CN212054817U - 一种二冲程压缩空气发动机及汽车驱动系统和发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种二冲程压缩空气发动机及汽车驱动系统和发电系统，包括供气系统，包括高压空气压缩机和高压储气罐，高压空气压缩机与高压储气罐管道连接，高压空气压缩机用于压缩气体，并将压缩的气体送入高压储气罐储存；动力输出系统，包括气动发动机及驱动轴，气动发动机的输入端与供气系统连接，气动发动机的动力输出端与驱动轴连接，气动发动机将压缩空气的压力能转化为机械能并输出动力；转速调节系统，包括联轴器、电动机、加速器、速度控制器，联轴器与驱动轴及电动机的输出端连接。本方案的二冲程压缩空气发动机将气动发动机与电动机连接，通过控制电动机的输出转速，实现对气动发动机的高转速实现调节，整体结构简单，成本较低。

Description

一种二冲程压缩空气发动机及汽车驱动系统和发电系统

技术领域

本实用新型属于发动机技术领域，特别是涉及一种二冲程压缩空气发动机及汽车驱动系统和发电系统。

背景技术

从1886年研发投入使用的压缩空气有轨机车，到2012年MDI公司在日内瓦车展上展出了名为AirPod的以压缩空气为动力的汽车，再到德国宝马公司和日本丰田公司的压缩空气概念汽车的诞生，压缩空气动力汽车的研发和应用已经发展了一百多年。为压缩空气动力汽车提供动力的装置是压缩空气发动机，也称气动发动机，其动力介质是压缩空气。虽然研究学者们对气动发动机的研究有一定的研究基础，但技术的发展仍然阻碍了其广泛应用，其中最大的技术难点是气动发动机的高转速无法得到控制。目前，国内外公认的改变气动发动机转速的方法是改变气动发动机的进气流量和进气压力。但这种方法的实现需要高频高压电磁阀和气体压力可调的装置，这明显会增加系统的复杂性和成本。

二冲程压缩空气发动机由进气冲程和排气冲程两个冲程所构成。在进气冲程阶段，进气门被打开，压缩空气充入气缸，推动活塞下行做功。在活塞到达或接近下止点位置，进气门被关闭，排气门被打开，随即进入排气冲程阶段。气缸内的残余气体随着活塞的上行被排出气缸外，二冲程压缩空气发动机便完成一个工作循环。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述现状，提供一种二冲程压缩空气发动机。

本实用新型采用的技术方案为：一种二冲程压缩空气发动机，包括：

供气系统，包括高压空气压缩机和高压储气罐，所述高压空气压缩机与所述高压储气罐管道连接，所述高压空气压缩机用于压缩气体，并将压缩的气体送入所述高压储气罐储存；

动力输出系统，包括气动发动机及驱动轴，所述气动发动机的输入端与所述供气系统连接，所述气动发动机的动力输出端与所述驱动轴连接，所述气动发动机将压缩空气的压力能转化为机械能并输出动力；

转速调节系统，包括联轴器、电动机、加速器、速度控制器，所述联轴器与所述驱动轴及所述电动机的输出端连接，所述加速器与所述电动机连接，所述速度控制器与所述加速器连接。

本实用新型的效果是：本方案的二冲程压缩空气发动机将气动发动机与电动机连接，通过控制电动机的输出转速，实现对气动发动机的高转速调节，整体结构简单，成本较低。

本实用新型还提供一种基于上述二冲程压缩空气发动机的汽车驱动系统及发电系统。

附图说明

图1所示为本实用新型提供的一种二冲程压缩空气发动机的结构示意图；

图2所示为图1中气动发动机的结构示意图；

图3所示为图2中凸轮轴的结构示意图；

图4所示为一种基于二冲程压缩空气发动机的汽车驱动系统的结构示意图；

图5所示为一种基于二冲程压缩空气发动机的发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本实用新型提供的二冲程压缩空气发动机：

