具有补充压缩空气回路的压缩空气发动机总成

技术领域

本发明涉及一种发动机， 具体而言， 涉及一种以压缩空气作为补充动力源的空气动 力发 动机总成。

背景技术

发动机被广泛应用于各行各业中， 在现代交通运输工具比如汽车、轮船等中， 一般采用 以燃油作为动力源的活塞式内燃发动机。 这种采用燃油作为动力源的发动机一方面因燃 油燃 烧不充分， 使得排出的气体中含有大量的有害物质而污染 环境， 另一方面因使用的燃油是从 石油中提炼而获得，石油资源的日益紧缺使得 燃油发动机的发展和利用受到越来越多的限制 。 因此开发新的、 洁净的、 无污染的替代能源， 或者尽可能地减少燃油消耗、 降低排放成为发 动机发展中急需解决的问题，以压缩空气作为 动力源的空气动力发动机正好满足了这种要求 。

较早研究压缩空气动力发动机的为法国 MDI公司的设计师 Guy Negre , 他于 2002年推 出了第一款纯空气动力的经济型家用桥车。 关于压缩空气发动机的研究可见 FR2731472A1、 US6311486BU US20070101712A1等。

FR2731472A1公开了一种可在燃料供应和压缩空气� ��应两种模式下工作的发动机， 在高 速公路上采用普通燃料如汽油或柴油， 在低速特别是市区和市郊， 将压缩空气 (或其他任何非 污染的压缩气体)注入燃烧室。这种发动机虽� �部分地降低了燃料消耗， 由于仍然采用了燃油 工作模式， 排放问题依然未能解决。

为了进一步减轻污染， US6311486B1公开了一种纯空气动力发动机， 这种类型的发动机 采用了三个独立的室： 吸气-压缩室、 膨胀排气室和恒定容积燃烧室， 并且吸气 -压缩室通过 阀连接到恒定容积燃烧室， 恒定容积燃烧室通过阀连接到膨胀排气室。 这种发动机的问题之 一是压缩气体从吸气 -压缩室到膨胀排气室经历的时间较长，获得� �动活塞做功的动力源气体 时间较长， 同时， 从膨胀排气室排出的高压气体未能得到使用， 这就限制了这类发动机的工 作效率及单次充气持续工作时间。

国内对压缩空气发动机的研究起步较晚， 目前的研究多属于理论探讨和概念设计阶段， 均未能解决压缩空气的排放以及高压压缩空气 的控制和分配问题， 离压缩空气发动机的产品 化过程还有很长的路要走。

本申请的申请人在其专利文献 CN101413403 A (其同族国际申请为 W02010051668 A1)中 公开一种可用于交通运输工具的空气动力发动 机总成， 该发动机包括储气罐、 空气分配器、 发动机本体、 联动器、 离合器、 自动变速器、 差速器以及置于排气室内的叶轮发电机。 这种 发动机利用压缩空气做功而不使用任何燃料， 因此没有废气排放， 实现了 "零排放"， 并且重 复利用废气进行发电， 节省了能源， 降低了成本。但这种发动机是基于传统的四冲 程发动机， 曲轴每旋转 720度， 活塞做功一次。 而作为动力源的高压空气可以在进入气缸内时 即可推动 活塞做功， 而后排放， 即压缩空气发动机的冲程实际为进气-膨胀冲� �和排放冲程。 显然，专 利文献 CN101413403 A所公开的这种四冲程压缩空气发动机大大浪� �了有效的做功冲程， 限 制了发动机的效率。 并且这种发动机的尾气未能很好地循环利用起 来， 需要足够大的储气罐 储备高压空气才能工作足够长的时间。

基于上述问题， 本发明提供一种具有补充压缩空气回路的空气 动力发动机， 旨在解决空 气动力发动机的有效做功问题以及尾气循环利 用问题， 从而实现经济、 高效、 零排放的新型 压缩空气发动机。

发明内容

根据本发明的一个发面， 提供了一种空气动力发动机总成， 其包括： 发动机本体， 该发 动机本体包括气缸、 缸盖系统、 进气管路、 排气管路、 活塞、 连杆、 曲轴、 排气凸轮轴、 进 气凸轮轴、 前齿轮箱系统和后齿轮箱； 所述活塞经由连杆连接到曲轴； 所述前齿轮箱系统用 来传动曲轴和凸轮轴； 所述缸盖系统上设有用于压缩空气进气的气喉 孔和用于尾气排放的排 气孔； 高压气罐组， 其通过管路与外接加气装置连通； 恒压罐， 其通过管路与高压气罐组连 通。 其中， 所述空气动力发动机总成还包括： 进气控制调速阀， 其通过管路与恒压罐连通； 控制器系统； 多柱体动力分配器， 其与发动机本体的曲轴连接； 动力设备， 其与多柱体动力 分配器连接， 以接收曲轴传递过来的动力； 电子控制单元 ECU, 其根据传感器所检测的信号 控制进气控制调速阀； 以及补充压缩空气回路， 其与排气集气管流体连通， 以将排气集气管 排出的尾气补充供应到发动机本体。

在本发明的实施例中， 所述的空气动力发动机总成是二冲程的。

在一个示例性实施例中， 所述补充压缩空气回路包括： 空气压缩机、 尾气回收罐、 电动 涡轮单向抽气机、 尾气消声器、 冷凝器、 限压阀； 其中， 尾气由排气集气管进入尾气消声器， 并通过电动涡轮单向抽气机被抽吸到尾气回收 罐内， 聚集在尾气回收罐内的尾气经空气压缩 机压缩增压后经冷凝器冷却处理后经过限压阀 送入高压气罐组。

