一种v型多缸空气动力发动机总成的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种V型多缸空气动力发动机总成，包括多缸发动机本体，多柱体动力分配器，动力设备，控制器系统，高压气罐组，恒压罐和压缩空气加热装置，其中：所述多柱体动力分配器一端通过发动机本体的曲轴连接至发动机本体，另一端连接至空气压缩机和/或动力设备；所述动力设备与多柱体动力分配器连接；所述控制器系统一端连接至压缩空气加热装置并由其供给高温高压空气，另一端连接至发动机本体并向各个气缸提供高压压缩空气；所述高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通；所述恒压罐一端通过管路与高压气罐组连通，另一端通过管路与压缩空气加热装置连通；所述压缩空气加热装置通过管路连接至恒压罐并用于加热来自恒压罐的压缩空气。
【专利说明】一种V型多缸空气动力发动机总成
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发动机，具体而言，涉及一种以压缩空气作为动力的V型多缸空气动力发动机总成。
【背景技术】
[0002]发动机被广泛应用于各行各业中，在现代交通运输工具比如汽车、轮船等中，一般采用以燃油作为动力源的活塞式内燃发动机。这种采用燃油作为动力源的发动机一方面因燃油燃烧不充分，使得排出的气体中含有大量的有害物质而污染环境，另一方面因使用的燃油是从石油中提炼而获得，石油资源的日益紧缺使得燃油发动机的发展和利用受到越来越多的限制。因此开发新的、洁净的、无污染的替代能源，或者尽可能地减少燃油消耗、降低排放成为发动机发展中急需解决的问题，以压缩空气作为动力源的空气动力发动机正好满足了这种要求。
[0003]最早研究压缩空气动力发动机的为法国MDI公司的设计师Guy Negre，他于2002年推出了第一款纯空气动力的经济型家用桥车。关于压缩空气发动机的研究可见FR2731472A1、US6311486B1、US20070101712A1 等。
[0004]FR2731472A1公开了一种可在燃料供应和压缩空气供应两种模式下工作的发动机，在高速公路上采用普通燃料如汽油或柴油，在低速特别是市区和市郊，将压缩空气(或其他任何非污染的压缩气体)注入燃烧室。这种发动机虽然部分地降低了燃料消耗，由于仍然采用了燃油工作模式，排放问题依然未能解决。
[0005]为了进一步减轻污染，US6311486B1公开了一种纯空气动力发动机，这种类型的发动机采用了三个独立的室:吸气-压缩室、膨胀排气室和恒定容积燃烧室，并且吸气-压缩室通过阀连接到恒定容积燃烧室，恒定容积燃烧室通过阀连接到膨胀排气室。这种发动机的问题之一是压缩气体从吸气-压缩室到膨胀排气室经历的时间较长，获得驱动活塞做功的动力源气体时间较长，同时，从膨胀排气室排出的高压气体未能得到使用，这就限制了这类发动机的工作效率及单次充气持续工作时间。
[0006]国内对压缩空气发动机的研究起步较晚，目前的研究多属于理论探讨和概念设计阶段，均未能解决压缩空气的排放(通常具有较高的压力，比如30bar左右)以及高压压缩空气的控制和分配问题，离压缩空气发动机的产品化过程还有很长的路要走。
[0007]本申请的 申请人:在其专利文献CN101413403A(其同族国际申请为W02010051668A1)中公开一种可用于交通运输工具的空气动力发动机总成,该发动机包括储气罐、空气分配器、发动机本体、联动器、离合器、自动变速器、差速器以及置于排气室内的叶轮发电机。这种发动机利用压缩空气做功而不使用任何燃料，因此没有废气排放，实现了“零排放”，并且重复利用废气进行发电，节省了能源，降低了成本。但这种发动机是基于传统的四冲程发动机，曲轴每旋转720度，活塞做功一次。而作为动力源的高压空气可以在进入气缸内时即可推动活塞做功，而后排放，即压缩空气发动机的冲程实际为进气-膨胀冲程和排放冲程。显然，专利文献CN101413403A所公开的这种四冲程压缩空气发动机大大浪费了有效的做功冲程，限制了发动机的效率。并且这种发动机的尾气未能很好地循环利用起来，需要足够大的储气罐储备高压空气才能工作足够长的时间。
[0008]基于专利申请CN101413403 A所存在的问题，本申请的 申请人:在其申请号为201110331809.9的中国申请中公开了一种具有尾气回收回路的压缩空气发动机总成，该发动机包括气缸、缸盖系统、进气管路、排气管路、活塞、连杆、曲轴、排气凸轮轴、进气凸轮轴、前齿轮箱系统和后齿轮箱。这种发动机利用压缩空气做功而不使用任何燃料，因此没有废气排放，实现了“零排放”，并且循环利用废气进行做功，节省了能源，降低了成本。但这种发动机是直列多缸发动机，控制器中的每个控制器气门孔中只安装一个控制器气门，在发动机总体长度一定的情况下，限制了气缸缸数，因而限制了发动机的总输出功率。显然，201110331809. 9号申请所公开的这种直列多缸空气动力发动机总输出功率不高，发动机的构型仍然值得探索。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种V型多缸空气动力发动机，旨在解决空气动力发动机的输出功率问题以及尾气循环利用问题，从而实现经济、高效、零排放的新型压缩空气发动机。
[0010]具体技术方案如下：
[0011]一种V型多缸空气动力发动机总成，包括多缸发动机本体，多柱体动力分配器，动力设备，控制器系统，高压气罐组，恒压罐和压缩空气加热装置，其中：
[0012]所述多柱体动力分配器一端通过发动机本体的曲轴连接至发动机本体，另一端连接至空气压缩机和/或动力设备，并用于将发动机本体输出的转动运动分配到空气压缩机和/或动力设备；
[0013]所述动力设备与多柱体动力分配器连接，并用于接受所述曲轴传递过来的动力；
