CN103452589A - 一种用于两级式空气动力发动机的配气机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两级式空气动力发动机的配气机构，包括有一级气缸和二级气缸，一级气缸的排气口与二级气缸的进气口之间通过钢丝软管连接，一级气缸的进气口和二级气缸的上排气口处连通的管道上分别设有高速大流量电磁阀，一级气缸和二级气缸的活塞杆端部均与下方的曲轴连接，一级气缸和二级气缸的结构均包括有镂空式的气缸套、带有环状空腔的气缸缸体以及结构上经过改造的活塞，排气口之外气缸缸体的环形内空腔与气缸套的镂空部分相互配合的，活塞包括有圆形活塞头、活塞销座、四处活塞裙部，活塞销座的上端部的侧壁上分布有隔冷槽。本发明进一步提高了现有空气动力发动机对气体压力能的利用率，减少了因为节流损失带来的压降。

Description

一种用于两级式空气动力发动机的配气机构

技术领域

本发明属于发动机领域，尤其涉及一种用于两级式空气动力发动机的配气机构。

背景技术

随着我国汽车工业的快速发展，传统的燃油发动机带来的污染越来越严重，以及化石能源的不断枯竭，迫使越来越多的人开始探寻新能源。空气动力发动机就是在这一现状下产生的，但是现有气动发动机在空气能利用效率和和进排气的精准控制方面都存在许多不足。所以可以从这一方面的问题着手，来设计出合适的气缸体结构。

因为两级式空气动力发动机是以高压空气为动力源的，所以该发动机在配气结构上与传统的发动机是有着很大不同的，尤其是在工质的输入和输出管路布置方面与传统的发动机有着很大的不同。传统发动机中，进入各缸的工质是相互没有交集的，它在完成各缸的做功后，就会被发动机以废气的方式排出气缸。但在两级式空气动力发动机中，第一级气缸中的工质在完成做功之后，不会被立即排出去，而是通过管道进入到第二级气缸继续进行膨胀做工。等到二级膨胀做功完成之后，高压气体的压力已经接近大气压，此时才将工质排出去。这是为了最大限度的利用高压空气能，而就目前国内外对空气动力发动机的研究成果来看，这种串级膨胀做功的方式是目前最可行，也是空气压力能利用效率最高的一种膨胀做功方式。

本发明中所述的两级式空气动力发动机是由V型空气压缩机改装而成，如果要利用串级膨胀做功的方式，就要求设计出一套与之相适应的配气机构。该配气机构需要满足如下的功能要求：它需根据发动机的转速，以及不同的工况下的要求来实时地完成气门的开启和闭合。其次，为了尽可能地提高高压气体的利用率，电磁阀的安装数量就要尽可能地减少。一级气缸的进气门和二级气缸的排气门可以由电磁阀来控制，两级之间气体的流动不用电控阀来控制，可以通过对配气机构中的气缸和活塞结构上的设计来实现。为了解决上述的难题，进一步提高现有空气动力发动机对气体压力能的利用率，以及尽量减少因为节流损失带来的压降。

发明内容

本发明的目的是为了弥补已有技术的不足，提供了一种用于两级式空气动力发动机的配气机构。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种用于两级式空气动力发动机的配气机构，包括有一级气缸和二级气缸，其特征在于：所述一级气缸的下端部的排气口与二级气缸的上端部的进气口之间通过钢丝软管连接，且钢丝软管中安装有热交换器，所述一级气缸的上端部的进气口和二级气缸的上端部的排气口处连通的管道上分别设有高速大流量电磁阀，所述一级气缸和二级气缸的活塞杆端部均与下方的曲轴连接，所述第一级气缸的结构包括有镂空式的气缸套、带有环状空腔的气缸缸体以及结构上经过改造的活塞，且一级气缸的排气口被设计在气缸的底部，且与气缸的环形内空腔相对应的位置，所述气缸缸体内壁与气缸套精密配合，且排气口之外气缸缸体的环形内空腔与气缸套的镂空部分相互配合的，所述活塞，其头部是圆形的，所述活塞的下端面圆周方向上均布有四处活塞裙部，且四处活塞裙部被加长，与活塞销的夹角均为45°，所述活塞销座的上端部受连杆侧向力较小的侧壁上分布有隔冷槽。

