TW201428175A - 具有轉動式進氣排氣機構的氣動引擎 - Google Patents

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Abstract

一種氣動引擎包括汽缸、活塞、氣體供應源及進氣排氣機構。活塞可於汽缸中往復移動。氣體供應源提供一壓縮氣體以移動活塞。進氣排氣機構連接至汽缸及氣體供應源並包括一本體及一進氣排氣組件。本體具有一容置空間及與容置空間連通的進氣通道、排氣通道、進氣口及排氣口。進氣排氣組件可於容置空間轉動，並控制進氣口與進氣通道的通路與斷路，更控制排氣口與排氣通道的通路與斷路，以使壓縮氣體經由進氣口與進氣通道進入汽缸中驅動活塞移動後轉變成廢氣，更使汽缸中的廢氣經由排氣通道與排氣口排出。

Description

具有轉動式進氣排氣機構的氣動引擎
本發明是有關於一種氣動引擎，且特別是有關於一種具有轉動式進氣排氣機構的氣動引擎。
傳統內燃機引擎使用凸輪的旋轉來頂抵進氣汽門及排氣汽門以控制進排氣時序。因進氣汽門及排氣汽門具有喇叭狀，加上凸輪機構能產生的動作的關係，汽門需漸開漸閉來完成每個循環。若將內燃機引擎修改成氣動引擎，會因為汽門漸開及漸閉的關係，使得氣動引擎的效率無法被有效提升。
氣動引擎(或稱氣動馬達)是指在氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能並產生旋轉運動的氣動執行元件，它是一種將壓縮氣體的壓力能轉換成旋轉的機械能的裝置，作用相當於電動機或液壓馬達。氣動引擎是靠高壓氣體來推動，因此在運作過程中不會產生污染，將氣動引擎裝設在腳踏車、機車、汽車上做為主要動力源，都能取代目前的電動馬達及內燃機引擎。或者，也可將氣動引擎做為機車或汽車的輔助動力源，來降低內燃機引擎所產生的污染量。
由於裝設有氣動引擎的交通工具有廣大的發展潛力，所以若能將氣動引擎的效率進一步提升，對於目前工業的發展而言都是一大助益。
本發明之一個目的是提供一種具有轉動式進氣排氣機構的氣動引擎，能達成汽門瞬間開啟及關閉的效果， 有效提升氣動引擎的工作效率。
為達上述目的，本發明提供一種氣動引擎，包括一汽缸、一活塞、一氣體供應源及一進氣排氣機構。活塞可於汽缸中往復移動。氣體供應源提供一壓縮氣體以移動活塞。進氣排氣機構連接至汽缸及氣體供應源並包括一本體及一進氣排氣組件。本體具有一容置空間及與容置空間連通的一進氣通道、一排氣通道、一進氣口及一排氣口，進氣通道與排氣通道連通至容置空間與汽缸。進氣排氣組件可於容置空間轉動，並於轉動過程中控制進氣口與進氣通道的通路與斷路，更於轉動過程中控制排氣口與排氣通道的通路與斷路，以使壓縮氣體經由進氣口與進氣通道進入汽缸中驅動活塞移動後轉變成廢氣，更使汽缸中的廢氣經由排氣通道與排氣口排出。
藉由本發明之氣動引擎，可以藉由控制汽門的瞬間開啟及關閉，使引擎可以達到更充足的進氣與排氣，來達成效率的提升。由於不需使用凸輪，所以不需設置複雜的機構，也沒有凸輪動力傳輸時(特別是於高轉速下)所產生的遲滯現象。由於不是使用燃油來燃燒，所以不會產生污染的廢氣，也不需火星塞或高壓噴嘴來產生點火動作。因此，本發明的氣動引擎，在改善進氣與排氣行程後，具有相當高的應用性及經濟性。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一第一實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
A1‧‧‧夾角
A2‧‧‧夾角
CA‧‧‧壓縮氣體
EA‧‧‧廢氣
EL1、EL2、EL3、EL4‧‧‧延伸線
TC1、TC2、TC3、TC4‧‧‧曲線
1‧‧‧氣動引擎
10‧‧‧汽缸
20‧‧‧活塞
30‧‧‧氣體供應源
40‧‧‧進氣排氣機構
41‧‧‧本體
41A‧‧‧進氣通道
41B‧‧‧排氣通道
41C‧‧‧進氣口
41D‧‧‧排氣口
41S‧‧‧容置空間