[0014]所述控制器系统一端连接至压缩空气加热装置并由其供给高温高压空气，另一端连接至发动机本体并向各个气缸提供高压压缩空气；
[0015]所述高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通，并用于向V型多缸空气动力发动机总成的其他组件进行供气；
[0016]所述恒压罐一端通过管路与高压气罐组连通，另一端通过管路与压缩空气加热装置连通，用于稳定来自高压气罐组的高压空气的压力；
[0017]所述压缩空气加热装置通过管路连接至恒压罐并用于加热来自恒压罐的压缩空气。
[0018]进一步地，还包括进气控制调速阀和电子控制单元E⑶，其中：
[0019]所述进气控制调速阀设置在连接压缩空气加热装置与控制器系统的管路上，并用于调节通过管路的高压压缩空气的流量；
[0020]所述电子控制单元E⑶分别通讯连接和/或电连接至发动机本体上的传感器和进气控制调速阀，并用于根据传感器，所检测的信号控制进气控制调速阀。
[0021]进一步地，所述多缸发动机本体包括左右两排气缸，曲轴，排气凸轮轴，进气凸轮轴和前齿轮箱系统，其中，
[0022]所述左右两排气缸分别含有4个或6个气缸，每个气缸的缸盖具有4个排气阀和I个气喉；
[0023]所述前齿轮箱系统用于将曲轴的动力传递给排气凸轮轴和进气凸轮轴。
[0024]进一步地，还包括空气压缩机和顺序阀，其中，
[0025]所述空气压缩机一端通过联轴器与多柱体动力分配器连接，另一端通过管路连接至高压气罐组，其用于将压缩增压后的尾气送入高压气罐组；
[0026]所述顺序阀设在空气压缩机与高压气罐组之间的管路上，并用于在尾气压力小于15MPa时，直接经由顺序阀送入恒压罐。
[0027]进一步地，还包括冷凝器，限压阀和尾气回收罐，其中，
[0028]所述冷凝器设在空气压缩机与高压气罐组之间的连接管路上，其用于对空气压缩机压缩增压后的尾气进行冷却处理并经过限压阀送入高压气罐组；
[0029]所述尾气回收罐一侧通过管路连接至发动机本体的排气集气管，另一侧通过管路连接至空气压缩机。
[0030]进一步地，高压气罐组与恒压罐之间的管路上设有减压阀，其用于使高压气罐组提供的高压压缩空气减压，以适当压力送入到恒压罐。
[0031]进一步地，所述进气控制调速阀是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合。
[0032]进一步地，所述控制器系统包括控制器单元；
[0033]所述控制器单元包括控制器上盖，控制器下座，具有控制器气门和中座凸起的控制器中座；所述控制器上盖，控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。
[0034]进一步地，
[0035]所述控制器单元的个数为6个或4个，每个控制器中座内包含两个所述控制器气门；
[0036]所述控制器单元的控制器中座内安装有两个控制器气门，两个控制器气门弹簧，两个气门座套，两个控制器气门弹簧座套，所述控制器气门受控制器气门弹簧的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套上；
[0037]所述控制器中座在其中部对称地设有两组直径不同的孔，从上到下依次为控制器气门座套孔，控制器气门孔，油封衬套孔，控制器气门弹簧孔，其中控制器气门座套孔的直径大于控制器气门孔的直径并且大于油封衬套孔的直径，控制器气门孔的直径大于油封衬套孔的直径，控制器气门弹簧孔的直径小于控制器气门孔的直径，并且略小于控制器气门座套孔的直径。
[0038]进一步地，所述控制器系统还包括高压共轨恒压管，高压共轨恒压管具有圆柱形，矩形或三角形外形，其内部为圆柱形腔道，用于接受来自进气控制阀的高压进气，并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡，以便使初始进入各个气缸的膨胀排气室内的高压空气具有相同的压力；
[0039]高压共轨恒压管的两端固定装配有进气后端盖，在其与进气控制阀连接的进气后端盖具有向外延伸的凸缘，该凸缘伸入到进气控制阀和高压共轨恒压管之间的管路内，并通过螺纹连接方式与高压管路可拆卸地固定连接，高压共轨恒压管的进气后端盖通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管连接，控制器上盖通过上盖连接孔固定密封地连通高压共轨恒压管。
[0040]根据本发明的另一个方面，提供一种V型多缸空气动力发动机总成，其包括发动机本体。该发动机本体包括左右两排气缸、曲轴、排气凸轮轴、进气凸轮轴和前齿轮箱；所述前齿轮箱系统用来将曲轴的动力通过过桥齿轮传递给排气凸轮轴和进气凸轮轴。发动机总成还包括:高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通；恒压罐，其通过管路与高压气罐组连通。其中，所述空气动力发动机总成进一步包括:进气控制调速阀，其通过管路与恒压罐连通；控制器系统；多柱体动力分配器，其与发动机本体的曲轴连接；动力设备，其与多柱体动力分配器连接，以接收曲轴传递过来的动力；电子控制单元％0，其根据传感器所检测的信号控制进气控制调速阀；压缩空气加热装置，其将来自恒压罐的压缩空气进行加热，以提高进气的温度。优选的是，所述发动机总成还包括第二供气回路，该第二供气回路包括空气压缩机、尾气回收罐、冷凝器、限压阀；其中，尾气由排气集气管送入空气压缩机，压缩增压后的尾气经冷凝器冷却处理后经过限压阀送入高压气罐组。根据本发明的优选实施例，本发明的发动机总成的左右两排气缸分别含有6个或4个气缸，每个气缸的缸盖具有4个排气阀和1个气喉。优选的是，所述第二供气回路进一步包括顺序阀，经空气压缩机增压后的尾气在压力小于151？3时，直接经由顺序阀送入恒压罐。优选的是，所述压缩空气加热装置设有电流选择按钮和温度调节按钮，以对压缩空气的加热方式和加热温度进行控制。