所述的活塞销座部分的椭圆度最大，四处活塞裙部的椭圆度自上而下不断减小，加长的裙部为圆柱形，所述四处活塞裙部的的尺寸要比镂空部分的尺寸稍大，且加长部分的尺寸长度是根据气动发动机的参数来改动。

本发明通过镂空式的气缸套、带有环状空腔的气缸缸体结构上经过改造的活塞以及根据流体工程学设计出来的用于连接一级气缸的排气口和下一级气缸的进气口的钢丝软管（管路中连有热交换器），当一级气缸中的高压空气完成了一定的做功行程之后，活塞到达气缸套的镂空位置，此时气体开始快速的进入到气缸的环形空腔中，最终流入钢丝软管，并通过热交换器得到进一步的膨胀后进入二级气缸继续进行做功。由于此时的气体压力还较大，两缸之间的压差也很大，高压气体会迅速的进入到二级气缸之中，待到镂空位置被封堵之后一级气缸的残存气体量是很小的，可以忽略其对下个工作循环的影响。

当镂空部分被封堵之后，第二级气缸正处于膨胀做功的阶段，为了避免活塞的整个裙部完全通过镂空部分之后，出现二级气缸高压气体的逆向流动的情况，因此对活塞裙部进行了部分的加长，该加长的部分在装配时与镂空部分相对应。整个裙部共有四处位置需要加长，这四处位置的选择需要保证气体的泄漏率最小。与传统的柴汽油发动机相比，空气动力发动机的活塞将不会发生因高温而产生的膨胀，相反，活塞会在高压气体膨胀的过程中发生冷却收缩现象。尤其是活塞销座部分，为了保证活塞在运转过程中的安全可靠，在活塞销座轴线方向材料用量较多，所以冷却收缩更明显。这将会导致活塞的裙部与气缸壁的间隙进一步的加大，就会使得二级气缸中的气体在膨胀做工的过程中发生逆向流动而漏气。所以该活塞在设计过程中，是把活塞销的轴向定为椭圆裙部的长轴方向（柴汽油机的活塞销是其椭圆裙部的短轴方向）。

就形状而言，该活塞头部仍然是圆形，其活塞销座部分的椭圆度最大，活塞裙部椭圆度自上而下不断减小，加长的裙部为圆柱形。考虑到冷收缩，所以上述四处加长部分不能选在与椭圆的长轴径向相垂直的位置。虽然活塞在冷装配时轴销方向的活塞壁与气缸壁配合更精密，间隙最小，但是该方向上的冷收缩率最大，因而气密性得不到保证。除此之外，上述四处加长部分也不能选在与椭圆的短轴径向相垂直的位置，因为该位置不仅在冷装配时间隙大，而且在活塞运动过程中，加长裙部还会与连杆发生干涉。最后，经过计算和理论分析，可以得出该位置与活塞销存在一个夹角，一般为45度左右，只有在这个位置上才能保证气体泄漏率最小。

由于变形较小，裙部与缸套可以是高精度配合的，间隙很小，同时加长裙部的尺寸要比镂空部分的尺寸稍大，加上机油膜的填充能够有更好的气密性使得二级气缸中的气体在膨胀做工的过程中不会逆向流动而漏气，而且不会发生加长裙部与连杆干涉的情况。所以四个裙部加长部分应位于这四处位置，其中，加长部分的尺寸长度是根据气动发动机的参数来改动的，如杆径比，活塞行程等，没有固定的尺寸要求，能够满足发动机工作要求即可。除此之外，对活塞进行了隔冷槽的设计，隔冷槽是位于活塞销座的上部，考虑到活塞在下行做功的过程中，由于连杆对活塞销的反作用力，会使活塞销的一侧受到很大的侧向力作用，为了确保强度的可靠性，该侧没有隔冷槽，只在其相对的一侧开有隔冷槽。

