專利名稱：一種利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是利用壓縮空氣作為工作介質(zhì)的活塞式透平發(fā)動機(jī)。
背景技術(shù)：
為了有效應(yīng)對石化能源耗盡所帶來的能源危機(jī)，許多國家都在尋求石化能源的替代品，如風(fēng)能、核能、太陽能以及生物燃料等。然而，不論是不可再生的還是可再生的能源，很大一部分都必須轉(zhuǎn)化為電能加以利用。因此未來能源最主要的形式仍將是電能。
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目前世界上電能儲存技術(shù)大致可分為物理儲能和化學(xué)儲能。其中，物理儲能包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、相變儲能等?；瘜W(xué)儲能包括鉛酸電池、鋰系電池、液流電池、鈉硫電池等。此外，還有電磁儲能，如超導(dǎo)儲能等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，抽水蓄能在國際儲能市場中容量最大，占總裝機(jī)容量的99% ；排名第二的是壓縮空氣儲能，占0. 5% ;剩下包括各種電池在內(nèi)的所有其他形式占0. 5%在各種儲能技術(shù)中，抽水蓄能在規(guī)模上最大，達(dá)到上千兆瓦，技術(shù)也最成熟；壓縮空氣儲能次之，單機(jī)規(guī)模在百兆瓦級別；化學(xué)儲能規(guī)模較小，單機(jī)規(guī)模一般在兆瓦級別或更小。相比抽水蓄能受限于地理?xiàng)l件，空氣壓縮儲能則不然，只要有需要的地方，就可以建造，它在儲能時，用電能將空氣壓縮并存于儲氣室中；在釋能時，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入膨脹室做功發(fā)電，可利用低谷、棄風(fēng)、棄水、棄光的電力來儲能，在有需要的時候釋放出來，完全不受地理?xiàng)l件的限制。除了將富余的電能儲存再利用，實(shí)現(xiàn)常規(guī)的“削峰平谷”之外，壓縮空氣儲能技術(shù)還特別適用于解決風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的隨機(jī)性、間隙性和波動性等問題，可以實(shí)現(xiàn)其發(fā)電的平穩(wěn)輸出?？諝鈩恿Πl(fā)動機(jī)是將高壓空氣中存儲的能量轉(zhuǎn)化為扭矩形式的機(jī)械能輸出的裝置，不消耗石油等燃料。如2002年公開的由本發(fā)明人發(fā)明的專利號為ZL02116274. 3的“空氣發(fā)動裝置”，2004年9月出版的《中國機(jī)械工程》第15卷第18期報(bào)道的“壓縮空氣動力發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的研究”等等。目前已知的空氣動力發(fā)動機(jī)，都是在局部或關(guān)鍵部件上的開發(fā)，至今尚無成套裝置的設(shè)計(jì)和成功的工業(yè)化應(yīng)用范例，同時也存在工作效率低、功率小、工作可靠性差等諸多因技術(shù)不成熟造成的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)。該發(fā)動以壓縮空氣為工質(zhì)，能夠創(chuàng)造壓縮空氣氣源壓力與作功室未作功空氣有絕對壓力差的工況環(huán)境與條件，在進(jìn)一步優(yōu)化作功與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使壓縮空氣勢能能夠高效、充分地轉(zhuǎn)化為透平機(jī)械能，進(jìn)而向外輸出機(jī)械功。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，包括共同依附于同一機(jī)體的氣源、控制、作功、潤滑四個子系統(tǒng)，以及配氣、傳動、輔助三個子機(jī)構(gòu)；所述氣源系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)和/或壓縮空氣存儲容器提供氣源，并通過管道串連構(gòu)成；所述控制系統(tǒng)，設(shè)于氣源系統(tǒng)與作功系統(tǒng)之間，包括電子測控裝置以及控制閥，所述電子測控裝置對壓縮空氣的壓強(qiáng)和空氣質(zhì)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與定量，并通過控制閥控制供給作功系統(tǒng)的壓縮空氣的流量和壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)力矩與運(yùn)行狀態(tài)的控制；所述作功系統(tǒng)包括殼體及其內(nèi)部設(shè)置的至少一組氣缸與活塞，所述氣缸具有封閉的可變?nèi)莘e，其內(nèi)部為作功室，頂部設(shè)有氣缸蓋，底部設(shè)有曲軸箱；其中，氣缸蓋設(shè)有進(jìn)氣門、排氣門，所述進(jìn)氣門通過進(jìn)氣閥與進(jìn)氣管道相連通，所·述排氣門通過排氣閥與排氣管道相連通，所述進(jìn)氣管道與氣源系統(tǒng)