优选的是，所述进气控制调速阀是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合。根据示范性实施例，本发明的多缸发动机的控制器系统包括高压共轨恒压管、控制器单元和进气凸轮轴外壳，所述控制器单元包括控制器上盖、控制器下座、具有控制器气门和中座凸起的控制器中座；所述控制器上盖、控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。优选的是，所述控制器单元的个数为6个或4个，每个控制器中座内包含两个所述控制器气门。更加优选的是，所述控制器单元的控制器中座内安装有两个控制器气门、两个控制器气门弹簧、两个气门座套、两个控制器气门弹簧座套，所述控制器气门受控制器气门弹簧的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套上。进一步的，所述控制器中座在其中部对称地设有两组直径不同的孔，从上到下依次为控制器气门座套孔、控制器气门孔、油封衬套孔、控制器气门弹簧孔，并且其中，控制器气门座套孔的直径大于控制器气门孔的直径并且大于油封衬套孔的直径，控制器气门孔的直径大于油封衬套孔的直径，控制器气门弹簧孔的直径小于控制器气门孔的直径，并且略小于控制器气门座套孔的直径。优选的是，右排气凸轮轴和左排气凸轮轴分别置于缸体的右、左侧靠外的位置，两者在纸平面的横向连线与水平面大体上平行，进气凸轮轴置于缸体的V型槽的顶部，且位于连线的中心位置。
[0041]根据本发明的另一个方面，本发明提供一种7型多缸空气动力发动机，其包括:发动机本体，其包括左右两排气缸、曲轴、排气凸轮轴、进气凸轮轴和前齿轮箱；所述前齿轮箱系统用来将曲轴的动力通过过桥齿轮传递给排气凸轮轴和进气凸轮轴；控制器，其包括高压共轨恒压管、控制器单元和进气凸轮轴外壳，所述控制器单元包括控制器上盖、控制器下座、具有控制器气门和中座凸起的控制器中座；所述控制器上盖、控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接；高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通；恒压罐，其通过管路与高压气罐组连通；进气控制调速阀，其调节通过管路的高压压缩空气的流量。优选的是，在所述恒压罐和进气控制调速阀之间设有压缩空气加热装置，以将来自恒压罐的压缩空气进行加热，以提高进气的温度。优选的是，所述左右两排气缸分别含有6个或4个气缸，每个气缸的缸盖具有4个排气阀和1个气喉。优选的是，右排气凸轮轴和左排气凸轮轴分别置于缸体的右、左侧靠外的位置，两者在正平面的横向连线与水平面大体上平行，进气凸轮轴置于缸体的V型槽的顶部，且位于连线的中心位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]图1是根据本发明的V型多缸空气动力发动机的总体示意图；
[0043]图2是图1中的根据本发明的移除控制器、气缸和气缸盖后的V型多缸空气动力发动机本体的三维斜视透视图；
[0044]图3是图1中的发动机本体的横向剖取的侧视图，其包括气缸、气缸盖和控制器的截面；
[0045]图4是图2中的排气凸轮轴结构示意图；
[0046]图5是图2中的曲轴单元结构示意图；
[0047]图6为本发明的用于V型多缸空气动力发动机的控制器的立体透视图；
[0048]图7为图6中的控制器的纵向横截面视图；
[0049]图8为图6中的控制器的横向横截面侧视图；
[0050]图9是图2中的进气凸轮轴结构示意图。
【具体实施方式】
[0051]下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
[0052]现在参考图1，图1是根据本发明的V型多缸空气动力发动机的总体示意图。在图1中，V型多缸空气动力发动机包括发动机本体1、多柱体动力分配器2、动力设备4、控制器系统6、空气压缩机7、冷凝器11、尾气回收罐9、高压气罐组13、恒压罐16、压缩空气加热装置101、进气控制调速阀23、电子控制单元E⑶29、限压阀702、顺序阀703。如图1所示，高压气罐组13通过压缩空气入口管路14与外接加气站或外接加气装置连接，以从外界获得所需的高压压缩空气。压缩空气入口管路14上设有流量计A、压力计P和手控开关(未示出)。流量计A用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的流量，而压力计P用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的压力。在需要通过外接加气装置或加气站对高压气罐组13进行加气时，打开手控开关，高压压缩空气进入高压气罐组13，当压缩空气入口管路14上的流量计A和压力计P达到规定数值时，关闭手控开关，完成高压气罐组13的充气过程，这样就可获得额定压力下比如30MPa的压缩空气。为了保证储气罐的安全性能，在高压气罐组13上可设置一个、二个或多个安全阀(未示出)。
[0053]高压气罐组13可以是具有足够容量的一个、二个、三个、四个或更多个高压气罐以串联或并联的形式组合而成，根据应用场合的实际需要，确定高压气罐组13的组成气罐数。高压气罐组13通过管路15连接到恒压罐16，管路15上同样设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P以及减压阀701。减压阀701用来使高压气罐组13提供的高压压缩空气减压，以适当压力送入到恒压罐16。恒压罐16用来稳定来自高压气罐组13的高压空气的压力，其压力略低于高压气罐组13内的压力，比如在21-25MPa之间，优选的是在2 IMPa左右。
