V型多缸空氣動力發動機的製作方法

2023-05-07 04:36:36

專利名稱：V型多缸空氣動力發動機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種發動機，具體而言，涉及一種以壓縮空氣作為動力的V型多缸空氣動力發動機。
背景技術：
發動機被廣泛應用於各行各業中，在現代交通運輸工具比如汽車、輪船等中，一般採用以燃油作為動力源的活塞式內燃發動機。這種採用燃油作為動力源的發動機一方面因燃油燃燒不充分，使得排出的氣體中含有大量的有害物質而汙染環境，另一方面因使用的燃油是從石油中提煉而獲得，石油資源的日益緊缺使得燃油發動機的發展和利用受到越來越多的限制。因此開發新的、潔淨的、無汙染的替代能源，或者儘可能地減少燃油消耗、降低排放成為發動機發展中急需解決的問題，以壓縮空氣作為動力源的空氣動力發動機正好滿足了這種要求。·[0003]最早研究壓縮空氣動力發動機的為法國MDI公司的設計師Guy Negre，他於2002年推出了第一款純空氣動力的經濟型家用橋車。關於壓縮空氣發動機的研究可見FR2731472A1、US6311486B1、US20070101712A1 等。FR2731472A1公開了一種可在燃料供應和壓縮空氣供應兩種模式下工作的發動機，在高速公路上採用普通燃料如汽油或柴油，在低速特別是市區和市郊，將壓縮空氣(或其他任何非汙染的壓縮氣體)注入燃燒室。這種發動機雖然部分地降低了燃料消耗，由於仍然採用了燃油工作模式，排放問題依然未能解決。為了進一步減輕汙染，US6311486B1公開了一種純空氣動力發動機，這種類型的發動機採用了三個獨立的室吸氣-壓縮室、膨脹排氣室和恆定容積燃燒室，並且吸氣-壓縮室通過閥連接到恆定容積燃燒室，恆定容積燃燒室通過閥連接到膨脹排氣室。這種發動機的問題之一是壓縮氣體從吸氣-壓縮室到膨脹排氣室經歷的時間較長，獲得驅動活塞做功的動力源氣體時間較長，同時，從膨脹排氣室排出的高壓氣體未能得到使用，這就限制了這類發動機的工作效率及單次充氣持續工作時間。國內對壓縮空氣發動機的研究起步較晚，目前的研究多屬於理論探討和概念設計階段，均未能解決壓縮空氣的排放(通常具有較高的壓力，比如30bar左右)以及高壓壓縮空氣的控制和分配問題，離壓縮空氣發動機的產品化過程還有很長的路要走。本申請的申請人在其專利文獻CN101413403 A(其同族國際申請為W02010051668Al)中公開一種可用於交通運輸工具的空氣動力發動機總成，該發動機包括儲氣罐、空氣分配器、發動機本體、聯動器、離合器、自動變速器、差速器以及置於排氣室內的葉輪發電機。這種發動機利用壓縮空氣做功而不使用任何燃料，因此沒有廢氣排放，實現了 「零排放」，並且重複利用廢氣進行發電，節省了能源，降低了成本。但這種發動機是基於傳統的四衝程發動機，曲軸每旋轉720度，活塞做功一次。而作為動力源的高壓空氣可以在進入氣缸內時即可推動活塞做功，而後排放，即壓縮空氣發動機的衝程實際為進氣-膨脹衝程和排放衝程。顯然，專利文獻CN101413403 A所公開的這種四衝程壓縮空氣發動機大大浪費了有效的做功衝程，限制了發動機的效率。並且這種發動機的尾氣未能很好地循環利用起來，需要足夠大的儲氣罐儲備高壓空氣才能工作足夠長的時間。基於專利申請CN101413403 A所存在的問題，本申請的申請人在其申請號為201110331809.9的中國申請中公開了一種具有尾氣回收回路的壓縮空氣發動機總成，該發動機包括氣缸、缸蓋系統、進氣管路、排氣管路、活塞、連杆、曲軸、排氣凸輪軸、進氣凸輪軸、前齒輪箱系統和後齒輪箱。這種發動機利用壓縮空氣做功而不使用任何燃料，因此沒有廢氣排放，實現了「零排放」，並且循環利用廢氣進行做功，節省了能源，降低了成本。但這種發動機是直列多缸發動機，控制器中的每個控制器氣門孔中只安裝一個控制器氣門，在發動機總體長度一定的情況下，限制了氣缸缸數，因而限制了發動機的總輸出功率。顯然，201110331809. 9號申請所公開的這種直列多缸空氣動力發動機總輸出功率不高，發動機的構型仍然值得探索。基於上述問題，本實用新型提供一種V型多缸空氣動力發動機，旨在解決空氣動 力發動機的輸出功率問題以及尾氣循環利用問題，從而實現經濟、高效、零排放的新型壓縮空氣發動機。

實用新型內容相當於本實用新型原始要求範圍內的某些實施例作如下概括。這些實施例並非限制所請求保護的實用新型範圍，而是試圖提供本實用新型的多種可能形式的簡要概括。實際上，本實用新型可包括類似於或不同於下面提出的實施例的不同形式。根據本實用新型的一個方面，提供一種V型多缸空氣動力發動機，其包括發動機本體。該發動機本體包括左右兩排氣缸、曲軸、排氣凸輪軸、進氣凸輪軸和前齒輪箱；所述前齒輪箱系統用來將曲軸的動力通過過橋齒輪傳遞給排氣凸輪軸和進氣凸輪軸。發動機還包括高壓氣罐組，其通過管路與外接加氣裝置連通；恆壓罐，其通過管路與高壓氣罐組連通。其中，所述空氣動力發動機進一步包括進氣控制調速閥，其調節通過管路的高壓壓縮空氣的流量；控制器系統；多柱體動力分配器，其與發動機本體的曲軸連接；動力設備，其與多柱體動力分配器連接，以接收曲軸傳遞過來的動力；電子控制單元EC0，其根據傳感器所檢測的信號控制進氣控制調速閥；壓縮空氣加熱裝置，其將來自恆壓罐的壓縮空氣進行加熱，以提聞進氣的溫度。