CN102787866A - 一种利用压缩空气为作功能源的透平发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用压缩空气为作功能源的透平发动机，包括气源、控制、作功、润滑系统，以及配气、传动、辅助机构,所述气源系统由空气压缩机和/或压缩空气存储容器提供气源，并通过管道串连构成；所述控制系统，设于气源系统与作功系统之间，包括电子测控装置以及控制阀;所述作功系统包括壳体及其内部设置的至少一组气缸与活塞;所述润滑系包括设于所述气缸的润滑油道、机油泵、机油滤清器以及阀门。该发动以压缩空气为工质，能够创造压缩空气气源压力与作功室未作功空气有绝对压力差的工况环境与条件，在进一步优化作功与传动系统结构的基础上，使压缩空气势能能够高效、充分地转化为透平机械能，进而向外输出机械功。

Description

一种利用压缩空气为作功能源的透平发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其是利用压缩空气作为工作介质的活塞式透平发动机。

背景技术

为了有效应对石化能源耗尽所带来的能源危机，许多国家都在寻求石化能源的替代品，如风能、核能、太阳能以及生物燃料等。然而，不论是不可再生的还是可再生的能源，很大一部分都必须转化为电能加以利用。因此未来能源最主要的形式仍将是电能。

目前世界上电能储存技术大致可分为物理储能和化学储能。其中，物理储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、相变储能等。化学储能包括铅酸电池、锂系电池、液流电池、钠硫电池等。此外，还有电磁储能，如超导储能等。

根据统计数据显示，抽水蓄能在国际储能市场中容量最大，占总装机容量的99%；排名第二的是压缩空气储能，占0.5%；剩下包括各种电池在内的所有其他形式占0.5%

在各种储能技术中，抽水蓄能在规模上最大，达到上千兆瓦，技术也最成熟；压缩空气储能次之，单机规模在百兆瓦级别；化学储能规模较小，单机规模一般在兆瓦级别或更小。

相比抽水蓄能受限于地理条件，空气压缩储能则不然，只要有需要的地方，就可以建造，它在储能时，用电能将空气压缩并存于储气室中；在释能时，高压空气从储气室释放，进入膨胀室做功发电，可利用低谷、弃风、弃水、弃光的电力来储能，在有需要的时候释放出来，完全不受地理条件的限制。

除了将富余的电能储存再利用，实现常规的“削峰平谷”之外，压缩空气储能技术还特别适用于解决风力发电和太阳能发电的随机性、间隙性和波动性等问题，可以实现其发电的平稳输出。

空气动力发动机是将高压空气中存储的能量转化为扭矩形式的机械能输出的装置，不消耗石油等燃料。如：2002年公开的由本发明人发明的专利号为ZL02116274.3的“空气发动装置”，2004年9月出版的《中国机械工程》第15卷第18期报道的“压缩空气动力发动机配气机构的研究”等等。

目前已知的空气动力发动机，都是在局部或关键部件上的开发，至今尚无成套装置的设计和成功的工业化应用范例，同时也存在工作效率低、功率小、工作可靠性差等诸多因技术不成熟造成的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用压缩空气为作功能源的透平发动机。该发动以压缩空气为工质，能够创造压缩空气气源压力与作功室未作功空气有绝对压力差的工况环境与条件，在进一步优化作功与传动系统结构的基础上，使压缩空气势能能够高效、充分地转化为透平机械能，进而向外输出机械功。

为了实现上述目的，本发明提供一种利用压缩空气为作功能源的透平发动机，包括共同依附于同一机体的气源、控制、作功、润滑四个子系统，以及配气、传动、辅助三个子机构；

所述气源系统由空气压缩机和/或压缩空气存储容器提供气源，并通过管道串连构成；

所述控制系统，设于气源系统与作功系统之间，包括电子测控装置以及控制阀，所述电子测控装置对压缩空气的压强和空气质量，进行数据采集、分析与定量，并通过控制阀控制供给作功系统的压缩空气的流量和压强，实现对发动机力矩与运行状态的控制；