[0054]在恒压罐16和进气控制调速阀23之间的管路17上设有压缩空气加热装置101，该加热装置为利用电流对空气进行加热的装置，其可采用交流电也可采用直流电，采用何种电流取决于设定在压缩空气加热装置101上的直流电按钮101-2和交流电按钮101-4的选定。压缩空气加热装置101上还设有直流调温按钮101-1和交流调温按钮101-3等两个功能按钮，以及直流电流表101-5、直流电压表101-6、交流电流表1-7和交流电压表101-8等四个计量表。直流调温按钮101-1和交流调温按钮101-3分别用来调节压缩空气加热装置101采用直流电或交流电对压缩空气进行加热的期望温度。为了使进入发动机气缸内的压缩空气尽可能地膨胀做功，希望在气缸及管道的耐温温度下压缩空气的加热温度尽可能的高。根据本发明的优选实施例，经过压缩空气加热装置101加热后的压缩空气，其温度可以达到800°C。根据直流调温按钮101-1和交流调温按钮101-3的设定，加热后的压缩空气其温度可在环境温度到800°C的温度下变化，这样就可以充分地满足压缩空气的温度要求，以尽可能地提高压缩空气的做功能力。直流电流表101-5、直流电压表101-6、交流电流表101-7和交流电压表101-8分别用来检测压缩空气加热装置101的直流或交流的电流值和电压值。管路17上也设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P。来自压缩空气加热装置101的高温、高压空气经过进气控制调速阀23的控制和调节后经管路进入控制器系统6。
[0055]现在详细地描述进气控制调速阀23。进气控制调速阀23的作用是根据电子控制单元EC029的指令信号控制电磁阀的开启时间来决定压缩空气进气量。由于电磁阀具有减压作用，其与减压调压阀组合就形成了调速阀，从而可以将发动机的转速调整在一个合适的范围内。进气控制调速阀23由ECU 29发出的控制信号26控制。在发动机本体I上可选择性地设有多种传感器，比如测量发动机转速的速度传感器、判断气缸上止点位置的位置传感器以及判断门油踏板位置的门油电位计，还可以是测量发动机机体温度的温度传感器。根据本发明的示例性实施例，示出了速度传感器24和/或门油电位计242。速度传感器24可以是现有技术中测量发动机转速的各种速度传感器，并通常设置在曲轴1020上。门油电位计242可以是现有技术中测量油门踏板位置的各种位置传感器，其通常设置在门油踏板位置处。在非车辆应用的场合中，类似于踏板位置的门油电位计可以是发动机负荷传感器，例如监测发动机输出力矩的转矩传感器、发电场合中控制发电电流大小的电流选择旋钮的位置传感器等。ECU 29根据各种传感器的信号，比如速度传感器24的速度信号和门油电位计242的位置信号中的任何一个或两个，经过运算处理发出控制信号26，控制信号26控制进气控制调速阀，从而可以实现进气控制调速阀的高速、中速、低速需要，由此相应于发动机的高速、中速和低速转动。
[0056]经过进气控制调速阀的高压压缩空气经高压管路流入控制器系统6，并由控制器系统6向发动机本体I的各个气缸提供高压压缩空气，比如大约7-18MPa之间的压力，优选的是为9-15MPa，更优选的是为ll_13MPa，以驱动发动机活塞1140在缸体3008内作往复运动（参考图2)，并经由连杆1100将活塞1140的往复运动转变成的曲轴1020的旋转运动，从而满足发动机的各种工况下的要求。控制器系统6的具体结构将在后文进行详细地描述。
[0057]继续参考图1，从发动机本体I输出的转动运动经过多柱体动力分配器2分配到应用设备，如图I中所示，应用设备包括空气压缩机7、动力设备4。空气压缩机7可以是传统的叶片式压缩机和活塞式压缩机等，也可以是本申请的 申请人:在专利文献（CN201261386Y)中所公开的加压装置。动力设备4可以是传动系统、发电机或变速器系统等。多柱体动力分配器2可与曲轴1020上的飞轮固定连接，也可通过比如是联轴器的连接件与曲轴连接。多柱体动力分配器2将动力分成两路，一路分配给动力设备4，另一路分配给空气压缩机7。动力设备4通过离合器3或类似功能的连接装置与多柱体动力分配器2连接，空气压缩机7通过例如是齿轮装置的联轴器5与多柱体动力分配器2连接。当发动机工作时，曲轴1020的旋转带动多柱体动力分配器2运转，继而将动力分别分配给动力设备4和空气压缩机7，从而带动动力设备4和空气压缩机7工作。本申请的 申请人:在其之前的中国专利申请201110331831.3和201110373185.7详细地描述了多柱体动力分配器的构造和结构，在此，这两个申请的全文通过引用结合于本文中，以对多柱体动力分配器进行公开。
[0058]由于本发明的压缩空气发动机由高压空气直接驱动，在曲轴旋转0-180度的过程中，高压空气驱动活塞1140运动，在活塞到达下止点后因惯性向上运动时，曲轴继续转动180度-360度，发动机进行排气冲程，此时排气的气体依然具有较高的压力，例如为3MPa左右，具有较高压力的排出气体直接排到大气中一方面容易形成高压尾气流，引起尾气噪声，另一方面损耗了压缩空气所蕴涵的能量。因此，对压缩空气发动机的尾气再利用是一项势在必行的关键技术。本发明的补充压缩空气回路结构概括如下:
[0059]从发动机本体I的排气集气管27排出的尾气经管路20输送到尾气回收罐9。尾气回收罐9和空气压缩机7之间的管路8上设有流量计A和压力计P，以分别检测和监控经过空气压缩机7压缩后的尾气的流量和压力。经过空气压缩机7压缩后的尾气其压力得到显著的增加，通常能达到大约IOMPa至大约25MPa之间。空气压缩机7将压缩后的尾气分两路对发动机本体I进行补充供应。在管路705的下游处设有分支管路704和10，管路10通往高压气罐组13，当空气压缩机7增压后的尾气压力大于15MPa时，增压尾气通过开启压力设定为例如是15MPa的限压阀，随后经过设定在管路10上的冷凝器11冷却后送入高压气罐组13，或者再通过尾气过滤器(图中未示出)后进入高压气罐组13。管路704上设有顺序阀703，当空气压缩机7增压后的尾气压力小于15MPa时，增压尾气通过限压压力设定为例如是15MPa的顺序阀(该顺序阀在进气压力小于15MPa时开启，在进气压力大于15MPa时自动关闭)，随后经过管路704进入恒压罐16。在备选方案中，可根据实际需要，设定限压阀的开启压力和顺序阀的关闭压力。例如可以是7Ma至20MPa之间的任何压力。优选的是，是10、12、15、17、20MPa中的任何一个。可备选地是，还可在冷凝器11和高压气罐组13之间的管路上设置单向阀(图中未示出)，仅允许增压后的干净尾气单向流入高压气罐组