優選的是，所述發動機還包括第二供氣迴路，該第二供氣迴路包括空氣壓縮機、尾氣回收罐、冷凝器、限壓閥；其中，尾氣由排氣集氣管送入空氣壓縮機，壓縮增壓後的尾氣經冷凝器冷卻處理後經過限壓閥送入高壓氣罐組。根據本實用新型的優選實施例，本實用新型的發動機的左右兩排氣缸分別含有6個或4個氣缸，每個氣缸的缸蓋具有4個排氣閥和I個氣喉。優選的是，所述第二供氣迴路進一步包括順序閥，經空氣壓縮機增壓後的尾氣在壓力小於15MPa時，直接經由順序閥送入恆壓罐。優選的是，所述壓縮空氣加熱裝置設有電流選擇按鈕和溫度調節按鈕，以對壓縮空氣的加熱方式和加熱溫度進行控制。優選的是，所述進氣控制調速閥是電磁比例閥或者電磁比例閥和減壓閥的組合。根據示範性實施例，本實用新型的多缸發動機的控制器系統包括高壓共軌恆壓管、控制器單元和進氣凸輪軸外殼，所述控制器單元包括控制器上蓋、控制器下座、具有控制器氣門和中座凸起的控制器中座；所述控制器上蓋、控制器中座和控制器下座依次通過螺栓可拆卸地密封連接。優選的是，所述控制器單元的個數為6個或4個，每個控制器中座內包含兩個所述控制器氣門。更加優選的是，所述控制器單元的控制器中座內安裝有兩個控制器氣門、兩個控制器氣門彈簧、兩個氣門座套、兩個控制器氣門彈簧座套，所述控制器氣門受控制器氣門彈簧的預作用力在發動機無需進氣時抵靠在控制器氣門座套上。進一步的，所述控制器中座在其中部對稱地設有兩組直徑不同的孔，從上到下依次為控制器氣門座套孔、控制器氣門孔、油封襯套孔、控制器氣門彈簧孔，並且其中，控制器氣門座套孔的直徑大於控制器氣門孔的直徑並且大於油封襯套孔的直徑，控制器氣門孔的直徑大於油封襯套孔的直徑，控制器氣門彈簧孔的直徑小於控制器氣門孔的直徑，並且略小於控制器氣門座套孔的直徑。 優選的是，右排氣凸輪軸和左排氣凸輪軸分別置於缸體的右、左側靠外的位置，兩者在正平面的橫向連線與水平面大體上平行，進氣凸輪軸置於缸體的V型槽的頂部，且位於連線的中心位置。根據本實用新型的另一個方面，本實用新型提供一種V型多缸空氣動力發動機，其包括發動機本體，其包括左右兩排氣缸、曲軸、排氣凸輪軸、進氣凸輪軸和前齒輪箱；所述前齒輪箱系統用來將曲軸的動力通過過橋齒輪傳遞給排氣凸輪軸和進氣凸輪軸；控制器，其包括高壓共軌恆壓管、控制器單元和進氣凸輪軸外殼，所述控制器單元包括控制器上蓋、控制器下座、具有控制器氣門和中座凸起的控制器中座；所述控制器上蓋、控制器中座和控制器下座依次通過螺栓可拆卸地密封連接；高壓氣罐組，其通過管路與外接加氣裝置連通；恆壓罐，其通過管路與高壓氣罐組連通；進氣控制調速閥，其調節通過管路的高壓壓縮空氣的流量。優選的是，在所述恆壓罐和進氣控制調速閥之間設有壓縮空氣加熱裝置，以將來自恆壓罐的壓縮空氣進行加熱，以提高進氣的溫度。優選的是，所述左右兩排氣缸分別含有6個或4個氣缸，每個氣缸的缸蓋具有4個排氣閥和I個氣喉。優選的是，右排氣凸輪軸和左排氣凸輪軸分別置於缸體的右、左側靠外的位置，兩者在正平面的橫向連線與水平面大體上平行，進氣凸輪軸置於缸體的V型槽的頂部，且位於連線的中心位置。

現在將描述根據本實用新型的優選但非限制性的實施例，本實用新型的這些和其他特徵、方面和優點在參考附圖閱讀如下詳細描述時將變得顯而易見，其中圖I是根據本實用新型的V型多缸空氣動力發動機的總體示意圖；圖2是圖I中的根據本實用新型的移除控制器、氣缸和氣缸蓋後的V型多缸空氣動力發動機本體的三維斜視透視圖；圖3是圖I中的發動機本體的橫向剖取的側視圖，其包括氣缸、氣缸蓋和控制器的截面；圖4是圖2中的排氣凸輪軸結構示意圖；圖5是圖2中的曲軸單元結構示意圖；圖6為本實用新型的用於V型多缸空氣動力發動機的控制器的立體透視圖；圖7為圖6中的控制器的縱向橫截面視圖；圖8為圖6中的控制器的橫向橫截面側視圖；圖9是圖2中的進氣凸輪軸結構示意圖。
具體實施方式
以下的說明本質上僅僅是示例性的而並不是為了限制本公開、應用或用途。應當理解的是，在全部附圖中，對應的附圖標記表示相同或對應的部件和特徵。現在參考圖1，圖I是根據本實用新型的V型多缸空氣動力發動機的總體示意圖。在圖I中，V型多缸空氣動力發動機包括發動機本體I、多柱體動力分配器2、動力設備4、控制器系統6、空氣壓縮機7、冷凝器11、尾氣回收罐9、高壓氣罐組13、恆壓罐16、壓縮空氣加熱裝置101、進氣控制調速閥23、電子控制單元E⑶29、限壓閥702、順序閥703。如圖I所示，高壓氣罐組13通過壓縮空氣入口管路14與外接加氣站或外接加氣裝置連接，以從外界獲得所需的高壓壓縮空氣。壓縮空氣入口管路14上設有流量計A、壓力計P和手控開關 (未示出)。流量計A用於測量和監控進入高壓氣罐組13的壓縮空氣的流量，而壓力計P用於測量和監控進入高壓氣罐組13的壓縮空氣的壓力。在需要通過外接加氣裝置或加氣站對高壓氣罐組13進行加氣時，打開手控開關，高壓壓縮空氣進入高壓氣罐組13，當壓縮空氣入口管路14上的流量計A和壓力計P達到規定數值時，關閉手控開關，完成高壓氣罐組13的充氣過程，這樣就可獲得額定壓力下比如30MPa的壓縮空氣。為了保證儲氣罐的安全性能，在高壓氣罐組13上可設置一個、二個或多個安全閥(未示出)。高壓氣罐組13可以是具有足夠容量的一個、二個、三個、四個或更多個高壓氣罐以串聯或並聯的形式組合而成，根據應用場合的實際需要，確定高壓氣罐組13的組成氣罐數。高壓氣罐組13通過管路15連接到恆壓罐16，管路15上同樣設置有分別監測和控制壓縮空氣流量和壓力的流量計A和壓力計P以及減壓閥701。