所述作功系统包括壳体及其内部设置的至少一组气缸与活塞，所述气缸具有封闭的可变容积，其内部为作功室，顶部设有气缸盖，底部设有曲轴箱；

其中，气缸盖设有进气门、排气门，所述进气门通过进气阀与进气管道相连通，所述排气门通过排气阀与排气管道相连通，所述进气管道与气源系统相连通，所述排气管道的出口与大气相连通；

其中，所述曲轴箱内设置曲轴，所述活塞通过连杆与曲轴传动连接，所述连杆的两端分别与活塞和曲轴相铰接，所述曲轴与发动机的主轴连接；

所述润滑系包括设于所述气缸的润滑油道、机油泵、机油滤清器以及阀门，机油储存于所述曲轴箱底部的油底壳，所述机油泵、机油滤清器和润滑油道相连通形成机油润滑油路，所述阀门设于润滑油路；

所述配气机构包括与曲轴传动连接的凸轮轴，所述进气阀和排气阀在凸轮轴的控制下定时开启和关闭进气门和排气门，使压缩空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程；

所述传动机构包括正时链轮、正时链条和曲轴链轮，所述曲轴链轮设置于曲轴上，所述正时链轮通过正时链条与曲轴链轮连接；所述正时链轮与所述凸轮轴相连；

所述辅助机构包括尾气稳压机构、尾气回收机构、尾气消声机构之一或其组合；

所述作功系统作功室的工作循环：

当活塞运动至上止点时，气缸容积处于最小容积，此时，所述凸轮轴通过进气阀控制进气门开启、排气门关闭，压缩空气直接进入封闭的气缸内，由于缸内与缸外的压差，压缩空气在缸内膨胀、体积增大，同时在其势能极速释放的推力下，推动活塞运动产生下行行程，活塞的下行直线往复运动通过曲柄连杆驱动曲轴作圆周作功运动；

当活塞运动至下止点时，气缸室处于最大体积，此时，所述凸轮轴通过进气阀控制进气门关闭、排气门开启，活塞在惯性作用下向上运动产生上行形成，作功后的压缩空气通过排气门排出，气缸容积再次变为最小值，进入下一循环作功过程，从而向外界不断输出动力。

优选地，所述控制阀与进气门之间的连通管道上设置有热交换装置，用于对通过管道的压缩空气进行温度和压力调节，以提高有效的作功功率。

优选地，所述凸轮轴工作时进气阀开启的进气持续角与排气阀开启的排气持续角为相对无间隙呼应。

优选地，所述凸轮轴位于所述曲轴一侧，两者通过齿轮或皮带传动连接，所述进气阀和排气阀设有控制其启闭的气门挺杆，所述凸轮轴上的凸轮通过横杆与气门挺杆传动连接，从而控制进气阀和排气阀按活塞作功行程依次开启或关闭。

优选地，所述凸轮轴位于所述进气门和排气门顶部，并通过皮带或链条与曲轴传动连接，其上的凸轮直接控制进气阀和排气阀。

优选地，所述凸轮轴位于所述进气门和排气门顶部，并通过皮带或链条与曲轴传动连接，其上的凸轮通过连杆控制进气阀和排气阀。

优选地，所述凸轮轴包括进气凸轮和排气凸轮；所述进气凸轮沿其对称方向形成有凸角以便打开进气阀，排气凸轮沿其对称方向形成有打开部分以便打开排气阀。

优选地，所述压缩空气气源的气体压力大于所述气缸作功室内的新鲜充气压缩到发动装置设定的压缩比所需的压力，其压力与工况环境压力有数量级的压差，且能达到活塞最低气压作功死点。

优选地，所述压缩空气存储容器上设有智能安全阀、人工减压阀、进阀门、排气阀门、法兰盘连接、压力压强仪表接口，以及设置在容器底部的排污阀。

优选地，所述气缸单独成机运行或以小于等于36的2的整倍数成机运行，其排列方式为直列、V型、水平对置或W型。

本发明提供的透平发动机解决了现有热能转化为机械能的石化发动机受能源开采的限制，以及污染环境、成本高、不可循环利用、经济型差等方面的技术缺陷，提供了一套使用自然空气作为基础能源，利用压缩空气作为工质的动力源透平机械功输出机构系统的可行性技术方案和实施例。