优选的是， 所述补充压缩空气回路进一步包括顺序阀， 经空气压缩机增压后的尾气在压 力小于 15MPa时， 直接经由顺序阀送入恒压罐。

优选的是， 所述空气压缩机通过联轴器与多柱体动力分配 器连接， 从多柱体动力分配器 传递来的动力驱动空气压缩机工作， 以压缩来自尾气回收罐的尾气。 在示例性实施例中， 在电动涡轮单向抽气机和尾气回收罐之间设有 单向阀， 以防止尾气 从尾气回收罐逆流向电动涡轮单向抽气机。 优选的是， 在冷凝器和高压气罐组之间的管路上 设置尾气过滤器和 /或单向阀。尾气过滤器用来对增压后的尾气� �行净化处理， 使得过滤的尾 气适于存储在高压气罐组中。 同时， 单向阀的存在防止高压压缩空气从高压气罐组 倒流。 在 另一个示例性实施例中，所述进气控制调速阀 是电磁比例阀或者电磁比例阀和减压阀的组合 ， 这样就可方便地实现发动机高速、 中速和低速时对压缩空气进气的需求。

优选的是， 所述控制器系统包括高压共轨恒压管、控制器 上盖、控制器中座和控制器下 座， 所述控制器上盖、 控制器中座和控制器下座依次通过螺栓可拆卸 地密封连接。

在另一个示例性实施例中，所述传感器是发动 机转速传感器或者是门油电位计或者是两 者的组合。

在另一个示例性实施例中， 所述控制器上盖内设有进气管路， 所述进气管路螺纹连接到 高压共轨恒压管。

此外， 所述控制器中座内还安装有控制器进气门、 控制器气门弹簧和控制器气门座套， 所述控制器气门受控制器气门弹簧的预作用力 在发动机无需进气时抵靠在控制器气门座套 上。

优选的是， 所述控制器下座内设有控制控制器气门开闭的 控制器挺柱， 该控制器挺柱由 进气凸轮轴致动。

在另一个实施例中， 所述发动机总成的气缸为 6个气缸， 其曲轴包括 6个单元曲拐。 优选的是， 所述 6个单元曲拐分别为第一单元曲拐、 第二单元曲拐、 第三单元曲拐、第 四单元曲拐、 第五单元曲拐、 第六单元曲拐， 并且各单元曲拐的相位作如下设置： 第一单元 曲拐与第二单元曲拐相差 120度、 第二单元曲拐与第三单元曲拐相差 120度、 第三单元曲拐 与第四单元曲拐相差 180度、 第四单元曲拐与第五单元曲拐相差 -120度、 第五单元曲拐与第 六单元曲拐相差 -120度。

根据本发明的另一个方面， 提供一种用于空气动力发动机的多柱体动力分 配器， 所述空 气动力发动机包括： 发动机本体， 其包括气缸、 缸盖系统、 进气管路、 排气管路、 活塞、 连 杆、 曲轴、 排气凸轮轴、 进气凸轮轴； 高压气罐组， 其通过管路与外接加气装置连通； 恒压 罐， 其通过管路与高压气罐组连通； 进气控制调速阀， 其通过管路与恒压罐)连通； 所述多柱 体动力分配器包括多级， 每一级均包括行星齿轮、 内齿圈和太阳轮。 其中， 所述行星齿轮位 于内齿圈和太阳轮之间， 并与内齿圈内啮合以及与太阳轮外啮合。

本发明的多柱体动力分配器可以通过多种方式 与曲轴连接， 在示范性实施例中， 多柱体 动力分配器通过内齿圈与曲轴上的飞轮上的齿 圈接合， 以接收来自曲轴的动力。 在本发明的示例性实施例中，本发明的多柱体 动力分配器的多级为 5级，并具体为一级、 二级、 三级、 四级、 五级。 多级的存在， 使得多柱体动力分配器可以实现空气发动机输 出动 力的稳定传递。

进一步地， 多柱体动力分配器的一级和二级的行星齿轮之 间通过行星齿轮销连接， 二级 和三级的太阳轮之间通过太阳齿轮销连接， 三级和四级之间也通过行星齿轮销连接， 四级和 五级之间也通过太阳轮连接。 如此一来， 一级至五级的各级之间实现了运动连接， 并可将动 力从第一级传递到第五级。

在本发明的一个示例性实施例中， 所述行星齿轮销通过平键与行星齿轮连接， 以将一级 的运动传递给二级， 或者将三级的运动传递给四级。 优选的是， 平键是圆柱形的。 可备选的 是， 每一级的行星齿轮销的个数可选择地为 3个、 4个、 5个或更多。 此外， 行星齿轮销也可 通过花键与行星齿轮连接。

在本发明的另一个方面，本发明的多柱体动力 分配器的每一级的行星齿轮个数为可以为 奇数个， 比如 3个、 5个、 7个。 优选的是， 行星齿轮个数为 5个， 并且 5个行星齿轮相对于 太阳轮成圆形均匀地分布。

在本发明的再一个方面，本发明的多柱体动力 分配器的五级的行星齿轮为多柱体动力分 配器的动力输出端， 以便有选择地将来自曲轴的运动传递给外部设 备。

相比较传统发动机的变速箱有利的是，由于本 发明的多柱体动力分配器采用五级行星齿 轮的传递进行动力再分配， 即实现了省力又减少了传递中的扭矩振动。

附图说明

现在将描述根据本发明的优选但非限制性的实 施例， 本发明的这些和其他特征、方面和 优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显 而易见， 其中：

