JP2014516391A - 電磁ブースター空気動力発電機システム - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
更に汚染を低減するために、特許文献US6311486B1には、このタイプのエンジンは、三つの独立的な室、即ち、吸気圧縮室、膨張排気室と定容積燃焼室を使用し、吸気圧縮室はバルブを介して定容積燃焼室に接続し、定容積燃焼室はバルブを介して膨張排気室に接続する純空気動力エンジンを開示する。このようなエンジンの問題の一つとして、圧縮气体が吸気圧縮室から膨張排気室までの経過時間が長く、ピストンを駆動して仕事する動力源ガスの取得時間が長く、且つ膨張排気室から排出された高圧ガスが使用されていないので、このようなエンジンの作動効率及び単回ガス充填の持続作動時間を制限する。
本発明は、圧縮空気動力エンジンを動力源とする発電機システムを提供することによって、圧縮空気の工業発電での応用を実現し、且つ本出願で提供された空気動力エンジンシステムはまたクランクシャフト補助動力に使用される電磁ブースターを含んているため、エンジンクランクシャフトに回転補助動力を提供することで、空気動力エンジンの高速回転特性及び低速回転時の安定なトルク出力を向上し、続いて空気動力エンジンの効率を向上することを目的にする。
パイプラインを介して外部ガス充填装置と連通する高圧空気貯蔵タンクセットと、
パイプラインを介して高圧空気貯蔵タンクセットと接続する定圧タンクと
を含んている電磁ブースター空気動力発電機システムにおいて
パイプラインを介して定圧タンクと連通する吸気制御調速弁と、
コントローラシステムと、
電磁ブースターと、
エンジンのクランクシャフト及び接続するマルチシリンダー動力配分器と、
クラッチを介してマルチシリンダー動力配分器と接続する発電機システムと、
センサーにより検出された信号に基づいて吸気制御調速弁を制御する電子制御ユニットECOと、
配電装置と
排ガス回収回路と
を含んでいることを特徴とする電磁ブースター空気動力発電機システムを提供する。
好ましくは、前記コントローラシステムは、高圧コモンレール式定圧パイプ、コントローラ上蓋、コントローラ中部台座とコントローラ下台座を含んており、前記コントローラ上蓋、コントローラ中部台座とコントローラ下台座は、相次いでボルトを介して着脱可能に方式で密封接続する。
好ましくは、前記角変位センサーは、電位計式又はホール式角変位センサーである。
もう一方、本発明で、前記電子制御ユニットECOは角変位センサーの信号によって電磁コイル的開閉電流を制御する。
本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する前に、圧縮空気エンジンのエネルギーを理論的に分析する。
圧縮空気エンジンの仕事つくりだしプロセスは比較に簡単で、圧縮空気膨張仕事つくりだしのプロセスだけである。図12Aの示すように、図1-5は、圧縮空気等温膨張プロセスで、1-6は、圧縮空気断熱膨張プロセスである。圧縮空気は、エンジン内の仕事つくりだしは、完全に等温プロセスでなく、通常に等温プロセスと断熱プロセスとの間にある。圧縮空気のエネルギー利用率を向上する為に、多段断熱プロセスを採用して、等温プロセスに近似し、又は多段等積吸熱プロセスで等温プロセスに近似する。図12Aで、圧縮空気の二段階の膨張仕事つくりだしプロセス1-2-3-4、1-2及び3-4はそれぞれ、第一目のシリンダー及び第二目のシリンダー内で完成すること、を示す。作業物質は、第一段階の断熱膨張仕事つくりだしを経た後、又一回の熱交換器での等圧吸熱2-3を経てから、初期温度に戻った後、第二シリンダー膨張仕事つくりだしに入る。理論的に言うと、エンジンの仕事作り出しプロセスは、近似に等温膨張プロセスと見なしても良く、これにより曲線1-5と座標値V1、V2との間に含まれる面積は、圧縮空気貯蔵エネルギー釈放により転換するガス膨張仕事を表す。図12Bの中で、図の曲線1、2はそれぞれ圧縮空気の等温、断熱膨張プロセスを表し、実際の減圧膨張プロセスは、曲線1、2間にある。図の中で、Aは、開始点で、B、C、D、Eは相応な段階の圧力制御時の圧力段階点で、これらの点の箇所に等積吸熱プロセス、例えばBCとDE等がある。理論的に言うと、曲線1と座標値V1、V2との間に含まれる面積は、圧縮空気貯蔵のエネルギー釈放による転換するガス膨張仕事を表す。