考虑到一级气缸的排气终了可能会有少量的气体残留，但是这不仅不影响发动机的工作循环，而且这少量的气体被上行的活塞压缩变热之后，可以对下一时刻喷入的高压空气提供膨胀所需的温度，使其尽可能安等温过程膨胀，提高气体能的利用率。随着二级气缸膨胀做功完成之后，废气将被排出气缸，接下来将是下一轮的进气做功循环。从整个的工作过程来看，无论发动机的转速和运行工况如何改变，都能保证一级气缸的高压气体进入到二级气缸中进行膨胀做功而不会逆向流动回来。

所述空气动力发动机的气缸，其特征是所述的空气动力发动机的第一级气缸内部空腔中有一个镂空式的气缸套，该缸套与气缸的内空腔是精密配合的，同时在不影响活塞的正常运动的情况下镂空形状的大小可以尽可能大一点（这是为了出气更充分，使节流损失减小）

所述空气动力发动机的气缸，其特征是所述的空气动力发动机的第一级气缸内部有一个环状的空腔，该环状空腔与上述气缸套的镂空部分是相互配合的，同时在环状空腔位置开一个排气口，最后通过钢丝软管与下一级进气口相连接。

所述空气动力发动机的气缸，其特征是所述的空气动力发动机第一级气缸的行程满足活塞在通过气缸套镂空部分之后，还可以继续向下运动，从而给予与一级气缸更为充分的进气时间，提高下一级的进气效率。

所述空气动力发动机的活塞，其特征是所述的空气动力发动机第一级气缸的活塞在结构上被重新设计，把活塞销的轴向定为椭圆裙部的长轴方向（柴汽油机的活塞销是其椭圆裙部的短轴方向）。就形状而言，该活塞裙部的椭圆度与柴汽油机活塞裙部的椭圆度相比要小。就形状而言，该活塞头部仍然是圆形，其活塞销座部分的椭圆度最大，活塞裙部椭圆度自上而下不断减小，加长的裙部为圆柱形。

所述空气动力发动机的活塞，其特征是所述的空气动力发动机第一级气缸的活塞在结构上被重新设计，活塞的裙部有四处位置被加长，四处加长部分的位置与活塞销的轴向存在一个夹角，一般为45度左右。由于变形较小，裙部与缸套可以是高精度配合的，间隙很小，同时加长裙部的尺寸要比镂空部分的尺寸稍大。其中，加长部分的尺寸长度是根据气动发动机的参数来改动的，如杆径比，活塞行程等，没有固定的尺寸要求，能够满足发动机工作要求即可。

所述空气动力发动机的活塞，其特征是所述的空气动力发动机第一级气缸的活塞结构上被重新设计，具体为隔冷槽的设计，隔冷槽是位于活塞销座的上部。考虑到活塞在下行做功的工程中，由于连杆对活塞销的反作用力，会使活塞销的一侧受到很大的侧向力作用，为了确保强度的可靠性，该侧没有隔冷槽，只在其相对的一侧开有隔冷槽。

