活塞式多功能氣動的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的“活塞式多功能氣動機”是一種與活塞式內(nèi)燃機、活塞式空氣壓縮機、活塞式氣動馬達類似的機械。已有的活塞式內(nèi)燃機、空氣壓縮機、氣動馬達是功能相對單一的機械，本發(fā)明在同一臺機器上實現(xiàn)了這三種活塞式氣動機械的內(nèi)部集成，這幾種功能集成后，各功能之間相互支持、協(xié)同工作、取長補短，使得該多功能氣動機各方面的性能得到顯著提升。
【專利說明】活塞式多功能氣動機一、【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及的“活塞式多功能氣動機”屬于氣動機械領域。
二、【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及的“活塞式多功能氣動機”(以下簡稱多功能氣動機或氣動機)是一種與活塞式內(nèi)燃機、活塞式空氣壓縮機、活塞式氣動馬達類似的機械。已有的活塞式內(nèi)燃機、空氣壓縮機、氣動馬達是功能相對單一的機械。本發(fā)明通過類似于生物學上的“雜交”理念，在同一臺機器上實現(xiàn)了內(nèi)燃機、空氣壓縮機、氣動馬達三種機械功能的內(nèi)部集成，這幾種功能集成后，各功能之間相互支持、協(xié)同工作、取長補短，使得該多功能氣動機各方面的性能得到顯著提升。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]1、本發(fā)明涉及的活塞式多功能氣動機(以下簡稱多功能氣動機)是一種集成了內(nèi)燃機、壓縮機、氣動馬達三種功能或其中任意兩種功能的新型氣動機械。[0004]2、該多功能氣動機不是內(nèi)燃機、壓縮機、氣動馬達三者在外觀上的簡單合并，它區(qū)別于這三種氣動機械的根本特征為:它所集成的各種功能可共用部分或全部氣路、氣缸及活塞組，且它所集成的內(nèi)燃機、壓縮機、氣動馬達功能可單獨運行，或?qū)⑵渲心硟煞N功能同時運行；在外部特征上它區(qū)別于內(nèi)燃機的主要特征是增加了儲存壓縮空氣的設備，區(qū)別于活塞式壓縮機及氣動馬達的主要特征是它的某些功能需要消耗燃料(或熱能)。
[0005]3、該多功能氣動機的工作過程由壓縮過程、膨脹過程、熱交換過程(吸熱或放熱)這三種基本過程組成，壓縮過程及膨脹過程可為單級或多級；壓縮過程與膨脹過程的級數(shù)可相同或不同；壓縮過程與膨脹過程可單獨進行，也可對稱交替進行(壓縮量=膨脹量)或非對稱交替進行(壓縮量古膨脹量)；壓縮過程中可根據(jù)需要選擇是否采取中冷措施；膨脹過程中可根據(jù)需要選擇是否對氣體提供熱能；壓縮氣路及膨脹氣路之間任意位置可根據(jù)需要設置儲氣設備。
[0006]4、該多功能氣動機可實現(xiàn)以下功能:
[0007](I)作為類似于一般活塞式內(nèi)燃機的動力機械工作，此時，該多功能氣動機通過“吸氣一壓縮一吸熱升溫一膨脹做功一排氣”的往復循環(huán)，消耗熱能獲得機械能；
[0008](2)作為被外力驅(qū)動的空氣壓縮機工作，此時，該多功能氣動機從自然界吸入空氣，并消耗機械能將空氣壓縮后儲存在儲氣設備中；
[0009](3)作為氣動馬達工作，此時，多功能氣動機通過消耗儲氣設備中的壓縮空氣獲得機械能；
[0010](4)作為消耗熱能的氣動馬達工作，此時，多功能氣動機的儲氣設備釋放壓縮空氣，并讓壓縮空氣吸熱升溫，高溫高壓空氣膨脹做功，從而對外輸出能量
[0011](5)運行在功能(I)、(2)之間，此時，多功能氣動機從外界吸入空氣并壓縮，空氣到達壓縮終端后，一部分被存入儲氣設備內(nèi)，剩余部分經(jīng)過吸熱升溫、膨脹做功后被排向自然界，排氣完成后重新吸氣，如此往復循環(huán)；本項功能的實質(zhì)是:多功能氣動機通過消耗熱能壓縮空氣并儲存，與此同時，它可減少壓縮空氣的儲存而對外輸出動力，也可接收外界動力而增加壓縮空氣的儲存；
[0012](6)運行在功能(1)、(4)之間，此時，多功能氣動機從外界吸入空氣并壓縮，同時，儲氣設備再釋放一部分壓縮空氣與新壓縮的空氣合并，合并后的壓縮空氣經(jīng)吸熱升溫一膨脹做功后被排向自然界，排氣完成后重新進入下一個循環(huán)；本項功能的實質(zhì)是:多功能氣動機在運行功能(I)的同時，又利用儲氣設備中的壓縮空氣增加參與膨脹做功的空氣量(該項功能可使氣動機輸出動力在功能一的基礎上得到加強)；
[0013](7)消耗少量能量空轉(zhuǎn)的功能；
[0014](8)自動充、放氣功能；
[0015](9)停機功能；
[0016](10)停機后再次啟動功能；
[0017](11)隨時起停功能；
[0018](12)利用外部氣源充氣功能；
[0019]該多功能氣動機實際應用中確定的功能可為以上(I)?(12)項功能的部分或全部。
[0020]5、該多功能氣動機可利用多種形式的熱能，如汽油、柴油、石油液化氣、天燃氣、氫氣、醇類、煤炭等各種燃料燃燒的熱能，以及廢氣余熱、太陽能等。