仮に高圧エアタンクのガス充填圧力がp1で、ガス貯蔵容積がV1である理想ガスが完全に常圧p2に等温膨張すると、作り出す全部膨張仕事は下記の通りである。
仮に圧縮空気動力エンジンの作動温度は300Kで、取得できる300L、300MPa気圧の下での圧縮空気の質量は104.553キログラムであると、仮にエア貯蔵タンクのは100キログラムであると、相応的なエネルギー比は約75W・h/kgである。車搭載電池、例えば鉛酸蓄電池及びニッケルカドミウム電池と比べて、圧縮空気のエネルギー比は高く、且つ大体ニッケル水素電池と同じ、良い発展前景を持つ。随着高圧エア貯蔵タンクの大容量、大圧力と軽質量の発展に連れて、圧縮空気のエネルギー比また大幅な向上を遂げるばかりでなく、ナトリウム硫黄電池とリチウムポリマー電池さえ近づく。
初期状態1(30MPa,300K)及び終了状態2(0.1MPa,300K)を選んで、単位質量圧縮空気がそれぞれ等温プロセスと断熱プロセスでつくりだす膨張仕事を計算する。等温膨張プロセスで単位質量ガスがつくりだす仕事は W=491kJ/kgで、断熱膨張プロセスで単位質量圧縮空気がつくりだす仕事は W'=242.3kJ/kgである。理論的な計算から分かるように、等温プロセスの膨張仕事は殆ど是断熱膨張プロセスのものの2倍であるので、等温膨張のエネルギー利用率は断熱膨張より高く、理論上等温膨張を採用して仕事を作り出すのは理想的である。但し、「等温」はエンジンシリンダー内で実現し難く、二次熱流導入エンジン壁を持って十分な熱量を保持しなければならない。これは、技術難度を増加し、エンジン構造を極めて複雑にする。次に、さらに圧縮空気のエネルギー利用角度から圧縮空気エンジンの二種の動力配分モードを検討する。
並列方式の下で、等量の圧縮ガスを各シリンダーに入力して膨張で仕事を作り出す。仮に初期状態1(30MPa,300K)及び終了状態2(0.1MPa,300K)で、圧縮空気がシリンダー内で等温膨張を行い、等温近似率は η=80%で、シリンダー数は四つで、エンジンに入る圧縮空気は、単位質量1キログラムで、四つのシリンダーのガスが作り出す総体技術仕事は
前記の理論的な分析を介して、本出願の出願者は、圧縮空気の並列動力配分モードを採用し、圧縮空気エネルギー使用率と仕事つくりだし後排出ガスの圧力を向上する為に、出願者は、排ガス回収回路を使用し、且つエンジンの高速回転特性と低速安定トルク出力を向上する為に、クランクシャフトブースターを採用する。次に本発明の具体的な方式に対して詳細的な説明を行う。
高圧エアタンクセット13は、十分な容量を持つ一つ、二つ、三つ、四つ又はより多い高圧エアタンクが直列・並列するものであっても良く、応用場面に実際必要を通じて、高圧エアタンクセット13の構成エアタンク数を決める。高圧エアタンクセット13は、パイプライン15を介して定圧タンク16に接続し、パイプライン15に同様に、それぞれ圧縮空気流量と圧力を監視・測定する流量計Aと圧力計Pが設置される。定圧タンク16は、高圧エアタンクセット13からの高圧空気的圧力を安定化し、その圧力は高圧エアタンクセット13内の圧力よりやや低く、例えば、21-28MPa、好ましくは21MPa位である。定圧タンク16と吸気制御調速弁23との間に、パイプライン17が設置され、パイプライン17にもそれぞれ圧縮空気の流量及び圧力を監視・制御する流量計Aと圧力計Pが設置される。定圧タンク16からの高圧空気は吸気制御調速弁23により制御・調節された後、パイプラインを介してコントローラシステム6に入る。
