CN107965435A - 活塞式空气压缩机、供气系统及车辆 - Google Patents

Abstract

一种活塞式空气压缩机、供气系统及车辆，该压缩机包括：曲轴；活塞连杆组对，包括：第一、二活塞连杆组，在曲轴的周向上间隔设置，第一、二活塞连杆组均包括连杆和活塞，连杆的一端套设在曲轴上，另一端与活塞连接；气缸对，包括：第一、二气缸，在曲轴的周向上间隔设置，第一、二活塞连杆组的活塞分别位于第一、二气缸内，并能随曲轴的旋转而在对应的气缸内往复运动，且活塞连杆组对的其中一个活塞连杆组的活塞处于吸气工作行程时，另一个活塞连杆组的活塞处于排气工作行程。本方案的压缩机能够连续供气，减小了排气脉动和振动。

Description

活塞式空气压缩机、供气系统及车辆

技术领域

本发明涉及空气压缩机技术领域，特别是涉及一种活塞式空气压缩机、供气系统及车辆。

背景技术

空气压缩机是将机械能转换成气体压力能的装置，现有空气压缩机按工作原理可分为容积式、动力式、热力式压缩机三大类，其中，活塞式空气压缩机作为容积式空气压缩机最常见的形式，研究时间最久、工艺最成熟，是小型容积式空气压缩机的主流机型，广泛应用于汽车发动机制冷、车门开关等，因而具有广阔的应用前景。

活塞式空气压缩机的工作原理为：驱动曲轴旋转，使气缸内的活塞随曲轴的旋转而做往复运动，从而对吸入气缸内的气体进行压缩，从而提供压缩气体。然而，现有活塞式空气压缩机普遍存在下述问题：间断排气，造成排气脉动大、振动大。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有活塞式空气压缩机间断排气，造成排气脉动大、振动大。

为解决上述问题，本发明提供了一种活塞式空气压缩机，包括：曲轴；活塞连杆组对，包括：第一、二活塞连杆组，在所述曲轴的周向上间隔设置，所述第一、二活塞连杆组均包括连杆和活塞，所述连杆的一端套设在所述曲轴上，另一端与所述活塞连接；气缸对，包括：第一、二气缸，在所述曲轴的周向上间隔设置，所述第一、二活塞连杆组的活塞分别位于所述第一、二气缸内，并能随所述曲轴的旋转而在对应的气缸内往复运动，且所述活塞连杆组对的其中一个活塞连杆组的活塞处于吸气工作行程时，另一个活塞连杆组的活塞处于排气工作行程。