42‧‧‧進氣排氣組件
42A‧‧‧轉軸
42AT‧‧‧螺紋
42B‧‧‧進氣轉塊
42B1‧‧‧進氣流道
42C‧‧‧排氣轉塊
42C1‧‧‧排氣流道
42D‧‧‧相位調整機構
42D1、42D2、42D3、42D4‧‧‧螺帽
50‧‧‧連桿
60‧‧‧曲軸
70‧‧‧曲軸鏈輪
80‧‧‧進氣排氣鏈輪
90‧‧‧鏈條
91、93‧‧‧外蓋
92‧‧‧軸承
圖1顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎之分解示意圖。
圖2顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎之組合示意 圖。
圖3顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎之俯視示意圖。
圖4A顯示依據本發明第一實施例之進氣口與進氣通道的位置關係。
圖4B顯示依據本發明第一實施例之排氣口與排氣通道的位置關係。
圖4C與4D顯示於同一時間點之依據本發明第一實施例之氣動引擎之進氣狀態的示意圖。
圖4E與4F顯示於同一時間點之依據本發明第一實施例之氣動引擎之排氣狀態的示意圖。
圖5A顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎與習知氣動引擎之缸內壓力與缸內體積的比較圖。
圖5B顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎與習知氣動引擎之進氣時序與排氣時序相對於汽門開度的比較圖
圖6顯示依據本發明第二實施例之進氣排氣組件的局部示意圖。
圖7顯示依據本發明第三實施例之進氣排氣組件的局部剖視圖。
圖8A至8C顯示依據本發明之進氣排氣路徑的三種例子。
圖9A至9C顯示依據本發明之進氣/排氣轉塊的進氣/排氣流道的三種例子。
本發明是利用進氣轉塊及排氣轉塊的旋轉運動來達成氣動引擎進氣及排氣的控制，以取代傳統的凸輪式的進氣閥及排氣閥的功用。利用此設計，可以讓氣門瞬間開閉，使引擎有更充足的進排氣。更可以利用進氣轉塊與排氣轉塊的相對角度位置的調整來改變氣動引擎的進氣與排氣時序，藉由調整可獲得最佳的輸出功率曲線。再者，進氣轉塊與排氣轉塊的流道可以有多樣的設計，以配合氣動引擎的應用場合。
圖1顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎1之分解示意圖。圖2顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎1之組合示意圖。圖3顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎1之俯視示意圖。如圖1至3所示，本實施例之氣動引擎1包括一汽缸10、一活塞20、一氣體供應源30以及一進氣排氣機構40。
活塞20可於汽缸10中往復移動。此種運動類似於習知之內燃機引擎的運動，故於此不再贅述。
氣體供應源30提供一壓縮氣體CA以移動活塞20。當將引擎裝設於交通工具上時，可以利用一高壓氣體鋼瓶當作氣體供應源30。於一例示但非限制的例子中，壓縮氣體CA的壓力大於100個大氣壓。
進氣排氣機構40連接至汽缸10及氣體供應源30，主要是用來控制整個氣動引擎1的進氣動作及排氣動作。進氣排氣機構40包括一本體41以及一進氣排氣組件42。
本體41具有一容置空間41S及與容置空間41S連通的一進氣通道41A、一排氣通道41B、一進氣口41C及一排氣口41D。進氣通道41A與排氣通道41B連通至容置空間41S與汽缸10。於本實施例中，容置空間41S為一個貫通孔。
進氣排氣組件42可於容置空間41S轉動，並於轉動過程中控制進氣口41C與進氣通道41A的通路與斷路， 更於轉動過程中控制排氣口41D與排氣通道41B的通路與斷路，以使壓縮氣體CA經由進氣口41C與進氣通道41A進入汽缸10中驅動活塞20移動後轉變成廢氣EA，更使汽缸10中的廢氣EA經由排氣通道41B與排氣口41D排出。