エンジン1の排気集気管28から排出された排ガスは、パイプライン27を経由して排ガスマフラー22に伝送され、防音処理された排ガスは、パイプライン18を経由して電動タービンワンウェイ空気抜き機19に吸われる。電動タービンワンウェイ空気抜き機19と排ガス回収タンク9との間にパイプライン20が設置され、パイプライン20にワンウェイ弁21が設置される。ワンウェイ弁21の存在で、排ガスが電動タービンでワンウェイ空気抜き機を介して排ガス回収タンク9に入ることをしか許可しなく、排ガスの逆方向の流れを許可しない。排ガス回収タンク9と空気圧縮機7との間のパイプライン8に流量計A及び圧力計Pが設置され、空気圧縮機7により圧縮された後の排ガス流量及び圧力をそれぞれ検出する。空気圧縮機7により圧縮された後の排ガスの圧力は明らかに増えて、通常に約20MPa〜30MPaの間に達せ、その後パイプライン10を介してコンデンサー11に入り、コンデンサー11により冷却された排ガスは、直接にパイプライン12を介して高圧エアタンクセット13に送られ、又は排ガスフィルター(未図示)を通して高圧エアタンクセット13に入ることができる。オプションとしては、コンデンサー(11)と高圧エアタンクセット(13)との間のパイプラインにワンウェイ弁(未図示)を設置でき、加圧后後の清潔な排ガスがワンウェイで高圧エアタンクセット(13)に流れ込むことだけ許可する。これにより、エンジンピストン51を駆動する高圧圧縮空気は、仕事つくりだし後、相当な部分は、排ガス回收回路(排ガスマフラー、電動タービンワンウェイ空気抜き機、排ガス回収タンク9、エアエンジン7、コンデンサー11及びこれら間の接続パイプライン)により加圧・浄化された後、高圧エアタンクセットに回収されることにより、排ガスの再利用を実現する。排ガス回収回路の存在で、相当な程度で相当な圧力のある排ガス(通常に3MPa位)が直接に大気に排出されることによるノイズ汚染の問題を解決するだけでなく、大容量高圧エアタンクセット13の容積需要問題を有効に低減した。言い換えると、指定容量の高圧エアタンクセット13に対して、排ガス回收回路の存在によって、圧縮空気エンジンの持続作動時間を大きく増加し、圧縮空気エンジンを使用する交通設備又は発電設備の中で、交通設備又は発電設備の持続作動時間を大きく増加することにより、圧縮空気エンジンの効率を明らかに増加した。
多角形カバー313に幾つかの異なる役割のある穴、例えばネジ接続穴309、ネジ穴310及びボルト接続穴311が設置されている。多角形カバー313は、ネジ接続穴309を介してエンジンのケースに接続し、キャリアーギヤ303は、ネジ穴310を介して多角形カバー313に接続し、ボルト接続穴311は、多角形カバー311とエンジンケースを接続する。ボルト接続穴311は、多角形カバー311での溶接柱5内に溶接されて設置できる。多角形カバー311に潤滑油流動用油穴304及び吊輪取付用吊輪台座12が設置される。
前記分析から見えるように、電磁ブースター1000が信頼的な補助動力作用を果す為に、肝心なものとしては、電流開閉流のチャンスである。本発明の中で、コイル1006、1003の正しい開閉電流の実現の肝心なものは、角変位センサー1010及び電子制御ユニットECO29を採用したことである。図13Cの示すように、クランクシャフト延長端371に、角変位センサー1010が設置され、角変位センサー1010は電位計式又はホール式又は導電プラスチック式又はコンデンサー式又はインダクタンス式角変位センサーであり、これは、クランクシャフト回転による角度を検出する。初期位置、即ち、図13Bに示す位置において、頂部固定子鉄心1004は、上回転子鉄心1005と大体に同じ直線にある(固定子鉄心1004が斜めに取付られるので、実際に一つの小さい夾角がある)。この位置を参考基礎として、上回転子鉄心1005の時計周り回転角度はθとして設定され、初期位置でθが0とする。