CN103925081A - 活塞式多功能气动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的“活塞式多功能气动机”是一种与活塞式内燃机、活塞式空气压缩机、活塞式气动马达类似的机械。已有的活塞式内燃机、空气压缩机、气动马达是功能相对单一的机械，本发明在同一台机器上实现了这三种活塞式气动机械的内部集成，这几种功能集成后，各功能之间相互支持、协同工作、取长补短，使得该多功能气动机各方面的性能得到显著提升。

Description

活塞式多功能气动机

一、技术领域

本发明涉及的“活塞式多功能气动机”属于气动机械领域。

二、背景技术

本发明涉及的“活塞式多功能气动机”(以下简称多功能气动机或气动机)是一种与活塞式内燃机、活塞式空气压缩机、活塞式气动马达类似的机械。已有的活塞式内燃机、空气压缩机、气动马达是功能相对单一的机械。本发明通过类似于生物学上的“杂交”理念，在同一台机器上实现了内燃机、空气压缩机、气动马达三种机械功能的内部集成，这几种功能集成后，各功能之间相互支持、协同工作、取长补短，使得该多功能气动机各方面的性能得到显著提升。

三、发明内容

1、本发明涉及的活塞式多功能气动机(以下简称多功能气动机)是一种集成了内燃机、压缩机、气动马达三种功能或其中任意两种功能的新型气动机械。

2、该多功能气动机不是内燃机、压缩机、气动马达三者在外观上的简单合并，它区别于这三种气动机械的根本特征为：它所集成的各种功能可共用部分或全部气路、气缸及活塞组，且它所集成的内燃机、压缩机、气动马达功能可单独运行，或将其中某两种功能同时运行；在外部特征上它区别于内燃机的主要特征是增加了储存压缩空气的设备，区别于活塞式压缩机及气动马达的主要特征是它的某些功能需要消耗燃料(或热能)。

3、该多功能气动机的工作过程由压缩过程、膨胀过程、热交换过程(吸热或放热)这三种基本过程组成，压缩过程及膨胀过程可为单级或多级；压缩过程与膨胀过程的级数可相同或不同；压缩过程与膨胀过程可单独进行，也可对称交替进行(压缩量＝膨胀量)或非对称交替进行(压缩量≠膨胀量)；压缩过程中可根据需要选择是否采取中冷措施；膨胀过程中可根据需要选择是否对气体提供热能；压缩气路及膨胀气路之间任意位置可根据需要设置储气设备。

4、该多功能气动机可实现以下功能：

(1)作为类似于一般活塞式内燃机的动力机械工作，此时，该多功能气动机通过“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”的往复循环，消耗热能获得机械能；

(2)作为被外力驱动的空气压缩机工作，此时，该多功能气动机从自然界吸入空气，并消耗机械能将空气压缩后储存在储气设备中；

(3)作为气动马达工作，此时，多功能气动机通过消耗储气设备中的压缩空气获得机械能；

(4)作为消耗热能的气动马达工作，此时，多功能气动机的储气设备释放压缩空气，并让压缩空气吸热升温，高温高压空气膨胀做功，从而对外输出能量

(5)运行在功能(1)、(2)之间，此时，多功能气动机从外界吸入空气并压缩，空气到达压缩终端后，一部分被存入储气设备内，剩余部分经过吸热升温、膨胀做功后被排向自然界，排气完成后重新吸气，如此往复循环；本项功能的实质是：多功能气动机通过消耗热能压缩空气并储存，与此同时，它可减少压缩空气的储存而对外输出动力，也可接收外界动力而增加压缩空气的储存；

(6)运行在功能(1)、(4)之间，此时，多功能气动机从外界吸入空气并压缩，同时，储气设备再释放一部分压缩空气与新压缩的空气合并，合并后的压缩空气经吸热升温→膨胀做功后被排向自然界，排气完成后重新进入下一个循环；本项功能的实质是：多功能气动机在运行功能(1)的同时，又利用储气设备中的压缩空气增加参与膨胀做功的空气量(该项功能可使气动机输出动力在功能一的基础上得到加强)；