可选地，所述活塞连杆组对、气缸对的数量均为两个以上，所有所述活塞连杆组对沿所述曲轴的轴向依次设置；

所述活塞连杆组对与气缸对一一对应，各个所述活塞连杆组对的活塞分别位于相对应的所述气缸对的第一、二气缸内；

在所述曲轴旋转的同一时刻，各个所述活塞连杆组对中均有一个活塞连杆组的活塞处于所述吸气工作行程、另一个活塞连杆组的活塞处于所述排气工作行程。

可选地，所有所述活塞连杆组沿所述周向均匀间隔排列，所有所述气缸沿所述周向均匀间隔排列。

可选地，所述连杆设置为弯杆，且各个所述第一、二气缸的一部分位于同一平面上，所述平面垂直于所述曲轴的中轴线。

可选地，所述第一、二气缸均包括气缸体和盖设在所述气缸体上的气缸盖，所述气缸体、气缸盖和活塞围成气体压缩室；

所述气缸盖设有进气阀以及第一排气通道，所述第一排气通道与气体压缩室连通，外界气体自所述进气阀进入气体压缩室内；

所述气缸体设有第二排气通道，所述第二排气通道内设有排气阀，所述排气阀在打开状态下，所述气体压缩室内的气体经过所述第一排气通道后从所述第二排气通道的出口排出。

可选地，所述活塞式空气压缩机还包括：机身，所述曲轴可旋转地支撑在所述机身上；

所述机身包括储气腔、排气管以及所述气缸体，所述储气腔与所述第二排气通道的出口、排气管均连通；

所述活塞式空气压缩机供气时，自所述出口排出的气体依次经过所述储气腔、排气管排出。

可选地，还包括：滤网，固定在所述机身上，在所述曲轴的径向上位于所述进气阀的外侧，所述进气阀在打开状态下，气体经所述滤网过滤后经所述进气阀进入所述气体压缩室内。

可选地，所述活塞连杆组对中的第一、二活塞连杆组在所述周向上呈180度间隔设置，所述气缸对中的第一、二气缸在所述周向上呈180度间隔设置。

可选地，所述活塞的与气缸接触的周表面为陶瓷耐磨材料；和/或，所述气缸的与活塞接触的周表面为陶瓷耐磨材料。

可选地，所述连杆通过活塞销与活塞连接，所述活塞销的表面为聚醚醚酮聚合物涂层。

可选地，所述连杆设置为弯杆，且所述活塞连杆组对的活塞位于同一平面上，所述平面垂直于曲轴的中轴线。

可选地，所述曲轴具有曲轴颈，所述连杆的一端套设在所述曲轴颈上，所述活塞连杆组对的连杆套设在同一所述曲轴颈上。

另外，本发明还提供了一种供气系统，用于为车辆的燃料电池系统供应空气，其包括上述任一所述的活塞式空气压缩机。

而且，本发明还提供了一种车辆，其包括燃料电池系统和上述供气系统。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

活塞式空气压缩机工作时，曲轴旋转，活塞连杆组对中的两个活塞随着曲轴的旋转分别在气缸对的两个气缸内往复运动，且活塞连杆组对的其中一个活塞处于吸气工作行程(即外界气体进入气缸内)、另一个活塞处于排气工作行程(即气缸内的气体排出)，这样一来，活塞连杆组对中的两个活塞能够相继处于排气工作行程，使得活塞式空气压缩机能够连续供气，因而减小了排气脉动和振动。

进一步地，活塞连杆组对中的第一、二活塞连杆组在所述周向上呈180度间隔设置，气缸对中的第一、二气缸在所述周向上呈180度间隔设置，使得活塞连杆组对中的两个活塞连杆组关于曲轴对称布置，气缸对中的两个气缸也关于曲轴对称布置，故活塞式空气压缩机的整体结构分布平衡，受力均匀，提高了活塞式空气压缩机的可靠性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中活塞式空气压缩机的曲轴和活塞连杆组对的装配立体图；

图2是图1所示曲轴和活塞连杆组对沿曲轴的轴向看过去时与气缸的装配图，图中的气缸简化示意；

图3是本发明的一个实施例中活塞式空气压缩机的局部立体图；

图4是本发明的一个实施例中活塞式空气压缩机的剖面图，剖切面垂直于曲轴的中轴线；

图5是本发明的一个实施例中活塞式空气压缩机的立体图；

图6是本发明的一个实施例中活塞式空气压缩机的剖面图，剖切面为曲轴的中轴线所在的平面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本实施例提供了一种车辆，该车辆包括燃料电池系统和供气系统，该供气系统用于向燃料电池系统供应空气，供应的空气与燃料气体在燃料电池系统内发生电化学反应从而发电，产生的电能作为驱动车辆行驶的动力源。该供气系统包括活塞式空气压缩机，活塞式空气压缩机用于为燃料电池系统供应压缩空气，下面对活塞式空气压缩机的结构做详细介绍。

结合图1至图2所示，本实施例提供了一种活塞式空气压缩机，其包括曲轴1、活塞连杆组对2和气缸对。其中：

活塞连杆组对2包括活塞连杆组2A、2B，活塞连杆组2A、2B在曲轴1的周向上间隔设置。活塞连杆组2A包括连杆21A和活塞20A，连杆21A的一端套设在曲轴1上、另一端与活塞20A连接。活塞连杆组2B包括连杆21B和活塞20B，连杆21B的一端套设在曲轴1上、另一端与活塞20B连接。

