CN103089996B

CN103089996B - 用于空气动力发动机的活塞组件

Info

Publication number: CN103089996B
Application number: CN201110339286.2A
Authority: CN
Inventors: 周登荣; 周剑
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: CN103089996A

Abstract

本发明涉及一种发动机用的装置，具体而言，涉及一种用于空气动力发动机的活塞组件，其包括活塞(51)、组合活塞气环和活塞油环(53)，活塞油环（53）包括第一活塞油环和第二活塞油环；所述活塞(51)上开设有第一气门凹槽(504)、第二气门凹槽(505)和第三气门凹槽(506)以及第一油门凹槽(507)和第二油门凹槽(508)；所述第一气门凹槽(504)内装配有第一道组合活塞气环，所述第二气门凹槽(505)内装配有第二道组合活塞气环，所述第三气门凹槽(506)内装配有第三道组合活塞气环；所述第一和第二油门凹槽(507,508)内分别装配有第一和第二活塞油环。

Description

用于空气动力发动机的活塞组件

技术领域

本发明涉及一种发动机用的装置，具体而言，涉及一种用于空气动力发动机的活塞组件。

背景技术

发动机被广泛应用于各行各业中，在现代交通运输工具比如汽车、轮船等中，一般采用以燃油作为动力源的活塞式内燃发动机。这种采用燃油作为动力源的发动机一方面因燃油燃烧不充分，使得排出的气体中含有大量的有害物质而污染环境，另一方面因使用的燃油是从石油中提炼而获得，石油资源的日益紧缺使得燃油发动机的发展和利用受到越来越多的限制。因此开发新的、洁净的、无污染的替代能源，或者尽可能地减少燃油消耗、降低排放成为发动机发展中急需解决的问题。为此，各国经历了复杂而艰辛的探索之路，研究和开发了多种动力源，比如代用燃料、电动驱动、燃料电池和太阳能电池等。

代用燃料汽车，如天然气(CNG、LNG)汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料燃烧控制困难，因而在实际使用中依然存在诸多困难和挑战。

电动汽车行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高，但电池驱动的电动汽车受制于车载电池，在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性方面一时难以达到实用的程度，同时，电池本身存在严重的二次污染。混合动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放和污染问题，并且由于两套动力装置的存在，其驱动和控制系统变得异常复杂，从而阻碍了实际应用和发展。

燃料电池被人们寄予厚望，可实现动力输出的零排放，能量转换率高，但燃料电池的制造成本高，氢气的安全存储、制备和灌装都有许多问题，这就大大制约了这种动力源的发展和使用。太阳能电池仍需减少电池体积和提高光电转换效率，因而具体应用到交通运输工具上仍需取得突破性进展。

综上所述，上述的各种新的动力源或它们构成的混合动力源均存在不足之处，因而，迫切需要一种没有污染、用之不竭的新型能源，压缩空气动力源正好满足了这种要求。

最早研究压缩空气动力发动机的为法国MDI公司的设计师GuyNegre，它提出了压缩空气发动机的概念，试图解决“零排放”与可循环能源的利用问题，从此揭开了发动机研究的新篇章，并于2002年推出了第一款纯空气动力的经济型家用桥车。压缩空气压缩机使用高压压缩空气作为动力源，空气作为介质，在压缩空气发动机工作时，将压缩空气存储的压力能转换为其他形式的机械能。关于压缩空气发动机的研究可见FR2731472A1、US6311486B1、US20070101712A1等。

FR2731472A1公开了一种可在燃料供应和压缩空气供应两种模式下工作的发动机，在高速公路上采用普通燃料如汽油或柴油，在低速特别是市区和市郊，将压缩空气(或其他任何非污染的压缩气体)注入燃烧室。这种发动机虽然部分地降低了燃料消耗，由于仍然采用了燃油工作模式，排放问题依然未能解决。

为了进一步减轻污染，US6311486B1公开了一种纯空气动力发动机，这种类型的发动机采用了三个独立的室：吸气-压缩室、膨胀排气室和恒定容积燃烧室，并且吸气-压缩室通过阀连接到恒定容积燃烧室，恒定容积燃烧室通过阀连接到膨胀排气室。这种发动机的问题之一是压缩气体从吸气-压缩室到膨胀排气室经历的时间较长，获得驱动活塞做功的动力源气体时间较长，同时，从膨胀排气室排出的高压气体未能得到使用，这就限制了这类发动机的工作效率及单次充气持续工作时间。

国内一些研究人员和单位也对压缩空气发动机进行了研究，但绝大多数集中在压缩空气动力发动机的可行性及工作原理上，比如许宏等(“压缩空气动力汽车的可行性研究”，《中国机械工程》第13卷第17期第1512-1515页，2002年9月)。国内一些专利文献比如CN1851260A、CN100560946C、CN101705841A虽也对压缩空气发动机进行了研究，但多属于理论研究和概念设计，均未能解决压缩空气的排放(通常具有较高的压力，比如30bar左右)以及高压压缩空气的控制和分配问题，离压缩空气发动机的产品化过程还有很长的路要走。

本申请的申请人在其专利文献CN101413403A(其同族国际申请为WO2010051668A1)中公开一种可用于交通运输工具的空气动力发动机总成，该发动机包括储气罐、空气分配器、发动机本体、联动器、离合器、自动变速器、差速器以及置于排气室内的叶轮发电机。这种发动机利用压缩空气做功而不使用任何燃料，因此没有废气排放，实现了“零排放”，并且重复利用废气进行发电，节省了能源，降低了成本。但这种发动机是基于传统的四冲程发动机，曲轴每旋转720度，活塞做功一次。而作为动力源的高压空气可以在进入气缸内时即可推动活塞做功，而后排放，即压缩空气发动机的冲程实际为进气-膨胀冲程和排放冲程。显然，专利文献CN101413403A所公开的这种四冲程压缩空气发动机大大浪费了有效的做功冲程，限制了发动机的效率。并且这种发动机的尾气未能很好地循环利用起来，需要足够大的储气罐储备高压空气才能工作足够长的时间，这就降低了压缩空气发动机在工业上的应用前景。

传统发动机使用的活塞，例如中国专利文献98233062.6，活塞和活塞气环槽均为一槽一环式结构，即活塞头部具有2-3道气环凹槽和一道油环凹槽，每个气环凹槽中都装配有一个活塞气环，油环凹槽中装配有活塞油环组件，由于活塞气环、油环凹槽都有开口，密封不严而漏气、漏油，尤其是活塞气环和油环接头处的间隙加大，漏气、漏油更为严重，从而降低了发动机的动力，同时对发动机有极大损害，降低发动机的使用寿命。也有采用双槽双环结构的，例如中国专利文献98228603.1、01239995.7，但都是针对活塞气环采用双槽双环，不能从根本上解决密封不严而漏气、漏油的问题。

本发明旨在针对现有技术的不足，提供一种尤其适于空气动力发动机使用的活塞组件，该活塞组件采用三道气环凹槽和两道油环凹槽，并在每一道气环凹槽中采用两道气环，从而从根本上解决密封不严而漏气、漏油的问题。

发明内容

相当于本发明原始要求范围内的某些实施例作如下概括。这些实施例并非限制所请求保护的发明范围，而是试图提供本发明的多种可能形式的简要概括。实际上，本发明可包括类似于或不同于下面提出的实施例的不同形式。

