专利名称：用于一般机动车辆和特殊城市机动车辆的发动机装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及以液态气体或另一种本质上处于液态状态的惰性气体运行的、用于一 般机动车辆和专门用于城市机动车辆(例如，公交车和出租车)的发动机装置。
背景技术：
需要指出的是，上面所述类型的发动机装置已经超越了以压缩空气牵引力为代表 的当前技术，当前技术虽然在环境方面更友好，但是缺点是较低的自治性和容易形成冷凝 和结冰。上面所述类型的发动机装置是已知的(EPl 489 347)，并且相比于以汽油、柴油、 甲烷、氢气或其它为燃料运行的所谓的内燃机发动机，所述发明在独立性方面和降低城市 污染方面，以及消除冷凝和结冰方面都取得较好的成果。但是，装备了这种已知发动机装置 的机动车辆即使在降低后的等级，还是会成为污染源。本发明下的问题就是设计发明上述类型的发动机装置，该发动机装置具有能够克 服当前技术缺点的结构和功能特性。
发明内容
解决上述问题的一种思路就是利用与状态改变相关的潜热，将其转化为机械能。根据这一解决思路以及为了解决上述技术问题，本发明提供了一种指定类型的发 动机装置，其特征在于，该装置包括斯特林发动机，该发动机具有称为冷汽缸的汽缸，用于 与液体空气进行热交换。更具体地，该斯特林发动机包括两个汽缸，所谓的冷汽缸和热汽缸，这两个汽缸通 过热装置保持在不同的温度并且通过相互关联的管道连接在一起；以及两个相应的活塞， 连接到用于通过传动装置驱动机动车辆的轮子的机轴上，其中，所述热装置包括在油箱之 间延伸的流体电路，其中，所述流体是处于液态状态的气体，以及压缩空气状态的流体的流 出口，和伴随所述电路的热交换器，它与所述的冷汽缸进行热交换以便从汽缸带走流体的 气化热量并将汽缸温度维持在远远低于周围温度。有利地，所述热装置包括热对流流体的闭合回路、循环泵、热交换器、热对流流体 的容器、沿着所述电路排列的门阀，所述热交换器与所说的热汽缸进行热交换，以便将该汽 缸的温度保持在远远高于周围温度。应该注意的是，热对流流体的容器具有与之相关联的加热装置以便对热对流流体 本身进行加热。该加热装置优选地以本身已知的磁控管的形式存在，以发电机通过电磁切 换进行供电以及由调节器对流体的加热强度进行调节。该发电机由机轴发动。热交换器与 外界环境是绝热的。该热装置还包括与为磁控管工作的热对流流体的容器相关联的风扇。可以从下面对示例性实施例的描述发现根据本发明的发动机装置的其它特性和 优点，所述示例性实施例是参照附图，以指示性和非限制性的目的给出的。
附图1表示了根据本发明的发动机装置的示意图。
具体实施例方式参照附图，图1全局地并且概要地指示为机动车辆(在示例中是城市公交车)，显 示出仅限于单驱动轴2，装配了差速箱3和轮子4和5，以及发动机装置6，通过称为电机轴 7的单元在驱动轴2上工作。根据本发明的发动机装置6包括第一个单元8，其中有斯特林发动机9，以及第二 个单元10，其中有活塞式发动机11。该斯特林发动机9和活塞发动机11具有各自的机轴 12和13，它们被描绘为在一条直线上以构成单轴14，这两个发动机通过上述电机轴7在驱 动轴2上工作。应该在下面更多细节中看到的是，在公交车1中，发动机装置6从气体从液态状态 到大体上周围环境压强的气体状态的转变过程中提取牵引力所需的能量。更具体地，发动 机装置6的单元8从液态气体到压缩状态气体的状态变化中提取能量，单元10从气体从压 缩空气状态到大体上等于周围环境压强的气体状态的变化中提取能量。单元8包括斯特林发动机9，该发动机具有汽缸活塞单元15，该单元具有汽缸 16 (就是所说的冷汽缸)和活塞17，它们通过连杆18和机轴12上的曲轴19工作，该发动 机还具有汽缸活塞单元20，该单元具有汽缸21 (就是所说的热汽缸)以及活塞22，它们通 过连杆23和机轴12上的曲轴M工作。这两个汽缸活塞单元15和20以平行轴排列，并且相关连杆连接到以90°角度隔 开的曲轴上。