相連通，所述排氣管道的出口與大氣相連通；其中，所述曲軸箱內(nèi)設(shè)置曲軸，所述活塞通過連桿與曲軸傳動連接，所述連桿的兩端分別與活塞和曲軸相鉸接，所述曲軸與發(fā)動機(jī)的主軸連接；所述潤滑系包括設(shè)于所述氣缸的潤滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器以及閥門，機(jī)油儲存于所述曲軸箱底部的油底殼，所述機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和潤滑油道相連通形成機(jī)油潤滑油路，所述閥門設(shè)于潤滑油路；所述配氣機(jī)構(gòu)包括與曲軸傳動連接的凸輪軸，所述進(jìn)氣閥和排氣閥在凸輪軸的控制下定時開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使壓縮空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程；所述傳動機(jī)構(gòu)包括正時鏈輪、正時鏈條和曲軸鏈輪,所述曲軸鏈輪設(shè)置于曲軸上，所述正時鏈輪通過正時鏈條與曲軸鏈輪連接；所述正時鏈輪與所述凸輪軸相連；所述輔助機(jī)構(gòu)包括尾氣穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)、尾氣回收機(jī)構(gòu)、尾氣消聲機(jī)構(gòu)之一或其組合；所述作功系統(tǒng)作功室的工作循環(huán)當(dāng)活塞運(yùn)動至上止點(diǎn)時，氣缸容積處于最小容積，此時，所述凸輪軸通過進(jìn)氣閥控制進(jìn)氣門開啟、排氣門關(guān)閉，壓縮空氣直接進(jìn)入封閉的氣缸內(nèi)，由于缸內(nèi)與缸外的壓差，壓縮空氣在缸內(nèi)膨脹、體積增大，同時在其勢能極速釋放的推力下，推動活塞運(yùn)動產(chǎn)生下行行程，活塞的下行直線往復(fù)運(yùn)動通過曲柄連桿驅(qū)動曲軸作圓周作功運(yùn)動；當(dāng)活塞運(yùn)動至下止點(diǎn)時，氣缸室處于最大體積，此時，所述凸輪軸通過進(jìn)氣閥控制進(jìn)氣門關(guān)閉、排氣門開啟，活塞在慣性作用下向上運(yùn)動產(chǎn)生上行形成，作功后的壓縮空氣通過排氣門排出，氣缸容積再次變?yōu)樽钚≈?，進(jìn)入下一循環(huán)作功過程，從而向外界不斷輸出動力。優(yōu)選地，所述控制閥與進(jìn)氣門之間的連通管道上設(shè)置有熱交換裝置，用于對通過管道的壓縮空氣進(jìn)行溫度和壓力調(diào)節(jié)，以提高有效的作功功率。優(yōu)選地，所述凸輪軸工作時進(jìn)氣閥開啟的進(jìn)氣持續(xù)角與排氣閥開啟的排氣持續(xù)角為相對無間隙呼應(yīng)。優(yōu)選地，所述凸輪軸位于所述曲軸一側(cè)，兩者通過齒輪或皮帶傳動連接，所述進(jìn)氣閥和排氣閥設(shè)有控制其啟閉的氣門挺桿，所述凸輪軸上的凸輪通過橫桿與氣門挺桿傳動連接，從而控制進(jìn)氣閥和排氣閥按活塞作功行程依次開啟或關(guān)閉。優(yōu)選地，所述凸輪軸位于所述進(jìn)氣門和排氣門頂部，并通過皮帶或鏈條與曲軸傳動連接，其上的凸輪直接控制進(jìn)氣閥和排氣閥。優(yōu)選地，所述凸輪軸位于所述進(jìn)氣門和排氣門頂部，并通過皮帶或鏈條與曲軸傳動連接，其上的凸輪通過連桿控制進(jìn)氣閥和排氣閥。優(yōu)選地，所述凸輪軸包括進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪；所述進(jìn)氣凸輪沿其對稱方向形成有凸角以便打開進(jìn)氣閥，排氣凸輪沿其對稱方向形成有打開部分以便打開排氣閥。優(yōu)選地，所述壓縮空氣氣源的氣體壓力大于所述氣缸作功室內(nèi)的新鮮充氣壓縮到發(fā)動裝置設(shè)定的壓縮比所需的壓力，其壓力與工況環(huán)境壓力有數(shù)量級的壓差，且能達(dá)到活塞最低氣壓作功死點(diǎn)。優(yōu)選地，所述壓縮空氣存儲容器上設(shè)有智能安全閥、人工減壓閥、進(jìn)閥門、排氣閥門、法蘭盤連接、壓力壓強(qiáng)儀表接口，以及設(shè)置在容器底部的排污閥。優(yōu)選地，所述氣缸單獨(dú)成機(jī)運(yùn)行或以小于等于36的2的整倍數(shù)成機(jī)運(yùn)行，其排列方式為直列、V型、水平對置或W型。本發(fā)明提供的透平發(fā)動機(jī)解決了現(xiàn)有熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的石化發(fā)動機(jī)受能源開采的限制，以及污染環(huán)境、成本高、不可循環(huán)利用、經(jīng)濟(jì)型差等方面的技術(shù)缺陷，提供了一套使用自然空氣作為基礎(chǔ)能源，利用壓縮空氣作為工質(zhì)的動力源透平機(jī)械功輸出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的可行性技術(shù)方案和實(shí)施例。