(7)消耗少量能量空转的功能；

(8)自动充、放气功能；

(9)停机功能；

(10)停机后再次启动功能；

(11)随时起停功能；

(12)利用外部气源充气功能；

该多功能气动机实际应用中确定的功能可为以上(1)～(12)项功能的部分或全部。

5、该多功能气动机可利用多种形式的热能，如汽油、柴油、石油液化气、天燃气、氢气、醇类、煤炭等各种燃料燃烧的热能，以及废气余热、太阳能等。

6、该多功能气动机可通过吸气增压(机械增压或废气涡轮增压)提高工作效率。

四、附图说明

图1、图2表示该多功能气动机以二级气缸的形式实现时可采用的气动循环方式。

附图中两种气路在气瓶位置、气路布置等方面有一定差别图，图1比较适用于汽油、石油液化气、天燃气、氢气等易于与空气混合、可采用火花塞点火的情况；图2对柴油、汽油等常用燃料均可适用。

图1、图2中各编号对应的组件名称如下：

1——低压气缸

2——高压气缸

3——储存压缩空气的气瓶

4——节气阀(可选)

5——低压气缸压缩过程吸气门

6——低压气缸压缩过程排气门

71——冷却器(可选)

72——中冷转换(比例)阀(可选)

8——高压气缸压缩过程吸气门

9——高压气缸压缩终端排气门

10——三通

11——气瓶阀门

12——高压气缸膨胀过程吸气门

13——高压气缸膨胀过程排气门

14——低压气缸膨胀过程吸气门

15——低压气缸膨胀过程排气门

16——废气余热利用热交换器(可选)

17——余热利用转换气阀(可选)

18——缸内压缩余量(燃烧室)

19——限压阀

20——充气阀

21——储气冷却器

图1、图2中，各气门之间的气路管道兼有储气的功能，若有需要，可在管路中的适当部位增加储气设备。

五、具体实施方式

1、多功能气动机的组成

本发明所述的多功能气动机主要由以下部分组成：

(1)机体

(2)一级或多级气缸、活塞组；

(3)气缸、活塞、曲轴、连杆组成的曲柄连杆机构；

(4)储气设备——用于储存压缩空气；

(5)吸气→压缩气路——从外界吸入空气，经一级或多级压缩提高空气压强的路径(图1中，气路实线部分为吸气→压缩气路，含进气空滤、节气阀4、气门5、6、8、9、冷却器71、中冷转换气阀72等)

(6)膨胀→排气气路——压缩空气经过一级或多级气缸膨胀后被排向自然界的路径(图1中，气路虚线部分为膨胀→排气气路，含气门12、13、14、15、以及连接各气门间的管路等)；

(7)供油燃烧(热能供给)系统——提供热能对高压空气进行加热使其升温的系统；

(8)气路控制系统——该多功能气动机的特定功能对应特定的气路工作状态，气路控制系统通过对气门的开闭方式进行操作，以此实现气动机在各种功能之间的切换、以及实现对多功能气动机输入、输出功率的调节；

2、多功能气动机各种功能的简称定义

由于该多功能气动机功能及工作状态繁多，为便于描述简洁、清楚，先对多功能气动机各种功能简称定义如下：

功能一：消耗热能，输出机械能(即纯循环发动机功能，与气瓶不发生空气交换)

功能二：消耗机械能，获得压缩空气(即空气压缩机功能)，该功能可有如下A、B两种工作状态：

A状态：曲轴旋转2周完成一个压缩过程

B状态：曲轴旋转1周完成一个压缩过程

功能三：消耗压缩空气，获得机械能(即气动马达功能)，该功能可有如下C、D两种工作状态：

C状态：曲轴旋转2周完成一个释放压缩空气膨胀做功过程

D状态：曲轴旋转1周完成一个释放压缩空气膨胀做功过程

功能四：消耗压缩空气和热能，获得机械能(即消耗热能的气动马达功能)，该功能可有如下E、F两种工作状态：

E状态：曲轴旋转2周完成一个释放压缩空气并使其吸热膨胀做功过程

F状态：曲轴旋转1周完成一个释放压缩空气并使其吸热膨胀做功过程

功能五：发动机功能与压缩机功能的过渡状态，该功能可有G、H、I三种工作状态区间：

G状态：消耗热能，获得压缩空气和机械能

H状态：消耗热能，获得压缩空气

I状态：消耗热能和机械能，获得压缩空气

功能六：发动机功能与消耗热能的气动马达功能的过渡状态

功能七：消耗少量能量空转的功能

功能八：自动充、放气功能

功能九：停机功能

功能十：停机后再次启动功能

功能十一：随时起停功能

功能十二：利用外部气源充气功能

该多功能气动机可在同一台机器上全部实现以上功能，也可根据需要选择实现其中一部分功能。

3、多功能气动机各种功能的实现途径

下面，结合明书附图中图1，说明采用二级气缸、以汽油为燃料的多功能气动机的各种功能的实现途径及对应的工作原理。

(一)功能一的实现

功能一：消耗热能，输出机械能的循环式发动机功能(与气瓶不发生空气交换)。

该多功能气动机按功能一工作时，它通过“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”的往复循环对外做功，结合图1，对功能一各个环节的说明如下：

