CN1294354C - 气动机 - Google Patents

Abstract

本发明是利用高压气体释放的能量产生机械运动的一种装置。该装置利用了内燃机的四冲程工作原理。在每个气缸的曲轴3处装有一个滑杆1，用于开启气阀，使各气阀的开启与气动机工作过程同步。并有一个恒能缸10，使供给各气缸每次工作行程所需要的高压气体能量相等。同时在外力作用下，该气动机反转时还具有充气功能。该气动机不仅工作稳定，而且还能够节省能量，没有空气污染，具有很好的实用价值。

Description

气动机

技术领域  本发明涉及一种利用高压气体释放能量产生机械运动的气动机。

背景技术  目前利用高压气体产生机械运动的装置有瓦特发明的蒸汽机，由于蒸汽机产生机械能的效率不高，已逐渐被内燃机所取代，但是内燃机不仅需要燃料，并在高压下燃料要进行燃烧。由于燃烧不充分，所排放的废气对环境有污染。这种污染已严重影响城市中人类生存的健康，而且随着汽车量的增加这种危害越来越严重。针对这些问题发明了具有环保节能功能的气动机。

内燃机实际上是靠燃料燃烧使气体膨胀进行做功，而该项发明直接利用了高压气体的膨胀进行做功，因此该项发明仍然利用了内燃发动机的四冲程工作原理，即用曲轴将多个气缸连在一起。通过电磁阀的开启控制高压气体的进出，采用潜艇在水下进出舱的方法利用气阀的开关控制，实现了以高压气体为能量的气动装置。这种气动机整个工作过程都是物理变化，没有燃烧等化学变化过程，所用的高压气体为清新的压缩空气或液态氮及液态氧的混合气体。使气动机排放出的是新鲜空气，对环境无污染，并能够净化空气，真正起到环保的作用。

发明内容  本项发明的工作原理用一个研制出的四冲程气动机原理样机的结构进行阐述。

本项发明是利用高压气体释放能量产生机械运动的气动机，包括：多个气缸，每个气缸的曲轴上除了连接气缸活塞的推杆外，还连接了一个滑杆，此滑杆可以按顺序依次开关四个气阀；利用高压气管连接一个双向三通电磁阀和一个恒能缸，高压气体经过减压阀通过各气阀的开启进入气缸，同时也给恒能缸加压。

如果供给气缸5的高压气体的压强为P₀，那么每次做功供给气缸5的能量为P₀·V₀。当气缸5的活塞4运动到图(3)位置时，气缸中的压强减小为P，气缸的容积增至最大为V，根据气压原理P₀·V₀＝P·V。设气缸的截面积为S；行程为x时，则V’＝S·x；P’＝(P₀·V₀)/(S·x)，每行程所做的功为：

$W={\∫}_{h_0}^h(S\·P^{\′})\mathrm{dx}={\∫}_{h_0}^h{P}_0\·V_0\·\frac{\mathrm{dx}}{x}=P_0\·V_0\·\ln \frac{h}{h_0}=P_0\·V_0\·\ln \frac{V}{V_0}$

h为气缸5处于图(3)状态时活塞4距离气缸5底部的最大距离，V为气缸5增至最大时的容积；V₀为气缸活塞4运行到底部时，从气阀6到气缸5底部的容积。

可以得出V/V₀的值越大做功就越多，即V₀越小越好。当V₀一定时，气缸5的容积V越大越好。由于V＝(P₀/P)·V₀，所以可以得出气缸5的容积与恒能缸10的容积关系。即当V一定，所供气体压强P₀一定时，就可以求出V₀(P应等于大气压强)。

由于此发明气缸的最大容积V在工作中不会发生改变，而供给气动机的高压气体的压强P₀随着气动机工作的进程在逐渐减小，即最初时压强最大为P₀，随着做功的消耗充气压强成为一个变量P’。为了使气动机始终工作在最高效率，每次供给各气缸做功的能量应保持不变，即P’·V’＝P·V。

