CN101939185A - 空气混合动力汽车 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种由内燃机(16)驱动的空气混合动力汽车，所述发动机可装备或不装备增压器或涡轮增压器(10)用于使发动机(16)增压。在本发明中，在汽车的减速和滑行期间，从汽车取得动力以驱动发动机(16)。该发动机(16)吸收来自汽车的动能，并采用该动能来产生增压空气，该增压空气被传输和储存在车上的增压空气储存罐(34)，处于不超过3巴绝对压力的储存压力。通过增压替代，所述汽车节省燃料并获得高的性能，当该增压空气被用于在汽车的加速或巡航期间短时供应给发动机(16)，不依赖于任何空气增压器，不需实际驱动空气增压器而能临时实现空气增压器的功能，替代通常由空气增压器的增压而能产生同等的增压，并在再生制动期间储存该增压空气。为了容纳大的增压空气储存罐(34)，汽车的车身是采用多个气密容器，连接在一起形成一个大的储存容器。

Description

空气混合动力汽车

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽车，其中，在制动过程中将要消耗的能量被存储为增压空气的形式用于后续再利用。当制动汽车时恢复的再利用能源的概念通常被称为再生制动。

背景技术

已知再生混合动力汽车能显著减少燃料消耗和CO2排放，通过在使车辆减速或者制动汽车的过程中回收汽车的一些动能，并将动能转变为另一种可存储和以后能重新利用的能量形式。

一个例子是电动混合动力汽车，该车的制动能量被转变为电能，并存储在电池中用于将来使用。另一个例子是惯性混合动力汽车，该车的制动能量被转变为惯性能量，并存储在旋转飞轮中用于将来使用。另一个例子是气动混合动力汽车，该车的制动能量被转变为气动能量，并存储在压缩空气罐中用于将来使用。

也已知，发动机小排量化可显著减少机动车的燃料消耗，通过提供小容量的发动机，在它的最大工作效率之下运作，在自然吸气的条件下，大到足以满足车辆最常用的低负荷和中负荷要求，然后以来自涡轮增压器或增压器的增压空气使发动机增压来迎合偶然的高负荷要求。这样一种小排量发动机将是更轻的，并产生比自然条件下较大和较重的吸气发动机同等或者甚至更高的最大扭矩和能量，装备有这种发动机的汽车将会有良好的表现、驾驶乐趣和节省的燃油性能。

发明目的

本发明的目的在于获得一种高效和低耗的空气混合动力汽车。

发明内容

根据本发明所述，提供了一种由内燃机驱动的空气混合动力汽车，在车上提供增压空气储存罐，用于储存采用来自汽车制动的能量所产生的增压空气，以及气阀系统，用于当不由发动机驱动汽车时在汽车减速或者滑行过程中控制气体流到所述增压空气储存罐，以及用于当由发动机驱动汽车时在汽车加速或者巡航期间控制气体从所述储存罐流到所述发动机用于在发动机内燃烧，其特征在于：如果在自然的吸气模式下运行，当发动机的输出能量是不足以满足汽车的能量需求时，在所述增压空气储存罐内的储存压力不超过3巴绝对压力，且来自所述增压空气储存罐的增压气体被供应到所述发动机以使发动机增压。

本发明所述的汽车通过增压替代节省了燃料和获得高的性能。这意味着，发动机是以增压空气来增压的，采用在汽车制动过程将要耗费的能量来产生和储存增压空气，代替由发动机驱动的增压器或者排气驱动的涡轮增压器所产生的增压空气，这两种增压器都需要燃料在发动机内燃烧以便产生同等压力的增压空气。这样，通过增压替代，由于不需为发动机装载任何增压器或涡轮增压器，当所需的增压空气从增压空气储存罐供应到发动机时，从而节省了燃料。

本发明的优选实施例提出了多种方式采用来自汽车的制动的能量来产生增压气体，并储存该增压气体在1至3巴绝对压力的压力范围，该压力范围是可安全地用于对发动机增压。例如，当汽车正驱动发动机在汽车减速或者滑行期间，可由发动机发动鼓风机以产生增压空气。可选地，该发动机自身也可由汽车发动，以产生增压空气。在减速后，当由发动机驱动汽车时，控制所述增压气体供应到发动机，因而所储存的增压空气通过增压替代而被用于使发动机增压，这样在汽车加速或巡航期间节省了燃料。

术语“增压空气(boost air)”在这里是用于指已经被压缩为比周围压力高达2巴的空气，这是由旋转充气装置(例如，增压器或涡轮增压器)通常产生的升高压力。这个术语区别于“气动空气(pneumatic air)”，后者是指压缩到非常高的压力但不能安全使用于使发动机增压的空气，除非它是再膨胀使压力降至增压空气压力。与增压空气相比，采用气动空气使发动机增压是导致许多效率低的根源：首先，当在较高压力和温度下产生和储存压缩空气时，会导致压缩损失；其次，当释放高压空气回复到增压空气压力时，也会导致压缩损失；这两种损失都是不必要的和浪费的，当只需要增压空气时。

本发明是取决于被现有技术所忽视的实现，在产生和储存增压气体相对于产生和储存气动气体之间具有重要区别，这非常显著地影响再生效率。如果增压替代是在本发明中用于再生能源的回收的优选方法，则气动混合动力是一种劣势方法，因为该方法落入了过度压缩空气的陷阱。在气动混合动力中，传统的目标是直接增加汽车内的能量和动力密度，采用压缩空气用于机械运动，该现实是：过度压缩的空气已导致许多前述的无效率结果，当仅需要增压空气时，并不需要过度压缩的空气。本发明的目标在于在有效的低压条件下在新型空气混合动力汽车中产生、储存和直接应用增压空气，相对于效率低的高压条件下在旧型空气混合动力汽车中生产、储存和机械使用气动空气。本发明所述的增压空气混合动力汽车将具有低能量密度和低成本，而气动混合动力汽车则具有更高能量密度并需要更复杂和更高成本的设备，例如压缩器、膨胀器以及高压空气蓄电池，而且，当仅需要增压空气时，会有更低的效率，使得它与增压空气混合动力汽车相比无竞争力。

