CN103967606A - 燃料气动马达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的燃料气动马达是一种类似于活塞式气动马达的气动机械。它在利用压缩空气膨胀做功的基础上，通过燃烧燃料为空气提供热能，从而大大提高了压缩空气的做功能力。

Description

燃料气动马达

一、技术领域

本发明涉及的“燃料气动马达”属于气动器械领域。

二、背景技术

本发明涉及的燃料气动马达是一种类似于活塞式气动马达的气动机械，该燃料气动马达在利用压缩空气膨胀做功的基础上，通过燃烧燃料为空气提供热能，从而大大提高了压缩空气的做功能力。

三、发明内容

1、本发明涉及的燃料气动马达是一种类似于传统活塞式内燃机和气动马达的气动机械，其功能是将压缩空气和燃料的能量转化为机械能。

2、该燃料气动马达区别于传统活塞式内燃机的核心特征为：它不从自然界吸入空气，其工作过程无“压缩过程”，而是直接吸入压缩空气；它区别于一般活塞式气动马达的核心特征为：空气膨胀过程中燃烧燃料为空气提供热能，因此它需要消耗燃料；它也可像一般气动马达一样工作，只消耗压缩空气、不消耗燃料。

3、该燃料气动马达适用于需要将压缩空气和燃料的能量转化为机械能的场合，如用于驱动各类车辆、船舶、发电设备、压缩机、油泵、水泵、及各类工程机械等。

4、该燃料气动马达的燃料可为各类液态、气态、固态燃料(如汽油、柴油、石油液化气、天燃气、氢气、甲醇、煤炭等)，可采用混合燃料，可利用废气余热、太阳能等。

5、该燃料气动马达的废气可用于驱动涡轮。

6、该燃料气动马达的膨胀过程可为一级或多级，当为多级膨胀过程时，各级之间可根据需要对气体工质进行中间加热。

四、附图说明

图1、图2所示为该燃料气动马达的工作原理。图中各编号对应的组件名称如下：

1——气缸及活塞

2——进气门

3——排气门

4——储气设备(气瓶)

5——气阀

6——废气余热利用热交换器

7——余热利用比例阀

8——节气阀(可选)

9——限压阀

10——充气阀

五、具体实施方式

1、燃料气动马达的组成

本发明所述的燃料气动马达主要由以下部分组成：

(1)机体

(2)气缸、活塞组(至少1个气缸及活塞)；

(3)气缸、活塞、曲轴、连杆组成的曲柄连杆机构(图1所示仅为一种可能的形式)；

(4)储气设备——用于储存压缩空气；

(5)气路——压缩空气从储气设备流出、经气缸膨胀后被排向自然界的路径；

(6)供油(气)燃烧系统——提供燃料燃烧使高压空气温度升高的系统；

(7)配气调节系统(可选)——调节燃料气动马达每个工作过程吸气量的系统；

(8)余热利用系统(可选)——利用废气余热对高压空气提供热能的系统(根据废气余热利用价值选用)；

2、燃料气动马达各种功能的简称定义

为便于描述简洁，先对该燃料气动马达各种功能简称定义如下：

功能一：正常运行输出动力(消耗压缩空气和燃料，输出机械能)

功能二：怠速功能(消耗少量压缩空气和燃料、或只消耗压缩空气，维持低速运转)

功能三：停机功能

功能四：停机后再次启动功能

功能五：随时起停功能

功能六：利用外部气源充气功能

功能七：自动限压功能

该燃料气动马达可全部实现以上功能，也可根据需要选择实现其中一部分功能。

3、燃料气动马达各种功能的实现途径

下面，结合图1、图2，以汽油燃料、单级膨胀过程为例，说明该燃料气动马达的工作原理及各种功能的实现途径。

(一)功能一的实现

功能一：正常运行输出动力(消耗压缩空气和燃料，输出机械能)

该燃料气动马达按功能一工作时，它通过“吸入压缩空气→燃料燃烧使空气升温→气体膨胀做功→排气”的重复动作，将压缩空气及燃料的能量转化为机械能，结合图1、图2，对各个工作环节的说明如下：

①、吸气

储气设备中压缩空气经气路引至进气门前，活塞在上止点(附近)，进气门2打开，活塞下行吸入一定压缩空气，气门2关闭，吸气完成。

②、吸热升温、膨胀做功

该燃料气动马达的燃油供给可在进气门之前的管路恰当部位喷射汽油，喷油后汽油与空气混合，高压混合气被吸入气缸后，火花塞点火爆发，空气温度升高，其体积膨胀推动活塞下行，活塞运行到下止点，膨胀过程结束。

