CN106762126A - 一种曲柄式活塞气动发动机装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种曲柄式活塞气动发动机装置，包括若干双作用气缸和连接相邻气缸的若干曲柄动力输出单元、变速压盘、惯性轮、气压控制回路；其中每一所述曲柄动力输出单元包括活塞杆连接头、活塞杆连接轴、第一曲柄、第二曲柄、曲轴输出轴、惯性轮轴，活塞杆连接头一端与气缸活塞杆固定连接且另一端与活塞杆连接轴中部位置固定连接，活塞杆连接轴两端分别与第一曲柄、第二曲柄的上端通过轴承连接，第一曲柄下端通过轴承与曲轴输出轴连接，第二曲柄下端通过轴承与惯性轮轴连接；相邻的气缸之间通过曲轴输出轴或惯性轮轴连接；变速压盘设置于最外侧的曲轴输出轴上且固定；惯性轮设置于最外侧的惯性轮轴上且固定；气压控制回路控制气缸做功。

Description

一种曲柄式活塞气动发动机装置

技术领域

本发明涉及一种发动机技术，特别是一种曲柄式活塞气动发动机装置。

背景技术

据统计，目前全球每日石油消耗量约为五千万桶，而其中用于交通运输方面约占50％，在其中，汽车的用油约占80％。目前全球的探明石油储量，按现在的石油消耗量计算，仅可用40年左右。因此，如果依然以石油作为汽车动力的唯一能源，汽车工业不久就会走到尽头。另一方面，汽车尾气已成为我国大城市中CO、NOx和CH等污染物的第一大污染源。燃烧所排放的大量二氧化碳气体是造成地球温室效应的主要原因。汽车燃料的燃烧不完全也成为空气中悬浮颗粒物增加的原因之一。

为了解决或暂缓汽车工业发展带来的能源、环境等方面问题，现代发动机采用新技术降低排放与燃油消耗率。但是，无论是采用先进的电子喷射系统发动机、加装三元催化系统、采用废气再循环、混合动力等技术，还是采用压缩天然气、液化石油气等替代燃油发动机，汽车动力都是以内燃机为基础，只能减少污染气体的排放量，不能实现真正意义上的“零排放”。

中国专利CN1851260A提出了一种使用压缩空气作动力的车辆发动机，利用清洁能源——压缩空气推动汽缸活塞，与普通内燃机相似通过曲柄滑块机构输出动力。浙江大学博士论文《气动发动机工作过程和关键零部件优化研究》中也针对该驱动结构进行了深入研究，并在水冷柴油机基础上进行改造展开试验研究。虽然他们都利用了压缩气体进行膨胀作功，但在传动结构上仍然采用曲柄滑块机构，其腔室膨胀推动活塞时才作功，而在活塞反行程运动时不作功，影响系统工作效率。

中国专利102031993A提出了一种使用压缩空气作动力的车辆发动机，利用清洁能源——两级膨胀活塞式气动发动机装置，尽管通过往复运动和热交换系统加热来提高整个系统的工作效率，但是输出扭矩小，且扭矩波动率大，不利于大动力输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种曲柄式活塞气动发动机装置，使用的压缩空气能代替汽油、柴油或液化石油气燃料，驱动车辆行驶，能够实现汽车尾气的真正“零排放”。

一种曲柄式活塞气动发动机装置，包括若干双作用气缸和连接相邻气缸的若干曲柄动力输出单元、变速压盘、惯性轮、气压控制回路；其中每一所述曲柄动力输出单元包括活塞杆连接头、活塞杆连接轴、第一曲柄、第二曲柄、曲轴输出轴、惯性轮轴，活塞杆连接头一端与气缸活塞杆固定连接且另一端与活塞杆连接轴中部位置固定连接，活塞杆连接轴两端分别与第一曲柄、第二曲柄的上端通过轴承连接，第一曲柄下端通过轴承与曲轴输出轴连接，第二曲柄下端通过轴承与惯性轮轴连接；相邻的气缸之间通过曲轴输出轴或惯性轮轴连接；变速压盘设置于最外侧的曲轴输出轴上且固定；惯性轮设置于最外侧的惯性轮轴上且固定；气压控制回路控制气缸做功。