減壓閥701用來使高壓氣罐組13提供的高壓壓縮空氣減壓，以適當壓力送入到恆壓罐16。恆壓罐16用來穩定來自高壓氣罐組13的高壓空氣的壓力，其壓力略低於高壓氣罐組13內的壓力，比如在21-25MPa之間，優選的是在2 IMPa左右。在恆壓罐16和進氣控制調速閥23之間的管路17上設有壓縮空氣加熱裝置101，該加熱裝置為利用電流對空氣進行加熱的裝置，其可採用交流電也可採用直流電，採用何種電流取決於設定在壓縮空氣加熱裝置101上的直流電按鈕101-2和交流電按鈕101-4的選定。壓縮空氣加熱裝置101上還設有直流調溫按鈕101-1和交流調溫按鈕101-3等兩個功能按鈕，以及直流電流表101-5、直流電壓表101-6、交流電流表1-7和交流電壓表101-8等四個計量表。直流調溫按鈕101-1和交流調溫按鈕101-3分別用來調節壓縮空氣加熱裝置101採用直流電或交流電對壓縮空氣進行加熱的期望溫度。為了使進入發動機氣缸內的壓縮空氣儘可能地膨脹做功，希望在氣缸及管道的耐溫溫度下壓縮空氣的加熱溫度儘可能的高。根據本實用新型的優選實施例，經過壓縮空氣加熱裝置101加熱後的壓縮空氣，其溫度可以達到800°C。根據直流調溫按鈕101-1和交流調溫按鈕101-3的設定，加熱後的壓縮空氣其溫度可在環境溫度到800°C的溫度下變化，這樣就可以充分地滿足壓縮空氣的溫度要求，以儘可能地提高壓縮空氣的做功能力。直流電流表101-5、直流電壓表101-6、交流電流表101-7和交流電壓表101-8分別用來檢測壓縮空氣加熱裝置101的直流或交流的電流值和電壓值。管路17上也設置有分別監測和控制壓縮空氣流量和壓力的流量計A和壓力計P。來自壓縮空氣加熱裝置101的高溫、高壓空氣經過進氣控制調速閥23的控制和調節後經管路進入控制器系統6。現在詳細地描述進氣控制調速閥23。進氣控制調速閥23的作用是根據電子控制單元ECO 29的指令信號控制電磁閥的開啟時間來決定壓縮空氣進氣量。由於電磁閥具有減壓作用，其與減壓調壓閥組合就形成了調速閥，從而可以將發動機的轉速調整在一個合適的範圍內。進氣控制調速閥23由ECU 29發出的控制信號26控制。在發動機本體I上可選擇性地設有多種傳感器，比如測量發動機轉速的速度傳感器、判斷氣缸上止點位置的位置傳感器以及判斷門油踏板位置的門油電位計，還可以是測量發動機機體溫度的溫度傳感器。根據本實用新型的示例性實施例，示出了速度傳感器24和/或門油電位計242。速度傳感器24可以是現有技術中測量發動機轉速的各種速度傳感器，並通常設置在曲軸1020 上。門油電位計242可以是現有技術中測量油門踏板位置的各種位置傳感器，其通常設置在門油踏板位置處。在非車輛應用的場合中，類似於踏板位置的門油電位計可以是發動機負荷傳感器，例如監測發動機輸出力矩的轉矩傳感器、發電場合中控制發電電流大小的電流選擇旋鈕的位置傳感器等。ECU 29根據各種傳感器的信號，比如速度傳感器24的速度信號和門油電位計242的位置信號中的任何一個或兩個，經過運算處理髮出控制信號26，控制信號26控制進氣控制調速閥，從而可以實現進氣控制調速閥的高速、中速、低速需要，由此相應於發動機的高速、中速和低速轉動。經過進氣控制調速閥的高壓壓縮空氣經高壓管路流入控制器系統6，並由控制器系統6向發動機本體I的各個氣缸提供高壓壓縮空氣，比如大約7-18MPa之間的壓力，優選的是為9-15MPa，更優選的是為ll_13MPa，以驅動發動機活塞1140在缸體3008內作往復運動(參考圖2)，並經由連杆1100將活塞1140的往復運動轉變成的曲軸1020的旋轉運動，從而滿足發動機的各種工況下的要求。控制器系統6的具體結構將在後文進行詳細地描述。繼續參考圖1，從發動機本體I輸出的轉動運動經過多柱體動力分配器2分配到應用設備，如圖I中所示，應用設備包括空氣壓縮機7、動力設備4。空氣壓縮機7可以是傳統的葉片式壓縮機和活塞式壓縮機等，也可以是本申請的申請人在專利文獻(CN201261386Y)中所公開的加壓裝置。動力設備4可以是傳動系統、發電機或變速器系統等。多柱體動力分配器2可與曲軸1020上的飛輪固定連接，也可通過比如是聯軸器的連接件與曲軸連接。多柱體動力分配器2將動力分成兩路，一路分配給動力設備4，另一路分配給空氣壓縮機7。動力設備4通過離合器3或類似功能的連接裝置與多柱體動力分配器2連接，空氣壓縮機7通過例如是齒輪裝置的聯軸器5與多柱體動力分配器2連接。當發動機工作時，曲軸1020的旋轉帶動多柱體動力分配器2運轉，繼而將動力分別分配給動力設備4和空氣壓縮機7，從而帶動動力設備4和空氣壓縮機7工作。本申請的申請人在其之前的中國專利申請201110331831. 3和201110373185. 7詳細地描述了多柱體動力分配器的構造和結構，在此，這兩個申請的全文通過引用結合於本文中，以對多柱體動力分配器進行公開。由於本實用新型的壓縮空氣發動機由高壓空氣直接驅動，在曲軸旋轉0-180度的過程中，高壓空氣驅動活塞1140運動，在活塞到達下止點後因慣性向上運動時，曲軸繼續轉動180度-360度，發動機進行排氣衝程，此時排氣的氣體依然具有較高的壓力，例如為3MPa左右，具有較高壓力的排出氣體直接排到大氣中一方面容易形成高壓尾氣流，引起尾氣噪聲，另一方面損耗了壓縮空氣所蘊涵的能量。因此，對壓縮空氣發動機的尾氣再利用是一項勢在必行的關鍵技術。