13。如此一来，用于驱动发动机活塞1140的高压压缩空气在做功之后其相当一部分通过补充压缩空气回路(包括限压阀、顺序阀、尾气回收罐、空气机、冷凝器以及它们之间的连接管路)增压净化后回收到高压气罐组，从而实现了尾气的再利用。补充压缩空气回路的存在不仅相当程度地解决了具有相当压力的尾气(通常为3MPa左右)直接排气大气造成的噪声污染问题，而且有效地减少了对大容量高压气罐组13的容积需求问题。换句话说，对于给定容量的高压气罐组13，补充压缩空气回路的存在大大增加了压缩空气发动机的持续工作时间，在使用压缩空气发动机的交通工具或发电设备中，大大增加了交通工具或发电设备的持续工作时间，从而明显地提高压缩空气发动机的效率。
[0060]现在参阅图2和图3，图2为图1中的根据本发明的移除控制器、缸体、气缸盖后的空气动力V型多缸发动机本体的三维斜视透视图。图3是图1中的发动机本体的横向剖取的侧视图，其包括气缸、气缸盖和控制器的截面。如图2和图3所示，发动机本机I包括左右两排气缸，两排气缸相互之间成V型，V型夹角可根据具体应用变化，可以为60°?150°之间的任何角度。在图3所示的构型中，优选的是，左右两排气缸的夹角为75° -135°，更加优选的为75°、90°、120°、135°。每排气缸具有多个气缸3008，具体而言，可以为I个、2个、3个、4个、5个、6个、7个等。在本发明的示例中，每排的气缸数为4个或6个，这就可构成V型8缸或12缸多缸发动机。在图2所示的单侧6个气缸的示例中，左侧6个气缸分别为#1气缸、#3气缸、#5气缸、#7气缸、#9气缸、#11气缸；右侧6个气缸分别为#2气缸、#4气缸、#6气缸、#8气缸、#10气缸、#12气缸。气缸3008内容纳有活塞1140、1130，活塞通过连杆1170、1100连接到曲轴1020上。曲轴1020的旋转带动活塞在气缸3008内做往复运动。左排气凸轮轴1200置于V型发动机的左侧，其上设有左排气凸轮轴凸轮1210，用来控制左侧排气门的开启。右排气凸轮轴1070置于V型发动机的右侧，其上设有右排气凸轮轴凸轮1110，用来控制右侧排气门的开启。在图2所示的V型12缸空气动力发动机中，不同于传统的V型12缸发动机，进气凸轮轴1150仅设置I根，其用来控制左右两侧12缸的高压压缩空气进气，其设有进气凸轮轴凸轮1160，以用来控制气缸3008的高压压缩空气进气。左、右排气凸轮轴1200、1070和进气凸轮轴1150均由曲轴1020通过前齿轮箱带动。在图2所示的示例中，前齿轮箱包括曲轴齿轮1030、右排气凸轮轴过桥齿轮1040、左排气凸轮轴过桥齿轮、进气凸轮轴过桥齿轮1050、右排气凸轮轴齿轮1060和左排气凸轮轴齿轮1230以及机油泵过桥齿轮1010。曲轴1020的运动通过前齿轮箱的传动而带动进、排气凸轮轴的运动，从而实现发动机的进气和排气。进气凸轮轴过桥齿轮1050具有进气凸轮轴过桥轴承1190和进气轴承固定轴1260，右排气凸轮轴过桥齿轮1040具有右排气凸轮轴过桥轴承1240和右排气轴承固定轴1250，左排气凸轮轴过桥齿轮具有左排气凸轮轴过桥轴承1220和左排气轴承固定轴1270，机油泵过桥齿轮1010具有机油泵过桥轴承1290和机油泵过桥轴承固定轴1280。这些齿轮的固定轴均用来将相应齿轮固定在前齿轮箱的壳体上。曲轴1020的曲轴齿轮1030的对立末端设置有飞轮1120，用来辅助曲轴转动。
[0061] 进一步参考图3，图3更加清楚地示出了 V型多缸空气动力发动机的配气机构和控制器的配置。图3所示的气缸盖为分体式气缸盖002，左侧气缸和右侧气缸的气缸盖002结构、样式相同，但可以分开安装，分别用来密闭左右两侧的缸体3008。缸盖002和缸体3008之间设有密封垫3006，缸盖002为中间空心的大体上长方体的结构，其上端连接有气缸罩3005，气缸罩3005上开有通孔，以允许进气管道3001通过并进入设置在气缸盖002上的气吼3010，从而允许从控制器6来的高压压缩空气进入膨胀做功室3020。高压气体在膨胀排气室3020内膨胀做功，推动活塞1140在气缸套3007内向下运动，此为做功冲程。做功冲程输出的功通过曲轴连杆系统向外输出动力。活塞1140在气缸内由下止点位置向上止点位置运动时，排气阀3012打开，具有一定压力的空气自膨胀排气室中经由排气管道3002排出，此为排气冲程。在活塞1140快到上止点时，排气阀3012关闭，控制器6又开始为膨胀排气室供气，进入下一个循环。显然，本发明的发动机的曲轴1020每转动一圈（360度），就做功一次，而不像传统的四冲程发动机，在曲轴转动两圈（720度）的过程中完成一次完整的进气、压缩、膨胀和排气冲程。这就如二冲程发动机一样，但又与传统的二冲程发动机不同，因为传统的二冲程发动机通常在气缸底部设有进气口，并在气缸适当位置设有扫气口和排气口。而本发明的二冲程发动机是在气缸的顶部设有用于高压压缩空气进气的气喉3010和用于尾气排放的排气阀3012，并且气喉3010的连通和闭合是进气凸轮轴1150通过控制器6实现的，而排气阀3012的连通和闭合是由曲轴带动排气凸轮轴1070转动，并通过摇臂3015控制排气阀的打开和关闭而实现的。因此本发明的二冲程发动机是完全不同于传统的二冲程发动机的，其有效地利用了可直接膨胀做功的高压空气，曲轴1020每转动一圈活塞1140就做功一次，因而在相同的排气量情况下，相比较传统的四冲程发动机而言，功率可提高一倍。