图 1是根据本发明的二冲程空气发动机总成的总� �示意图；

图 2是图 1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的� �视图；

图 3是图 1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的� �侧侧视图；

图 4是图 1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的� �侧侧视图；

图 5是图 1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的� �视图；

图 6是图 1中的二冲程空气发动机总成的发动机本体的� �轴-连杆-活塞系统总成，其中， 示出了其中一个活塞 -连杆单元与缸体的连接；

图 7是图 6中的曲轴 -连杆 -活塞系统总成的曲轴单元结构示意图； 图 8是图 2中的发动机本体的凸轮轴结构示意图；

图 9A为图 1中的二冲程发动机总成的控制器系统的立体� �视图；

图 9B为控制器系统的纵向横截面视图；

图 9C为控制器系统的横向横截面侧视图；

图 10A为图 1中的二冲程发动机总成的前齿轮箱系统的立� �透视图；

图 10B为图 10A的左侧侧视图；

图 10C为图 10A的右侧局部剖视的侧视图；

图 11A为图 1中的二冲程发动机总成的多柱体动力分配器� �立体透视图；

图 11B为图 11A的沿纵向轴线剖视的横截面视图；

图 11C为图 11A的左侧侧视图;

图 11D为图 11A的俯。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为 了限制本公开、应用或用途。应当理解的 是， 在全部附图中， 对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征 。

现在参考图 1， 图 1是根据本发明的二冲程压缩空气发动机总成� �总体示意图， 图中 的箭头表示空气气流的流动方向。 在图 1中， 压缩空气发动机总成包括发动机本体 1、 多柱 体动力分配器 2、 动力设备 4、 控制器系统 6、 空气压缩机 7、 冷凝器 11、 尾气回收罐 9、 高 压气罐组 13、恒压罐 16、进气控制调速阀 23、电动涡轮单向抽气机 19、电子控制单元 ECU 29、 限压阀 702、顺序阀 703和尾气消声器 22。 如图 1所示， 高压气罐组 13通过压缩空气入口管 路 14与外接加气站或外接加气装置连接， 以从外界获得所需的高压压缩空气。压缩空气 入口 管路 14上设有流量计 A、 压力计 P和手控开关 (未示出）。 流量计 A用于测量和监控进入高压 气罐组 13的压缩空气的流量， 而压力计 P用于测量和监控进入高压气罐组 13的压缩空气的 压力。 在需要通过外接加气装置或加气站对高压气罐 组 13进行加气时， 打开手控开关， 高压 压缩空气进入高压气罐组 13， 当压缩空气入口管路 14上的流量计 A和压力计 P达到规定数 值时， 关闭手控开关， 完成高压气罐组 13的充气过程， 这样就可获得额定压力下比如 30MPa 的压缩空气。 为了保证储气罐的安全性能， 在高压气罐组 13上可设置一个、 二个或多个安全 阀（未示出）。

高压气罐组 13可以是具有足够容量的一个、 二个、 三个、 四个或更多个高压气罐以串 联或并联的形式组合而成， 根据应用场合的实际需要， 确定高压气罐组 13的组成气罐数。高 压气罐组 13通过管路 15连接到恒压罐 16， 管路 15上同样设置有分别监测和控制压缩空气 流量和压力的流量计 A和压力计 P以及减压阀 701。 减压阀 701用来使高压气罐组 13提供的 高压压缩空气减压， 以适当压力送入到恒压罐 16。 恒压罐 16用来稳定来自高压气罐组 13的 高压空气的压力， 其压力略低于高压气罐组 13内的压力， 比如在 21-25MPa之间， 优选的是 在 21MPa左右。 在恒压罐 16和进气控制调速阀 23之间设有管路 17， 管路 17上也设置有分 别监测和控制压缩空气流量和压力的流量计 A和压力计？。 来自恒压罐 16的高压空气经过进 气控制调速阀 23的控制和调节后经管路进入控制器系统 6。

现在详细地描述进气控制调速阀 23。进气控制调速阀 23的作用是根据电子控制单元 ECU 29的指令信号控制电磁阀的开启时间来决定压� ��空气进气量。 由于电磁阀具有减压作用， 其 与减压调压阀组合就形成了调速阀， 从而可以将发动机的转速调整在一个合适的范 围内。 进 气控制调速阀 23由 ECU 29发出的控制信号 26控制。 在发动机本体 1上可选择性地设有多种 传感器， 比如测量发动机转速的速度传感器、 判断气缸上止点位置的位置传感器以及判断门 油踏板位置的门油电位计， 还可以是测量发动机机体温度的温度传感器。 根据本发明的示例 性实施例， 示出了速度传感器 24和 /或门油电位计 242。 速度传感器 24可以是现有技术中测 量发动机转速的各种速度传感器， 并通常设置在曲轴 56上。 门油电位计 242可以是现有技术 中测量油门踏板位置的各种位置传感器， 其通常设置在门油踏板位置处。 在非车辆应用的场 合中， 类似于踏板位置的门油电位计可以是发动机负 荷传感器， 例如监测发动机输出力矩的 转矩传感器、 发电场合中控制发电电流大小的电流选择旋钮 的位置传感器等。 ECU 29根据各 种传感器的信号，比如速度传感器 24的速度信号和门油电位计 242的位置信号中的任何一个 或两个， 经过运算处理发出控制信号 26， 控制信号 26控制进气控制调速阀， 从而可以实现 进气控制调速阀的高速、 中速、 低速需要， 由此相应于发动机的高速、 中速和低速转动。

