專利名稱：高效集成式熱機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶組合式熱功轉(zhuǎn)換過程的高效率熱機(jī)，尤其是集成了多種做功沖程和多種工 質(zhì)的熱機(jī)。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃機(jī)發(fā)明于1876年，其典型四沖程往復(fù)式活塞結(jié)構(gòu)迄今為止仍然是主要的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié) 構(gòu)?，F(xiàn)代汽油內(nèi)燃機(jī)的燃油轉(zhuǎn)換效率為25%至30%。這意味著僅僅有25%至30%的燃油能量被 轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其余部分則以摩擦和熱量的形式而被損失掉了。由于世界上有成千上萬的內(nèi) 燃機(jī)在運(yùn)行，內(nèi)燃機(jī)燃油轉(zhuǎn)換效率的改進(jìn)將對(duì)能源消耗、燃油經(jīng)濟(jì)、燃油儲(chǔ)備、對(duì)進(jìn)口石油 的依賴和環(huán)境保護(hù)帶來巨大影響。
內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放造成空氣污染。成千上萬車輛所排放的廢氣與陽光和水蒸氣相互作用 產(chǎn)生溫室效應(yīng)。盡管各級(jí)政府都在制定反污染法案，各汽車生產(chǎn)廠家也在設(shè)計(jì)新型的低排放 車輛，石油公司也在改變?nèi)剂系呐浞揭允沟萌紵鼮榍鍧?，但是車輛排廢所造成的污染依舊 是重大的環(huán)境問題。
內(nèi)燃機(jī)廢氣的主要成分之一是二氧化碳。這是引起溫室效應(yīng)(全球變暖)的原因。不斷 增加的二氧化碳含量將吸收太陽的熱量從而使得大氣溫度上升，引起氣候模式的惡化，甚至 導(dǎo)致極地冰冠融化，海水平面上升。
降低二氧化碳排放的唯一方法是采用效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)，以減少石油的燃燒。即便是當(dāng) 我們進(jìn)入生物燃料和/或替代燃料的時(shí)代，甚至最終進(jìn)入氫燃料時(shí)代，提高燃料轉(zhuǎn)換效率， 降低燃料消耗，仍然是一個(gè)戰(zhàn)略性的重要課題。因?yàn)樵谶@個(gè)世界上既沒有不要錢的燃料，也 沒有免費(fèi)的能源。
我們期待著一種具有更高燃油轉(zhuǎn)換效率的新型熱機(jī)，來滿足當(dāng)今對(duì)減少石油消耗、減少 溫室氣體排放和降低燃燒廢氣排放的急切需求。
盡管在過去100年間人類堅(jiān)持不懈的努力，內(nèi)燃機(jī)的燃油轉(zhuǎn)換效率從理論到實(shí)踐始終都 沒有重大改進(jìn)。過去一直被學(xué)術(shù)界普遍看好的內(nèi)燃機(jī)均質(zhì)壓燃(HCa)的理念經(jīng)過多年研究， 進(jìn)展盛少，幾近無效。近來又有權(quán)威學(xué)者推出與此背道而馳的非均質(zhì)燃燒的理念，這實(shí)際上 就是對(duì)多年來均質(zhì)壓燃理念的全盤否定。內(nèi)燃機(jī)在基礎(chǔ)理論上的南轅北撤， 一波三折，導(dǎo)致 了它在實(shí)踐上的無所作為，百年不變。
然而，改善熱機(jī)的燃料轉(zhuǎn)換效率并不是不可能。在19世紀(jì)，效率為6%至7%的蒸汽機(jī)已 經(jīng)算是高效。直到20世紀(jì)中葉，時(shí)值蒸汽機(jī)即將被內(nèi)燃機(jī)取代，法國機(jī)械工程師安德烈*錢 皮隆(Andre Chapelon)從熱力學(xué)的角度對(duì)蒸汽機(jī)進(jìn)行改造，通過復(fù)合式氣缸和超級(jí)再熱的 方法把蒸汽機(jī)的效率提高到了13%。這是個(gè)使熱機(jī)效率翻倍的歷史事實(shí)。20世紀(jì)末的現(xiàn)代綜 合熱電廠，利用組合式熱功轉(zhuǎn)換過程可以獲得高達(dá)60%的綜合熱效率。在這種組合式熱功轉(zhuǎn) 換過程中，不同的工質(zhì)用來驅(qū)動(dòng)不同的做功過程，從而獲得把每個(gè)做功過程組合起來的綜合熱效率。這又是一個(gè)能夠把現(xiàn)今傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)30%效率再翻一番的有利證據(jù)。
所有上述線索都將有助于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油轉(zhuǎn)換效率的改善。基于這樣一種創(chuàng)造性的思維，我
們可以預(yù)見到由此帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。21世紀(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)革命正在向我們招喚。
早在1954年，瑞士發(fā)明家漢斯.羅巴克(Hans Rohrbach)就在其美國第2，671，311號(hào) 專利中公開了具有燃燒室流體注入的六沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。該六沖程發(fā)動(dòng)機(jī)基于傳統(tǒng)的四沖程發(fā)動(dòng) 機(jī)，在排氣沖程完成之后對(duì)燃燒室進(jìn)行流體注入，.從而引發(fā)蒸汽膨脹與蒸汽排氣兩個(gè)附加沖 程。這種額外的蒸汽膨脹做功沖程勢必帶來熱效率的增益。該發(fā)明甚至還帶有對(duì)廢蒸汽排放 進(jìn)行回收的機(jī)外冷凝循環(huán)裝置。其光輝的多工質(zhì)組合式熱功轉(zhuǎn)換過程設(shè)計(jì)思想非常值得借鑒。 可惜該發(fā)明至今都未能得到實(shí)施。
直到2006年，美國發(fā)明家布魯斯*克羅爾(BmceCrower)首次在物理上實(shí)現(xiàn)了具有燃 燒室流體注入的六沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的樣機(jī)，并將該技術(shù)刷新為美國專利申請(qǐng)第2007/0022977號(hào)。 據(jù)稱這種采用燃燒室流體注入的六沖程結(jié)構(gòu)能夠獲得40y。的效率增益。
美國發(fā)明家卡米羅 史古德利(Carmeto Scuderi)的中國發(fā)明專利第ZL02814537.2號(hào) (美國同等相關(guān)專利第6,543,225號(hào))披露了一種具有分裂沖程的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)明利 用雙聯(lián)式氣缸結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的四沖程一分為二，旨在改善空氣一燃油混合氣燃燒膨脹的相位角， 以使之與機(jī)械力矩相位角相吻合。該發(fā)明雖然具有雙聯(lián)式氣缸結(jié)構(gòu)，但并不具備復(fù)合式二次 燃燒膨脹的機(jī)理。該發(fā)明在形式上如同一種帶有超級(jí)增壓泵的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種帶組合式熱功轉(zhuǎn)換過程、尤其是集成了多種做功沖程和多種 工質(zhì)的高效率熱機(jī)。
本發(fā)明所述的高效集成式熱機(jī)具有-
雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)，其中的雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)至少包含一對(duì)雙聯(lián)氣缸，即第一氣缸 和第二氣缸，它們同時(shí)被集成在同一汽缸體之中，并相互靠近，第二氣缸的容積大于第一氣 缸，兩個(gè)氣缸中軸線的夾角為0度至200度，第一氣缸為空氣一燃油混合氣的一次燃燒/膨脹 氣缸，第二氣缸為空氣--燃油混合氣的二次燃燒/膨脹氣缸，同時(shí)第一氣缸還為蒸汽的一次膨 脹氣缸，第二氣缸為蒸汽的二次膨脹氣缸；
所述的第一氣缸包含第一活塞及其連桿，第一氣缸的頂端至少裝有一具儲(chǔ)氣閥門、充氣
閥門、火花塞以及流體注入器，儲(chǔ)氣閥門與壓縮空氣存儲(chǔ)容器相連通；所述的第二氣缸包含 第二活塞及其連桿，第二氣缸的頂端至少裝有一具增壓閥門、進(jìn)氣閥門以及火花塞，進(jìn)氣閥 門與空氣濾清器或空氣入口相連通；第一氣缸與第二氣缸的燃燒室中都至少裝有一具缸內(nèi)催 化金屬網(wǎng)；
所述第一氣缸中的第一活塞與第二氣缸中的第二活塞通過連桿與曲軸相互交連，兩個(gè)活 塞在曲軸上相互交連的曲軸旋轉(zhuǎn)角度差為0度至270度；
所述第一氣缸與第二氣缸之間至少裝有一具缸間傳輸閥門，其第二氣缸與排氣口之間至 少裝有一具排氣閥門，缸間傳輸閥門和排氣閥門可以是塞柱式閥門，也可以是其它形式的閥 門；在所述增壓閥門的出口處裝有蒸發(fā)式中間冷卻器和噴射式增壓泵，增壓閥門的出口與蒸 發(fā)式中間冷卻器的入口相連接，蒸發(fā)式中間冷卻器的出口與噴射式增壓泵的出口相連接，噴 射式增壓泵的出口則連通到充氣閥門的入口處，蒸發(fā)式中間冷卻器還起到對(duì)壓縮空氣的中間 暫時(shí)存儲(chǔ)的作用；
在蒸發(fā)式中間冷卻器的內(nèi)壁上安裝燃油噴射器，燃油被定時(shí)定量地噴射到蒸發(fā)式中間冷 卻器中；
具有環(huán)繞于雙聯(lián)復(fù)合式氣缸外圍的使得兩個(gè)氣缸溫度均勻的勻熱水套，載熱流體在勻熱 水套中循環(huán)流動(dòng)，勻熱水套內(nèi)部具有斜向?qū)Я鳒喜叟c導(dǎo)流傳熱柵條，以便實(shí)現(xiàn)載熱流體無源 自然對(duì)流循環(huán)，也可以在載熱流體循環(huán)回路的低溫區(qū)段加裝循環(huán)泵來實(shí)現(xiàn)有源強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)；
所述雙聯(lián)復(fù)合式氣缸的缸體為絕熱材料所覆蓋，其活塞腔體有絕熱材料填充。
本發(fā)明為一種帶組合式熱功轉(zhuǎn)換過程的高效率集成式熱機(jī)，簡稱為HEIHE。 HEIHE由多
種工質(zhì)膨脹所驅(qū)動(dòng)的多種做功沖程在熱機(jī)中被集成為一體。這些不同的工質(zhì)包括空氣一燃油 混合氣、蒸汽和空氣混合式制動(dòng)能量再生模式下的壓縮空氣。雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)為三種不 同工質(zhì)的膨脹提供了場所，并且能夠捕獲工質(zhì)排放和制動(dòng)過程所損失的能量。這種結(jié)構(gòu)使得
HEIHE能夠工作在由十二個(gè)沖程所組成的六個(gè)工作周期中。在這六個(gè)工作周期中，有四個(gè)周 期包含了四種不同的做功沖程，但僅有一種做功沖程消耗燃油。所以，燃油轉(zhuǎn)換效率就能夠 大為提高，甚至是比普通內(nèi)燃機(jī)(ICE)翻一番。
HEIHE機(jī)的組合式熱功轉(zhuǎn)換過程中包含下列四種做功沖程
一次空氣一燃油做功沖程——在第一氣缸中的一次空氣一燃油的燃燒與膨脹，這是與 普通內(nèi)燃機(jī)相同的基本做功沖程； . 二次空氣一燃油做功沖程——在第二復(fù)合氣缸中的二次空氣一燃油的燃燒與膨脹； 一次蒸汽做功沖程——在第一氣缸中的一次蒸汽產(chǎn)生與膨脹； 二次蒸汽做功沖程——在第二復(fù)合氣缸中的二次蒸汽膨脹。
多種工質(zhì)包括空氣一燃料燃燒產(chǎn)物、蒸汽以及空氣混合式制動(dòng)能量再生模式下的壓縮空氣。
除了上面四種做功沖程之外，下面一些效率改進(jìn)措施也被集成到了 HEIHE之中
取消冷卻系統(tǒng)由于燃燒室流體注入的內(nèi)部冷卻效應(yīng)以及雙聯(lián)氣缸勻熱水套的外部勻熱 效應(yīng)，對(duì)于常規(guī)內(nèi)燃機(jī)必不可少的冷卻系統(tǒng)就不再需要了。其中的載熱流體既可以采用常規(guī) 水質(zhì)冷卻液，也可以采用耐熱的導(dǎo)熱油料，例如硅油、礦物油甚至發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油。因此就能 夠減少散熱器和水泵的重量，也可以消除水泵對(duì)于機(jī)械功率的消耗。
廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV) : EAV是由廢氣的氣動(dòng)壓力所驅(qū)動(dòng)的廢氣排放閥門，它并不消耗 發(fā)動(dòng)機(jī)的的機(jī)械功率，而是利用了廢氣中的剩余能量。
噴射式超級(jí)增壓在某個(gè)工作過程中，第二氣缸可以被用來作為活塞式空氣壓縮機(jī)，以
通過一個(gè)中間空氣存儲(chǔ)容器來把新鮮空氣增壓到第一氣缸之中。空氣存儲(chǔ)容器中的增壓空氣 可以被用來驅(qū)動(dòng)噴射泵，在壓縮空氣沖向第一氣缸之際，就能夠把更多的涼爽新鮮空氣送入 第一氣缸。壓縮空氣通過噴射泵噴射時(shí)所產(chǎn)生的膨脹還能夠起到降溫的作用。蒸發(fā)式中間冷卻器蒸發(fā)式中間冷卻器可以安裝于雙聯(lián)復(fù)合式氣缸之間，上述空氣存儲(chǔ) 容器同樣也將起到蒸發(fā)式中間冷卻器的作用。在增壓沖程中，液體燃料將被定時(shí)定量地注入 到蒸發(fā)式中間冷卻器中。于是燃料就在蒸發(fā)式中間冷卻器中進(jìn)行蒸發(fā)，從而吸收壓縮空氣所 產(chǎn)生的熱量，這種熱量反過來又促使更多的燃油蒸發(fā)成為空氣一燃油混合氣。這種加熱的蒸 發(fā)再加上噴射泵過程將導(dǎo)致均勻而細(xì)膩的空氣一燃油混合氣。