上回転子鉄心1005が時計周り方向に回転する時に、角変位センサー1010は、電子制御ユニットECO29に一つの角変位が段々増加する信号を出し、電子制御ユニットECO29は、電磁ブースター1000の電源(図示されていないが、蓄電池ユニットであってもいいし、直流電流を提供する如何なる電源であってもよい)を接続する。この時、頂部固定子鉄心1004及び上部回転子鉄心1005は、同時に極性の同じ電磁極を生成し、頂部固定子鉄心1004は上部回転子鉄心1005を排斥し、上部回転子鉄心1005を加速時計周り方向に回転させ、且つ一定の角度で回転させる。電磁排斥力による発生する運動が回転子鉄心1005の運動方向と同じであるので、補助動力回転を発生させる。上部回転子鉄心1005は、一定角度δで回転した後、角変位センサー1010は再び一つの信号を電子制御ユニットECO29に発送し、コイル1005、1003の電気を切れ、回転子部分は慣性で引き続き回転する。上部回転子鉄心1005が角度θ360/2=180度で回転する時に、角変位センサー1010は、再び電子制御ユニットECO29に一つの信号を発送し、電子制御ユニットECO29は、電磁ブースター1000の電源を入れる。この時に、上部回転子鉄心1005は、下部位置(初期位置と180度を成す)まで運動し、当該回転子鉄心1005は、底部固定子鉄心1004と共に極性の同じ電磁極を発生させ、底部固定子鉄心1004は上部回転子鉄心1005を排斥し、回転子鉄心1005を加速時計周り方向に回転させ、且つ一定の角度で回転させる。電磁排斥力による発生する運動が回転子鉄心1005の運動方向と同じであるので、補助動力回転を発生させる。固定子鉄心1004が回転子鉄心1005の数量と同じであり、且つ均一に同間隔で分布しているので、前記プロセスは、循環に実行でき、クランクシャフト56は、電磁力の作用の下で回転し、電磁補助動力の目的を実現する。
注意事項としては、本発明の電磁ブースター作動原理を説明する時、図13Bの示す方位の時計回り方向がプラスであると設定する場合、当業者は、反時計回りのクランクシャフト回転角度を設定しても良い。反時計回り方向がプラスであると設定する場合、図13Bの示すような固定子鉄心1004の取付位置の斜角は逆方向である。
且つ、電磁ブースターが作動状態にある時、電子制御ユニットECO29も、速度センサー24から伝送された信号によって電磁ブースター1000にある電流強度を調整しても良い。調節方式は次の通りであり、即ち、エンジン1が低速で回転する時に、電磁ブースター1000に供給する電流量が一番大きい。エンジン回転速度の向上に連れて、電子制御ユニットECO29は、段々に電磁ブースターにある電流を減少することによって、エンジンが低速回転時に安定なトルク出力を持つようにして、且つ高速回転時に、エンジンの高速回転特性を向上し、吸気と排気のプロセスを加速することによって、エンジンの最大回転速度を向上すると同時に、エンジンの効率を向上する。同じように、電磁ブースターが作動状態にある時、電子制御ユニットECO29は、アクセル電位計242から伝達される信号によって電磁ブースター1000の電流を調節できる。調節方式は、アクセルが大きい場合、電磁ブースター1000に供給する電流量が一番大きいものである。アクセル低減に連れて、電子制御ユニットECO29は段々電磁ブースターにある電流を減少する。
本明細書は、本発明を詳細に開示し、この中で最敵なモードを含んており、且つ如何なる当業者が本発明を実践できるようにして、その中で如何なる設備或システムの製造・使用及びどんな導入された方法の施行を含んでいる。本発明の保護範囲は、添付している特許請求の範囲により限定され、且つ、本発明保護範囲と精神を離れない下で、本発明に対する行われる各種の変型、改造及び等価形態も含む。
Claims (14)