优选地，上述发动机装备有旋转充气装置，例如增压器或涡轮增压器，连接到发动机的吸气系统，用于使发动机增压；同时具有可选的用于装载和卸载增压器的装置，这些装置是用于使所述增压器运转或者不运转。在本例中，在汽车减速后，当所述发动机驱动汽车在汽车加速或者巡航期间，根据至少三种可选的途径或模式之一来控制所述的旋转充气装置，空气被供应到发动机，用于在发动机内燃烧。所述的三个途径或模式是：途径a)当不需要增压且卸载旋转充气装置时，自然吸气；途径b)当需要增压且卸载旋转充气装置时，将增压空气从增压空气储存罐送到发动机；途径c)当需要增压且卸载旋转充气装置时，将增压空气从旋转充气装置送到发动机。当发动机根据途径b供应增压空气时，该汽车通过不驱动增压器的增压替代获得了节省的燃油消耗和高的性能，这种方式临时实现了增压器的功能，而无需实际驱动增压器，通过在制动期间产生和储存同等的增压空气来替代通常由增压器供应增压空气的途径。

这里，旋转充气装置被定义为鼓风机，其中，采用转子来将具有相对低的升高气压的增压空气的高气流推到发动机，用于使气体在发动机内燃烧，在高负荷运转期间，以及在足以支撑的方式，以致由鼓风机传送的空气气流是足以满足或超过发动机的持续的空气需求的，当需要时。该旋转充气装置通常在低于3∶1的压力比之下运转，这是用于产生安全地使发动机增压的增压空气的理想装置。

该旋转充气装置区别于往复式空气压缩器，往复式空气压缩器不适用于产生增压空气，也不适用于以足以支撑的方式维持该增压直到发动机，由于这样的事实，安装一个往复式空气压缩器是不切实际的，因为它需要具有足够的增压气压的流量，才能满足或超过发动机持续所需的空气要求。这样一个压缩器是非常庞大、非常笨重的，直接用于对发动机增压时会产生过多实际损失。另一方面，往复式空气压缩器更适用于产生高能量密度的气动空气，在10∶1至20∶1的压力比范围内运转，但采用它作为发动机中的增压装置是非常低效的，因为当需要增压时，过度压缩的空气会导致高压合高温，带来显著的热损失和空气冷却和膨胀回到增压空气压，没有恢复任何膨胀，正如之前所解释的。

所述旋转充气装置可以是增压器或涡轮增压器，或者可以是组合的增压器和涡轮增压器，它们串联连接供应发动机。术语“装载(loading)”和“卸载(unloading)”充气装置在这里是用来指选择性的使充气装置运转或不运转的控制动作。在一个例子中，所述充气装置是增压器，该增压器是通过机械耦合方式装载到发动机，以便由发动机来驱动，或者通过将增压器耦合到电动机以便由电动机来驱动，同时供应增压空气到发动机，以及通过对增压器去耦合来卸载，或者通过空气旁路系统减少增压器的传送压力来卸载，由发动机驱动该增压器，或者由电动机驱动该增压器。在另一个例子中，所述充气装置是涡轮增压器，该涡轮增压器是通过引导从发动机排出的气体来装载的，以便驱动该涡轮增压器的涡轮，以及通过转移大部分的排出气体来卸载，以便设置涡轮增压器的涡轮的旁路。后者可通过在涡轮增压器中提供和打开大的废气阀来获得。此外，该涡轮增压器可通过穿过该涡轮增压器的涡轮风机的空气旁路系统减少空气传送压力来卸载。这样，在上述例子中，当装载充气装置时，用于产生增压空气的充气装置会消耗能量。当卸载充气装置时，该充气装置将空转或脱离，消耗极少的能量，甚至不消耗能量。

本发明认识到以下事实：用于产生增压气体以使发动机增压所需的能量，至少部分源自所述空气混合动力汽车的再生制动能量。发动机越是积极地减少排量，所述增压越频繁，以便满足汽车的动态驾驶需求。通过使用从再生制动产生的增压空气代替使用由增压器或涡轮增压器产生的用于使发动机增压的增压空气，节省了更多的燃料，也就是，通过替代通常由充气装置供应的增压空气，在再生制动过程中产生和储存了同等的增压空气，暂时实现充气装置的作用，而无需实际驱动充气装置。因此，在本发明中更优选和更有优势的发动机是一个积极减少排量的内燃机。随着引进高级合成燃料和生物燃料，发动机小排量化将在未来得到显著进展，使得本发明在将来越来越有效。

为了增加在普通驾驶期间所采用的增压的水平和频率，有必要根据汽车的惯性质量来选择小的发动机包。通过在高稀释(也就是，稀薄燃烧和/或高EGR)条件下运转发动机，可能进一步增加所述增压的应用，通常称为稀燃增压发动机和高-EGR-增压发动机。在一个例子中，所述发动机是多汽缸可变排量发动机，具有用于激活和去激活发动机的一个或多个汽缸的可选装置，该发动机可被设在减少的排量，以致它作为小排量发动机有效地运转，因而改善了所述增压应用。

如前所述，可采用多种途径从汽车的制动中产生增压空气。在英国专利GB0810960.5中描述的一个例子中，当由发动机由汽车驱动在汽车的减速或滑行期间，通过装载增压器吸收制动能量来产生增压空气，这个来自增压器的增压空气是从发动机转移到车上的增压空气储存罐，并以发动机增压压力储存在该增压空气储存罐内。