请参阅图1-图3，为本实用新型提供的一种二冲程压缩空气发动机，其包括：供气系统A、动力输出系统B、转速调节系统C，所述供气系统A 与所述动力输出系统B连接并向所述动力输出系统B提供压缩气体，所述转速控制系统C与所述动力输出系统B的输出端连接，并用于调节所述动力输出系统B的输出端的转速。

所述供气系统A包括高压空气压缩机3、高压储气罐4，所述高压空气压缩机3与所述高压储气罐4管道连接，所述高压空气压缩机3用于压缩气体，并将压缩的气体送入所述高压储气罐4储存。高压储气罐4用于暂时存储高压气体，并将高压气体送入所述动力输出系统。

所述动力输出系统B包括：气动发动机5及驱动轴6，所述气动发动机5的输入端与所述供气系统A连接，所述气动发动机5的动力输出端与所述驱动轴6相连，所述气动发动机5将压缩空气的压力能转化为机械能并输出动力。

所述转速调节系统C包括联轴器7、电动机8、加速器9、速度控制器10，所述联轴器7与所述驱动轴6及所述电动机8的输出端连接，所述加速器9与所述电动机8连接，所述速度控制器10与所述加速器9连接。

于本实施例中，还包括动力系统D，所述动力系统D与所述供气系统A、所述转速调节系统C连接，并向所述供气系统A、所述转速调节系统C 提供能源，所述动力系统D包括太阳能电池板1及动力源2，所述太阳能电池板1与所述动力源2连接，所述动力源2与所述高压空气压缩机3、所述电动机8及所述速度控制器10连接，所述太阳能电池板1用于将太阳能转化成电能存入所述动力源2，所述动力源2用于向所述高压空气压缩机 3、所述电动机8及所述速度控制器10提供电能。

所述动力源2是由一个或多个电池(例如深循环车辆电池)组成的直流电源，以产生300V的直流电压进行输出。动力源2还包括12V的直流输出。

所述高压空气压缩机3在其进气口处吸收空气并在其排气口处将压缩空气充入到高压储气罐4中，所述高压储气罐4用来储存所述高压空气压缩机3制备的压缩空气，所述高压储气罐4的出口与所述气动发动机5的进气口相连接。

所述高压空气压缩机3包括压缩机进气口、压缩机排气口和压缩机运动机构。其中，所述压缩机进气口接收来自空气源的空气，该空气源可以是环境空气或压缩空气。所述压缩机进气口吸收的空气被引导到所述压缩机运动机构并进行压缩。所述压缩机排气口连接到所述高压储气罐4或直接连接到所述气动发动机5的进气门。所述压缩机运动机构是由直流电源为动力的电动空气压缩机构。

所述气动发动机5将压缩空气的压力能转化为机械能并进行输出。所述气动发动机5工作时没有燃烧过程，其排出的残余气体是无污染的清洁空气，没有碳氢化合物的排放，同时也可将排放的尾气进行回收利用。

所述气动发动机5的输出端连接到所述驱动轴6，所述驱动轴6可连接负载进行做功。例如，当所述二冲程压缩空气发动机用在汽车上，所述驱动轴8可连接变速器和差速器。所述驱动轴6用所述联轴器7连接到所述电动机8的电动机轴81上，所述电动机8与所述电动机轴81的速度是同步的，可以直接控制所述驱动轴6的速度。

优选地，电动机8是直流电动机。联轴器7可以是刚性联轴器或者弹性联轴器，如万向接头等。在具体实施方式中，所述气动发动机5和所述电动机8的轴线与所述驱动轴6和所述电动机轴81的轴线对齐，使它们能直接与所述联轴器7进行耦合。在其它替代实施方式中，所述联轴器7可以是驱动轴6上的齿轮、皮带轮或者链轮，并连接到所述电动机8的电动机轴81上相应的齿轮、皮带轮或者链轮。