①、吸气：

进气(空气过滤)→节气阀4(可选)→低压活塞在上止点位置，气门5打开，活塞下行吸入空气，活塞运行到下止点位置，气门5关闭，吸气完成。

②、压缩：

压缩过程可细分为“一级压缩→中冷(可选)→二级吸气→二级压缩”几个环节：

一级压缩：低压活塞从下止点上行开始压缩空气，当缸内压强大于气门6外的压强时，气门6打开，活塞继续上行，压缩空气从低压气缸排出，一级压缩结束；

中冷(可选)：经过一级压缩后，气体温度升高，此时可视需要对气体采取中冷、非中冷、或部分中冷措施；若进行中冷，则中冷转换(比例)阀72接通冷却气路，关闭非冷却旁路，空气流经冷却器71进行冷却；若不中冷，气阀72接通非冷却旁路，关闭冷却气路，空气从非冷却旁路进入下一级压缩；若部分进行中冷、部分不进行中冷，通过转换(比例)阀72调节中冷与非中冷的空气比例。高、低压气缸间的气路可采取单一冷却气路，此时只保留冷却器71，转换气阀72与非中冷旁路被取消；也可采取单一非中冷气路，此时冷却器71、气阀72被取消，压缩气路的气门6、气门8之间用管路联通即可。

二级吸气：高压活塞在上止点位置，气门8打开，活塞下行吸入空气，活塞运行到下止点位置，气门8关闭，二级吸气结束；

二级压缩：高压活塞从下止点上行对空气进行压缩，当缸内压强大于气门9外的压强时，气门9打开，活塞继续上行，高压空气被排出气缸进入高压气路，活塞运行到上止点，二级压缩结束，气门9关闭，压缩过程结束。

③、吸热升温

空气压缩完毕后进入吸热升温(供油燃烧)过程，这一过程可在缸内或缸外进行。

图1所示的空气循环原理图中，在压缩终端的高压气路上喷射汽油(喷油点可设在吸气门12与转换气阀17之间)，喷油后汽油与空气混合，吸气门12打开、活塞下行吸入高压混合油气，气门关闭，然后火花塞点火爆发，高压空气迅速升温并进入膨胀过程。

高压空气在从气门9到从气门12之间的管路中流通时，可视情况选择是否通过热交换器16利用余热。

④、膨胀做功

膨胀做功过程可细分为“一级膨胀做功→一级排气→中间吸热(可选)→二级膨胀做功”几个环节，分述如下：

一级膨胀做功：空气吸热后变成高温高压空气，空气被封闭在一级气缸中膨胀推动活塞下行，活塞到达下止点时，一级膨胀做功过程结束。

一级排气：一级膨胀过程结束后，高压气缸气门13打开，活塞上行，将空气排出高压气缸，活塞到达上止点，一级排气结束，气门13关闭；

中间吸热(可选)：空气经一级膨胀做功之后，其温度、压强均有所降低，气体进入二级膨胀之前，可视情况选择中间吸热，中间吸热可采用对空气再次提供燃料，使其在低压气缸内进行二次燃烧的方式；或采取其它能使空气获得热能的方式。

二级膨胀做功：低压活塞在上止点位置时，低压气缸气门14打开，活塞下行吸入一定量空气，气门14关闭，活塞继续下行，空气膨胀做功，活塞到达下止点时，二级膨胀做功过程结束。

⑤、排气

空气膨胀做功结束后，低压活塞到达下止点，打开低压气缸排气门15，活塞上行排气；活塞到达上止点时，排气结束，完成一个工作循环。

该多功能气动机以功能一工作时，各活塞上下2次完成一个工作循环，对应气动机曲轴旋转2周。

(二)功能二的实现

功能二：消耗机械能获得压缩空气(即空气压缩机功能)。

当该多功能气动机按功能二工作时，膨胀气路气门12、13、14、15始终关闭，同时供油、燃烧系统也退出工作，只让压缩气路参与工作，这样，活塞的往复运动只能吸入空气并进行压缩，空气达到压缩终端后被存入气瓶。