在英国专利GB0810967.0中描述了另一个例子，当不由发动机驱动汽车时在汽车减速或者滑行期间，产生增压气体，因而流到发动机的吸入空气是不受燃料断绝限制的，而发动机背压被保持在预定的平衡值，通过将流动限制应用在发动机排气系统，同时控制压缩空气的供应速度，该增压空气从发动机排气系统的背压区转移进入车上的增压空气储存罐，导致在发动机内产生的制动扭矩是增加的，来自增加的背压，而增压空气被输送到该增压空气储存罐，并以发动机增压压力储存在该增压空气储存罐内。这样，当由汽车发动该发电机时，发动机作为一个四冲程空气充气装置来操作，在低能量密度生产和储存增压空气。

上述例子可以是同时应用的，从增压器与从发动机充气装置中产生分离的增压空气流，用于储存在增压空气储存罐内，同时，通过增压器和发动机充气装置来吸收制动能量。

在第一个实施例中，汽车可以是一种混合电动车，该车装备有电子再生制动，该增压器可由电动机来驱动，采用由制动能量驱动的发电机的电输出。这样吸收了制动能量并产生增压空气。

上述汽车可以扩展到作为插件空气混合动力汽车，该车装备有增压器。该车具有用于连接到电力电源供应的导线，而增压器是由电动机来驱动的，该电动机连接到可从电源供应充电的电池。该汽车通过能源置换节省了车上燃料，间接采用电源供电，取代用于驱动增压器的车上燃料。

本发明所述的增压空气混合动力汽车区别于传统的混合动力汽车，其基本方法是：它从汽车在汽车减速过程中转移能量，并将该能量用于更早地产生和存储该增压空气，否则将在汽车加速期间通过利用来自发动机的能量来驱动在线的增压器推迟产生增压空气。这是不同时间发生的能量的直接交换，要么从汽车，要么从发动机，用于产生同样的增压空气，这个增压替代不涉及附加的能量转变步骤，以致在能量平衡中，再生效率是在较早时间采用制动能量产生增压空气的效率与实际采用燃料能量产生增压空气的效率的简单的比率。当这两个效率是相同时，本发明所述的增压空气混合动力汽车的再生效率将是100％。

相反，在传统的混合动力汽车中，能量恢复过程涉及许多转换步骤。在一个电动混合动力汽车的例子中，制动能量首先从机械能转变为电能，最后转变为化学能，储存在电池中。当该能量被取出用于产生工作时，它从化学能回复变换为电能，最后转变为机械能。每个能量转换步骤都导致效率损耗。假设每步骤的效率为90％，该电动混合动力汽车在四个步骤后的再生效率将是66％。

在另一个气动空气混合动力汽车的例子中，通过切换内燃机的气阀正时，制动能量被转变成高压气压能量，以致它临时作为空气压缩器由汽车驱动运转，压缩空气被储存在高压空气储蓄罐重。当该能量被取出用于产生工作时，通过切换发动机的气阀正时，该能量从气压能量回复转变为机械能量，以致它临时作为空气膨胀器来运转驱动汽车。在这个例子中，仅有两步能量转变步骤，但每一步骤的效率是低的。假设每个步骤的效率是60％，该气压混合动力汽车的再生效率将是36％。在膨胀过程之后，处于发动机增压压力的膨胀空气将被用于使发动机增压，因而改善再生效率，但这是在完成所有能量转变步骤之后的，已经发生了效率损失，这样使得如前所述的采用气动空气使发动机增压的缺点更为突出。一旦压缩空气被直接释放到发动机增压压力，而不使用膨胀器来恢复部分的储存能量，再生效率将会更低。

这样，对于在汽车的减速或滑行期间采用制动能量用于产生和储存仅在低能量密度的增压空气的再生制动，本发明所述的增压空气混合动力汽车是明显更有效率的，该增压空气立即适用于使发动机增压，在汽车的加速或巡航期间无论何时都不需要任何不必要的能量转换，也不依赖于任何增压器，当采用增压替代时。

本发明相对于其他混合动力汽车的独特特征是：在几个能量转换步骤之后，从再生制动中恢复的能量是不转换的和不再利用的，但替代的是，它是采用增压替代的，用于在较早时间内产生和储存增压空气，随后直接供应给发动机的燃烧循环，无能量开销(也就是，自由增压)产生能量平衡，使所有来自发动机的输出扭矩赋予汽车传动线，该传动系统是由早期制动扭矩已完成的工作中提供的。这是效率达100％的制动能量恢复，其中，在加速期间获得附加的传动扭矩能与在减速期间吸收的制动扭矩完全相同，这是再生制动的非常有效的途径。

在现有技术中有许多气动空气混合动力汽车的例子，但没有增压空气混合动力汽车的例子。这两类混合动力汽车至关重要的区别取决于压力水平的选择，在该压力水平产生和储存增压空气，其结果导致再生效率是具有如此大的反差，使得储存压力的选择成为本发明所述的增压空气混合动力汽车区别于已知类型的气动空气混合动力汽车的最重要的特征之一。

在现有技术的气动空气混合动机汽车中未找到的另一个重要特征是采用增压替代，在此期间，任何安装的增压器必须是可选择地使其不可操作以致该增压器不能装载发动机，当增压气体从增压气体储存罐供应到发动机时，导致如前所述的燃料节省，否则这些燃料将被消耗。

英国专利2166193或美国专利US4658781描述了一种空气混合动力汽车，其中，发动机是在制动期间发动的，以产生敌意压缩的排出气体，然后压缩空气从发动机排气系统转移到高压空气储蓄罐，该收集管是带有安全气阀的压缩空气装置，在收集管内的压缩空气接着进入发动机的汽缸，以这样的方式推动活塞：这个动作被用于启动发动机甚至汽车。该压缩空气也可被用于操作在车内的其他气动装置，而燃料可与该压缩空气一起注入，用于在发动机内燃烧。同时，本发明描述了以多种方式利用压缩空气的气压再生制动的总原则，它没注意到非过度压缩空气的优点，当仅需要增压，同时保持气压在空气储蓄罐内，处于发动机增压压力的范围内提升压力，以致该增压空气可立即适用于使发动机增压。