[0021]6、該多功能氣動機可通過吸氣增壓(機械增壓或廢氣渦輪增壓)提高工作效率。四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1、圖2表示該多功能氣動機以二級氣缸的形式實現(xiàn)時可采用的氣動循環(huán)方式。
[0023]附圖中兩種氣路在氣瓶位置、氣路布置等方面有一定差別圖，圖1比較適用于汽油、石油液化氣、天燃氣、氫氣等易于與空氣混合、可采用火花塞點火的情況；圖2對柴油、汽油等常用燃料均可適用。
[0024]圖1、圖2中各編號對應的組件名稱如下:
[0025]I——低壓氣缸
[0026]2-高壓氣缸
[0027]3——儲存壓縮空氣的氣瓶
[0028]4——節(jié)氣閥(可選)
[0029]5—低壓氣缸壓縮過程吸氣門
[0030]6—低壓氣缸壓縮過程排氣門
[0031]71——冷卻器(可選)
[0032]72——中冷轉(zhuǎn)換(比例)閥(可選)
[0033]8——高壓氣缸壓縮過程吸氣門
[0034]9—高壓氣缸壓縮終端排氣門
[0035]10-三通
[0036]11——氣瓶閥門
[0037]12—高壓氣缸膨脹過程吸氣門[0038]13—高壓氣缸膨脹過程排氣門
[0039]14—低壓氣缸膨脹過程吸氣門
[0040]15——低壓氣缸膨脹過程排氣門
[0041]16—廢氣余熱利用熱交換器(可選)
[0042]17—余熱利用轉(zhuǎn)換氣閥(可選)
[0043]18——缸內(nèi)壓縮余量(燃燒室)
[0044]19-限壓閥
[0045]20——充氣閥
[0046]21——儲氣冷卻器
[0047]圖1、圖2中，各氣門之間的氣路管道兼有儲氣的功能，若有需要，可在管路中的適當部位增加儲氣設備。
五、【具體實施方式】
[0048]1、多功能氣動機的組成
[0049]本發(fā)明所述的多功能氣動機主要由以下部分組成:
[0050](I)機體
[0051](2) —級或多級氣缸、活塞組；
[0052](3)氣缸、活塞、曲軸、連桿組成的曲柄連桿機構(gòu)；
[0053](4)儲氣設備-用于儲存壓縮空氣；
[0054](5)吸氣一壓縮氣路一從外界吸入空氣，經(jīng)一級或多級壓縮提高空氣壓強的路徑(圖1中，氣路實線部分為吸氣一壓縮氣路，含進氣空濾、節(jié)氣閥4、氣門5、6、8、9、冷卻器71、中冷轉(zhuǎn)換氣閥72等)
[0055](6)膨脹一排氣氣路一壓縮空氣經(jīng)過一級或多級氣缸膨脹后被排向自然界的路徑(圖1中，氣路虛線部分為膨脹一排氣氣路，含氣門12、13、14、15、以及連接各氣門間的管路等);
[0056](7)供油燃燒(熱能供給)系統(tǒng)——提供熱能對高壓空氣進行加熱使其升溫的系統(tǒng)；
[0057](8)氣路控制系統(tǒng)——該多功能氣動機的特定功能對應特定的氣路工作狀態(tài)，氣路控制系統(tǒng)通過對氣門的開閉方式進行操作，以此實現(xiàn)氣動機在各種功能之間的切換、以及實現(xiàn)對多功能氣動機輸入、輸出功率的調(diào)節(jié)；
[0058]2、多功能氣動機各種功能的簡稱定義
[0059]由于該多功能氣動機功能及工作狀態(tài)繁多，為便于描述簡潔、清楚，先對多功能氣動機各種功能簡稱定義如下:
[0060]功能一:消耗熱能，輸出機械能(即純循環(huán)發(fā)動機功能，與氣瓶不發(fā)生空氣交換)
[0061]功能二:消耗機械能，獲得壓縮空氣(即空氣壓縮機功能)，該功能可有如下A、B兩種工作狀態(tài):
[0062]A狀態(tài):曲軸旋轉(zhuǎn)2周完成一個壓縮過程
[0063]B狀態(tài):曲軸旋轉(zhuǎn)I周完成一個壓縮過程
[0064]功能三:消耗壓縮空氣，獲得機械能(即氣動馬達功能)，該功能可有如下C、D兩種工作狀態(tài):
[0065]C狀態(tài):曲軸旋轉(zhuǎn)2周完成一個釋放壓縮空氣膨脹做功過程
[0066]D狀態(tài):曲軸旋轉(zhuǎn)I周完成一個釋放壓縮空氣膨脹做功過程
[0067]功能四:消耗壓縮空氣和熱能，獲得機械能(即消耗熱能的氣動馬達功能)，該功能可有如下E、F兩種工作狀態(tài):
[0068]E狀態(tài):曲軸旋轉(zhuǎn)2周完成一個釋放壓縮空氣并使其吸熱膨脹做功過程
[0069]F狀態(tài):曲軸旋轉(zhuǎn)I周完成一個釋放壓縮空氣并使其吸熱膨脹做功過程
[0070]功能五:發(fā)動機功能與壓縮機功能的過渡狀態(tài)，該功能可有G、H、I三種工作狀態(tài)區(qū)間:
[0071]G狀態(tài):消耗熱能，獲得壓縮空氣和機械能
[0072]H狀態(tài):消耗熱能，獲得壓縮空氣
[0073]I狀態(tài):消耗熱能和機械能，獲得壓縮空氣
[0074]功能六:發(fā)動機功能與消耗熱能的氣動馬達功能的過渡狀態(tài)
[0075]功能七:消耗少量能量空轉(zhuǎn)的功能
[0076]功能八:自動充、放氣功能