通過壓縮空氣進(jìn)行的制動(dòng)能量再生(空氣混合式動(dòng)力)在車輛的減速和/或制動(dòng)過程中 HEIHE將工作在空氣壓縮機(jī)模式(AC)，把車輛的動(dòng)能分別轉(zhuǎn)換成為氣動(dòng)能量和熱能分別存
儲(chǔ)起來。在車輛的加速和/或者起步過程中，HEIHE將工作于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)， 把所存儲(chǔ)的氣動(dòng)能量和熱能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械動(dòng)力，以便驅(qū)動(dòng)車輛。這使得車輛省去了發(fā)動(dòng)機(jī)的 起動(dòng)機(jī)和起動(dòng)電源。
另外還有一些改善效率的措施被集成到HEIHE之中
缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)
在第一氣缸中，安裝在氣缸內(nèi)的催化金屬網(wǎng)被用來增強(qiáng)蒸汽在燃燒室高溫下裂解成為氫 氣和氧氣的過程，并且還促進(jìn)未燃燒碳?xì)浠衔锏恼羝炎兒?或蒸汽氫裂變過程。所有這些 裂變過程都將導(dǎo)致含有熱能的可燃性氣體的增加。
在第二氣缸中，安裝在氣缸內(nèi)的催化金屬網(wǎng)被用來促進(jìn)空氣一燃油混合氣及其廢氣的二 次燃燒，或者是用來促進(jìn)廢氣在新鮮空氣中的進(jìn)一步氧化，以降低廢氣排放，并捕獲空氣一 燃油混合氣及其廢氣的二次燃燒所釋放的熱能。其第二氣缸將可用作特殊的帶有催化轉(zhuǎn)換媒 體的熱反應(yīng)器，用以消除或減少一次空氣一燃油燃燒所產(chǎn)生的廢氣污染物。在上述第一氣缸 中所發(fā)生的所有裂變過程在溫度允許的情況下，都有可能在第二氣缸中重復(fù)發(fā)生。
分段燃燒。分段燃燒可以通過對(duì)雙聯(lián)復(fù)合式氣缸施加先濃后稀的不同的空氣一燃油混合 比來加以實(shí)現(xiàn)。這有助于提高燃油的燃燒效率，并有助于降低廢氣排放。
環(huán)繞于氣缸外圍的水套可以用做工質(zhì)的超級(jí)加熱器，以便對(duì)將要注入氣缸的工質(zhì)進(jìn)行預(yù) 熱，同時(shí)還可對(duì)氣缸進(jìn)行冷卻。
發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的絕熱及活塞腔體的絕熱。這將有助于減少從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體所喪失的熱能。
熱能回收。利用熱交換器來吸收制動(dòng)能量再生時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮所產(chǎn)生的熱能，并將載 有熱能的工質(zhì)存儲(chǔ)在真空絕熱的儲(chǔ)熱箱中以備后用。
微型計(jì)算機(jī)以現(xiàn)有的弱電方式與本發(fā)明高效集成式熱機(jī)中的無凸輪電磁驅(qū)動(dòng)閥門相連
接，以控制無凸輪電磁驅(qū)動(dòng)閥門的啟閉。這種結(jié)構(gòu)的閥門將有助于無限制的可變閥門定時(shí)， 從而使得本專利所披露的HEIHE能夠通過編程來實(shí)現(xiàn)密勒過程(Miller Cycle)和/或阿金森 過程(Atkinson Cycle)，甚至是其它改善效率的過程。這種由微型計(jì)算機(jī)控制的閥門同樣也 可以把HEIHE配置成為AC模式或者CAE模式來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再生。
因此，可以預(yù)期高效集成式熱機(jī)，即HEIHE機(jī)將會(huì)對(duì)未來的車輛和動(dòng)力設(shè)備帶來巨大的 社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，并為消費(fèi)者提供價(jià)廉物美且節(jié)能減排的動(dòng)力機(jī)械。毫無疑問，本項(xiàng)發(fā) 明必將對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)帶來革命性的變革。
不言而喻，前面的概述以及后面的詳述都是示范性以及解釋性的文字?jǐn)⑹?。然而?duì)于一項(xiàng)專利發(fā)明而言，僅僅靠文字?jǐn)⑹鲭y免缺乏約束能力。本專利說明書所附帶的設(shè)計(jì)圖紙，是 本專利說明書中至關(guān)重要并且不可分割的組成部分。它們與文字?jǐn)⑹鲆黄鹈枥L出本發(fā)明的實(shí) 施實(shí)例，從而將更為詳盡地闡明本發(fā)明的原理。


本發(fā)明的特點(diǎn)及其優(yōu)越性可以通過參考以下附圖來獲得更為深刻的理解。這對(duì)于那些熟 悉專業(yè)技術(shù)的內(nèi)行人士來說就更為容易理解。
圖1是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE基本結(jié)構(gòu)圖。 圖2是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE時(shí)序波形圖。
圖3是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)工作原理圖，其曲軸轉(zhuǎn)角位于起 點(diǎn)后450度或810度。
圖4是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)工作原理圖，其曲軸轉(zhuǎn)角位于起 點(diǎn)后540 -x度或900-x度。
圖5是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)工作壓力差和垂直位移圖。 圖6是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE工作于空氣壓縮機(jī)(AC)模式的時(shí)序波形圖。 圖7是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE工作于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)(CAE)模式的時(shí)序波形圖。 圖8是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的支持AC模式和CAE模式的氣壓存儲(chǔ)和熱存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖9是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)圖，其發(fā)動(dòng)機(jī)缸體與活塞腔具有絕熱包裝， 并附有水套作為流體超級(jí)加熱器，以及缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)。
圖10A是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的橫向截面剖視圖，圖10B為縱向截面剖視圖，雙聯(lián) 氣缸勻熱水套的結(jié)構(gòu)原理圖及其載熱流體的流向示意圖。
圖11是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的燃油轉(zhuǎn)換效率綜述表。
圖12是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的燃油轉(zhuǎn)換效率圖譜。
圖中1.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，2.噴射式增壓泵，3.單向閥，4.蒸發(fā)式中間冷卻器，5.燃油噴射 器，6.空氣濾清器，7.排氣口， 8.曲軸，9.空氣存儲(chǔ)容器，10.壓力室，11.第一氣缸，12.儲(chǔ) 氣閥，13.火花塞，14.流體注入器，15.充氣閥，16.傳輸閥門，17.第一活塞，18.第一連桿， 19.第二連桿，20.第二活塞，21.第二氣缸，22.增壓閥，23.火花塞，24.截止閥，25.進(jìn)氣 閥，26.排氣閥門，27.廢氣導(dǎo)管，28.通風(fēng)管，29.廢氣排放通道，30.單向閥，31.截止閥， 32.EAV上壓力缸，33.EAV塞柱，34.EAV塞柱導(dǎo)氣開口， 35.EAV下氣缸，36.承壓頭，37.第 一熱交換器，38.第二熱交換器，39.熱流體泵，40.載熱流體，41.儲(chǔ)熱箱，42.載熱流體 導(dǎo)管，43.絕熱材料，44.電熱元件，45.截止閥，46.水套，47.流體導(dǎo)管，48.缸內(nèi)催化 金屬網(wǎng)，TC:上止點(diǎn)，BC:下止點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
以下的發(fā)明詳述將以本發(fā)明在近期的優(yōu)先實(shí)施實(shí)例為準(zhǔn)，各實(shí)施實(shí)例的詳細(xì)結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見 附圖。
本發(fā)明涉及高效率集成式熱機(jī)(HEIHE) 。 HEIHE是集成了組合式熱功轉(zhuǎn)換過程的熱機(jī)。雙聯(lián)復(fù)合式氣缸被用作HEIHE的基本結(jié)構(gòu)，其第一氣缸為一次燃燒/膨脹氣缸，其第二氣缸 為二次燃燒/膨脹氣缸。由各種工質(zhì)膨脹所驅(qū)動(dòng)的做功沖程被集成到同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體之
中。這些工質(zhì)包括空氣一燃油燃燒產(chǎn)物、蒸汽以及在空氣混合式制動(dòng)能量再生模式下的壓
縮空氣。其它多種改善效率的方法也能夠被集成到HEIHE之中，諸如廢氣驅(qū)動(dòng)闊門(EAV)、 噴射式超級(jí)增壓器、蒸發(fā)式中間冷卻器和缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)。其結(jié)果，HEIHE的運(yùn)行包含了四 種不同的做功沖程，伹是僅僅消耗一次空氣一燃油做功沖程所需的燃料。
以下的發(fā)明詳述將盡可能地深入具體細(xì)節(jié)，以便于人們對(duì)本發(fā)明有更為深刻的理解。對(duì) 于那些熟悉專業(yè)技術(shù)的內(nèi)行人士來說，尤其值得卿佩的是他們無需知道太多的具體細(xì)節(jié)就能 夠?qū)Ρ景l(fā)明進(jìn)行實(shí)施。而在某些場合，那些為公眾所熟知的情節(jié)就將被一筆帶過，以免暄賓 奪主。
參見圖1。圖為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE基本結(jié)構(gòu)圖。HEIHE基本上是一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)。其活塞在氣缸中往復(fù)來回運(yùn)動(dòng)，通過連桿和曲軸機(jī)構(gòu)來傳輸功率，從而獲得動(dòng)力輸出。 HEIHE在同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體(1)中，包含了一對(duì)雙聯(lián)的復(fù)合式氣缸。其中第一氣缸(11)為 一次燃燒和/或膨脹氣缸；第二氣缸(21)則為二次燃燒和/或膨脹氣缸。第一氣缸與第一活 塞(17)相交連，而第二氣缸則與第二活塞(20)相交連。這兩個(gè)活塞在雙聯(lián)氣缸中通過曲 軸(8)來進(jìn)行機(jī)械連接，其曲軸的轉(zhuǎn)角相差180度。于是當(dāng)?shù)谝换钊挥谏现裹c(diǎn)(TC)時(shí)， 第二活塞恰好位于下止點(diǎn)(BC)，反之亦然。第二氣缸具有比第一氣缸更大的容積，以使得 在工質(zhì)從第一氣缸傳輸?shù)降诙飧讜r(shí)的復(fù)合持續(xù)膨脹得以發(fā)生。較大的氣缸容積將導(dǎo)致較大 的活塞直徑(缸徑)和/或活塞位移(沖程)，如圖1所示。
繼續(xù)參見圖1。第一連桿(18)將第一活塞(17)交連于曲軸(8)，而第二連桿(19) 也將第二活塞(20)交連于曲軸(8)。在第--氣缸頂端，裝有儲(chǔ)氣閥門(12)、火花塞(13)、 流體注入器(14)、以及充氣閥門(15)。傳輸閥門(16)用來控制工質(zhì)在雙聯(lián)氣缸之間的 傳輸，該閥門可為塞柱式閥門，是由廢氣壓力來進(jìn)行縱向驅(qū)動(dòng)的。壓力室(10)保持和提供 了傳輸閥門(16)所需的工作壓力，儲(chǔ)氣閥(12)用來控制第一氣缸(11)與空氣存儲(chǔ)容器
(9) 之間的氣流。充氣閥門(15)則用于控制噴射超級(jí)增壓泵(2)與第一氣缸(11)之間 的氣流。
在第二氣缸頂端，裝有增壓閥門(22)、火花塞(23)以及進(jìn)氣閥門(25)。排氣閥門 (26)可為塞柱式闊門，用于控制從第二氣缸(21)到排氣口 (7)的工質(zhì)排放，該閥門是由 來自第二氣缸(21)的廢氣壓力所垂直驅(qū)動(dòng)的。壓力室(10)保持和提供了閥(26)所需的 工作壓力。增壓閥門(22)用于控制從第二氣缸(21)到蒸發(fā)式中間冷卻器(4)之間的氣流。 進(jìn)氣閥門(25)用于控制第二氣缸(21)和空氣濾清器(6)之間的氣流。燃油噴射器(5) 安裝于蒸發(fā)式中間冷卻器(4)的內(nèi)壁上，以便于將燃油噴霧到蒸發(fā)式中間冷卻器的腔體之中。 單向閥門(3)安裝于噴射泵(2)的新鮮空氣入口處，用以限制輸入空氣的流向。與壓力室
(10) 相接的截止閥門(24)用于控制將要進(jìn)入壓力室(10)的增壓氣流，以便維持其適當(dāng) 的工作壓力。
