分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及的分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由二級(jí)壓縮機(jī)與一級(jí)膨脹燃料氣動(dòng)馬達(dá)組成的活塞式燃油發(fā)動(dòng)機(jī)；該分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣壓縮過程與膨脹過程分由不同氣缸完成，并通過采用二級(jí)壓縮的方式提高壓縮比，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
【專利說明】分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的“分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)”屬于發(fā)動(dòng)機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。
二、【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及的分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī))是一種由二級(jí)壓縮機(jī)與一級(jí)膨脹燃料氣動(dòng)馬達(dá)兩個(gè)主要部分構(gòu)成的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)；該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣壓縮過程與膨脹過程分由不同的氣缸完成，并通過采用二級(jí)壓縮的方式提高壓縮比，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]1、本發(fā)明涉及的二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由壓縮機(jī)與燃料氣動(dòng)馬達(dá)組成的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)；它區(qū)別于傳統(tǒng)活塞式內(nèi)燃機(jī)的核心特征為:空氣壓縮過程與膨脹過程分由不同氣缸完成；空氣壓縮的過程為二級(jí)壓縮，空氣膨脹的過程為一級(jí)膨脹，(不含吸氣增壓及廢氣經(jīng)過渦輪膨脹過程)。
[0004]2、該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可用于大多數(shù)需要將燃料的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的場(chǎng)合，如用于驅(qū)動(dòng)各類車輛、船舶、發(fā)電設(shè)備、壓縮機(jī)、油泵、水泵、及各類工程機(jī)械等。
[0005]3、該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)以下功能:
[0006](I)消耗燃料獲得機(jī)械能；
[0007](2)消耗少量能量空轉(zhuǎn)的功能；
[0008](3)停機(jī)功能；
[0009](4)停機(jī)后再次啟動(dòng)功能；
[0010](5)隨時(shí)起停功能；
[0011]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的功能可為以上(I)?(5)項(xiàng)的部分或全部。
[0012]4、該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料可為汽油、柴油、石油液化氣、天燃?xì)?、氫氣、甲醇等，可采用混合燃料，可利用廢氣余熱。
[0013]5、該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可通過吸氣增壓(機(jī)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】
[0014]圖1所示為該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣循環(huán)原理。圖中各編號(hào)對(duì)應(yīng)的組件名稱如下:
[0015]11——一級(jí)壓縮氣缸及活塞
[0016]12——二級(jí)壓縮氣缸及活塞
[0017]13——節(jié)氣閥(可選)
[0018]14——一級(jí)壓縮吸氣門
[0019]15—一級(jí)壓縮排氣門[0020]16—壓縮級(jí)間冷卻器(可選)
[0021]17——中冷比例閥(可選)
[0022]18——二級(jí)壓縮吸氣門
[0023]19——二級(jí)壓縮排氣門
[0024]21—膨脹氣缸及活塞
[0025]22—膨脹過程吸氣門
[0026]23—膨脹過程排氣門
[0027]24—廢氣余熱利用熱交換器(可選)
[0028]25—余熱利用比例閥(可選)
[0029]31—儲(chǔ)氣設(shè)備(氣瓶)
[0030]32——儲(chǔ)氣冷卻器(可選)
[0031]33——儲(chǔ)氣閥門
[0032]34——充氣閥
[0033]35——限壓閥
[0034]圖1中，編號(hào)11?19屬于壓縮機(jī)組件,編號(hào)21?25屬于燃料氣動(dòng)馬達(dá)組件,編號(hào)31?35屬于儲(chǔ)氣設(shè)備組件。
五、【具體實(shí)施方式】
[0035]1、二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的組成
[0036]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)主要由壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣設(shè)備、燃料氣動(dòng)馬達(dá)等部分組成。