特别地，用A指示汽缸活塞单元20的曲轴M的角度相位，用B指示汽缸活塞 单元15的曲轴19的角度相位，两个角度相位成90°角关系(B-A = 90° )。还可以使两个 气缸活塞单元轴线垂直地排列。在这种情况中，两个连杆连接到单个曲轴上(或两个角度 一致的曲轴)。还可以将两个汽缸活塞单元共线排列，也就是使其各自的轴线与单个轴线一 致。连同斯特林发动机9 一起，单元8包括热装置25，用于使两个汽缸16和21保持在 预定的温度差。当然，要得益于斯特林发动机控制的汽缸之间维持的温度差。热装置25包括与汽缸16 (就是所说的冷汽缸)关联的冷却装置沈，以便将其温度 保持在远远低于周围环境温度，以及与汽缸21 (就是所说的热汽缸)关联的加热装置27，以 便将其温度保持在远远高于周围环境温度。冷却装置沈包括流体管道28，从容器四延伸到连接点30。容器四配备有注入 管31，用于将液态气体注入容器，以及配备有安全释放阀门32。需要注意的是，代替液态空气，由于不背离本发明的保护范围的原因，可以使用液 态状态的缺氧气体，或液态状态的氮以及液态状态的气体混合物，这些气体一般是惰性气 体和不贵重的可燃气体。可以沿着管道观排列适合于阻止流体回流到容器中的闸门阀33、止回阀34，由未 示出的电动机驱动的低温类型的泵35，在汽缸16周围排列的用于使流体(即液态气体)与 汽缸本身进行热交换的闸门阀36、热交换器37，适合于阻止流体回流到交换机37中的止回阀38以及另一个闸门阀39。这些元件沿着管道观以它们已经列出的从容器四开始到连 接点30的相同顺序一个接着一个排列。朝向外侧一面的热交换器37配备有绝热层37a，以避免从外界环境到热交换器的 热传递，而在朝向汽缸16的一面配备有散热器37b以助于汽缸中所容纳的流体的热交换。需要注意的是，低温泵35是可调节速度的，通过适当调节电动机来调节斯特林发 动机的速度；特别地，可以调节电动机以提高速度，结果对机动车辆加速。加热装置27包括热对流流体的闭合回路40，例如示例性的去矿质水。与回路40 — 起的还有由未示出的电动机驱动的循环泵41、排列在汽缸21周围以便使热对流流体(即， 去矿质水)与汽缸本身进行热交换的热交换器42、容器43和与之相匹配类型的闸门阀44。 为了对去矿质水加热提供了加热器45，更好的是微波加热器，其在商业中的名字已知为磁 控管45a，由轴14驱动的发电机47通过远程控制开关46a和调节器46b供给燃料。为了保 持容器43中容纳的水是搅动的，提供搅拌器(未示出)，该搅拌器由未示出的电动机驱动。 提供为磁控管4 工作的风扇48。发电机47向低温泵35、循环泵41的电动机以及搅拌器和风扇的电动机提供能量。朝向外侧一面的热交换器42配备有绝热层42a以避免从该交换机到外界的热传 递，而在朝向汽缸21的一面配备有散热器42b以助于汽缸中容纳的流体的热交换。在相应的比例闸门阀44和泵41之间的闭合回路40中，优选地提供可以由闸门阀 50和51的适当控制激活的偏移支路49，在所述偏移支路上提供热交换器52，以便使去矿质 水与外界环境进行热交换。斯特林发动机包括在汽缸15和20之间延伸的管道9a，用于将汽缸中容纳的流体 从一个汽缸向另一个交替转移。这样的流体是加压气体，例如140标准大气压下的氮。沿 着管道9a有很好地分隔开的具有再生功能的金属材料％，和能够远程控制从开启位置到 关闭位置的相应的比例闸门阀9c，以便在需要时能够使公交车制动。在单元10中，通过供应管道60用压缩空气为活塞发动机11提供燃料，并通过排 放管道61排出。在活塞发动机11中，压缩空气大体上像弹簧一样扩张，并在每次冲程中消 除。实质上，产出量等于发条的机械产出量，即，大体上是没有摩擦力的情况时的单位量。供应管道60从连接点30向发动机11的进气口 Ila延伸。沿着供应管道60有与 外界环境进行热交换的热交换器62、废气室63、电驱动闸门阀64、止回阀65和电驱动闸门 阀66。适当容积的废气室63配备有冷凝物排出口 63a、通气管63b、温度计63c和压强计 63d。排出管道61在发动机11的排出口 lib和向外侧打开的排气装置67之间延伸。