基于工質(zhì)在雙聯(lián)氣缸中的復(fù)合膨脹，兩種不同的工質(zhì)將導(dǎo)致兩種不同的做功沖程首先是空氣一燃油混合氣的燃燒與膨脹，然后是蒸汽膨脹。蒸汽是在空氣一燃油廢氣排氣沖程完 成之后通過流體注入的方式而產(chǎn)生的，此舉將吸收氣缸內(nèi)的殘余熱量，并導(dǎo)致氣缸內(nèi)的蒸汽 冷卻效應(yīng)。
兩種不同的工質(zhì)在兩個(gè)不同的氣缸中的膨脹，將可獲得四種不同的做功沖程。這四種不 同的做功沖程是
一次空氣一燃油做功沖程——在第一氣缸中的一次空氣一燃油的燃燒與膨脹，這是與 普通內(nèi)燃機(jī)相同的基本做功沖程；
二次空氣一燃油做功沖程——在第二復(fù)合氣缸中的二次空氣一燃油的燃燒與膨脹； 一次蒸汽做功沖程——在第一氣缸中的一次蒸汽產(chǎn)生與膨脹；以及 二次蒸汽做功沖程——在第二復(fù)合氣缸中的二次蒸汽膨脹。
上述四種不同的做功沖程被巧妙地編排到六個(gè)周期之中，以獲得最大的機(jī)械效率和熱力 學(xué)效率。在每個(gè)周期都有兩個(gè)不同的沖程分別同時(shí)發(fā)生于雙聯(lián)復(fù)合式氣缸之中，從而導(dǎo)致
HEIHE的全部工作時(shí)序包含十二個(gè)沖程。這十二個(gè)沖程覆蓋了 HEIHE全部工作時(shí)序中三次完 整的曲軸回轉(zhuǎn)，或說是曲軸轉(zhuǎn)角(CA)轉(zhuǎn)過1080度。換句話說，本發(fā)明所披露的HEIHE是 一種十二沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)。
參見圖2。圖為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的時(shí)序波形圖。其中活塞的位移量和閥門的動(dòng)作 被顯示在坐標(biāo)中，橫坐標(biāo)的范圍覆蓋HEiHE全部工作時(shí)序的12個(gè)沖程，即三次完整的曲軸 回轉(zhuǎn)，或曲軸轉(zhuǎn)角的1080度。在這6個(gè)工作周期中，每個(gè)周期占據(jù)180度曲軸轉(zhuǎn)角。下面 列出了分布于6個(gè)周期中相應(yīng)的12個(gè)沖程
第一周期0度至180度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為充氣沖程，第一活塞從TC到BC向下運(yùn) 動(dòng)；第二氣缸則為蒸汽排氣沖程，第二活塞從BC到TC向上運(yùn)動(dòng)。充氣閥門(15)和排氣閥 門(26)在此周期中都是打開的。
第二周期180度至360度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為壓縮沖程，第一活塞從BC到TC向上 運(yùn)動(dòng)；第二氣缸則為進(jìn)氣沖程，第二活塞從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)。在此周期中，進(jìn)氣閥門(25) 是打開的。
第三周期360度至540度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為一次空氣一燃油做功沖程，第一活塞 從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)；第二氣缸則為增壓沖程，第二活塞從BC到TC向上運(yùn)動(dòng)。在360度 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，第一氣缸將進(jìn)行點(diǎn)火。在此周期中，增壓閥門(22)是打開的。
第四周期540度至720度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為空氣一燃油排氣沖程，第一活塞從BC 到TC向上運(yùn)動(dòng)；第二氣缸則為二次空氣一燃油做功沖程，第二活塞從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)。 在此周期中，雙聯(lián)氣缸之間的傳輸閥門(16)是打開的。
第五周期720度至900度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為一次蒸汽做功沖程，第一活塞從TC到 BC向下運(yùn)動(dòng)；第二氣缸則為空氣一燃油排氣沖程，第二活塞從BC到TC向上運(yùn)動(dòng)。在720 度曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，第一氣缸中將進(jìn)行流體注入。在此周期中，排氣閥門(26)是打開的。
第六周期900度至1080度曲軸轉(zhuǎn)角，第一氣缸為蒸汽排氣沖程，第一活塞從BC到TC 向上運(yùn)動(dòng)；第二氣缸為二次蒸汽做功沖程，第二活塞從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)。在此周期中，氣缸之間的傳輸閥門(16)是打開的。
HEIHE的工作原理
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于0度起點(diǎn)。第一活塞位于上止點(diǎn)TC，而第二活塞則位于下止點(diǎn) BC。充氣閥門是開啟的，以便空氣一燃油混合氣能充入第一氣缸。排氣閥門(26)同樣也是 開啟的，以便于前一次工作時(shí)序中膨脹完畢的蒸汽排出第二氣缸。其余閥門則保持關(guān)閉。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于第一周期中點(diǎn)90度。第一活塞正在向下運(yùn)動(dòng)而第二活塞正在向上 運(yùn)動(dòng)。充氣閥門是開啟的，所以來自蒸發(fā)式中間冷卻器預(yù)先備妥并帶有壓力的空氣一燃油混 合氣就會(huì)被充入到第一氣缸。排氣閥門同樣也是開啟的，所以前一次工作時(shí)序膨脹完畢的蒸 汽就會(huì)從第二氣缸中排放出去。其它閥門則保持關(guān)閉。在此周期中，充氣沖程和蒸汽排氣沖 程分別發(fā)生于第一氣缸和第二氣缸。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于第二周期中點(diǎn)270度。第一活塞正在向上運(yùn)動(dòng)而第二活塞正在向 下運(yùn)動(dòng)。充氣閥門是關(guān)閉的，所以空氣一燃油混合氣在第一氣缸中就會(huì)受到壓縮。進(jìn)氣閥門 同樣也是開啟的，所以新鮮空氣就會(huì)被吸入到第二氣缸中。其它閩門則保持關(guān)閉。在此周期 中，壓縮沖程和進(jìn)氣沖程分別發(fā)生于第一氣缸和第二氣缸。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于點(diǎn)火點(diǎn)360度。第一活塞位于TC，而第二活塞則位于BC。所有 的閥門都是關(guān)閉的。第一氣缸頂端的火花塞(13)對(duì)經(jīng)過壓縮的空氣一燃油混合氣進(jìn)行點(diǎn)火， 從而在第一氣缸中引發(fā)空氣一燃油混合氣的燃燒與膨脹過程。在此時(shí)刻，第二氣缸中已經(jīng)充 滿了新鮮空氣，以便在下面的增壓沖程被打入到蒸發(fā)式中間冷卻器中去。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于第三周期中點(diǎn)的450度。第一活塞正在向下運(yùn)動(dòng)而第二活塞正在 向上運(yùn)動(dòng)。第一氣缸內(nèi)的所有閥門都將保持關(guān)閉，因而空氣一燃油混合氣可以在其中燃燒和 膨脹。燃燒和膨脹的結(jié)果使得第一氣缸在第一活塞向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做正功。這是與本發(fā)明相 關(guān)的HEIHE的第一種基本的做功沖程，可稱為一次空氣一燃油混合氣燃燒和膨脹沖程，或一 次空氣一燃油做功沖程。增壓閥門同樣也是開啟的，所以新鮮空氣可以從第二氣缸打入到蒸 發(fā)式中間冷卻器中。與此同時(shí)，燃油被噴射到蒸發(fā)式冷卻器中。這些被噴射進(jìn)去的燃油，伴 隨著同時(shí)進(jìn)入的增壓空氣，吸收空氣被壓縮所產(chǎn)生的熱量，并在蒸發(fā)式中間冷卻器中進(jìn)行蒸 發(fā)。其它闊門將保持關(guān)閉。在此周期中， 一次空氣一燃油做功沖程和增壓沖程分別發(fā)生于第 一氣缸和第二氣缸。
除了對(duì)壓縮空氣的中間冷卻功能和對(duì)燃油的汽化功能之外，蒸發(fā)式中間冷卻器同樣還起 到對(duì)壓縮空氣的中間暫時(shí)存儲(chǔ)的作用。燃油將在其中繼續(xù)得到蒸發(fā)汽化，直到后來被排放出 去。結(jié)果所得到的空氣一燃油混合氣將被壓縮在蒸發(fā)式中間冷卻器之中，直到四個(gè)周期之后， 當(dāng)下一個(gè)充氣沖程到來之時(shí)。關(guān)于該周期請(qǐng)參見圖4及其文字?jǐn)⑹觥?br> HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于第四周期中點(diǎn)的630度。第一活塞正在向上運(yùn)動(dòng)，而第二活塞正 在向下運(yùn)動(dòng)。氣缸之間的傳輸閥門(16)是開啟的，所以膨脹完畢的空氣一燃油燃燒廢氣正 在從第一氣缸被傳輸?shù)降诙飧字?。其它閥門將保持關(guān)閉。由于第二氣缸的容積比第一氣
缸大，從第一氣缸排出的空氣一燃油廢氣仍然有進(jìn)一步膨脹的空間。于是，第二氣缸就會(huì)在 第二活塞向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做正功。這是本發(fā)明中HEIHE的第二種重要的做功沖程，被稱為二次空氣—燃油的燃燒和膨脹沖程，或二次空氣一燃油做功沖程。在此周期中，空氣一燃油排 氣沖程和二次空氣一燃油做功沖程分別發(fā)生于第一氣缸和第二氣缸。為增進(jìn)空氣一燃油混合
氣的二次燃燒，可以在第二氣缸中進(jìn)行一次或多次點(diǎn)火。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于流體注入點(diǎn)720度。第一活塞位于上止點(diǎn)(TC)而第二活塞位于 下止點(diǎn)(BC)。除了排氣閥門(26)之外的所有閥門都將保持關(guān)閉。第一氣缸頂端的流體注 入器(14)正在將流體注入到第一氣缸的燃燒室中。與此同時(shí)，排氣閥門(26)是開啟的。 第二氣缸充滿了膨脹完畢的空氣一燃油廢氣，這些廢氣即將通過排氣口 (7)排出到HEIHE 之外。水可以被用做注入到第一氣缸中的流體。在此情況下，應(yīng)當(dāng)選用純水、去離子水或蒸 餾水以避免在氣缸中留下殘余化學(xué)沉積物。在此還可以采用其它流體來達(dá)到同樣目的，例如 壓縮空氣或乙醇的水溶液。前者絕無殘余化學(xué)沉積物，后者還可同時(shí)起到防凍的作用。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于第五周期中點(diǎn)的810度。第一活塞正在向下運(yùn)動(dòng)，而第二活塞正 在向上運(yùn)動(dòng)。第一氣缸中所有閥門都將保持關(guān)閉。已經(jīng)被注入的流體將吸收氣缸壁內(nèi)上次空 氣一燃油混合氣燃燒的殘余熱量，并且被急劇加熱而產(chǎn)生蒸汽，在第一氣缸中發(fā)生蒸汽膨脹。 于是第一氣缸在第一活塞向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)做正功。這是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的第三種重要 做功沖程，可稱為一次蒸汽膨脹沖程，或一次蒸汽做功沖程。在第二氣缸中，排氣閥門(26) 是開啟的，因而已經(jīng)完成膨脹過程的二次空氣一燃油廢氣能夠從第二氣缸中通過排氣口 (7) 被排放到HEIHE之外。在此周期內(nèi)，第一氣缸頂端的火花塞(13)針對(duì)正在膨脹的蒸汽進(jìn)行 多次點(diǎn)火，以便點(diǎn)燃正在膨脹的蒸汽中可能含有的可燃/助燃性氣體，諸如氫氣、氧氣、 一氧 化碳、甲烷和其它未燃燒的碳?xì)浠衔?，從而使得第一氣缸中的膨脹更?qiáng)有力。在此周期中， 一次蒸汽做功沖程和二次空氣一燃油排氣沖程分別發(fā)生在第一氣缸和第二氣缸。
需要強(qiáng)調(diào)的是，上述周期中的可燃性氣體將來自諸如蒸汽的熱分解，以及未燃燒碳?xì)浠?合物的蒸汽裂變和/或蒸汽氫裂變之類的化學(xué)過程。例如，在燃燒室的高溫下，蒸汽將被熱分 解為氫氣和氧氣。未燃燒的碳?xì)浠衔镆矊⒃诟邷卣羝饔孟卤换瘜W(xué)分解為氫氣、氧氣、一 氧化碳、甲烷和其它小分子碳?xì)浠衔?。更進(jìn)--步，未燃燒的碳?xì)浠衔飼?huì)發(fā)生氫裂變，從 而裂解成為更加輕小更為易燃的碳?xì)浠衔?。所有這些裂變產(chǎn)物都是可燃的，都包含了潛在 的熱能。所以，必須對(duì)其進(jìn)行燃燒以將其潛在能量轉(zhuǎn)化成為熱能。 一旦熱能在蒸汽做功沖程 期間在氣缸中釋放出來，就能產(chǎn)生額外的動(dòng)力。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于第六周期中點(diǎn)的990度。第一活塞正在向上運(yùn)動(dòng)，而第二活塞正 在向下運(yùn)動(dòng)。氣缸之間的傳輸閥門(16)是開啟的，已經(jīng)膨脹完畢的廢蒸汽正在從第一氣缸 被傳輸?shù)降诙飧字?。其它閥門將保持關(guān)閉。由于第二氣缸的容積比第一氣缸大，所以從 第一氣缸排放出來的廢蒸汽仍然有繼續(xù)膨脹的空間，于是第二氣缸隨著第二活塞的向下運(yùn)動(dòng) 而做正功。這是與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的第四種重要做功沖程，可稱為二次蒸汽膨脹沖程， 或二次蒸汽做功沖程。在此周期中，蒸汽排放沖程和二次蒸汽做功沖程分別發(fā)生與第一氣缸 和第二氣缸。基于與前一周期相同原理，兩個(gè)氣缸頂端的火花塞(13)和(23)在此期間將 針對(duì)正在膨脹中的蒸汽進(jìn)行多次點(diǎn)火，這些蒸汽中可能含有可燃?xì)怏w，諸如氫、氧、 一氧化 碳、甲烷、未燃燒的碳?xì)浠衔镏?，從而使得第二氣缸中的膨脹更加有力。圖1中所示與壓力室(10)相接的截止閥門(24)是個(gè)特殊器件，它不僅用來調(diào)節(jié)將要 被充入到壓力室(10)的增壓氣流，以維持其適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?，同時(shí)也可用來降低將要被注 入到蒸發(fā)式中間冷卻器中的增壓氣流的流量。每當(dāng)截止閥門(24)在電磁驅(qū)動(dòng)下開啟時(shí)，將 把一部分特定份量的增壓氣流分流到壓力室(10)中。其結(jié)果就可以在壓力室(10)中維持 恰當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫?。另一方面，減低增壓氣流的份量將改變充入到第一氣缸之中的氣體容積。 于是雙聯(lián)復(fù)合式氣缸的最終復(fù)合壓縮比就將發(fā)生改變，從而獲得受控可變壓縮比的效果。