通過采用壓縮空氣為動力源，不采用傳統(tǒng)的石化能源，取消了一般發(fā)動機(jī)的油氣、點(diǎn)火、冷卻、噴油、爆炸燃燒等系統(tǒng)，作功時無爆炸燃燒，工作時的噪聲和振動低于一般發(fā)動機(jī)，沒有有害尾氣排放，其排放的尾氣溫度20°C<，結(jié)構(gòu)更為簡單，而且有效降低了制造成本與機(jī)體重量。本發(fā)明可以設(shè)置單缸或多缸并聯(lián)成機(jī)，以對應(yīng)滿足相應(yīng)功率的動力輸出。并可以使壓縮空氣的作功得到精確控制，極大的提高能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換過程中的作功功率，較少熱量損失和振動噪聲僧能量消耗，從而提高整體動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和節(jié)能減排性能。本發(fā)明還具有無限制性啟動、動力特性好，轉(zhuǎn)速和壓縮比可調(diào)，輸出扭矩大，通用與經(jīng)濟(jì)性好，維修方便、使用壽命長，安全性高，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。作為一種不污染環(huán)境的、綠色的、清潔的環(huán)保型機(jī)械動力裝置，適用于機(jī)動車輛、飛行器、艦船與動力發(fā)電、工程機(jī)械等軍、民應(yīng)用領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明所提供透平發(fā)動機(jī)的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣作功行程；圖2為本發(fā)明所提供透平發(fā)動機(jī)的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中發(fā)動機(jī)處于排氣行程；圖3為圖I所示透平發(fā)動機(jī)的工作原理示意圖；圖4為本發(fā)明所提供透平發(fā)動機(jī)的氣缸頭的一種布置示意圖；圖5為凸輪軸的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為曲軸的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中I.空氣壓縮機(jī) 2.空氣存儲容器 3.管道 4.控制閥 5.殼體 6.氣缸7.活塞8.氣缸蓋9.進(jìn)氣門10.排氣門11.進(jìn)氣閥12.排氣閥13.曲軸14.連桿15.凸輪軸16.熱交換裝置
具體實(shí)施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請參考圖I、圖2、圖3，圖I為本發(fā)明所提供透平發(fā)動機(jī)的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中發(fā)動機(jī)處于進(jìn)氣作功行程；圖2為本發(fā)明所提供透平發(fā)動機(jī)的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中發(fā)動機(jī)處于排氣行程；圖3為圖I所示透平發(fā)動機(jī)的工作原理示
意圖。在一種具體實(shí)施方式
中，本發(fā)明所提供的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，包括共同依附于同一機(jī)體的氣源、控制、作功、潤滑四個子系統(tǒng)，以及配氣、傳動、輔助三個子機(jī)構(gòu)；氣源系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)I和/或壓縮空氣存儲容器2提供氣源，并通過管道3串連構(gòu)成，壓縮空氣是指對自然空氣進(jìn)行機(jī)械增壓后的氣體，經(jīng)過壓縮后的自然空氣的壓縮比能按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到額定要求?？刂葡到y(tǒng)設(shè)于氣源系統(tǒng)與作功系統(tǒng)之間，包括電子測控裝置(圖中未示出)以及控制閥4，電子測控裝置對壓縮空氣的壓強(qiáng)和空氣質(zhì)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與定量，并通過控制閥4控制供給作功系統(tǒng)的壓縮空氣的流量和壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)力矩與運(yùn)行狀態(tài)的控制。 控制閥4是一個備壓式的控制閥，可采用機(jī)械配氣閥(液壓或電磁閥)，控制閥4設(shè)在壓縮空氣存儲容器2與發(fā)動裝置之間，是所需壓縮空氣氣源的壓力、流量調(diào)節(jié)器和制動、控制中樞，能夠?qū)Πl(fā)動裝置的動力性產(chǎn)生重大影響，控制閥內(nèi)制動間隙擴(kuò)大一氣量增加一運(yùn)動加速，制動間隙縮小一減少氣量一運(yùn)動減速，制動間隙無限接近零一無氣量一運(yùn)動停止。作功系統(tǒng)包括殼體5及其內(nèi)部設(shè)置的至少一組氣缸6與活塞7，氣缸6具有封閉的可變?nèi)莘e，其內(nèi)部為作功室，頂部設(shè)有氣缸蓋8，底部設(shè)有曲軸箱.