应该注意的是，活塞发动机11可以是任何公知的适合由压缩空气提供燃料的其 它的或旋转式容积发动机，也可以是任何旋转式流发动机，例如涡轮机。单元10包括在外界空气进气口 71之间延伸的辅助供应管道70，配备有过滤器72 和沿着供应管道60放置的连接点73，该连接点位于止回阀65和闸门阀66之间。沿着管道70有轴14驱动的压缩机74、止回阀75和电驱动的闸门阀76。应该注意的是，压缩机74可以是采用活塞的类型或流动类型，例如涡轮压缩机。为了自动获得大体上等于外界环境压强和温度的压强和温度下的空气发射的输出，提供闭合控制回路，全局地以80指出，用于控制电驱动的闸门阀64、66、76。传统的电路 包括控制单元81，向其提供从排气装置67排出的流体的压强和温度的期望值，还提供由温 度计82和84以及压强计83或更精确地由适当的传感器所测量出的实际的温度和压强值， 适合于将所述实际值与期望值进行比较并且从而用不同的值控制闸门阀。所说的电动轴单元7包括轴14驱动的发电机90，用于通过电控制单元91保持超 级电容器92充电，以便向驱动轴2上工作的电动机93提供电能。应该注意的是，公交车1有利地包括牵引车或拖车100，在其上有单元8和单元 10，即，作为整体的发动机装置6，以及限于发电机90的电机轴单元7、控制单元91和超级 电容器92，即，不包括电动机93。还应该注意的是，在简化的变形实施例中，为了替代电机轴7，轴14通过传统的速 度改变机械地控制分速器3。在提供牵引车100的情况中，驱动轴14通过具有适当关节杆 (例如万向接头)的传动轴控制分速器3。下面参照城市公交车的巡游速度并且尤其注意公交车在从容器四升到通过排气 装置67排出到外界环境的过程中经历的可逆现象，进一步描述根据本发明的发动机装置6 的运行。空气以液态状态容纳在容器四中，并且得利于安全阀32从而保持在标准大气压 和大约-198°的温度。由低温泵35沿着管道观将预定量ml的液体状态气体从容器四带出，该预定量 根据斯特林发动机在冷汽缸一侧的运行需要随着低温泵35的速度而变，并且该液态空气 以期望的压强(优选的是5巴绝对值)转移到热交换器37中。液态空气在交换机37中气化，即，它的状态从液态状态变化为压缩气体状态。在 这一气化步骤中，它从汽缸16中容纳的氦气接收汽化能量。从而，汽缸16中容纳的氦冷却 下来。这样，汽缸16就能维持在远远低于周围环境温度的温度。已经变为气态的空气通 过由低温泵35注入到交换机37中的新的液态空气的挤压从管道观离开交换机37，再从管 道观上升到连接点30。低温泵35向液态气体发送使压强上升到5个标准大气压巴绝对值 所需的脉冲能量，并使空气产生沿着管道观的传输动作，从而通过交换机62 —直到达废气 室63。在闭合回路40中，将去矿质水放入循环中，由磁控管4 以优选地180°C的温度进 行加热。流过交换机42中，热水放出热量并确定对汽缸21中容纳的氦气的加热。这样，氦 就能达到远远高于周围环境温度的温度。应该注意的是，在磁控管没有激活的情况中，由于闸门阀50和51的适当的调度， 水循环仍然能维持在支路49中。这样，水流过热交换器52与周围环境进行热交换，以此将 热汽缸中的氦气的温度维持在大体上等于周围环境温度。在这两种情况中，冷汽缸16和热 汽缸21之间都会产生温度差。在第一种情况中，温度差可以是378°C，而在第二种情况中， 温度差可以是210°C。在这两种情况中，由于上述冷汽缸和热汽缸之间的温度差，斯特林汽缸能够利用 氦气在两个汽缸之间的交替转移和向机轴12的机械能传送来运行。应该注意的是，由于斯特林发动机9，单元8因此提供机械动能，对应于从液态状态到压缩气体状态的状态改变相关的潜热，并且还向连接点30提供大体上在温度-198°C 的压缩空气，用于驱动单元10。就单元10所关心的，提供给连接点30的压缩空气被挤压穿过于大气进行热交换 的热交换器62，因此它的温度大量升高直到达到大气温度。因此空气被注入到废气室63。随着空气停止，进行所有的脉冲复原和通过低温泵 35接收到的动能转换为内部能量，达到70°C的平均温度。