根据本发明的一个方面，提供一种用于空气动力发动机的活塞组件，其包括：活塞、组合活塞气环和活塞油环，所述活塞油环包括第一活塞油环和第二活塞油环；所述活塞包括活塞顶部和活塞柱面，所述活塞顶部上开设有活塞气门让坑；其中。所述活塞柱面上开设有第一气门凹槽、第二气门凹槽和第三气门凹槽以及第一油门凹槽和第二油门凹槽；所述第一气门凹槽内装配有第一道组合活塞气环，所述第二气门凹槽内装配有第二道组合活塞气环，所述第三气门凹槽内装配有第三道组合活塞气环；所述第一和第二油门凹槽内分别装配有第一和第二活塞油环。在本发明的第一方面中，由于采用了三道组合活塞气环和两道活塞油环，可以更加有效地防止气缸内的高压压缩空气向下流动，同时防止因活塞气环的磨损而产生的漏气和颤动的问题，从而对活塞进行可靠有效地密封。两道活塞油环的采用可以实现活塞的双重刮油，可以保证活塞可靠地对润滑油进行密封。

根据本发明的第二方面，所述的第一、第二、第三道组合活塞气环均由两个活塞气环彼此叠置而成，并且活塞气环的开口成180度交叉配置。两个活塞气环的开口错开，这样可以更好地阻止气体下流，总共六个活塞气环就可以更加有效的阻止气体向下流动，从而起到多重阻止作用。

根据本发明的第三方面，所述活塞组件的活塞气环具有大约3.5mm的厚度、大约4mm的高度。

根据本发明的第四方面，所述活塞组件的活塞气环由四氟乙烯材料制成。为了提高活塞的连续工作时间，本发明的活塞气环和活塞油环均采用了新型的高强度、耐磨材料四氟乙烯。经过本发明的实验验证，采用四氟乙烯制成的活塞气环，可以连续工作5万小时以上。本发明的活塞采用镍合金制成。

根据本发明的第五方面，所述活塞组件的述活塞气环的外圆周喷设有钼层，或者镀设有铬层。钼层和铬层均可以增加活塞气环的耐磨性。

根据本发明的第六方面，所述活塞组件的活塞气环具有长方形、等边梯形、不等边梯形以及多边形的截面形状。

根据本发明的第七方面，所述活塞组件的活塞气环具有缺角的等边梯形、不等边梯形以及多边形的截面形状，以在活塞气环彼此叠置形成组合活塞气环时形成环形自调节间隙，以在活塞气环磨损时更好地密封活塞。

根据本发明的第八方面，所述活塞组件的活塞气环具有阶梯形开口。阶梯形开口的存在一方面便于活塞气环的安装，另一方面便于密闭活塞。

根据本发明的第九方面，所述活塞组件的活塞气环具有三角形、方形、凸台和凹口对应形状的开口。

根据本发明的第十方面，所述活塞组件的第二道组合活塞气环相对于第一道组合活塞气环成顺时针或逆时针60度交叉配置，第三道组合活塞气环相对于第二道组合活塞气环成顺时针或逆时针60度交叉配置，即第三道组合活塞气环相对于第一道组合活塞气环成顺时针或逆时针120度交叉配置，如此一来，从活塞顶部俯视方向看，六道活塞气环的开口成60度均匀地分布在活塞柱面四周。如此一来，从活塞顶部俯视方向看，六道活塞气环的开口成60度均匀地分布在活塞柱面四周，这样就可有效地防止活塞气环因磨损引起的漏气问题，并能保证各个气环得到均匀的磨损，从而延长活塞气环的使用寿命。

根据本发明的第十一方面，所述活塞组件的第二活塞油环的缝隙相对于第一活塞油环的缝隙成180度交叉配置。这样，可有效地防止活塞油环因磨损引起的漏油问题，并能保证各个油环得到均匀的磨损，从而延长活塞油环的使用寿命。

根据本发明的第十二方面，所述活塞组件的活塞油环具有大约3mm的厚度、大约34mm的高度。

根据本发明的第十三方面，所述活塞组件的活塞油环由四氟乙烯材料制成。四氟乙烯是超高强塑料，不仅耐磨而且重量轻，因此可以提高活塞油环的密封性并减轻整个活塞的质量，从而减少不必要的功率损失。

根据本发明的第十四方面，所述活塞组件的活塞油环的外圆周喷设有钼层，或者镀设有铬层。这样一来，进一步提高了活塞油环的耐磨性。

根据本发明的第十五方面，所述活塞组件的活塞油环具有三角形、梯形、方形的缝隙。

根据本发明的第十六方面，所述空气动力发动机包括：发动机本体，其包括气缸、缸盖系统、进气管路、排气管路、活塞、连杆、曲轴、排气凸轮轴、进气凸轮轴；所述排气凸轮轴设定在发动机本体的缸盖系统内；高压气罐组，其通过管路与外接加气装置连通；恒压罐，其通过管路与高压气罐组连通；控制器系统，其接收来自恒压罐的压缩空气，并将压缩空气分配给发动机本体的膨胀排气室，所述进气凸轮轴设定在控制器系统内；所述齿轮箱系统包括前齿轮箱系统和后齿轮箱。本发明设计的活塞组件，尤其适用于空气动力发动机。

附图说明

现在将描述根据本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的空气动力发动机总成的总体示意图；

图2是图1中的空气动力发动机总成的发动机本体的正视图；

图3是图1中的空气动力发动机总成的发动机本体的右侧侧视图；

图4是图1中的空气动力发动机总成的发动机本体的左侧侧视图；

图5是图1中的空气动力发动机总成的发动机本体的俯视图；

图6是图1中的空气动力发动机总成的发动机本体的曲轴-连杆-活塞系统总成，其中，示出了其中一个活塞-连杆单元与缸体的连接；

图7是图6中的曲轴-连杆-活塞系统总成的曲轴单元结构示意图；

图8是图2中的发动机本体的凸轮轴结构示意图；

图9A为图1中的二冲程发动机总成的控制器系统的立体透视图；

图9B为控制器系统的纵向横截面视图；

图9C为控制器系统的横向横截面侧视图；

图10A为图1中的二冲程发动机总成的前齿轮箱系统的立体透视图；

图10B为图10A的左侧侧视图；

图10C为图10A的右侧局部剖视的侧视图；

图11A为图1中的二冲程发动机总成的多柱体动力分配器的立体透视图；

图11B为图11A的沿纵向轴线剖视的横截面视图；

图11C为图11A的左侧侧视图；

图11D为图11A的俯视图；

图12A为压缩空气动力发动机的P-V图，其示出了串联分级的压缩空气动力分配形式；

图12B为压缩空气动力发动机的P-V图，其示出了并联形式的压缩空气动力分配形式；

图13A为图6中的活塞的立体示意图；

图13B为图13A的活塞未装配活塞气环和活塞油环时的正视图；

图13C为图13A的活塞转配活塞气环和活塞油环之后的横截面视图；

图13D为图6中的活塞气环的透视图；以及

图13E为图6中的活塞油环的透视图。

部件列表

参考数字	部件
		1	发动机本体
2	多柱体动力分配器
		3	离合器
4	动力装置
		5	离合器
6	控制器系统
		7	空气压缩机
8	管路
		9	尾气回收罐
10	管路
		11	冷凝器
12	管路
		13	高压气罐组
14	压缩空气入口管路
		15	管路
16	恒压罐
		17	管路
18	管路
		19	电动涡轮单向抽气机
20	管路
		21	单向阀
22	尾气消声器
		701	减压阀
702	限压阀
		703	顺序阀
704	管路
		705	管路
23	进气控制调速阀
		24	速度传感器
242	门油电位计
		25	电磁脉冲信号
26	控制信号
		27	排气管路
272	排气孔
		28	排气集气管