為保證作功室內(nèi)的處于相對密封狀態(tài)，活塞7與氣缸6內(nèi)的缸套之間不直接接觸并處于相當(dāng)小的間隙或處于接觸與非接觸的臨界狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)活塞運(yùn)動作功時與缸套的最小摩擦，以提升作功與升功率。其中，氣缸蓋中部設(shè)有進(jìn)氣門9、排氣門10，進(jìn)氣門9通過進(jìn)氣閥11與進(jìn)氣管道相連通，排氣門10通過排氣閥12與排氣管道相連通，進(jìn)氣管道與氣源系統(tǒng)相連通，排氣管道的出口與大氣相連通。曲軸箱內(nèi)設(shè)置曲軸13 (如圖6所示)，活塞7通過連桿14與曲軸13傳動連接，連桿14的兩端分別與活塞7和曲軸13相鉸接。潤滑系包括設(shè)于氣缸的潤滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器以及閥門，機(jī)油儲存于曲軸箱底部的油底殼，機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和潤滑油道相連通形成機(jī)油潤滑油路，閥門設(shè)于潤滑油路。配氣機(jī)構(gòu)包括與曲軸13傳動連接的凸輪軸15 (如圖5所示)，凸輪軸15上設(shè)有進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪，進(jìn)氣凸輪沿其對稱方向形成有凸角以便打開進(jìn)氣閥11，排氣凸輪沿其對稱方向形成有打開部分以便打開排氣閥12，進(jìn)氣閥11和排氣閥12在凸輪軸13的控制下定時開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門9和排氣門10，使壓縮空氣進(jìn)入氣缸6，并使廢氣從氣缸6內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程。傳動機(jī)構(gòu)包括正時鏈輪、正時鏈條和曲軸鏈輪，曲軸鏈輪設(shè)置于曲軸13上，正時鏈輪通過正時鏈條與曲軸鏈輪連接，正時鏈輪與凸輪軸13相連。輔助機(jī)構(gòu)包括尾氣穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)、尾氣回收機(jī)構(gòu)、尾氣消聲機(jī)構(gòu)之一或其組合，回收機(jī)構(gòu)主要作用是將作功后的壓縮空氣中內(nèi)含的余壓、余溫通過壓力與熱交換裝置進(jìn)行綜合回收利用，消聲機(jī)構(gòu)主要包括對運(yùn)行時由于對外作功所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分貝的降低與消解。
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上述作功室內(nèi)的工作循環(huán)當(dāng)活塞7運(yùn)動至上止點(diǎn)時，氣缸6的容積處于最小值，此時，凸輪軸15通過進(jìn)氣閥11控制進(jìn)氣門9開啟、排氣門10關(guān)閉，壓縮空氣直接進(jìn)入封閉的氣缸6內(nèi)，由于缸內(nèi)與缸外的壓差，壓縮空氣在缸內(nèi)膨脹、體積增大，同時在其勢能極速釋放的推力下，推動活塞7運(yùn)動產(chǎn)生下行行程，活塞7的下行直線往復(fù)運(yùn)動通過曲柄連桿驅(qū)動曲軸13作圓周作功運(yùn)動。當(dāng)活塞7運(yùn)動至下止點(diǎn)時，氣缸6室處于最大體積，此時，凸輪軸15通過進(jìn)氣閥11控制進(jìn)氣門9關(guān)閉、排氣門10開啟，活塞7在慣性作用下向上運(yùn)動產(chǎn)生上行行程，作功后的壓縮空氣通過排氣門排出，氣缸容積再次變?yōu)樽钚≈?，進(jìn)入下一循環(huán)作功過程，從而向外界不斷輸出動力。上述氣缸連接處設(shè)置有必要的密封，排氣門與排氣管連接處和進(jìn)氣管與氣管連接處有密封圈密封。這里要說明的是，壓縮空氣氣源的氣體壓力應(yīng)大于氣缸作功室內(nèi)的新鮮充氣壓縮到發(fā)動裝置設(shè)定的壓縮比所需的壓力，其壓力與工況環(huán)境壓力有數(shù)量級的壓差，且能達(dá)到活塞最低氣壓作功死點(diǎn)，進(jìn)入氣缸內(nèi)的壓縮空氣的量和流量與轉(zhuǎn)速成正比。控制閥與進(jìn)氣門之間的連通管道上可設(shè)置采用外來能源作功的熱交換裝置16，用于對通過管道的壓縮空氣進(jìn)行溫度與壓力調(diào)節(jié)，以提高有效的作功功率。凸輪軸工作時進(jìn)氣閥開啟的進(jìn)氣持續(xù)角與排氣閥開啟的排氣持續(xù)角為相對無間隙呼應(yīng)，其具體形式可以有多種，下面僅例舉其中的三種如圖I、圖2所示的第一種形式，凸輪軸15位于曲軸13—側(cè)，兩者通過齒輪或皮帶傳動連接，進(jìn)氣閥11和排氣閥12設(shè)有控制其啟閉的氣門挺桿，凸輪軸15上的凸輪通過橫桿與氣門挺桿傳動連接，從而控制進(jìn)氣閥11和排氣閥12按活塞作功行程依次開啟或關(guān)閉。如圖3所示的第二種形式，凸輪軸15位于進(jìn)氣門9和排氣門10頂部，并通過皮帶或鏈條與曲軸13傳動連接，其上的凸輪直接控制進(jìn)氣閥11和排氣閥12。