於本實施例中，進氣排氣組件42包括一轉軸42A、一進氣轉塊42B以及一排氣轉塊42C。進氣轉塊42B安裝於轉軸42A上，並設有一可與進氣口41C及進氣通道41A連通之進氣流道42B1。轉軸42A透過兩個軸承92設置在本體41中轉動。本體41的兩側設有外蓋91及93來覆蓋容置空間41S，防止灰塵及粒子進入容置空間41S中。排氣轉塊42C設置於轉軸42A上，並設有一可與排氣口41D及排氣通道41B連通之排氣流道42C1。於另一例子中，進氣轉塊42B以及排氣轉塊42C可以是一體成型為一個零件。於又另一實施例中，進氣轉塊42B及/或排氣轉塊42C可以與轉軸42A一體成型為一個零件。
此外，本實施例之氣動引擎1可以更包括一連桿50、一曲軸60、一曲軸鏈輪70、一進氣排氣鏈輪80以及一鏈條90。連桿50連接活塞20及曲軸60，連桿50及曲軸60將活塞20的往復運動轉換成曲軸60的轉動，曲軸60驅動進氣排氣組件42轉動。曲軸鏈輪70設置於於曲軸60上。進氣排氣鏈輪80設置於進氣排氣機構40上。鏈條90連接曲軸鏈輪70及進氣排氣鏈輪80。於另一例子中，亦可使用齒輪等傳動機構來取代鏈條及鏈輪。
圖4A顯示依據本發明第一實施例之進氣口與進氣通道的位置關係。如圖4A所示，進氣通道41A與進氣口41C的延伸線EL1、EL2相交於容置空間41S中。圖4B顯示依據本發明第一實施例之排氣口與排氣通道的位置關係。如圖4B所示，排氣通道41B與排氣口41D的延伸線EL3、EL4相交於容置空間41S中。藉由上述構造，可以讓壓縮氣體的行進路徑不需由徑向轉折成軸向，減少能量損失。
圖4C與4D顯示於同一時間點之依據本發明第一實施例之氣動引擎之進氣狀態的示意圖。如圖4C與4D所示，稱為進氣行程，壓縮氣體CA從進氣口41C進入進氣轉塊42B的進氣流道42B1。此時，進氣流道42B1同時連通至進氣口41C與進氣通道41A，使得壓縮氣體CA可以依據箭頭指示的路徑進入汽缸10中，然後推動活塞20，進而透過連桿50推動曲軸60。曲軸60轉動曲軸鏈輪70，進而透過鏈條90帶動進氣排氣鏈輪80轉動，進氣排氣鏈輪80又帶著轉軸42A轉動，使得進氣轉塊42B與排氣轉塊42C亦一併轉動。在圖4D中，排氣流道42C1中是存在有壓縮氣體CA膨脹作功後所產生的廢氣EA，但是由於排氣流道42C1尚未與排氣口41D連通，所以廢氣EA尚未能排出。值得注意的是，於此所稱的廢氣EA並非與內燃機引擎所產生的燃燒廢氣相同，僅是相較於壓縮氣體CA的用語稱呼而已。基本上，廢氣EA亦是乾淨的氣體，只是無法提供更多能量來對活塞20作功。
圖4E與4F顯示於同一時間點之依據本發明第一實施例之氣動引擎之排氣狀態的示意圖。如圖4E與4F所示，稱為排氣行程，壓縮氣體CA不再能從進氣口41C進入進氣通道41A，而廢氣EA從排氣通道41B經由排氣轉塊42C的排氣流道42C1以及排氣口41D排出。於一例子中，廢氣EA可以直接排出至大氣環境。於另一例子中，廢氣EA可以經由一連接至排氣口41D的排氣管(未顯示)排出至大氣環境。排氣管可以消除氣體膨脹及作功所產生的噪音。
於本實施例中，進氣流道42B1所涵蓋的弧度比排氣流道42C1所涵蓋的弧度來的小，所以進氣期間比排氣期間來得短。但是，於其他例子中，亦可以調整進氣流道42B1與排氣流道42C1的大小及相對角度位置，以調整進氣時序及排氣時序，提高氣動引擎1的輸出功率。
圖5A顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎與 習知氣動引擎之缸內壓力與缸內體積的比較圖，其中習知氣動引擎使用的是凸輪配合喇叭狀的進氣閥及排氣閥，體積則與活塞的位置有關係。當活塞在上死點時，汽缸中的體積最小，當活塞在下死點時，汽缸中的體積最大。如圖5A所示，本發明之氣動引擎的進氣壓力的上升斜率比習知氣動引擎的上升斜率來得大，而本發明之氣動引擎的進氣壓力的下降斜率也比習知氣動引擎的下降斜率來得大，所以本發明的氣動引擎的整體壓力-體積包圍的面積也較大，代表本發明的氣動引擎的輸出指示功率大於習知氣動引擎。這表示利用本發明的進氣排氣機構，可以有效提升氣動引擎的效率。