本實用新型的補充壓縮空氣迴路結構概括如下從發動機本體I的排氣集氣管27排出的尾氣經管路20輸送到尾氣回收罐9。尾氣回收罐9和空氣壓縮機7之間的管路8上設有流量計A和壓力計P，以分別檢測和監控經過空氣壓縮機7壓縮後的尾氣的流量和壓力。經過空氣壓縮機7壓縮後的尾氣其壓力得到顯著的增加，通常能達到大約10 MPa至大約25MPa之間。空氣壓縮機7將壓縮後的尾氣分兩路對發動機本體I進行補充供應。在管路705的下遊處設有分支管路704和10，管路10通往高壓氣罐組13，當空氣壓縮機7增壓後的尾氣壓力大於15MPa時，增壓尾氣通過開啟壓 力設定為例如是15MPa的限壓閥，隨後經過設定在管路10上的冷凝器11冷卻後送入高壓氣罐組13，或者再通過尾氣過濾器(圖中未示出)後進入高壓氣罐組13。管路704上設有順序閥703，當空氣壓縮機7增壓後的尾氣壓力小於15MPa時，增壓尾氣通過限壓壓力設定為例如是15MPa的順序閥(該順序閥在進氣壓力小於15MPa時開啟，在進氣壓力大於15MPa時自動關閉)，隨後經過管路704進入恆壓罐16。在備選方案中，可根據實際需要，設定限壓閥的開啟壓力和順序閥的關閉壓力。例如可以是7Ma至20MPa之間的任何壓力。優選的是，是10、12、15、17、20MPa中的任何一個。可備選地是，還可在冷凝器11和高壓氣罐組13之間的管路上設置單向閥(圖中未示出)，僅允許增壓後的乾淨尾氣單向流入高壓氣罐組13。如此一來，用於驅動發動機活塞1140的高壓壓縮空氣在做功之後其相當一部分通過補充壓縮空氣迴路(包括限壓閥、順序閥、尾氣回收罐、空氣機、冷凝器以及它們之間的連接管路)增壓淨化後回收到高壓氣罐組，從而實現了尾氣的再利用。補充壓縮空氣迴路的存在不僅相當程度地解決了具有相當壓力的尾氣(通常為3MPa左右)直接排氣大氣造成的噪聲汙染問題，而且有效地減少了對大容量高壓氣罐組13的容積需求問題。換句話說，對於給定容量的高壓氣罐組13，補充壓縮空氣迴路的存在大大增加了壓縮空氣發動機的持續工作時間，在使用壓縮空氣發動機的交通工具或發電設備中，大大增加了交通工具或發電設備的持續工作時間，從而明顯地提高壓縮空氣發動機的效率。現在參閱圖2和圖3，圖2為圖I中的根據本實用新型的移除控制器、缸體、氣缸蓋後的空氣動力V型多缸發動機本體的三維斜視透視圖。圖3是圖I中的發動機本體的橫向剖取的側視圖，其包括氣缸、氣缸蓋和控制器的截面。如圖2和圖3所示，發動機本機I包括左右兩排氣缸，兩排氣缸相互之間成V型，V型夾角可根據具體應用變化，可以為60° 150°之間的任何角度。在圖3所示的構型中，優選的是，左右兩排氣缸的夾角為75° —135°，更加優選的為75°、90°、120°、135°。每排氣缸具有多個氣缸3008，具體而言，可以為I個、2個、3個、4個、5個、6個、7個等。在本實用新型的示例中，每排的氣缸數為4個或6個，這就可構成V型8缸或12缸多缸發動機。在圖2所示的單側6個氣缸的示例中，左側6個氣缸分別為#1氣缸、#3氣缸、#5氣缸、#7氣缸、#9氣缸、#11氣缸；右側6個氣缸分別為#2氣缸、#4氣缸、#6氣缸、#8氣缸、#10氣缸、#12氣缸。氣缸3008內容納有活塞1140、1130，活塞通過連杆1170、1100連接到曲軸1020上。曲軸1020的旋轉帶動活塞在氣缸3008內做往復運動。左排氣凸輪軸1200置於V型發動機的左側，其上設有左排氣凸輪軸凸輪1210，用來控制左側排氣門的開啟。右排氣凸輪軸1070置於V型發動機的右側，其上設有右排氣凸輪軸凸輪1110，用來控制右側排氣門的開啟。在圖2所示的V型12缸空氣動力發動機中，不同於傳統的V型12缸發動機，進氣凸輪軸1150僅設置I根，其用來控制左右兩側12缸的高壓壓縮空氣進氣，其設有進氣凸輪軸凸輪1160，以用來控制氣缸3008的高壓壓縮空氣進氣。左、右排氣凸輪軸1200、1070和進氣凸輪軸1150均由曲軸1020通過前齒輪箱帶動。在圖2所示的示例中，前齒輪箱包括曲軸齒輪1030、右排氣凸輪軸過橋齒輪1040、左排氣凸輪軸過橋齒輪、進氣凸輪軸過橋齒輪1050、右排氣凸輪軸齒輪1060和左排氣凸輪軸齒輪1230以及機油泵過橋齒輪1010。曲軸1020的運動通過前齒輪箱的傳動而帶動進、排氣凸輪軸的運動，從而實現發動機的進氣和排氣。進氣凸輪軸過橋齒輪1050具有進氣凸輪軸過橋軸承1190和進氣軸承固定軸1260，右排氣凸輪軸過橋齒輪1040具有右排氣凸輪軸過橋軸承1240和右排氣軸承固定軸1250，左排氣凸輪軸過橋齒輪具有左排氣凸輪軸過橋軸承1220和左排氣軸承固定軸1270，機油泵過橋齒輪1010具有機 油泵過橋軸承1290和機油泵過橋軸承固定軸1280。這些齒輪的固定軸均用來將相應齒輪固定在前齒輪箱的殼體上。曲軸1020的曲軸齒輪1030的對立末端設置有飛輪1120，用來輔助曲軸轉動。進一步參考圖3，圖3更加清楚地示出了 V型多缸空氣動力發動機的配氣機構和控制器的配置。圖3所示的氣缸蓋為分體式氣缸蓋002，左側氣缸和右側氣缸的氣缸蓋002結構、樣式相同，但可以分開安裝，分別用來密閉左右兩側的缸體3008。缸蓋002和缸體3008之間設有密封墊3006，缸蓋002為中間空心的大體上長方體的結構，其上端連接有氣缸罩3005，氣缸罩3005上開有通孔，以允許進氣管道3001通過並進入設置在氣缸蓋002上的氣吼3010，從而允許從控制器6來的高壓壓縮空氣進入膨脹做功室3020。