通过采用压缩空气为动力源，不采用传统的石化能源，取消了一般发动机的：油气、点火、冷却、喷油、爆炸燃烧等系统，作功时无爆炸燃烧，工作时的噪声和振动低于一般发动机，没有有害尾气排放，其排放的尾气温度20℃≤，结构更为简单，而且有效降低了制造成本与机体重量。

本发明可以设置单缸或多缸并联成机，以对应满足相应功率的动力输出。并可以使压缩空气的作功得到精确控制，极大的提高能量转移、转换过程中的作功功率，较少热量损失和振动噪声僧能量消耗，从而提高整体动力系统的稳定性、可靠性和节能减排性能。

本发明还具有：无限制性启动、动力特性好，转速和压缩比可调，输出扭矩大，通用与经济性好，维修方便、使用寿命长，安全性高，节约能源、保护环境等诸多优点。

作为一种不污染环境的、绿色的、清洁的环保型机械动力装置，适用于：机动车辆、飞行器、舰船与动力发电、工程机械等军、民应用领域。

附图说明

图1为本发明所提供透平发动机的一种具体实施方式的结构示意图，图中发动机处于进气作功行程；

图2为本发明所提供透平发动机的一种具体实施方式的结构示意图，图中发动机处于排气行程；

图3为图1所示透平发动机的工作原理示意图；

图4为本发明所提供透平发动机的气缸头的一种布置示意图；

图5为凸轮轴的结构示意图；

图6为曲轴的结构示意图。

图中：

1.空气压缩机  2.空气存储容器  3.管道  4.控制阀  5.壳体  6.气缸  7.活塞  8.气缸盖  9.进气门  10.排气门  11.进气阀  12.排气阀  13.曲轴  14.连杆  15.凸轮轴  16.热交换装置

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1、图2、图3，图1为本发明所提供透平发动机的一种具体实施方式的结构示意图，图中发动机处于进气作功行程；图2为本发明所提供透平发动机的一种具体实施方式的结构示意图，图中发动机处于排气行程；图3为图1所示透平发动机的工作原理示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，包括共同依附于同一机体的气源、控制、作功、润滑四个子系统，以及配气、传动、辅助三个子机构；

气源系统由空气压缩机1和/或压缩空气存储容器2提供气源，并通过管道3串连构成，压缩空气是指对自然空气进行机械增压后的气体，经过压缩后的自然空气的压缩比能按设计标准达到额定要求。

控制系统设于气源系统与作功系统之间，包括电子测控装置（图中未示出）以及控制阀4，电子测控装置对压缩空气的压强和空气质量，进行数据采集、分析与定量，并通过控制阀4控制供给作功系统的压缩空气的流量和压强，实现对发动机力矩与运行状态的控制。

控制阀4是一个备压式的控制阀，可采用机械配气阀（液压或电磁阀），控制阀4设在压缩空气存储容器2与发动装置之间，是所需压缩空气气源的压力、流量调节器和制动、控制中枢，能够对发动装置的动力性产生重大影响，控制阀内制动间隙扩大→气量增加→运动加速，制动间隙缩小→减少气量→运动减速，制动间隙无限接近零→无气量→运动停止。

作功系统包括壳体5及其内部设置的至少一组气缸6与活塞7，气缸6具有封闭的可变容积，其内部为作功室，顶部设有气缸盖8，底部设有曲轴箱.

为保证作功室内的处于相对密封状态，活塞7与气缸6内的缸套之间不直接接触并处于相当小的间隙或处于接触与非接触的临界状态，从而实现活塞运动作功时与缸套的最小摩擦，以提升作功与升功率。

其中，气缸盖中部设有进气门9、排气门10，进气门9通过进气阀11与进气管道相连通，排气门10通过排气阀12与排气管道相连通，进气管道与气源系统相连通，排气管道的出口与大气相连通。