圖5B顯示依據本發明第一實施例之氣動引擎與習知氣動引擎之進氣時序與排氣時序相對於汽門開度的比較圖。在圖5B中，進氣時序為0至160度，排氣時序為170至360度，橫軸表示曲軸的角度，縱軸表示汽門的開度，汽門的開度以百分比表示，曲線TC1表示本發明的進氣轉塊的進氣時序且局部與橫軸重疊，曲線TC2表示本發明的排氣轉塊的排氣時序且局部與橫軸重疊，曲線TC3表示習知技術的進氣汽門的進氣時序且局部與橫軸重疊，而曲線TC4表示習知技術的排氣汽門的排氣時序且局部與橫軸重疊。如圖5B所示，從曲線TC1與TC2可以得知，本發明可以在約10度的曲軸角度的狀況下，達到進氣汽門(或稱閥門)的最大開度，並且持續到約150度的曲軸角度。同樣的，本發明可以在約180度的曲軸角度的狀況下，達到排氣汽門(或稱閥門)的最大開度，並且持續到約350度的曲軸角度。反觀習知技術之曲線TC3與TC4，只能得到漸進式汽門開啟及關閉的效果。的因此，本發明可以達成汽門瞬間開啟及關閉的效果，提高進氣效率及排氣效率，從而提高氣動引擎的效率，而這是習知技術的所無法達成的。
在第一實施例中，進氣轉塊42B、排氣轉塊42C與轉軸42A的相對位置及角度關係都是固定的。但是，為了 調整進氣時序與排氣時序，可以依據以下方式來改良設計。圖6顯示依據本發明第二實施例之進氣排氣組件的局部示意圖。如圖6所示，進氣排氣組件42更包括一相位調整機構42D，連接至進氣轉塊42B及排氣轉塊42C，用於調整進氣轉塊42B與排氣轉塊42C之相對角位置，以調整進氣時序及排氣時序的相對關係。相位調整機構42D包含螺帽42D1及形成於轉軸42A上的螺紋42AT。因此，螺帽42D1得以螺紋啣接於轉軸42A，並將進氣轉塊42B或排氣轉塊42C以可調整的方式固定於轉軸42A上。藉此，調校人員可以調整螺帽42D1與轉軸42A的相對角度位置，來達成調整進氣時序與排氣時序的效果。雖然在圖6中是使用4個螺帽42D1、42D2、42D3、42D4，但是吾人應注意到，使用單一個螺帽即可調整兩個轉塊的相對角度位置。亦即，使用單一個螺帽42D1即可將進氣轉塊42B或排氣轉塊42C以可調整的方式固定於轉軸42A上。
圖7顯示依據本發明第三實施例之進氣排氣組件的局部剖視圖。如圖7所示，亦可以使轉軸42A以花鍵(spline)SP耦接至進氣轉塊42B或排氣轉塊42C，透過調整花鍵SP的相對角度的耦接方式，可以調整一進氣時序及一排氣時序的相對關係。
圖8A至8C顯示依據本發明之進氣排氣路徑的三種例子。在第一實施例中，進氣口41C與進氣通道41A的夾角A1等於90度，而排氣口41D與排氣通道41B的夾角A2也等於90度，如圖8A所示。然而，於另一例子中，夾角A1與A2等於135度，於又另一例子中，夾角A1與A2等於180度。值得注意的是，為了調整效率，夾角A1可以被設計成不等於夾角A2。
圖9A至9C顯示依據本發明之進氣/排氣轉塊的進氣/排氣流道的三種例子。在第一實施例中，進氣流道42B1與排氣流道42C1的輪廓(或稱為投影面)都是呈現矩形，如圖 9A所示。於另一例子中，進氣流道42B1與排氣流道42C1的輪廓可以呈現橢圓(圖9B)或漏斗狀(圖9C)。這表示流道的形狀設計也可以當作調整氣動引擎的效率的其中一個參數。
藉由本發明之氣動引擎，可以藉由控制汽門的瞬間開啟及關閉，使引擎可以達到更充足的進氣與排氣，來達成效率的提升。由於不需使用凸輪，所以不需設置複雜的機構，也沒有凸輪動力傳輸時(特別是於高轉速下)所產生的遲滯現象。由於不是使用燃油來燃燒，所以不會產生污染的廢氣，也不需火星塞或高壓噴嘴來產生點火動作。因此，本發明的氣動引擎，在改善進氣與排氣行程後，具有相當高的應用性及經濟性。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。