本发明的优点是：

一、除了在第一级气缸进气口安装一个大容量高速喷气阀和在第二级气缸的排  

气口安装一个排气电磁阀外，就不再需要安装任何电磁阀了，从而有效地避免了复杂电控装置的设计，节省了成本，可以适用于发动机在任意工况下的运转，而且配气正时准确。

二、因为去除了两缸之间电磁阀，所以减少了因电磁阀的开启和关闭过程中带来     

的节流损失，提高了空气动力发动机对高压空气能的利用率。

三、气缸和活塞在结构上的巧妙设计，满足了空气动力发动机在各工况下的稳定

运转，尽可能的减少了高压空气的泄漏。

附图说明

图1为串连式空气动力发动机气缸和工质流动管路简图。

     图2为带有加长裙部的活塞与连杆装配之后的等轴测视图。

     图3为带有隔冷槽的活塞正视图。

     图4为附带有环状内空腔的一级气缸的剖视图。

     图5为镂空式的气缸套的结构示意图。

     图6为气缸与气缸套通过装配之后的等轴测视图。

具体实施方式

参见附图，一种用于两级式空气动力发动机的配气机构，包括有一级气缸3和二级气缸5，一级气缸3的下端部的排气口9与二级气缸5的上端部的进气口之间通过钢丝软管10连接，且钢丝软管10中安装有热交换器4，一级气缸3的上端部的进气口7和二级气缸5的上端部的排气口6处连通的管道上分别设有高速大流量电磁阀2、13，一级气缸3和二级气缸5的活塞8、12杆端部均与下方的曲轴11连接，一级气缸3的结构包括有镂空式的气缸套16、带有环状空腔的气缸缸体以及结构上经过改造的活塞8、12，且一级气缸3的排气口9被设计在气缸的底部，且与气缸的环形内空腔14相对应的位置，气缸缸体内壁与气缸套精密配合，且排气口之外气缸缸体的环形内空腔14与气缸套的镂空部分相互配合的，且气缸套16的镂空位置为与气缸套配合的出气口20，活塞8、12包括有圆形活塞头15，圆形活塞头15固定安装在活塞销座17上，活塞销座17的下端面圆周方向上均布有四处活塞裙部18，且四处活塞裙部18被加长，与活塞销的夹角均为45°，活塞销座17的上端部受连杆侧向力较小的侧壁上分布有隔冷槽19。

活塞销座17部分的椭圆度最大，四处活塞裙部18的椭圆度自上而下不断减小，加长的裙部为圆柱形，四处活塞裙部18的的尺寸要比镂空部分的尺寸稍大，且加长部分的尺寸长度是根据气动发动机的参数来改动。

工作时，当高压空气流入到气源入口1时，大容量高速喷气阀2就会被实时的打开，随着高压空气完全进入到一级气缸3中，大容量高速喷气阀2关闭，高压空气开始膨胀做功，当一级气缸活塞8向下运动到环状内空腔14位置（也是气缸套的镂空位置），此时被消耗掉一部分压力能的高压空气通过镂空部分进入到环状内空腔14中，最后汇聚成同一流向的气流进入到二级气缸的钢丝软管10中，并通过热交换器4进一步膨胀过后流入到下一级气缸中，继续膨胀做功，直到高压空气能被全部耗尽后，排出大气中。在这整个过程中，只要准确控制好第一级大容量高速喷气阀和第二级排气的开启和关闭就足以，第一级和第二级气缸之间高压气体的流动，都是由设计好的气缸、气缸套以及活塞来完成的，为了避免活塞的整个裙部完全通过镂空部分之后，出现二级气缸高压气体的逆向流动的情况，我们对第一级气缸的活塞进行了设计，对活塞裙部进行了部分的加长，该加长的部分在装配时与镂空部分相对应，尺寸要比镂空部分的尺寸稍大，同时该部分与气缸套的配合更精密，这是为了尽可能的减少二级气缸高压气体膨胀过程的泄漏。

Claims (2)

1.一种用于两级式空气动力发动机的配气机构，包括有一级气缸和二级气缸，其特征在于：所述一级气缸的下端部的排气口与二级气缸的上端部的进气口之间通过钢丝软管连接，且钢丝软管中安装有热交换器，所述一级气缸的上端部的进气口和二级气缸的上端部的排气口处连通的管道上分别设有高速大流量电磁阀，所述一级气缸和二级气缸的活塞杆端部均与下方的曲轴连接，所述一级气缸的结构包括有镂空式的气缸套、带有环状空腔的气缸缸体以及结构上经过改造的活塞，且一级气缸的排气口被设计在气缸的底部，且与气缸的环形内空腔相对应的位置，所述气缸缸体内壁与气缸套精密配合，且排气口之外气缸缸体的环形内空腔与气缸套的镂空部分相互配合的，所述活塞包括有圆形活塞头，所述活塞销座的下端面圆周方向上均布有四处活塞裙部，且四处活塞裙部被加长，与活塞销的夹角均为45°，所述活塞销座的上端部受连杆侧向力较小的侧壁上分布有隔冷槽。

2.根据权利要求1所述的用于两级式空气动力发动机的配气机构，其特征在于：所述的活塞销座部分的椭圆度最大，四处活塞裙部的椭圆度自上而下不断减小，加长的裙部为圆柱形，所述四处活塞裙部的的尺寸要比镂空部分的尺寸稍大，且加长部分的尺寸长度是根据气动发动机的参数来改动。

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