可變壓縮比是本發(fā)明所披露的HEIHE的特色之一，它將使得HEIHE在運(yùn)行過程中根據(jù)負(fù) 載的變化改變壓縮比成為可能。為實(shí)現(xiàn)在不增加速度的情況下提高功率，就必須多燒燃油， 因而就必須消耗更多的空氣。由于超級(jí)增壓器已經(jīng)被集成到HEIHE之中以增加充氣壓力，顯 然這將導(dǎo)致不必要的空氣一燃油混合氣的爆震。而避免這種爆震的方法只有降低壓縮比。這 樣做可以在必要時(shí)隨心所欲地大幅度提高功率，結(jié)果可以導(dǎo)致體積輕巧的發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠如同 大型發(fā)動(dòng)機(jī)一樣在需要時(shí)達(dá)到較大的功率?？勺儔嚎s比正在日益得到廣泛運(yùn)用，它將改善燃 油轉(zhuǎn)換效率并提供更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。
進(jìn)一步講，可變壓縮比將使得HEIHE與多種燃料相兼容。許多替代燃料諸如甲醇、乙醇、 乙炔、液化石油氣(LPG)、天然氣以及氫氣，它們與汽油相比具有較高的辛烷值。所以在 辛烷值許可的情況下，要想獲得更高的燃油轉(zhuǎn)換效率，就必須提高壓縮比。在仍然采用汽油 做為HEIHE燃料的情況下，為獲得更高的燃油轉(zhuǎn)換效率，可以考慮采用壓燃直噴(CIDI)來 作為HEIHE的一次燃燒方式。在此情形之下可變壓縮比就是絕對(duì)必需的。這樣一來，第一氣 缸頂端的火花塞(13)就要被燃油噴射器所取代，以便于將汽油類的燃料直接注入第一氣缸。 顯而易見的是，壓燃直噴(CIDI)的燃燒方式將使得HEIHE與柴油燃料或生物柴油燃料相兼 容。
在圖1中，閥門(16)和(26)可以被命名為廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)。顧名思義，他們 是由廢氣來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。廢氣驅(qū)動(dòng)閥EAV (16)為例示出了廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)的工作原 理。廢氣驅(qū)動(dòng)閥EAV (26)的工作原理與廢氣驅(qū)動(dòng)閥EAV (16)完全相同。其唯一區(qū)別僅在 于直徑，廢氣驅(qū)動(dòng)閥EAV(26)由于第二氣缸中的排氣壓力較低而需要較大的直徑。
參見圖3。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)的工作原理圖，其 中HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于做功沖程的中點(diǎn)450度或810度CA。第一活塞(17)正在向下運(yùn) 動(dòng)。廢氣驅(qū)動(dòng)閥EAV (16)在做功沖程期間保持關(guān)閉。EAV壓力室(10)保持正壓力Peav。 電磁截止閥門(31)在做功沖程之前曾經(jīng)打開過，并已將EAV上壓力缸(32)充氣至正壓力 Peav。在EAV塞柱(33)的底端，設(shè)有通向第一氣缸(11)底部的廢氣導(dǎo)管(27)。在做功 沖程的絕大部分向下行程期間，廢氣導(dǎo)管(27)與曲軸箱相連通，其間的壓力基本上相當(dāng)于 大氣壓力。由于EAV上氣缸的壓力Peav高于大氣壓力，因?yàn)閴毫Σ畹木壒剩珽AV塞柱(33) 就被下壓到EAV下氣缸(35)的底端。結(jié)果使得廢氣驅(qū)動(dòng)閥EAV (16)關(guān)閉。廢氣排放通道 (29)被EAV塞柱(33)所截?cái)?。在大多?shù)情況下，壓力室(10)內(nèi)的截止閥門(31)和單 向閥門(30)也是關(guān)閉的。
參見圖4。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)的工作原理圖，其中HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于做功沖程末端的540 - x度或900 - x度CA，也就是BC之前的x 度。第一活塞(17)的向下運(yùn)動(dòng)剛好超過廢氣導(dǎo)管(27)的開口處。在此時(shí)刻，正在膨脹的 廢氣的壓力高于EAV上壓力缸(32)壓力Peav。于是廢氣就會(huì)沖入廢氣導(dǎo)管(27)之中， 并將承壓頭(36)以及EAV塞柱(33)推向上方。這樣EAV (16)就開始開啟的動(dòng)作。EAV 塞柱(33)上升的結(jié)果使得EAV上壓力缸的壓力高于Peav。所以單向閥門(30)就被沖開， 氣流隨之被從上壓力缸(32)擠入到EAV壓力室(10)中。通風(fēng)管(28)用于將曲軸箱的 空氣引入EAV下氣缸(35)。
HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)的工作原理
其中HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于做功沖程的終點(diǎn)540度或900度CA。第一活塞(17)的向 下運(yùn)動(dòng)剛好到達(dá)下止點(diǎn)BC，使廢氣導(dǎo)管(27)朝著第一氣缸(11)全部開放。在此時(shí)刻，正 在膨脹的廢氣已經(jīng)將承壓頭(36)以及EAV塞柱(33)推舉達(dá)到EAV上壓力缸(32)的頂端。 結(jié)果使得EAV (16)全部打開。第一氣缸(11)中的廢氣于是就通過廢氣排放通道(29)和 EAV塞柱開口 (34)被排放出去。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于排氣沖程始端的540 + x度或900 + x度CA，也就是BC之后的x 度。第一活塞(17)的向上運(yùn)動(dòng)剛好要超越廢氣導(dǎo)管(27)的開口處。在此時(shí)刻，廢氣導(dǎo)管 (27)中壓力逐漸降低到曲軸箱的壓力。但EAV塞柱(33)仍將被真空吸持在EAV上壓力缸 (32)的頂端。這種真空來自壓力室(10)內(nèi)截止閥門(31)以及單向閥門(30)的同時(shí)截 止。結(jié)果使得EAV (16)保持開啟，以便于工質(zhì)的傳輸。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于排氣沖程的中點(diǎn)630度或990度CA。第一活塞(17)正在向上運(yùn) 動(dòng)。在此時(shí)刻，廢氣導(dǎo)管(27)中壓力的已經(jīng)降低到曲軸箱的壓力。但EAV塞柱(33)仍將 被真空吸持在EAV上壓力缸(32)的頂端。壓力室(10)內(nèi)截止閥門(31)以及單向閥門(30) 都將保持截止。結(jié)果使得EAV (16)保持開啟，以便于工質(zhì)的繼續(xù)傳輸。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于排氣沖程的終點(diǎn)720度或1080度CA。第一活塞(17)已經(jīng)到達(dá) 上止點(diǎn)TC，完成排氣沖程。在此時(shí)刻，微型控制計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)出復(fù)位脈沖，以將截止閥門(31) 打丌。結(jié)果使得EAV壓力室(10)中帶壓力的氣體充入到EAV上壓力缸(32)之中，并將 EAV塞柱(33)向下推移。廢氣驅(qū)動(dòng)閥門EAV (16)于是就重新關(guān)閉。 一旦EAV塞柱(33) 下移到EAV下壓力缸(35)的底端，施加在壓力室(10)內(nèi)截止閥門(31)上的復(fù)位脈沖就 被撤銷。于是截止閥門(31)就重新關(guān)閉。然而正向壓力Peav將使得EAV (16)繼續(xù)保持 關(guān)閉，直到下一排氣沖程。
參見圖5。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)控制過程的波形圖。 圖中示出了廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)工作壓力差與EAV塞柱垂直位移的關(guān)系。
廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)并不像普通內(nèi)燃機(jī)中機(jī)械舉升式閥門那樣消耗機(jī)械功率，也不像 電磁閥門那樣消耗電能，而是利用了即將排放出去的廢氣能量，使得更多寶貴的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械 功率能夠用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。無可置疑，這將有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率。進(jìn)一步說，它被安 放在雙聯(lián)復(fù)合式氣缸之間，從而縮短了工質(zhì)的傳輸通道。其結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也將得到 提高。它所帶來的唯一問題是，作為工質(zhì)的廢氣將會(huì)被泄漏到曲軸箱中。然而，這種現(xiàn)象將有利于廢氣循環(huán)利用(EGR)。在排氣沖程期間，曾經(jīng)驅(qū)動(dòng)過廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)后再從中 排放出來的廢氣，將因發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的吸熱作用而被冷卻，從而可導(dǎo)致較低溫度的廢氣循環(huán)利 用(EGR)。較低溫度的廢氣循環(huán)利用(EGR)將大大有益于燃油轉(zhuǎn)換效率以及廢氣排放控制。
盡管廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)高效節(jié)能，但它需要利用廢氣能量來驅(qū)動(dòng)，所以它只能用于 排氣閥門。其它非排氣閥門就得釆用其它方式驅(qū)動(dòng)的閥門。在此情況下，電磁驅(qū)動(dòng)的闊門將 是最佳選擇。它們不僅能夠被微型計(jì)算機(jī)所控制，而且也能提供快速的控制響應(yīng)和靈活的閥 門定時(shí)。這種獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)將有利于動(dòng)態(tài)地改善流體的體積效率。它們的無凸輪的閥門機(jī)構(gòu)， 同樣也能避免摩擦所引起的機(jī)械能量損失，從而提高HEIHE的機(jī)械效率。最后，還可以采用 普通的凸輪軸驅(qū)動(dòng)閥門，然而閥門定時(shí)的靈活性及其機(jī)械效率將會(huì)受到影響。
參見圖6。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE工作于空氣壓縮機(jī)模式(AC)的時(shí)序波形 圖，圖中示出了活塞位移與閥門位置隨著曲軸轉(zhuǎn)角而變化的關(guān)系。在空氣壓縮機(jī)模式(AC) 下，HEIHE將工作于二級(jí)空壓機(jī)狀態(tài)。其較大的第二氣缸工作于一級(jí)壓縮階段，而較小的第 一氣缸則工作于二級(jí)壓縮階段。壓縮空氣的壓力在一級(jí)壓縮階段較低，并將在二級(jí)壓縮階段 被提高。空氣壓縮機(jī)模式(AC)只需要四個(gè)沖程。這四個(gè)沖程可以編排成兩個(gè)周期，覆蓋360 度的曲軸轉(zhuǎn)角。于是，在HEIHE的全部三個(gè)全圓周的1080度CA全工作時(shí)序中，空氣壓縮機(jī) (AC)將重復(fù)性地完成三遍空氣壓縮機(jī)時(shí)序。下面列出了與此相關(guān)的四個(gè)沖程。
第一周期180度至360度CA。第二氣缸為空氣壓縮機(jī)模式(AC)的進(jìn)氣沖程，其第二 活塞從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)；第一氣缸則為空氣壓縮機(jī)模式(AC)的壓縮沖程，其第一活塞從 BC到TC向上運(yùn)動(dòng)。進(jìn)氣閥門(25)以及儲(chǔ)氣閥門(12)在此周期都是開啟的。