如圖4所示的第三種形式，凸輪軸15位于進(jìn)氣門9和排氣門10頂部，并通過皮帶或鏈條與曲軸13傳動連接，其上的凸輪通過連桿控制進(jìn)氣閥11和排氣閥12。具體地，壓縮空氣存儲容器上可進(jìn)一步設(shè)置智能安全閥、人工減壓閥、進(jìn)閥門、排氣閥門、法蘭盤連接、壓力壓強(qiáng)儀表接口，以及設(shè)置在容器底部的排污閥。上述作功室可以為一個或者由多個組成，即氣缸單獨(dú)成機(jī)運(yùn)行或以小于等于36的2的整倍數(shù)成機(jī)運(yùn)行，其排列方式為直列、V型、水平對置或W型。使用多個作功室時，其同心曲軸為通軸。各作功室內(nèi)活塞行程相等，曲軸通過傳動機(jī)構(gòu)向外輸出動力源?；钊麨閳A柱形，頂桿為一端有平面的圓柱體，活塞與活塞缸向鉸鏈，活塞桿的頂端與頂桿的平面相抵。氣缸與活塞組成的作功機(jī)構(gòu)在殼體中為一層，氣缸數(shù)量至少為一個或成對稱排布的至少兩組，與配氣口對應(yīng)的氣缸和活塞的組數(shù)、凸輪軸、曲軸等鉗口、頂桿數(shù)的數(shù)量相等。其工作原理如下壓縮空氣存儲容器2與控制閥4相連通，氣源通過控制閥4、熱交換裝置16與進(jìn)氣門9相連通，進(jìn)氣門9與作功室相連，壓縮空氣通過進(jìn)氣門9進(jìn)入氣缸6，氣缸6的排氣門通過排氣閥12與排氣管道相連通，在排氣門下方的管道上安裝有排氣機(jī)構(gòu)，排氣機(jī)構(gòu)的出口與大氣相連通，作功后的壓縮空氣經(jīng)過排氣機(jī)構(gòu)后排入大氣。由氣源通過管道輸入壓縮空氣至控制閥4，控制閥4通過封閉管道連接至熱交換裝置16，經(jīng)熱交換裝置16作功后的壓縮空氣直接通過進(jìn)氣門輸入氣缸6，因其與外界自然空氣有絕對壓差，壓縮空氣利用其存儲在空氣分子間的積聚勢能，迅速釋放并膨脹推動活塞7，活塞7通過接受壓縮空氣勢能的推力產(chǎn)生上下位移而作直線運(yùn)動機(jī)械功。活塞7又推動連桿14與曲軸13、凸輪軸15產(chǎn)生切線力使曲軸作圓周轉(zhuǎn)動。通過控制進(jìn)氣門9與排氣門10的開啟與關(guān)閉時間，實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣進(jìn)入與排出的控制要求?；钊?與氣缸6密切配合膨脹、作功行程受到壓縮空氣輸入空氣壓強(qiáng)勢能的作用，由消耗空氣壓強(qiáng)勢能轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定而持續(xù)的動能。如此循環(huán)往復(fù)交替運(yùn)行，至曲軸連續(xù)作圓周轉(zhuǎn)動，由曲軸輸出透平機(jī)械功。一般發(fā)動機(jī)為四沖程作功，利用由爆炸與燃燒獲得的高溫、高壓氣體推動活塞作功，而且能源開采受限，轉(zhuǎn)化率低、高污染、不可再生；本發(fā)明采用二沖程作功，以壓縮空氣作為工質(zhì)，將進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火爆炸和排氣這四個工程形成分別在兩個作功機(jī)構(gòu)中進(jìn)行，由獨(dú)立的空氣壓縮機(jī)進(jìn)行對進(jìn)氣空氣的采集和壓縮作功，實(shí)現(xiàn)四沖程的前兩個行程；由同軸心、不具有壓縮功能的發(fā)動裝置實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火爆炸和排氣，完成四沖程的后兩個作功行程，實(shí)現(xiàn)二沖程過程作功，通過壓縮空氣的分子勢能透平推動活塞作功，具有很高的功率密度和扭矩儲備，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機(jī)的缺點(diǎn)。而且作功無爆炸燃燒，物理作功，轉(zhuǎn)化率高，無新生污染源，可再生，能源不受限，可循環(huán)利用。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在大功率動力輸出的狀態(tài)下，采用低轉(zhuǎn)速能有更大的扭矩輸出，同時，能有效改善因壓縮空氣壓強(qiáng)過高、流速過快引起的作功溫度過低的工況，能夠提高整體系統(tǒng)性能與可靠性。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，配氣機(jī)構(gòu)的配氣入口的配氣口是從安裝在發(fā)動裝置頂部的配氣裝置由原內(nèi)燃機(jī)的空氣進(jìn)氣口通過進(jìn)氣口連接的體盤的連接口對應(yīng)接直接接入至各缸體內(nèi)，其結(jié)構(gòu)更為合理和簡單。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，控制閥的作功機(jī)構(gòu)采用電磁控制與內(nèi)置凸錐結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，不但能有效降低壓縮空氣調(diào)節(jié)通過時晗的變動區(qū)間，而且比機(jī)械擋板式結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)新鮮空氣壓縮比有著更快、更穩(wěn)定的負(fù)荷響應(yīng)特性，就使壓縮空氣能在通過控制閥調(diào)節(jié)時損功降為最低。并可實(shí)現(xiàn)對發(fā)動裝置停止、啟動、怠速、中等負(fù)荷、全負(fù)荷、加速、減速等七種工況的有效控制、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對發(fā)動裝置啟動、工作、停止的調(diào)速要求。