所述气缸对包括气缸3A、3B，气缸3A、3B在曲轴1的周向上间隔设置。活塞连杆组对2的活塞20A位于气缸3A内、活塞20B位于气缸3B内，并能随曲轴1的旋转而在气缸3A、3B内沿着虚线箭头往复运动，且活塞连杆组对2中的活塞20A处于吸气工作行程时、活塞20B处于排气工作行程，活塞连杆组对2中的活塞20A处于排气工作行程时、活塞20B处于吸气工作行程。在本发明的技术方案中，所谓活塞20A、20B处于吸气工作行程是指外界气体进入气缸3A、3B内，所谓活塞20A、20B处于排气工作行程是指气缸3A、3B内的气体排出。

由此可见，在本发明的技术方案中，在旋转地曲轴1的驱动下活塞连杆组2中的活塞20A、20B相继处于排气工作行程，使得活塞式空气压缩机能够连续供气，因而减小了排气脉动和振动。

在本实施例中，活塞连杆组2A、2B在曲轴1的周向上呈180度间隔设置，使得活塞连杆组2A、2B在曲轴1的径向上布置在曲轴1的两侧。所述气缸对包括气缸3A、3B，气缸3A、3B在曲轴1的周向上呈180度间隔设置，使得气缸3A、3B在曲轴1的径向上布置在曲轴1的两侧。因此，在本方案中，活塞连杆组对2中的活塞连杆组2A、2B关于曲轴1对称布置，所述气缸对中的气缸3A、3B也关于曲轴1对称布置，故活塞式空气压缩机的整体结构分布平衡，受力均匀，提高了活塞式空气压缩机的可靠性。

需说明的是，在其它实施例中，活塞连杆组2A、2B在曲轴1的周向上也可以呈V字型排布，即活塞连杆组2A、2B之间的间隔角大于零度且小于180度，相对应地，气缸3A、3B在曲轴1的周向上也可以呈V字型排布，即气缸3A、3B之间的间隔角大于零度且小于180度，在这种情况下，仍能实现活塞式空气压缩机连续供气。

参考图2所示，连杆21A、21B分别通过活塞销22A、22B与活塞20A、20B连接，活塞销22A、22B的表面为聚醚醚酮(PEEK)聚合物涂层，以此来实现无油润滑，避免了现有活塞销采用脂润滑方式存在的易润滑失效、润滑脂易溢出以及在真空环境下易蒸发的不足。

在本实施例中，活塞20A、20B的与气缸3A、3B接触的周表面(大致为圆柱面)为陶瓷耐磨材料，使得活塞20A、20B在沿着图中虚线箭头所示方向分别在气缸3A、3B内做往复运动时不易磨损，增加了活塞20A、20B的耐久性，延长了活塞20A、20B的使用寿命，改善了活塞20A、20B的性能。

在本实施例中，气缸3A、3B的与活塞20A、20B接触的周表面(大致为圆柱面)为陶瓷耐磨材料，使得活塞20A、20B在沿着图中虚线箭头所示方向分别在气缸3A、3B内做往复运动时气缸3A、3B的内壁不易磨损，增加了气缸3A、3B的耐久性，并满足了气缸3A、3B硬质薄壁以及防潮防腐的性能要求，且具有较佳的传热能力。

继续结合图1至图2所示，在本实施例中，曲轴1的轴向一端用于与电机(未图示)连接，活塞式空气压缩机工作时，该电机驱动曲轴1旋转。在本实施例中，该电机通过弹性联轴器与曲轴1连接，并为高速无刷直流电机。

在本实施例中，活塞连杆组对2、所述气缸对的数量均为三个，所有活塞连杆组对2沿曲轴1的轴向依次设置，活塞连杆组对2与所述气缸对一一对应，各个活塞连杆组对2的活塞2A位于相对应的所述气缸对的气缸3A内，各个活塞连杆组对2的活塞2B位于相对应的所述气缸对的气缸3B内。

进一步地，在本实施例中，所有活塞连杆组2A、2B沿曲轴1的周向均匀交错排列，在曲轴1的周向上相邻的活塞连杆组2A、2B呈60度间隔设置。所有气缸3A、3B沿曲轴1的周向均匀交错排列，在曲轴1的周向上相邻的气缸3A、3B呈60度间隔设置。这样一来，活塞式空气压缩机的整体结构分布平衡，受力均匀，提高了活塞式空气压缩机的可靠性。