采用上述装置，所述气压控制回路包括若干子气压控制回路，每一子气压控制回路包括三位五通减压阀、进气端电磁换向阀、出气端电磁换向阀，所有子气压控制回路共用一气罐；其中气罐通过气路软管与三位五通减压阀的第一进气端连通，三位五通减压阀的第二进气端通过气路软管与进气端电磁换向阀的第一进气端连通，三位五通减压阀的第一出气端通过气路软管与出气端电磁换向阀的第一出气端连通，三位五通减压阀的其余端口封死，进气端电磁换向阀的第一出气端通过气路软管与气缸的无杆腔室连通，出气端电磁换向阀的第一进气端通过气路软管与气缸的有杆腔室连通，进气端电磁换向阀和出气端电磁换向阀的第二出气端与外界连通，进气端电磁换向阀和出气端电磁换向阀的其余端口封死。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明采用四个气缸膨胀作功，四个气缸的充气过程皆为非全程充气，制定气动发动机的控制策略，编写程序利用PLC对气动发动机的工作过程进行控制,确保电气控制的可靠性和稳定性，提高了能量使用效率。(2)一个气缸的两侧腔室都作为工作腔，往复运动双向提供动力，输出扭矩大，且扭矩波动率小，输出轴的动力输出平稳，结构紧凑。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明的机械传动输出系统示意图，其中(a)为单缸的机械传动示意图，(b)为四缸组合的机械传动示意图。

图2是本发明单缸控制回路系统示意图示意图。

图3是本发明四缸组合的控制回路系统示意图示意图。

图4是曲轴示意图。

图5是曲轴输出轴零件示意图。

图6是曲柄零件示意图。

图7是惯性轮轴零件示意图。

具体实施方式

结合图1、图4至图7，气缸选用的是单活塞杆尾部轴销式双作用气缸7，第一支架板4与第二支架板8通过双头螺栓固定，气缸连接尾轴6将单活塞杆尾部轴销式双作用气缸7与组合支架板连接，气缸活塞杆与活塞杆连接接头5螺纹低副连接，活塞杆接头5与活塞杆连接轴通过2个小套筒实现轴向定位与固定，活塞杆连接轴9与曲柄310转动连接。

气缸活塞杆连接接头5装入活塞杆连接轴9，连接轴两端装入两个曲柄310，曲柄的另一端分别装入曲轴输出轴1和惯性轮轴12。曲轴输出轴12从左往右依次装入轴承17、第一支架板4、端盖和变速压盘22与1固定连接；惯性轮轴从右往左依次装入轴承2及端盖16、支架板28、轴承端盖、惯性轮11四气缸共用一个11、轴承1及端盖15、惯性轮护板14、轴承端盖15；最后将支架板预留连接处通过螺杆及套筒组合连接，惯性轮轴外端装上联轴器12并与光电编码器13连接。曲轴上的零件与曲轴必须有可靠的轴向定位和固定及周向定位和固定，以保证各零件正常工作。

曲轴上零件的轴向定位和固定方式如下：惯性轮11通过惯性轮轴12上的轴肩实现轴向定位，通过螺纹连接实现轴向固定；活塞杆接头5与活塞杆连接轴10通过2个小套筒实现轴向定位与固定；相邻气缸装配体通过1个大套筒实现在曲轴输出轴上的轴向定位与固定；所有轴承通过轴肩和端盖实现轴向定位和固定；所有支架板、护板通过压盖实现轴向定位和固定。