[0077]功能九:停機功能
[0078]功能十:停機后再次啟動功能
[0079]功能^^一:隨時起停功能
[0080]功能十二:利用外部氣源充氣功能
[0081]該多功能氣動機可在同一臺機器上全部實現(xiàn)以上功能，也可根據(jù)需要選擇實現(xiàn)其中一部分功能。
[0082]3、多功能氣動機各種功能的實現(xiàn)途徑
[0083]下面，結(jié)合明書附圖中圖1，說明采用二級氣缸、以汽油為燃料的多功能氣動機的各種功能的實現(xiàn)途徑及對應的工作原理。
[0084](一)功能一的實現(xiàn)
[0085]功能一:消耗熱能，輸出機械能的循環(huán)式發(fā)動機功能(與氣瓶不發(fā)生空氣交換)。
[0086]該多功能氣動機按功能一工作時，它通過“吸氣一壓縮一吸熱升溫一膨脹做功一排氣”的往復循環(huán)對外做功，結(jié)合圖1，對功能一各個環(huán)節(jié)的說明如下:
[0087]①、吸氣:
[0088]進氣(空氣過濾)一節(jié)氣閥4 (可選)一低壓活塞在上止點位置，氣門5打開，活塞下行吸入空氣，活塞運行到下止點位置，氣門5關(guān)閉，吸氣完成。
[0089]②、壓縮:
[0090]壓縮過程可細分為“一級壓縮一中冷(可選)一二級吸氣一二級壓縮”幾個環(huán)節(jié):
[0091]一級壓縮:低壓活塞從下止點上行開始壓縮空氣，當缸內(nèi)壓強大于氣門6外的壓強時，氣門6打開,活塞繼續(xù)上行,壓縮空氣從低壓氣缸排出，一級壓縮結(jié)束；
[0092]中冷(可選):經(jīng)過一級壓縮后，氣體溫度升高，此時可視需要對氣體采取中冷、非中冷、或部分中冷措施；若進行中冷，則中冷轉(zhuǎn)換(比例)閥72接通冷卻氣路，關(guān)閉非冷卻旁路，空氣流經(jīng)冷卻器71進行冷卻；若不中冷，氣閥72接通非冷卻旁路，關(guān)閉冷卻氣路，空氣從非冷卻旁路進入下一級壓縮；若部分進行中冷、部分不進行中冷，通過轉(zhuǎn)換(比例)閥72調(diào)節(jié)中冷與非中冷的空氣比例。高、低壓氣缸間的氣路可采取單一冷卻氣路，此時只保留冷卻器71，轉(zhuǎn)換氣閥72與非中冷旁路被取消；也可采取單一非中冷氣路，此時冷卻器71、氣閥72被取消，壓縮氣路的氣門6、氣門8之間用管路聯(lián)通即可。
[0093]二級吸氣:高壓活塞在上止點位置，氣門8打開，活塞下行吸入空氣，活塞運行到下止點位置，氣門8關(guān)閉，二級吸氣結(jié)束；
[0094]二級壓縮:高壓活塞從下止點上行對空氣進行壓縮，當缸內(nèi)壓強大于氣門9外的壓強時，氣門9打開，活塞繼續(xù)上行，高壓空氣被排出氣缸進入高壓氣路，活塞運行到上止點，二級壓縮結(jié)束，氣門9關(guān)閉，壓縮過程結(jié)束。
[0095]③、吸熱升溫
[0096]空氣壓縮完畢后進入吸熱升溫(供油燃燒)過程，這一過程可在缸內(nèi)或缸外進行。
[0097]圖1所示的空氣循環(huán)原理圖中，在壓縮終端的高壓氣路上噴射汽油(噴油點可設在吸氣門12與轉(zhuǎn)換氣閥17之間)，噴油后汽油與空氣混合，吸氣門12打開、活塞下行吸入高壓混合油氣，氣門關(guān)閉，然后火花塞點火爆發(fā)，高壓空氣迅速升溫并進入膨脹過程。
[0098]高壓空氣在從氣門9到從氣門12之間的管路中流通時，可視情況選擇是否通過熱交換器16利用余熱。
[0099]④、膨脹做功
[0100]膨脹做功過程可細分為“一級膨脹做功一一級排氣一中間吸熱(可選)一二級膨脹做功”幾個環(huán)節(jié)，分述如下:
[0101]一級膨脹做功:空氣吸熱后變成高溫高壓空氣，空氣被封閉在一級氣缸中膨脹推動活塞下行，活塞到達下止點時，一級膨脹做功過程結(jié)束。
[0102]一級排氣:一級膨脹過程結(jié)束后，高壓氣缸氣門13打開，活塞上行，將空氣排出高壓氣缸，活塞到達上止點，一級排氣結(jié)束，氣門13關(guān)閉；
[0103]中間吸熱(可選):空氣經(jīng)一級膨脹做功之后，其溫度、壓強均有所降低，氣體進入二級膨脹之前，可視情況選擇中間吸熱，中間吸熱可采用對空氣再次提供燃料，使其在低壓氣缸內(nèi)進行二次燃燒的方式；或采取其它能使空氣獲得熱能的方式。
[0104]二級膨脹做功:低壓活塞在上止點位置時，低壓氣缸氣門14打開，活塞下行吸入一定量空氣，氣門14關(guān)閉，活塞繼續(xù)下行，空氣膨脹做功，活塞到達下止點時，二級膨脹做功過程結(jié)束。
[0105]⑤、排氣
[0106]空氣膨脹做功結(jié)束后,低壓活塞到達下止點，打開低壓氣缸排氣門15,活塞上行排氣；活塞到達上止點時，排氣結(jié)束，完成一個工作循環(huán)。
[0107]該多功能氣動機以功能一工作時，各活塞上下2次完成一個工作循環(huán)，對應氣動機曲軸旋轉(zhuǎn)2周。
[0108](二)功能二的實現(xiàn)
[0109]功能二:消耗機械能獲得壓縮空氣(即空氣壓縮機功能)。