经过进气控制调速阀的高压压缩空气经高压管 路流入控制器系统 6， 并由控制器系统 6 向发动机本体 1的各个气缸提供高压压缩空气， 比如大约 7-18MPa之间的压力， 优选的是为 9-15MPa， 更优选的是为 l l_13MPa， 以驱动发动机活塞 51在缸体系统 40内作往复运动（参考 图 2-6)， 并经由连杆 54将活塞 51的往复运动转变成的曲轴 56的旋转运动， 从而满足发动 机的各种工况下的要求。 控制器系统 6的具体结构将在后文进行详细地描述。

继续参考图 1， 从发动机本体 1输出的转动运动经过多柱体动力分配器 2分配到应用设 备， 如图 1中所示， 应用设备包括空气压缩机 7、 动力设备 4。 空气压缩机 7可以是传统的叶 片式压缩机和活塞式压缩机等， 也可以是本申请的申请人在专利文献 (CN 201261386Y)中所公 开的加压装置。 动力设备 4可以是传动系统、 发电机或变速器系统等。 多柱体动力分配器 2 可与曲轴 56上的飞轮固定连接， 也可通过比如是联轴器的连接件与曲轴连接。 多柱体动力分 配器 2将动力分成两路， 一路分配给动力设备 4， 另一路分配给空气压缩机 7。动力设备 4通 过离合器 3或类似功能的连接装置与多柱体动力分配器 2连接， 空气压缩机 7通过例如是齿 轮装置的联轴器 5与多柱体动力分配器 2连接。 当发动机工作时， 曲轴 56的旋转带动多柱体 动力分配器 2运转， 继而将动力分别分配给动力设备 4和空气压缩机 7， 从而带动动力设备 4 和空气压缩机 7工作。

由于本发明的压缩空气发动机由高压空气直接 驱动， 在曲轴旋转 0-180度的过程中，高 压空气驱动活塞 51运动， 在活塞到达下止点后因惯性向上运动时， 曲轴继续转动 180度 -360 度， 发动机进行排气冲程， 此时排气的气体依然具有较高的压力， 例如为 3MPa左右， 具有较 高压力的排出气体直接排到大气中一方面容易 形成高压尾气流， 引起尾气噪声， 另一方面损 耗了压缩空气所蕴涵的能量。 因此， 对压缩空气发动机的尾气再利用是一项势在必 行的关键 技术。 本发明的补充压缩空气回路结构概括如下：

从发动机本体 1的排气集气管 28排出的尾气经管路 27输送到尾气消声器 22， 经过消 声处理的尾气经由管路 18被抽向电动涡轮单向抽气机 19。 在电动涡轮单向抽气机 19和尾气 回收罐 9之间设置有管路 20， 管路 20上设有单向阀 21。单向阀 21的存在仅允许尾气从电动 涡轮单向抽气机进入尾气回收罐 9， 而不允许尾气反向流动。 尾气回收罐 9和空气压缩机 7 之间的管路 8上设有流量计 A和压力计 P， 以分别检测和监控经过空气压缩机 7压缩后的尾 气的流量和压力。 经过空气压缩机 7压缩后的尾气其压力得到显著的增加， 通常能达到大约 lO MPa 至大约 25MPa之间。 空气压缩机 7通过管路 705将压缩后的尾气分两路对发动机本体 1进行补充供应。在管路 705的下游处设有分支管路 704和 706， 管路 706与通往高压气罐组 13的管路 12流体连通， 当空气压缩机 7增压后的尾气压力大于 15MPa时， 增压尾气通过开 启压力设定为例如是 15MPa的限压阀， 随后经过管路 10进入冷凝器 11， 经过冷凝器 11冷却 后的尾气然后通过管路 12送入高压气罐组 13， 或者再通过尾气过滤器（图中未示出）后进入 高压气罐组 13。 管路 705通过顺序阀 703与管路 704流体连通。 当空气压缩机 7增压后的尾 气压力小于 15MPa时， 增压尾气通过限压压力设定为例如是 15MPa的顺序阀 （该顺序阀在进 气压力小于 15MPa时开启， 在进气压力大于 15MPa时自动关闭）， 随后经过管路 704进入恒压 罐 16。 在备选方案中， 可根据实际需要， 设定限压阀的开启压力和顺序阀的关闭压力。 例如 可以是 7Ma至 20MPa之间的任何压力。 优选的是， 是 10、 12、 15、 17、 20MPa中的任何一个。 可备选地是， 还可在冷凝器（11)和高压气罐组（13)之间的管 路上设置单向阀（图中未示出）， 仅允许增压后的干净尾气单向流入高压气罐组 （13)。如此一来， 用于驱动发动机活塞 51的高 压压缩空气在做功之后其相当一部分通过补充 压缩空气回路 (包括尾气消声器、 限压阀、顺序 阀、 电动涡轮单向抽气机、 尾气回收罐 9、 空气机 7、 冷凝器 11以及它们之间的连接管路) 增压净化后回收到高压气罐组， 从而实现了尾气的再利用。 补充压缩空气回路的存在不仅相 当程度地解决了具有相当压力的尾气 (通常为 3MPa左右)直接排气大气造成的噪声污染问题， 而且有效地减少了对大容量高压气罐组 13的容积需求问题。换句话说， 对于给定容量的高压 气罐组 13， 补充压缩空气回路的存在大大增加了压缩空气 发动机的持续工作时间， 在使用压 缩空气发动机的交通工具或发电设备中， 大大增加了交通工具或发电设备的持续工作时 间， 从而明显地提高压缩空气发动机的效率。