由于P’在逐渐减小，因此必须增大V’的容积，即要求恒能缸10的容积能够随P’的变化而改变。为了解决恒能缸10的容积V’能够随P’的变化而改变的问题，因此又发明了平衡气压能量的恒能缸10。如图(7)所示，为恒能缸10的内部结构原理图。

该恒能缸10为一圆柱的密闭容器，该容器分为三个仓，左边一个仓为原压仓24，中间为恒能仓25，右边为现压仓26。原压仓24与现压仓26与一活塞27的两边相连接，连接均用一个带钢圈可伸缩耐高压的密闭气包23和28。原压仓24的密闭气包23与活塞27的触压面积为S₀，现压仓26的密闭气包28与活塞27的触压面积为S。先将原压仓24充入高压气体，当活塞27在最左边时，即原压仓24容积最小时，从原压仓24的充气口29给原压仓24充进高压气体，使原压仓24的压强为P₀。

如果供给气缸5的高压气体压强为P₀时，由于S₀＜S此时活塞27将移至最左边，此时原压仓24的容积最小为V₁。既使恒能仓25也充满压强为P₀的高压气体，由于两边压强相等，活塞27不会移动，活塞27仍在最左边，此时恒能仓25的容积最小为V₀。当现压仓26气体的压强减小至P’时，恒能仓25的压强也是P’。原压仓24的压强也要减小至P’，因此原压仓24的容积就要增大。原压仓24的原压包23必然推动活塞向右移动，使恒能仓25的容积增大到V’，如图(8)所示。

若原压包23增大的容积使活塞27向右移动的距离为L，则恒能仓25的容积就增大了(S-S₀)L，恒能仓25的容积增至V’＝V₀+(S-S₀)L，由于：

恒能仓：P₀V₀＝P’[V₀+(S-S₀)L]；

原压仓：P₀V₁＝P’(V₁+S₀L)，

则可以求出：(S-S₀)/S₀＝V₀/V₁。

即恒能仓25与活塞27触压面积与原压包23触压活塞27面积的比等于恒能仓25最小容积V₀与原压仓24最小容积V₁之比。因此恒能缸10的活塞27面积为S时，则原压包23触压活塞27的面积为： $S_0=\frac{V_1}{V_0+V_1}S$ 因此，根据实际情况设计出的恒能缸10的结构必须符合上述理论计算出的结果，这样才能够满足P’V’＝PV，即当供气压强改变时，每次供给气缸的能量保持不变。

此恒能缸10是本发明气动机中的一个关键技术。该恒能缸10的作用是在气动机每个气缸的行程中，供给的能量P₀V₀始终保持不变，这样不仅能够使气动机工作效率最佳，具有节省能源的作用，同时也能够使气动机转动平稳。

附图说明  本发明具体结构及其反转时的实施方式由以下附图作进一步说明(上述用到了图(3)、图(7)和图(8)在此一并说明)。

图(1)是一个四冲程气动机的正视原理图；

图(2)是一个四冲程气动机的俯视原理图；

图(3)是左视原理图，汽缸5(a)的活塞在顶部状态图；

图(4)是汽缸5(b)的活塞处在下降的半行程状态图；

图(5)是汽缸5(c)的活塞在底部的状态图；

图(6)是汽缸5(d)的活塞处在上升的半行程状态图；

图(7)是恒能缸10未进气时的结构图；

图(8)是恒能缸10进气时的结构图；

图(9、10、11、12)是气动机反转时的四个状态图。

具体实施方式  如图(1)所示为一个四冲程气动机的正视原理图；图(2)为俯视原理图；图(3)为左视原理图。每个气缸的曲轴3上除了连接气缸活塞4的推杆2外，还连接了一个滑杆1。此滑杆1的中间开槽11套在一个固定在气缸5上的一个轴承13上。当气缸的活塞4的推杆2推动曲轴3转动时，此滑杆1在固定的轴承13上做往复运动。

每个气缸体上都装有四个可以手动开关的气阀6、7、8、9，一个双向三通电磁阀12和一个恒能缸10，如图(3)所示。高压气体经过减压阀30通过高压管道20先进入气阀6，同时也给恒能缸10加压。然后高压气体经过恒能缸10进入气阀7，再经过一个双向三通电磁阀12从气缸5底部孔17进入气缸。气阀8为排气阀，通过气缸底部孔18排气。当气动机需要工作时，首先将各气缸的电磁阀12切向气阀7，使气阀7与气缸5的底孔17导通，使气缸5的底孔17与气阀9截止。