高壓氣體在膨脹排氣室3020內膨脹做功，推動活塞1140在氣缸套3007內向下運動，此為做功衝程。做功衝程輸出的功通過曲軸連杆系統向外輸出動力。活塞1140在氣缸內由下止點位置向上止點位置運動時，排氣閥3012打開，具有一定壓力的空氣自膨脹排氣室中經由排氣管道3002排出，此為排氣衝程。在活塞1140快到上止點時，排氣閥3012關閉，控制器6又開始為膨脹排氣室供氣，進入下一個循環。顯然，本實用新型的發動機的曲軸1020每轉動一圈(360度)，就做功一次，而不像傳統的四衝程發動機，在曲軸轉動兩圈(720度)的過程中完成一次完整的進氣、壓縮、膨脹和排氣衝程。這就如二衝程發動機一樣，但又與傳統的二衝程發動機不同，因為傳統的二衝程發動機通常在氣缸底部設有進氣口，並在氣缸適當位置設有掃氣口和排氣口。而本實用新型的二衝程發動機是在氣缸的頂部設有用於高壓壓縮空氣進氣的氣喉3010和用於尾氣排放的排氣閥3012，並且氣喉3010的連通和閉合是進氣凸輪軸1150通過控制器6實現的，而排氣閥3012的連通和閉合是由曲軸帶動排氣凸輪軸1070轉動，並通過搖臂3015控制排氣閥的打開和關閉而實現的。因此本實用新型的二衝程發動機是完全不同於傳統的二衝程發動機的，其有效地利用了可直接膨脹做功的高壓空氣，曲軸1020每轉動一圈活塞1140就做功一次，因而在相同的排氣量情況下，相比較傳統的四衝程發動機而言，功率可提高一倍。由於高壓壓縮空氣在膨脹做功室3020後，仍具有較大的壓力，及時將做功後的空氣排氣氣缸就異常重要，為本本實用新型的排氣機構不同於傳統的多缸發動機，其採用4個排氣閥3012，即兩個排氣閥由一個排氣凸輪軸凸輪1110、一個排氣挺柱3019、一個搖臂3015和一個氣門扁擔鐵3014組成的排氣驅動機構控制。由於每一個氣缸對應兩個排氣凸輪軸凸輪，因而每個氣缸採用了 4個排氣閥3012。與此大為不同的是，本實用新型的進氣機構則取消了傳統的進氣閥，而通過一個氣缸一個氣喉3010的形式實現。這樣一來，就可以在排氣衝程中迅速地將尾氣排出，從而提高發動機的效率。進一步參考圖3，本實用新型的右排氣凸輪軸1070、左排氣凸輪軸1200和進氣凸輪軸1150分別布置在缸體3008的不同位置上，即不同於傳統的頂置凸輪軸發動機，也同於傳統的底置凸輪軸發動機。如圖可見，右排氣凸輪軸1070和左排氣凸輪軸1200分別置於缸體3008的右、左側靠外的位置，兩者在正平面的橫向連線與水平面大體上平行。進氣凸輪軸1150置於缸體3008的V型槽的頂部，且位於連線的中心位置。這種配置的好處在於發動機機體的動平衡，便於前齒輪箱的布置。從左右各個氣缸的排氣管路3002排出的尾氣送入上、下排氣筒3003、3004中，便於尾氣的循環使用。現在參考圖4，圖4為圖2中的發動機主體的排氣凸輪軸1070結構示意圖。排氣凸輪軸1070包括單元凸輪1110A。在示例性實施例中，單元凸輪11IOA包括6個單元凸輪， 其分別為第一單元凸輪2701、第二單元凸輪2702、第三單元凸輪2703、第四單元凸輪2704、第五單元凸輪2705、第六單元凸輪2706。在備選實施例中，單元凸輪1110A的數目可以是2個、4個、6個、8個、12個或更多個，這取決於發動機氣缸數和每一個氣缸的排氣閥個數。在本實用新型的示例性實施例中，每個單元凸輪1110A包括兩個凸輪，每個凸輪控制其對應的排氣閥的開啟。在圖4中的優選實施例中，各個單元凸輪1110A的相位作如下設置第一單元凸輪2701與第二單元凸輪2702相差-120度、第二單元凸輪2702與第三單元凸輪2703相差-120度、第三單元凸輪2703與第四單元凸輪2704相差180度、第四單元凸輪2704與第五單元凸輪2705相差120度、第五單元凸輪2705與第六單元凸輪2706相差120度。如此設置下的單元凸輪，可以實現單元凸輪的工作順序為第一和第五單元凸輪同時工作，而後第三和第六單元凸輪一起工作，最後第二和第四單元凸輪一起工作。對應的活塞以進氣凸輪軸1150對稱分為左右兩列，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i^一活塞#11位於左側；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位於右側。如此一來，相應的發動機活塞的工作順序為#1 — #6 — #9 — #12 一 #5 — #4 一 #11 — #8 — #3 — #2 — #7 — #10 — #1。根據本實用新型的教導，本領域技術人員可設置不同於本實用新型的單元凸輪及其工作相位和工作順序，但其均落在本實用新型的範圍內。現在參考圖5，曲軸1020包括飛輪連接端1021、潤滑油油孔1022、連杆旋轉軸1023和曲軸前齒輪軸1024。曲軸1020上的連杆旋轉軸1023設有一個或多個潤滑油油孔1022，以便為曲軸提供潤滑機油。曲軸前齒輪軸1024的右側相鄰處設有齒輪連接螺栓，以與前齒輪箱系統中的相應齒輪連接。飛輪連接端1021的外側相鄰位置設有飛輪連接螺栓，以與飛輪1120形成固定連接。在本實用新型的優選實施例中，曲軸的單元曲拐1080包括六個單元曲拐，分別是第一單元曲拐10801、第二單元曲拐10802、第三單元曲拐10803、第四單元曲拐10804、第五單元曲拐10805、第六單元曲拐10806。