曲轴箱内设置曲轴13（如图6所示），活塞7通过连杆14与曲轴13传动连接，连杆14的两端分别与活塞7和曲轴13相铰接。

润滑系包括设于气缸的润滑油道、机油泵、机油滤清器以及阀门，机油储存于曲轴箱底部的油底壳，机油泵、机油滤清器和润滑油道相连通形成机油润滑油路，阀门设于润滑油路。

配气机构包括与曲轴13传动连接的凸轮轴15（如图5所示），凸轮轴15上设有进气凸轮和排气凸轮，进气凸轮沿其对称方向形成有凸角以便打开进气阀11，排气凸轮沿其对称方向形成有打开部分以便打开排气阀12，进气阀11和排气阀12在凸轮轴13的控制下定时开启和关闭进气门9和排气门10，使压缩空气进入气缸6，并使废气从气缸6内排出，实现换气过程。

传动机构包括正时链轮、正时链条和曲轴链轮，曲轴链轮设置于曲轴13上，正时链轮通过正时链条与曲轴链轮连接，正时链轮与凸轮轴13相连。

辅助机构包括尾气稳压机构、尾气回收机构、尾气消声机构之一或其组合，回收机构主要作用是将作功后的压缩空气中内含的余压、余温通过压力与热交换装置进行综合回收利用，消声机构主要包括对运行时由于对外作功所产生的噪声进行分贝的降低与消解。

上述作功室内的工作循环：

当活塞7运动至上止点时，气缸6的容积处于最小值，此时，凸轮轴15通过进气阀11控制进气门9开启、排气门10关闭，压缩空气直接进入封闭的气缸6内，由于缸内与缸外的压差，压缩空气在缸内膨胀、体积增大，同时在其势能极速释放的推力下，推动活塞7运动产生下行行程，活塞7的下行直线往复运动通过曲柄连杆驱动曲轴13作圆周作功运动。

当活塞7运动至下止点时，气缸6室处于最大体积，此时，凸轮轴15通过进气阀11控制进气门9关闭、排气门10开启，活塞7在惯性作用下向上运动产生上行行程，作功后的压缩空气通过排气门排出，气缸容积再次变为最小值，进入下一循环作功过程，从而向外界不断输出动力。

上述气缸连接处设置有必要的密封，排气门与排气管连接处和进气管与气管连接处有密封圈密封。

这里要说明的是，压缩空气气源的气体压力应大于气缸作功室内的新鲜充气压缩到发动装置设定的压缩比所需的压力，其压力与工况环境压力有数量级的压差，且能达到活塞最低气压作功死点，进入气缸内的压缩空气的量和流量与转速成正比。

控制阀与进气门之间的连通管道上可设置采用外来能源作功的热交换装置16，用于对通过管道的压缩空气进行温度与压力调节，以提高有效的作功功率。

凸轮轴工作时进气阀开启的进气持续角与排气阀开启的排气持续角为相对无间隙呼应，其具体形式可以有多种，下面仅例举其中的三种：

如图1、图2所示的第一种形式，凸轮轴15位于曲轴13一侧，两者通过齿轮或皮带传动连接，进气阀11和排气阀12设有控制其启闭的气门挺杆，凸轮轴15上的凸轮通过横杆与气门挺杆传动连接，从而控制进气阀11和排气阀12按活塞作功行程依次开启或关闭。

如图3所示的第二种形式，凸轮轴15位于进气门9和排气门10顶部，并通过皮带或链条与曲轴13传动连接，其上的凸轮直接控制进气阀11和排气阀12。

如图4所示的第三种形式，凸轮轴15位于进气门9和排气门10顶部，并通过皮带或链条与曲轴13传动连接，其上的凸轮通过连杆控制进气阀11和排气阀12。

具体地，压缩空气存储容器上可进一步设置智能安全阀、人工减压阀、进阀门、排气阀门、法兰盘连接、压力压强仪表接口，以及设置在容器底部的排污阀。

上述作功室可以为一个或者由多个组成，即气缸单独成机运行或以小于等于36的2的整倍数成机运行，其排列方式为直列、V型、水平对置或W型。

使用多个作功室时，其同心曲轴为通轴。各作功室内活塞行程相等，曲轴通过传动机构向外输出动力源。活塞为圆柱形，顶杆为一端有平面的圆柱体，活塞与活塞缸向铰链，活塞杆的顶端与顶杆的平面相抵。气缸与活塞组成的作功机构在壳体中为一层，气缸数量至少为一个或成对称排布的至少两组，与配气口对应的气缸和活塞的组数、凸轮轴、曲轴等钳口、顶杆数的数量相等。