当a气缸的活塞4推杆2顶端处于最高位置时，a气缸上的四个气阀都处于截止状态，如图(3)所示。此时b气缸的活塞4推杆2顶端处于曲轴3中心的水平位置并向下的运动趋势，如图(4)所示。由于b气缸的滑杆1由曲轴3带动向右偏移，在固定轴承13的下端向左偏移，此时触压气阀6和气阀8的开关，使气阀6和气阀8导通，将高压气体充进恒能缸10中，直到气阀7。尽管此时电磁阀12处于通导状态，但由于气阀7为截止状态，高压气体不能充进气缸5中。而气缸5中的气体通过导通的气阀8排放出去，使气缸活塞能够顺利地向下移动。此时c气缸的状态如图(5)所示，c气缸的活塞4推杆2顶端处于最底的位置，此时四个气阀都处于截止状态。

而d气缸的活塞4推杆2的顶端此时处于曲轴3中心水平的左侧，如图(6)所示。由于d气缸的滑杆1在固定轴承13的上段向左偏移，下段向右偏移触压气阀7和9的开关，使气阀7和9导通，此时高压气体充进d气缸。由于此时气阀6和气阀8都处于截止状态，充进气缸中的高压气体的容积为从气阀6到气阀7的容积V₀，其中包括恒能缸10的容积，此时为做功过程。尽管气阀9此时是导通状态，但是由于电磁阀12将气缸5底孔17与气阀9截止，此时气阀9不起作用。每个气缸都经过这四个过程，每一时刻都有一个气缸在做功，这样循环往复运动，使高压气体释放能量，做机械功。

在外力作用下当气动机的曲轴反向转动时，电磁阀12将供给各气缸5的高压气体关闭。同时将气缸5的底孔17与气阀9连通，此时气缸活塞的运动过程是从c→b→a→d的反向充气过程。如图(9)所示，气缸5的活塞4从最低处向上运动至图(10)，此时滑杆1将气阀6和气阀8打开。由于电磁阀12将气阀6通向气缸的高压气体关闭，因此在外力作用下滑杆1对气阀6和气阀7的开启和关闭都不起作用，只有气阀8和气阀9起作用。

当气缸活塞在外力作用下继续向上运动时，气缸5通过开启的气阀8经过气缸底部孔18已开始吸气，吸气过程至气缸5的活塞4运动到最高处。如图(11)所示，此时气阀9和气阀8都关闭。曲轴3继续反向转动时，气阀9被打开，气缸5的活塞4开始向下运动，气缸中的气体被压缩，通过气缸底部孔17经过电磁阀12充入高压管22，再经过气阀9通过一个单向进气阀16经高压管21送进一个储压包14中。

由图(9)经过图(10)至图(11)是气缸5吸气过程；由图(11)经过图(12)至图(9)是气缸中的气体被压缩的过程。循环往复上述过程，气动机在外力作用下四个气缸都给储压包14充气。储压包14的出气口是通过一个单向导气阀15与气动机供气的高压管20连通。当供气管20的气体压强大于储压包14中的气体压强时，单向导气阀15处于关闭状态，高压气体不能进入储压包14中；当供气管20的气体压强小于储压包14中的气体压强时，储压包14中的气体就补充进来，供气动机做功时用。

气动机的曲轴3在外力作用下反向转动是在汽车停车过程中实现的。当脚踏刹车板刹车时，刹车板向下运动经过三个过程：

1、首先将电磁阀12换向，使供给气缸5的高压气体截止，同时导通向储压包14，处于供压缩气体状态。

2、当刹车板继续向下移动时，通过齿轮换向使气动机曲轴3反向转动，开始产生压缩气体，给储压包14充气。

3、当刹车板踏到底时，为紧急刹车状态，此时启动汽车的刹车装置使汽车的轮子不再转动，处于紧急停车状态。

在紧急刹车状态时，气动机不再回收压缩气体。但是通常情况下无需紧急刹车，因此靠气动机产生压缩气体的反作用力，可以使汽车平缓的停下来。这样汽车启动时所耗的能量，在平缓停下来时得到补充。从理论上计算汽车启动所用的能量与停下来回收的能量应相等。但实际上由于摩擦力、空气阻力、机械传动等的损耗，靠汽车运动惯性回收的能量要小于汽车启动时所用的能量。本发明的气动机的反向做功的功能，大幅度地补充了做功所需的能量，使该发明具有了很好的实用性。

