作 时滑行减速度的情况下，制动能才可以被回收。本说明书中所述及的回 收制动能均指的是回收该部分的制动能。据分析，大于80%的净制动能 量可以被回收利用(见《北京市区电动轻型客车制动能量回收潜力》，机械工程学报，2005年第12期)。本发明回收制动能的方法是底盘8中 的传动系统通过离合器6与空气压縮机2相连，制动时第一离合器6传递 扭矩，使得传动轴带动空气压縮机2转动，相当于空气压缩机2给底盘8 的传动系一定的阻力，达到制动减速的效果。其原理是将汽车的惯性能 转化为压縮空气的压力能，储存在储气筒3内，该压力能最终体现在涡 轮机5的做功能力上，即在同样耗油量下，提高了行驶里程，起到降低 油耗的作用。本发明通过中央控制机构7控制离合器6连接和断开的方式，顶循 环动力系统和底循环动力系统可以单独地或共同地向底盘8提供动力。 在不同工况下，可以采用多种组合驱动方式当储气筒3中高压空气储 量较少时，单独采用顶循环动力系统驱动，发动机1起动，动力通过离 合器6传到底盘8 —般在汽车中，发动机输出扭矩给离合器，离合器连 接变速器，通过变速器转速降低的同时扭矩增大，变速器再带动驱动轴 旋转，驱动轴再通过驱动桥、万向节、差动器等将扭矩传递给车轮；(本 说明书为了突出不同点并避免冗叙，将目前汽车工业上视为惯例的连接 方式省略，但是在发明的实施上，依然要按照汽车工业惯例执行。下面 将要提到的空气压缩机与底盘的连接、涡轮机与底盘的连接均和发动机 与底盘的连接相似)在制动时，底盘8传动系的传动轴作为主动轴与第 一离合器6相连，第一离合器6的从动轴与空气压縮机2连接，拖动空气压縮机2，将惯性能转换为压縮空气能，达到制动目的，回收了部分制动 能来压縮空气，此时发动机1和涡轮机5均不对底盘8提供动力；在低负 荷要求状态下，让发动机1处于较高效的工作状态， 一部分动力通过离合器6传到底盘8，另一部分动力输送给空气压縮机2来制造压縮空气并 存入储气筒3中，同时储气筒3向外输出压縮空气，气体经过废气换热 器4吸热后进入涡轮机5做功，涡轮机5输出的动力通过离合器6传到底 盘8;在爬坡或超车等高负荷要求状态下，发动机1与空气压縮机2之间 的离合器6断开，发动机1停止给空气压縮机2传递动力，仅传递动力到 底盘8，涡轮机5利用储气筒3中的压縮空气做功，也同时传递动力到底 盘8，顶循环系统和底循环系统同时给底盘8提供动力，以获得大扭矩或 者高转速；在对排放要求特别严格的特殊场合，比如城市中心、重点旅 游区、自然保护区，顶循环系统停止使用，即关闭发动机l，仅利用储气 筒3中的高压空气为涡轮机5提供动力，情形和压缩空气动力汽车相同。 多种驱动方式的组合，以及各部件的运转状态、启停，都靠中央控制机 构7来实现。本发明的一个实施例是汽车底盘8上布置着发动机1、空气压縮机 2、储气筒3、废气换热器4、涡轮机5、离合器6、中央控制系统7。直 接给底盘8提供驱动力的分别是顶循环系统中的发动机1和底循环系统 中的涡轮机5。发动机l通过燃烧液体燃料提供动力；涡轮机5的动力来 源是由空气压縮机2压縮并储存在储气筒3中的高压空气，经过废气换 热器4吸热后成为高温高压空气，再在涡轮机5中膨胀做功的。为了提 高本发明的循环系统效率，顶循环系统与底循环系统之间有如下连接 发动机1尾气排到废气换热器4内，并在其中与高压空气换热，提高高 压空气的温度，增强其做功能力，回收尾气废热。为了提高本发明的循 环系统效率，底盘8与底循环系统之间有如下连接底盘8的传动系通 过第一离合器6与空气压縮机2连接，制动时第一离合器6传递扭矩，使 得传动轴带动空气压縮机2转动，相当于空气压縮机2给底盘8的传动系 一定的阻力，达到制动减速的效果，并回收了制动能。为了在提高本发 明的循环系统效率的同时提高工况适应性，有如下连接顶循环系统与 底循环系统并联在底盘8上，并且都为底盘8提供驱动力，根据不同工 况，由中央控制系统7调节顶循环系统和底循环系统对底盘8输出驱动 力的分配，尽量保持发动机1和涡轮机5都工作在最高效率区域或接近
最高效率区域，也就是保持进入发动机1的液体燃料量、发动机1的转速、进入涡轮机5的压缩空气流量、进入涡轮机5的压縮空气压力这些 指标保持在一定范围内。根据循环系统未来应用产品的设计输出功率，以及所选用涡轮机的 最高效率工作区域综合考虑，可以在设计应用产品时选用多个涡轮机5， 保证每个涡轮机5都工作在高效区域。本发明在结构上需要若干离合器6，而离合器6在汽车工业中使用非 常普遍，对系统整体结构的复杂性增加不大。
权利要求
1.一种复合循环车用动力系统，它包括发动机(1)、离合器(6)、底盘(8)，其特征是还设有空气压缩机(2)、储气筒(3)、废气换热器(4)、涡轮机(5)、中央控制机构(7)；其中发动机(1)与空气压缩机(2)之间、发动机(1)与底盘(8)之间、涡轮机(5)与底盘(8)之间、空气压缩机(2)与底盘(8)之间，分别由数个离合器(6)进行连接，其中定义空气压缩机(2)与底盘(8)之间的为第一离合器(6)；空气压缩机(2)与储气筒(3)连接，发动机(1)、储气筒(3)均与废气换热器(4)连接，废气换热器(4)与涡轮机(5)连接，空气压缩机(2)与涡轮机(5)连接；中央控制机构(7)通过传感器分别与发动机(1)、空气压缩机(2)、储气筒(3)、涡轮机(5)相连。
2、 根据权利要求1所述的车用动力系统，其特征是所述发动机 (1)与空气压缩机(2)之间的离合器(6)，是可断开式连接。
3、 根据权利要求1所述的车用动力系统，其特征是发动机(1) 尾气在废气换热器(4)内与压缩空气换热，回收了尾气废热。
4、根据权利要求1或2所述的车用动力系统，其特征是底盘(8) 上的驱动轴通过第一离合器(6)在制动时反拖带动空气压縮机(2)， 回收部分制动能。
全文摘要
一种复合循环车用动力系统，属于车用动力技术，涉及一种内燃机动力和压缩空气动力的双动力源、并回收制动能和发动机尾气废热的复合循环车用动力系统。它包括发动机、空气压缩机、储气筒、废气换热器、涡轮机、离合器、中央控制机构、底盘。发动机与空气压缩机之间、发动机与底盘之间、涡轮机与底盘之间、空气压缩机与底盘之间，分别采用数个离合器进行连接，空气压缩机与储气筒连接，发动机、储气筒均与废气换热器连接，废气换热器与涡轮机连接，空气压缩机与涡轮机连接。中央控制系统对整个驱动系统进行控制。本发明的有益结果是油耗低、污染小，提高了驱动系统的效率，且逻辑控制易于实现，适用于新型车用动力系统的开发和传统车用动力系统的改造。
文档编号B60K6/12GK101209663SQ20061016974
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者孟广军, 曲延涛, 冰 梁, 俊 王, 袁怡祥, 赵钢炜 申请人:中国科学院工程热物理研究所