在曲轴1旋转的同一时刻，所有活塞连杆组对2中的活塞20A均处于吸气工作行程、活塞20B均处于排气工作行程，或者，所有活塞连杆组对2中的活塞20A均处于排气工作行程、活塞20B均处于吸气工作行程，这样一来，本实施例的活塞式空气压缩机工作时，在同一时刻始终同时有三个气缸3A或三个气缸3B内的气体排出，因而增大了活塞式空气压缩机的供气量，保证了活塞式空气压缩机在曲轴1较低转速下的供气量。与现有活塞式空气压缩机相比，在满足相同进气量和排气量时，本实施例的活塞式空气压缩机可以较大程度地降低用来驱动曲轴1旋转的电机的转速值，从而降低了电机的购买成本以及使用成本。另外，驱动该工作的电源来自于车辆的燃料电池，由于电机的转速降低，故燃料电池系统所产生用来供应至电机的电力减小。

结合图3至图4所示，在本实施例中，气缸3A包括气缸体30A和盖设在气缸体30A上的气缸盖31A。在具体实施例中，气缸体30A与气缸盖31A螺栓固定连接。气缸体30A、气缸盖31A和活塞20A围成气体压缩室32，进入气体压缩室32的外界气体被压缩后排出气体压缩室32。气缸盖31A设有进气阀49以及与气体压缩室32连通的第一排气通道48，图4的剖切面未剖切到第一排气通道48，故不可见的第一排气通道48用虚线简化示意。气缸体30A设有第二排气通道44，第二排气通道44内设有排气阀47，排气阀47在打开状态下，气体压缩室32内的气体经过第一排气通道48后从第二排气通道44的出口排出。进气阀49、排气阀47均为单向阀。

参考图4所示，活塞式空气压缩机工作时，曲轴1在电机(未图示)的驱动下旋转，活塞20A随着曲轴1的旋转在气缸体30A内沿着图中虚线箭头所示方向往复运动，气体压缩室32的体积会发生周期性变化。

当活塞20A沿着图中向下的虚线箭头所示方向运动时，气体压缩室32的体积逐渐增大，外界气体推开进气阀49进入气体压缩室32内，当气体压缩室32增大至最大时，进气阀49关闭，在这个过程中活塞20A处于进气工作行程。

然后，活塞20A开始沿着图中向上的虚线箭头所示方向反向运动，气体压缩室32的体积逐渐减小，气体压缩室32的气压升高，当气体压缩室32内的气压超过排气阀47的排气压力时，排气阀47打开，气体压缩室32内经压缩的气体先后经由第一排气通道48、第二排气通道44排出。当活塞20A沿着图中向上的虚线箭头所示方向运动至极限位置时，排气阀47关闭。

当活塞20A再次沿着图中向下的虚线箭头所示方向反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞20A往复运动一次，气缸体30A内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。

与气缸3A组成气缸对的气缸3B的构造与气缸3A相同，与气缸3A一样，在气缸3B上也设置有进气阀、第一排气通道、第二排气通道和排气阀(未标识)，由于构造相同，故在此不再赘述。气缸3B内活塞20B的工作过程与上述气缸3A内活塞20A的工作过程大致相同，区别在于，当活塞20A处于进气工作行程时，活塞20B处于排气工作行程，当活塞20A处于排气工作行程时，活塞20B处于进气工作行程，使得气缸3A、气缸3B相继实现连续排气。

在本实施例中，结合图3至图6所示，活塞式空气压缩机还包括机身4，曲轴1可旋转地支撑在机身4上，且曲轴1的轴向一端伸出机身4外，以与电机(未图示)连接。机身4包括储气腔43、排气管46以及气缸体30A、30B，储气腔43与第二排气通道44的出口、排气管46均连通，自第二排气通道44的出口排出的压缩过的气体流向储气腔43存储起来，使得活塞式空气压缩机能够随时响应大供气量的供气需求，避免了因供气需求突然增大而造成电机转速突变，提高了电机的使用寿命。另外，由于储气腔43集成在活塞式空气压缩机内，故整个供气系统结构紧凑，占用空间小。当活塞式空气压缩机开始向外供气时，储气腔43内的气体自排气管46排出。