其工作原理如下：

压缩空气存储容器2与控制阀4相连通，气源通过控制阀4、热交换装置16与进气门9相连通，进气门9与作功室相连，压缩空气通过进气门9进入气缸6，气缸6的排气门通过排气阀12与排气管道相连通，在排气门下方的管道上安装有排气机构，排气机构的出口与大气相连通，作功后的压缩空气经过排气机构后排入大气。

由气源通过管道输入压缩空气至控制阀4，控制阀4通过封闭管道连接至热交换装置16，经热交换装置16作功后的压缩空气直接通过进气门输入气缸6，因其与外界自然空气有绝对压差，压缩空气利用其存储在空气分子间的积聚势能，迅速释放并膨胀推动活塞7，活塞7通过接受压缩空气势能的推力产生上下位移而作直线运动机械功。活塞7又推动连杆14与曲轴13、凸轮轴15产生切线力使曲轴作圆周转动。通过控制进气门9与排气门10的开启与关闭时间，实现对压缩空气进入与排出的控制要求。活塞7与气缸6密切配合膨胀、作功行程受到压缩空气输入空气压强势能的作用，由消耗空气压强势能转变成稳定而持续的动能。如此循环往复交替运行，至曲轴连续作圆周转动，由曲轴输出透平机械功。

一般发动机为四冲程作功，利用由爆炸与燃烧获得的高温、高压气体推动活塞作功，而且能源开采受限，转化率低、高污染、不可再生；本发明采用二冲程作功，以压缩空气作为工质，将进气、压缩、点火爆炸和排气这四个工程形成分别在两个作功机构中进行，由独立的空气压缩机进行对进气空气的采集和压缩作功，实现四冲程的前两个行程；由同轴心、不具有压缩功能的发动装置实现点火爆炸和排气，完成四冲程的后两个作功行程，实现二冲程过程作功，通过压缩空气的分子势能透平推动活塞作功，具有很高的功率密度和扭矩储备，弥补了传统二冲程发动机的缺点。而且作功无爆炸燃烧，物理作功，转化率高，无新生污染源，可再生，能源不受限，可循环利用。

作为本发明的进一步改进，在大功率动力输出的状态下，采用低转速能有更大的扭矩输出，同时，能有效改善因压缩空气压强过高、流速过快引起的作功温度过低的工况，能够提高整体系统性能与可靠性。

作为本发明的进一步改进，配气机构的配气入口的配气口是从安装在发动装置顶部的配气装置由原内燃机的空气进气口通过进气口连接的体盘的连接口对应接直接接入至各缸体内，其结构更为合理和简单。

作为本发明的进一步改进，控制阀的作功机构采用电磁控制与内置凸锥结构相结合的方式，不但能有效降低压缩空气调节通过时晗的变动区间，而且比机械挡板式结构调节气缸内新鲜空气压缩比有着更快、更稳定的负荷响应特性，就使压缩空气能在通过控制阀调节时损功降为最低。并可实现对发动装置停止、启动、怠速、中等负荷、全负荷、加速、减速等七种工况的有效控制、进而实现对发动装置启动、工作、停止的调速要求。

作为本发明的更进一步改进，在凸轮轴上沿同心圆弧线均布有构成配气上下止点的弧形部件。缸体沿其外圆周以经线为轴心均布有气缸，并有对应的进排气口与各气缸相连通。

作为本发明的进一步改进，气缸、缸盖和活塞都采用特殊材料制造，其耐压能力大于现有发动机，而且具有更高的轻度，如此可以在系统本身最高限度地接受高压强的压缩空气直接进入气缸进行作功，尽可能避免因过度减压导致的压缩空气有效能损失。克服和避免了现有气动发动机在减压环节和排气环节中的有效能损失，提高了压缩空气在由分子势能向机械动能转化的能量转换效率。