29	ECU
		31	齿圈
32	飞轮
		33	后齿轮箱
34	皮带轮
		35	凸轮轴传动皮带
36	缸盖系统
		39	启动器
391	发电机
		40	气缸
42	进气管路、气门喉管
		402	气喉孔
43	前齿轮箱系统
		44	气缸体油底壳
45	机油滤芯器
		51	活塞
52	活塞气环
		53	活塞油环
54	连杆
		55	活塞销
56	曲轴
		57	连杆轴瓦
58	连杆盖
		59	活塞卡环
60	连杆连接螺栓孔
		61	曲轴正时斜齿轮
62	排气阀
		63	膨胀排气室
71	单元曲拐
		71a	第一单元曲拐
71b	第二单元曲拐
		71c	第三单元曲拐
71d	第四单元曲拐
		71e	第五单元曲拐
71f	第六单元曲拐
		72	飞轮连接螺栓
73	机油润滑油孔
		74	平衡配重孔
75	曲轴后端
		76	曲柄销
77	平衡重
		78	主轴颈
79	齿轮连接螺栓
		800	排气凸轮轴
80	曲轴前端
		81	单元凸轮
81a	第一单元凸轮
		81b	第二单元凸轮
81c	第三单元凸轮

81d	第四单元凸轮
		81e	第五单元凸轮
81f	第六单元凸轮
		82	凸轮
83	链轮
		91	高压共轨恒压管
92	控制器气门
		93	控制器气门套座
94	控制器气门弹簧
		95	控制器气门弹簧下座
96	控制器气门锁夹片
		97	控制器下座
98	控制器中座
		99	油封衬套
100	高压共轨恒压管端盖
		104	气门柱套
105	端盖连接螺栓
		106	端盖
107	上盖与中座连接螺栓
		108	控制器上盖
109	中座与下座连接螺栓
		110	中座与下座连接螺母
111	上盖连接孔
		112	支进气管路
113	进气凸轮轴安装孔
		114	控制器挺柱安装孔
115	控制器挺柱
		116	油封衬套孔
117	控制器气门孔
		118	气喉孔连接管路
119	控制器气门弹簧孔
		120	控制器气门座套孔
200	进气凸轮轴
		302	进气凸轮轴齿轮
303	过桥齿轮
		304	油孔
305	焊接柱
		306	排气凸轮轴齿轮
307	曲轴齿轮
		308	传动齿轮
309	螺钉连接孔
		310	螺钉孔
311	螺栓连接孔
		312	吊环座
313	多边形盖
		401	行星齿轮
4021	平键
		403	行星齿轮销
404	轴承圆柱

405	太阳轮
		406	太阳轮齿轮销
407	内齿圈
		601	一级
602	二级
		603	三级
604	四级
		605	五级
502	活塞柱面
		503	活塞顶部
504	第一气环凹槽
		505	第二气环凹槽
506	第三气环凹槽
		507	第一油环凹槽
508	第二油环凹槽
		511	活塞销座孔
512	活塞气门让坑
		521	开口
531	缝隙

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

在详细描述本发明的具体实施方式之前，先就压缩空气发动机的能量进行理论分析。

压缩空气发动机的做功过程比较简单，只有压缩空气膨胀做功的过程。如图12A所示，图1-5为压缩空气等温膨胀过程，1-6为压缩空气绝热膨胀过程。压缩空气在发动机内做功不可能是完全的等温过程，通常介于等温过程和绝热过程之间，为了提高压缩空气的能量利用率可以采用多级绝热过程来近似等温过程，或者采用多级等容吸热过程来近似等温过程。图12A中示出了压缩空气的两级膨胀做功过程1-2-3-4，1-2和3-4分别是在第一个气缸和第二个气缸内完成。工质经过第一级的绝热膨胀做功后，再经过一次热交换器进行等压吸热2-3，回到初始温度后，再进入第二缸膨胀做功。从理论上讲，将发动机的做功过程可以近似地看作是等温膨胀过程，那么曲线1-5与坐标值V₁、V₂间所包含的面积表示压缩空气存储的能量释放所能转变的气体膨胀功。而在图12B中，图中曲线1、2分别表示压缩空气的等温、绝热膨胀过程，实际的减压膨胀过程介于曲线1、2之间。图中A为起始点，B、C、D、E为相应的分级压力控制时的压力分级点，在这些点处有等容吸热过程，如BC和DE等。理论上讲，曲线1与坐标值V₁、V₂间所包含的面积表示压缩空气存储的能量释放所能转变的气体膨胀功。

假定高压气罐的充气压力为p₁，储气体积为V₁的理想气体在完全等温膨胀到常压p₂时所能做的全部膨胀功为：

W = {&Integral;}_{(p_{1}, V_{1})}^{(p_{1}, V_{1})} pdV - - - (1),

p₁V₁＝p₂V₂ (2)

式中，(p₁，V₁)和(p₂，V₂)为相应的起始、终了状态，绝热膨胀后的终了状态为(p₂，V′₂)。

选取法国MDI公司发动机的参数为起始储气压力p₁=30MPa，储气体积V₁＝300L，终了室温状态下的压力p₂＝0.1MPa,由式(1)、式(2)可计算出起始、终了状态间的完全等温膨胀的全部膨胀功W=51.334MJ。

假定压缩空气动力发动机的工作温度为300K，可获得300L、300MPa气压下的压缩空气的质量为104.553千克，假设储气罐的质量为100千克，则对应的比能量约为75W-h/kg。相比较车载电池，例如铅酸电池和镍镉电池而言，压缩空气的比能量要高，并且大体上等于镍氢电池，具有较好的发展前景。随着高压储气罐的大容量、大压力和轻质量的发展，压缩空气的比能量还有大幅度地提高，甚至可以接近钠硫电池和锂聚合物电池。

压缩空气在发动机内有两种做功形式，即等温膨胀过程和绝热膨胀过程，下面以具体参数计算说明两者的特点。

选取初始状态1(30MPa,300K)，终了状态2(0.1MPa,300K)，求单位质量压缩空气分别在等温过程和绝热过程所作的膨胀功。等温膨胀过程单位质量气体所作的功为W＝491kJ/kg，绝热膨胀过程单位质量压缩空气所做的功为w′＝242.3kJ/kg。由理论计算可知，等温过程的膨胀功几乎是绝热膨胀过程的2倍，因此等温膨胀的能量利用率高于绝热膨胀，理论上采用等温膨胀做功是理想的。但是，“等温”在发动机气缸内是很难实现的，必须有一个二次热流导入发动机机壁以保持足够的热量。这就增加了技术难度，使发动机结构异常复杂。下面进一步从压缩空气的能量利用角度对压缩空气发动机的两种动力分配模式进行讨论。

在并联方式下，将等量的压缩气体同时输入到各个气缸膨胀做功。设初始状态1(30MPa,300K)，终了状态2(0.1MPa,300K)，压缩空气在气缸内进行等温膨胀，等温近似率η＝80％，气缸数为4缸，进入发动机的压缩空气为单位质量1千克，4缸气体所做的总技术功为

{ΣW}_{πK} = 4 \times \frac{W}{4} η = 392.8 kJ / kg, V_{2} = (\frac{p_{1}}{p_{2}}) V_{1} = 300 V_{1} .

可见，虽然等温膨胀过程是理想的做功过程，但膨胀后的气体体积是膨胀前的300倍。这就需要做功的气缸必须具有很大的容积。如果采用现有发动机的气缸作为等温膨胀后的气缸，选择压缩比为10，则

p_{2} = p_{1} (\frac{V_{1}}{V_{2}}) = 3 MPa,

W=1983kJ/kg。显然，技术功大大减少，不仅不如绝热膨胀所做的技术功，而且剩余压力很高，能量没有充分利用。不过并联方式的优点在于各缸结构尺寸相同，布置简单，动力输出平稳。考虑到目前的技术，气缸不可能保持完全等温，且气缸的压缩比不能做得过大，压缩气体在膨胀做功后的排出压力较高，仍旧可以用来继续做功，因此采用多级绝热过程或者闭环回收尾气的能量，是目前较为实用、有效的方式。

在串联方式下，将压缩空气在各个气缸内依次绝热膨胀做功，前一级气缸的排出气体为下一缸的初始压力。经过理论计算分析可知：串联分级越多，即使用的串联缸数越多，单位质量的压缩空气所做的功越多，能量利用率越高，一般串联四级，即可实现完全等温膨胀做功的80%；同等级别的串联中，中间状态的压力取值不同，对总的技术功差别不大。串联气缸的最大问题在于后一级气缸的容积均要大于前一级的气缸容积，并且各级气缸之间均要加载热交换器以便等压吸热。如此一来，对发动机的尺寸要求越来越大，会严重影响使用压缩空气发动机的设备的整体布局。