其分別對應於第一至第六連杆1170或活塞1140。在備選實施例中，單元曲拐1080可包括不同數目的單元曲拐，比如2個、4個、6個、8個、12個或更多個，這些均是本領域技術人員容易想到的。在圖5中的優選實施例中，各單元曲拐的相位作如下設置第一單元曲拐10801與第二單元曲拐10802相差-120度、第二單元曲拐10802與第三單元曲拐10803相差-120度、第三單元曲拐10803與第四單元曲拐10804相差180度、第四單元曲拐10804與第五單元曲拐10805相差120度、第五單元曲拐10805與第六單元曲拐10806相差120度。如此設置下的曲拐單元，可以實現曲拐單元的工作順序為第一和第五單元曲拐同時工作，而後第三和第六單元曲拐一起工作，最後第二和第四單元曲拐一起工作。對應的活塞以進氣凸輪軸1150對稱分為左右兩列，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i^一活塞#11位於左側；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位於右側。如此一來，相應的發動機活塞的工作順序為#1 — #6 — #9 — #12 — #5 —#4 — #11 — #8 — #3 — #2 — #7 — #10 — #1。根據本實用新型的教導，本領域技術人員可設置不同於本實用新型的單元曲拐及其工作相位和工作順序，但其均落在本實用新型的範圍內。現在參考圖6-圖8，其為壓縮空氣發動機的控制器的視圖。如圖6所示，控制器包括高壓共軌恆壓管2070、控制器單元2000和進氣凸輪軸外殼2290。在圖6-圖8所示的控制器中，控制器包括6個控制器單元2000，其對應V型12缸多缸發動機。根據V型多缸發動機缸體數的不同，控制器單元2000的數目可以變化，其例如可以是2個、3個、4個、5個、7個等。控制器單元2000包括控制器上蓋2080、控制器下座2270、控制器中座2140。每個控制器中座2140中設有I個中座凸起2291、I個中座安裝外緣2292、第一和第二控制器氣門2100、第一和第二控制器氣門彈簧2170、第一和第二控制器氣門座套2120、第一和第二控制器氣門彈簧座套2180和第一和第二油封襯套2160。為了描述的方便,我們將為左側氣缸供氣的控制器氣門2100稱為第一控制器氣門2100，為右側氣缸供氣的控制器氣門2100稱為第二控制器氣門。其他相應部件的名稱依次類推。第一和第二控制器氣門2100分別通過各自的控制器氣門座套2120支撐在中座安裝外緣2292和中座凸起2291之間。根據控制器氣門座套2120和控制器氣門2100的大小以及進氣凸輪軸1150中的相鄰兩個進氣凸輪的間距，可以確定中座凸起2291的厚度。中座凸起的存在使得每個控制器中座2140可以設定兩個控制器氣門2100，從而使得一個控制器單元2000可為V型多缸發動機的左右兩側的兩個氣缸提供壓縮空氣。在控制器中座2140內，在油封襯套2160和控制器氣門座套2120之間存在空腔(圖7中所示為控制器氣門孔2111)，該空腔的側面設有進氣孔，在圖示實施例中，分別為第一氣缸進氣孔2130和第二氣缸進氣孔2280。氣缸進氣孔與氣缸蓋上的氣喉孔相通，以在控制器氣門2100打開時，將來自高壓共軌恆壓管2070的壓縮空氣經由支進氣管路2112進入氣缸進氣孔2130、2180，從而將壓縮空氣送入膨脹排氣室，從而驅動發動機工作。高壓共軌恆壓管2070具有圓柱形外形，其也可為矩形、三角形等外形。高壓共軌恆壓管2070內部為例如是圓柱形的腔道，以接受來自進氣控制閥2020的高壓進氣，並大體上保持腔道內的壓縮空氣壓力均衡，以便使初始進入各個氣缸的膨脹排氣室內的高壓空氣具有相同的壓力，從而使發動機工作平穩。高壓共軌恆壓管2070的兩端固定裝配有進氣後端蓋2060，在其與進氣控制閥2020連接的進氣後端蓋2060具有向外延伸的凸緣，該凸緣伸入到進氣控制閥2020和高壓共軌恆壓管2070之間的管路內，並通過例如是螺紋的連接方式與高壓管路可拆卸地固定連接。高壓共軌恆壓管2070的進氣後端蓋2060通過端蓋連接螺栓與高壓共軌恆壓管2070連接。高壓共軌恆壓管2070上設有對應於氣缸數目的上蓋連接孔(未標記)，控制器上蓋2080通過上蓋連接孔固定密封地連通高壓共軌恆壓管2070。在圖示的優選實施例中，上蓋連接孔的數目為6。控制器上蓋2080在沿其中心線的剖面上具有倒T形，其具有圓柱形的支進氣管路2081和圓形下表面，支進氣管路2081通過其上端外圍的螺紋連接到上蓋連接孔內，以與高壓共軌恆壓管2070形成固定可拆卸地連接。控制器上蓋2080通過上蓋與中座連接螺栓或其他緊固件與控制器中座2140形成密封的、可拆卸固定連接。控制器中座2140通過中座與下座連接螺栓2220或其他緊固件與控制器下座2270形成密封的可拆卸固定連接。進一步參照圖6-圖8，控制器中座2140在其中部設有直徑不同的孔，從上到下依次為控制器氣門座套孔2121、控制器氣門孔2111、油封襯套孔2150、控制器氣門彈簧孔2171。在示例性實施例中，控制器氣門座套孔2121的直徑大於控制器氣門孔2111的直徑並且大於油封襯套孔2150的直徑，控制器氣門孔2111的直徑大於油封襯套孔2150的直徑。控制器氣門彈簧孔2171的直徑小於控制器氣門孔2111的直徑，但要求大於油封襯套孔2150的直徑。