现在回到图 2至图 5， 图 2至图 5从不同的角度描述了图 1中的发动机本体 1的视图。 其中， 图 2为发动机本体的正视图， 图 3为发动机本体 1的右侧侧视图， 图 4为发动机本体 1的左侧侧视图， 图 5为发动机本体的俯视图。 进一步参见图 6可知， 发动机本体 1包括气 缸 40、 缸盖系统 36、 进气管路 42 (气门喉管）、 排气管路 27、 活塞 51、 连杆 54、 曲轴 56、 排气凸轮轴 800 (见图 8)、 进气凸轮轴 200 (安装在图 9中的进气凸轮轴安装孔 113内）、 前齿 轮箱系统 43和后齿轮箱 33。 前齿轮箱系统 43用来传动曲轴 56和凸轮轴。 后齿轮箱 33设置 有齿圈 31和飞轮 32，其可连接到多柱体动力分配器 2。在此发动机本体 1的示例性实施例中， 分别设置有进气凸轮轴 200和排气凸轮轴 800， 它们均通过前齿轮箱系统 43与曲轴 56相连， 并随曲轴 56的转动做适当的转动。 由于压缩空气进气直接受控制器系统 6的控制和分配，因 而在发动机汽缸盖系统 36之上取消了进气阀， 而仅设置排气阀 62， 在示例性实施中， 排气 阀为每个气缸 4个， 根据需要也可设置为 1个、 2个、 4个或 6个。 来自控制器系统 6的压缩 空气经气门喉管 42直接进入膨胀排气室 63 (见图 6)， 在发动机工作时， 该压缩空气推动活塞 51向下运动， 活塞 51通过连杆 54将活塞 51的直线运动转化为曲轴 56的旋转运动， 曲轴转 动实现发动机的输出。 在活塞 51运动到下止点之后， 曲轴 56因惯性继续运动， 带动活塞 51 从下止点位置向上止点位置运动， 此时排气凸轮轴 800通过其上的凸轮和相应的摇臂， 打开 排气阀 62，进行排气冲程。在示例性实施例中，排出� ��尾气优选的是进入补充压缩空气回路。

发动机本体 1上还设有用来启动发动机的启动器 39和通过例如是皮带轮的连接部件与 曲轴相连的发电机 391、 用于润滑油回油的气缸体油底壳 44以及对机油进行过滤的机油过滤 器 2。 该发电机 391可以例如整体式交流发电机、 无刷式交流发电机、 带泵式交流发电机或 永磁发电机等， 其在发动机工作时给发动机总成供电并给电瓶 或蓄电池（图中未示出）充电。

现在参考图 6， 图 6为图 1中的二冲程发动机总成的发动机本体 1的曲轴-连杆-活塞系 统总成， 其中， 示出了其中一个活塞-连杆单元与气缸 40的连接。 在示出的实施例中， 优选 的是具有 6个气缸 40， 相应地具有 6个活塞 51和 6个连杆 54。 在备选方案中， 活塞 51、 气 缸 40和连杆 54的数目可以分别是本领域技术人员可以想得� ��的 1个、 2个、 4个、 6个、 8 个、 12个或其他数目个数。相应地， 曲轴 56作适应地匹配性设计， 以适应活塞-连杆单元数。 在示例性实施例中， 如图 6和图 7中所见， 曲轴 56优选的是具有 6个单元曲拐， 其对应本发 明的优选实施方案。 继续参考图 6， 在所示出的其中一个活塞-连杆单元与气缸 40的连接中， 从控制器系统 6来的高压压缩空气经由进气管路 42通过气缸盖 36上的气喉孔 402直接进入 膨胀排气室 63。 高压气体在膨胀排气室 63内膨胀做功， 推动活塞 51向下运动， 此为做功冲 程。 做功冲程输出的功通过曲轴连杆系统向外输出 动力。 活塞 51在气缸 44内由下止点位置 向上止点位置运动时， 排气阀 62打开， 具有一定压力的空气自膨胀排气室 63中经由排气管 27排出， 此为排气冲程。 在活塞 51快到上止点时， 排气阀 62关闭， 控制器系统 6又开始为 膨胀排气室 63供气，进入下一个循环。显然，本发明的发� ��机的曲轴 56每转动一圈（360度）， 就做功一次， 而不像传统的四冲程发动机， 在曲轴转动两圈（720度）的过程中完成一次完 整 的进气、 压缩、 膨胀和排气冲程。 这就如二冲程发动机一样， 但又与传统的二冲程发动机不 同， 因为传统的二冲程发动机通常在气缸底部设有 进气口， 并在气缸适当位置设有扫气口和 排气口。 而本发明的二冲程发动机是在气缸的顶部设有 用于高压压缩空气进气的气喉孔 402 和用于尾气排放的排气孔 272， 并且气喉孔 402的连通和闭合是进气凸轮轴 200通过控制器 系统 6实现的， 而排气孔的连通和闭合是由曲轴带动排气凸轮 轴 800转动， 并通过摇臂控制 排气阀 62的打开和关闭而实现的。因此本发明的二冲� ��发动机是完全不同于传统的二冲程发 动机的， 其有效地利用了可直接膨胀做功的高压空气， 曲轴 56每转动一圈活塞 51就做功一 次， 因而在相同的排气量情况下， 相比较传统的四冲程发动机而言， 功率可提高一倍。