由上分析可见，压缩空气发动机不同于传统的燃油发动机以及各种电动动力装置，它在原理上是可行的，并且符合环境保护、节约资源的可持续发展战略。并且，压缩空气来源方便，能量储存方式优于电气、液压等其他形式。压缩空气的动力分配形式各有优缺点，提高压缩空气使用效率，增大高压罐容量和充气压力是提高一次充气持续工作时间的主要手段。在罐容、充气压力相对确定的情况下，压缩空气能量使用率η是最大的变化参数。发动机结构优化、尾气能量回收、压缩空气分配等问题是需要深入研究的问题。

经过上述的理论分析，本申请的申请人采用压缩空气的并联动力分配模式，为了提高压缩空气能量使用率和做功后排出气体的压力，申请人采用补充压缩空气回路，下面将对本发明的具体方式进行详细地描述。

现在参考图1，图1是根据本发明的二冲程压缩空气发动机总成的总体示意图，图中的箭头表示空气气流的流动方向。在图1中，压缩空气发动机总成包括发动机本体1、多柱体动力分配器2、动力设备4、控制器系统6、空气压缩机7、冷凝器11、尾气回收罐9、高压气罐组13、恒压罐16、进气控制调速阀23、电动涡轮单向抽气机19、电子控制单元ECU29、限压阀702、顺序阀703和尾气消声器22。如图1所示，高压气罐组13通过压缩空气入口管路14与外接加气站或外接加气装置连接，以从外界获得所需的高压压缩空气。压缩空气入口管路14上设有流量计A、压力计P和手控开关(未示出)。流量计A用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的流量，而压力计P用于测量和监控进入高压气罐组13的压缩空气的压力。在需要通过外接加气装置或加气站对高压气罐组13进行加气时，打开手控开关，高压压缩空气进入高压气罐组13，当压缩空气入口管路14上的流量计A和压力计P达到规定数值时，关闭手控开关，完成高压气罐组13的充气过程，这样就可获得额定压力下比如30MPa的压缩空气。为了保证储气罐的安全性能，在高压气罐组13上可设置一个、二个或多个安全阀(未示出)。

高压气罐组13可以是具有足够容量的一个、二个、三个、四个或更多个高压气罐以串联或并联的形式组合而成，根据应用场合的实际需要，确定高压气罐组13的组成气罐数。高压气罐组13通过管路15连接到恒压罐16，管路15上同样设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P以及减压阀701。减压阀701用来使高压气罐组13提供的高压压缩空气减压，以适当压力送入到恒压罐16。恒压罐16用来稳定来自高压气罐组13的高压空气的压力，其压力略低于高压气罐组13内的压力，比如在21-25MPa之间，优选的是在21MPa左右。在恒压罐16和进气控制调速阀23之间设有管路17，管路17上也设置有分别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计A和压力计P。来自恒压罐16的高压空气经过进气控制调速阀23的控制和调节后经管路进入控制器系统6。

现在详细地描述进气控制调速阀23。进气控制调速阀23的作用是根据电子控制单元ECU29的指令信号控制电磁阀的开启时间来决定压缩空气进气量。由于电磁阀具有减压作用，其与减压调压阀组合就形成了调速阀，从而可以将发动机的转速调整在一个合适的范围内。进气控制调速阀23由ECU29发出的控制信号26控制。在发动机本体1上可选择性地设有多种传感器，比如测量发动机转速的速度传感器、判断气缸上止点位置的位置传感器以及判断门油踏板位置的门油电位计，还可以是测量发动机机体温度的温度传感器。根据本发明的示例性实施例，示出了速度传感器24和/或门油电位计242。速度传感器24可以是现有技术中测量发动机转速的各种速度传感器，并通常设置在曲轴56上。门油电位计242可以是现有技术中测量油门踏板位置的各种位置传感器，其通常设置在门油踏板位置处。在非车辆应用的场合中，类似于踏板位置的门油电位计可以是发动机负荷传感器，例如监测发动机输出力矩的转矩传感器、发电场合中控制发电电流大小的电流选择旋钮的位置传感器等。ECU29根据各种传感器的信号，比如速度传感器24的速度信号和门油电位计242的位置信号中的任何一个或两个，经过运算处理发出控制信号26，控制信号26控制进气控制调速阀，从而可以实现进气控制调速阀的高速、中速、低速需要，由此相应于发动机的高速、中速和低速转动。

经过进气控制调速阀的高压压缩空气经高压管路流入控制器系统6，并由控制器系统6向发动机本体1的各个气缸提供高压压缩空气，比如大约7-18MPa之间的压力，优选的是为9-15MPa，更优选的是为11-13MPa，以驱动发动机活塞51在缸体系统40内作往复运动(参考图2-6)，并经由连杆54将活塞51的往复运动转变成的曲轴56的旋转运动，从而满足发动机的各种工况下的要求。控制器系统6的具体结构将在后文进行详细地描述。

继续参考图1，从发动机本体1输出的转动运动经过多柱体动力分配器2分配到应用设备，如图1中所示，应用设备包括空气压缩机7、动力设备4。空气压缩机7可以是传统的叶片式压缩机和活塞式压缩机等，也可以是本申请的申请人在专利文献(CN201261386Y)中所公开的加压装置。动力设备4可以是传动系统、发电机或变速器系统等。多柱体动力分配器2可与曲轴56上的飞轮固定连接，也可通过比如是联轴器的连接件与曲轴连接。多柱体动力分配器2将动力分成两路，一路分配给动力设备4，另一路分配给空气压缩机7。动力设备4通过离合器3或类似功能的连接装置与多柱体动力分配器2连接，空气压缩机7通过例如是齿轮装置的联轴器5与多柱体动力分配器2连接。当发动机工作时，曲轴56的旋转带动多柱体动力分配器2运转，继而将动力分别分配给动力设备4和空气压缩机7，从而带动动力设备4和空气压缩机7工作。

由于本发明的压缩空气发动机由高压空气直接驱动，在曲轴旋转0-180度的过程中，高压空气驱动活塞51运动，在活塞到达下止点后因惯性向上运动时，曲轴继续转动180度-360度，发动机进行排气冲程，此时排气的气体依然具有较高的压力，例如为3MPa左右，具有较高压力的排出气体直接排到大气中一方面容易形成高压尾气流，引起尾气噪声，另一方面损耗了压缩空气所蕴涵的能量。因此，对压缩空气发动机的尾气再利用是一项势在必行的关键技术。本发明的补充压缩空气回路结构概括如下：

