專利名稱：一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，是以高壓空氣作為“燃料”的新型、環(huán)保的發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛不斷增加，傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的污染越來越嚴(yán)重，影響了城鎮(zhèn)居民的身體健康，隨著石化能源的不斷枯竭，越來越多的人開始探尋新能源，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就是在這一潮流下產(chǎn)生的一種新型動(dòng)力機(jī)械，且氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際的使用過程中，排出的廢氣零污染，因而氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的應(yīng)用前景。但就目前國內(nèi)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程來看，大部分的科研院所都是將傳統(tǒng)的柴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改造成空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，試制了樣機(jī)并做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，取得了較為豐富的研究成果。但是所得到的研究成 果，都出現(xiàn)了一個(gè)同樣的問題，那就是空氣壓力能利用效率很低，很難被推廣應(yīng)用于實(shí)際的車輛上。原因當(dāng)然是多方面的，最主要的方面體現(xiàn)在:傳統(tǒng)意義上的發(fā)動(dòng)機(jī)即使被改造之后很難保證空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)所需的氣密性，也就是說漏氣太嚴(yán)重，很難在工作氣缸中快速形成高壓來推動(dòng)活塞做功，導(dǎo)致指示功率低。其次，國內(nèi)大部分的研究都是針對(duì)單級(jí)氣缸來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的，排出的乏氣帶走大部分能量，導(dǎo)致空氣壓力能利用效率低下，此外進(jìn)排氣門不能適時(shí)地進(jìn)行開啟和關(guān)閉，以及在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)基礎(chǔ)上改造，不同缸徑的多級(jí)氣缸氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率不高，耗氣率過高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有機(jī)動(dòng)車輛工業(yè)的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)被大量使用所帶來的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)，以及上述背景所提到的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)改為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)所遇到的一系列問題和不足之處，提供了一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造成電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:有動(dòng)力供給系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)三部分，所述動(dòng)力供給系統(tǒng)是由高壓儲(chǔ)氣罐、一級(jí)熱交換器、容積減壓氣罐、電控流量調(diào)節(jié)閥以及二級(jí)熱交換器依次由管路連接而成；所述能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)安裝在機(jī)體上的兩個(gè)缸徑大小不一樣的工作氣缸以及與工作氣缸活塞連接的連桿機(jī)構(gòu)，工作氣缸之間通過熱交換器連接，所述曲軸連桿機(jī)構(gòu)的連桿一端與工作氣缸的活塞連接，從而將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出動(dòng)力；所述動(dòng)力供給系統(tǒng)中經(jīng)二級(jí)熱交換器后的氣體通入到能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的第二級(jí)工作氣缸的進(jìn)氣口 ；所述電控系統(tǒng)由集成的電控單元E⑶、信號(hào)采集裝置以及執(zhí)行設(shè)備組成，所述的信號(hào)采集裝置用來監(jiān)控高壓儲(chǔ)氣罐中壓力的壓力傳感器、安裝在容積減壓氣罐中的溫度傳感器、安裝在容積減壓氣罐出口處的壓力傳感器、安裝在第二級(jí)熱交換器出口處的溫度壓力傳感器組、安裝在曲軸連桿機(jī)構(gòu)處的曲軸位置傳感器以及安裝在類似與電控發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置的用來調(diào)控噴氣脈寬和噴氣正時(shí)的電阻傳感器，外界可以改變?cè)撾娮鑲鞲衅鞯淖柚祦韺?shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。