该多功能气动机按功能二工作时，有A、B两种状态：

A、控制压缩气路气门5、6、8、9开闭的凸轮组采用与功能一相同的凸轮组，这时，活塞每上下2次(对应曲轴旋转2周)完成一个“吸气→压缩”过程，气动机执行该过程的方式与功能一中的压缩过程相同。按这一状态工作时，压缩过程中活塞的每2次上下运动中只有1次执行了“吸气→压缩”工作，相当于气动机有一半的运转属于“空转”，“空转”动作对应功能一的“吸气→压缩→膨胀→排气”完整循环中“膨胀→排气”的部分。

B、B状态是在A状态的基础上将气门5、6、8、9的开闭频率加快1倍，使A状态中“空转”的部分变成有效运转，活塞每上下1次(对应曲轴旋转1周)完成一个压缩过程。气门开闭频率的改变通过切换凸轮组实现。

(三)功能三的实现

功能三：消耗压缩空气，获得机械能(即气动马达功能)。

多功能气动机按功能三工作时，压缩气路上的气门5、6、8、9关闭，供油燃烧系统也关闭，只让膨胀气路参与工作，活塞运动时吸入气瓶储存的高压空气，高压空气膨胀做功推动气动机运转并输出机械能。

该多功能气动机实现功能三时，有如下C、D两种状态：

C、控制膨胀气路气门12、13、14、15开闭的凸轮组采用与功能一相同的凸轮组，高压空气经气动机膨胀做工的过程与功能一的气体“膨胀→排气”过程相同，活塞每上下2次(对应曲轴旋转2周)完成一个吸入高压空气并使其膨胀做功的过程。按这一状态工作时，膨胀过程中活塞的每2次上下运动中只有1次执行了“吸入高压空气并膨胀做功→排气”工作，相当于气动机有一半的运转属于“空转”，“空转”动作对应功能一的“吸气→压缩→膨胀→排气”完整循环中“吸气→压缩”的部分。

D、D状态是在C状态的基础上将气门12、13、14、15的开闭频率加快1倍，使C状态中“空转”的部分变成有效运转，活塞每上下1次(对应曲轴旋转1周)完成一个气体膨胀做功过程。气门开闭频率的改变通过切换凸轮组实现。

(四)功能四的实现

功能四：消耗压缩空气和热能，获得机械能(即消耗热能的气动马达功能)。

功能四与功能三接近，其差别仅是在纯气动马达的基础上，增加对高压空气提供热能使其升温，从而提高空气做功能力。该多功能气动机功能四的实现，是将压缩气路上的气门5、6、8、9关闭，让膨胀气路与燃料供给、燃烧系统同时参与工作，这样，活塞的往复运动吸入气瓶内储存的高压空气，并吸热升温，高温、高压空气在气动机气缸中膨胀推动活塞做功。

该多功能气动机实现功能四时，有如下E、F两种状态：

E、气瓶提供高压空气，气动机执行“吸热升温→膨胀做功→排气”，控制膨胀气路气门12、13、14、15开闭的凸轮组采用与功能一相同的凸轮组，活塞每上下2次(对应曲轴旋转2周)完成一次吸入高压空气并使其吸热膨胀做功的过程。本功能相当于将功能一的“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”这一完整的空气热动力循环中“吸气→压缩”的部分去掉，改由高压气瓶供给压缩空气。由于少了“吸气→压缩”的过程，活塞的每2次上下运动中只有1次为有效运动，相当于气动机有一半的运转为“空转”，“空转”部分与完整的“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”循环中“吸气→压缩”运动相对应。

F、F状态是在E状态的基础上将气门12、13、14、15的开闭频率及供油频率加快1倍，使E状态中“空转”的部分变成有效运转，活塞每上下1次(对应曲轴旋转1周)完成一个“气瓶供给高压空气→吸热升温→膨胀做功→排气”的过程。气门开闭频率的改变通过切换凸轮组实现。

(五)功能五的实现

功能五：发动机功能与压缩机功能的过渡状态

该多功能气动机功能五与功能一的运行在气门开闭方式、供热方式等方面均相同，功能五的不同之处为：在压缩终端，压缩产生的高压空气部分被存入气瓶，因此参与吸热膨胀做功的空气量少于压缩过程的空气量。