曲轴上零件的周向定位和固定方式如下：两个曲柄9通过惯性轮轴12和曲轴输出轴1上的平键实现周向定位和固定；相邻气缸通过曲轴输出轴上1的平键实现周向定位和固定。

结合图2、图3，气罐18内有压缩气体，减压阀20通过软管、过滤器19与18连接，其作用是把高压压缩气体减压到工作压力，三位五通电磁阀21的进气端连接到减压阀20，电磁阀21的进气端接电磁换向阀22-1的进气端，电磁换向阀22-2的出气端连接电磁阀21的出气端其余端口封死，电磁换向阀22-1和电磁换向阀22-2的出气端通过软管连接消声器23最终将气体导入大气中；电磁换向阀22-1的上端通过软管与单活塞杆尾部轴销式双作用气缸7无杆腔室连接，电磁换向阀22-2的上端通过软管与单活塞杆尾部轴销式双作用气缸7有杆腔室连接，气缸活塞杆连接接头5装入活塞杆连接轴9，连接轴两端装入两个曲柄10，曲柄的另一端分别装入曲轴输出轴1和惯性轮轴12。曲轴输出轴12从左往右依次装入轴承317、支架板14、轴承1及端盖15和变速压盘2；惯性轮轴从右往左依次装入轴承2及端盖16、支架板28、轴承端盖、惯性轮11、轴承1及端盖15、惯性轮护板14、轴承端盖15；最后将支架板预留连接处通过螺杆及套筒组合连接，惯性轮轴外端装上联轴器并与光电编码器13连接。全程的电磁阀的动作顺序，利用PLC流程编写程序对气动发动机的工作过程进行控制。当气缸7活塞和曲柄10均位于上止点时，向气缸无杆腔充气，无杆腔的配气冲程开始，同时有杆腔向外排气，有杆腔的排气冲程开始，活塞杆向外伸出，并推动曲柄10旋转；当活塞和曲柄到达无杆腔配气停止点时，无杆腔配气冲程结束，自由膨胀冲程开始，压缩空气在无杆腔内膨胀做功，并继续推动曲柄10旋转，此时有杆腔仍处于排气冲程；当气缸7活塞和曲柄10到达下止点时，无杆腔的自由膨胀冲程和有杆腔的排气冲程结束，向气缸有杆腔充气，有杆腔的配气冲程开始，同时无杆腔向外排气，无杆腔的排气冲程开始，气缸7活塞杆缩回，并推动曲柄10旋转；当气缸7活塞和曲柄10到达有杆腔配气停止点时，有杆腔配气冲程结束，自由膨胀冲程开始，压缩空气在有杆腔内膨胀做功，并继续推动曲柄旋转，此时无杆腔仍处于排气冲程；当气缸7活塞和曲柄10到达上止点时，有杆腔的自由膨胀冲程和无杆腔的排气冲程结束，气动发动机完成了一个工作循环，整个动力传递过程如此往复循环。

Claims (7)

1.一种曲柄式活塞气动发动机装置，其特征在于，包括若干双作用气缸(7)和连接相邻气缸(7)的若干曲柄动力输出单元、变速压盘(2)、惯性轮(11)、气压控制回路；其中

每一所述曲柄动力输出单元包括活塞杆连接头(5)、活塞杆连接轴(9)、第一曲柄(3)、第二曲柄(10)、曲轴输出轴(1)、惯性轮轴(12)，

活塞杆连接头(5)一端与气缸(7)活塞杆固定连接且另一端与活塞杆连接轴(9)中部位置固定连接，

活塞杆连接轴(9)两端分别与第一曲柄(3)、第二曲柄(10)的上端通过轴承连接，

第一曲柄(3)下端通过轴承与曲轴输出轴(1)连接，

第二曲柄(10)下端通过轴承与惯性轮轴(12)连接；

相邻的气缸(7)之间通过曲轴输出轴(1)或惯性轮轴(12)连接；

变速压盘(2)设置于最外侧的曲轴输出轴(1)上且固定；

惯性轮(11)设置于最外侧的惯性轮轴(12)上且固定；

气压控制回路控制气缸(7)做功。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气压控制回路包括若干子气压控制回路，每一子气压控制回路包括三位五通减压阀(21)、进气端电磁换向阀(22-1)、出气端电磁换向阀(22-2)，所有子气压控制回路共用一气罐(18)；其中

气罐(18)通过气路软管与三位五通减压阀(21)的第一进气端连通，

三位五通减压阀(21)的第二进气端通过气路软管与进气端电磁换向阀(22-1)的第一进气端连通，

三位五通减压阀(21)的第一出气端通过气路软管与出气端电磁换向阀(22-2)的第一出气端连通，

三位五通减压阀(21)的其余端口封死，

进气端电磁换向阀(22-1)的第一出气端通过气路软管与气缸(7)的无杆腔室连通，

出气端电磁换向阀(22-2)的第一进气端通过气路软管与气缸(7)的有杆腔室连通，

进气端电磁换向阀(22-1)和出气端电磁换向阀(22-2)的第二出气端与外界连通，

进气端电磁换向阀(22-1)和出气端电磁换向阀(22-2)的其余端口封死。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气压控制回路还包括设置在气罐(18)和三位五通减压阀(21)间的减压阀(20)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述气压控制回路还包括设置在气罐(18)和减压阀(20)间的过滤器(19)。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，进气端电磁换向阀(22-1)和出气端电磁换向阀(22-2)的第二出气端连接消声器(23)，通过消声器(23)将气体导入外界。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，最外侧的惯性轮轴(12)通过联轴器与光电编码器(13)连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括组合支架，气缸(7)通过气缸连接尾轴(6)与组合支架连接。