组合式柔性发动机 【技术领域】
本发明涉及一种发动机(内燃机)，尤其是一种能与计算机技术完美结合的、组合式的柔性发动机。
背景技术
现有发动机都是自身完成吸气和压缩功能的整体式发动机。从技术层面上来看，这种整体式发动机已十分优秀和完善。但是，由于它缺乏柔性、难以组织成最优化的工作模式，在“节能、减排”方面，已经难以取得长足的进展。面对“环保和能源”方面的巨大社会压力，需对发动机实施重大变革。
现有发动机在″节能、减排″方面难以取得长足进展的主要障碍是：
1.要大幅度提高燃油效率，就得大幅度的提高发动机的压缩比；但是″爆震″问题是无法逾越的障碍。
2.要大幅度降低有害排放物、降低废气中的NOx的含量，就得确保燃油充分的燃烧并大幅度降低气缸内混合气燃烧温度和燃烧温度的峰值(一般希望燃烧温度的峰值不超过1372℃)，但是、现有发动机根本无法很有效的控制混合气燃烧以及燃烧温度和燃烧温度的峰值。
【发明内容】
为了克服现有发动机在“节能、减排”方面的不足之处，本发明提供一种工作模式可以灵活组织的组合式柔性发动机。组合式柔性发动机的工作模式由ECU的监控软件所确定，ECU能有效的控制组合式柔性发动机在全工况内都运行于最佳状态。组合式柔性发动机的性能也随着ECU监控软件升级而提高。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
将现有发动机的吸气、压缩、做功、排气四行程拆开，将现有发动机的吸气、压缩任务交给空气压缩机(2)去独立完成；而将现有发动机的做功、排气工作留给高压内燃机(1)去完成；而且高压内燃机(1)的充气由ECU控制的液压伺服高压气门(22)独立完成，排气则由ECU控制的液压伺服高压气门(23)独立完成。这样一来发动机的各工作过程、及其工作状态都可单独调控了，因此，为ECU提供了一个柔性的环境。其中最重要是：让ECU能方便、灵活的为发动机全工况都组织好最优化的工作模式，并实施有效的控制。
组合式柔性发动机的基本工作方式是：
空气压缩机(2)或高压储气筒(17)输出的高压空气、被进气温度控制器(7)调温后，当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合形成均匀的燃油混合气，待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功。
在压缩行程中要避免″爆震″的关键问题是压缩过程中或接近压缩终了时缸内空气或可燃混合气的整体温度和局部温度都不得超过可燃混合气的自燃点温度；然而，压缩比越高在压缩过程中或接近压缩终了时缸内空气或可燃混合气的整体温度和局部温度都越高、越严重的超过可燃混合气的自燃点温度、″爆震″的倾向也愈大。
如果，不管压缩比有多高、都能将燃烧室中可燃混合气着火前的整体温度和局部温度都控制在不超过可燃混合气会发生″爆震″的温度；则发动机的压缩比将可大幅度的提高，并逾越″爆震″问题。
对于一给定量待燃烧的燃料，假定是绝热燃烧，最终的燃烧温度T3可计算如下：
T3＝T2+HC/Cv (1)
(式中，HC＝从燃料的燃烧中释放的热量，T2是燃烧室中可燃混合气着火前的温度，Cv是充入可燃混合气的热容量，即，可燃混合气质量乘以比热)。由于对于一给定量的燃烧燃料，HC是固定的，可用来控制T3的变量只是T2和Cv。如果Cv大，则T3将较小，如果T2大，则T3将很大。燃烧的燃料量又是所需扭矩的函数(成正比例)。
可燃混合气燃烧过程中污染物NO的形成率一般可以如下的简化形式表达：
其中：C1，C2，C3和C4是常数，[N2]是氮地浓度，[O2]是氧气的浓度，exp是一常数，以及T是可燃混合气燃烧的绝对温度。
由于温度在以上公式(2)内是一指数，可预料：对于给定的氮气和氧气的浓度，NO形成率随温度成指数地增长，该关系被广泛地认可。发动机燃烧时间一般为1到5毫秒内燃烧时间较短，所以，如果发动机燃烧温度可保持在约1645绝对温度(K)以下，则NO的形成率将极小。
综上所述：要解决″爆震″问题和NOx排放问题的关键都是必须可靠控制缸内和燃烧室中可燃混合气着火前的温度。对于这一点、现有发动机难以办到。然而组合式柔性发动机的吸气和压缩都不在高温的气缸中进行，其空压机输出的高压空气是经过进气温度控制器(7)预先调温后，直接喷入高压内燃机(1)的燃烧室内与同步喷入的雾状燃油均匀混合而不再被活塞压缩；所以，组合式柔性发动机的ECU则可实时“自适应”的控制燃烧室中可燃混合气着火前的温度。而实现在很高压缩比的条件下，有效的组织高压可燃混合气快速低温燃烧(在1645K以下)，获得很高燃油效率和近零排放。