所述執(zhí)行設(shè)備包含有安裝在高壓儲(chǔ)氣罐與第一熱交換器之間的手動(dòng)控制閥和高速大流量電磁閥、安裝在容積減壓氣罐與二級(jí)熱交換器之間的電控流量調(diào)節(jié)閥、安裝在兩級(jí)工作氣缸之間的大流量電磁閥以及大流量電控排氣閥和起動(dòng)機(jī)，且信號(hào)采集裝置和執(zhí)行設(shè)備同ECU組成完整的電子控制系統(tǒng)，輸入和輸出設(shè)備之間可以實(shí)時(shí)交換信息，使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在不同的工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。所述的工作氣缸為兩級(jí)工作氣缸，其第二級(jí)的氣缸缸徑要比第一級(jí)的氣缸缸徑大，且用來連接兩級(jí)氣缸的管道在結(jié)構(gòu)上增添了第三級(jí)熱交換器。所述的工作氣缸的缸體上分布有散熱片。所述的工作氣缸內(nèi)活塞上端面的形狀可以為有利于增大與外界進(jìn)行熱交換的楔形、波浪形或鋸齒形等任意形狀。
所述的工作氣缸內(nèi)活塞的上端面為鋸齒形上端面。所述經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述曲軸另一端安裝有飛輪，所述飛輪的外輪邊與起動(dòng)機(jī)的齒輪嚙合傳動(dòng)。所述工作氣缸活塞的頂部將不再是一個(gè)平面，而是被設(shè)計(jì)成鋸齒形的上表面，即“鋸齒形”的活塞，目的是為了讓高壓空氣在各級(jí)氣缸中膨脹做功的時(shí)候可以充分地與外界進(jìn)行熱交換，盡可能使氣體等溫膨脹，這樣有助于提高氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外輸出的功率。所述的兩級(jí)工作氣缸中第二級(jí)的氣缸缸徑要比第一級(jí)的氣缸缸徑大。原因是高壓氣體經(jīng)過第一級(jí)氣缸膨脹做功之后，壓力能會(huì)減少，經(jīng)熱交換器進(jìn)入第二級(jí)氣缸的高壓氣體就會(huì)繼續(xù)膨脹做功，要使得氣體的壓力能得到最大限度的釋放，就要求第二級(jí)氣缸的容積或者是缸徑都要比第一級(jí)氣缸大，只有 這樣才能保證廢氣的壓力接近與大氣壓力，從而使得高壓氣體盡可能地在氣缸之中膨脹做功，提高空氣壓力能利用率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
一、獨(dú)具創(chuàng)新的打破傳統(tǒng)思維，將空壓機(jī)改造成較前沿的空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)化了氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更加地簡(jiǎn)單、輕便，使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性變好，指示功率提高。二、由于利用兩級(jí)膨脹做功使得空氣壓力能利用率得到了很大地提高，降低了乏氣所含有的能量，使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性更好了。三、對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電子控制，使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出更加平穩(wěn)，適應(yīng)了不同工況下的性能需求，盡可能地保證了高壓空氣的等溫膨脹特性。


圖1為經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為“鋸齒形”活塞剖面圖。
具體實(shí)施例方式參見附圖，一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力供給系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)三部分，動(dòng)力供給系統(tǒng)是由高壓儲(chǔ)氣罐1、一級(jí)熱交換器4、容積減壓氣罐5以及二級(jí)熱交換器9依次由管路連接而成，能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)有缸徑大小不一樣的兩級(jí)工作氣缸16、24以及與工作氣缸活塞17、25連接的曲軸連桿機(jī)構(gòu)19，電控系統(tǒng)由集成的電控單元E⑶26、信號(hào)采集裝置以及執(zhí)行設(shè)備組成。