废气室63中的空气压强大约是 5个标准大气压。在这一点上的压缩空气包含足够的潜能再次提供机械能。压缩空气通过管道60 为发动机11提供燃料，并通过管道61排出。发动机11中的空气放出内部能量，而这种内 部能量(本质上是弹性能)转化为机轴13上可用的机械能。换句话说，加压气体的机械能转化为传送给机轴的机械动能。这一转化的产出量 是从机械能到机械能的能量传递，在没有摩擦力的情况下，可以是单位化的，并且只依赖于 摩擦力，甚至可以达到0. 98。为了避免在低温(_90°C )下发送发动机11中工作的空气的排出，将从废气室63 到连接点73的压缩空气添加到来自压缩机74的压缩空气中。压缩机74由轴13驱动，并 通过过滤器72从外界环境吸入空气量m2。压缩机74，将从周围环境吸入的空气压缩到5个标准大气压，并将压缩之后相同 的空气排出到大约400°C的温度，并将这样的压缩后的空气推入到连接点73中。在这一连 接点中，将两个量的空气ml和m2进行混合。根据为m2选择的值，从混合物(ml+π )得到 的空气应该有接近300°C的温度。因此，两份空气的混合物(ml+m2)应该允许发动机11通 过排气装置67以不低于-20°C的温度排出空气这是在进入外界环境的废气温度所允许的 值。应该注意的是，通过传感器82、83不断地监测从排气装置67出来的温度和压强。 类似地，提供传感器84管道70在测量压缩机74的入口处的温度。从传感器输出的信号不 断地发送给控制单元81，该控制单元将其与参考信号进行比较以便向阀门64发出控制信 号控制流速ml并且也向阀门76发出信号控制流速m2。在车辆需要制动的情况中，采用根据本发明的发动机可以通过在闸门阀9c上的 工作获得所说的发动机制动效果。氦气在斯特林发动机的两个汽缸之间的转移被阻断直到 它被中断，这样，斯特林发动机就会减慢下来直到停止。在机动车辆需要加速的情况中，可以通过适当增加低温泵35的速度来获得这种 效果。更通用地，本发明提供一种用于将液态状态的空气或本质上的惰性气体的潜热转 化为能够用于一般车辆和特定的城市公交车的机械能的方法。这种方法包括使液态状态的 空气或气体与所说的斯特林发动机的冷汽缸进行热交换的步骤。该方法和根据本发明的发动机装置的主要优点在于实现城市公交车的节能性示 范作用，完全消除了任何燃料残余的释放。换句话说，机动车辆唯一释放的就是大体上以环 境压强和温度释放的空气。根据本发明的发动机装置的另一个重要优点是它的增加的产出量。实际上，用于 从外界空气获取液态空气所消耗的能量，包括关于从气态到液态的状态变化相关的潜热，都在车轮处转化为机械能，除了由于摩擦力造成的损失。换句话说，没有任何类型的燃料加 载到机动车辆中，也没有任何产物或燃料残余释放到环境中。因此，作为整体，根据本发明的发动机装置具有很高的自治性，运行中不会形成冷 凝和结冰，达到不同寻常的产出量并且完全是环境友好的。当然，本领域的技术人员可以对上面描述的发动机和方法进行大量的修改和变 形，以便满足偶然情况和特定需求，但是，所有这些情况和需求要落在如所附权利要求所定 义的本发明的包含范围内。
权利要求
1.一种用于一般机动车辆(1)和特殊的城市机动车辆的发动机装置(6)，以液体空气 为燃料运行，所述发动机装置包括相应的液态空气容器09)，其特征在于，所述发动机装 置包括具有相应的冷汽缸(16)和热汽缸的斯特林发动机(9)、与所述液态空气容器 (29)进行流体连接的热交换器(37)，所述热交换器与所述冷汽缸(16)进行热交换。
2.如权利要求1所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述热交换器(37)与周围环境 绝热。
3.如权利要求1和2所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装置包括另一个 热交换器(42)，与热流体的容器连接并与所述热汽缸进行热交换。