1‧‧‧氣動引擎
10‧‧‧汽缸
20‧‧‧活塞
30‧‧‧氣體供應源
40‧‧‧進氣排氣機構
41‧‧‧本體
41A‧‧‧進氣通道
41B‧‧‧排氣通道
41C‧‧‧進氣口
41D‧‧‧排氣口
41S‧‧‧容置空間
42‧‧‧進氣排氣組件
42A‧‧‧轉軸
42B‧‧‧進氣轉塊
42B1‧‧‧進氣流道
42C‧‧‧排氣轉塊
42C1‧‧‧排氣流道
50‧‧‧連桿
60‧‧‧曲軸
70‧‧‧曲軸鏈輪
80‧‧‧進氣排氣鏈輪
91、93‧‧‧外蓋
92‧‧‧軸承

Claims (10)

  1. 一種氣動引擎，包括：一汽缸；一活塞，可於該汽缸中往復移動；一氣體供應源，提供一壓縮氣體以移動該活塞；以及一進氣排氣機構，連接至該汽缸及該氣體供應源，該進氣排氣機構包括：一本體，具有一容置空間及與該容置空間連通的一進氣通道、一排氣通道、一進氣口及一排氣口，該進氣通道與該排氣通道連通至該容置空間與該汽缸；以及一進氣排氣組件，可於該容置空間轉動，並於轉動過程中控制該進氣口與該進氣通道的通路與斷路，更於轉動過程中控制該排氣口與該排氣通道的通路與斷路，以使該壓縮氣體經由該進氣口與該進氣通道進入該汽缸中驅動該活塞移動後轉變成廢氣，更使該汽缸中的廢氣經由該排氣通道與該排氣口排出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣動引擎，其中該進氣排氣組件包括：一轉軸；一進氣轉塊，設置於該轉軸上，並設有一可與該進氣口及該進氣通道連通之進氣流道；以及一排氣轉塊，設置於該轉軸上，並設有一可與該排氣口及該排氣通道連通之排氣流道。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之氣動引擎，其中該進氣排氣組件更包括一相位調整機構，連接至該進氣轉塊及該排氣轉塊，用於調整該進氣轉塊與該排氣轉塊之相對角位置，以調整一進氣時序及一排氣時序的相對關係。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之氣動引擎，其中該相位調整機構包含：多個螺帽，螺紋啣接於該轉軸，並將該進氣轉塊或該排氣轉塊以可調整的方式固定於該轉軸上。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之氣動引擎，其中該相位調整機構包含：一螺帽，螺紋啣接於該轉軸，並將該進氣轉塊或該排氣轉塊以可調整的方式固定於該轉軸上。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之氣動引擎，其中該轉軸係以花鍵耦接至該進氣轉塊或該排氣轉塊，透過調整該花鍵的耦接方式，可以調整一進氣時序及一排氣時序的相對關係。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之氣動引擎，其中該進氣通道與該進氣口的延伸線相交於該容置空間中。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之氣動引擎，其中該進氣口與該進氣通道的夾角不等於該排氣口與該排氣通道的夾角。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之氣動引擎，更包括一連桿及一曲軸，該連桿連接該活塞及該曲軸，該連桿及該曲軸將該活塞的往復運動轉換成該曲軸的轉動，該曲軸驅動該進氣排氣組件轉動。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之氣動引擎，更包括： 一曲軸鏈輪，設置於該曲軸上；一進氣排氣鏈輪，設置於該進氣排氣機構上；以及一鏈條，連接該曲軸鏈輪及該進氣排氣鏈輪。
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