作為本發(fā)明的更進(jìn)一步改進(jìn)，在凸輪軸上沿同心圓弧線均布有構(gòu)成配氣上下止點(diǎn)的弧形部件。缸體沿其外圓周以經(jīng)線為軸心均布有氣缸，并有對應(yīng)的進(jìn)排氣口與各氣缸相連通。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，氣缸、缸蓋和活塞都采用特殊材料制造，其耐壓能力大于現(xiàn)有發(fā)動機(jī)，而且具有更高的輕度，如此可以在系統(tǒng)本身最高限度地接受高壓強(qiáng)的壓縮空氣直接進(jìn)入氣缸進(jìn)行作功，盡可能避免因過度減壓導(dǎo)致的壓縮空氣有效能損失?？朔捅苊饬爽F(xiàn)有氣動發(fā)動機(jī)在減壓環(huán)節(jié)和排氣環(huán)節(jié)中的有效能損失，提高了壓縮空氣在由分子勢能向機(jī)械動能轉(zhuǎn)化的能量轉(zhuǎn)換效率。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，為解決尾氣能量的損失問題，排氣系統(tǒng)主要將作功后的壓縮空氣中內(nèi)含的余壓、余溫通過壓力與熱交換裝置進(jìn)行綜合回收利用，使排氣壓力穩(wěn)定在于外界氣壓相等或相近的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)壓縮空氣勢能可變的對外作功方式，最大限度地利用了壓縮空氣中的能量。包括對本發(fā)明系統(tǒng)運(yùn)行時由于對外作功所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分貝的降低與消解?！ど鲜鐾钙桨l(fā)動機(jī)僅是一種優(yōu)選方案，具體并不局限于此，在此基礎(chǔ)上可根據(jù)實(shí)際需要作出具有針對性的調(diào)整，從而得到不同的實(shí)施方式。由于可能實(shí)現(xiàn)的方式較多，這里就不再一一舉例說明。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)無限制性啟動，不采用啟動馬達(dá)，作功時作功運(yùn)行時不燃燒，是一個吸熱作功的過程，保持低溫最佳作功運(yùn)行狀態(tài)，故不會過度受熱，所以不必使用傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)。這既滿足了金屬的溫度特性要求的關(guān)聯(lián)最佳優(yōu)化，而且也取消了常規(guī)發(fā)動機(jī)必須的冷卻系統(tǒng)。由于其作功的動力源來自經(jīng)過過濾和壓縮后的自然空氣，無何成分變化，故也不必使用傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)所需的過濾空氣污染物的過濾裝置。與現(xiàn)有傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，本發(fā)明取消了點(diǎn)火系統(tǒng)，供油系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。本發(fā)明還具有如下特性結(jié)構(gòu)簡單、振動小、體積小、重量輕、安全可靠、使用壽命長、低速扭矩大、響應(yīng)調(diào)速快、節(jié)約能源、環(huán)保節(jié)能、使用維修方便等。本發(fā)明的有益效果如下I、為可再生的清潔空氣能源的廣泛認(rèn)知與應(yīng)用提供了原創(chuàng)性技術(shù)方案與實(shí)例，改變了現(xiàn)有發(fā)動機(jī)的能源使用方式，為可再生能源的利用開辟了新的領(lǐng)域與途徑。2、在運(yùn)行過程中使用的是制備簡易、非易燃易爆的自然空氣，壓縮空氣具有獲取不需支付費(fèi)用，無限制隨時隨地獲得，可存儲，存儲密度高，壓縮比可調(diào)的諸多特有的特性優(yōu)點(diǎn)。而且壓縮空氣的制備過程中不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生物質(zhì)成分的改變，無火災(zāi)與爆炸危險(xiǎn)，其能量的來源屬于自然界既有能源的物理性轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移過程中的能量以熱能和勢能的轉(zhuǎn)換形式為主，作功過程無爆炸、燃燒，符合環(huán)保要求，運(yùn)行安全而可靠，較現(xiàn)有的石油、煤炭、電能更具有清潔能源的優(yōu)勢。3、壓縮空氣經(jīng)過了除塵、冷卻、凈化等工藝流程，在將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換成曲軸的動能過程中，沒有燃燒和爆炸過程，壓縮空氣成分本身不參與作功反應(yīng)，所以作功后排放出的氣體與使用前沒有根本性變化，也就沒有傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的尾氣污染；不消耗不可再生的石化能源，回收釋放出來的氣體可再作循環(huán)利用，達(dá)到了發(fā)動裝置尾氣排放對環(huán)境的零污染。因此即能節(jié)省有限的地球資源，又可避免環(huán)境的污染。從國家氣候分析中心對本發(fā)明尾氣的成分分析結(jié)果來看，本發(fā)明還具有凈化空氣的作用。