[0037]2、二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)各種功能的簡(jiǎn)稱定義
[0038]為便于描述簡(jiǎn)潔、清楚，先對(duì)二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)各種功能簡(jiǎn)稱定義如下:
[0039]功能一:消耗燃料獲得機(jī)械能的循環(huán)熱機(jī)功能
[0040]功能二:消耗少量能量維持運(yùn)轉(zhuǎn)的功能
[0041]功能三:停機(jī)功能
[0042]功能四:停機(jī)后再次啟動(dòng)功能
[0043]功能五:隨時(shí)起停功能
[0044]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可全部實(shí)現(xiàn)以上功能，也可選擇實(shí)現(xiàn)其中一部分功能。
[0045]3、二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)各種功能的實(shí)現(xiàn)途徑
[0046]下面，結(jié)合圖1，說明以汽油為燃料的二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的各種功能的實(shí)現(xiàn)途徑及對(duì)應(yīng)的工作原理。
[0047](一)功能一的實(shí)現(xiàn)
[0048]功能一:消耗燃料獲得機(jī)械能的循環(huán)熱機(jī)功能
[0049]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)按功能一工作時(shí)，壓縮機(jī)執(zhí)行“從自然界吸入空氣并進(jìn)行壓縮”的任務(wù)，燃料氣動(dòng)馬達(dá)執(zhí)行“使壓縮空氣吸熱膨脹做功，膨脹完畢后將廢氣排回自然界”的任務(wù)。結(jié)合圖1，對(duì)功能一各個(gè)環(huán)節(jié)的說明如下:
[0050]①、吸氣:
[0051]進(jìn)氣(空氣過濾)一節(jié)氣閥13 (可選)一一級(jí)活塞在上止點(diǎn)位置，氣門14打開，活塞下行吸入空氣，活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)位置，氣門14關(guān)閉，吸氣完成。[0052]②、壓縮:
[0053]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過程為二級(jí)壓縮，大、小氣缸分別承擔(dān)一級(jí)、二級(jí)壓縮任務(wù)。壓縮過程可細(xì)分為“一級(jí)壓縮一中冷(可選)一二級(jí)吸氣一二級(jí)壓縮”幾個(gè)環(huán)節(jié):
[0054]一級(jí)壓縮:一級(jí)活塞從下止點(diǎn)上行開始?jí)嚎s空氣，當(dāng)缸內(nèi)壓強(qiáng)大于氣門15外的壓強(qiáng)時(shí)，氣門15打開,活塞繼續(xù)上行,壓縮空氣從一級(jí)氣缸排出，一級(jí)壓縮結(jié)束；
[0055]中冷(可選):經(jīng)過一級(jí)壓縮后，氣體溫度升高，此時(shí)可根據(jù)需要對(duì)氣體采取中冷措施。中冷比例閥17可選擇接通冷卻氣路或非冷卻旁路，或同時(shí)接通冷卻氣路與非冷卻氣路并調(diào)節(jié)中冷與非中冷的空氣流量比例。高、低壓氣缸間的氣路可采取單一冷卻方式，此時(shí)只保留冷卻器16，比例閥17與非中冷旁路被取消；也可采取單一非中冷氣路，此時(shí)冷卻器
16、比例閥17被取消，壓縮氣路的氣門15、氣門18之間用管路聯(lián)通即可。
[0056]二級(jí)吸氣:二級(jí)活塞在上止點(diǎn)位置，氣門18打開，活塞下行吸入空氣，活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)位置，氣門18關(guān)閉，二級(jí)吸氣結(jié)束；
[0057]二級(jí)壓縮:二級(jí)活塞從下止點(diǎn)上行對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，當(dāng)缸內(nèi)壓強(qiáng)大于氣門19外的壓強(qiáng)時(shí)，氣門19打開，活塞繼續(xù)上行，高壓空氣被排出氣缸進(jìn)入高壓氣路，活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)，二級(jí)壓縮結(jié)束，氣門19關(guān)閉，壓縮過程結(jié)束。
[0058]③、吸熱升溫、膨脹做功
[0059]空氣壓縮完畢后進(jìn)入吸熱升溫(供油燃燒)過程。圖1所示的空氣循環(huán)原理圖中，可在膨脹過程吸氣門22前的高壓氣路恰當(dāng)部位噴射汽油，噴油后汽油與空氣混合，吸氣門22打開、活塞下行吸入一定高壓混合油氣，氣門22關(guān)閉，然后火花塞點(diǎn)火爆發(fā)，空氣溫度迅速升高、體積膨脹推動(dòng)活塞下行，活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)，膨脹過程結(jié)束。
[0060]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給方式可采用缸外噴油與空氣混合，或采用缸內(nèi)直噴，或兩種方式并行；在膨脹過程吸氣門22前的高壓管路上，可視情況對(duì)廢氣余熱進(jìn)行(選擇性)利用。
[0061]④、排氣
[0062]空氣膨脹做功結(jié)束后，膨脹氣缸中活塞到達(dá)下止點(diǎn)，打開膨脹氣缸排氣門23，活塞上行排氣；活塞到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，排氣結(jié)束、排氣門23關(guān)閉，完成一個(gè)工作過程。
[0063](二)功能二的實(shí)現(xiàn)
[0064]功能二:消耗少量能量維持運(yùn)轉(zhuǎn)的功能