作为本发明的进一步改进，为解决尾气能量的损失问题，排气系统主要将作功后的压缩空气中内含的余压、余温通过压力与热交换装置进行综合回收利用，使排气压力稳定在于外界气压相等或相近的数值，从而实现压缩空气势能可变的对外作功方式，最大限度地利用了压缩空气中的能量。包括对本发明系统运行时由于对外作功所产生的噪声进行分贝的降低与消解。

上述透平发动机仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

本发明可实现无限制性启动，不采用启动马达，作功时作功运行时不燃烧，是一个吸热作功的过程，保持低温最佳作功运行状态，故不会过度受热，所以不必使用传统发动机的冷却系统。这既满足了金属的温度特性要求的关联最佳优化，而且也取消了常规发动机必须的冷却系统。由于其作功的动力源来自经过过滤和压缩后的自然空气，无何成分变化，故也不必使用传统发动机所需的过滤空气污染物的过滤装置。与现有传统发动机相比，本发明取消了点火系统，供油系统和冷却系统等。

本发明还具有如下特性：结构简单、振动小、体积小、重量轻、安全可靠、使用寿命长、低速扭矩大、响应调速快、节约能源、环保节能、使用维修方便等。

本发明的有益效果如下：

1、为可再生的清洁空气能源的广泛认知与应用提供了原创性技术方案与实例，改变了现有发动机的能源使用方式，为可再生能源的利用开辟了新的领域与途径。

2、在运行过程中使用的是制备简易、非易燃易爆的自然空气，压缩空气具有获取不需支付费用，无限制随时随地获得，可存储，存储密度高，压缩比可调的诸多特有的特性优点。而且压缩空气的制备过程中不产生化学反应，不发生物质成分的改变，无火灾与爆炸危险，其能量的来源属于自然界既有能源的物理性转移，转移过程中的能量以热能和势能的转换形式为主，作功过程无爆炸、燃烧，符合环保要求，运行安全而可靠，较现有的石油、煤炭、电能更具有清洁能源的优势。

3、压缩空气经过了除尘、冷却、净化等工艺流程，在将压缩空气的能量转换成曲轴的动能过程中，没有燃烧和爆炸过程，压缩空气成分本身不参与作功反应，所以作功后排放出的气体与使用前没有根本性变化，也就没有传统发动机的尾气污染；不消耗不可再生的石化能源，回收释放出来的气体可再作循环利用，达到了发动装置尾气排放对环境的零污染。因此即能节省有限的地球资源，又可避免环境的污染。从国家气候分析中心对本发明尾气的成分分析结果来看，本发明还具有净化空气的作用。

4、在尾气的回收与应用上设计有将作为气源进行热交换和为其回收的方案，不仅节省了能源，而且有助于提高本发明的有效转化功率。

5、可以作用常规动力机械的发动装置，还可以用于压缩空气储能系统，用来为电力系统调峰填谷，或与风、光等自然能源电系统配套，解决他们发电的间歇性和频率不稳瓶颈。

6、解决了现有技术存在的技术缺陷，以及发动装置对环境、能源与人类健康相悖的发展问题，减少内燃机对石油燃料和其它燃料的过度依赖和过度消耗，以及因此而造成的过度环境污染。

本发明是一种环保型新能源的开发技术，来源广泛，没有污染，容易开发，设备简单，成本低廉，用途广泛，前景广阔，它将是未来汽车工业、机车车辆工业、飞机工业、甚至轮船工业等领域广泛运用的一项技术。

在全球面临能源与环境危机的今天，采用本发明的技术与原理方案对传统发动机工业的发展具有现实的技术价值、经济价值、环境价值和社会价值和深远的战略意义。

以上对本发明所提供的利用压缩空气为作功能源的透平发动机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，包括共同依附于同一机体的气源、控制、作功、润滑四个子系统，以及配气、传动、辅助三个子机构；

所述气源系统由空气压缩机和/或压缩空气存储容器提供气源，并通过管道串连构成；

所述控制系统，设于气源系统与作功系统之间，包括电子测控装置以及控制阀，所述电子测控装置对压缩空气的压强和空气质量，进行数据采集、分析与定量，并通过控制阀控制供给作功系统的压缩空气的流量和压强，实现对发动机力矩与运行状态的控制；