现在参考图 5和图 6， 曲轴 56包括齿轮连接螺栓 79、 曲轴前端 80、 斜齿轮 61、 主轴颈 78、 单元曲拐 71、 平衡重 77、 曲柄销 76、 曲轴后端 75和飞轮连接螺栓 72。 曲轴 56上的主 轴颈 78和曲柄销 76上分别设有一个或多个机油润滑油孔， 以便为曲轴提供润滑机油。 曲轴 前端 80的右侧（如图中所示方向）相邻处设有齿轮� ��接螺栓 79， 以与前齿轮箱系统 43中的相 应齿轮连接， 曲轴前端 80的左侧（如图中所示方向）相邻处设有斜齿� �� 61， 以带动凸轮轴转 动。 曲轴后端 75的外侧相邻位置设有飞轮连接螺栓 72， 以与飞轮 32形成固定连接。 平衡重 77上环设有一个、 二个或多个平衡配重孔， 以调节平衡重重量。 在本发明的优选实施例中， 曲轴的单元曲拐 71包括六个单元曲拐， 分别是第一单元曲拐 71a、 第二单元曲拐 71b、 第三 单元曲拐 71c、 第四单元曲拐 71d、 第五单元曲拐 71e、 第六单元曲拐 71f。 其分别对应于第 一至第六连杆 54或活塞 51。 在备选实施例中， 单元曲拐 71可包括不同数目的单元曲拐， 比 如 1个、 2个、 4个、 6个、 8个或更多个， 这些均是本领域技术人员容易想到的。 在图 6或 图 7中的优选实施例中， 各单元曲拐的相位作如下设置： 第一单元曲拐 71a与第二单元曲拐 71b相差 120度、 第二单元曲拐 71b与第三单元曲拐 71c相差 120度、 第三单元曲拐 71c与 第四单元曲拐 71c相差 180度、 第四单元曲拐 71d与第五单元曲拐 71e相差 -120度、 第五单 元曲拐 71e与第六单元曲拐 71f相差 -120度。 如此设置下的曲拐单元， 可以实现曲拐单元的 工作顺序为： 第一和第五单元曲拐同时工作， 而后第三和第六单元曲拐一起工作， 最后第二 和第四单元曲拐一起工作。 如此一来， 相应的发动机气缸的工作顺序为： 1-5缸， 3-6缸和 2-4缸。 根据本发明的教导， 本领域技术人员可设置不同于本发明的单元曲 拐及其工作相位 和工作顺序， 但其均落在本发明的范围内。

继续参考图 6， 活塞 51通过连杆 54与曲轴 56连接。 连杆 54包括连杆小头、 连杆体和 连杆大头。 连杆大头包括连杆盖 58， 连杆盖 58的内侧形成圆形的空间， 以通过置于空间内 的连杆轴瓦 57与曲轴的曲柄销 76连接。 活塞 51的外圆周表面设置有四氟乙烯阻油环 53和 四氟乙烯活塞环 52。 在图示的示例性实施例中， 每个活塞 51上设置有 4道四氟乙烯活塞环 52和 2道四氟乙烯阻油环 53。在备选实施例中， 四氟乙烯阻油环 53和四氟乙烯活塞环 52的 数目可以变化， 例如均可以是 2道、 3道、 4道或更多道。 四氟乙烯阻油环 53起阻油作用， 四氟乙烯活塞环 52起刮油作用， 它们共同作用， 保证润滑油可靠地润滑和密封。

现在参考图 8， 图 8为图 2中的发动机本体 1的排气凸轮轴 800结构示意图。 排气凸轮 轴 800包括单元凸轮 81和链轮 83。 在示例性实施例中， 单元凸轮 81包括 6个单元凸轮， 其 分别为第一单元凸轮 81a、 第二单元凸轮 81b、 第三单元凸轮 81c、 第四单元凸轮 81d、 第五 单元凸轮 81e、 第六单元凸轮 81f。 在备选实施例中， 单元凸轮 81的数目可以是 1个、 2个、 4个、 6个、 8个、 12个或更多个， 这取决于发动机气缸数和每一个气缸的排气阀 个数。 在本 发明的示例性实施例中， 每个单元凸轮 81包括两个凸轮 82， 每个凸轮 82控制其对应的排气 阀 62的开启。 在图 8中的优选实施例中， 各个单元凸轮 81的相位作如下设置： 第一单元凸 轮 81a与第二单元凸轮 81b相差 120度、第二单元凸轮 81b与第三单元凸轮 81c相差 120度、 第三单元凸轮 81c与第四单元凸轮 81c相差 180度、 第四单元凸轮 81d与第五单元凸轮 81e 相差 -120度、 第五单元凸轮 81e与第六单元凸轮 81f相差 -120度。 如此设置下的单元凸轮， 可以实现单元凸轮的工作顺序为： 第一和第五单元凸轮同时工作， 而后第三和第六单元凸轮 一起工作， 最后第二和第四单元凸轮一起工作。 如此一来， 相应的发动机气缸的工作顺序为： 1-5缸， 3-6缸和 2-4缸。根据本发明的教导， 本领域技术人员可设置不同于本发明的单元凸 轮及其工作相位和工作顺序， 但其均落在本发明的范围内。