[0110]當該多功能氣動機按功能二工作時，膨脹氣路氣門12、13、14、15始終關(guān)閉，同時供油、燃燒系統(tǒng)也退出工作，只讓壓縮氣路參與工作，這樣，活塞的往復運動只能吸入空氣并進行壓縮，空氣達到壓縮終端后被存入氣瓶。
[0111]該多功能氣動機按功能二工作時，有A、B兩種狀態(tài):[0112]A、控制壓縮氣路氣門5、6、8、9開閉的凸輪組采用與功能一相同的凸輪組，這時，活塞每上下2次(對應曲軸旋轉(zhuǎn)2周)完成一個“吸氣一壓縮”過程，氣動機執(zhí)行該過程的方式與功能一中的壓縮過程相同。按這一狀態(tài)工作時，壓縮過程中活塞的每2次上下運動中只有I次執(zhí)行了 “吸氣一壓縮”工作，相當于氣動機有一半的運轉(zhuǎn)屬于“空轉(zhuǎn)”，“空轉(zhuǎn)”動作對應功能一的“吸氣一壓縮一膨脹一排氣”完整循環(huán)中“膨脹一排氣”的部分。
[0113]B、B狀態(tài)是在A狀態(tài)的基礎上將氣門5、6、8、9的開閉頻率加快I倍，使A狀態(tài)中“空轉(zhuǎn)”的部分變成有效運轉(zhuǎn)，活塞每上下I次(對應曲軸旋轉(zhuǎn)I周)完成一個壓縮過程。氣門開閉頻率的改變通過切換凸輪組實現(xiàn)。
[0114](三)功能三的實現(xiàn)
[0115]功能三:消耗壓縮空氣，獲得機械能(即氣動馬達功能)。
[0116]多功能氣動機按功能三工作時，壓縮氣路上的氣門5、6、8、9關(guān)閉，供油燃燒系統(tǒng)也關(guān)閉，只讓膨脹氣路參與工作，活塞運動時吸入氣瓶儲存的高壓空氣，高壓空氣膨脹做功推動氣動機運轉(zhuǎn)并輸出機械能。
[0117]該多功能氣動機實現(xiàn)功能三時，有如下C、D兩種狀態(tài):
[0118]C、控制膨脹氣路氣門12、13、14、15開閉的凸輪組采用與功能一相同的凸輪組，高壓空氣經(jīng)氣動機膨脹做工的過程與功能一的氣體“膨脹一排氣”過程相同，活塞每上下2次(對應曲軸旋轉(zhuǎn)2周)完成一個吸入高壓空氣并使其膨脹做功的過程。按這一狀態(tài)工作時，膨脹過程中活塞的每2次上下運動中只有I次執(zhí)行了“吸入高壓空氣并膨脹做功一排氣”工作，相當于氣動機有一半的運轉(zhuǎn)屬于“空轉(zhuǎn)”，“空轉(zhuǎn)”動作對應功能一的“吸氣一壓縮一膨脹—排氣”完整循環(huán)中“吸氣一壓縮”的部分。
[0119]D、D狀態(tài)是在C狀態(tài)的基礎上將氣門12、13、14、15的開閉頻率加快I倍，使C狀態(tài)中“空轉(zhuǎn)”的部分變成有效運轉(zhuǎn)，活塞每上下I次(對應曲軸旋轉(zhuǎn)I周)完成一個氣體膨脹做功過程。氣門開閉頻率的改變通過切換凸輪組實現(xiàn)。
[0120](四)功能四的實現(xiàn)
[0121]功能四:消耗壓縮空氣和熱能，獲得機械能(即消耗熱能的氣動馬達功能)。
[0122]功能四與功能三接近，其差別僅是在純氣動馬達的基礎上，增加對高壓空氣提供熱能使其升溫，從而提高空氣做功能力。該多功能氣動機功能四的實現(xiàn)，是將壓縮氣路上的氣門5、6、8、9關(guān)閉，讓膨脹氣路與燃料供給、燃燒系統(tǒng)同時參與工作，這樣，活塞的往復運動吸入氣瓶內(nèi)儲存的高壓空氣，并吸熱升溫，高溫、高壓空氣在氣動機氣缸中膨脹推動活塞做功。
[0123]該多功能氣動機實現(xiàn)功能四時，有如下E、F兩種狀態(tài):
[0124]E、氣瓶提供高壓空氣，氣動機執(zhí)行“吸熱升溫一膨脹做功一排氣”，控制膨脹氣路氣門12、13、14、15開閉的凸輪組采用與功能一相同的凸輪組，活塞每上下2次(對應曲軸旋轉(zhuǎn)2周)完成一次吸入高壓空氣并使其吸熱膨脹做功的過程。本功能相當于將功能一的“吸氣一壓縮一吸熱升溫一膨脹做功一排氣”這一完整的空氣熱動力循環(huán)中“吸氣一壓縮”的部分去掉，改由高壓氣瓶供給壓縮空氣。由于少了 “吸氣一壓縮”的過程，活塞的每2次上下運動中只有I次為有效運動，相當于氣動機有一半的運轉(zhuǎn)為“空轉(zhuǎn)”，“空轉(zhuǎn)”部分與完整的“吸氣一壓縮一吸熱升溫一膨脹做功一排氣”循環(huán)中“吸氣一壓縮”運動相對應。
[0125]F、F狀態(tài)是在E狀態(tài)的基礎上將氣門12、13、14、15的開閉頻率及供油頻率加快I倍，使E狀態(tài)中“空轉(zhuǎn)”的部分變成有效運轉(zhuǎn)，活塞每上下I次(對應曲軸旋轉(zhuǎn)I周)完成一個“氣瓶供給高壓空氣一吸熱升溫一膨脹做功一排氣”的過程。氣門開閉頻率的改變通過切換凸輪組實現(xiàn)。
[0126](五)功能五的實現(xiàn)
[0127]功能五:發(fā)動機功能與壓縮機功能的過渡狀態(tài)
[0128]該多功能氣動機功能五與功能一的運行在氣門開閉方式、供熱方式等方面均相同，功能五的不同之處為:在壓縮終端，壓縮產(chǎn)生的高壓空氣部分被存入氣瓶，因此參與吸熱膨脹做功的空氣量少于壓縮過程的空氣量。