所述動(dòng)力供給系統(tǒng)中經(jīng)二級(jí)熱交換器9之后的氣體通入到能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的第二級(jí)工作氣缸16的進(jìn)氣口 11。所述的工作氣缸16、24的缸體上分布有散熱片12，所述的曲柄連桿機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)體上的飛輪20，飛輪20上連接有曲軸，曲軸另一端與工作氣缸的活塞連接；工作氣缸內(nèi)活塞上端面的形狀為有利于增大和外界進(jìn)行熱交換的鋸齒形；所述兩級(jí)工作氣缸的第二級(jí)的氣缸16缸徑要比第一級(jí)的氣缸24缸徑大，且用來連接兩級(jí)氣缸的管道在結(jié)構(gòu)上增添了熱交換器13。信號(hào)采集裝置有用來監(jiān)控高壓儲(chǔ)氣罐I中壓力的壓力傳感器28、安裝在容積減壓氣罐5中的溫度傳感器、安裝在容積減壓氣罐5出口處的壓力傳感器7、安裝在第二級(jí)熱交換器9出口處的溫度壓力傳感器組10、安裝在第三級(jí)熱交換器13出口處的溫度壓力傳感器組14、安裝在曲軸連桿機(jī)構(gòu)19處的曲軸位置傳感器22以及安裝在調(diào)速踏板處用用來感知油門開度的電阻傳感器27。所述執(zhí)行設(shè)備包含安裝在高壓儲(chǔ)氣罐I與第一熱交換器4之間的手動(dòng)控制閥2和高速大流量電磁閥3、安裝在容積減壓氣罐5與二級(jí)熱交換器9之間的電控流量調(diào)節(jié)閥8、安裝在兩級(jí)工作氣缸16、24之間的大流量電控閥15以及大流量電控排氣閥18和起動(dòng)機(jī)23，且信號(hào)采集裝置和執(zhí)行設(shè)備同ECU組成完整的電子控制系統(tǒng)，輸入和輸出設(shè)備之間可以實(shí)時(shí)交換信息，達(dá)到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確控制。動(dòng)力源是高壓儲(chǔ)氣罐1，一般的儲(chǔ)氣壓力為50MPa，也可以根據(jù)實(shí)際的需要來定，同時(shí)儲(chǔ)氣罐數(shù)可以一次性選用多個(gè)一起使用，起動(dòng)機(jī)23起動(dòng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速均衡后，高壓空氣就會(huì)不停地向氣缸中噴入，然后膨脹做功，當(dāng)兩級(jí)氣缸都做功完成以后，廢氣將會(huì)被排入空氣中。在此過程中，高壓儲(chǔ)氣罐上的壓力傳感器28是用來監(jiān)控高壓儲(chǔ)氣罐中的壓力狀態(tài)，以便提醒操作人員充氣等。高速大流量電磁閥3和安裝在容積減壓氣罐出口處的壓力傳感器7組成一個(gè)閉環(huán)控制并有ECU來主控，當(dāng)容積減壓氣罐5中的壓力低于預(yù)先設(shè)計(jì)好的閾值時(shí)，高速大流量電磁閥3就會(huì)迅速打開來補(bǔ)充高壓空氣，因而高速大流量電磁閥3始終是出于打開和閉合的交替狀態(tài)來滿足容積減壓氣罐5中壓力的動(dòng)態(tài)恒定。安裝在容積減壓氣罐中的溫度傳感器6是用來監(jiān)測(cè)熱交換器中氣體的溫度，如果溫度過低，可以通過高速大流 量電磁閥3的開啟和閉合來減少流入第一級(jí)熱交換器的高壓氣體，避免管道的霜凍現(xiàn)象出現(xiàn)。電控流量調(diào)節(jié)閥8與安裝在調(diào)速踏板處用來感知油門開度的電阻傳感器27構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制，且也是由E⑶來主控，這是為了使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)不同的工況以不同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而這只需要通過油門的開度就可以實(shí)現(xiàn)。安裝在第二級(jí)熱交換器出口處的溫度壓力傳感器組10和安裝在第三級(jí)熱交換器出口處的溫度壓力傳感器組14都是用來監(jiān)控進(jìn)入到各級(jí)氣缸中高壓空氣的溫度和壓力狀態(tài)，從而讓E⑶計(jì)算出合適的噴氣量，保證了動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性，降低了耗氣率。而對(duì)于各級(jí)氣缸進(jìn)排氣門的開啟和關(guān)閉是由曲軸位置傳感器22提供信號(hào)給ECU來對(duì)其進(jìn)行控制的。這樣氣體首先是在第一級(jí)小缸徑氣缸中膨脹做功，做功之后的乏氣將會(huì)經(jīng)過熱交換器進(jìn)一步膨脹進(jìn)入第二級(jí)大缸徑氣缸中做功，最后才被排入空氣中，提升了對(duì)高壓空氣能的利用率。
權(quán)利要求