[0062]由于高压压缩空气在膨胀做功室3020后，仍具有较大的压力，及时将做功后的空气排气气缸就异常重要，为本本发明的排气机构不同于传统的多缸发动机，其采用4个排气阀3012，即两个排气阀由一个排气凸轮轴凸轮1110、一个排气挺柱3019、一个摇臂3015和一个气门扁担铁3014组成的排气驱动机构控制。由于每一个气缸对应两个排气凸轮轴凸轮，因而每个气缸采用了 4个排气阀3012。与此大为不同的是，本发明的进气机构则取消了传统的进气阀，而通过一个气缸一个气喉3010的形式实现。这样一来，就可以在排气冲程中迅速地将尾气排出，从而提高发动机的效率。进一步参考图3，本发明的右排气凸轮轴1070、左排气凸轮轴1200和进气凸轮轴1150分别布置在缸体3008的不同位置上，即不同于传统的顶置凸轮轴发动机，也同于传统的底置凸轮轴发动机。如图可见，右排气凸轮轴1070和左排气凸轮轴1200分别置于缸体3008的右、左侧靠外的位置，两者在纸平面的横向连线与水平面大体上平行。进气凸轮轴1150置于缸体3008的V型槽的顶部，且位于连线的中心位置。这种配置的好处在于发动机机体的动平衡，便于前齿轮箱的布置。从左右各个气缸的排气管路3002排出的尾气送入上、下排气筒3003、3004中，便于尾气的循环使用。
[0063]现在参考图4，图4为图2中的发动机主体的排气凸轮轴1070结构示意图。排气凸轮轴1070包括单元凸轮1110A。在示例性实施例中，单元凸轮11IOA包括6个单元凸轮，其分别为第一单元凸轮2701、第二单元凸轮2702、第三单元凸轮2703、第四单元凸轮2704、第五单元凸轮2705、第六单元凸轮2706。在备选实施例中，单元凸轮1110A的数目可以是2个、4个、6个、8个、12个或更多个，这取决于发动机气缸数和每一个气缸的排气阀个数。在本发明的示例性实施例中，每个单元凸轮1110A包括两个凸轮，每个凸轮控制其对应的排气阀的开启。在图4中的优选实施例中，各个单元凸轮1110A的相位作如下设置:第一单元凸轮2701与第二单元凸轮2702相差-120度、第二单元凸轮2702与第三单元凸轮2703相差-120度、第三单元凸轮2703与第四单元凸轮2704相差180度、第四单元凸轮2704与第五单元凸轮2705相差120度、第五单元凸轮2705与第六单元凸轮2706相差120度。如此设置下的单元凸轮，可以实现单元凸轮的工作顺序为:第一和第五单元凸轮同时工作，而后第三和第六单元凸轮一起工作，最后第二和第四单元凸轮一起工作。对应的活塞以进气凸轮轴1150对称分为左右两列，其中第一活塞#1、第三活塞#3、第五活塞#5、第七活塞#7、第九活塞#9、第十一活塞#11位于左侧；第二活塞#2、第四活塞#4、第六活塞#6、第八活塞#8、第十活塞#10、第十二活塞#12位于右侧。如此一来，相应的发动机活塞的工作顺序为.#I —#6 —#9 —#12 —#5 —#4 —祖I —#8 —#3 —#2 —#7 —#10 —#1。根据本发明的教导，本领域技术人员可设置不同于本发明的单元凸轮及其工作相位和工作顺序，但其均落在本发明的范围内。
[0064]现在参考图5，曲轴1020包括飞轮连接端1021、润滑油油孔1022、连杆旋转轴1023和曲轴前齿轮轴1024。曲轴1020上的连杆旋转轴1023设有一个或多个润滑油油孔1022，以便为曲轴提供润滑机油。曲轴前齿轮轴1024的右侧相邻处设有齿轮连接螺栓，以与前齿轮箱系统中的相应齿轮连接。飞轮连接端1021的外侧相邻位置设有飞轮连接螺栓，以与飞轮1120形成固定连接。在本发明的优选实施例中，曲轴的单元曲拐1080包括六个单元曲拐，分别是第一单元曲拐10801、第二单元曲拐10802、第三单元曲拐10803、第四单元曲拐10804、第五单元曲拐10805、第六单元曲拐10806。其分别对应于第一至第六连杆1170或活塞1140。在备选实施例中，单元曲拐1080可包括不同数目的单元曲拐，比如2个、4个、6个、8个、12个或更多个，这些均是本领域技术人员容易想到的。在图5中的优选实施例中，各单元曲拐的相位作如下设置:第一单元曲拐10801与第二单元曲拐10802相差-120度、第二单元曲拐10802与第三单元曲拐10803相差-120度、第三单元曲拐10803与第四单元曲拐10804相差180度、第四单元曲拐10804与第五单元曲拐10805相差120度、第五单元曲拐10805与第六单元曲拐10806相差120度。如此设置下的曲拐单元，可以实现曲拐单元的工作顺序为:第一和第五单元曲拐同时工作，而后第三和第六单元曲拐一起工作，最后第二和第四单元曲拐一起工作。对应的活塞以进气凸轮轴1150对称分为左右两列，其中第一活塞#1、第三活塞#3、第五活塞#5、第七活塞#7、第九活塞#9、第十一活塞#11位于左侧；第二活塞#2、第四活塞#4、第六活塞#6、第八活塞#8、第十活塞#10、第十二活塞#12位于右侧。如此一来，相应的发动机活塞的工作顺序为:#1 — #6 — #9 — #12 — #5 — #4 — #11 —#8 — #3 — #2 — #7 — #10 — #1。根据本发明的教导，本领域技术人员可设置不同于本发明的单元曲拐及其工作相位和工作顺序，但其均落在本发明的范围内。[0065]现在参考图6-图8，其为压缩空气发动机的控制器的视图。如图6所示，控制器包括高压共轨恒压管2070、控制器单元2000和进气凸轮轴外壳2290。在图6-图8所示的控制器中，控制器包括6个控制器单元2000，其对应V型12缸多缸发动机。根据V型多缸发动机缸体数的不同，控制器单元2000的数目可以变化，其例如可以是2个、3个、4个、5个、7个等。控制器单元2000包括控制器上盖2080、控制器下座2270、控制器中座2140。