该燃料气动马达供油方式可采用缸外喷油与空气混合，或采用缸内直喷，或两种方式并行。

高压空气从储气设备到气门2之间的管路上，可视情况对废气余热进行利用。

③、排气

空气膨胀做功结束后，活塞到达下止点，打开排气门3，活塞上行排气；活塞到达上止点(附近)，排气结束，排气门关闭，完成一个工作循环。

该燃料气动马达工作时，活塞上下1次(对应曲轴旋转1周)完成一个工作过程。

该燃料气动马达也可按纯气动马达模式工作输出动力，只消耗压缩空气、不消耗燃料，上述工作过程中，将供给燃料燃烧的过程取消，即变成纯气动马达工作模式。

(二)功能二的实现

功能二：怠速功能(消耗少量压缩空气和燃料、或只消耗压缩空气，维持低速运转)

该燃料气动马达消耗少量压缩空气与燃料空转时的工作状态与功能一相同，差别仅是将供油量和吸气量置于维持其运转所需的最低状态。怠速时，也可采取只供给少量压缩空气、不供油燃烧的运行方式(即单纯气动马达工作模式)。

(三)功能三、功能四的实现

功能三：停机功能

功能四：停机后再次启动功能

该燃料气动马达需要停机时，停止对其供气、供油，机器在摩擦作用下减速，就可以实现停机(当停机时间较长时，关闭气阀5以免漏气)。

该燃料气动马达的停机启动可通过多种方式实现，可利用压缩空气启动，或采用外力驱动(如设置启动电机)。

当利用压缩空气启动时，须使燃料气动马达停在活塞下行对应的相位范围(可通过停机装置实现)，这样需再次启动时向气缸提供高压空气即可推动活塞下行实现启动。以图1为例，通过停机装置使燃料气动马达的停机位置固定在活塞上止点之后的恰当角度范围，需要启动时，启动装置打开气阀5及气门2，压缩空气流入气缸即可推动活塞下行实现启动。

(四)功能五的实现

功能五：随时起停功能

该燃料气动马达的随时起停功能建立在功能三、功能四的基础上。

当燃料气动马达不需要输出动力时，可停止供气、供油，让其减速停机；当需要输出动力时，若它已停止运转，通过功能四使其启动(随时起停可结合油门和动力输出情况控制，当一定时间范围内没有动力输出，也没有触发油门的动作，就停止供油，当触发油门时，就使其运转)。

(五)功能六、功能七的实现

功能六：利用外部气源充气功能

功能七：自动限压功能

充气功能是在储气设备上设置充气接口(充气阀10)，当储气设备中压缩空气量减少、气压降低后，利用外部气源给储气设备充气，以维持燃料气动马达正常工作所需的气压水平。

自动限压功能是当特殊原因引起储气设备压力超过正常水平时，通过限压阀9放气，降低储气压强。

(六)燃料气动马达动力控制的实现

动力机的动力(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。对动力机本身而言，动力控制的核心是改变扭矩。本燃料气动马达输出扭矩可通过改变吸气量和燃料供应量进行调节(两者同时调节或选择其中之一调节)：当需要加强动力输出时，增加供油量、吸气量；当需要减弱动力时，减少供油量、吸气量。燃料供应量的调节通过供油系统来实现。吸气量的调节可通过改变节气阀8的开度或改变气门2的开度及开放时间来实现。

(六)多种形式的燃料、热能利用及废气余热利用

前面关于该燃料气动马达的运行原理中以汽油燃料为例阐述了其工作循环过程。由于该燃料气动马达储气设备到进气门之间的气路可根据需要灵活布置，这一特点使得该燃料气动马达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，可采用像一般内燃机在缸内燃烧(前述说明即为缸内燃烧的方式)，可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，吸热范围可选择在进气门2之前的高压管路的恰当位置)。

该燃料气动马达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。如果废气温度与储气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。图2示意了通过设置热交换器6及比例阀7利用余热的一种方法(余热利用比例阀7的作用是调节利用余热的气体工质的比例，当全部利用余热时，图2中的比例阀7和非余热利用气路可取消)。

(七)利用废气涡轮输出动力

在需要的情况下，可在燃料气动马达的排气管路上设置废气涡轮，废气涡轮可成为燃料气动马达除曲轴以外的另一个动力输出点。

Claims (5)

1.本发明涉及的燃料气动马达是一种类似于传统活塞式内燃机和气动马达的气动机械，其功能是将压缩空气和燃料的能量转化为机械能。

2.该燃料气动马达区别于传统活塞式内燃机的核心特征为：它不从自然界吸入空气，其工作过程无“压缩过程”，而是直接吸入压缩空气；它区别于一般活塞式气动马达的核心特征为：空气膨胀过程中燃烧燃料为空气提供热能，因此它需要消耗燃料；它也可像一般气动马达一样工作，只消耗压缩空气、不消耗燃料。

3.该燃料气动马达适用于需要将压缩空气和燃料的能量转化为机械能的场合，如用于驱动各类车辆、船舶、发电设备、压缩机、油泵、水泵、及各类工程机械等。

4.该燃料气动马达的燃料可为各类液态、气态、固态燃料(如汽油、柴油、石油液化气、天燃气、氢气、甲醇、煤炭等)，可采用混合燃料，可利用废气余热、太阳能等。

5.该燃料气动马达的废气可用于驱动涡轮。