该项发明的关键技术包括三方面。第一个关键技术是开启各气阀的滑杆1，它使各气阀的开启和关闭与气动机的工作同步。同时使高压气体分量地充入气缸内做功，就如同潜艇在水下出入时需要经过两道门一样。这种设计在开启气阀时为顺力开启，因此开启各气阀需要的作用力不大。而关闭气阀时，各气阀进出口的气体的气压处于平衡状态，因此也不需要很大作用力，即滑杆1触压各气阀开关的作用力很小。开关各气阀时，各气阀对滑杆1的反作用力对气动机曲杆3转动影响也很小。

第二个关键技术是恒能缸10，它可以使每次分量充入气缸的高压气体的能量保持不变。具有使气动机工作稳定，能够达到最佳工作效率的作用。同时还能够供给气缸的等能量高压气体的压强很大，使气动机的缸径较小时也能够产生很大的推力。由于气动机所用气缸直径可以减小，因此能够节省大量的高压气能。

第三个关键技术是当气动机的曲轴逆时针转动时具有反向做功的功能，就如同打气筒一样各个气缸同时为储压包14充气，所充气体的能量通过一个单向气压阀供给气动机工作。实际上该过程是将汽车停车时的惯性动能加以利用。汽车启动时所耗的能量在停车时通过该项技术又回收来很大一部分，使能量基本消耗在汽车行驶时克服空气阻力和摩擦力上。由于有了能量回收做补充，使所需高压气体的能量也大幅度节省。

由于上述三个关键技术的解决，使该项发明的气动机具有很好的实用性。该项发明的应用推广不仅具有环境保护的意义，起到净化空气的作用，而且还能够节省能源。使地球资源—汽油不再被消耗，因此气动机的发明具有很好的社会效益和巨大的经济效益。

Claims (3)

1.本发明是一种利用高压气体释放能量产生机械运动的气动机，包括：多个气缸(5)、双向三通电磁阀(12)、恒能缸(10)、与曲轴(3)连接的滑杆(1)、气阀(6，7，8，9)、单向阀(15，16)、储压包(14)、减压阀(30)及高压气管(20、21)，其特征在于：

每个气缸(5)底部连通一个双向三通电磁阀(12)和一个气阀(8)；三通电磁阀(12)另两端分别连通高压进气气阀(7)和充气气阀(9)；高压进气气阀(7)连通一个恒能缸(10)；恒能缸(10)连通高压进气管(20)和气阀(6)；气阀(6)通过高压进气管(20)连通减压阀(30)和单向气阀(15)，单向气阀(15)另一端连通储压包(14)；在气缸(5)的曲轴(3)上连接一个按各气缸的工作要求能够先后开启的气阀(6、8)和气阀(7、9)的滑杆(1)；在外力作用下当气动机曲轴(3)反转时，双向三通电磁阀(12)换向，截止高压气体进入气缸(5)，同时气缸(5)通至气阀(9)；气阀(9)连通一个单向阀(16)经过高压管(21)连通储压包(14)。

2.根据权利要求1所述的气动机，其特征在于恒能缸(10)是由原压仓(24)、恒能仓(25)、现压仓(26)三个储气仓和一个活塞(27)组成；其中原压仓(24)和现压仓(26)中都有一个带钢环能够以一个方向伸缩的耐高压密闭气包(23、28)。

3.根据权利要求2所述的气动机，其特征在于所说恒能缸(10)中的恒能仓(25)与原压仓(24)接触活塞(27)的面积比等于恒能仓(25)和原压仓(24)最小时的容积比。

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