第二周期360度至450度CA。第二氣缸為增壓沖程，其第二活塞從BC到TC向上運(yùn) 動(dòng)；第一氣缸則為充氣沖程，其第一活塞從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)。增壓閥門(22)以及充氣閥 門(15)在此周期是開啟的。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于空氣壓縮機(jī)模式(AC)的第一周期的中點(diǎn)，即270度CA。第二活 塞正在向下運(yùn)動(dòng)，而第一活塞正在向上運(yùn)動(dòng)。進(jìn)氣閥門是開啟的，于是新鮮空氣可以被吸入 到第二氣缸之中。儲(chǔ)氣閥門也是開啟的，所以前一次工作時(shí)序所獲得的壓縮空氣將通過第一 熱交換器(37)從第一氣缸中被進(jìn)一步壓縮到空氣存儲(chǔ)容器中。這樣就完成了二級(jí)空氣壓縮 的第二級(jí)。其它閥門將保持關(guān)閉。在此周期中，進(jìn)氣沖程和壓縮沖程分別發(fā)生于第二氣缸和 第一氣缸。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于空氣壓縮機(jī)模式(AC)的第二周期的中點(diǎn)，即450度CA。第二活
塞正在向上運(yùn)動(dòng)，而第一活塞正在向下運(yùn)動(dòng)。增壓閥門是開啟的，第二氣缸中的新鮮空氣通 過第二熱交換器(38)被壓入到第一氣缸。充氣閥門也是開啟的，所以第二氣缸中正在被壓 縮的增壓空氣被充入到第一氣缸之中。由于第一氣缸的容積小于第二氣缸，所以從第二氣缸 傳輸?shù)降谝粴飧椎男迈r空氣就被壓縮。至此就完成了二級(jí)空氣壓縮的第一級(jí)。其它閥門則保 持關(guān)閉。在此周期中，增壓沖程和充氣沖程分別發(fā)生于第二氣缸和第一氣缸中。
參見圖7。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE工作于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的時(shí)序 波形圖，圖中示出了活塞位移與閥門位置隨著曲軸轉(zhuǎn)角而變化的關(guān)系。在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)下，HEIHE將成為二級(jí)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。其較小的第一氣缸工作于一級(jí)膨脹階段， 而較大的第二氣缸則工作于二級(jí)膨脹階段。壓縮空氣的壓力在一級(jí)膨脹階段較高，但到二級(jí) 膨脹階段會(huì)有所降低。對(duì)于本發(fā)明中HEIHE來說，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)基本上就是 空氣壓縮機(jī)模式(AC)的逆向機(jī)械運(yùn)行過程。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)模式只需要四個(gè) 沖程。這四個(gè)沖程可以編排為兩個(gè)周期，覆蓋360度的曲軸轉(zhuǎn)角。于是，在HEIHE的三個(gè)全 圓周1080度CA的全工作時(shí)序中，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)將重復(fù)性地完成三遍工作時(shí) 序。下面列出了這四個(gè)相關(guān)的工作沖程。
第一周期，0度至180度CA。第一氣缸為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的一級(jí)做功沖程， 其第一活塞從TC到BC向下運(yùn)動(dòng)；第二氣缸則為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)排氣沖程，其 第二活塞從BC到TC向上運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)氣閥門(12)以及排氣閥門(26)在此周期是開啟的。
第二周期，180度至360度CA。第一氣缸為排氣沖程，其第一活塞從BC到TC向上運(yùn) 動(dòng)；第二氣缸則為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的二級(jí)做功沖程，其第二活塞從TC到BC向 下運(yùn)動(dòng)。充氣閥門(15)以及增壓閥門(22.)在此周期都是開啟的。缸間傳輸閥門(16)在 此期間保持關(guān)閉。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的第一周期的中點(diǎn)，即90度CA。第 一活塞正在向下運(yùn)動(dòng)，而第二活塞正在向上運(yùn)動(dòng)。儲(chǔ)氣閥門是開啟的，于是存儲(chǔ)在空氣存儲(chǔ) 容器中的壓縮空氣將通過第一熱交換器(37)被送入到第一氣缸之中。壓縮空氣的膨脹使得 第一活塞向下運(yùn)動(dòng)而做功。至此就完成了二級(jí)壓縮空氣膨脹的第一級(jí)。排氣閥門(26)也是 開啟的，所以前一次工作時(shí)序在第二氣缸中已經(jīng)膨脹完畢的壓縮空氣就將被排出HEIHE機(jī)之 外。其它閥門將保持關(guān)閉。在此周期中，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的一次做功沖程和排 氣沖程分別發(fā)生于第一氣缸和第二氣缸。
HEIHE的曲軸轉(zhuǎn)角位于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的第二周期的中點(diǎn)，即270度CA。 第一活塞正在向上運(yùn)動(dòng)，而第二活塞正在向下運(yùn)動(dòng)。缸間傳輸閥門EAV (26)在此周期被禁 止開啟，因而是關(guān)閉的。但充氣閥門(15)和增壓閥門(22)都是開啟的。于是在第一氣缸 中膨脹完畢的壓縮空氣就將通過第二熱交換器(38)被傳送到第二氣缸之中。由于第二氣缸 的容積比第一氣缸大，從第一氣缸排出到第二氣缸的壓縮空氣就會(huì)進(jìn)一步膨脹。壓縮空氣的 膨脹使得第二活塞向下運(yùn)動(dòng)而做功。至此就完成了二級(jí)壓縮空氣膨脹的第二級(jí)。其它閥門將 保持關(guān)閉。在此周期中，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)的排氣沖程和二次做功沖程分別發(fā)生 于第一氣缸和第二氣缸。
在空氣壓縮過程中，將會(huì)產(chǎn)生熱量，壓縮空氣的溫度也會(huì)上升。這就會(huì)降低壓縮空氣的 存儲(chǔ)容量，降低空壓機(jī)(AC)模式的效率。另一方面，在壓縮空氣膨脹過程中，將會(huì)吸收熱 量，同時(shí)壓縮空氣的溫度也會(huì)降低。這就會(huì)減少壓縮空氣的體積容量，降低壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 模式(CAE)的效率。所以兩級(jí)熱交換器(37)和(38)在空壓機(jī)(AC)模式被用來冷卻壓 縮空氣，而在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)則被用來加熱壓縮空氣。為了把在AC模式下產(chǎn)生 的熱能存儲(chǔ)起來以備在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)下利用，可以采用真空絕熱的儲(chǔ)熱箱來 收集熱量，并在閑置模式下存儲(chǔ)熱量，然后在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式(CAE)下再將熱量釋放出來。其結(jié)果，AC模式和CAE模式的熱效率就能夠雙雙得到改善，原先的熱量損失就可以被 回收來供空氣混合式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)使用。
參見圖8。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的熱循環(huán)原理圖。第一熱交換器(37)被 安裝在空氣存儲(chǔ)器(9)和第一氣缸(11)之間。第二熱交換器(38)則被安裝于第一氣缸(11) 和第二氣缸(21)之間。這兩個(gè)熱交換器(37)和(38)在熱力學(xué)上是通過載熱流體泵(39) 與儲(chǔ)熱箱(41)串聯(lián)在一起的。儲(chǔ)熱箱(41)具有真空絕熱結(jié)構(gòu)，其中裝有載熱流體(40) 和電熱元件(44)。它們通過載熱流體導(dǎo)管(42)構(gòu)成一個(gè)封閉的載熱流體循環(huán)回路。載熱 流體管路(42)的熱端被絕熱材料(43)所包裹。在AC模式下，載熱流體泵(39)將迫使 載熱流體順時(shí)針方向循環(huán)，如圖中載熱流體導(dǎo)管附近的箭頭所示。溫度較低的載熱流體(40) 從儲(chǔ)熱箱(41)的底部出來，通過載熱流體泵(39)進(jìn)入第二熱交換器(38),對(duì)第二氣缸 (21)排出的壓縮空氣進(jìn)行冷卻。載熱流體將繼續(xù)流入到第一熱交換器(37)之中，對(duì)第一 氣缸(11)所排出的壓縮空氣進(jìn)行冷卻。最后，被加熱的載熱流體被送回到儲(chǔ)熱箱(41)進(jìn) 行熱量存儲(chǔ)。在壓縮空氣被冷卻的同時(shí)，熱能將被回收、傳輸并存儲(chǔ)到儲(chǔ)熱箱(41)中。在 CAE模式下，載熱流體回路將逆向循環(huán)運(yùn)行，載熱流體泵(39)迫使載熱流體順時(shí)針方向運(yùn) 行(無箭頭顯示)。溫度較高的載熱流體(40)將從儲(chǔ)熱箱(41)的頂部出來，進(jìn)入第一熱 交換器(37)，對(duì)將要送到第一氣缸(11)去的壓縮空氣進(jìn)行加熱。載熱流體然后繼續(xù)流向 第二熱交換器(38)，對(duì)即將送入第二氣缸(21)的壓縮空氣迸行加熱。最后經(jīng)過使用的載 熱流體就通過載熱流體泵(39)被回饋到儲(chǔ)熱箱(41)的底部。
在圖8中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行溫度低于120攝氏度時(shí)，可以采用常規(guī)水質(zhì)冷卻液作為載熱流體。 而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行溫度高達(dá)250度攝氏時(shí)，耐熱的導(dǎo)熱油料，例如硅油、礦物油甚至發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑 油都可用作為載熱流體。儲(chǔ)熱箱(41)中的電熱元件(44)用來對(duì)載熱流體(40)進(jìn)行加熱， 以便將電能轉(zhuǎn)變成為存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱箱(41)中的熱能，從而實(shí)現(xiàn)"插入式"的充熱蓄能。
作為熱能存儲(chǔ)設(shè)備，儲(chǔ)熱箱(41)還可以用來捕獲和存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的熱能。與本發(fā)明 相關(guān)的HEIHE的CAE模式隨后將會(huì)把這種存儲(chǔ)起來的熱能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能。
仍參見圖8。與第一熱交換器(37)相接的截止閥門(45)用來調(diào)節(jié)壓力室(10)與空 氣存儲(chǔ)容器(9)之間的壓縮空氣流。如前所述，壓力室(10)需要一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏毫ΑＨ?果壓力室(10)內(nèi)部的壓力高于所需要的壓力，和/或當(dāng)HEIHE不需要消耗絕大部分的增壓 氣流而要把更多的新鮮空氣分流到壓力室(10)中，那么與第一熱交換器(37)相接的截止 閥門(45)就會(huì)在電磁控制下打開來釋放壓力，并且存儲(chǔ)氣動(dòng)能量以備后用。在HEIHE從停 機(jī)開始起動(dòng)的情況下，壓力室(10)中沒有足夠的工作壓力，于是截止閥門(45)也會(huì)開啟， 把來自空氣存儲(chǔ)容器(9)中的壓縮空氣通入到壓力室(10)中，以便快速建立起適當(dāng)?shù)墓ぷ?壓力。
由上可見，用已經(jīng)存儲(chǔ)起來熱能對(duì)壓縮空氣進(jìn)行二級(jí)加熱，就能夠?qū)е鹿べ|(zhì)膨脹到更大 的體積，于是就能獲得更大的潛能來進(jìn)行膨脹做功。這將成為一種增進(jìn)空氣混合式制動(dòng)能量 回收熱效率的行之有效的方法。
把AC模式和CAE模式集成到HEIHE之中將使得空氣混合式動(dòng)力車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為可能。HEIHE中所集成的空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)越性在于無須車載式可反復(fù)充電的能量存儲(chǔ) 系統(tǒng)(RESS) 。 RESS在電力混合式動(dòng)力系統(tǒng)中起著重要的作用，以至于電動(dòng)發(fā)電機(jī)和蓄電池 在其中必不可少。空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)則無需此類設(shè)備。這不僅會(huì)大大減少電動(dòng)發(fā)電機(jī)和蓄 電池所引起的重量和復(fù)雜性，還可以節(jié)省相當(dāng)可觀的成本。從技術(shù)上講，蓄電池的能量密度 是有限的，而且其充放電速率也將會(huì)受到約束。所以，它很可能沒有足夠的能力來處置制動(dòng) 能量再生所需的快速能量交換。蓄電池的使用壽命也是有限的，通常要短于車輛壽命。