从发动机本体1的排气集气管28排出的尾气经管路27输送到尾气消声器22，经过消声处理的尾气经由管路18被抽向电动涡轮单向抽气机19。在电动涡轮单向抽气机19和尾气回收罐9之间设置有管路20，管路20上设有单向阀21。单向阀21的存在仅允许尾气从电动涡轮单向抽气机进入尾气回收罐9，而不允许尾气反向流动。尾气回收罐9和空气压缩机7之间的管路20上设有流量计A和压力计P，以分别检测和监控经过空气压缩机7压缩后的尾气的流量和压力。经过空气压缩机7压缩后的尾气其压力得到显著的增加，通常能达到大约10MPa至大约25MPa之间。空气压缩机7通过管路705将压缩后的尾气分两路对发动机本体1进行补充供应。在管路705的下游处设有分支管路704和706，管路706与通往高压气罐组13的管路12流体连通，当空气压缩机7增压后的尾气压力大于15MPa时，增压尾气通过开启压力设定为例如是15MPa的限压阀，随后经过管路10进入冷凝器11，经过冷凝器11冷却后的尾气然后通过管路12送入高压气罐组13，或者再通过尾气过滤器(图中未示出)后进入高压气罐组13。管路705通过顺序阀703与管路704流体连通。当空气压缩机7增压后的尾气压力小于15MPa时，增压尾气通过限压压力设定为例如是15MPa的顺序阀(该顺序阀在进气压力小于15MPa时开启，在进气压力大于15MPa时自动关闭)，随后经过管路704进入恒压罐16。在备选方案中，可根据实际需要，设定限压阀的开启压力和顺序阀的关闭压力。例如可以是7Ma至20MPa之间的任何压力。优选的是，是10、12、15、17、20MPa中的任何一个。可备选地是，还可在冷凝器(11)和高压气罐组(13)之间的管路上设置单向阀(图中未示出)，仅允许增压后的干净尾气单向流入高压气罐组(13)。如此一来，用于驱动发动机活塞51的高压压缩空气在做功之后其相当一部分通过补充压缩空气回路(包括尾气消声器、限压阀、顺序阀、电动涡轮单向抽气机、尾气回收罐9、空气机7、冷凝器11以及它们之间的连接管路)增压净化后回收到高压气罐组，从而实现了尾气的再利用。补充压缩空气回路的存在不仅相当程度地解决了具有相当压力的尾气(通常为3MPa左右)直接排气大气造成的噪声污染问题，而且有效地减少了对大容量高压气罐组13的容积需求问题。换句话说，对于给定容量的高压气罐组13，补充压缩空气回路的存在大大增加了压缩空气发动机的持续工作时间，在使用压缩空气发动机的交通工具或发电设备中，大大增加了交通工具或发电设备的持续工作时间，从而明显地提高压缩空气发动机的效率。

现在回到图2至图5，图2至图5从不同的角度描述了图1中的发动机本体1的视图。其中，图2为发动机本体的正视图，图3为发动机本体1的右侧侧视图，图4为发动机本体1的左侧侧视图，图5为发动机本体的俯视图。进一步参见图6可知，发动机本体1包括气缸40、缸盖系统36、进气管路42(气门喉管)、排气管路27、活塞51、连杆54、曲轴56、排气凸轮轴800(见图8)、进气凸轮轴200(安装在图9中的进气凸轮轴安装孔113内)、前齿轮箱系统43和后齿轮箱33。前齿轮箱系统43用来传动曲轴56和凸轮轴。后齿轮箱33设置有齿圈31和飞轮32，飞轮32与曲轴56固定连接，其可通过齿圈31连接到多柱体动力分配器2。在此发动机本体1的示例性实施例中，分别设置有进气凸轮轴200和排气凸轮轴800，它们均通过前齿轮箱系统43与曲轴56相连，并随曲轴56的转动做适当的转动。由于压缩空气进气直接受控制器系统6的控制和分配，因而在发动机汽缸盖系统36之上取消了进气阀，而仅设置排气阀62，在示例性实施中，排气阀为每个气缸4个，根据需要也可设置为1个、2个、4个或6个。来自控制器系统6的压缩空气经气门喉管42直接进入膨胀排气室63(见图6)，在发动机工作时，该压缩空气推动活塞51向下运动，活塞51通过连杆54将活塞51的直线运动转化为曲轴56的旋转运动，曲轴转动实现发动机的输出。在活塞51运动到下止点之后，曲轴56因惯性继续运动，带动活塞51从下止点位置向上止点位置运动，此时排气凸轮轴800通过其上的凸轮和相应的摇臂，打开排气阀62，进行排气冲程。在示例性实施例中，排出的尾气优选的是进入补充压缩空气回路。

发动机本体1上还设有用来启动发动机的启动器39和通过例如是皮带轮的连接部件与曲轴相连的发电机391、用于润滑油回油的气缸体油底壳44以及对机油进行过滤的机油过滤器2。该发电机391可以例如整体式交流发电机、无刷式交流发电机、带泵式交流发电机或永磁发电机等，其在发动机工作时给发动机总成供电并给电瓶或蓄电池(图中未示出)充电。

现在参考图6，图6为图1中的二冲程发动机总成的发动机本体1的曲轴-连杆-活塞系统总成，其中，示出了其中一个活塞-连杆单元与气缸40的连接。在示出的实施例中，优选的是具有6个气缸40，相应地具有6个活塞51和6个连杆54。在备选方案中，活塞51、气缸40和连杆54的数目可以分别是本领域技术人员可以想得到的1个、2个、4个、6个、8个、12个或其他数目个数。相应地，曲轴56作适应地匹配性设计，以适应活塞-连杆单元数。在示例性实施例中，如图6和图7中所见，曲轴56优选的是具有6个单元曲拐，其对应本发明的优选实施方案。继续参考图6，在所示出的其中一个活塞-连杆单元与气缸40的连接中，从控制器系统6来的高压压缩空气经由进气管路42通过气缸盖36上的气喉孔402直接进入膨胀排气室63。高压气体在膨胀排气室63内膨胀做功，推动活塞51向下运动，此为做功冲程。做功冲程输出的功通过曲轴连杆系统向外输出动力。活塞51在气缸44内由下止点位置向上止点位置运动时，排气阀62打开，具有一定压力的空气自膨胀排气室63中经由排气管27排出，此为排气冲程。在活塞51快到上止点时，排气阀62关闭，控制器系统6又开始为膨胀排气室63供气，进入下一个循环。显然，本发明的发动机的曲轴56每转动一圈(360度)，就做功一次，而不像传统的四冲程发动机，在曲轴转动两圈(720度)的过程中完成一次完整的进气、压缩、膨胀和排气冲程。这就如二冲程发动机一样，但又与传统的二冲程发动机不同，因为传统的二冲程发动机通常在气缸底部设有进气口，并在气缸适当位置设有扫气口和排气口。而本发明的二冲程发动机是在气缸的顶部设有用于高压压缩空气进气的气喉孔402和用于尾气排放的排气孔272，并且气喉孔402的连通和闭合是进气凸轮轴200通过控制器系统6实现的，而排气孔的连通和闭合是由曲轴带动排气凸轮轴800转动，并通过摇臂控制排气阀62的打开和关闭而实现的。因此本发明的二冲程发动机是完全不同于传统的二冲程发动机的，其有效地利用了可直接膨胀做功的高压空气，曲轴56每转动一圈活塞51就做功一次，因而在相同的排气量情况下，相比较传统的四冲程发动机而言，功率可提高一倍。

现在参考图5和图6，曲轴56包括齿轮连接螺栓79、曲轴前端80、斜齿轮61、主轴颈78、单元曲拐71、平衡重77、曲柄销76、曲轴后端75和飞轮连接螺栓72。曲轴56上的主轴颈78和曲柄销76上分别设有一个或多个机油润滑油孔，以便为曲轴提供润滑机油。曲轴前端80的右侧(如图中所示方向)相邻处设有齿轮连接螺栓79，以与前齿轮箱系统43中的相应齿轮连接，曲轴前端80的左侧(如图中所示方向)相邻处设有斜齿轮61，以带动凸轮轴转动。曲轴后端75的外侧相邻位置设有飞轮连接螺栓72，以与飞轮32形成固定连接。平衡重77上环设有一个、二个或多个平衡配重孔，以调节平衡重重量。在本发明的优选实施例中，曲轴的单元曲拐71包括六个单元曲拐，分别是第一单元曲拐71a、第二单元曲拐71b、第三单元曲拐71c、第四单元曲拐71d、第五单元曲拐71e、第六单元曲拐71f。其分别对应于第一至第六连杆54或活塞51。在备选实施例中，单元曲拐71可包括不同数目的单元曲拐，比如1个、2个、4个、6个、8个或更多个，这些均是本领域技术人员容易想到的。在图6或图7中的优选实施例中，各单元曲拐的相位作如下设置：第一单元曲拐71a与第二单元曲拐71b相差120度、第二单元曲拐71b与第三单元曲拐71c相差120度、第三单元曲拐71c与第四单元曲拐71c相差180度、第四单元曲拐71d与第五单元曲拐71e相差-120度、第五单元曲拐71e与第六单元曲拐71f相差-120度。如此设置下的曲拐单元，可以实现曲拐单元的工作顺序为：第一和第五单元曲拐同时工作，而后第三和第六单元曲拐一起工作，最后第二和第四单元曲拐一起工作。如此一来，相应的发动机气缸的工作顺序为：1-5缸，3-6缸和2-4缸。根据本发明的教导，本领域技术人员可设置不同于本发明的单元曲拐及其工作相位和工作顺序，但其均落在本发明的范围内。