韩国专利KR960009206描述了装有气压制动的汽车，通过斜盘类型的往复空气压缩器来吸收能量，该压缩器连接到汽车的轴，同时在它的运转过程中产生一些高压的压缩空气。根据需要制动或者不需要制动的时机，通过调节斜盘的可变冲程，可以装载或卸载压缩器，而压缩空气被储存在高压气体收集管，然后释放进入发动机的吸气系统。这是一种气动空气混合动力汽车，其再生效率是低的，因为该方法涉及过度压缩以及在空气可被用于安全地使发动机增压之前的再膨胀。因此，韩国专利KR960009206不能预见本发明，也不能认识到产生和储存仅处于发动机增压压力的增压空气的优点。

美国专利US5064423描述了一种涡轮增压发动机驱动辅助空气压缩器产生压缩空气，用于储存在空气储蓄罐内，随后该储存的压缩空气被释放进入发动机的吸气系统，协助发动机的加速，当缺乏足够的排出气体能量用于快速给予涡轮增压器能量。美国专利US6138616描述了另一种辅助空气供应系统，类似于US5064423。这两种系统将储存的气动空气传送到发动机，同时由发动机驱动涡轮增压器运行，但没有节省燃料，因为当所储存的空气从空气储蓄罐供应到发动机时，不会使涡轮增压器不运转。

国际申请WO2005113947描述了一种操作空气混合动力汽车的方法，其中，在汽车的减速期间产生和储存压缩空气，通过临时改变发动机的气阀正时，并变换进入空气压缩器，将压缩空气储存进高压空气储蓄罐，随后用于使发动机增压，与涡轮增压器平行，以便减少涡轮滞后。这是又一种气动空气混合动力汽车，其中，空气被过度压缩，如果需要增压空气时，不得不再次膨胀。该专利也没有教导用于选择性地卸载涡轮增压器，该涡轮增压器是以传统方式安装的，并总是处于装载状态产生增压压力，该增压压力增加了不必要的负载给发动机，当压缩空气已经从空气储蓄罐供应给发动机时。

美国专利US5819538描述了在汽车中的另一种涡轮增压发动机，其中，由汽车在减速过程中驱动空气泵，以产生压缩空气，该压缩空气以最大的安全压力储存在压缩空气罐，该压缩空气通过该压力调节器被注入进气歧管，在涡轮滞后期间下降到发动机增压压力，同时，穿过涡轮增压器的空气被再循环，以便保持涡轮增压器的涡轮转子的高的旋转速度。该发明遭受在过度压缩的空气带来的不必要的能量耗费，通过压力调节器释放该压缩空气，而不能恢复包含在压缩空气中的任何膨胀工作，但它包含在短期内增发替代的一些元件，在涡轮增压器到达它想要的运转速度时。然而，在该发明中，对燃料的节省是非常小的，因为所用的增压空气的量不会超过涡轮滞后阶段，而大多数燃料节省将由增压替代来实现，通过在汽车的主要加速阶段选择性地时涡轮增压器不运转来节省燃料。

国际申请WO2007060274描述了另一种用于涡轮增压发动机的辅助空气供应系统，其中，发动机驱动的或个别驱动的辅助旋转空气鼓风机被用于供应增压空气，该压缩空气将处于发动机增压压力，进入空气储存罐，该储存的空气被用于帮助发动机的涡轮增压器，当缺乏足够的排出气体能量以驱动该涡轮增压器。这是热动力学的更为有效的，且没有非必要的能量变换。然而，没有教导采用来自汽车制动的能量来产生增压空气，或者根据增压替代的原理以辅助风机将储存的空气供应给发动机，以及选择性地卸载涡轮增压器，当从增压空气储存罐供应增压空气给发动机时，不由发动机来驱动。

本发明也区别于日本专利JP61031622所描述的由机械式增压发动机供应能量的汽车，其中，增压器在汽车减速期间被装载一段短的规定时间，以便增加该汽车在制动时的停止能量，在简单制动后立即增加发动机的加速能量，来自储蓄在发动机的吸气管的抑制压力，但没有用于将空气储存处于发动机增压压力的分别的空气储存罐。在这个例子中，增压器有意运行到超载状态，迫使空气进入发动机的吸气管的小空间，它对于气流是关闭的，导致增压器的传送压力将显著超过它的额定最大压力，当空气流经增压器时，压力会下降，因为没有空间供空气通过，而增压器的温度将提高，因为大多数供应给增压器的能量不可逆转地消散为热量。这样，日本专利JP61031622遭受在过度加压的空气中的不必要的严重的能量消耗，也没有从增压替代中节省燃料，因为当该空气被用于使发动机增压时，增压器保持装载状态。

众所周知，在实验室中，在发动机的发展过程中，有这样的便利情形，采用车间气源将模拟增压空气供应给发动机，无需给发动机安装一个旋转充气装置。接着，当该发动机装备有一个在线空气增压器时，所需的用于产生增压空气的能量在实验数据中减少，以便达到实际燃料消耗和发动机的能量输出。这是增压替代的类似方案，但它不利用再生制动能量从汽车中产生增压空气，且在空气混合动力运转期间，它不能在车上选择性地装载和卸载任何增压器。

在本发明中，可以预装载空气波纹管，以确保在空气储存罐内的空气压力保持在预定值之上，不论容纳于该储存罐内的空气质量如何，而且这样使得基本上在该储存罐内的所有空气都可在高负荷操作的持续时间内被供应到发动机用于使发动机增压。