气动机以功能五运行时，根据“存入气瓶”与“吸热膨胀做功”的空气比例不同，其工作状态可细分为G、H、I三个区间：

G、消耗热能，获得压缩空气及机械能(此时，气动机消耗热能获得的机械能多于压缩空气所需的机械能，因此可在压缩空气的同时输出机械能，偏向于发动机状态)；

H、消耗热能，获得压缩空气(此时气动机消耗热能获得的机械能与压缩空气所需的机械能刚好平衡)；

I、消耗热能与机械能，获得压缩空气(此时气动机消耗热能获得的机械能少于压缩空气所需的机械能，需要额外的机械能来补充，偏向于压缩机状态)。

实现功能五的要素是：调节压缩终端的高压空气“存入气瓶”与“参与吸热膨胀做功”这两者的比例，在图1所示的原理图中，压缩空气经气门9排出高压气缸后，通过改变气门12开度及打开时间可控制流回气缸的空气量，从而实现这一比例的调节。

对于有多组气缸的情况，可通过改变参与膨胀工作过程的汽缸数来调节空气“存入气瓶”与“参与吸热膨胀做功”的比例。

(六)功能六的实现

功能六：发动机功能与消耗热能的气动马达功能的过渡状态(即功能一、四的过渡状态)

该多功能气动机功能六与功能一的运行在气门开闭方式、供热方式等方面均相同。功能六的不同之处为：在压缩终端，气瓶释放一部分空气，与新压缩的空气一起参与后续过程，因此参与吸热膨胀做功的空气量多于压缩过程的空气量。

实现功能六的要素，是在功能一的基础上，调节“气动机吸气量”与“气瓶释放空气量”两者之间的比例。在附图1的空气循环原理图中，“气动机吸气量”的调节可通过改变节气阀4的开度、或改变气门5的开度及开放时间来实现；在压缩终端，空气经气门9排出高压气缸后，通过改变气门12开度及打开时间可控制气缸吸入的空气量，从而实现这一比例的调节。

(七)功能七的实现

功能七：消耗少量能量空转的功能

该多功能气动机消耗少量能量空转的功能，类似于一般内燃机的“怠速”或“空转”，此时可让其运行在功能一、三、四中的某个状态，但减少参与工作的空气量及燃油供给，提供的能量只需能克服摩擦维持其运转即可。

也可通过消耗少量机械能克服摩擦使气动机维持空转，此时，其运转过程中不压缩空气、不消耗热能、也不消耗高压空气的。气动机消耗机械能空转的状态有多种途径可实现，例如：在各气缸的活塞位于上止点处起，将所有气门全部关闭(气动机按这一方式空转时理论上气缸内处于真空状态)；或者在各个气缸的气门中选择适当的气门处于常开状态，剩余气门处于常闭状态，也可实现气动机的空转(如图1中，空转时可选择气门5、8常开，其余气门常闭)。

(八)功能八的实现

功能八：自动充、放气功能

该多功能气动机的自动充气功能是建立在功能五的基础上，该功能的实现是在气动机的控制程序中设置自动充气条件，当气动机不输出动力或输出动力的水平较低时，如果气瓶内压低于设定值，将气动机运行状态切换到功能五对气瓶进行充气，气压充至设定水平后，充气停止。自动放气功能是在气瓶上设置限压阀，当气瓶内压超过限压阀设定的压强时，限压阀自动放气，保证气瓶内气压维持在正常水平。

(九)功能九、功能十的实现

功能九：停机功能

功能十：停机后再次启动功能

该多功能气动机需要停机时，停止对气动机提供能量(包括热能、压缩空气、机械能)，气动机在摩擦、缸内气压等作用下减速，就可以实现停机。气动机长时期停机时，关闭高压气瓶阀门11，以免漏气影响下一次启动。

该多功能气动机的停机启动可通过多种方式实现，可利用压缩空气启动，或采用类似一般内燃机的外力驱动(如采用启动电机驱动)。

利用压缩空气启动需要多功能气动机停机相位固定在一定范围(可通过停机装置实现)，需启动时气瓶向特定气缸提供高压空气使其启动(与气动马达的启动方式相同)。以图1为例，停机装置使气动机固定停在高压气缸的进气门12的吸气终止角之后一个较小的角度范围，需要启动时，启动装置打开气门12，高压空气进入高压气缸即可实现启动。