所述电动机8由连接到所述加速器9的所述速度控制器10驱动，所述速度控制器10可以根据加速器9的工作状态来调节电动机8的运行速度。

优选地，所述加速器9为可变电阻，并且阻值与速度形成对应关系，所述速度控制器10可通过改变对应可变电阻的阻值来对所述电动机8进行调速。

例如，当所述二冲程压缩空气发动机用在汽车上时，优选地，所述加速器9是带有线性柱塞的可变电阻器，并且所述线性柱塞与汽车的脚踏板连接在一起。当司机踩下踏板时，可变电阻器的阻值增大，从而提高电动机8的速度；当司机松开踏板时，复位弹簧将线性柱塞压回到原来位置，此时可变电阻器的阻值是使发动机怠速运行的阻值。

所述电动机8包括电机部分和再生器部分，其中，所述电机部分为所述电动机8的驱动部件，当所述电动机8由所述气动发动机5带动运行时，所述再生器部分用来提供动力。因此，当所述气动发动机5刚开始启动时，所述电机部分驱动所述气动发动机5启动并达到所需的工作速度。此时，所述气动发动机5产生的动力使得所述再生器部分产生能量从而为所述动力源2充电。

所述再生器部分还提供了一种辅助方式来间接控制所述电动机8的速度，如果气动发动机5的运行速度试图超过所述电机部分所设定的速度，则所述再生器部分可以增大其向所述动力源2的输出功率，从而增大所述气动发动机5的工作负载，用这种方式来抑制所述气动发动机5的运行速度。

所述空气发动机5包括缸盖51、凸轮轴52、进气门53、排气门54、活塞55、气缸56、连杆57、曲轴58。为了方便说明，图2中仅表示出了单个所述气缸56、所述活塞55、所述进气门53和所述排气门54，所述缸盖51安装在发动机缸体上部，所述缸盖51内部通过机械加工得到安装凸轮轴的通道、进气门孔和排气门孔，分别用于安装所述凸轮轴52、所述进气门53和所述排气门54，所述凸轮轴52可以在合适的配气相位下打开或关闭所述进气门53和所述排气门54，所述连杆57一端与所述活塞55铰接，另一端与所述曲轴58铰接。

高压压缩空气从所述进气门53充入所述气缸56，所述缸盖51和所述凸轮轴52的组合部件构成控制压缩空气进气相位和排气相位的配气机构，在进气冲程阶段，所述进气门53在所述凸轮轴52的驱动下被打开。此时，进入所述气缸56的压缩空气推动所述活塞55向下运动并做功。当所述活塞55到达或接近下止点位置，在所述凸轮轴52的控制下，所述进气门53被关闭，所述排气门54被打开，随即进入排气冲程阶段，所述气缸 56内的残余气体随着所述活塞55的上行被排到所述气缸56之外。此时，所述曲轴58旋转360°，所述活塞55上下往复运动一次，二冲程压缩空气发动机便完成一个工作循环。

在传统四冲程内燃机中，活塞在每个动力循环中上下往复运动两次。当活塞位于上止点位置时，进气门在活塞向下运动时被打开。同时，空气/ 燃料混合气被吸入到气缸中，此时为进气冲程。当活塞到达下止点时，进气门被关闭，活塞上行运动，压缩气缸中的空气/燃料混合气，此时为压缩冲程。随后，来自火花塞的火花使空气/燃料混合气被点燃燃烧，产生的燃爆力驱动活塞向下运动，此时为做功冲程。当排气门被打开时，活塞向上运动，燃烧后的废气通过排气门被推出气缸，此时为排气冲程。

使用压缩空气作为发动机动力源的显著优点之一是发动机工作过程中没有燃油燃爆过程，因此不需要单独的吸气冲程和压缩冲程。在图2所示的空气发动机5中，当所述活塞55靠近所述气缸56的下止点位置时，所述凸轮轴52控制着进气门53被打开，使得压缩空气被迫进入气缸56，产生向下的推力，此时为进气冲程。在排气冲程中，进气门53被关闭，排气门54被打开，以排出气缸56中的残余空气。因此，在二冲程压缩空气发动机工作时活塞55上下往复运动一次而不是两次。