在本发明中，低能量密度的增压空气储存罐将具有非常大的储存体积用于储存和供应数量丰富的处于发动机增压压力的增压空气，因而在增压空气混合动力汽车的运转过程中显著地节省燃料。这与非常高能量密度和较小体积的在气动空气混合动力汽车中的空气储蓄罐形成对比，在气动空气混合动力汽车中，储罐体积通常10倍少于发动机的体积位移，而该储蓄罐被构建为一个强压容器，用于将压缩空气保持在数倍于发动机增压压力的储存压力。如果该空气储蓄罐被放气几乎降到发动机增压压力的压力水平，这将只有非常少量增压空气留在储蓄罐内，以供应增压空气到发动机，用于不超过20个发动机旋转或在平均3000rpm的发动机转速持续0.4秒，这样通过本发明所述的增压替代方法产生显著的燃料节省。

作为一个指导，在增压空气混合动力汽车中，增压空气储存罐的体积应当是发动机体积位移的至少100倍，优选是该体积位移的数百倍，用于在汽车减速期间将足够的空气储存在发动机增压压力下，并在汽车加速期间将这个空气用于使发动机增压，使大量的发动机旋转延续数秒，以致产生显著的燃料节省。正如之前解释的，本发明所述的增压空气混合动力汽车的独特之处在于，它具有100％再生效率，所有制动能量被转移以产生增压空气，能尽可能多地储存在增压空气储存罐内，处于发动机增压压力，将直接导致燃料的节省：该空气储存罐的体积越大，燃料节省的程度越大。

例如，400升空气储存罐能通过增发替代到1.5升发动机来供应增压空气，用于约500台发动机旋转或者使平均3000rpm发动机转速延续10秒，使汽车在城区驾驶期间满足典型减速/加速循环的需求，而且是只有很小的时间滞后。

因为在增压空气储存罐内的储存压力是类似于在发动机中使用的增压压力(也就是，1至3巴绝对压力)，该储存罐可以是薄壁的、轻量的和容易塑形、再分开和连接以形成一个大的储存体积，整合进入汽车的车身结构的不同部分。例如，可以在车门、后挡板、侧翼、柱梁、底盘子框架、减震器后方、座位下方等以及在汽车的行李舱内创设气密容器。这使得汽车的车身成为增压空气混合动力系统的主要部分，不会增加成本或重量，如果它被设计成车身工程(body-in-white)的原始装备的一部分的话。当空气压力在周围压力之上的超过预定值的范围内时，向该汽车提供另一个空气储存罐，可被配置为空气波纹管的形式，预先装载以延伸长度。

这样，增压空气储存罐的用于储存处于发动机增压压力的增压空气的构造和体积是本发明所述的增压空气混合动力汽车的进一步的特殊特征，使它区别于已知类型的气动压力空气混合动力汽车。

本发明可应用到任意汽车，由火花点火器或者压燃式发动机来供应能量，带有或者不带有空气增压器。

附图简要说明

本发明将通过实施例，结合所附的附图来作进一步的描述，这些附图如下：

图1a是用于操作根据本发明所述的增压空气混合汽车的控制装置的示意图，其中，由英国专利GB0810960.5所描述的方法来生产增压空气；

图1b是用于操作另一种增压空气混合汽车的控制装置的示意图，其中，由英国专利GB0810967.0所描述的另一种方法来产生增压空气；

图2a和图2b是以自行解释方式解读本发明所述的增压空气混合动力概念的示意图；

图3是用于协调本发明所述的汽车的增压空气混合动力操作的电脑控制系统的示意图。

优选实施方式详述

图1a显示了内燃机16驱动陆地车辆的车轮18。该发动机16装备有一个增压器10，通过中间冷却器12和吸气岐管14将增压空气供应到发动机。该增压器10可以由发动机驱动，从发动机内的滑轮20到在增压器内的滑轮22，正如单行虚线所示。滑轮22可以是离合器皮带轮，能在任何时候根据需要被接合或去除接合。另外，增压器10可由电动机40来驱动，正如双行虚线所示。还显示了可变速度比驱动器24，用于使增压器10达到发动机的最佳速比。

增压器10具有一个空气旁路系统，包括：在由旁路气阀28控制的增压器10的入口与出口之间的旁路连接26。当需要增压时，关闭旁路气阀28，驱动装载的增压器10以产生增压空气并传送到发动机16。当不需要增压时，打开旁路气阀28，允许自然吸入的空气卷入发动机16，同时释放增压器10的传送压力，以致卸载该增压器，即使它可以仍由发动机来驱动。当不需要增压时，理想的增压器10还可通过离合器皮带轮与发动机16解耦合，或者如果由电动机40驱动时，关闭该电动机40。在迄今为止所描述的，增压器10的建立是以可选择的装置用于装载和卸载该增压器，这是适合应用于小排量内燃机的。

在图1a中，对于由带有增压器10的内燃机16供应能量的陆地汽车，该增压器10可在任何时刻根据需要被装载或卸载，本发明通过在车上纳入增压空气储存罐34以及气阀系统，该气阀系统用于当不由发动机驱动汽车时在汽车减速或者滑行过程中控制气体流到所述增压空气储存罐，以及用于当由发动机驱动汽车时在汽车加速或者巡航期间控制气体从所述储存罐流到所述发动机用于在发动机内燃烧，从而将该陆地汽车转变为一辆空气混合动力汽车，该气阀系统包括：

1)第一节流阀30，位于增压器10的下游，用于调节和阻滞空气从增压器10流到吸气系统14；

2)气流分支32，从第一节流阀30的上游连接到车上的增压空气储存罐34，用于当关闭第一节流阀30时，将增压器增压的空气从发动机16转移到空气储存罐34；

3)结合的充气和空气分配阀36，位于气流分支32处，用于调节和密封该气流分支32；以及

4)第二节流阀38(或止回阀38)，位于增压器10的下游与气流分支32的上游，用于当在增压空气储存罐34内的增压空气通过气流分支32被传送到发动机16且卸载该增压器10时，阻滞任何通过增压器10的旁路系统26、28回流的增压空气。