[0129]氣動機以功能五運行時，根據(jù)“存入氣瓶”與“吸熱膨脹做功”的空氣比例不同，其工作狀態(tài)可細分為G、H、I三個區(qū)間:
[0130]G、消耗熱能，獲得壓縮空氣及機械能(此時，氣動機消耗熱能獲得的機械能多于壓縮空氣所需的機械能，因此可在壓縮空氣的同時輸出機械能，偏向于發(fā)動機狀態(tài))；
[0131]H、消耗熱能，獲得壓縮空氣(此時氣動機消耗熱能獲得的機械能與壓縮空氣所需的機械能剛好平衡)；
[0132]1、消耗熱能與機械能，獲得壓縮空氣(此時氣動機消耗熱能獲得的機械能少于壓縮空氣所需的機械能，需要額外的機械能來補充，偏向于壓縮機狀態(tài))。
[0133]實現(xiàn)功能五的要素是:調(diào)節(jié)壓縮終端的高壓空氣“存入氣瓶”與“參與吸熱膨脹做功”這兩者的比例，在圖1所示的原理圖中，壓縮空氣經(jīng)氣門9排出高壓氣缸后，通過改變氣門12開度及打開時間可控制流回氣缸的空氣量，從而實現(xiàn)這一比例的調(diào)節(jié)。
[0134]對于有多組氣缸的情況，可通過改變參與膨脹工作過程的汽缸數(shù)來調(diào)節(jié)空氣“存入氣瓶”與“參與吸熱膨脹做功”的比例。
[0135](六)功能六的實現(xiàn)
[0136]功能六:發(fā)動機功能與消耗熱能的氣動馬達功能的過渡狀態(tài)(即功能一、四的過渡狀態(tài))
[0137]該多功能氣動機功能六與功能一的運行在氣門開閉方式、供熱方式等方面均相同。功能六的不同之處為:在壓縮終端，氣瓶釋放一部分空氣，與新壓縮的空氣一起參與后續(xù)過程，因此參與吸熱膨脹做功的空氣量多于壓縮過程的空氣量。
[0138]實現(xiàn)功能六的要素，是在功能一的基礎上，調(diào)節(jié)“氣動機吸氣量”與“氣瓶釋放空氣量”兩者之間的比例。在附圖1的空氣循環(huán)原理圖中，“氣動機吸氣量”的調(diào)節(jié)可通過改變節(jié)氣閥4的開度、或改變氣門5的開度及開放時間來實現(xiàn)；在壓縮終端，空氣經(jīng)氣門9排出高壓氣缸后，通過改變氣門12開度及打開時間可控制氣缸吸入的空氣量，從而實現(xiàn)這一比例的調(diào)節(jié)。
[0139](七)功能七的實現(xiàn)
[0140]功能七:消耗少量能量空轉(zhuǎn)的功能
[0141]該多功能氣動機消耗少量能量空轉(zhuǎn)的功能，類似于一般內(nèi)燃機的“怠速”或“空轉(zhuǎn)”，此時可讓其運行在功能一、三、四中的某個狀態(tài)，但減少參與工作的空氣量及燃油供給，提供的能量只需能克服摩擦維持其運轉(zhuǎn)即可。
[0142]也可通過消耗少量機械能克服摩擦使氣動機維持空轉(zhuǎn)，此時，其運轉(zhuǎn)過程中不壓縮空氣、不消耗熱能、也不消耗高壓空氣的。氣動機消耗機械能空轉(zhuǎn)的狀態(tài)有多種途徑可實現(xiàn)，例如:在各氣缸的活塞位于上止點處起，將所有氣門全部關(guān)閉(氣動機按這一方式空轉(zhuǎn)時理論上氣缸內(nèi)處于真空狀態(tài))；或者在各個氣缸的氣門中選擇適當?shù)臍忾T處于常開狀態(tài)，剩余氣門處于常閉狀態(tài)，也可實現(xiàn)氣動機的空轉(zhuǎn)(如圖1中，空轉(zhuǎn)時可選擇氣門5、8常開，其余氣門常閉)。
[0143](八)功能八的實現(xiàn)
[0144] 功能八:自動充、放氣功能
[0145]該多功能氣動機的自動充氣功能是建立在功能五的基礎上，該功能的實現(xiàn)是在氣動機的控制程序中設置自動充氣條件，當氣動機不輸出動力或輸出動力的水平較低時，如果氣瓶內(nèi)壓低于設定值，將氣動機運行狀態(tài)切換到功能五對氣瓶進行充氣，氣壓充至設定水平后，充氣停止。自動放氣功能是在氣瓶上設置限壓閥，當氣瓶內(nèi)壓超過限壓閥設定的壓強時，限壓閥自動放氣，保證氣瓶內(nèi)氣壓維持在正常水平。
[0146](九)功能九、功能十的實現(xiàn)
[0147]功能九:停機功能
[0148]功能十:停機后再次啟動功能
[0149]該多功能氣動機需要停機時,停止對氣動機提供能量(包括熱能、壓縮空氣、機械能)，氣動機在摩擦、缸內(nèi)氣壓等作用下減速，就可以實現(xiàn)停機。氣動機長時期停機時，關(guān)閉高壓氣瓶閥門11，以免漏氣影響下一次啟動。
[0150]該多功能氣動機的停機啟動可通過多種方式實現(xiàn)，可利用壓縮空氣啟動，或采用類似一般內(nèi)燃機的外力驅(qū)動(如采用啟動電機驅(qū)動)。
[0151]利用壓縮空氣啟動需要多功能氣動機停機相位固定在一定范圍(可通過停機裝置實現(xiàn))，需啟動時氣瓶向特定氣缸提供高壓空氣使其啟動(與氣動馬達的啟動方式相同)。以圖1為例，停機裝置使氣動機固定停在高壓氣缸的進氣門12的吸氣終止角之后一個較小的角度范圍，需要啟動時，啟動裝置打開氣門12，高壓空氣進入高壓氣缸即可實現(xiàn)啟動。