1.一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:有動(dòng)力供給系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)三部分，所述動(dòng)力供給系統(tǒng)是由高壓儲(chǔ)氣罐、一級(jí)熱交換器、容積減壓氣罐、電控流量調(diào)節(jié)閥以及二級(jí)熱交換器依次由管路連接而成；所述能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)有安裝在機(jī)體上的兩個(gè)缸徑大小不一樣的工作氣缸以及與工作氣缸活塞連接的連桿機(jī)構(gòu)，工作氣缸之間通過熱交換器連接，所述曲軸連桿機(jī)構(gòu)的連桿一端與工作氣缸的活塞連接，從而將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出動(dòng)力；所述動(dòng)力供給系統(tǒng)中經(jīng)二級(jí)熱交換器之后的氣體通入到能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的第一級(jí)工作氣缸的進(jìn)氣口 ；所述電控系統(tǒng)由電控單元E⑶、信號(hào)采集裝置以及執(zhí)行設(shè)備組成，所述的信號(hào)采集裝置有用來監(jiān)控高壓儲(chǔ)氣罐中壓力的壓力傳感器、安裝在容積減壓氣罐中的溫度傳感器、安裝在容積減壓氣罐出口處的壓力傳感器、安裝在第二級(jí)熱交換器出口處的溫度壓力傳感器組、安裝在第三級(jí)熱交換器出口處的溫度壓力傳感器組、安裝在曲軸連桿機(jī)構(gòu)處的曲軸位置傳感器以及安裝在類似與電控發(fā)動(dòng)機(jī)油門位置的用來調(diào)控噴氣脈寬和噴氣正時(shí)的電阻傳感器，外界可以改變?cè)撾娮鑲鞲衅鞯淖柚祦韺?shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的改變；所述執(zhí)行設(shè)備包含有安裝在高壓儲(chǔ)氣罐與第一熱交換器之間的手動(dòng)控制閥和高速大流量電磁閥、安裝在容積減壓氣罐與二級(jí)熱交換器之間的電控流量調(diào)節(jié)閥、安裝在兩級(jí)工作氣缸之間的大流量電磁閥以及大流量電控排氣閥和起動(dòng)機(jī)，且信號(hào)采集裝置和執(zhí)行設(shè)備同E⑶組成完整的電子控制系統(tǒng)，輸入和輸出設(shè)備之間可以實(shí)時(shí)交換信息，使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)可以在不同的工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述的工作氣缸為兩級(jí)工作氣缸，其第二級(jí)的氣缸缸徑要比第一級(jí)的缸徑大，且用來連接兩級(jí)氣缸的管道在結(jié)構(gòu)上增添了第三級(jí)熱交換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述的工作氣缸的缸體上分布有散熱片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述的活塞的上端面的形狀可以為有利于增大和外界進(jìn)行熱交換的楔形、波浪形或鋸齒形等任意形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4 所述經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述的工作氣缸內(nèi)活塞的上端面為鋸齒形上端面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于:所述曲軸另一端安裝有飛輪，所述飛輪的外輪邊與起動(dòng)機(jī)的齒輪嚙合傳動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種經(jīng)活塞式空壓機(jī)改造的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力供給系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)以及電子控制系統(tǒng)三部分，所述動(dòng)力供給系統(tǒng)是由高壓儲(chǔ)氣罐、手動(dòng)主控閥、高速大流量電磁閥、一級(jí)熱交換器、容積減壓氣罐、電控比例流量調(diào)節(jié)閥、二級(jí)熱交換器、兩級(jí)氣缸之間的大容量電控閥以及三級(jí)熱交換器依次由管路連接而成，所述能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)缸徑大小不一樣的兩級(jí)工作氣缸以及與工作氣缸活塞連接的曲軸連桿機(jī)構(gòu)，所述電控系統(tǒng)由集成的電控單元ECU、信號(hào)采集裝置以及執(zhí)行設(shè)備組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，使得氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣密性變好，指示功率提高，同時(shí)利用兩級(jí)膨脹做功使得空氣壓力能利用率得到了很大提高，降低了乏氣所含有的能量。
文檔編號(hào)F01B23/02GK103233778SQ20131014135
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者宋宇, 蔣峰, 朱德泉, 孫磊, 朱燁, 朱良科, 周漢山, 王延慶, 熊瑋 申請(qǐng)人:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)