每个控制器中座2140中设有I个中座凸起2291、I个中座安装外缘2292、第一和第二控制器气门2100、第一和第二控制器气门弹簧2170、第一和第二控制器气门座套2120、第一和第二控制器气门弹簧座套2180和第一和第二油封衬套2160。为了描述的方便,我们将为左侧气缸供气的控制器气门2100称为第一控制器气门2100，为右侧气缸供气的控制器气门2100称为第二控制器气门。其他相应部件的名称依次类推。第一和第二控制器气门2100分别通过各自的控制器气门座套2120支撑在中座安装外缘2292和中座凸起2291之间。根据控制器气门座套2120和控制器气门2100的大小以及进气凸轮轴1150中的相邻两个进气凸轮的间距，可以确定中座凸起2291的厚度。中座凸起的存在使得每个控制器中座2140可以设定两个控制器气门2100，从而使得一个控制器单元2000可为V型多缸发动机的左右两侧的两个气缸提供压缩空气。在控制器中座2140内，在油封衬套2160和控制器气门座套2120之间存在空腔(图7中所示为控制器气门孔2111)，该空腔的侧面设有进气孔，在图示实施例中，分别为第一气缸进气孔2130和第二气缸进气孔2280。气缸进气孔与气缸盖上的气喉孔相通，以在控制器气门2100打开时，将来自高压共轨恒压管2070的压缩空气经由支进气管路2112进入气缸进气孔2130、2180，从而将压缩空气送入膨胀排气室，从而驱动发动机工作。
[0066]高压共轨恒压管2070具有圆柱形外形，其也可为矩形、三角形等外形。高压共轨恒压管2070内部为例如是圆柱形的腔道，以接受来自进气控制阀2020的高压进气，并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡，以便使初始进入各个气缸的膨胀排气室内的高压空气具有相同的压力，从而使发动机工作平稳。高压共轨恒压管2070的两端固定装配有进气后端盖2060，在其与进气控制阀2020连接的进气后端盖2060具有向外延伸的凸缘，该凸缘伸入到进气控制阀2020和高压共轨恒压管2070之间的管路内，并通过例如是螺纹的连接方式与高压管路可拆卸地固定连接。高压共轨恒压管2070的进气后端盖2060通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管2070连接。高压共轨恒压管2070上设有对应于气缸数目的上盖连接孔(未标记)，控制器上盖2080通过上盖连接孔固定密封地连通高压共轨恒压管2070。在图示的优选实施例中，上盖连接孔的数目为6。控制器上盖2080在沿其中心线的剖面上具有倒T形，其具有圆柱形的支进气管路2081和圆形下表面，支进气管路2081通过其上端外围的螺纹连接到上盖连接孔内，以与高压共轨恒压管2070形成固定可拆卸地连接。控制器上盖2080通过上盖与中座连接螺栓或其他紧固件与控制器中座2140形成密封的、可拆卸固定连接。控制器中座2140通过中座与下座连接螺栓2220或其他紧固件与控制器下座2270形成密封的可拆卸固定连接。
[0067]进一步参照图6-图8，控制器中座2140在其中部设有直径不同的孔，从上到下依次为控制器气门座套孔2121、控制器气门孔2111、油封衬套孔2150、控制器气门弹簧孔2171。在示例性实施例中，控制器气门座套孔2121的直径大于控制器气门孔2111的直径并且大于油封衬套孔2150的直径，控制器气门孔2111的直径大于油封衬套孔2150的直径。控制器气门弹簧孔2171的直径小于控制器气门孔2111的直径，但要求大于油封衬套孔2150的直径。在优选实施例中，控制器气门弹簧孔2171的直径小于控制器气门孔2111的直径，并且略小于控制器气门座套孔2121的直径。控制器气门座套2120安装在控制器气门座套孔2121内，并支撑在控制器气门孔2111之上。油封衬套2160安装在油封衬套孔2150内，并支撑在控制器气门弹簧2170之上，其内通过控制器气门2100的气门杆2110。该油封衬套2160除了对控制器气门2100进行密封外还对气门杆起导向作用。控制器气门弹簧2170安装在控制器气门弹簧孔2171内，其下端支撑有控制器气门弹簧座套2180，并通过控制器气门锁夹片2190紧固在控制器气门弹簧座套2180之上。在发动机不工作时，控制器气门弹簧2170预加载一定的预张力，其将控制器气门2100抵靠在气门座套2120上，控制器气门2100关闭，进而控制气体的进入。
[0068]如图9所示，进气凸轮轴1150上设有12个凸轮，分别为第一凸轮1151、第二凸轮1152、第三凸轮1153、第四凸轮1154、第五凸轮1155、第六凸轮1156、第七凸轮1157、第八凸轮1158、第九凸轮1159、第十凸轮1150-1、第十一凸轮1150-2、第十二凸轮1150-3，分别用于控制V型多缸发动机的12个气缸的进气过程。以从进气凸轮轴齿轮方向看顺时针为正，逆时针为负，第一凸轮与第二凸轮相差90°，第二凸轮与第三凸轮相差30°，第三凸轮与第四凸轮相差90°，第四凸轮与第五凸轮相差30°，第五凸轮与第六凸轮相差90°，第六凸轮与第七凸轮相差90°，第七凸轮与第八凸轮相差90°，第八凸轮与第九凸轮相差150°，第九凸轮与第十凸轮相差90°，第十凸轮与第十一凸轮相差150°，第十一凸轮与第十二凸轮相差90°。
[0069]现在参阅图7和图9，控制器下座2270经由进气凸轮轴外壳孔2293固定焊接在进气凸轮轴外壳2290上，其内部设有多个用于安装控制器顶柱2200的安装孔，其根据发动机气缸数的不同，可以设置不同数目的用于控制器顶柱2200的安装孔，例如可以是I个或欠，因此，很容易设置进气凸轮轴1150和排I接关系。
苗述，显然本发明具体实现并不受上述方式；'案进行的各种改进，或未经改进直接应用
【权利要求】