(十)功能十一的实现

功能十一：随时起停功能

该多功能气动机的随时起停功能建立在功能三(或功能四)、功能九、功能十的基础上。

该多功能气动机的气动马达功能具有容易启动的特点，在特定相位下只需供气即可运转，即使不采用固定相位停机，需要外力助推启动，所需的助推力也比较小，利用这个特点多功能气动机很容易实现随时起停。

当多功能气动机不需要充气，又不需要输出动力时，将其切换到气动马达状态并停止提供高压空气；当需要输出能量时，若气动机已停止运转，通过功能十使其启动并对其供气(或同时供给燃料)，气动机随即可输出动力。随时起停功能可通过油门控制，当不触发油门时，就停止对发动机提供能量让其自动减速，当触发油门时，就供气(或同时供油)使其运转。

(十一)功能十二的实现

功能十二：利用外部气源充气功能

该多功能气动机利用外部气源充气的功能只需在气瓶上设充气阀即可实现。

(十二)多功能气动机动力控制的实现

动力机械的动力(功率)控制总体上是通过两条基本途径来实现：一是改变扭矩，二是改变转速。转速调节可通过动力机械自身改变扭矩来实现，也可通过变速机构来实现。对气动机本身而言，动力控制的核心是改变扭矩。本多功能气动机有多种途径可实现扭矩的调节，这些途径包括：改变燃料供给浓度、配气调节、改变工作模式等。该多功能气动机实现功率调节的各种方法可灵活选择(组合)。

(1)改变燃料供给浓度调节扭矩

该多功能气动机所有消耗热能的功能(功能一、四、五、六)均可通过改变燃料供给浓度实现对扭矩的调节。

(2)通过配气调节功率

该多功能气动机可通过配气调节扭矩，功能一～六均可通过这一方式实现对扭矩的调节。

在图1的气动循环原理图中，配气调节可在两个节点进行，一是低压气缸的压缩气路进气端，二是高压气缸的膨胀气路进气端。低压气缸进气端的配气控制，可通过改变节气阀4的开度或改变气门5的开度及开放时间来实现。高压气缸进气端的配气控制，通过改变气门12的开度及开放时间即可实现。

(3)通过改变工作状态(功能模式)调节扭矩

该多功能气动机可通过在各种功能之间切换实现输入、输出扭矩的调节。(部分功能之间的切换本质上属于前述“配气调节”的范围)。

在输出动力的各种功能中，该多功能气动机正常运行可获得的最大扭矩从大到小的关系如下：

功能四F状态＞功能四E状态＞功能六＞功能一＞功能五G状态

功能四F状态＞功能三D状态＞功能三C状态

在被驱动(压缩空气)的功能中，该多功能气动机的各功能正常运行可接收的最大扭矩从大到小的关系为：

功能二B状态＞功能二A状态＞功能五I状态

功能五H状态是该多功能气动机输出动力与接收动力的分界点。

(十三)改变气门开闭操作的实现

该多功能气动机的气门开闭操作可采用“凸轮+顶杆+杠杆机构+间隙”的机构，或采用顶置气门操作机构。气动机运行过程中，各功能之间的切换经常涉及到气门开闭操作方式的改变，这些改变主要有三种形式：一是改变开闭频率，二是改变开度和开放时间(调节进气量)，三是使气门处于“常闭”或“常开”状态。

(1)气门开闭频率的改变

气动机正常运行过程中，气门开闭动作由凸轮的转动触发，因此，改变气门开闭频率可通过增加凸轮类型或改变凸轮轴转速两种方式来实现。本多功能气动机的气门开闭频率有两种情况，一种是曲轴旋转2周开闭一次，另种是曲轴旋转1周开闭一次。现以增加凸轮为例，说明改变气门开闭频率的实现方法：

将曲轴与凸轮轴的转速比固定为2(即曲轴每转2圈，凸轮轴转1圈)；对应曲轴旋转2周气门开闭1次的凸轮采用一端凸起的形状；对应曲轴旋转1周气门开闭1次的凸轮采用两端凸起的形状；两个凸轮紧贴，并在两者之间设滑槽，保证气动机运行中顶杆可通过滑槽在凸轮间来回滑动；当需要改变气门开闭频率时，触发机构推动顶杆或凸轮移动位置，顶杆就通过滑槽在各凸轮之间切换。