在所述气动发动机5运行过程中，所述曲轴58旋转180°CA完成一个冲程。优选地，所述凸轮轴52为双叶凸轮轴，产生的功率是现有技术中单叶凸轮轴的两倍。图3表示的是所述凸轮轴52的第一叶片521和第二叶片522。所述第一叶片521与所述第二叶片522呈180°布置。在多气缸气动发动机的布置中，凸轮轴上的每个叶片都有两个叶片构成。在具体实施时，可以重新加工现有技术中的单叶凸轮轴，以增加另一个叶片，也可以重新机械加工出双叶凸轮轴。

于本实施例中，所述动力输出系统B还包括飞轮11和涡轮增压器 12，所述飞轮11与所述气动发动机5的动力输出端连接，用于存储来自所述气动发动机5的能量，因此，所述气动发动机5可以在负载变化的情况下保持其转速。所述涡轮增压器12置于所述气动发动机5的排气路径上，并与所述高压空气压缩机3连接，可将所述气动发动机5排出的残余空气的压力能转化为旋转的空气能。通过向动力源2和所述高压空气压缩机3 提供额外的电能和空气能。

请参阅图4，本申请还提供一种基于所述二冲程压缩空气发动机的汽车驱动系统，其包括二冲程压缩空气发动机、变速器13、传动轴14、差速器 15、车轮16、散热系统17、增压涡轮18及文丘里管19，所述变速器13、所述增压涡轮18与所述二冲程压缩空气发动机连接，所述传动轴14与所述变速器13及所述差速器15连接，所述车轮16与所述差速器15连接，所述散热系统17设置在所述二冲程压缩空气发动机外表面上，所述增压涡轮18一端与所述二冲程压缩空气发动机连接，另一端与所述文丘里管19 连接，所述文丘里管19与所述二冲程压缩空气发动机连接。

所述变速器13的动力输入端与所述二冲程压缩空气发动机的所述空气发动机5连接，所述变速器13的动力输出端与所述传动轴14一端连接，所述传动轴14将动力传到所述差速器15，所述差速器15驱动所述车轮16 转动。

所述散热系统17包括水箱171，直流水泵172及散热器173，所述直流水泵172与所述水箱171、所述散热器173通过管道连接，所述直流水泵 172用于将所述水箱171内的冷却液送入所述散热器173内。

所述散热器173与所述空气发动机5抵接。

所述文丘里管18与所述二冲程压缩空气发动机的高压空气压缩机4及所述增压涡轮18连接，所述文丘里管18将外部气体及所述增压涡轮18的气体送入所述高压空气压缩机4内。

所述文丘里管18有两种作用，一个作用是将压缩空气与环境空气进行混合使空气的体积增大，另一个作用是当输入空气压力过大时可以释放压力。

请参阅图5，本申请还提供一种基于所述二冲程压缩空气发动机的发电系统，其包括二冲程压缩空气发动机、电磁离合器20、发电机21、充电器 22，所述电磁离合器20与所述二冲程压缩空气发动机及所述发电机21连接，所述发电机21与所述充电器22连接，所述充电器22与所述二冲程压缩空气发动机的动力系统D连接。

所述电磁离合器20与所述高压空气压缩机3的输出端连接，所述电磁离合器20作用是使所述发电机21一直处于空载状态，直至所述气动发动机5运行至所需的速度。这可以避免所述发电机21在所述气动发动机5达到其期望的工作速度之前，试图为电力负载提供电力，这会成为气动发动机5运行时的阻力。一旦所述气动发动机5以其期望的工作速度运行时，所述电磁离合器20开始工作将启动发电机21，便可产生电力。

所述充电器22用于将发电机21产生的电力充入所述动力系统D内。

二冲程压缩空气发动机的功用很多，既可以用在汽车上以驱动其行驶，代替传统的内燃机，又能够用于发电。而且工作过程中没有燃料燃烧过程，排放的也是纯净的清洁空气，不会产生温室效应，属于绿色能源动力设备。又由于没有燃烧现象，使用寿命大大增加。气动发动机的排气温度也很低，通常在零度以下，可以作为车辆的制冷源(如车载空调)。另外，本实用新型的说明书和权利要求书中的“空气”或“气体”指的是任何可能被压缩的合适气体，包括但不限于空气、氮气、氧气或其他气体或气体组合。但空气是首选的压缩气体，因为来源广泛且容易制备得到。