[0065]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)消耗少量能量維持運(yùn)轉(zhuǎn)的功能，類似于一般內(nèi)燃機(jī)的“怠速”，其運(yùn)行狀態(tài)可與功能一相同，但減少空氣流量及燃油供給，使氣動(dòng)循環(huán)能克服摩擦維持機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)即可。二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)也可在外力驅(qū)動(dòng)下(消耗機(jī)械能)維持運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0066](三)功能三、功能四的實(shí)現(xiàn)
[0067]功能九:停機(jī)功能
[0068]功能十:停機(jī)后再次啟動(dòng)功能
[0069]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)需要停機(jī)時(shí)，停止對(duì)氣動(dòng)機(jī)供給燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)在摩擦等作用下減速，就可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)。長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，關(guān)閉儲(chǔ)氣閥門33，以免漏氣影響下次啟動(dòng)。
[0070]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)啟動(dòng)可通過多種方式實(shí)現(xiàn)，可利用壓縮空氣啟動(dòng)，或采用外力驅(qū)動(dòng)(如通過啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng))。
[0071]當(dāng)利用壓縮空氣啟動(dòng)時(shí)，須使二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)停在膨脹活塞下行過程中的適當(dāng)位置(可通過停機(jī)裝置實(shí)現(xiàn))，這樣需再次啟動(dòng)時(shí)向膨脹氣缸提供高壓空氣即可推動(dòng)活塞下行實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。以圖1為例，通過停機(jī)裝置使氣動(dòng)機(jī)的停機(jī)位置固定在活塞21的上止點(diǎn)之后的恰當(dāng)位置，需要啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)裝置打開氣閥33及氣門22，壓縮空氣流入膨脹氣缸即可推動(dòng)活塞下行實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。
[0072]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)利用壓縮空氣啟動(dòng)時(shí)，須使氣瓶氣壓維持在一定水平。維持氣瓶壓力的途徑為:發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，打開氣閥33，讓壓縮過程產(chǎn)生的高壓空氣充入氣瓶。若特殊情況下氣瓶?jī)?nèi)壓高于設(shè)計(jì)容許值，限壓閥35自動(dòng)放氣降壓；特殊情況下氣瓶?jī)?nèi)壓低于啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)需要的最低壓強(qiáng)時(shí)，可利用外部氣源對(duì)氣瓶進(jìn)行充氣。(該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)氣設(shè)備主要是為了便于發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)而設(shè)置)。
[0073](四)功能五的實(shí)現(xiàn)
[0074]功能五:隨時(shí)起停功能
[0075]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的隨時(shí)起停功能建立在功能三、功能四的基礎(chǔ)上。
[0076]當(dāng)二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)不需要輸出動(dòng)力時(shí)，可停止供油讓其減速停機(jī)；當(dāng)需要它輸出動(dòng)力時(shí)，若發(fā)動(dòng)機(jī)已停止運(yùn)轉(zhuǎn)，通過功能四使其啟動(dòng)(隨時(shí)起?？山Y(jié)合油門和動(dòng)力輸出情況控制，當(dāng)一定時(shí)間范圍內(nèi)沒有動(dòng)力輸出，也沒有觸發(fā)油門的動(dòng)作，就停止對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油，當(dāng)觸發(fā)油門時(shí)，就使其運(yùn)轉(zhuǎn))。
[0077](五)二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力控制的實(shí)現(xiàn)