- リヤギアケースシリンダー(40)と、圧縮空気を吸気させるためのエアチューブ穴(402)及び排ガスを排出させるための排気穴(272)が設置されるシリンダーヘッドシステム(36)と、吸気パイプライン(42)と、排気パイプライン(27)と、ピストン(51)と、リンク(54)と、前記ピストン(51)がリンク(54)を介して接続されるクランクシャフト(56)と、排気カムシャフト(800)と、吸気カムシャフト(200)と、前記クランクシャフト(56)とカムシャフト(800、200)に伝動するためのフロントギャケースシステム(43)と、リアギヤケース(33)と、を含むエンジン(1)と、
パイプライン(14)を介して外部ガス充填装置と連通する高圧空気貯蔵タンクセット(13)と、
パイプライン(15)を介して高圧空気貯蔵タンクセット(13)と接続する定圧タンク (16)と
を含んている電磁ブースター空気動力発電機システムにおいて
パイプライン(17)を介して定圧タンク(16)と連通する吸気制御調速弁(23)と、
コントローラシステム(6)と、
電磁ブースター(1000)と、
エンジン(1)のクランクシャフト(56)及び接続するマルチシリンダー動力配分器(2)と、
クラッチ(3)を介してマルチシリンダー動力配分器(2)と接続する発電機システム(4)と、
センサー(24,242)により検出された信号に基づいて吸気制御調速弁(23)を制御する電子制御ユニットECO(29)と、
配電装置(1100)と
排ガス回収回路と
を含んでいることを特徴とする電磁ブースター空気動力発電機システム。 - 前記エンジン(1)が2行程サイクルエンジンであることを特徴とする請求項1に記載の電磁ブースター空気動力発電機システム。
- 前記排ガス回收回路が、排気集気管(28)、空気圧縮機(7)、コンデンサー(11)、排ガス回収タンク(9)、電動タービンワンウェイ空気抜き機(19)及び排ガスマフラー(22)を含んており、この中で、排ガスが排気集気管(28)を経由して排ガスマフラー(22)に入り、且つ電動タービンワンウェイ空気抜き機(19)を介して排ガス回収タンク(9)内に吸われ、排ガス回収タンク(9)内に集めている排ガスが空気圧縮機(7)により圧縮加圧された後、コンデンサー(11)により冷却処理された後、高圧エアタンクセット(13)に送られることを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁ブースター空気動力発電機システム。
- 前記電子制御ユニット(29)が角変位センサー(1010)からの信号を受信し、電磁ブースター(1000)のコイル(1006,1003)にある電流を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁ブースター空気動力発電機システム。
- 前記空気圧縮機(7)がカップリングを介してマルチシリンダー動力配分器(2)と接続し、マルチシリンダー動力配分器(2)から伝達される動力駆動空気圧縮機(7)が作動し、排ガス回収タンク(90)からの排ガスを圧縮することを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁ブースター空気動力発電機システム。
- 前記コントローラシステム(6)が高圧コモンレール式定圧パイプ(91)、コントローラ上蓋(108)、コントローラ中部台座(98)及びコントローラ下台座(97)を含んており、前記コントローラ上蓋(108)、コントローラ中部台座(98)及びコントローラ下台座が相次いでボルトを介して着脱可能に密封接続することを特徴とする請求項2に記載の電磁ブースター空気動力発電機システム。