继续参考图6，活塞51通过连杆54与曲轴56连接。连杆54包括连杆小头、连杆体和连杆大头。连杆大头包括连杆盖58，连杆盖58的内侧形成圆形的空间，以通过置于空间内的连杆轴瓦57与曲轴的曲柄销76连接。活塞51的外圆周表面设置有四氟乙烯活塞油环53和四氟乙烯活塞气环52。在图示的示例性实施例中，每个活塞51上设置有4道四氟乙烯活塞气环52和2道四氟乙烯活塞油环53。在备选实施例中，四氟乙烯活塞油环53和四氟乙烯活塞气环52的数目可以变化，例如均可以是2道、3道、4道或更多道。四氟乙烯活塞油环53起阻油作用，四氟乙烯活塞气环52起刮油作用，它们共同作用，保证润滑油可靠地润滑和密封。

现在参考图8，图8为图2中的发动机本体1的排气凸轮轴800结构示意图。排气凸轮轴800包括单元凸轮81和链轮83。在示例性实施例中，单元凸轮81包括6个单元凸轮，其分别为第一单元凸轮81a、第二单元凸轮81b、第三单元凸轮81c、第四单元凸轮81d、第五单元凸轮81e、第六单元凸轮81f。在备选实施例中，单元凸轮81的数目可以是1个、2个、4个、6个、8个、12个或更多个，这取决于发动机气缸数和每一个气缸的排气阀个数。在本发明的示例性实施例中，每个单元凸轮81包括两个凸轮82，每个凸轮82控制其对应的排气阀62的开启。在图8中的优选实施例中，各个单元凸轮81的相位作如下设置：第一单元凸轮81a与第二单元凸轮81b相差120度、第二单元凸轮81b与第三单元凸轮81c相差120度、第三单元凸轮81c与第四单元凸轮81c相差180度、第四单元凸轮81d与第五单元凸轮81e相差-120度、第五单元凸轮81e与第六单元凸轮81f相差-120度。如此设置下的单元凸轮，可以实现单元凸轮的工作顺序为：第一和第五单元凸轮同时工作，而后第三和第六单元凸轮一起工作，最后第二和第四单元凸轮一起工作。如此一来，相应的发动机气缸的工作顺序为：1-5缸，3-6缸和2-4缸。根据本发明的教导，本领域技术人员可设置不同于本发明的单元凸轮及其工作相位和工作顺序，但其均落在本发明的范围内。

现在参考图9，图9A-图9C统称为图9，其为图1中的二冲程压缩空气发动机总成的控制器系统6的视图。如图9所示，控制器系统6包括高压共轨恒压管91、控制器下座97、控制器中座98、控制器气门92、控制器弹簧94以及控制器上盖108。高压共轨恒压管91具有圆柱形外形，其也可为矩形、三角形等外形。高压共轨恒压管91内部为例如是圆柱形的腔道，以接受来自进气控制调速阀23的高压进气，并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡，以便使初始进入各个气缸40的膨胀排气室63内的高压空气具有相同的压力，从而使发动机工作平稳。高压共轨恒压管91的两端固定装配有高压共轨恒压管端盖100，在其与进气控制调速阀23连接的端盖100具有向外延伸的凸缘(图中未标记)，该凸缘伸入到高压进气控制调速阀23和高压共轨恒压管91之间的管路内，并通过例如是螺纹的连接方式与高压管路可拆卸地固定连接。高压共轨恒压管端盖100通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管91连接。高压共轨恒压管91上设有对应于气缸40的数目的上盖连接孔111，在图示的优选实施例中，上盖连接孔111的数目为6。控制器上盖108在沿其中心线的剖面上具有倒T形，其具有圆柱形的支进气管路112和圆形下表面(图中未标记)，支进气管路112通过其上端外围的螺纹连接到上盖连接孔111内，以与高压共轨恒压管91形成固定可拆卸地连接。控制器上盖108通过上盖与中座连接螺栓或其他紧固件与控制器中座98形成密封的、可拆卸固定连接。控制器中座98通过中座与下座连接螺栓110或其他紧固件与控制器下座97形成密封的可拆卸固定连接。

如图9所示，控制器中座98在其中心处设有直径不同的孔，从上到下依次为控制器气门座套孔120、控制器气门孔117、油封衬套孔116、控制器气门弹簧孔119。在示例性实施例中，孔120的直径大于孔117的直径并且大于孔116的直径。孔117的直径大于孔116的直径。孔119的直径可以和与孔117的直径相同或不同，但要求大于孔116的直径。在优选实施例中，孔119的直径等于孔117的直径，但略小于孔120的直径。控制器气门座套93安装在控制器气门座套孔120内，并支撑在控制器气门孔117之上。控制器气门孔117为空腔，其与气喉孔连接孔118连通，以在控制器气门92打开时，将来自高压共轨恒压管91的压缩空气经由支进气管路112进入气喉孔连接孔118。气喉孔连接孔118的一端与控制器气门孔117连通，另一端联通缸盖系统36的气喉孔402，其保持常通，因而可在控制器气门92打开时，将压缩空气送入膨胀排气室63，从而驱动发动机工作。油封衬套99安装在油封衬套孔116内，并支撑在控制器气门弹簧94之上，其内通过控制器气门92的气门杆(图中未标记)。该油封衬套99除了对控制器气门92进行密封外还对气门杆起导向作用。控制器气门弹簧94安装在控制器气门弹簧孔119内，其下端支撑有控制器气门弹簧下座95，并通过控制器气门锁夹片紧固在控制器气门弹簧下座95之上。在发动机不工作时，控制器气门弹簧94预加载一定的预张力，其将控制器气门92抵靠在控制器气门套座93上，控制器气门92关闭。

控制器下座97内部设有示例性的6个控制器挺柱安装孔114，其根据发动机气缸数的不同，可以设置不同数目的控制器挺柱安装孔114，例如可以是1个、2个、4个、6个、8个、10个或更多。控制器挺柱115安装在控制器挺柱安装孔114内，并随安装在进气凸轮轴安装孔113内的进气凸轮轴200转动而上下往复运动。当需要给发动机气缸40提供高压压缩空气时，进气凸轮轴200的凸轮向上顶起控制器挺柱115，控制器挺柱115继而顶起控制器气门92的气门杆，使得气门杆克服控制器气门弹簧94的拉力，离开控制器气门套座93，从而控制器气门打开，高压压缩空气得以从高压共轨恒压管91进入膨胀排气室63，以满足发动机的供气需求。在进气凸轮轴200随曲轴56转过一定角度后，控制器气门92的气门杆在控制器气门弹簧94的恢复力作用下重新坐落在控制器气门套座93上，控制器气门92关闭，供气结束。由于本发明的压缩空气发动机为二冲程发动机，曲轴56每转动一周，控制器气门92和排气阀62各开闭一次，因此，很容易设置进气凸轮轴200和排气凸轮轴800的凸轮相位以及它们与曲轴的连接关系，其详细的结构和运动传递见图10的示例性说明。