4、在尾氣的回收與應(yīng)用上設(shè)計(jì)有將作為氣源進(jìn)行熱交換和為其回收的方案，不僅節(jié)省了能源，而且有助于提高本發(fā)明的有效轉(zhuǎn)化功率。5、可以作用常規(guī)動カ機(jī)械的發(fā)動裝置，還可以用于壓縮空氣儲能系統(tǒng)，用來為電力系統(tǒng)調(diào)峰填谷，或與風(fēng)、光等自然能源電系統(tǒng)配套，解決他們發(fā)電的間歇性和頻率不穩(wěn)瓶頸。6、解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，以及發(fā)動裝置對環(huán)境、能源與人類健康相悖的發(fā)展問題，減少內(nèi)燃機(jī)對石油燃料和其它燃料的過度依賴和過度消耗，以及因此而造成的過度環(huán)境污染。本發(fā)明是一種環(huán)保型新能源的開發(fā)技木，來源廣泛，沒有污染，容易開發(fā)，設(shè)備簡單，成本低廉，用途廣泛，前景廣_，它將是未來汽車エ業(yè)、機(jī)車車輛エ業(yè)、飛機(jī)エ業(yè)、甚至輪
船エ業(yè)等領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的ー項(xiàng)技木。在全球面臨能源與環(huán)境危機(jī)的今天，采用本發(fā)明的技術(shù)與原理方案對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)エ業(yè)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的技術(shù)價值、經(jīng)濟(jì)價值、環(huán)境價值和社會價值和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。以上對本發(fā)明所提供的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，包括共同依附于同一機(jī)體的氣源、控制、作功、潤滑四個子系統(tǒng)，以及配氣、傳動、輔助三個子機(jī)構(gòu)； 所述氣源系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)和/或壓縮空氣存儲容器提供氣源，并通過管道串連構(gòu)成； 所述控制系統(tǒng)，設(shè)于氣源系統(tǒng)與作功系統(tǒng)之間，包括電子測控裝置以及控制閥，所述電子測控裝置對壓縮空氣的壓強(qiáng)和空氣質(zhì)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與定量，并通過控制閥控制供給作功系統(tǒng)的壓縮空氣的流量和壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)力矩與運(yùn)行狀態(tài)的控制； 所述作功系統(tǒng)包括殼體及其內(nèi)部設(shè)置的至少一組氣缸與活塞，所述氣缸具有封閉的可變?nèi)莘e，其內(nèi)部為作功室，頂部設(shè)有氣缸蓋，底部設(shè)有曲軸箱； 其中，氣缸蓋設(shè)有進(jìn)氣門、排氣門，所述進(jìn)氣門通過進(jìn)氣閥與進(jìn)氣管道相連通，所述排氣門通過排氣閥與排氣管道相連通，所述進(jìn)氣管道與氣源系統(tǒng)相連通，所述排氣管道的出口與大氣相連通； 其中，所述曲軸箱內(nèi)設(shè)置曲軸，所述活塞通過連桿與曲軸傳動連接，所述連桿的兩端分別與活塞和曲軸相鉸接，所述曲軸與發(fā)動機(jī)的主軸連接； 所述潤滑系包括設(shè)于所述氣缸的潤滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器以及閥門，機(jī)油儲存于所述曲軸箱底部的油底殼，所述機(jī)油泵、機(jī)油濾清器和潤滑油道相連通形成機(jī)油潤滑油路，所述閥門設(shè)于潤滑油路； 所述配氣機(jī)構(gòu)包括與曲軸傳動連接的凸輪軸，所述進(jìn)氣閥和排氣閥在凸輪軸的控制下定時開啟和關(guān)閉進(jìn)氣門和排氣門，使壓縮空氣進(jìn)入氣缸，并使廢氣從氣缸內(nèi)排出，實(shí)現(xiàn)換氣過程； 所述傳動機(jī)構(gòu)包括正時鏈輪、正時鏈條和曲軸鏈輪，所述曲軸鏈輪設(shè)置于曲軸上，所述正時鏈輪通過正時鏈條與曲軸鏈輪連接；所述正時鏈輪與所述凸輪軸相連； 所述輔助機(jī)構(gòu)包括尾氣穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)、尾氣回收機(jī)構(gòu)、尾氣消聲機(jī)構(gòu)之一或其組合； 