(2)气门开度和开放时间的改变

气门开度和开放时间可通过调节气门触发机构(凸轮+顶杆+杠杆机构+间隙)的“间隙”来进行调节。

(3)气门的“常闭”或“常开”

气门的“常闭”或“常开”可通过以下方式实现：

方案一：通过加大气门触发机构的“间隙”来实现，当凸轮到气门之间的传动间隙大于凸轮触发的最大位移量时，凸轮推动传动机构的动作就不能传递到气门上，通过这一方式可实现气门开闭与凸轮运动之间的关联消失，于是气门可根据需要通过专门机构使其保持“常闭”或“常开”。

方案二：在触发气门开闭的“凸轮”旁边增加“圆轮”；各轮之间设滑槽，使顶杆可在各凸轮间来回滑动；当气门需要常开或常闭时，将顶杆切换到“圆轮”上，这样，气动机转动与气门之间的关联消失，于是气门可根据需要通过专门机构使其保持“常闭”或“常开”。

(十四)多种形式的燃料、热能利用及废气余热利用

前面关于该多功能气动机的运行原理中以汽油为例阐述了其气动循环及供油燃烧过程。由于该多功能气动机压缩终端及各级气缸之间的膨胀气路可根据需要灵活布置，这一特点使得该多功能气动机可利用多种形式的燃料及热能，常见的固态、液态、气态燃料它均可使用。它获得热能的方式，可采用像传统内燃机在缸内燃烧，可采用在中间气路的恰当部位燃烧，可采用外部燃烧传热，可利用尾气余热，可采用非燃烧式的热能——如太阳能等。

当利用煤炭燃烧、太阳能等形式的热量时，一般采用缸外吸热的方式，如图1所示气路中，吸热范围可选择在高压气路气门12之前的恰当位置。

当采用柴油作为燃料时，由于柴油不易与空气形成混合气，一般采用缸内喷油燃烧的方式，此时高压气缸需较高的压缩比保证压缩终端空气温度高于柴油燃点。采用图2所示的气路可适用于柴油燃料，其供油及燃烧方式同一般柴油机(即采用缸内喷射柴油，通过提高压缩比保证缸内压缩空气的温度高于柴油燃点，使柴油喷射出來立即自发燃烧)。

图2的气路中，高压气缸内有燃烧室，其执行“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”循环模式时，压缩终端高压空气不必排出气缸，直接在缸内供油燃烧

由于该多功能气动机不同工作模式下高压气缸吸入的空气量有差别，当该多功能气动机采用图2保留燃烧室的方式时，高压气缸燃烧室需根据不同使用场合的功能要求采用固定容积或可变容积。对于需要采用变容积燃烧室的情况，可采用“活塞式燃烧室”实现容积的连续可变；或采用多个燃烧室，需要变容时通过“滑阀”等方式关闭部分(或全部)燃烧室，实现燃烧室容积的“阶梯式”改变。

该多功能气动机利用热能的灵活性使得它可以充分利用一切值得利用的热能，废气余热利用可轻易实现。附图中，如果废气温度与气瓶出口阀门11到低压气缸进气门14之间气路温度有足以值得利用的温差，可以设置热交换器利用废气余热对高压空气进行加热，从而提高热能的利用效率。说明书附图中图1、图2示意了可采用的余热利用方式：图1中，设置热交换器16及转换气阀17，当利用余热时，转换气阀17接通余热利用气路，关闭非余热利用气路，高压空气经过热交换器16吸收余热；当不利用余热时，转换气阀17接通非余热利用气路，关闭余热利用气路；气阀17还可采用比例阀，使部分空气与废气进行热交换。图1所示为选择性利用余热，若不进行选择，气路可得到简化。图2示意了在高压气缸进气门12之前的气路上通过热交换器利用余热的情况。

(十五)通过吸气增压提高做功能力的实现

活塞式内燃机可通过吸气增压的方式增加吸气量提高其做功能力，目前常用的吸气增压方式有机械式增压和废气驱动涡轮增压两大类。当该多功能气动机可采用与内燃机类似的增压技术，提高其工作效率。

(十六)多功能气动机的适用范围及其形式演变

该多功能气动机的用途主要有两大类：一是作为输出动力及回收利用机械能的发动机使用；二是作为提供压缩空气的设备使用。实际应用中，根据使用需求的变化，该多功能气动机的形式将发生各种各样的演变，其演变主要集中在两方面：