電力混合式動(dòng)力系統(tǒng)將需要進(jìn)行五次相繼的能量轉(zhuǎn)換才能完成能量再生的循環(huán)一一從機(jī) 械能到電能；從電能到化學(xué)能；從化學(xué)能到化學(xué)能(化學(xué)能量存儲(chǔ))；從化學(xué)能到電能；以 及從電能到機(jī)械能。假定上述每項(xiàng)轉(zhuǎn)換的效率高達(dá)90%,于是能量再生環(huán)路的總效率就將是 90%的五次方，即59%。與此相反的是，空氣混合式能量再生環(huán)路只需要兩次轉(zhuǎn)換一一從機(jī)械 能到氣動(dòng)能和熱能；以及從氣動(dòng)能和熱能到機(jī)械能。在此氣動(dòng)能和熱能將永遠(yuǎn)是相互平行同 時(shí)發(fā)生的。假設(shè)兩次轉(zhuǎn)換中每次轉(zhuǎn)換的效率為81%,那么能量再生環(huán)路的總效率就將是81% X81%，即66%。所以我們能夠得出這樣的結(jié)論，空氣混合式動(dòng)力比電力混合式動(dòng)力具有更高 的能量再生效率，兩者之間的效率差額至少為10%。
更進(jìn)一步說，HEIHE的再生能量被存儲(chǔ)在空氣容器和儲(chǔ)熱箱之中。這兩種存儲(chǔ)設(shè)備的組 合將能夠提供較高的能量密度，與電力混合式動(dòng)力系統(tǒng)中可充電蓄電池相比能量密度要高得 多。壓縮空氣在50個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下所具有的能量密度與當(dāng)今最新式的鋰離子電池相當(dāng)。而把 空氣壓縮到四倍高的壓力，即200個(gè)大氣壓，似乎是種尋常之舉。另一方面，如果儲(chǔ)熱箱中 的載熱流體溫度能夠上升53攝氏度，那么其能量密度就已相當(dāng)于普通鎳金屬氫電池(NiMH 電池)。而要想把載熱流體的溫度升高四倍，即升高212攝氏度，那也是不難做到的。顯而 易見，能量存儲(chǔ)密度是電力混合式動(dòng)力系統(tǒng)的瓶頸。在上述能量密度實(shí)例中，四倍的氣動(dòng)能 量，加上四倍的熱能，將會(huì)使得HEIHE的再生能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的能量密度八倍于化學(xué)蓄電池的 能量密度。所以，HEIHE再生能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的可能達(dá)到的總能量存儲(chǔ)密度，絕對(duì)要優(yōu)越于電 力混合式系統(tǒng)。這種空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)越性使其一旦滿充能量，就將會(huì)使得車輛能夠 行駛更長的距離。如果所充入的能量來自家用動(dòng)力電網(wǎng)，那么就可獲得長距離的"插入式" 混合動(dòng)力系統(tǒng)?？諝饣旌鲜絼?dòng)力系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是，它包含雙份并聯(lián)的能量存儲(chǔ)設(shè)備，因而 能夠支持雙倍速率的能量交換，以較高的速率吸收突如其來的制動(dòng)能量，然后又將這種能量 爆發(fā)性地釋放出來，從而驅(qū)動(dòng)汽車從靜止起步或在行駛中加速。
為獲得"插入式"混合動(dòng)力系統(tǒng)，可以在壓縮空氣存儲(chǔ)容器上加裝外部充氣接口，以便 利用車輛外部的壓縮空氣源及其能量來進(jìn)行能量存儲(chǔ)。同時(shí)還可以在圖八的儲(chǔ)熱箱(41)中
加裝電熱元件(44)，以便利用家用動(dòng)力電源來對(duì)載熱流體進(jìn)行直接加熱與熱能存儲(chǔ)。采用 家用動(dòng)力電源來實(shí)現(xiàn)的對(duì)HEIHE再生能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的充氣與充熱，不僅會(huì)使得HEIHE成為名 副其實(shí)的"插入式"混合動(dòng)力系統(tǒng)，而且還將成為未來"插入式"混合動(dòng)力車輛的能源注入 方式。如前所述，此舉將比傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池充電儲(chǔ)能的方式效率更高、能源注入速度更快。 我們最后所要關(guān)心的集成到HEIHE中的設(shè)備是空氣式混合動(dòng)力系統(tǒng)中的熱交換器。顯然 熱交換器的效率不是100%，但這是專門用來進(jìn)行工質(zhì)熱交換的設(shè)備，其效率將足夠地高，其生就是用來處置熱量的。與此相反，在電力混合式系統(tǒng) 中與此相對(duì)應(yīng)設(shè)備的是電力逆變器，這種逆變器用來把蓄電池的直流電能轉(zhuǎn)變成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)
所需要的交流電能。盡管電力逆變器的效率很高，但畢竟不是100%。假設(shè)其效率高達(dá)93%， 那么其余7%的能量就會(huì)以熱量的形式而被散發(fā)掉。這種不需要的熱量散發(fā)，不僅是一種我們 所不希望的能量損失，而且還會(huì)導(dǎo)致功率電子器件的過熱甚至熱崩潰。結(jié)果不得不采用專門 的冷卻系統(tǒng)來對(duì)電力逆變器進(jìn)行冷卻，這又將引起額外的重量、成本和復(fù)雜性。如果設(shè)計(jì)者 打算十分聰明地將電力逆變器的冷卻系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)中已有的冷卻系統(tǒng)結(jié)合起來，那么電力逆
變器極其電子設(shè)備就得在高溫下進(jìn)行工作。這將引起更大的挑戰(zhàn)，并帶來更多的問題。顯而 易見，熱能管理是電力混合式動(dòng)力系統(tǒng)的又一瓶頸。因而，HEIHE中所集成的空氣混合式動(dòng) 力系統(tǒng)的直截了當(dāng)?shù)哪芰啃问綄⒈入娏旌鲜絼?dòng)力系統(tǒng)在本質(zhì)上具有較大優(yōu)勢。
如上文所敘述，在蒸汽做功沖程中，氣缸中存在著由于熱分解和化學(xué)裂解過程所導(dǎo)致的 可燃性氣體。這些裂解過程在蒸汽做功沖程中可能是慢速而逐漸發(fā)生的。所以在一次蒸汽做 功沖程和二次蒸汽做功沖程過程中，必須對(duì)兩個(gè)氣缸進(jìn)行多次點(diǎn)火。至少是應(yīng)該在蒸汽做功 沖程中可燃?xì)怏w濃度達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)進(jìn)行點(diǎn)火。在進(jìn)一步研發(fā)中，還可以將熒光放電施加于氣 缸之中，以便在蒸汽做功過程中獲得額外的體積膨脹。
如上文所敘述，二次空氣一燃油燃燒將導(dǎo)致二次空氣一燃油做功沖程而無需消耗額外的 燃料，所以燃油轉(zhuǎn)換效率將大為提高。更有甚者,，第二氣缸將可用作一個(gè)特殊的熱反應(yīng)器， 該反應(yīng)器足以用來消除一次空氣一燃油燃燒所產(chǎn)生的廢氣污染物。眾所周知，即便是在沒有 反應(yīng)催化劑參與的情況下，碳?xì)浠衔镌诔^600攝氏度的溫度下也將會(huì)被氧化，只要在此 溫度的駐留時(shí)間足夠長。在超過700攝氏度的溫度下， 一氧化碳也將被氧化。這種二次燃燒 溫度對(duì)于以汽油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的來說是非常容易獲得的，因?yàn)橐淮慰諝庖蝗加腿紵呐艢?溫度在大功率狀態(tài)下將會(huì)高達(dá)900攝氏度。
另一個(gè)眾所周知的事實(shí)是，可燃性氣體的氧化將會(huì)產(chǎn)生熱量。例如1.5%濃度的一氧化 碳的氧化將導(dǎo)致220攝氏度的溫度上升。由于氧化及其伴隨熱量釋放發(fā)生在第二氣缸中，所 釋放的熱能就將被捕獲而轉(zhuǎn)換為有用的機(jī)械動(dòng)力。為保持氧化過程的持續(xù)發(fā)生，不僅需要在 第二氣缸中預(yù)先存儲(chǔ)新鮮空氣(事先發(fā)生的增壓沖程提供了這一動(dòng)作)；而且也要保持反應(yīng) 溫度足夠的高。為了保持反應(yīng)溫度足夠的高，在第一氣缸中發(fā)生的一次燃燒過程期間，將需 要進(jìn)行富油的濃質(zhì)燃燒。所以，本發(fā)明期盼某種分段式的燃燒方法。與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE 的雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)將會(huì)成為用來實(shí)現(xiàn)這種分段燃燒的自然而然的熱力學(xué)機(jī)構(gòu)。無可質(zhì)疑， 在熱力學(xué)與機(jī)械學(xué)領(lǐng)域完美結(jié)合的機(jī)械結(jié)構(gòu)將會(huì)獲得更高的燃油轉(zhuǎn)換效率，而HEIHE的雙聯(lián) 復(fù)合式氣缸絕對(duì)就是這樣一種機(jī)械結(jié)構(gòu)。
參見圖9。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HE舊E的缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)缸體絕熱的 結(jié)構(gòu)原理圖。HEIHE的兩個(gè)雙聯(lián)氣缸中都有催化金屬網(wǎng)(48)被安裝在其燃燒室中。在空氣 一燃油做功沖程期間，它們被加熱到燃燒室的溫度。而在后來的蒸汽做功沖程中，它們繼續(xù) 保持熱度。被持續(xù)加熱的催化金屬網(wǎng)能夠加速蒸汽在燃燒室高溫下裂變成為氫氣和氧氣的過 程，同樣也會(huì)增進(jìn)未燃燒碳?xì)浠衔锏恼羝炎兒?或蒸汽氫裂變。所有這些裂變過程都將導(dǎo)致帶有熱能的可燃性氣體。另一方面，被加熱的催化金屬同樣還會(huì)促進(jìn)空氣一燃油混合氣及 其廢氣的二次燃燒，或者會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)廢氣在新鮮空氣中的氧化，以便減少廢氣排放，同時(shí) 捕獲取空氣一燃油混合氣及其廢氣的二次燃燒所產(chǎn)生的熱能。只要溫度許可，在第一氣缸中 發(fā)生的所有裂變過程，都能夠在第二氣缸中重復(fù)發(fā)生。
換句話說，缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)(48)是把催化轉(zhuǎn)換器集成到本發(fā)明HEIHE中的結(jié)果，而催
化轉(zhuǎn)換器則是普通內(nèi)燃機(jī)外圍必不可少的一種二次燃燒設(shè)備。這種完美的集成，不僅有助于 減少廢氣排放，而且還能夠捕獲二次燃燒以及催化轉(zhuǎn)換所釋放的熱量。其結(jié)果會(huì)使HEIHE再 獲得一項(xiàng)效率增益，廢氣排放也將降低到一個(gè)很低的水平，以至于安裝在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)之外的 催化轉(zhuǎn)換器能夠被大為縮小甚者不再需要。這也將有助于降低成本。
在雙聯(lián)復(fù)合式氣缸中進(jìn)行燃燒將有利于實(shí)現(xiàn)分段燃燒，這種分段燃燒通過對(duì)雙聯(lián)復(fù)合式 氣缸施加先濃后稀的不同的空氣一燃油混合比來加以實(shí)現(xiàn)。它故意使得第一氣缸中的一次燃 燒為貧氧富油的濃質(zhì)燃燒，然后將燃燒所得的產(chǎn)物送入到第二氣缸中進(jìn)行富氧貧油的稀質(zhì)燃 燒。由圖7與圖8的文字?jǐn)⑹隹芍?，第二氣缸在進(jìn)行二次空氣一燃油做功沖程之前的周期就 已經(jīng)完成了增壓沖程。所以，第二氣缸的燃燒室中預(yù)先己經(jīng)充滿了被壓縮的新鮮空氣，并且 這些新鮮空氣已經(jīng)被壓縮過程以及氣缸壁上的余熱所加熱。所以燃燒室中預(yù)留的新鮮熱空氣 自然而然就將成為第二氣缸中二次燃燒的追加氧化劑，從而使得二次燃燒成為一種能夠充分 氧化燃料的富氧貧油的稀質(zhì)燃燒。二級(jí)分段燃燒于是乎就能夠在雙聯(lián)復(fù)合式氣缸中得以實(shí)現(xiàn)， 這又將進(jìn)一步對(duì)HEIHE的燃油轉(zhuǎn)換效率做出貢獻(xiàn)。
本發(fā)明中所披露的HEIHE在使用柴油或生物柴油作為燃料的情況下，常規(guī)柴油內(nèi)燃機(jī)所 遇到的那些令人頭痛的煙燼和/或微粒，將會(huì)被分段燃燒所凈化。每當(dāng)煙燼和/或微粒在第一 氣缸中的一次燃燒中被產(chǎn)生出來，他們就能與廢氣一起被傳輸?shù)降诙飧字?，并在第二氣?中遇到預(yù)留的新鮮空氣而被氧化。通常，柴油燃燒的微粒物質(zhì)將在大約500到600攝氏度起 燃。這一溫度高于第一氣缸燃燒柴油的排氣溫度(200到500攝氏度)。然而，在缸內(nèi)催化 金屬網(wǎng)的協(xié)助下，柴油微粒物質(zhì)的起燃溫度將會(huì)降低到200攝氏度。以此方法，大部分的柴 油微粒物質(zhì)就會(huì)被燒掉。為增進(jìn)二次燃燒，還可以在一次燃燒膨脹沖程的末點(diǎn)在第一氣缸中 進(jìn)行少量噴油，即排氣前噴油。其結(jié)果是，第一氣缸排氣溫度升高，柴油燃燒的微粒物質(zhì)將 會(huì)被充分氧化，而氧化所釋放出的熱能將會(huì)被第二氣缸所捕獲。
仍參見圖9，水套(46)可以被安置在第一氣缸的周圍，以對(duì)將要注入第一氣缸的流體 進(jìn)行預(yù)熱。流體導(dǎo)管(47)把水套(46)和流體注入器(14)連接起來。水套(46)將吸收 從氣缸壁逃逸出來的熱量，并把將要注入氣缸的流體加熱到臨界超熱狀態(tài)。其結(jié)果，逃逸出 來的熱能就會(huì)被重新捕獲，并且被回饋到氣缸中去進(jìn)一步做功，從而獲得臨界超熱蒸汽膨脹 做功。這又是另一項(xiàng)HEIHE燃油轉(zhuǎn)換效率的增益因素。