进一步地，在本实施例中，活塞式空气压缩机还包括固定在机身4上的滤网45，即滤网45集成在活塞式空气压缩机内，滤网45在曲轴1的径向上位于进气阀49的外侧，进气阀49在打开状态下，气体经滤网45过滤后经进气阀49进入气体压缩室32内，使得活塞式空气压缩机排出的气体较为干净，无需在燃料电池系统中设置另外专门的过滤装置，该过滤装置用来过滤活塞式空气压缩机排出的气体，因而减少了燃料电池系统占用的体积。

进一步地，在本实施例中，机身4包括前端盖41、后端盖42和中间机体40，中间机体40在曲轴1的轴向上位于前端盖41、后端盖42之间，且中间机体40在轴向上的两端分别与前端盖41、后端盖42固定。在具体实施例中，中间机体40与前端盖41螺栓固定连接，中间机体40与后端盖42螺栓固定连接，排气管46设置在后端盖42上，后端盖42与中间机体40围成储气腔43。滤网45固定在中间机体40上，并绕着曲轴1环绕中间机体40一整圈，从而增加了进气的过滤面积，提高了进气效率。

在具体实施例中，与气缸3A、3B沿曲轴1的周向均匀间隔排列的方式相适应，机身4设置为圆盘状，使得活塞式空气压缩机的结构紧凑、体积小，因而安装方便，另外，还可以使活塞式空气压缩机在低速运行区域的效率较高，这样能够更好的满足国内低速行驶的城市交通工况，在低速行驶的城市交通工况下，活塞式空气压缩机只需为燃料电池系统供应较少的空气。

参考图1所示，曲轴1具有三个均与曲轴1的中轴线平行的曲轴颈10，三个曲轴颈10在曲轴1的轴向上间隔设置，且在曲轴1的周向上均匀间隔设置，在曲轴1的周向上相邻的两个曲轴颈10呈120度间隔设置。

连杆21A、21B的一端套设在曲轴颈10上，活塞连杆组对2上的连杆21A、21B套设在同一曲轴颈10上，从而节省了曲轴1上曲轴颈10的数量，减少了活塞式空气压缩机在曲轴1的轴向上占用的空间，即活塞式空气压缩机在曲轴1的轴向上更为紧凑，体积更小，使得活塞式空气压缩机的安装更为方便。

进一步地，在本实施例中，连杆21A、21B均为弯杆，而并非像现有活塞连杆组中的连杆一样为平面式，连杆21A、21B在长度方向上至少有一段并非垂直于曲轴1的中轴线。结合图2至图3所示，各个气缸3A、3B的一部分位于同一平面上，该平面垂直于曲轴1的中轴线，减少了活塞式空气压缩机在曲轴1的轴向上占用的空间，即活塞式空气压缩机在曲轴1的轴向上更为紧凑，体积更小，使得活塞式空气压缩机的安装更为方便。

进一步地，在本实施例中，活塞连杆组对2的活塞20A、20B位于同一平面上，所述平面垂直于曲轴1的中轴线，减少了活塞式空气压缩机在曲轴1的轴向上占用的空间，即活塞式空气压缩机在曲轴1的轴向上更为紧凑，体积更小，使得活塞式空气压缩机的安装更为方便。

需说明的是，在本发明的技术方案中，活塞连杆组对、所述气缸对的数量均不应局限于本实施例，其可以均为一个，两个或四个以上。

当活塞连杆组对、所述气缸对的数量均为两个时，在曲轴的周向上相邻的两个活塞连杆组之间呈90度间隔设置，在曲轴的周向上相邻的两个气缸之间呈90度间隔设置。

当活塞连杆组对、所述气缸对的数量均为四个时，在曲轴的周向上相邻的两个活塞连杆组之间呈45度间隔设置，在曲轴的周向上相邻的两个气缸之间呈45度间隔设置。

另外，需强调的是，本发明上述的活塞式空气压缩机不仅能用于向车辆的燃料电池系统供应空气，还能应用在其它需要供应压缩气体的场合。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种活塞式空气压缩机，其特征在于，包括：