[0078]發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力(功率)控制總體上是通過兩條基本途徑來實(shí)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(dòng)力機(jī)械自身改變扭矩來實(shí)現(xiàn)，也可通過變速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本身而言，動(dòng)力控制的核心是改變扭矩。本二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩可通過改變?nèi)剂瞎?yīng)量和空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié):當(dāng)需要加強(qiáng)動(dòng)力輸出時(shí)，增加供油量和空氣流量；當(dāng)需要減弱動(dòng)力時(shí)，減少供油量和空氣流量。燃料供應(yīng)量的調(diào)節(jié)通過供油系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。空氣流量的調(diào)節(jié)可在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，一是通過改變節(jié)氣閥13的開度或改變氣門14的開度及開放時(shí)間來調(diào)節(jié)吸氣量；二是通過改變氣門22的開度及開放時(shí)間來調(diào)節(jié)參與膨脹做工過程的空氣流量。(動(dòng)力調(diào)節(jié)也可僅通過改變?nèi)剂瞎?yīng)量來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)不調(diào)節(jié)進(jìn)氣系統(tǒng)，視動(dòng)力需求僅對(duì)供油量進(jìn)行增減)。
[0079](六)多種形式的燃料、熱能利用及廢氣余熱利用
[0080]前面關(guān)于該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理中以汽油為例進(jìn)行說明。由于該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹氣缸前的高壓氣路可根據(jù)需要靈活布置，這一特點(diǎn)使得該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)在缸內(nèi)燃燒(前述說明即為缸內(nèi)燃燒的方式)，可采用在中間氣路的恰當(dāng)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——如太陽能等(當(dāng)利用煤炭燃燒、太陽能等形式的熱量時(shí)，一般采用缸外吸熱的方式，如圖1所示氣路中，吸熱范圍可選擇在氣門22之前的高壓管路的恰當(dāng)位置)。
[0081]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)利用熱能的靈活性使得它可以利用一切值得利用的熱能，廢氣余熱利用可輕易實(shí)現(xiàn)。圖1中，如果廢氣溫度與膨脹氣缸之前的高壓氣路上的溫度有足以值得利用的溫差，可以設(shè)置熱交換器利用廢氣余熱對(duì)高壓空氣進(jìn)行加熱，從而提高熱能的利用效率。圖1示意了通過設(shè)置熱交換器24及余熱利用比例閥25利用余熱的一種方法(余熱利用比例閥25的作用是調(diào)節(jié)利用余熱的氣體工質(zhì)的比例，當(dāng)全部利用余熱時(shí)，圖1中的比例閥25和非余熱利用氣路可取消)。
[0082](七)壓縮機(jī)與燃料氣動(dòng)馬達(dá)的連接及傳動(dòng)關(guān)系
[0083]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)空氣壓縮過程與膨脹過程分由不同氣缸完成，壓縮機(jī)與燃料氣動(dòng)馬達(dá)屬于獨(dú)立的工作分區(qū)，壓縮機(jī)由燃料氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，它們兩者之間可共用機(jī)體和曲軸，也可分開。當(dāng)壓縮機(jī)與燃料氣動(dòng)馬達(dá)的曲軸分開時(shí)，兩者之間通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可帶有變速功能(可讓壓縮機(jī)與燃料氣動(dòng)馬達(dá)以不同速比運(yùn)轉(zhuǎn))。
[0084](八)通過吸氣增壓提高做功能力的實(shí)現(xiàn)
[0085]該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可采用與內(nèi)燃機(jī)類似的吸氣增壓技術(shù)(機(jī)械式增壓或廢氣驅(qū)動(dòng)渦輪增壓)增加吸氣量，以提高氣動(dòng)機(jī)的工作效率。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及的分缸式二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī))是一種由壓縮機(jī)與燃料氣動(dòng)馬達(dá)組成的發(fā)動(dòng)機(jī)；它區(qū)別于傳統(tǒng)活塞式內(nèi)燃機(jī)的核心特征為:空氣壓縮過程與膨脹過程分由不同氣缸完成；空氣壓縮的過程為二級(jí)壓縮，空氣膨脹的過程為一級(jí)膨脹，(不含吸氣增壓及廢氣經(jīng)過渦輪膨脹過程)。
2.該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可用于大多數(shù)需要將燃料的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的場(chǎng)合，如用于驅(qū)動(dòng)各類車輛、船舶、發(fā)電設(shè)備、壓縮機(jī)、油泵、水泵、及各類工程機(jī)械等。
3.該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料可為汽油、柴油、石油液化氣、天燃?xì)?、氫氣、甲醇等，可采用混合燃料，可利用廢氣余熱。
4.該二級(jí)壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)可通過吸氣增壓(機(jī)械增壓或廢氣渦輪增壓)提高工作效率。
【文檔編號(hào)】F02B33/02GK103967587SQ201310033914
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月24日
【發(fā)明者】曾禮 申請(qǐng)人:曾禮