- 前記コントローラ上蓋内に、吸気パイプライン(112)が設置され、前記吸気パイプライン(112)がネジで高圧コモンレール式定圧パイプ(91)に接続され、前記コントローラ中部台座(98)にコントローラ吸気弁(92)、コントローラ吸気弁スプリング(94)、オイルシールブッシュ(99)、コントローラ吸気弁スプリング下台座(97)及びコントローラバルブシートブッシュ(93)が取付られ、前記コントローラ吸気弁(92)がコントローラ吸気弁スプリング(94)の予作用力の下で、エンジンが吸気する必要がない時に、コントローラバルブシートプッシュ(93)に当接し、前記コントローラ下台座(97)にコントローラ吸気弁(92)の開閉を制御するコントローラタペット(115)が設置され、前記コントローラタペット(115)が吸気カムシャフト(200)により作動されることを特徴とする請求項6に記載の電磁ブースター空気動力発電機システム。
- シリンダー(40)、シリンダーカバーシステム(36)、吸気パイプライン(42)、排気パイプライン(27)、ピストン (51)、リンク(54)、クランクシャフト(56)、排気カムシャフト(800)及び吸気カムシャフト(200)を含んでいるエンジン(1)と、
パイプライン(14)を介して外部ガス充填装置と連通する高圧エアタンクセット(13)と、
パイプライン(15)を介して高圧エアタンクセット(13と接続す定圧タンク(16)と、
パイプライン(17)を介して定圧タンク(16)と接続する吸気制御調速弁(23)と
電子制御ユニットECO(29)と
を含んており、
固定子部分、回転子部分及びブースターハウジング(1001)を含んている電磁ブースター(1000)において、
前記固定子部分が回転子部分と独立に分離設置され、前記固定子部分が前記ブースターハウジング(1001)に固定接続されることを特徴とする空気動力エンジンアセンブリに使用される電磁ブースター(1000)。 - 前記固定子部分が、固定子鉄心固定盤(1002)、固定子鉄心(1004)及び固定子鉄心コイル(1003)を含んており、前記回転子部分が、回転子鉄心固定盤(1007)、回転子鉄心(1005)、回転子鉄心コイル(1006)及びブースターフライホイール(1008)を含んて特徴としてはいるを特徴とする請求項8に記載の電磁ブースター(1000)。
- 前記固定子鉄心固定盤(1002)がブースターハウジング(1001)及びネジで接続する又は締り嵌めをして、前記ブースターハウジング(1001)がハウジング取付穴(1011)を通り抜けるファスナーが固定にエンジン(1)に接続され、前記回転子鉄心固定盤(1007)がブースターフライホイール(1008)及びネジで接続し又は締り嵌めをして、前記ブースターフライホイール(1008)がキー(1009)を介してエンジン(1)のクランクシャフト(56)でのクランクシャフト延長端(3071)に固定されることにより、クランクシャフト(56)に連れて回転することを特徴とする請求項9に記載の電磁ブースター(1000)。
- 前記電磁ブースター(1000)が更に角変位センサー(1010)を含んており、前記角変位センサー(1010)が電子制御ユニットECO(29)及び接続することによって、クランクシャフト(56)の回転角変位信号を電子制御ユニットECO(29)に伝送することを特徴とする請求項9に記載の電磁ブースター(1000)。
- 前記回転子鉄心(1005)の数量が二つであり、180度角度を成して回転子鉄心固定盤(1007)に配置され、前記固定子鉄心(1004)の数量が二つであり、180度角度を成して固定子鉄心固定盤(1002)に固定されることを特徴とする請求項9に記載の電磁ブースター(1000)。
- 前記回転子鉄心(1005)の数量が三つであり、隣接の鉄心が120度角度で回転子鉄心固定盤(1007)に配置され、前記固定子鉄心(1004)の数量が三つであり、隣接の鉄心が120度角度で固定子鉄心固定盤(1002)に固定されることを特徴とする請求項9に記載の電磁ブースター(1000)。
- 前記回転子鉄心(1005)の数量が四つ又は五つであることを特徴とする請求項9に記載の電磁ブースター(1000)。
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