第二节流阀38或止回阀38将起到同样的功能，用于防护进出增压器10的空气连接。该止回阀具有这些优点：自动化、由穿过该阀的压力差驱动，以致一旦在与增压器10的正常供应流相反的方向有回流进入增压器10，就会关闭该阀。在另一方面，该空气节流阀将必须由致动器来控制，但它的打开和关闭能比普通止回阀更完全和更快速。

上述气阀系统能使汽车以不同的空气混合动力模式来程序化地操控，通过开关转换到不同的操作策略影响增压器10的使用，如下：

·当不由发动机16驱动汽车时在汽车的减速或滑动期间，通过装载增压器10来产生增压空气，该增压空气从发动机16被转移到增压空气储存罐34，以致提升在储存罐34内的空气压力；

·当由发动机16驱动汽车时在汽车加速或巡航期间，控制该增压器10，同时，供应空气到发动机16用于在发动机16内燃烧，根据以下至少三个可选的途径或模式之一：

о途径a)当不需要增压且卸载增压器10时，自然吸气；

о途径b)当需要增压且卸载增压器10时，将增压空气从增压空气储存罐34传送到发动机16；

о途径c)当需要增压且卸载增压器10时，将增压空气从增压器10传送到发动机16。

当发动机根据途径b供应增压空气时，该汽车通过不驱动增压器10的增压替代获得了节省的燃油消耗和高的性能，这种方式临时实现了增压器10的功能，而无需实际驱动增压器10，通过在制动期间产生和储存同等的增压空气来替代通常由增压器10供应增压空气的途径。

这样，在图1a中，当不由发动机16驱动汽车时在汽车的减速或滑动期间，装载增压器10，同时关闭第一节流阀30，再打开第二节流阀38(或者自动打开止回阀38)，同时打开充气阀36，直到在增压空气储存罐34内的空气压力达到想要的增压值时才关闭充气阀36。在本例中，来自增压器10的增压空气从发动机16被转移到空气储存罐34以提升在罐34内的空气压力。

在减速后，当由发动机16驱动汽车且选择根据途径a将空气供应到发动机16时，卸载增压器10，同时关闭空气分配阀36，再打开第一节流阀30，并打开第二节流阀38(或者自动打开止回阀38)。在本例中，自然吸入的空气通过打开的增压器旁路系统26、28被传送到发动机16。

当由发动机16驱动汽车时在汽车加速或巡航期间，选择根据途径b将空气供应到发动机，卸载增压器10，同时打开空气分配阀36和第一节流阀30，再关闭第二节流阀38(或者自动关闭止回阀38)直到在空气储存罐34内的空气压力降至低于预定值，此时关闭空气分配阀36，并打开第二节流阀38(或者自动打开止回阀38)。在本例中，增压空气从空气储存罐34连接到发动机16，以使发动机16增压，直至在罐34内的空气压力衰竭。当采用该增压空气供应给发动机16时，该汽车无需驱动增压器10就可节省燃料和获得高的性能。

当由发动机16驱动汽车时在汽车加速或巡航期间，选择根据途径c将空气供应到发动机，装载增压器10，同时关闭空气分配阀36，再打开第一节流阀30，并打开第二节流阀38(或者自动打开止回阀38)。在本例中，来自增压器10的增压空气被直接传送到发送机16，以使发动机16增压。

在图1a中，一旦该汽车也是装备有电子再生制动的混合动力电动车，增压器10可由电动机来驱动，采用由制动能量驱动的发电机输出的电流，这样吸收了制动能量，并产生增压空气。

在图1a中的上述汽车可被扩展为作为插件空气混合动力汽车来操作。该汽车具有用于连接到电力电源供应的导线，由电动机40驱动增压器10，该电动机40连接到电池44，该电池44可从电力电源供应中充电。该汽车通过能源置换节省了车上燃料，间接采用电源供电，取代用于驱动增压器10的车上燃料。

图1b显示了另一种内燃机16，该内燃机驱动路面车辆的轮18。发动机16可自然吸气或由旋转充气装置增压，而后者被选择显示在图1b中。在图1b中，发动机16装备有旋转充气装置10，通过中间冷却器12和吸气岐管14将增压空气供应到发动机16。从发动机16排出的气体通过排出岐管和排出管20流出。该旋转充气装置10可以是以传统方式安装的发动机驱动的增压器或者排气驱动的涡轮增压器，但未显示在图1b中，以免使该图过于复杂。该旋转充气装置10也可以是一个串联连接供应发动机16的结合的增压器和涡轮增压器。基于同样的原因，用于装载和卸载该旋转充气装置10的可选的装置也未显示在图1b中，因为它们是传统的部件，包括：离合器、空气旁路、废气阀等。在迄今为止的描述中，用于将空气供应到发动机16的空气增压系统10、12、14的建立，以及用于将气体排出发动机16的排气系统20的建立，都是常规的。

在图1b中，提供以下的空气控制阀给所述的空气混合动力汽车：

1)背压阀24，用于调节和阻碍发动机16的排出管；

2)第一气流分支22，从发动机16与背压阀24之间连接到增压空气储存罐34，用于当关闭该背压阀24时，将增压空气从发动机排气系统的背压区30转移进入空气储存罐34；

3)充气阀26，位于第一气流分支22，用于调节和密封第一气流分支22；

4)第二气流分支32，从增压空气储存罐34连接到在旋转充气装置10与发动机16之间的发动机16的吸气系统；

5)空气分配阀36，位于第二气流分支32，用于调节和密封第二气流分支32；以及

6)空气节流阀38(或者止回阀38)，位于旋转充气装置10的下游和第二气流分支32的上游，用于阻滞任何通过旋转充气装置10回流的增压空气，当在增压空气储存罐34内的增压空气通过第二气流分支32被传送到发动机16。