曲轴；

活塞连杆组对，包括：第一、二活塞连杆组，在所述曲轴的周向上间隔设置，所述第一、二活塞连杆组均包括连杆和活塞，所述连杆的一端套设在所述曲轴上，另一端与所述活塞连接；

气缸对，包括：第一、二气缸，在所述曲轴的周向上间隔设置，所述第一、二活塞连杆组的活塞分别位于所述第一、二气缸内，并能随所述曲轴的旋转而在对应的气缸内往复运动，且所述活塞连杆组对的其中一个活塞连杆组的活塞处于吸气工作行程时，另一个活塞连杆组的活塞处于排气工作行程。

2.如权利要求1所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述活塞连杆组对、气缸对的数量均为两个以上，所有所述活塞连杆组对沿所述曲轴的轴向依次设置；

所述活塞连杆组对与气缸对一一对应，各个所述活塞连杆组对的活塞分别位于相对应的所述气缸对的第一、二气缸内；

在所述曲轴旋转的同一时刻，各个所述活塞连杆组对中均有一个活塞连杆组的活塞处于所述吸气工作行程、另一个活塞连杆组的活塞处于所述排气工作行程。

3.如权利要求2所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所有所述活塞连杆组沿所述周向均匀间隔排列，所有所述气缸沿所述周向均匀间隔排列。

4.如权利要求3所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述连杆设置为弯杆，且各个所述第一、二气缸的一部分位于同一平面上，所述平面垂直于所述曲轴的中轴线。

5.如权利要求1所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述第一、二气缸均包括气缸体和盖设在所述气缸体上的气缸盖，所述气缸体、气缸盖和活塞围成气体压缩室；

所述气缸盖设有进气阀以及第一排气通道，所述第一排气通道与气体压缩室连通，外界气体自所述进气阀进入气体压缩室内；

所述气缸体设有第二排气通道，所述第二排气通道内设有排气阀，所述排气阀在打开状态下，所述气体压缩室内的气体经过所述第一排气通道后从所述第二排气通道的出口排出。

6.如权利要求5所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述活塞式空气压缩机还包括：机身，所述曲轴可旋转地支撑在所述机身上；

所述机身包括储气腔、排气管以及所述气缸体，所述储气腔与所述第二排气通道的出口、排气管均连通；

所述活塞式空气压缩机供气时，自所述出口排出的气体依次经过所述储气腔、排气管排出。

7.如权利要求6所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，还包括：滤网，固定在所述机身上，在所述曲轴的径向上位于所述进气阀的外侧，所述进气阀在打开状态下，气体经所述滤网过滤后经所述进气阀进入所述气体压缩室内。

8.如权利要求1至7任一项所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述活塞连杆组对中的第一、二活塞连杆组在所述周向上呈180度间隔设置，所述气缸对中的第一、二气缸在所述周向上呈180度间隔设置。

9.如权利要求1至7任一项所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述活塞的与气缸接触的周表面为陶瓷耐磨材料；和/或，所述气缸的与活塞接触的周表面为陶瓷耐磨材料。

10.如权利要求1至7任一项所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述连杆通过活塞销与活塞连接，所述活塞销的表面为聚醚醚酮聚合物涂层。

11.如权利要求1至7任一项所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述连杆设置为弯杆，且所述活塞连杆组对的活塞位于同一平面上，所述平面垂直于曲轴的中轴线。

12.如权利要求1至7任一项所述的活塞式空气压缩机，其特征在于，所述曲轴具有曲轴颈，所述连杆的一端套设在所述曲轴颈上，所述活塞连杆组对的连杆套设在同一所述曲轴颈上。

13.一种供气系统，用于为车辆的燃料电池系统供应空气，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的活塞式空气压缩机。

14.一种车辆，其特征在于，包括燃料电池系统和权利要求13所述的供气系统。