[0152](十)功能十一的實現(xiàn)
[0153]功能^^一:隨時起停功能
[0154]該多功能氣動機的隨時起停功能建立在功能三(或功能四)、功能九、功能十的基礎上。
[0155]該多功能氣動機的氣動馬達功能具有容易啟動的特點，在特定相位下只需供氣即可運轉(zhuǎn)，即使不采用固定相位停機，需要外力助推啟動，所需的助推力也比較小，利用這個特點多功能氣動機很容易實現(xiàn)隨時起停。
[0156]當多功能氣動機不需要充氣，又不需要輸出動力時，將其切換到氣動馬達狀態(tài)并停止提供高壓空氣；當需要輸出能量時，若氣動機已停止運轉(zhuǎn)，通過功能十使其啟動并對其供氣(或同時供給燃料)，氣動機隨即可輸出動力。隨時起停功能可通過油門控制，當不觸發(fā)油門時，就停止對發(fā)動機提供能量讓其自動減速，當觸發(fā)油門時，就供氣(或同時供油)使其運轉(zhuǎn)。
[0157]^一)功能十二的實現(xiàn)
[0158]功能十二:利用外部氣源充氣功能
[0159]該多功能氣動機利用外部氣源充氣的功能只需在氣瓶上設充氣閥即可實現(xiàn)。[0160](十二)多功能氣動機動力控制的實現(xiàn)
[0161]動力機械的動力(功率)控制總體上是通過兩條基本途徑來實現(xiàn):一是改變扭矩，二是改變轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可通過動力機械自身改變扭矩來實現(xiàn)，也可通過變速機構(gòu)來實現(xiàn)。對氣動機本身而言，動力控制的核心是改變扭矩。本多功能氣動機有多種途徑可實現(xiàn)扭矩的調(diào)節(jié)，這些途徑包括:改變?nèi)剂瞎┙o濃度、配氣調(diào)節(jié)、改變工作模式等。該多功能氣動機實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的各種方法可靈活選擇(組合)。
[0162](I)改變?nèi)剂瞎┙o濃度調(diào)節(jié)扭矩
[0163]該多功能氣動機所有消耗熱能的功能(功能一、四、五、六)均可通過改變?nèi)剂瞎┙o濃度實現(xiàn)對扭矩的調(diào)節(jié)。
[0164](2)通過配氣調(diào)節(jié)功率
[0165]該多功能氣動機可通過配氣調(diào)節(jié)扭矩，功能一?六均可通過這一方式實現(xiàn)對扭矩的調(diào)節(jié)。
[0166]在圖1的氣動循環(huán)原理圖中，配氣調(diào)節(jié)可在兩個節(jié)點進行，一是低壓氣缸的壓縮氣路進氣端，二是高壓氣缸的膨脹氣路進氣端。低壓氣缸進氣端的配氣控制，可通過改變節(jié)氣閥4的開度或改變氣門5的開度及開放時間來實現(xiàn)。高壓氣缸進氣端的配氣控制，通過改變氣門12的開度及開放時間即可實現(xiàn)。
[0167](3)通過改變工作狀態(tài)(功能模式)調(diào)節(jié)扭矩
[0168]該多功能氣動機可通過在各種功能之間切換實現(xiàn)輸入、輸出扭矩的調(diào)節(jié)。(部分功能之間的切換本質(zhì)上屬于前述“配氣調(diào)節(jié)”的范圍)。
[0169]在輸出動力的各種功能中，該多功能氣動機正常運行可獲得的最大扭矩從大到小的關(guān)系如下:
[0170]功能四F狀態(tài)>功能四E狀態(tài)>功能六>功能一>功能五G狀態(tài)
[0171]功能四F狀態(tài)>功能三D狀態(tài)>功能三C狀態(tài)
[0172]在被驅(qū)動(壓縮空氣)的功能中，該多功能氣動機的各功能正常運行可接收的最大扭矩從大到小的關(guān)系為:
[0173]功能二 B狀態(tài) > 功能二 A狀態(tài) > 功能五I狀態(tài)
[0174]功能五H狀態(tài)是該多功能氣動機輸出動力與接收動力的分界點。
[0175](十三)改變氣門開閉操作的實現(xiàn)
[0176]該多功能氣動機的氣門開閉操作可采用“凸輪+頂桿+杠桿機構(gòu)+間隙”的機構(gòu)，或采用頂置氣門操作機構(gòu)。氣動機運行過程中，各功能之間的切換經(jīng)常涉及到氣門開閉操作方式的改變，這些改變主要有三種形式:一是改變開閉頻率，二是改變開度和開放時間(調(diào)節(jié)進氣量)，三是使氣門處于“常閉”或“常開”狀態(tài)。
[0177](I)氣門開閉頻率的改變
[0178]氣動機正常運行過程中，氣門開閉動作由凸輪的轉(zhuǎn)動觸發(fā)，因此，改變氣門開閉頻率可通過增加凸輪類型或改變凸輪軸轉(zhuǎn)速兩種方式來實現(xiàn)。本多功能氣動機的氣門開閉頻率有兩種情況，一種是曲軸旋轉(zhuǎn)2周開閉一次，另種是曲軸旋轉(zhuǎn)I周開閉一次?，F(xiàn)以增加凸輪為例，說明改變氣門開閉頻率的實現(xiàn)方法:
[0179]將曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速比固定為2(即曲軸每轉(zhuǎn)2圈，凸輪軸轉(zhuǎn)I圈)；對應曲軸旋轉(zhuǎn)2周氣門開閉I次的凸輪采用一端凸起的形狀；對應曲軸旋轉(zhuǎn)I周氣門開閉I次的凸輪采用兩端凸起的形狀；兩個凸輪緊貼，并在兩者之間設滑槽，保證氣動機運行中頂桿可通過滑槽在凸輪間來回滑動；當需要改變氣門開閉頻率時，觸發(fā)機構(gòu)推動頂桿或凸輪移動位置，頂桿就通過滑槽在各凸輪之間切換。
[0180](2)氣門開度和開放時間的改變
[0181]氣門開度和開放時間可通過調(diào)節(jié)氣門觸發(fā)機構(gòu)(凸輪+頂桿+杠桿機構(gòu)+間隙)的“間隙”來進行調(diào)節(jié)。
[0182](3)氣門的“常閉”或“常開”
[0183]氣門的“常閉”或“常開”可通過以下方式實現(xiàn):
[0184]方案一:通過加大氣門觸發(fā)機構(gòu)的“間隙”來實現(xiàn)，當凸輪到氣門之間的傳動間隙大于凸輪觸發(fā)的最大位移量時，凸輪推動傳動機構(gòu)的動作就不能傳遞到氣門上，通過這一方式可實現(xiàn)氣門開閉與凸輪運動之間的關(guān)聯(lián)消失，于是氣門可根據(jù)需要通過專門機構(gòu)使其保持“常閉”或“常開”。
[0185]方案二:在觸發(fā)氣門開閉的“凸輪”旁邊增加“圓輪”;各輪之間設滑槽，使頂桿可在各凸輪間來回滑動；當氣門需要常開或常閉時，將頂桿切換到“圓輪”上，這樣，氣動機轉(zhuǎn)動與氣門之間的關(guān)聯(lián)消失，于是氣門可根據(jù)需要通過專門機構(gòu)使其保持“常閉”或“常開”。
[0186](十四)多種形式的燃料、熱能利用及廢氣余熱利用
[0187]前面關(guān)于該多功能氣動機的運行原理中以汽油為例闡述了其氣動循環(huán)及供油燃燒過程。由于該多功能氣動機壓縮終端及各級氣缸之間的膨脹氣路可根據(jù)需要靈活布置，這一特點使得該多功能氣動機可利用多種形式的燃料及熱能，常見的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料它均可使用。它獲得熱能的方式，可采用像傳統(tǒng)內(nèi)燃機在缸內(nèi)燃燒，可采用在中間氣路的恰當部位燃燒，可采用外部燃燒傳熱，可利用尾氣余熱，可采用非燃燒式的熱能——如太陽能
坐寸ο
[0188]當利用煤炭燃燒、太陽能等形式的熱量時，一般采用缸外吸熱的方式，如圖1所示氣路中，吸熱范圍可選擇在高壓氣路氣門12之前的恰當位置。
[0189]當采用柴油作為燃料時，由于柴油不易與空氣形成混合氣，一般采用缸內(nèi)噴油燃燒的方式，此時高壓氣缸需較高的壓縮比保證壓縮終端空氣溫度高于柴油燃點。采用圖2所示的氣路可適用于柴油燃料，其供油及燃燒方式同一般柴油機(即采用缸內(nèi)噴射柴油，通過提高壓縮比保證缸內(nèi)壓縮空氣的溫度高于柴油燃點，使柴油噴射出來立即自發(fā)燃燒)。
[0190]圖2的氣路中，高壓氣缸內(nèi)有燃燒室，其執(zhí)行“吸氣一壓縮一吸熱升溫一膨脹做功—排氣”循環(huán)模式時，壓縮終端高壓空氣不必排出氣缸，直接在缸內(nèi)供油燃燒
[0191]由于該多功能氣動機不同工作模式下高壓氣缸吸入的空氣量有差別，當該多功能氣動機采用圖2保留燃燒室的方式時，高壓氣缸燃燒室需根據(jù)不同使用場合的功能要求采用固定容積或可變?nèi)莘e。對于需要采用變?nèi)莘e燃燒室的情況，可采用“活塞式燃燒室”實現(xiàn)容積的連續(xù)可變；或采用多個燃燒室，需要變?nèi)輹r通過“滑閥”等方式關(guān)閉部分(或全部)燃燒室，實現(xiàn)燃燒室容積的“階梯式”改變。
[0192]該多功能氣動機利用熱能的靈活性使得它可以充分利用一切值得利用的熱能，廢氣余熱利用可輕易實現(xiàn)。附圖中，如果廢氣溫度與氣瓶出口閥門11到低壓氣缸進氣門14之間氣路溫度有足以值得利用的溫差，可以設置熱交換器利用廢氣余熱對高壓空氣進行加熱，從而提高熱能的利用效率。說明書附圖中圖1、圖2示意了可采用的余熱利用方式:圖I中，設置熱交換器16及轉(zhuǎn)換氣閥17，當利用余熱時，轉(zhuǎn)換氣閥17接通余熱利用氣路，關(guān)閉非余熱利用氣路，高壓空氣經(jīng)過熱交換器16吸收余熱；當不利用余熱時，轉(zhuǎn)換氣閥17接通非余熱利用氣路，關(guān)閉余熱利用氣路；氣閥17還可采用比例閥，使部分空氣與廢氣進行熱交換。圖1所示為選擇性利用余熱，若不進行選擇，氣路可得到簡化。圖2示意了在高壓氣缸進氣門12之前的氣路上通過熱交換器利用余熱的情況。
[0193](十五)通過吸氣增壓提高做功能力的實現(xiàn)
[0194]活塞式內(nèi)燃機可通過吸氣增壓的方式增加吸氣量提高其做功能力，目前常用的吸氣增壓方式有機械式增壓和廢氣驅(qū)動渦輪增壓兩大類。當該多功能氣動機可采用與內(nèi)燃機類似的增壓技術(shù)，提高其工作效率。
[0195](十六)多功能氣動機的適用范圍及其形式演變