上述气阀系统能使汽车以不同的空气混合动力模式来程序化地操控，通过开关转换到不同的操作策略影响增压器10的使用，以类似的方式应用于在图1a中所示的系统。

这样，在图1b中，当不由发动机16驱动汽车时在汽车减速或滑行期间，产生增压空气，凭此吸入空气流到发动机是无限制的，带有燃料切断，同时关闭背压阀24，也关闭空气分配阀36，再打开充气阀26，直到在增压空气储存罐34内的空气压力达到预定值，此时关闭充气阀26。在本例中，发动机16作为四冲程空气增压器来操作，由汽车发动，加压空气从发动机排气系统的背压区20转移到增压空气储存罐34，以在储存罐34中提升空气压力。

在减速后，当由发动机16驱动汽车且选择根据途径a将空气供应到发动机16时，卸载旋转充气装置10，同时打开背压阀24，再关闭充气阀26和空气分配阀36，并打开空气节流阀38(或者自动打开止回阀38)。在本例中，通过或迂回该旋转充气装置10，将自然吸入的空气传送到发动机16。

当由发动机驱动汽车时在汽车加速或巡航期间，选择根据途径b将空气供应到发动机16，卸载旋转充气装置10，同时打开背压阀24，并关闭充气阀26，再打开空气分配阀36，并关闭空气节流阀38(或者自动打开止回阀38)。在本例中，增压空气从增压空气储存罐34输送到发动机16，以使发动机16增压，直至在储存罐34内的空气压力衰竭。当该增压空气被用于供应发动机16时，由于无需驱动旋转充气装置10，该汽车节省了燃料以及获得高的性能。

当由发动机驱动汽车时在汽车加速或巡航期间，选择根据途径c将空气供应到发动机16，装载旋转充气装置10，同时打开背压阀24，并关闭充气阀26和空气分配阀36，再打开空气节流阀38(或者自动打开止回阀38)。在本例中，来自旋转充气装置10的增压空气被直接传送到发动机16，以使发动机16增压。

在图1b所示的例子中，该空气动力汽车是由增压的火花点火发动机16来供应能量的，该发动机16的主节流阀30是在该空气混合动力系统中的一个附加阀，必须根据汽车的减速或加速模式来控制。这样，当不由发动机16驱动汽车时在汽车的减速或滑行期间，打开主节流阀30，以允许不受限制的空气流经发动机16，作为四冲程空气增压器来工作，用于产生增压空气。当由发动机16驱动汽车时在汽车加速或巡航期间，采用该主节流阀30来调节在常规方式下发动机16的能量输出。

在如图1a和图1b所示的上述产生和储存增压空气的方法中，在增压空气储存罐内的空气压力将类似于在发动机16内所用的增压压力(也就是，1至3巴绝对压力)，因此该储存罐可以是薄壁的、轻量的，能容易塑形、再分开和连接以形成一个大的储存体积，整合进入汽车的车身结构的不同部分。例如，可以在车门、后挡板、侧翼、柱梁、底盘子框架、减震器后方、座位下方等以及在汽车的行李舱内创设气密容器。这使得汽车的车身成为增压空气混合动力系统的主要部分，不会增加成本或重量，如果它被设计成车身工程原始装备的一部分的话。当空气压力在周围压力之上的超过预定值的范围内时，向该汽车提供另一个空气储存罐，可被配置为空气波纹管的形式，预先装载以延伸长度。

增压空气储存罐34、34a、34b包括一个空气波纹管34b，当在该波纹管内的空气压力超过在周围压力之上的一个预定值时，预装载该波纹管以延伸其长度。这确保在该波纹管34b内的可用压力被保持在预定值之上，不论容纳于该波纹管34b内的空气的质量如何，而且这样使得基本上在该储存罐内的所有空气都可在高负荷操作的持续时间内被供应到发动机用于使发动机增压。

如前面所解释的，本发明所述的增压空气混合动力汽车的特点是：所有制动能量被转移以产生增压空气，能尽可能多地储存在增压空气储存罐34、34a、34b内，将直接导致燃料的节省：该空气储存罐的体积越大，燃料节省的程度越大。

例如，400升空气储存罐能通过增发替代到1.5升发动机来供应增压空气，用于约500台发动机旋转或者使平均3000rpm发动机转速延续10秒，使汽车在城区驾驶期间满足典型减速/加速循环的需求，而且是只有很小的时间滞后。

图2a和图2b显示了在自行解释方式下本发明所述的增压空气混合动力的概念，其中，从汽车中取得能量，以便在汽车减速或滑行期间驱动发动机。该发动机吸收来自汽车的动能，并采用该动能来产生增压空气，将增压空气转移并储存在车上的增压空气储存罐内，其储存压力不超过3巴绝对压力。通过增压替代，所述汽车节省燃料并获得高的性能，当该增压空气被用于在汽车的加速或巡航期间短时供应给发动机，不依赖于任何空气增压器，不需实际驱动空气增压器，而能临时实现空气增压器的功能，替代通常由空气增压器的增压而能产生同等的增压，并在再生制动期间储存该增压空气。

这显示了本发明相对于其他混合动力汽车的优势：在几个能量转换步骤之后，从再生制动中恢复的能量是不转换的和不再利用的，但替代的是，它是采用增压替代的，用于在较早时间内产生和储存增压空气，随后直接供应给发动机的燃烧循环，无能量开销(也就是，自由增压)产生能量平衡，使所有来自发动机的输出扭矩赋予汽车传动线，该传动系统是由早期制动扭矩已完成的工作中提供的。这是效率达100％的制动能量恢复，其中，在加速期间获得附加的传动扭矩能与在减速期间吸收的制动扭矩完全相同，这是再生制动的非常有效的途径。