1.一种V型多缸空气动力发动机总成,其特征在于,包括多缸发动机本体,多柱体动力分配器，动力设备，控制器系统，高压气罐组，恒压罐和压缩空气加热装置，其中: 所述多柱体动力分配器一端通过发动机本体的曲轴连接至发动机本体，另一端连接至空气压缩机和/或动力设备，并用于将发动机本体输出的转动运动分配到空气压缩机和/或动力设备； 所述动力设备与多柱体动力分配器连接，并用于接受所述曲轴传递过来的动力； 所述控制器系统一端连接至压缩空气加热装置并由其供给高温高压空气，另一端连接至发动机本体并向各个气缸提供高压压缩空气； 所述高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通，并用于向V型多缸空气动力发动机总成的其他组件进行供气； 所述恒压罐一端通过管路与高压气罐组连通，另一端通过管路与压缩空气加热装置连通，用于稳定来自高压气罐组的高压空气的压力； 所述压缩空气加热装置通过管路连接至恒压罐并用于加热来自恒压罐的压缩空气。
2.如权利要求1所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，还包括进气控制调速阀和电子控制单元ECU，其中: 所述进气控制调速阀设置在连接压缩空气加热装置与控制器系统的管路上，并用于调节通过管路的高压压缩 空气的流量； 所述电子控制单元ECU分别通讯连接和/或电连接至发动机本体上的传感器和进气控制调速阀，并用于根据传感器，所检测的信号控制进气控制调速阀。
3.如权利要求1或2所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，所述多缸发动机本体包括左右两排气缸，曲轴，排气凸轮轴，进气凸轮轴和前齿轮箱系统，其中， 所述左右两排气缸分别含有4个或6个气缸，每个气缸的缸盖具有4个排气阀和I个气喉； 所述前齿轮箱系统用于将曲轴的动力传递给排气凸轮轴和进气凸轮轴。
4.如权利要求1或2所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，还包括空气压缩机和顺序阀，其中， 所述空气压缩机一端通过联轴器与多柱体动力分配器连接，另一端通过管路连接至高压气罐组，其用于将压缩增压后的尾气送入高压气罐组； 所述顺序阀设在空气压缩机与高压气罐组之间的管路上，并用于在尾气压力小于15MPa时，直接经由顺序阀送入恒压罐。
5.如权利要求4所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，还包括冷凝器，限压阀和尾气回收罐，其中， 所述冷凝器设在空气压缩机与高压气罐组之间的连接管路上，其用于对空气压缩机压缩增压后的尾气进行冷却处理并经过限压阀送入高压气罐组； 所述尾气回收罐一侧通过管路连接至发动机本体的排气集气管，另一侧通过管路连接至空气压缩机。
6.如权利要求1，2，5中任一项所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，高压气罐组与恒压罐之间的管路上设有减压阀，其用于使高压气罐组提供的高压压缩空气减压，以适当压力送入到恒压罐。
7.如权利要求2所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，所述进气控制调速阀是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合。
8.如权利要求1，2，5，7中任一项所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，所述控制器系统包括控制器单兀； 所述控制器单元包括控制器上盖，控制器下座，具有控制器气门和中座凸起的控制器中座；所述控制器上盖，控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。
9.如权利要求8所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于， 所述控制器单元的个数为6个或4个，每个控制器中座内包含两个所述控制器气门； 所述控制器单元的控制器中座内安装有两个控制器气门，两个控制器气门弹簧，两个气门座套，两个控制器气门弹簧座套，所述控制器气门受控制器气门弹簧的预作用力在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套上； 所述控制器中座在其中部对称地设有两组直径不同的孔，从上到下依次为控制器气门座套孔，控制器气门孔，油封衬套孔，控制器气门弹簧孔，其中控制器气门座套孔的直径大于控制器气门孔的直径并且大于油封衬套孔的直径，控制器气门孔的直径大于油封衬套孔的直径，控制器气门弹簧孔的直径小于控制器气门孔的直径，并且略小于控制器气门座套孔的直径。
10.如权利要求8所述的V型多缸空气动力发动机总成，其特征在于，所述控制器系统还包括高压共轨恒压管，高压共轨恒压管具有圆柱形，矩形或三角形外形，其内部为圆柱形腔道，用于接受来自进气控制阀的高压进气，并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡，以便使初始进入各个气缸的膨胀排气室内的高压空气具有相同的压力； 高压共轨恒压管的两端固定装配有进气后端盖，在其与进气控制阀连接的进气后端盖具有向外延伸的凸缘，该凸缘伸入到进气控制阀和高压共轨恒压管之间的管路内，并通过螺纹连接方式与高压管路可拆卸地固定连接，高压共轨恒压管的进气后端盖通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管连接，控制器上盖通过上盖连接孔固定密封地连通高压共轨恒压管。
【文档编号】F01B1/04GK103835765SQ201210480257
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】马宗正, 毕建平, 徐云博, 邵凤祥, 杨建伟, 许玄音, 孟凯 申请人:河南工程学院