仍參見圖9。為了提高熱效率，并減少發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的熱量損失，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的表面將被 絕熱材料(43)所覆蓋。超熱的流體導(dǎo)管(47)也將被絕熱材料(43)所包裹。更進(jìn)一步， 兩個(gè)活塞(17)和(27)的腔體也可填充入質(zhì)地輕盈的絕熱材料(43)，以防止熱量從活塞 底部流失。最后，甚至連桿也應(yīng)該用導(dǎo)熱性較低的材料來制作。所有這些絕熱措施，都必將獲得HEIHE燃油轉(zhuǎn)換效率的增益。
參見圖10。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的雙聯(lián)氣缸勻熱水套的結(jié)構(gòu)原理圖及其載 熱流體的流向示意圖。其中圖10 A為橫向截面剖視圖；圖10 B為縱向截面剖視圖。圖中 箭頭所示方向即為載熱流體的流動(dòng)方向。載熱流體在雙聯(lián)氣缸勻熱水套中從第一氣缸(11) 的左邊，即圖十A中標(biāo)有"UP"處往上流動(dòng)，經(jīng)過第一氣缸(11)的上部和廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV) (16)的上部水平地流向第二氣缸(21)的上部，然后在靠近廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV) (26) 處，即圖10A中標(biāo)有"DN"處轉(zhuǎn)往下方流動(dòng)。載熱流體隨后從第二氣缸(21)的右邊往下流 動(dòng)，經(jīng)過第二氣缸(21)的下部和廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV) (16)的下部水平地流回到第一氣 缸(11)的下部，接之沿第一氣缸(11)的左邊往上流動(dòng)，完成在其縱向剖視圖中的順時(shí)針 方向的循環(huán)回路。
雙聯(lián)氣缸勻熱水套環(huán)繞于雙聯(lián)復(fù)合式氣缸的外圍，用載熱流體循環(huán)對(duì)流的方式使得兩個(gè) 雙聯(lián)氣缸的溫度盡量均勻，從而把從有源一次氣缸壁逃逸出來的熱量饋送到無源二次氣缸周 圍。我們將此傳熱結(jié)構(gòu)命名為雙聯(lián)氣缸勻熱水套。通過雙聯(lián)氣缸的勻熱水套，有源一次氣缸 就將成為無源二次氣缸的熱源，結(jié)果有助于提高HEIHE系統(tǒng)的熱效率，變廢熱為寶。反之， 無源二次氣缸也將成為有源一次氣缸的冷卻器，結(jié)果是一舉兩得，省去了專門的冷卻系統(tǒng)及 其散熱器。為提高運(yùn)行效率，雙聯(lián)氣缸勻熱水套內(nèi)部具有斜向?qū)Я鳒喜叟c導(dǎo)流傳熱柵條，以 便實(shí)現(xiàn)載熱流體無源自然對(duì)流循環(huán)。雙聯(lián)氣缸勻熱水套中的載熱流體既可以采用常規(guī)水質(zhì)冷 卻液，也可以采用耐熱的導(dǎo)熱油料，例如硅油、礦物油甚至發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油。載熱流體在勻熱 水套中的對(duì)流既可以是無源自循環(huán)，又可以是有源強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)。甚至可以在循環(huán)回路的低 溫區(qū)段加裝循環(huán)泵來實(shí)現(xiàn)有源強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)。
圖11列出了與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的燃油轉(zhuǎn)換效率的綜述表。表中示出了十四項(xiàng)影響 HEIHE總效率的因素。在這十四項(xiàng)效率因素中，有四項(xiàng)與做功沖程相關(guān)，他們導(dǎo)致了正向機(jī) 械功率輸出；另外四項(xiàng)是HEIHE相對(duì)于常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)；十四項(xiàng)中有一項(xiàng)獨(dú)特而較大 的因素是空氣混合式制動(dòng)能量再生；十四項(xiàng)中最后較小的四項(xiàng)因素是HEIHE相對(duì)于常規(guī)內(nèi)燃 機(jī)在燃燒學(xué)和熱力學(xué)領(lǐng)域的改進(jìn)；唯一的負(fù)增長因素是超級(jí)增壓，它并不能太多地增進(jìn)效率， 而是能提高HEIHE系統(tǒng)的功率密度。
仍參見圖11，每一項(xiàng)效率因素都被列在一行之中，既有最低效率，又有最高效率，并且 還有平均效率。第一行是一次空氣一燃油的燃燒和膨脹。它以常規(guī)內(nèi)燃機(jī)僅有的做功沖程為 基礎(chǔ)，也就是100%的相對(duì)效率起始點(diǎn)?；诂F(xiàn)代常規(guī)汽油內(nèi)燃機(jī)的效率，此項(xiàng)最低效率為 25%，最高效率為30%。第二行是二次空氣一燃油的燃燒和膨脹，它對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)來說具有20% 到22%的效率增益。第三行是一次蒸汽膨脹，它對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)來說具有35%到40%的效率增益。 第四行是二次蒸汽膨脹，它相對(duì)于第三行的一次蒸汽膨脹來說，具有20%到22%的效率增益。 第五行到第八行是取消水泵和散熱器、廢氣驅(qū)動(dòng)閥門(EAV)、噴射式超級(jí)增壓器以及蒸發(fā) 式中間冷卻器所分別帶來的效率增益。它們每一項(xiàng)估計(jì)都將對(duì)總效率帶來2%到3%的絕對(duì)增 益。第九行為空氣混合式制動(dòng)能量再生?；诂F(xiàn)有的電力混合式動(dòng)力系統(tǒng)比常規(guī)內(nèi)燃機(jī)效率 高出20%到30%的增益，在此之上再增加10%作為HEIHE中空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)的效率增益將是合理的，結(jié)果可使得這項(xiàng)效率增益比基準(zhǔn)點(diǎn)高出22%到33%。第十行到第十三行分別列 出由缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)、分段燃燒、勻熱水套及其待注入流體預(yù)熱，以及缸體與活塞腔體絕熱 所帶來的效率增益。估計(jì)它們每一項(xiàng)會(huì)對(duì)總效率提供1%到2%的絕對(duì)增益。第十四行是以上 十三項(xiàng)效率的合計(jì)，結(jié)果可以得到58.00%的最低合計(jì)效率，81.14%的最高合計(jì)效率，以及 69.57%的平均合計(jì)效率。第十五行反映了超級(jí)增壓器的功率消耗所帶來的負(fù)向效率增益，即 第十四行合計(jì)效率的一20%到一15%。第十六行是從第十四行減去第十五行所得到的HEIHE的 總效率，結(jié)果是最低總效率為46.60%，最高總效率為68.97%，平均總效率為57.68%。第十 七行把HEIHE的總效率與第一行的基準(zhǔn)效率相比較，從而獲得1.86倍的最低總效率比值，2.30 倍的最高總效率比值，以及2.08倍的平均總效率比值。第十八行示出了總效率相對(duì)于第一行 中常規(guī)內(nèi)燃機(jī)基準(zhǔn)效率的增長率，結(jié)果可獲得85.60%的最低總效率增長率，129.90%的最高 總效率增長率，以及107.75%的平均總效率增長率。所以，我們可以確實(shí)地得到這樣的結(jié)論 高效集成式熱機(jī)(HEIHE)的總?cè)加娃D(zhuǎn)換效率，顧名思義，至少是比常規(guī)內(nèi)燃機(jī)翻一番，或者 說是常規(guī)內(nèi)燃機(jī)的兩倍^
參見圖12。圖中所示為與本發(fā)明相關(guān)的HEIHE的燃油轉(zhuǎn)換效率圖譜。在這張燃油轉(zhuǎn)換效 率圖譜中，圖11中列出的所有效率因素都被用直方圖的形式表示出來。所有效率因素的總和， 也就是HEIHE的總?cè)加娃D(zhuǎn)換效率，被顯示在圖表的最右側(cè)。顯而易見，本發(fā)明所涉及的HEIHE 與常規(guī)內(nèi)燃機(jī)相比具有雙倍的燃油轉(zhuǎn)換效率。
由于技術(shù)上的優(yōu)越性，本發(fā)明所披露的高效集成式熱機(jī)(HEIHE)將使得我們習(xí)以為常的 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)煥然一新。首先，基于較高的燃油轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明將會(huì)降低未來車輛和動(dòng)力系 統(tǒng)的燃油消耗。其次，由于分段燃燒和二次催化轉(zhuǎn)換燃燒，本發(fā)明將大大提高燃燒效率，并 顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放。第三，由于多種做功沖程已經(jīng)集成到同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體之中， 本發(fā)明將導(dǎo)致未來車輛和動(dòng)力系統(tǒng)具有較高的功率密度。較高的功率密度意味著較小的發(fā)動(dòng) 機(jī)體積和重量，或者說，在相同的體積和重量下具有較大的功率。第四，本發(fā)明將非常易于 實(shí)現(xiàn)。它只不過是采用了常規(guī)內(nèi)燃機(jī)氣缸加活塞的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并無復(fù)雜而異樣的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造。 第五，本發(fā)明將導(dǎo)致未來車輛和動(dòng)力系統(tǒng)的低成本和低造價(jià)，這是由于HEIHE不涉及價(jià)格昂 貴的結(jié)構(gòu)和部件。第六，本發(fā)明可以輕而易舉地與"插入式"混合動(dòng)力系統(tǒng)相互集成起來。 最后，本發(fā)明所涉及的HEIHE將與多種燃料.相兼容。這是因?yàn)榭勺儔嚎s比易于在其中實(shí)現(xiàn)， 并且分段燃燒將能容忍較寬的空氣一燃油比范圍。
總而言之，本發(fā)明所披露的高效集成式熱機(jī)(HEIHE)將以雙倍的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油轉(zhuǎn)換效率對(duì) 人類做出巨大貢獻(xiàn)。雙倍效率意味著更低的燃油消耗。雙倍效率意味著加倍的燃油經(jīng)濟(jì)性。 雙倍效率意味著雙倍能源。雙倍效率意味著成倍的節(jié)能減排。雙倍效率將使環(huán)境更為清潔。 雙倍效率意味著更少的廢氣排放。雙倍效率意味著更小的溫室效應(yīng)。雙倍效率意味著更大的 能源自主性。雙倍效率意味著更多的石油儲(chǔ)備。無論是在石油經(jīng)濟(jì)時(shí)代，還是在其他能源經(jīng) 濟(jì)時(shí)代，乃至任何經(jīng)濟(jì)時(shí)代，雙倍效率都意味著更強(qiáng)壯的經(jīng)濟(jì)。本發(fā)明將有益于世界上所有 涉及燃料燃燒動(dòng)力裝置的領(lǐng)域，從民用車輛到軍需輜重，從工程動(dòng)力機(jī)械到農(nóng)業(yè)動(dòng)力裝置， 從發(fā)電廠到蓄能電站，從園林工具到遠(yuǎn)洋船舶。本發(fā)明甚至能夠響應(yīng)美國總統(tǒng)布什在其先進(jìn)能源倡議書(Advanced Energy Initiative)中所提出的挑戰(zhàn)，同時(shí)還能夠符合美國能源部自 由車輛技術(shù)(FCVT)研發(fā)計(jì)劃所提出的指導(dǎo)方針。
本發(fā)明人確信以上的詳盡闡述將有助于理解本發(fā)明所披露的高效集成式熱機(jī)(HEIHE)及 其所具有的各種優(yōu)越性。本發(fā)明人還相信，本發(fā)明的各組成部分在形式、結(jié)構(gòu)與編排方面可 能發(fā)生各種變化，但都不至于會(huì)背離本發(fā)明的范疇與精神，也不會(huì)有損于本發(fā)明全部與生俱 來的優(yōu)越性。也就是說，萬變將不離其宗。迄今為止的文字表述內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明的一種 解釋性的闡述，而本發(fā)明的各項(xiàng)權(quán)利要求則是用來包容和涵蓋各種可能的千變?nèi)f化的具體實(shí) 施方式。凡是本發(fā)明未提及的連接方式均為現(xiàn)有技術(shù)中的連接方式。
權(quán)利要求