现在参考图 9， 图 9A-图 9B统称为图 9， 其为图 1中的二冲程压缩空气发动机总成的控 制器系统 6的视图。 如图 9所示， 控制器系统 6包括高压共轨恒压管 91、 控制器下座 97、控 制器中座 98、 控制器气门 92、 控制器弹簧 94以及控制器上盖 108。 高压共轨恒压管 91具有 圆柱形外形，其也可为矩形、三角形等外形。 高压共轨恒压管 91内部为例如是圆柱形的腔道， 以接受来自进气控制调速阀 23的高压进气， 并大体上保持腔道内的压缩空气压力均衡， 以便 使初始进入各个气缸 40的膨胀排气室 63内的高压空气具有相同的压力， 从而使发动机工作 平稳。 高压共轨恒压管 91的两端固定装配有高压共轨恒压管端盖 100， 在其与进气控制调速 阀 23连接的端盖 100具有向外延伸的凸缘（图中未标记），该凸 缘伸入到高压进气控制调速阀 23和高压共轨恒压管 91之间的管路内， 并通过例如是螺纹的连接方式与高压管路可拆 卸地 固定连接。高压共轨恒压管端盖 100通过端盖连接螺栓与高压共轨恒压管 91连接。高压共轨 恒压管 91上设有对应于气缸 40的数目的上盖连接孔 111， 在图示的优选实施例中， 上盖连 接孔 111的数目为 6。 控制器上盖 108在沿其中心线的剖面上具有倒 T形， 其具有圆柱形的 支进气管路 112和圆形下表面（图中未标记）， 支进气管路 112通过其上端外围的螺纹连接到 上盖连接孔 111内， 以与高压共轨恒压管 91形成固定可拆卸地连接。控制器上盖 108通过上 盖与中座连接螺栓或其他紧固件与控制器中座 98形成密封的、可拆卸固定连接。控制器中座 98通过中座与下座连接螺栓 110或其他紧固件与控制器下座 97形成密封的可拆卸固定连接。

如图 9所示， 控制器中座 98在其中心处设有直径不同的孔， 从上到下依次为控制器气 门座套孔 120、 控制器气门孔 117、 油封衬套孔 116、 控制器气门弹簧孔 119。 在示例性实施 例中， 孔 120的直径大于孔 117的直径并且大于孔 116的直径。 孔 117的直径大于孔 116的 直径。 孔 119的直径可以和与孔 117的直径相同或不同， 但要求大于孔 116的直径。 在优选 实施例中， 孔 119的直径等于孔 117的直径， 但略小于孔 120的直径。控制器气门座套 93安 装在控制器气门座套孔 120内， 并支撑在控制器气门孔 117之上。控制器气门孔 117为空腔， 其与气喉孔连接孔 118连通， 以在控制器气门 92打开时， 将来自高压共轨恒压管 91的压缩 空气经由支进气管路 112进入气喉孔连接孔 118。 气喉孔连接孔 118的一端与控制器气门孔 117连通， 另一端联通缸盖系统 36的气喉孔 402， 其保持常通， 因而可在控制器气门 92打开 时， 将压缩空气送入膨胀排气室 63， 从而驱动发动机工作。 油封衬套 99安装在油封衬套孔 116内， 并支撑在控制器气门弹簧 94之上， 其内通过控制器气门 92的气门杆（图中未标记）。 该油封衬套 99除了对控制器气门 92进行密封外还对气门杆起导向作用。 控制器气门弹簧 94 安装在控制器气门弹簧孔 119内， 其下端支撑有控制器气门弹簧下座 95， 并通过控制器气门 锁夹片紧固在控制器气门弹簧下座 95之上。 在发动机不工作时， 控制器气门弹簧 94预加载 一定的预张力， 其将控制器气门 92抵靠在控制器气门套座 93上， 控制器气门 92关闭。 控制器下座 97内部设有示例性的 6个控制器挺柱安装孔 114， 其根据发动机气缸数的 不同， 可以设置不同数目的控制器挺柱安装孔 114， 例如可以是 1个、 2个、 4个、 6个、 8 个、 10个或更多。 控制器挺柱 115安装在控制器挺柱安装孔 114内， 并随安装在进气凸轮轴 安装孔 113内的进气凸轮轴 200转动而上下往复运动。当需要给发动机气缸 40提供高压压缩 空气时， 进气凸轮轴 200的凸轮向上顶起控制器挺柱 115， 控制器挺柱 115继而顶起控制器 气门 92的气门杆， 使得气门杆克服控制器气门弹簧 94的拉力， 离开控制器气门套座 93， 从 而控制器气门打开， 高压压缩空气得以从高压共轨恒压管 91进入膨胀排气室 63， 以满足发 动机的供气需求。 在进气凸轮轴 200随曲轴 56转过一定角度后， 控制器气门 92的气门杆在 控制器气门弹簧 94的恢复力作用下重新坐落在控制器气门套座 93上， 控制器气门 92关闭， 供气结束。 由于本发明的压缩空气发动机为二冲程发动机 ， 曲轴 56每转动一周， 控制器气门 92和排气阀 62各开闭一次， 因此， 很容易设置进气凸轮轴 200和排气凸轮轴 800的凸轮相 位以及它们与曲轴的连接关系， 其详细的结构和运动传递见图 10的示例性说明。

现在参考图 10， 图 10A-图 10C统称为图 10， 其为图 1中的二冲程压缩空气发动机总成 的前齿轮箱系统 43的不同视图。 如图 10所示， 前齿轮箱系统包括多边形盖 313、 传动齿轮 308、 曲轴齿轮 307、 过桥齿轮 303、 进气凸轮轴齿轮 302、 排气凸轮轴齿轮 306。 曲轴齿轮 307与穿过多边形盖 313的曲轴 56—端固定连接， 以传递来自曲轴的转动。 曲轴齿轮 307的 下方（图 10B中所示方位）设有例如是机油泵齿轮的传动 齿轮 308， 以通过传动齿轮 308带动 例如是机油泵的构件转动。 在曲轴齿轮 307的上方从左至右（图 10B中所示方位)依次设置有 进气凸轮轴齿轮 302、 过桥齿轮 303、 排气凸轮轴齿轮 306。 曲轴齿轮 307与过桥齿轮 303直 接接合以带动过桥齿轮 303转动。 过桥齿轮 303同时与左右两侧的进气凸轮轴齿轮 302和排 气凸轮轴齿轮 306接合， 以在曲轴 56转动时， 通过曲轴齿轮 307、 过桥齿轮 303带动进气凸 轮轴齿轮 302和排气凸轮轴齿轮 306的转动，从而使进气凸轮轴 200和排气凸轮轴 800转动， 最终实现排气阀 62和控制器气门 92的开启和关闭。在示例性实施例中，排气凸� ��轴齿轮 306 直接固定连接在排气凸轮轴 800上，从而排气凸轮轴齿轮 306的转动直接带动排气凸轮轴 800 的转动。 而进气凸轮轴齿轮 302的中心轴的适当位置上固定有皮带轮（未示 出）， 该皮带轮通 过凸轮轴传动皮带 35与设置在进气凸轮轴 200上的皮带轮连接，从而带动进气凸轮轴 200转 动， 实现控制器气门 92的开启和关闭。在备选实施例中， 进气凸轮轴齿轮 302的中心轴的适 当位置上也可固定有链轮 (未示出），该链轮通过链条与设置在进气凸� �轴 200上的链轮连接， 从而带动进气凸轮轴 200转动， 实现控制器气门 92的开启和关闭。