1、气缸级数、个数的演变

本说明中以二级气缸(每级1个)的形式阐述多功能气动机基本原理，在实际应用中，气缸级数一般为1～4级，气缸个数变化无常(最少1个，大型机械上可多达数百个)；压缩过程的级数与膨胀过程的级数可相同、也可能不同。

2、气路及储气设备的形式演变

实际应用中根据不同气缸级数、个数、以及不同的使用需求，多功能气动机的气路及储气设备的布置形式变化万千，不能一一列举。

本发明的核心在于对基本气动过程的新的组合应用，而不涉及具体实施的技术细节，诸如不同燃料类型的供给、燃烧、具体配气方式的实施及优化等技术细节，不属于本发明的范围。

Claims (7)

1.本发明涉及的活塞式多功能气动机(以下简称多功能气动机)是一种集成了内燃机、压缩机、气动马达三种功能或其中任意两种功能的新型气动机械。

2.该多功能气动机不是内燃机、压缩机、气动马达三者在外观上的简单合并，它区别于这三种气动机械的根本特征为：它所集成的各种功能可共用部分或全部气路、气缸及活塞组，且它所集成的内燃机、压缩机、气动马达功能可单独运行，或将其中某两种功能同时运行；在外部特征上它区别于内燃机的主要特征是增加了储存压缩空气的设备，区别于活塞式压缩机及气动马达的主要特征是它的某些功能需要消耗燃料(或热能)。

3.该多功能气动机的工作过程由压缩过程、膨胀过程、热交换过程(吸热或放热)这三种基本过程组成，压缩过程及膨胀过程可为单级或多级；压缩过程与膨胀过程的级数可相同或不同；压缩过程与膨胀过程可单独进行，也可对称交替进行(压缩量＝膨胀量)或非对称交替进行(压缩量≠膨胀量)；压缩过程中可根据需要选择是否采取中冷措施；膨胀过程中可根据需要选择是否对气体提供热能；压缩气路及膨胀气路之间任意位置可根据需要设置储气设备。

4.该多功能气动机的用途主要有两大类：一是作为输出动力及回收利用机械能的发动机使用；二是作为提供压缩空气的设备使用。

5.该多功能气动机可实现以下功能：

(1)作为类似于一般活塞式内燃机的动力机械工作，此时，该多功能气动机通过“吸气→压缩→吸热升温→膨胀做功→排气”的往复循环，消耗热能获得机械能；

(2)作为被外力驱动的空气压缩机工作，此时，该多功能气动机从自然界吸入空气，并消耗机械能将空气压缩后储存在储气设备中；

(3)作为气动马达工作，此时，多功能气动机通过消耗储气设备中的压缩空气获得机械能；

(4)作为消耗热能的气动马达工作，此时，多功能气动机的储气设备释放压缩空气，并让压缩空气吸热升温，高温高压空气膨胀做功，从而对外输出能量

(5)运行在功能(1)、(2)之间，此时，多功能气动机从外界吸入空气并压缩，空气到达压缩终端后，一部分被存入储气设备内，剩余部分经过吸热升温、膨胀做功后被排向自然界，排气完成后重新吸气，如此往复循环；本项功能的实质是：多功能气动机通过消耗热能压缩空气并储存，与此同时，它可减少压缩空气的储存而对外输出动力，也可接收外界动力而增加压缩空气的储存；

(6)运行在功能(1)、(4)之间，此时，多功能气动机从外界吸入空气并压缩，同时，储气设备再释放一部分压缩空气与新压缩的空气合并，合并后的压缩空气经吸热升温→膨胀做功后被排向自然界，排气完成后重新进入下一个循环；本项功能的实质是：多功能气动机在运行功能(1)的同时，又利用储气设备中的压缩空气增加参与膨胀做功的空气量(该项功能可使气动机输出动力在功能一的基础上得到加强)；

(7)消耗少量能量空转的功能；

(8)自动充、放气功能；

(9)停机功能；

(10)停机后再次启动功能；

(11)随时起停功能；

(12)利用外部气源充气功能；

该多功能气动机实际应用中确定的功能可为以上(1)～(12)项功能的部分或全部。

6.该多功能气动机可利用多种形式的热能，如汽油、柴油、石油液化气、天燃气、氢气、醇类、煤炭等各种燃料燃烧的热能，以及废气余热、太阳能等。

7.该多功能气动机可通过吸气增压(机械增压或废气涡轮增压)提高工作效率。