4.如权利要求3所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述另一个热交换器02)是与 周围环境绝热的。
5.如权利要求3或4所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述热流体的容器03)与 加热器(45)连接。
6.如权利要求5所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述加热器0 是磁控管 (45a)。
7.如权利要求3至6中的任何一条的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装置包 括所述热流体穿过的回路GO)上的偏移支路(49)，以及沿着所述偏移支路09)与所述周 围环境进行热交换的热交换器(52)。
8.如上述权利要求中的任何一条的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装置包 括容量或流量发动机(11)，以来自所述斯特林发动机(9)的压缩空气为进料。
9.如权利要求8所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述斯特林发动机(9)和容量或 流量发动机(11)连接到相应的机轴(12、1；3)用于驱动所述机动车辆(1)的轮子0、5)。
10.如权利要求9所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装置在机轴和轮子 之间的位置包括电机轴(7)，所述电机轴包括发电机(90)、超级电容器(9 和电动机(93)。
11.如权利要求10所述的发动机装置(6)，其特征在于，包括用于支撑所述斯特林发动 机(9)、所述容量或流量发动机(11)、所述发电机(90)和所述超级电容器(9 的所述机动 车辆(1)的牵引车(100)。
12.如上述权利要求中的任何一条所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装 置在所述液态空气容器09)和所述冷汽缸(16)的热交换器(37)之间包括低温泵(35)，该 低温泵是可调节提高速度的，以便所述机动车辆加速。
13.如上述权利要求中的任何一条所述的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装 置包括在所述斯特林发动机的冷汽缸(16)和热汽缸之间的相互连接的管道(9a)上 排列的相应的比例闸门阀(9c)，所述比例闸门阀可以从开启位置调节到关闭位置，以便使 所述机动车辆制动。
14.如权利要求8至13中的任何一条的发动机装置(6)，其特征在于，所述发动机装置 包括设置在所述容量或流量发动机(11)的供应管道(60)上预定容量的废气室(63)。
15.如权利要求8至14中的任何一条的发动机装置(6)，其特性在于，所述发动机装置 包括用于所述容量或流量发动机(11)的辅助供应管道(70)，用从周围环境引入的预定量 的并且由压缩机(74)带到预定温度和压强的空气为其供应燃料。
16.一种用于将液态状态气体的潜热转化为机械能的方法，可以用于一般机动车辆和特殊的城市机动车辆，所述方法包括使液态状态气体与斯特林发动机的所述冷汽缸进行热 交换的步骤。
全文摘要
一种以液态空气或液态状态的另一种惰性气体为燃料运行的发动机装置(6)，用于一般机动车辆和特殊的城市机动车辆(例如公交车(1)和出租车)，该发动机装置包括斯特林发动机(9)，在其中进行液态空气的气化，并将空气从液态到压缩气体状态的状态变化相关的潜热转化为机械动能，该发动机装置还包括容量的或流量发动机(11)，压缩状态的空气在其中膨胀到基本上等于大气压强的压强，并将机械压强能转化为机械动能。
文档编号F02G1/055GK102099559SQ200980124795
公开日2011年6月15日 申请日期2009年5月19日 优先权日2008年5月20日
发明者乔治·塔格, 维达利阿诺·鲁索 申请人:新科隆有限公司