本发明与现有发动机相比较，特别是用作汽车动力具有如下优点：
1.组合式柔性发动机能精确的控制燃烧室内高压可燃混合气着火前的温度，而有效的组织高压可燃混合气快速低温燃烧，因此，发动机可以有效地控制氮氧化合物(NOx)和一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)的排放，在环保方面的优势非常明显。
2.组合式柔性发动机能完全消除“爆震”其压缩比可以大大提高，而极大的提高燃油效率；
而且适用燃料的范围大大拓宽，可以使用低标号的车用汽油和廉价的车用燃料(含大量正庚烷)。
3.由于燃烧室内高压可燃混合气是平稳快速低温燃烧，燃烧气体和缸壁表面之间的温差ΔT小、流向缸壁的热量也小；发动机温升低无需专门冷却，热能不会被冷却剂带走而保留在燃烧气体内膨胀做功。喷入燃烧室内的高压空气温度不高，很快从较热的缸壁吸收热量而升温升压、回收以前流向缸壁的热能，参与做功。所以，组合式柔性发动机能量损失极小，而不像现有发动机将燃烧气体的大部分热量让冷却剂白白带走。
4.由于组合式柔性发动机采用空气压缩机预置高压燃油混合气的供给形式来代替理想气体动力循环中的等熵绝热压缩过程；因而，其能量密度可比现有发动机提高很多。
5.组合式柔性发动机的ECU能方便的根据负载所需功率大小“自适应”的调控燃烧室内可燃混合气充量、压力、温度以及空燃比；而避免大马拉小车的浪费现象。
6.喷入燃烧室内的高压空气温度不高而密度大，进入燃烧室内的空气密度与现有发动机相比将大幅度提高。而空气密度越大，功率越大，所以，与现有同排量的发动机相比其输出的功率大很多。组合式柔性发动机不是由高压空气内燃气缸来完成吸气和压缩，受高寒地区的低气压影响较现有发动机小：因此，也更适合高原地区使用。
7.现有发动机的先进技术都实用于组合式柔性发动机。组合式柔性发动机结构简单、制造工艺性好、完全适应现有发动机生产企业和现有空压机生产企业的工艺及技术装备、无特殊制造工艺要求和无需添置专用设备，造价低、维修简便，适用于各种类型的汽车，在汽车中应用其布局方便。
8.汽车需在短时急剧加速或爬坡时：发动机可直接由高压储气筒供气、而暂时不拖动空气压缩机、释放出空气压缩机所需的功率而直接用于汽车加速，从而获得很大的提升功率。
9.组合式柔性发动机特别适合于汽车需要频繁起步、变速的城市交通环境使用；在汽车处于轻载状况时：可以使发动机处于对应的最佳状态运行，同时用增加空气压缩机负荷的方式将发动机多余的动力转化成压缩空气储蓄至高压储气筒中。当汽车遇到红灯或需临时停车时：运行在最佳状态的发动机，将全力拖动空气压缩机对高压储气筒充气储能。
10.组合式柔性发动机特别适用于混合动力汽车：发动机所需的高压空气可直接由地面高压供气站将高压空气充入车载贮气罐内供发动机使用，以实现极大限度的降低燃油消耗和降低对空气的污染。同时、由于供气站充气的成本比车上用燃油动力充气的成本低很多、而大大的降低了汽车的运行成本。而且地面高压供气站可在电网处于供电低谷时段用电，使运行成本近一步降低并改善了电网的运行。组合式柔性发动机上的空气压缩机此时仅仅用于汽车减速、制动时回收汽车动能或续航备用。
11.发动机具备自起动功能可即时起动正常运转，无需苔速运转状态、也无需配套起动电机。
附图说明：
图1是本发明的系统结构示意图。
图中，1.高压内燃机，2.空气压缩机，3.曲轴，4.电磁离合器，5.单向阀，6.输气管道，7.进气温度控制器，8.进气管道，9.输气管道，10.电磁换向阀，11.输气管道，12.输气管道，13.顺序阀，14.输气管道，15.空气冷却器，16.输气管道，17.高压储气筒，18.气温、气压传感器，19.输气管道，20.电磁换向阀，21.输气管道，22.液压伺服高压气门，23.液压伺服高压气门，24.气温传感器，25.气温传感器，26.燃烧室气温、气压、氧传感器，27.高压内燃机综合传感器，SJX.数据线，KZX.控制线。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明组合式柔性发动机作进一步详细的说明。