[0196]該多功能氣動機的用途主要有兩大類:一是作為輸出動力及回收利用機械能的發(fā)動機使用；二是作為提供壓縮空氣的設備使用。實際應用中，根據(jù)使用需求的變化，該多功能氣動機的形式將發(fā)生各種各樣的演變，其演變主要集中在兩方面:
[0197]1、氣缸級數(shù)、個數(shù)的演變
[0198]本說明中以二級氣缸(每級I個)的形式闡述多功能氣動機基本原理，在實際應用中，氣缸級數(shù)一般為I?4級，氣缸個數(shù)變化無常(最少I個，大型機械上可多達數(shù)百個)；壓縮過程的級數(shù)與膨脹過程的級數(shù)可相同、也可能不同。
[0199]2、氣路及儲氣設備的形式演變
[0200]實際應用中根據(jù)不同氣缸級數(shù)、個數(shù)、以及不同的使用需求，多功能氣動機的氣路及儲氣設備的布置形式變化萬千，不能一一列舉。
[0201]本發(fā)明的核心在于對基本氣動過程的新的組合應用，而不涉及具體實施的技術(shù)細節(jié)，諸如不同燃料類型的供給、燃燒、具體配氣方式的實施及優(yōu)化等技術(shù)細節(jié)，不屬于本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及的活塞式多功能氣動機(以下簡稱多功能氣動機)是一種集成了內(nèi)燃機、壓縮機、氣動馬達三種功能或其中任意兩種功能的新型氣動機械。
2.該多功能氣動機不是內(nèi)燃機、壓縮機、氣動馬達三者在外觀上的簡單合并，它區(qū)別于這三種氣動機械的根本特征為:它所集成的各種功能可共用部分或全部氣路、氣缸及活塞組，且它所集成的內(nèi)燃機、壓縮機、氣動馬達功能可單獨運行，或?qū)⑵渲心硟煞N功能同時運行；在外部特征上它區(qū)別于內(nèi)燃機的主要特征是增加了儲存壓縮空氣的設備，區(qū)別于活塞式壓縮機及氣動馬達的主要特征是它的某些功能需要消耗燃料(或熱能)。
3.該多功能氣動機的工作過程由壓縮過程、膨脹過程、熱交換過程(吸熱或放熱)這三種基本過程組成，壓縮過程及膨脹過程可為單級或多級；壓縮過程與膨脹過程的級數(shù)可相同或不同；壓縮過程與膨脹過程可單獨進行，也可對稱交替進行(壓縮量=膨脹量)或非對稱交替進行(壓縮量古膨脹量)；壓縮過程中可根據(jù)需要選擇是否采取中冷措施；膨脹過程中可根據(jù)需要選擇是否對氣體提供熱能；壓縮氣路及膨脹氣路之間任意位置可根據(jù)需要設置儲氣設備。
4.該多功能氣動機的用途主要有兩大類:一是作為輸出動力及回收利用機械能的發(fā)動機使用；二是作為提供壓縮空氣的設備使用。
5.該多功能氣動機可實現(xiàn)以下功能: (1)作為類似于一般活塞式內(nèi)燃機的動力機械工作，此時，該多功能氣動機通過“吸氣—壓縮一吸熱升溫一膨脹做功一排氣”的往復循環(huán)，消耗熱能獲得機械能； (2)作為被外力驅(qū)動的空氣壓縮機工作，此時，該多功能氣動機從自然界吸入空氣，并消耗機械能將空氣壓縮后儲存在儲氣設備中； (3)作為氣動馬達工作，此時，多功能氣動機通過消耗儲氣設備中的壓縮空氣獲得機械倉泛; (4)作為消耗熱能的氣動馬達工作，此時，多功能氣動機的儲氣設備釋放壓縮空氣，并讓壓縮空氣吸熱升溫，高溫高壓空氣膨脹做功，從而對外輸出能量 (5)運行在功能(I)、(2)之間，此時，多功能氣動機從外界吸入空氣并壓縮，空氣到達壓縮終端后，一部分被存入儲氣設備內(nèi)，剩余部分經(jīng)過吸熱升溫、膨脹做功后被排向自然界，排氣完成后重新吸氣，如此往復循環(huán)；本項功能的實質(zhì)是:多功能氣動機通過消耗熱能壓縮空氣并儲存，與此同時，它可減少壓縮空氣的儲存而對外輸出動力，也可接收外界動力而增加壓縮空氣的儲存； (6)運行在功能(1)、(4)之間，此時，多功能氣動機從外界吸入空氣并壓縮，同時，儲氣設備再釋放一部分壓縮空氣與新壓縮的空氣合并，合并后的壓縮空氣經(jīng)吸熱升溫一膨脹做功后被排向自然界，排氣完成后重新進入下一個循環(huán)；本項功能的實質(zhì)是:多功能氣動機在運行功能(I)的同時，又利用儲氣設備中的壓縮空氣增加參與膨脹做功的空氣量(該項功能可使氣動機輸出動力在功能一的基礎上得到加強)； (7)消耗少量能量空轉(zhuǎn)的功能； (8)自動充、放氣功能； (9)停機功能； (10)停機后再次啟動功能； (11)隨時起停功能；(12)利用外部氣源充氣功能； 該多功能氣動機實際應用中確定的功能可為以上(1)~(12)項功能的部分或全部。
6.該多功能氣動機可利用多種形式的熱能，如汽油、柴油、石油液化氣、天燃氣、氫氣、醇類、煤炭等各種燃料燃燒的熱能，以及廢氣余熱、太陽能等。
7.該多功能氣動機可通過吸氣增壓(機械增壓或廢氣渦輪增壓)提高工作效率。
【文檔編號】F02B75/40GK103925081SQ201310016363
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月16日
【發(fā)明者】曾禮 申請人:曾禮