专利名称：具有补充压缩空气回路的压缩空气发动机总成的制作方法
技术领域：
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补充动力源的空气动力发动机总成。
背景技术：
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。为此，各国经历了复杂而艰辛的探索之路，研究和开发了多种动力源，比如代用燃料、电动驱动、燃料电池和太阳能电池等。代用燃料汽车，如天然气(CNG、LNG)汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料燃烧控制困难，因而在实际使用中依然存在诸多困难和挑战。电动汽车行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高，但电池驱动的电动汽车受制于车载电池，在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性方面一时难以达到实用的程度，同时，电池本身存在严重的二次污染。混合动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放和污染问题，并且由于两套动力装置的存在，其驱动和控制系统变得异常复杂，从而阻碍了实际应用和发展。燃料电池被人们寄予厚望，可实现动力输出的零排放，能量转换率高，但燃料电池的制造成本高，氢气的安全存储、制备和灌装都有许多问题，这就大大制约了这种动力源的发展和使用。太阳能电池仍需减少电池体积和提高光电转换效率，因而具体应用到交通运输工具上仍需取得突破性进展。综上所述，上述的各种新的动力源或它们构成的混合动力源均存在不足之处，因而，迫切需要一种没有污染、用之不竭的新型能源，压缩空气动力源正好满足了这种要求。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,它提出了压缩空气发动机的概念，试图解决“零排放”与可循环能源的利用问题，从此揭开了发动机研究的新篇章，并于2002年推出了第一款纯空气动力的经济型家用桥车。压缩空气压缩机使用高压压缩空气作为动力源，空气作为介质，在压缩空气发动机工作时，将压缩空气存储的压力能转换为其他形式的机械能。关于压缩空气发动机的研究可见FR2731472A1、US6311486BUUS20070101712A1 等。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。
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。国内一些研究人员和单位也对压缩空气发动机进行了研究，但绝大多数集中在压缩空气动力发动机的可行性及工作原理上，比如许宏等(“压缩空气动力汽车的可行性研究”，《中国机械工程》第13卷第17期第1512-1515页，2002年9月)。国内一些专利文献比如CN1851260A、CN100560946C、CN101705841A虽也对压缩空气发动机进行了研究，但多属于理论研究和概念设计，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。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，这就降低了压缩空气发动机在工业上的应用前景。基于上述问题，本发明提供一种具有补充压缩空气回路的空气动力发动机，旨在解决空气动力发动机的有效做功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。
发明内容
相当于本发明原始要求范围内的某些实施例作如下概括。这些实施例并非限制所请求保护的发明范围，而是试图提供本发明的多种可能形式的简要概括。实际上，本发明可包括类似于或不同于下面提出的实施例的不同形式。根据本发明的一个发面，提供了一种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；所述活塞经由连杆连接到曲轴；所述前齿轮箱系统用来传动曲轴和凸轮轴；所述缸盖系统上设有用于压缩空气进气的气喉孔和用于尾气排放的排气孔；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还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ECU，其根据传感器所检测的信号控制进气控制调速阀；以及补充压缩空气回路，其与排气集气管流体连通，以将排气集气管排出的尾气补充供应到发动机本体。在本发明的实施例中，所述的空气动力发动机总成是二冲程的。在一个示例性实施例中，所述补充压缩空气回路包括空气压缩机、尾气回收罐、电动涡轮单向抽气机、尾气消声器、冷凝器、限压阀；其中，尾气由排气集气管进入尾气消声器，并通过电动涡轮单向抽气机被抽吸到尾气回收罐内，聚集在尾气回收罐内的尾气经空气压缩机压缩增压后经冷凝器冷却处理后经过限压阀送入高压气罐组。优选的是，所述补充压缩空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15MPa时，直接经由顺序阀送入恒压罐。优选的是，所述空气压缩机通过联轴器与多柱体动力分配器连接，从多柱体动力分配器传递来的动力驱动空气压缩机工作，以压缩来自尾气回收罐的尾气。在示例性实施例中，在电动涡轮单向抽气机和尾气回收罐之间设有单向阀，以防止尾气从尾气回收罐逆流向电动涡轮单向抽气机。优选的是，在冷凝器和高压气罐组之间的管路上设置尾气过滤器和/或单向阀。尾气过滤器用来对增压后的尾气进行净化处理，使得过滤的尾气适于存储在高压气罐组中。同时，单向阀的存在防止高压压缩空气从高压气罐组倒流。在另一个示例性实施例中，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，这样就可方便地实现发动机高速、中速和低速时对压缩空气进气的需求。优选的是，所述控制器系统包括高压共轨恒压管、控制器上盖、控制器中座和控制器下座，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。在另一个示例性实施例中，所述传感器是发动机转速传感器或者是门油电位计或者是两者的组合。在另一个示例性实施例中，所述控制器上盖内设有进气管路，所述进气管路螺纹连接到高压共轨恒压管。此外，所述控制器中座内还安装有控制器进气门、控制器气门弹簧和控制器气门座套，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。优选的是，所述控制器下座内设有控制控制器气门开闭的控制器挺柱，该控制器挺柱由进气凸轮轴致动。在另一个实施例中，所述发动机总成的气缸为6个气缸，其曲轴包括6个单元曲拐。优选的是，所述6个单元曲拐分别为第一单元曲拐、第二单元曲拐、第三单元曲拐、第四单元曲拐、第五单元曲拐、第六单元曲拐，并且各单元曲拐的相位作如下设置第一单元曲拐与第二单元曲拐相差120度、第二单元曲拐与第三单元曲拐相差120度、第三单元曲拐与第四单元曲拐相差180度、第四单元曲拐与第五单元曲拐相差-120度、第五单元曲拐与第六单元曲拐相差-120度。