组合式柔性发动机主要由高压内燃机(1)和空气压缩机(2)这两个主体；以及进气温度控制器(7)，高压储气筒(17)，电子控制器ECU、及传感器组件(18、24、25…)，等组合而成。其中高压内燃机(1)是由现有缸内直喷(或普通进气道喷射)火花点火式汽油机的基础上改造而成；主要的改造工作是将一个由ECU控制的液压伺服高压气门(22)和一个由ECU控制的液压伺服高压气门(23)去取代现有发动机的凸轮轴系统和进、排气门。其二、空气压缩机(2)为现成商品；推荐选用重庆大学设计的那种变壁厚高压缩比涡旋压缩机。其三、进气温度控制器(7)可选用变频热泵辅助调温。其四、电子控制器ECU存储有大量的以实验数据和经练数据为依据的监控程序、供ECU自适应选择性调用；ECU负责采集各传感器组件(18、24、25…)的检测数据，并为高压内燃机(1)的燃烧室内组织最佳的可燃混合气温度、空燃比、压力及可燃混合气充量，以及排气、充气、点火正时控制。
第一实施例
高压内燃机(1)通过曲轴(3)上的电磁离合器(4)拖动空气压缩机(2)，空气压缩机(2)输出的高压空气、依次经过单向阀(5)、输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)排气行程结束、转向做功行程时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量高速喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)正时开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)活塞又向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；高压内燃机(1)便完成一次工作循环。
第二实施例
组合式柔性发动机冷起动时：高压储气筒(17)输出的高压空气、依次经过输气管道(19)、电磁换向阀(20)、输气管道(21)、输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)先按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；然后ECU将过上止点TDC最近的那个气缸的液压伺服高压气门(23)关闭，调温后的高压空气经过进气管道(8)由ECU控制的液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，电火花点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)活塞又向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；高压内燃机(1)便转入正常工作循环。
第三实施例
组合式柔性发动机的负载负荷临时增大、需临时征用空气压缩机(2)所用的那部分负荷时：ECU控制电磁离合器(4)脱开空气压缩机(2)；组合式柔性发动机工作循环由高压储气筒(17)供气，高压储气筒(17)输出的高压空气、依次经过输气管道(19)、电磁换向阀(20)、输气管道(21)、输气管道(6)、进入进气温度控制器(7)，进气温度控制器(7)将按ECU预定值将输入的高压空气进行温度调制；当高压内燃机(1)活塞向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；调温后的高压空气经过进气管道(8)、由ECU控制的液压伺服高压气门(22)按ECU预定的充量喷入高压内燃机(1)的燃烧室与由ECU控制的压电式喷嘴(图1中未标示)同步喷入燃烧室的雾状燃油迅速混合、形成均匀的燃油混合气，并且燃油混合气在燃烧室内迅速吸收缸内余热而升温升压提高易燃性；待电火花正时点火、燃油混合气燃烧膨胀做功；当高压内燃机(1)活塞向下移动到下死点附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)正时开启、高压内燃机(1)做功行程结束而进入排气行程；当高压内燃机(1)活塞又向上移动到上止点TDC附近时，由ECU控制的液压伺服高压气门(23)关闭，排气结束；高压内燃机(1)便完成一次工作循环。
本发明不局限于所示的实施例，在所附权利要求的范围内可以进行各种变型。以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，作出的其它实施例，均应属于本发明的保护范围。