在優選實施例中，控制器氣門彈簧孔2171的直徑小於控制器氣門孔2111 的直徑，並且略小於控制器氣門座套孔2121的直徑。控制器氣門座套2120安裝在控制器氣門座套孔2121內，並支撐在控制器氣門孔2111之上。油封襯套2160安裝在油封襯套孔2150內，並支撐在控制器氣門彈簧2170之上，其內通過控制器氣門2100的氣門杆2110。該油封襯套2160除了對控制器氣門2100進行密封外還對氣門杆起導向作用。控制器氣門彈簧2170安裝在控制器氣門彈簧孔2171內，其下端支撐有控制器氣門彈簧座套2180，並通過控制器氣門鎖夾片2190緊固在控制器氣門彈簧座套2180之上。在發動機不工作時，控制器氣門彈簧2170預加載一定的預張力，其將控制器氣門2100抵靠在氣門座套2120上，控制器氣門2100關閉，進而控制氣體的進入。如圖9所示，進氣凸輪軸1150上設有12個凸輪，分別為第一凸輪1151、第二凸輪1152、第三凸輪1153、第四凸輪1154、第五凸輪1155、第六凸輪1156、第七凸輪1157、第八凸輪1158、第九凸輪1159、第十凸輪1150-1、第i^一凸輪1150-2、第十二凸輪1150-3，分別用於控制V型多缸發動機的12個氣缸的進氣過程。以從進氣凸輪軸齒輪方向看順時針為正，逆時針為負，第一凸輪與第二凸輪相差90°，第二凸輪與第三凸輪相差30°，第三凸輪與第四凸輪相差90°，第四凸輪與第五凸輪相差30°，第五凸輪與第六凸輪相差90°，第六凸輪與第七凸輪相差90°，第七凸輪與第八凸輪相差90°，第八凸輪與第九凸輪相差150°，第九凸輪與第十凸輪相差90°，第十凸輪與第i^一凸輪相差150°，第i^一凸輪與第十二凸輪相差90°。現在參閱圖7和圖9，控制器下座2270經由進氣凸輪軸外殼孔2293固定焊接在進氣凸輪軸外殼2290上，其內部設有多個用於安裝控制器頂柱2200的安裝孔，其根據發動機氣缸數的不同，可以設置不同數目的用於控制器頂柱2200的安裝孔，例如可以是I個或2個。控制器頂柱2200安裝在控制器頂柱2200的安裝孔內，並隨安裝在進氣凸輪軸1150安裝孔內的進氣凸輪軸1150轉動而上下往復運動。當需要給發動機氣缸提供高壓壓縮空氣時，進氣凸輪軸1150的凸輪向上頂起控制器頂柱2200，控制器頂柱2200繼而頂起控制器氣門2100的氣門杆2110，使得氣門杆2110克服控制器氣門彈簧2170的拉力，離開控制器氣門座套2120，從而控制器氣門2100打開，高壓壓縮空氣得以從高壓共軌恆壓管2070進入膨脹排氣室，以滿足發動機的供氣需求。進氣凸輪軸1150上安裝有12個相差一定角度的凸輪，進氣凸輪軸1150轉動時就會推動12根頂柱2200上下運動，有的正在向上運動，有的達到最高點，有的向下運動，有的達到最低點，其工作順序依次為第一凸輪、第六凸輪、第九凸輪、第十二凸輪、第五凸輪、第四凸輪、第i^一凸輪、第八凸輪、第三凸輪、第二凸輪、第七凸輪、第十凸輪，當進氣凸輪軸1150隨曲軸1020轉過一定角度後，控制器氣門2100的氣門杆2110在控制器氣門彈簧2170的恢復力作用下重新坐落在控制器氣門座套2120上，控制器氣門2100關閉，供氣結束。由於本實用新型的壓縮空氣發動機為二衝程發動機，曲軸1020每轉動一周，控制器氣門2100和排氣閥各開閉一次，因此,很容易設置進氣凸輪軸1150和排氣凸輪軸1070A的凸輪相位以及它們與曲軸的連接關 系。本說明書詳細地公開了本實用新型，包括最佳模式，並且也能使本領域的任何人員實踐本實用新型，包括製造和使用任何設備或系統以及執行任何引入的方法。本實用新型的保護範圍由附加權利要求限定，並可包括在不脫離本實用新型保護範圍和精神的情況下針對本實用新型所作的各種變型、改型及等效方案。
權利要求1.一種V型多缸空氣動力發動機,其包括 發動機本體(I)，其包括左右兩排氣缸、曲軸(1020)、排氣凸輪軸(1200，1070)、進氣凸輪軸(1150)和前齒輪箱；所述前齒輪箱系統用來將曲軸(1020)的動力通過過橋齒輪(1240，1050)傳遞給排氣凸輪軸(1200,1070)和進氣凸輪軸(1150)； 高壓氣罐組(13)，其通過管路(14)與外接加氣裝置連通； 恆壓罐(16)，其通過管路(15)與高壓氣罐組(13)連通； 其特徵在於，所述空氣動力發動機還包括 進氣控制調速閥(23)，其調節通過管路(17)的高壓壓縮空氣的流量； 控制器系統(6)； 多柱體動力分配器(2)，其與發動機本體(I)的曲軸(1020)連接； 動力設備(4)，其與多柱體動力分配器(2)連接，以接收曲軸(1020)傳遞過來的動力； 電子控制單元ECO (29)，其根據傳感器(24，242)所檢測的信號控制進氣控制調速閥(23)； 壓縮空氣加熱裝置(101)，其將來自恆壓罐(16)的壓縮空氣進行加熱，以提高進氣的溫度。
2.根據權利要求I所述的發動機，其特徵在於，所述發動機還包括第二供氣迴路，該第二供氣迴路包括空氣壓縮機(7)、尾氣回收罐(9)、冷凝器(11)、限壓閥(702);其中，尾氣由排氣集氣管(27)送入空氣壓縮機(7)，壓縮增壓後的尾氣經冷凝器(11)冷卻處理後經過限壓閥(702)送入高壓氣罐組(13)。
3.根據權利要求I或2所述的發動機，其特徵在於，所述左右兩排氣缸分別含有6個或4個氣缸，每個氣缸的缸蓋(002)具有4個排氣閥(3012)和I個氣喉(3010)。