所述作功系統(tǒng)作功室的工作循環(huán) 當(dāng)活塞運(yùn)動至上止點(diǎn)時，氣缸容積處于最小容積，此時，所述凸輪軸通過進(jìn)氣閥控制進(jìn)氣門開啟、排氣門關(guān)閉，壓縮空氣直接進(jìn)入封閉的氣缸內(nèi)，由于缸內(nèi)與缸外的壓差，壓縮空氣在缸內(nèi)膨脹、體積增大，同時在其勢能極速釋放的推力下，推動活塞運(yùn)動產(chǎn)生下行行程，活塞的下行直線往復(fù)運(yùn)動通過曲柄連桿驅(qū)動曲軸作圓周作功運(yùn)動； 當(dāng)活塞運(yùn)動至下止點(diǎn)時，氣缸室處于最大體積，此時，所述凸輪軸通過進(jìn)氣閥控制進(jìn)氣門關(guān)閉、排氣門開啟，活塞在慣性作用下向上運(yùn)動產(chǎn)生上行形成，作功后的壓縮空氣通過排氣門排出，氣缸容積再次變?yōu)樽钚≈担M(jìn)入下一循環(huán)作功過程，從而向外界不斷輸出動力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述控制閥與進(jìn)氣門之間的連通管道上設(shè)置有熱交換裝置，用于對通過管道的壓縮空氣進(jìn)行溫度和壓力調(diào)節(jié)，以提高有效的作功功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述凸輪軸工作時進(jìn)氣閥開啟的進(jìn)氣持續(xù)角與排氣閥開啟的排氣持續(xù)角為相對無間隙呼應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述凸輪軸位于所述曲軸一側(cè)，兩者通過齒輪或皮帶傳動連接，所述進(jìn)氣閥和排氣閥設(shè)有控制其啟閉的氣門挺桿，所述凸輪軸上的凸輪通過橫桿與氣門挺桿傳動連接，從而控制進(jìn)氣閥和排氣閥按活塞作功行程依次開啟或關(guān)閉。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述凸輪軸位于所述進(jìn)氣門和排氣門頂部，并通過皮帶或鏈條與曲軸傳動連接，其上的凸輪直接控制進(jìn)氣閥和排氣閥。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述凸輪軸位于所述進(jìn)氣門和排氣門頂部，并通過皮帶或鏈條與曲軸傳動連接，其上的凸輪通過連桿控制進(jìn)氣閥和排氣閥。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述凸輪軸包括進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪；所述進(jìn)氣凸輪沿其對稱方向形成有凸角以便打開進(jìn)氣閥，排氣凸輪沿其對稱方向形成有打開部分以便打開排氣閥。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述壓縮空氣氣源的氣體壓力大于所述氣缸作功室內(nèi)的新鮮充氣壓縮到發(fā)動裝置設(shè)定的壓縮比所需的壓力，其壓力與工況環(huán)境壓力有數(shù)量級的壓差，且能達(dá)到活塞最低氣壓作功死點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述壓縮空氣存儲容器上設(shè)有智能安全閥、人工減壓閥、進(jìn)閥門、排氣閥門、法蘭盤連接、壓力壓強(qiáng)儀表接口，以及設(shè)置在容器底部的排污閥。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，其特征在于，所述氣缸單獨(dú)成機(jī)運(yùn)行或以小于等于36的2的整倍數(shù)成機(jī)運(yùn)行，其排列方式為直列、V型、水平對置或W型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用壓縮空氣為作功能源的透平發(fā)動機(jī)，包括氣源、控制、作功、潤滑系統(tǒng)，以及配氣、傳動、輔助機(jī)構(gòu),所述氣源系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)和/或壓縮空氣存儲容器提供氣源，并通過管道串連構(gòu)成；所述控制系統(tǒng)，設(shè)于氣源系統(tǒng)與作功系統(tǒng)之間，包括電子測控裝置以及控制閥;所述作功系統(tǒng)包括殼體及其內(nèi)部設(shè)置的至少一組氣缸與活塞;所述潤滑系包括設(shè)于所述氣缸的潤滑油道、機(jī)油泵、機(jī)油濾清器以及閥門。該發(fā)動以壓縮空氣為工質(zhì)，能夠創(chuàng)造壓縮空氣氣源壓力與作功室未作功空氣有絕對壓力差的工況環(huán)境與條件，在進(jìn)一步優(yōu)化作功與傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使壓縮空氣勢能能夠高效、充分地轉(zhuǎn)化為透平機(jī)械能，進(jìn)而向外輸出機(jī)械功。
文檔編號F01B9/02GK102787866SQ20121029598
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者彭學(xué)軍 申請人:彭學(xué)軍