1、一種高效集成式熱機(jī)，其特征在于含有組合式熱功轉(zhuǎn)換過程以及由多種工質(zhì)膨脹所驅(qū)動(dòng)的多種做功沖程，所述的多種不同的工質(zhì)至少包括空氣—燃油燃燒產(chǎn)物、蒸汽和空氣混合式制動(dòng)能量再生模式下的壓縮空氣；所述的多種做功沖程至少包含下列四種(a)一次空氣—燃油燃燒/膨脹做功沖程，簡稱為一次空氣—燃油做功沖程；(b)二次空氣—燃油燃燒/膨脹做功沖程，簡稱為二次空氣—燃油做功沖程；(c)一次蒸汽膨脹做功沖程，簡稱為一次蒸汽做功沖程；(d)二次蒸汽膨脹做功沖程，簡稱為二次蒸汽做功沖程。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于具有-雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)，其中的雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)至少包含一對(duì)雙聯(lián)氣缸，即第一氣缸(11)和第二氣缸(21)，它們同時(shí)被集成在同--汽缸體之中，并相互靠近，第二氣缸(21) 的容積大于第一氣缸(11)，兩個(gè)氣缸中軸線的夾角為0度至200度，第一氣缸為空氣一燃 油混合氣的一次燃燒/膨脹氣缸，第二氣缸為空氣一燃油混合氣的二次燃燒/膨脹氣缸，同時(shí)第一氣缸還為蒸汽的一次膨脹氣缸，第二氣缸為蒸汽的二次膨脹氣缸；所述的第一氣缸(11)包含第一活塞(17)及其連桿(18)，第一氣缸(11)的頂端至 少裝有一具儲(chǔ)氣閥門(12)、充氣閥門(15)、火花塞(13)以及流體注入器(14)，儲(chǔ)氣 閥門(12)與壓縮空氣存儲(chǔ)容器(9)相連通；所述的第二氣缸(21)包含第二活塞(20) 及其連桿(19)，第二氣缸(21)的頂端至少裝有一具增壓閥門(22)、進(jìn)氣閥rf (25)以 及火花塞(23)，進(jìn)氣閥門(25)與空氣濾清器(6)或空氣入口相連通；第一氣缸(11) 與第二氣缸(21)的燃燒室中都至少裝有一具缸內(nèi)催化金屬網(wǎng)(48);所述第一氣缸中的第一活塞與第二氣缸中的第二活塞通過連桿(18) 、 (19)與曲軸(8) 相互交連，兩個(gè)活塞在曲軸上相互交連的曲軸旋轉(zhuǎn)角度差為0度至270度；所述第一氣缸(11)與第二氣缸(21)之間至少裝有一具缸間傳輸閥門(16)，其第二 氣缸與排氣口 (7)之間至少裝有一具排氣閥門(26)，缸間傳輸閥門和排氣閥門是塞柱式閥 門或其它形式的閥門；在所述增壓閥門(22)的出口處裝有蒸發(fā)式中間冷卻器(4)和噴射式增壓泵(2)，增 壓閥門(22)的出口與蒸發(fā)式中間冷卻器的入口相連接，蒸發(fā)式中間冷卻器的出口與噴射式 增壓泵的出口相連接，噴射式增壓泵的出口則連通到充氣閥門(15)的入口處；在蒸發(fā)式中間冷卻器(4)的內(nèi)壁上安裝燃油噴射器(5)，燃油被定時(shí)定量地噴射到蒸 發(fā)式中間冷卻器中；具有環(huán)繞于雙聯(lián)復(fù)合式氣缸外圍的使得兩個(gè)氣缸溫度均勻的勻熱水套(46)，載熱流體 在勻熱水套中循環(huán)流動(dòng)，勻熱水套內(nèi)部具有斜向?qū)Я鳒喜叟c導(dǎo)流傳熱柵條-， 所述的勻熱水套(46)中的載熱流體為常規(guī)水質(zhì)冷卻液或耐熱的導(dǎo)熱油料； 所述雙聯(lián)復(fù)合式氣缸的缸體(1)為絕熱材料(43)所覆蓋，其活塞腔體有絕熱材料填充。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于它工作在由十二個(gè)沖程所組成 的六個(gè)工作周期中，每個(gè)工作周期中有兩個(gè)沖程分別同時(shí)發(fā)生于第一氣缸和第二氣缸之中， 其六個(gè)工作周期中有四個(gè)周期包含了四種不同的做功沖程，但僅有一種做功沖程，即一次空 氣一燃油做功沖程消耗燃油；其十二個(gè)沖程的全部工作時(shí)序包含了三次完整的曲軸回轉(zhuǎn)，即 曲軸轉(zhuǎn)角的1080度，覆蓋六個(gè)工作周期，每個(gè)工作周期為180度曲軸轉(zhuǎn)角；其六個(gè)工作周 期中的十二個(gè)沖程分別為(a) 第一周期0度至180度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為充氣沖程，第二氣缸則為蒸汽排氣沖程；(b) 第二周期180度至360度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為壓縮沖程，第二氣缸則為進(jìn)氣沖程；(c) 第三周期360度至540度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為一次空氣一燃油做功沖程，第二氣缸則為增壓沖程；(d) 第四周期540度至720度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為空氣一燃油排氣沖程，第二氣缸 則為二次空氣一燃油做功沖程；(e) 第五周期72.0度至900度曲軸轉(zhuǎn)角。第一氣缸為一次蒸汽做功沖程，第二氣缸則 為空氣一燃油排氣沖程；(f) 第六周期900度至1080度曲軸轉(zhuǎn)角，第一氣缸為蒸汽排氣沖程，第二氣缸為二次蒸汽做功沖程。
4、 如權(quán)利要求2所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于在曲軸轉(zhuǎn)角為300度至400度的 范圍內(nèi)，第一氣缸將進(jìn)行第一次點(diǎn)火，在曲軸轉(zhuǎn)角為720度至990度的范圍內(nèi)，第一氣缸將 進(jìn)行多次點(diǎn)火，在曲軸轉(zhuǎn)角為900度至1080度的范圍內(nèi)，第二氣缸將進(jìn)行多次點(diǎn)火；在曲 軸轉(zhuǎn)角為540度至900度的范圍內(nèi)，第--氣缸中將進(jìn)行一次或多次流體注入，注入第一氣缸 中的流體為純水、去離子水或蒸餾水、壓縮空氣或乙醇的水溶液。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于其雙聯(lián)復(fù)合式氣缸中的空氣一 燃油燃燒方式為分段燃燒，分段燃燒通過對(duì)雙聯(lián)復(fù)合式氣缸施加先濃后稀的不同的空氣一燃 油混合比來加以實(shí)現(xiàn)，在燃燒室中預(yù)留新鮮熱空氣作為第二氣缸中二次燃燒的追加氧化劑， 以使得二次燃燒成為富氧貧油的稀質(zhì)燃燒，在其一次燃燒膨脹沖程的末點(diǎn)在第一氣缸中或第 二氣缸中進(jìn)行少量噴油，即排氣前追加噴油，或工質(zhì)傳輸時(shí)刻追加噴油。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于其中用壓力室(10)相接的截止閥門 (24)對(duì)增壓氣流進(jìn)行分流的方式實(shí)現(xiàn)可變壓縮比；并采用壓燃直噴來作為汽油燃料、柴油燃料或生物柴油燃料的一次燃燒方式，即用燃油噴射器取代第一氣缸的頂端的火花塞。
7、 如權(quán)利要求1所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于所述的塞柱式閥門用廢氣驅(qū)動(dòng)閥門來實(shí)現(xiàn)， 所述的廢氣驅(qū)動(dòng)閥門，其總成至少包括EAV壓力室、EAV上壓力缸(32) 、 EAV下氣缸(35) 、 EAV 塞柱(33)及其承壓頭(36)與導(dǎo)氣開口 (34)、廢氣導(dǎo)管(27)、通風(fēng)管(28)、廢氣排放通道(29)、 電磁截止閥門(31)以及單向閥門(30)，并至少裝有一臺(tái)微型控制計(jì)算機(jī)來根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行廢氣 驅(qū)動(dòng)閥門的復(fù)位操作。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于含有空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)，空 氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)采用壓縮空氣作為工質(zhì)，制動(dòng)能量再生所回收的能量被存儲(chǔ)在壓縮空氣容 器(9)和儲(chǔ)熱箱(41)之中，所述的具有制動(dòng)能量再生功能的空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)，利用熱 交換器(3力(38)來吸收制動(dòng)能量再生時(shí)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮所產(chǎn)生的熱能，并將載有熱能的工 質(zhì)存儲(chǔ)在真空絕熱的儲(chǔ)熱箱中以備后用，其工作過程包括空氣壓縮機(jī)模式和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 模式；所述的具有制動(dòng)能量再生功能的空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)，在空氣壓縮機(jī)模式下將工作于二 級(jí)空氣壓縮機(jī)狀態(tài)，其較大的第二氣缸工作于一級(jí)壓縮階段，而較小的第一氣缸則工作于二 級(jí)壓縮階段，所述的空氣壓縮機(jī)模式包含下列兩個(gè)周期和四個(gè)沖程(a) 空氣壓縮機(jī)模式的第一周期180度至360度CA,第二氣缸為空氣壓縮機(jī)模式的進(jìn)氣沖程，第一氣缸則為空氣壓縮機(jī)模式的壓縮沖程；(b) 空氣壓縮機(jī)模式的第二周期360度至450度CA，第二氣缸為增壓沖程，第一氣 缸則為充氣沖程；所述的具有制動(dòng)能量再生功能的空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)，在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式下將成為 二級(jí)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其較小的第一氣缸工作于--級(jí)膨脹階段，而較大的第二氣缸則工作于二級(jí)膨脹階段，所述的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式包含下列兩個(gè)周期和四個(gè)沖程(a) 壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式的第一周期，0度至180度CA，第一氣缸為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 模式的一級(jí)做功沖程，第二氣缸則為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式排氣沖程；(b) 壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式的第二周期，180度至360度CA，第一氣缸為排氣沖程，第 二氣缸則為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式的二級(jí)做功沖程。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于所述的具有制動(dòng)能量再生功能 的空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)，其熱循環(huán)系統(tǒng)采用兩級(jí)熱交換器在空氣壓縮機(jī)模式來冷卻壓縮空氣， 而在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式則用來加熱壓縮空氣，采用真空絕熱的儲(chǔ)熱箱(41)來收集熱量， 并在閑置模式下存儲(chǔ)熱量，然后在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式下再將熱量釋放出來，所述的儲(chǔ)熱箱 中的載熱流體(40)采用常規(guī)水質(zhì)冷卻液或耐熱的導(dǎo)熱油料。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的高效集成式熱機(jī)，其特征在于所述的具有制動(dòng)能量再生功能 的空氣混合式動(dòng)力系統(tǒng)，其熱循環(huán)回路中載熱流體在空氣壓縮機(jī)模式下的冷卻循環(huán)路徑為-自儲(chǔ)熱箱底部——冷端，到載熱流體泵、第二熱交換器(38)、第一熱交換器(37)，最后 再回到儲(chǔ)熱箱(41)頂部——熱端，其熱循環(huán)回路中載熱流體在壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的加 熱循環(huán)路徑為自儲(chǔ)熱箱頂部——熱端，到第一熱交換器、第二熱交換器、載熱流體泵(39)， 最后再回到儲(chǔ)熱箱底部——冷端，所述的壓縮空氣容器和儲(chǔ)熱箱之中所充入的能量是來自家 用動(dòng)力電網(wǎng)，是用電源提供能量的"插入式"混合動(dòng)力系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶組合式熱功轉(zhuǎn)換過程的高效率熱機(jī)，尤其是集成了多種做功沖程和多種工質(zhì)的熱機(jī)。本發(fā)明具有雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)，其第一氣缸為一次燃燒/膨脹氣缸，第二氣缸則為二次燃燒/膨脹氣缸。由多種工質(zhì)膨脹所驅(qū)動(dòng)的多種做功沖程在熱機(jī)中被集成為一體。這些不同的工質(zhì)包括空氣-燃油燃燒產(chǎn)物、蒸汽和空氣混合式制動(dòng)能量再生模式下的壓縮空氣。雙聯(lián)復(fù)合式氣缸結(jié)構(gòu)為三種不同工質(zhì)的復(fù)合膨脹提供了場所，并且能夠捕獲工質(zhì)排放和制動(dòng)過程所損失的能量。這種結(jié)構(gòu)使得本發(fā)明能夠工作在由十二個(gè)沖程所組成的六個(gè)工作周期中。在這六個(gè)工作周期中，有四個(gè)周期包含了四種不同的做功沖程，但僅有一種做功沖程消耗燃油。所以，燃油轉(zhuǎn)換效率就能夠大為提高，甚至是比常規(guī)內(nèi)燃機(jī)(ICE)翻一番。
文檔編號(hào)F02F1/10GK101418716SQ20071006630
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者周弼云, 楊彬彬, 舒亞玲, 趙元軍, 趙元平, 趙元藩, 趙袆珩 申請(qǐng)人:趙元藩