多边形盖 313上设有多个不同作用的孔， 例如螺钉连接孔 309、 螺钉孔 310和螺栓连接 孔 311。 多边形盖 313通过螺钉连接孔 309连接到发动机箱体上， 过桥齿轮 303通过螺钉孔 310连接到多边形盖 313上， 螺栓连接孔 311用来将多边形盖 311与发动机箱体连接。 螺栓 连接孔 311可以设置在焊接在多边形盖 311上的焊接柱 5内。 多边形盖 311上还设有供润滑 油流动的油孔 304和用于安装吊环的吊环座 12。

现在参考图 11， 图 11A-图 11C统称为图 11， 其为图 1中的二冲程压缩空气发动机总成 的多柱体动力分配器 2的不同视图。如图 11所示的本发明的示例性实施例， 多柱体动力分配 器 2是多级动力分配器， 其由一级 601、 二级 602、 三级 603、 四级 604、 五级 605 (图 10B所 示的方向由左至右）组成。在备选实施例中， 多柱体动力分配器可由不用于本发明的五级的 其 他级组成， 例如三级、 四级、 六级或七级等。 每一级的结构大体相同， 均包括行星齿轮 401、 内齿圈 407和太阳轮 405。 可根据需要均匀设定每一级的行星轮的个数， 例如 3个、 5个、 7 个或更多个。 在示例性实施例中， 每一级均包括 5个均匀分布的行星齿轮 401。 这样做的好 处在于， 行星齿轮的均匀分布可使主轴的受力均匀， 传动平稳而且传动功率大。 如图 11B所 示， 一级 601和二级 602的行星齿轮 401之间通过行星齿轮销 403连接， 以使一级 601、 二 级 602同步转动。行星齿轮销 403通过光滑的平键 4021或花键与行星齿轮 401连接。在示例 性实施例中， 行星齿轮销 403可以是细圆柱形的销， 其外形也可以是矩形、 梯形、 半圆形， 其个数可以是每一级采用二个、 三个、 四个、 五个或更多个。 二级 602和三级 603的太阳轮 405通过太阳齿轮销 406连接， 以实现二级 602和三级 603的联动。 三级 603和四级 604之 间的连接关系类似于一级 601和二级 604之间的连接关系， 四级 604和五级 605之间的连接 关系类似于二级 602和三级 603之间的连接关系。如此一来，多柱体动力分 配器 4的一级 602 到五级 603实现了动力的传递， 可以将来自一级 601的动力输入从五级 605中输出。 尤其注 意的是， 每一级的行星齿轮 401只绕自身轴线作自传运动， 而不绕相应太阳轮 405作公转运 动， 这样的布置使多柱体动力分配器的内部结构相 对简单， 易于平稳地传递动力。

现在描述多柱体动力分配器 2的工作原理。 发动机本体 1的曲轴 51上设有飞轮 32， 飞 轮 32的外围固定连接有齿圈 31，该齿圈 31具有外齿圈，其与多柱体动力分配器 2的一级 601 上的具有内齿的内齿圈 407啮合，以将曲轴 56的运动传递到一级 601的内齿圈 407。一级 601 的行星齿轮 401与二级 602的行星齿轮连接， 动力自一级 601传递到二级 602， 二级 602的 行星齿轮 401带动二级的太阳轮 405转动。 二级的太阳轮 405通过太阳齿轮销 406与三级的 太阳轮连接， 带动三级的太阳轮 405转动， 动力自二级 602传递到三级 603。 三级 603以类 似于一级 601的方式， 将三级 603的动力通过行星齿轮 401将动力传递到四级 604。 四级 604 以类似于二级的方式将四级 604的动力通过太阳轮 405传递到五级 605。 在本发明的实施例 中， 五级 605的行星齿轮 401的转动轴为动力输出端， 动力通过行星齿轮 401分为多路 (本发 明示例性地示出了两路)传递到与多柱体动力� �配器 2连接的元件，例如在本发明的示例性实 施例中， 该元件是比如是发电机的动力装置 4和空气压缩机 7。 这样一来， 动力从发动机的 曲轴 56输出，通过多柱体动力分配器 2实现多路输出。相比较传统发动机的变速箱� �利地是， 采用五级行星齿轮的传递进行动力再分配， 即实现了省力又减少了传递中的扭矩振动。

本说明书详细地公开了本发明， 包括最佳模式， 并且也能使本领域的任何人员实践本发 明， 包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何 引入的方法。 本发明的保护范围由附加权 利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范 围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型 、 改型及等效方案。