现在参考图10，图10A-图10C统称为图10，其为图1中的二冲程压缩空气发动机总成的前齿轮箱系统43的不同视图。如图10所示，前齿轮箱系统包括多边形盖313、传动齿轮308、曲轴齿轮307、过桥齿轮303、进气凸轮轴齿轮302、排气凸轮轴齿轮306。曲轴齿轮307与穿过多边形盖313的曲轴56一端固定连接，以传递来自曲轴的转动。曲轴齿轮307的下方(图10B中所示方位)设有例如是机油泵齿轮的传动齿轮308，以通过传动齿轮308带动例如是机油泵的构件转动。在曲轴齿轮307的上方从左至右(图10B中所示方位)依次设置有进气凸轮轴齿轮302、过桥齿轮303、排气凸轮轴齿轮306。曲轴齿轮307与过桥齿轮303直接接合以带动过桥齿轮303转动。过桥齿轮303同时与左右两侧的进气凸轮轴齿轮302和排气凸轮轴齿轮306接合，以在曲轴56转动时，通过曲轴齿轮307、过桥齿轮303带动进气凸轮轴齿轮302和排气凸轮轴齿轮306的转动，从而使进气凸轮轴200和排气凸轮轴800转动，最终实现排气阀62和控制器气门92的开启和关闭。在示例性实施例中，排气凸轮轴齿轮306直接固定连接在排气凸轮轴800上，从而排气凸轮轴齿轮306的转动直接带动排气凸轮轴800的转动。而进气凸轮轴齿轮302的中心轴的适当位置上固定有皮带轮(未示出)，该皮带轮通过凸轮轴传动皮带35与设置在进气凸轮轴200上的皮带轮连接，从而带动进气凸轮轴200转动，实现控制器气门92的开启和关闭。在备选实施例中，进气凸轮轴齿轮302的中心轴的适当位置上也可固定有链轮(未示出)，该链轮通过链条与设置在进气凸轮轴200上的链轮连接，从而带动进气凸轮轴200转动，实现控制器气门92的开启和关闭。

进一步参考图10，由于本发明的前齿轮箱系统43适于二冲程发动机，因而其中的曲轴齿轮307、过桥齿轮303、进气凸轮轴齿轮302、排气凸轮轴齿轮306之间具有相同的齿轮传动比。在示例性实施例中，为了适合曲轴转动一周，进、排气凸轮轴各打开/关闭一次，曲轴齿轮307、过桥齿轮303、进气凸轮轴齿轮302、排气凸轮轴齿轮306设定有相同的齿数，例如齿数为41，也可根据前齿轮箱的内部空间大小设定其他的齿数，例如25、31、39、45等。在优选的实施例中，曲轴齿轮307、过桥齿轮303、进气凸轮轴齿轮302、排气凸轮轴齿轮306不仅具有相同的齿数，而且由相同的材料例如铸铁制成，并且齿轮的外径为153毫米，且均为斜齿轮。

多边形盖313上设有多个不同作用的孔，例如螺钉连接孔309、螺钉孔310和螺栓连接孔311。多边形盖313通过螺钉连接孔309连接到发动机箱体上，过桥齿轮303通过螺钉孔310连接到多边形盖313上，螺栓连接孔311用来将多边形盖311与发动机箱体连接。螺栓连接孔311可以设置在焊接在多边形盖311上的焊接柱5内。多边形盖311上还设有供润滑油流动的油孔304和用于安装吊环的吊环座12。

现在参考图11，图11A-图11C统称为图11，其为图1中的二冲程压缩空气发动机总成的多柱体动力分配器2的不同视图。如图11所示的本发明的示例性实施例，多柱体动力分配器2是多级动力分配器，其由一级601、二级602、三级603、四级604、五级605(图10B所示的方向由左至右)组成。在备选实施例中，多柱体动力分配器可由不用于本发明的五级的其他级组成，例如三级、四级、六级或七级等。每一级的结构大体相同，均包括行星齿轮401、内齿圈407和太阳轮405，其中，行星齿轮401位于内齿圈407和太阳轮405之间，并与内齿圈内啮合以及与太阳轮外啮合。可根据需要均匀设定每一级的行星轮的个数，例如3个、5个、7个或更多个。在示例性实施例中，每一级均包括5个均匀分布的行星齿轮401。这样做的好处在于，行星齿轮的均匀分布可使主轴的受力均匀，传动平稳而且传动功率大。如图11B所示，一级601和二级602的行星齿轮401之间通过行星齿轮销403连接，以使一级601、二级602同步转动。行星齿轮销403通过光滑的平键4021或花键与行星齿轮401连接。在示例性实施例中，行星齿轮销403可以是细圆柱形的销，其外形也可以是矩形、梯形、半圆形，其个数可以是每一级采用二个、三个、四个、五个或更多个。二级602和三级603的太阳轮405通过太阳齿轮销406连接，以实现二级602和三级603的联动。三级603和四级604之间的连接关系类似于一级601和二级604之间的连接关系，四级604和五级605之间的连接关系类似于二级602和三级603之间的连接关系。如此一来，多柱体动力分配器4的一级602到五级603实现了动力的传递，可以将来自一级601的动力输入从五级605中输出。尤其注意的是，每一级的行星齿轮401只绕自身轴线作自传运动，而不绕相应太阳轮405作公转运动，这样的布置使多柱体动力分配器的内部结构相对简单，易于平稳地传递动力。

现在描述多柱体动力分配器2的工作原理。发动机本体1的曲轴56上设有飞轮32，飞轮32的外围固定连接有齿圈31，该齿圈31具有外齿圈，其与多柱体动力分配器2的一级601上的具有内齿的内齿圈407啮合，以将曲轴56的运动传递到一级601的内齿圈407。一级601的行星齿轮401与二级602的行星齿轮连接，动力自一级601传递到二级602，二级602的行星齿轮401带动二级的太阳轮405转动。二级的太阳轮405通过太阳齿轮销406与三级的太阳轮连接，带动三级的太阳轮405转动，动力自二级602传递到三级603。三级603以类似于一级601的方式，将三级603的动力通过行星齿轮401将动力传递到四级604。四级604以类似于二级的方式将四级604的动力通过太阳轮405传递到五级605。在本发明的实施例中，五级605的行星齿轮401的转动轴为动力输出端，动力通过行星齿轮401分为多路(本发明示例性地示出了两路)传递到与多柱体动力分配器2连接的元件，例如在本发明的示例性实施例中，该元件是比如是发电机的动力装置4和空气压缩机7。这样一来，动力从发动机的曲轴56输出，通过多柱体动力分配器2实现多路输出。相比较传统发动机的变速箱有利地是，采用五级行星齿轮的传递进行动力再分配，即实现了省力又减少了传递中的扭矩振动。

图13A-13E统称为图13，其为本发明的活塞组件的组合视图，其中，图13A为图6中的活塞51的立体示意图、图13B为图13A的活塞51在未装配活塞气环52和活塞油环53时的正视图、图13C为图13A的活塞51装配有活塞气环52和活塞油环53的横截面视图、图13D为图6中的活塞气环52的透视图以及图13E为图6中的活塞油环53的透视图。如图13C所示，活塞环组件包括活塞51、活塞气环52和活塞油环53。活塞51包括活塞顶部503和活塞柱面502，活塞顶部503上开设有凹形腔，此处称为活塞气门让坑512，其可以为W形、平底杯形或其它形状。活塞51上设有活塞销座孔511，其用来安装活塞销55以将活塞51与连杆54连接，从而使活塞51在发动机的气缸40内上下往复运动。活塞柱面502上开设有第一气环凹槽504、第二气环凹槽505、第三气环凹槽506以及第一油环凹槽507、第二油环凹槽508。在图示的实施例中，第一气环凹槽504、第二气环凹槽505、第三气环凹槽506的高度和厚度相同，其足能容纳两个叠置的活塞气环。两个油环凹槽的高度和厚度均相同，但是，油环凹槽的厚度小于气环凹槽的厚度，但油环凹槽的高度远大于气环凹槽的高度，约为气环凹槽高度的4倍多。进一步参考图13C，在每一个气环凹槽内均安装有两个活塞气环52，相应地，每一个油环凹槽内安装有一个活塞油环。