所述作功系统包括壳体及其内部设置的至少一组气缸与活塞，所述气缸具有封闭的可变容积，其内部为作功室，顶部设有气缸盖，底部设有曲轴箱；

其中，气缸盖设有进气门、排气门，所述进气门通过进气阀与进气管道相连通，所述排气门通过排气阀与排气管道相连通，所述进气管道与气源系统相连通，所述排气管道的出口与大气相连通；

其中，所述曲轴箱内设置曲轴，所述活塞通过连杆与曲轴传动连接，所述连杆的两端分别与活塞和曲轴相铰接，所述曲轴与发动机的主轴连接；

所述润滑系包括设于所述气缸的润滑油道、机油泵、机油滤清器以及阀门，机油储存于所述曲轴箱底部的油底壳，所述机油泵、机油滤清器和润滑油道相连通形成机油润滑油路，所述阀门设于润滑油路；

所述配气机构包括与曲轴传动连接的凸轮轴，所述进气阀和排气阀在凸轮轴的控制下定时开启和关闭进气门和排气门，使压缩空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程；

所述传动机构包括正时链轮、正时链条和曲轴链轮，所述曲轴链轮设置于曲轴上，所述正时链轮通过正时链条与曲轴链轮连接；所述正时链轮与所述凸轮轴相连；

所述辅助机构包括尾气稳压机构、尾气回收机构、尾气消声机构之一或其组合；

所述作功系统作功室的工作循环：

当活塞运动至上止点时，气缸容积处于最小容积，此时，所述凸轮轴通过进气阀控制进气门开启、排气门关闭，压缩空气直接进入封闭的气缸内，由于缸内与缸外的压差，压缩空气在缸内膨胀、体积增大，同时在其势能极速释放的推力下，推动活塞运动产生下行行程，活塞的下行直线往复运动通过曲柄连杆驱动曲轴作圆周作功运动；

当活塞运动至下止点时，气缸室处于最大体积，此时，所述凸轮轴通过进气阀控制进气门关闭、排气门开启，活塞在惯性作用下向上运动产生上行形成，作功后的压缩空气通过排气门排出，气缸容积再次变为最小值，进入下一循环作功过程，从而向外界不断输出动力。

2.根据权利要求1所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述控制阀与进气门之间的连通管道上设置有热交换装置，用于对通过管道的压缩空气进行温度和压力调节，以提高有效的作功功率。

3.根据权利要求1所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述凸轮轴工作时进气阀开启的进气持续角与排气阀开启的排气持续角为相对无间隙呼应。

4.根据权利要求3所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述凸轮轴位于所述曲轴一侧，两者通过齿轮或皮带传动连接，所述进气阀和排气阀设有控制其启闭的气门挺杆，所述凸轮轴上的凸轮通过横杆与气门挺杆传动连接，从而控制进气阀和排气阀按活塞作功行程依次开启或关闭。

5.根据权利要求3所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述凸轮轴位于所述进气门和排气门顶部，并通过皮带或链条与曲轴传动连接，其上的凸轮直接控制进气阀和排气阀。

6.根据权利要求3所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述凸轮轴位于所述进气门和排气门顶部，并通过皮带或链条与曲轴传动连接，其上的凸轮通过连杆控制进气阀和排气阀。

7.根据权利要求3所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述凸轮轴包括进气凸轮和排气凸轮；所述进气凸轮沿其对称方向形成有凸角以便打开进气阀，排气凸轮沿其对称方向形成有打开部分以便打开排气阀。

8.根据权利要求1所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述压缩空气气源的气体压力大于所述气缸作功室内的新鲜充气压缩到发动装置设定的压缩比所需的压力，其压力与工况环境压力有数量级的压差，且能达到活塞最低气压作功死点。

9.根据权利要求1所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述压缩空气存储容器上设有智能安全阀、人工减压阀、进阀门、排气阀门、法兰盘连接、压力压强仪表接口，以及设置在容器底部的排污阀。

10.根据权利要求1所述的利用压缩空气为作功能源的透平发动机，其特征在于，所述气缸单独成机运行或以小于等于36的2的整倍数成机运行，其排列方式为直列、V型、水平对置或W型。

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