在图2a中，取决于小排量发动机所需的增压空气频率和水平，以驱动汽车在预定的平均行程组，该组行程包括：估计数量的加速和减速，有最适宜的发动机与汽车的结合，其中，用于使发动机增压所需的能量将匹配于从再生制动中恢复的能量，通过增压替代将获得最大的燃料节省。这样，提供了用于选择小排量发动机的好的指引，以驱动本发明所述的增压空气混合动力汽车，在平均行程，在城市环境，包括估计数量的加速和减速，用于使发动机增压所需的总能量将超过从再生制动中恢复的总能量，在本例中，所有从再生制动中恢复的所有可用能量，将通过增发替代而被完全利用。

平均行程在这里被定义为典型地采用来自统计数据的行程代表，这些统计数据取自在一组代表性驾驶条件下的大量的汽车行程。因此，它是一组驾驶模式的有效统计，可被用于优化本发明所述的增压空气混合动力汽车的设计。

为了根据图2b来执行所述增压空气混合动力操作，并使驾驶者在所有类型的驱动和制动环境中都能流畅和精确地控制该混合动力汽车，将需要一台车载计算机来控制增压空气储存罐34的充气和排空。该计算机也将控制在路面车轮上的汽车制动，以便分配由增压器和/或发动机空气增压器吸收的制动力矩，在大多数有效和舒适的方式下制动汽车。这样，本发明所述的增压空气混合动力汽车将具有电传线控驱动系统和电传线控制动系统，从汽车的加速器和刹车踏板获取驱动和制动命令信号，再根据增压空气储存罐34的充气状况将这些信号转译为驱动和制动反应动作。其目标是以对于驾驶者明晰的方式获得好的驾驶性能。

图3显示了一种车载电控制单元(ECU)100，从以下装置中获取输入数据：在增压空气储存罐34内的充气状况传感器134、在发动机排气系统的背压区20内的压力传感器120、汽车的加速器210和制动踏板220，以及除了指示其他状态之外，尤其指示汽车的运动状态和传动状态的各种传感器。这些输入数据在ECU 100中进行处理，将它们转译为合适的输出命令信号，用于除了其他操作之外，尤其是旋转充气装置10的装载和卸载，以及控制在图1a和图1b中所示的气阀24、26、30、36和38。该ECU 100还可提供信息给汽车的驾驶者，指示在汽车中储存或消耗的增压空气的水平和速率。驾驶者可采用该信息，调整他或她的驾驶风格和换档习惯来获得对于该汽车的最大再生制动和最低燃料消耗。

Claims (13)

1.一种由内燃机驱动的空气混合动力汽车，在车上提供

增压空气储存罐，用于储存采用来自汽车制动的能量所产生的增压空气；

气阀系统，用于当不由发动机驱动汽车时在汽车减速或者滑行过程中控制气体流到所述增压空气储存罐，以及用于当由发动机驱动汽车时在汽车加速或者巡航期间控制气体从所述增压空气储存罐流到所述发动机用于在发动机内燃烧，其特征在于：

如果在自然的吸气模式下运行，当发动机的输出能量是不足以满足汽车的能量需求时，在所述增压空气储存罐内的储存压力不超过3巴绝对压力，而且来自所述增压空气储存罐的增压气体被供应到所述发动机以使发动机增压。

2.根据权利要求1所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述发动机装备有至少一个可选的可操作的旋转充气装置，该充气装置连接到发动机的吸气系统，用于对发动机增压；所述充气装置在汽车的减速或者滑行期间是运转的，以产生增压空气，用于储存在所述增压空气储存罐内；当所述发动机通过由所述增压空气储存罐供应的增压空气来增压时，所述充气装置在汽车的加速或者巡航期间是不运转的。

3.根据权利要求2所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述的旋转充气装置是由发动机驱动的增压器。

4.根据权利要求2所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述的旋转充气装置是由电动机驱动的增压器，在汽车减速期间采用通过制动能量驱动的发电机的输出的电能来驱动所述增压器，因而吸收制动能量，并产生增压空气。

5.根据权利要求3或4所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述汽车具有用于连接到电力电源供应的导线，所述增压器是可选地由电动机来驱动，该电动机连接到电池，该电池是从电力电源供应中充电的。

6.根据任意前述权利要求所述的空气混合动力汽车，其特征在于：当不由发动机驱动汽车时在汽车减速或者滑行过程中，用于储存在所述增压空气储存罐的至少部分的增压空气是由发动机产生的；所述发动机在这样的条件下运转：带有无限制的吸气系统，带有燃料切断，带有排气系统，以及在排气系统中带有限制，以提高排气背压，足以将增压空气从排气系统转移到具有所需压力的增压空气储存罐。

7.根据任意前述权利要求所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述的增压空气储存罐具有的总存储体积是所述发动机的体积排量的至少一百倍。

8.根据权利要求7所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述的增压空气储存罐包括复数个气密容器，整合到汽车的车身结构的不同部分，并连接在一起以形成一个大的储存容器。

9.根据权利要求7或8所述的空气混合动力汽车，其特征在于：以空气波纹管方式提供至少一个所述的气密容器，当在所述空气波纹管内的空气压力超过在环境压力之上的预设值时，预装载所述空气波纹管以延伸气密容器的长度。

10.根据权利要求7、8或9所述的空气混合动力汽车，其特征在于：由汽车的行李厢提供至少一个所述的气密容器。

11.根据任意前述权利要求所述的空气混合动力汽车，其特征在于：在车上提供电控制单元，用于通过采取来自汽车的加速器的驾驶指令信号和刹车踏板的制动指令信号来配合汽车的增压空气混合动力运转，并将这些信号转译为驾驶和制动反应动作。

12.根据任意前述权利要求所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述发动机是在高空气/EGR稀释率下运转的。

13.根据任意前述权利要求所述的空气混合动力汽车，其特征在于：所述发动机具有选择性激活或去激活发动机的一个或多个汽缸的装置，以变换所述发动机的有效移位。

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