4.根據權利要求2所述的發動機，其特徵在於，所述第二供氣迴路進一步包括順序閥(703)，經空氣壓縮機(7)增壓後的尾氣在壓力小於15MPa時，直接經由順序閥(703)送入恆壓罐(16)。
5.根據權利要求I或2所述的發動機，其特徵在於，所述壓縮空氣加熱裝置(101)設有電流選擇按鈕(101-2,101-4)和溫度調節按鈕(101-1,101-3)，以對壓縮空氣的加熱方式和加熱溫度進行控制。
6.根據權利要求I或2所述的發動機，其特徵在於，所述進氣控制調速閥(23)是電磁比例閥或者電磁比例閥和減壓閥的組合。
7.根據權利要求I或2所述的發動機，其特徵在於，所述控制器系統(6)包括高壓共軌恆壓管(2070)、控制器單元(2000)和進氣凸輪軸外殼(2290)，所述控制器單元(2000)包括控制器上蓋(2080)、控制器下座(2270)、具有控制器氣門(2100)和中座凸起(2191)的控制器中座(2140);所述控制器上蓋(2080)、控制器中座(2140)和控制器下座(2270)依次通過螺栓可拆卸地密封連接。
8.根據權利要求7所述的發動機，其特徵在於，所述控制器單元(2000)的個數為6個或4個，每個控制器中座(2140)內包含兩個所述控制器氣門(2100)。
9.根據權利要求8所述的發動機，其特徵在於，所述控制器單元(2000)的控制器中座(2140)內安裝有兩個控制器氣門(2100)、兩個控制器氣門彈簧(2170)、兩個氣門座套(2120)、兩個控制器氣門彈簧座套(2180)，所述控制器氣門(2100)受控制器氣門彈簧(2170)的預作用力在發動機無需進氣時抵靠在控制器氣門座套(2120)上。
10.根據權利要求9所述的發動機，其特徵在於，所述控制器中座(2140)在其中部對稱地設有兩組直徑不同的孔，從上到下依次為控制器氣門座套孔(2121)、控制器氣門孔(2111)、油封襯套孔(2150)、控制器氣門彈簧孔(2171)，並且其中，控制器氣門座套孔(2121)的直徑大於控制器氣門孔(2111)的直徑並且大於油封襯套孔(2150)的直徑，控制器氣門孔(2111)的直徑大於油封襯套孔(2150)的直徑，控制器氣門彈簧孔(2171)的直徑小於控制器氣門孔(2111)的直徑，並且略小於控制器氣門座套孔(2121)的直徑。
11.根據權利要求1、2、4、7-10中任一項所述的發動機,其特徵在於，右排氣凸輪軸(1070)和左排氣凸輪軸(1200)分別置於缸體(3008)的右、左側靠外的位置，兩者在正平面的橫向連線與水平面大體上平行，進氣凸輪軸(1150)置於缸體(3008)的V型槽的頂部，且位於連線的中心位置。
12.—種V型多缸空氣動力發動機,其包括 發動機本體(I)，其包括左右兩排氣缸、曲軸(1020)、排氣凸輪軸(1200，1070)、進氣凸輪軸(1150)和前齒輪箱；所述前齒輪箱系統用來將曲軸(1020)的動力通過過橋齒輪(1240，1050)傳遞給排氣凸輪軸(1200,1070)和進氣凸輪軸(1150);其特徵在於，所述空氣動力發動機還包括 控制器￠)，其包括高壓共軌恆壓管(2070)、控制器單元(2000)和進氣凸輪軸外殼(2290)，所述控制器單元(2000)包括控制器上蓋(2080)、控制器下座(2270)、具有控制器氣門(2100)和中座凸起(2191)的控制器中座(2140);所述控制器上蓋(2080)、控制器中座(2140)和控制器下座(2270)依次通過螺栓可拆卸地密封連接； 高壓氣罐組(13)，其通過管路(14)與外接加氣裝置連通； 恆壓罐(16)，其通過管路(15)與高壓氣罐組(13)連通； 進氣控制調速閥(23)，其調節通過管路(17)的高壓壓縮空氣的流量。
13.根據權利要求12所述的空氣動力發動機，其特徵在於，在所述恆壓罐(16)和進氣控制調速閥(23)之間設有壓縮空氣加熱裝置(101)，以將來自恆壓罐(16)的壓縮空氣進行加熱，以提聞進氣的溫度。
14.根據權利要求12所述的空氣動力發動機，其特徵在於，所述左右兩排氣缸分別含有6個或4個氣缸，每個氣缸的缸蓋(002)具有4個排氣閥(3012)和I個氣喉(3010)。
15.根據權利要求12-14中任一項所述的空氣動力發動機,其特徵在於,右排氣凸輪軸(1070)和左排氣凸輪軸(1200)分別置於缸體(3008)的右、左側靠外的位置，兩者在正平面的橫向連線與水平面大體上平行，進氣凸輪軸(1150)置於缸體(3008)的V型槽的頂部，且位於連線的中心位置。
專利摘要本實用新型涉及一種發動機，具體而言，涉及一種以壓縮空氣作為動力的V型多缸空氣動力發動機。本實用新型的V型多缸空氣動力發動機包括多缸發動機本體(1)、多柱體動力分配器(2)、動力設備(4)、控制器系統(6)、進氣控制調速閥(23)、高壓氣罐組(13)、恆壓罐(16)、電子控制單元ECU(29)、壓縮空氣加熱裝置(101)以及可選擇的第二供氣迴路。該第二供氣迴路包括空氣壓縮機(7)、冷凝器(11)、限壓閥(702)、順序閥(705)、尾氣回收罐(9)。
文檔編號F01B9/02GK202510165SQ20122009055
公開日2012年10月31日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者周劍, 周登榮 申請人:周劍, 周登榮