本方案的二冲程压缩空气发动机将气动发动机与电动机连接，通过控制电动机的输出转速，实现对气动发动机的高转速实现调节，整体结构简单，成本较低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二冲程压缩空气发动机，其特征在于，包括：

供气系统，包括高压空气压缩机和高压储气罐，所述高压空气压缩机与所述高压储气罐管道连接，所述高压空气压缩机用于压缩气体，并将压缩的气体送入所述高压储气罐储存；

动力输出系统，包括气动发动机及驱动轴，所述气动发动机的输入端与所述供气系统连接，所述气动发动机的动力输出端与所述驱动轴连接，所述气动发动机将压缩空气的压力能转化为机械能并输出动力；

转速调节系统，包括联轴器、电动机、加速器、速度控制器，所述联轴器与所述驱动轴及所述电动机的输出端连接，所述加速器与所述电动机连接，所述速度控制器与所述加速器连接。

2.如权利要求1所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，所述高压空气压缩机包括压缩机进气口、压缩机排气口和压缩机运动机构，其中，所述压缩机进气口接收来自空气源的空气，所述压缩机进气口吸收的空气被引导到所述压缩机运动机构并进行压缩，所述压缩机排气口连接到所述高压储气罐。

3.如权利要求1所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，还包括动力系统，所述动力系统与所述供气系统、所述转速调节系统连接，并向所述供气系统、所述转速调节系统提供能源。

4.如权利要求3所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，所述动力系统包括太阳能电池板及动力源，所述太阳能电池板与所述动力源连接，所述动力源与所述高压空气压缩机、所述电动机及所述速度控制器连接，所述太阳能电池板用于将太阳能转化成电能存入所述动力源，所述动力源用于向所述高压空气压缩机、所述电动机及所述速度控制器提供电能。

5.如权利要求4所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，所述电动机包括电机部分和再生器部分，所述电机部分与所述联轴器连接，所述再生器与所述电机部分及所述动力源连接，所述电机部分为所述电动机的驱动部件，当所述电动机由所述气动发动机带动运行时，所述再生器部分用来提供动力。

6.如权利要求1所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，所述加速器为可变电阻，并且阻值与速度形成对应关系，所述速度控制器可通过改变对应可变电阻的阻值来对所述电动机进行调速。

7.如权利要求5所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，所述空气发动机包括缸盖、凸轮轴、进气门、排气门、活塞、气缸、连杆、曲轴，所述缸盖安装在所述空气发动机的缸体上部，所述缸盖内部设有通道、进气门孔和排气门孔，分别用于安装所述凸轮轴、所述进气门和所述排气门，所述凸轮轴可以在合适的配气相位下打开或关闭所述进气门和所述排气门，所述连杆一端与所述活塞铰接，另一端与所述曲轴铰接。

8.如权利要求7所述的二冲程压缩空气发动机，其特征在于，所述凸轮轴包括第一叶片和第二叶片，所述第一叶片与所述第二叶片呈180°布置。

9.一种汽车驱动系统，其特征在于，其包括：如权利要求1-8中任一权利要求所述的二冲程压缩空气发动机、变速器、传动轴、差速器、车轮、散热系统、增压涡轮及文丘里管，所述变速器、所述增压涡轮与所述二冲程压缩空气发动机连接，所述传动轴与所述变速器及所述差速器连接，所述车轮与所述差速器连接，所述散热系统设置在所述二冲程压缩空气发动机外表面上，所述增压涡轮一端与所述二冲程压缩空气发动机连接，另一端与所述文丘里管连接，所述文丘里管与所述二冲程压缩空气发动机连接。

10.一种发电系统，其特征在于，其包括：如权利要求1-8中任一权利要求所述的二冲程压缩空气发动机、电磁离合器、发电机、充电器，所述电磁离合器与所述二冲程压缩空气发动机及所述发电机连接，所述发电机与所述充电器连接，所述充电器与所述二冲程压缩空气发动机的动力系统连接。

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