现在将描述根据本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中图1是根据本发明的二冲程空气发动机总成的总体示意图；图2是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的正视图；图3是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的右侧侧视图；图4是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的左侧侧视图；图5是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的俯视图；图6是图1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的曲轴-连杆-活塞系统总成，其中，示出了其中一个活塞-连杆单元与缸体的连接；图7是图6中的曲轴-连杆-活塞系统总成的曲轴单元结构示意图；图8是图2中的发动机本体的凸轮轴结构示意图；图9A为图1中的二冲程发动机总成的控制器系统的纵向横截面视
图9B为控制器系统的横向横截面侧视 图9C为控制器系统的立体透视图；图1OA为图1中的二冲程发动机总成的前齿轮箱系统的立体透视图；图1OB为图1OA的左侧侧视图；图1OC为图1OA的右侧局部剖视的侧视图；图1lA为图1中的二冲程发动机总成的多柱体动力分配器的立体透视图；图1lB为图1lA的沿纵向轴线剖视的横截面视图；图1lC为图1lA的左侧侧视图；图1lD为图1lA的俯视图；图12A为压缩空气动力发动机的P-V图，其示出了串联分级的压缩空气动力分配形式；以及图12B为为压缩空气动力发动机的P-V图，其示出了并联形式的压缩空气动力分配形式。部件列表
权利要求
1.具有补充压缩空气回路的空气动力发动机总成，其包括发动机本体(I)，其包括气缸(40)、缸盖系统(36)、进气管路(42)、排气管路(27)、活塞(51)、连杆(54)、曲轴(56)、排气凸轮轴(800)、进气凸轮轴(200)、前齿轮箱系统(43)和后齿轮箱(33);所述活塞(51)经由连杆(54)连接到曲轴(56);所述前齿轮箱系统(43)用来传动曲轴(56)和凸轮轴(800，200);所述缸盖系统(36)上设有用于压缩空气进气的气喉孔(402)和用于尾气排放的排气孔(272);高压气罐组(13)，其通过管路(14)与外接加气装置连通；恒压罐(16)，其通过管路(15)与高压气罐组(13)连通；其特征在于，所述空气动力发动机总成还包括进气控制调速阀(23)，其通过管路(17)与恒压罐(16)连通；控制器系统(6);多柱体动力分配器(2)，其与发动机本体(I)的曲轴(56)连接；动力设备(4)，其与多柱体动力分配器(2)连接，以接收曲轴(56)传递过来的动力；电子控制单元ECU(29)，其根据传感器(24，242)所检测的信号控制进气控制调速阀(23);以及补充压缩空气回路，其与排气集气管(28)流体连通，以将排气集气管(28)排出的尾气补充供应到发动机本体(I)。
2.根据权利要求1所述的发动机总成，其特征在于，所述发动机总成是二冲程的发动机总成。
3.根据权利要求1或2所述的发动机总成，其特征在于，所述补充压缩空气回路包括空气压缩机(7)、尾气回收罐(9)、电动涡轮单向抽气机(19)、尾气消声器(22)、冷凝器(11)、限压阀(702);其中，尾气由排气集气管(28)进入尾气消声器(22)，并通过电动涡轮单向抽气机(19)被抽吸到尾气回收罐(9)内，聚集在尾气回收罐(9)内的尾气经空气压缩机(7)压缩增压后经冷凝器(11)冷却处理后经过限压阀(702)送入高压气罐组(13)。
4.根据权利要求3所述的发动机总成，其特征在于，所述补充压缩空气回路进一步包括顺序阀(703)，经空气压缩机(7)增压后的尾气在压力小于15MPa时，直接经由顺序阀(703)送入恒压罐(16)。
5.根据权利要求4所述的发动机总成，其特征在于，所述空气压缩机(7)通过联轴器与多柱体动力分配器(2)连接，从多柱体动力分配器(2)传递来的动力驱动空气压缩机(7)工作，以压缩来自尾气回收罐(90)的尾气。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的发动机总成，其特征在于，在电动涡轮单向抽气机(19)和尾气回收罐(9)之间设有单向阀(21)。
7.根据权利要求3所述的发动机总成，其特征在于，在冷凝器(11)和高压气罐组(13)之间的管路上还设置有尾气过滤器和/或单向阀。
8.根据权利要求1或2所述的发动机总成，其特征在于，所述进气控制调速阀(23)是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合。
9.根据权利要求1或2所述的发动机总成，其特征在于，所述控制器系统(6)包括高压共轨恒压管(91)、控制器上盖(108)、控制器中座(98)和控制器下座(97)，所述控制器上盖(108)、控制器中座(98)和控制器下座依次通过螺栓可拆卸地密封连接。
10.根据权利要求1或2所述的发动机总成，其特征在于，所述传感器是门油电位计(242)或者门油电位计(242)或者两者的组合。
全文摘要
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补充动力源的空气动力发动机总成。本发明的空气动力发动机总成包括发动机本体(1)、多柱体动力分配器(2)、动力设备(4)、控制器系统(6)、进气控制调速阀(23)、高压气罐组(13)、恒压罐(16)、电子控制单元ECU(29)和补充压缩空气回路。该补充压缩空气回路包括空气压缩机(7)、冷凝器(11)、限压阀(702)、顺序阀(705)、尾气回收罐(9)、电动涡轮单向抽气机(19)和尾气消声器(22)。
文档编号F16C3/06GK103061818SQ20111033184
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月18日
发明者周登荣, 周剑 申请人:周登荣, 周剑