图13D示出了本发明的示范性活塞气环52，其具有大约3.5mm的厚度以及大约4mm的高度，并由高强度的、轻型材料四氟乙烯制成。活塞气环52具有开口521，为保证活塞气环52在气环凹槽内可靠地密封，通常同一气环凹槽内的两个活塞气环52的开口错开布置，通常相差180度。图13D所示的活塞气环52具有阶梯形开口，在备选实施例中，也可具有三角形、方形、凸台和凹口对应形状开口等。图示的活塞气环52具有长方形的截面形状，在备选实施例中，活塞气环52也可有等边梯形、不等边梯形及多边形的截面形状，还可以为缺角的等边梯形、不等边梯形及多边形的截面形状。两个活塞气环52的开口交叉布置，可以在因活塞气环因磨损使开口加大时，其开口被另一个活塞气环堵住，从而能有效地防止活塞气环因磨损而引起的漏气，从而节省了压缩空气用气量，提高发动机的效率。当活塞气环52采用等边梯形、不等边梯形及多边形的截面形状或者采用缺角的等边梯形、不等边梯形及多边形的截面形状时，同一气环凹槽内的两个活塞气环52之间会形成环形间隙，起到自动间隙的调节作用，能在活塞气环52磨损时，有效地保证活塞气环52的组合气环的气密性。为了保证活塞气环的抗磨损性，也可在活塞气环的外圆周上喷设有钼层，备选的是，也可镀设有铬层。

图13E示出了本发明的示范性活塞油环53，其具有大约3mm的厚度以及大约34mm的高度，并由高强度的、轻型材料四氟乙烯制成。活塞油环53具有缝隙531，为保证活塞油环53在油环凹槽内可靠地密封，活塞油环53具有三角形缝隙，在备选实施例中，也可具有梯形、方形、凸台和凹口对应形状缝隙等。为了保证活塞油环的抗磨损性，也可在活塞油环的外圆周上喷设有钼层，备选的是，也可镀设有铬层。

由于本发明的活塞组件用于空气动力发动机中，发动机在工作时，活塞承受较传统发动机更大的气压，例如大约7-11MPa的压力，活塞组件的密封性就尤其重要，为此，采用三道组合活塞气环和两道活塞油环，并且每一道组合活塞气环由两个活塞气环52交叉配置。为了进一步加强三道组合活塞气环的密封效果，在本发明的优选实施例中，第二道组合活塞气环相对于第一道组合活塞气环成顺时针60度交叉配置，第三道组合活塞气环相对于第二道组合活塞气环成顺时针60度交叉配置，即第三道组合活塞气环相对于第一道组合活塞气环成顺时针120度交叉配置。也可以成逆时针方向相差60度依次配置第一道组合活塞气环、第二道组合活塞气环、第三道组合活塞气环。如此一来，从活塞顶部俯视方向看，六道活塞气环的开口成60度均匀地分布在活塞柱面四周，这样就可有效地防止活塞气环因磨损引起的漏气问题，并能保证各个气环得到均匀的磨损，从而延长活塞气环的使用寿命。

为了进一步加强活塞油环的密封效果，本发明采用两道活塞油环，这和传统的汽油或柴油发动机所采用的活塞组件明显不同。在使用中，第一道活塞油环相对于第二道活塞油环成顺时针或逆时针180度交叉配置，以便有效地防止活塞油环因磨损引起的漏油问题，并能保证各个油环得到均匀的磨损，从而延长活塞油环的使用寿命。

由本发明的活塞组件可以看到，两个活塞气环装到一个气环凹槽中并使两个活塞气环的开口错开，这样可以更好地阻止气体下流，总共六个活塞气环就可以更加有效的阻止气体向下流动，从而起到多重阻止作用。将两个活塞油环的缝隙错开，可以实现活塞油环的整圆刮油，两个活塞油环的使用，可以起到双重刮油，从而有效地保证润滑油不能进入空气动力发动机的气缸中。

本说明书详细地公开了本发明，包括最佳模式，并且也能使本领域的任何人员实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何引入的方法。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims

1.一种用于空气动力发动机的活塞组件，其包括：活塞(51)、组合活塞气环和活塞油环(53)，活塞油环（53）包括第一活塞油环和第二活塞油环，所述活塞(51)包括活塞顶部(503)和活塞柱面(502)，所述活塞顶部(503)上开设有活塞气门让坑(512)；所述活塞柱面(502)上开设有第一气门凹槽(504)、第二气门凹槽(505)和第三气门凹槽(506)以及第一油门凹槽(507)和第二油门凹槽(508)；所述第一气门凹槽(504)内装配有第一道组合活塞气环，所述第二气门凹槽(505)内装配有第二道组合活塞气环，所述第三气门凹槽(506)内装配有第三道组合活塞气环；所述第一和第二油门凹槽(507,508)内分别装配有第一和第二活塞油环(53) ，其特征在于：所述第二道组合活塞气环相对于第一道组合活塞气环成顺时针或逆时针60度交叉配置，第三道组合活塞气环相对于第二道组合活塞气环成顺时针或逆时针60度交叉配置，即第三道组合活塞气环相对于第一道组合活塞气环成顺时针或逆时针120度交叉配置，如此一来，从活塞顶部俯视方向看，六道活塞气环的开口成60度均匀地分布在活塞柱面四周。

2.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述第一、第二、第三道组合活塞气环均由两个活塞气环(52)彼此叠置而成，并且活塞气环(52)的开口(521)成180度交叉配置。

3.根据权利要求2所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)具有大约3.5mm的厚度、大约4mm的高度。

4.根据权利要求2所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)由四氟乙烯材料制成。

5.根据权利要求2或4所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)的外圆周喷设有钼层，或者镀设有铬层。

6.根据权利要求2或3或4所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)具有长方形、等边梯形、不等边梯形的截面形状。

7.根据权利要求2或3所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)具有缺角的等边梯形、不等边梯形的截面形状，以在活塞气环(52)彼此叠置形成组合活塞气环时形成环形自调节间隙，以在活塞气环(52)磨损时更好地密封活塞(51)。

8.根据权利要求2或3所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)具有阶梯形开口(521)。

9.根据权利要求2或3所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞气环(52)具有三角形、方形、凸台和凹口对应形状的开口(521)。

10.根据权利要求1所述的活塞组件，其特征在于，所述第二活塞油环的缝隙(531)相对于第一活塞油环(53)的缝隙(531)成180度交叉配置。

11.根据权利要求1或10所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞油环(53)具有3mm的厚度、大约34mm的高度。

12.根据权利要求1或10所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞油环(53)由四氟乙烯材料制成。

13.根据权利要求1或10所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞油环(53)的外圆周喷设有钼层，或者镀设有铬层。

14.根据权利要求1或10所述的活塞组件，其特征在于，所述活塞油环(53)具有三角形、梯形、方形的缝隙(531)。

15.根据权利要求1所述的活塞组件，所述空气动力发动机包括：发动机本体(1)，其包括气缸(40)、缸盖系统(36)、进气管路(42)、排气管路(27)、活塞(51)、连杆(54)、曲轴(56)、排气凸轮轴(800)、进气凸轮轴(200)；所述排气凸轮轴(800)设定在发动机本体(1)的缸盖系统(36)内；

高压气罐组(13)，其通过管路(14)与外接加气装置连通；

恒压罐(16)，其通过管路(15)与高压气罐组(13)连通；

控制器系统(6)，其接收来自恒压罐(16)的压缩空气，并将压缩空气分配给发动机本体(1)的膨胀排气室(63)，所述进气凸轮轴(200)设定在控制器系统(6)内。