技术领域

本发明涉及压缩空气车辆发动机、 火焰简、 涡轮机及配气机构。 背景技术

自 1899年法国人研究制造出第一辆新能源电动车� �现在已有一百多年发展史。在石油用 一天少一天、 国际能源危机、 油价高昂、 环境保护的多重压力下， 现有技术的内燃发动机尤 如西边的太阳， 热效率只有 40%左右的燃气轮机动力装置一般适用驱动飞机 、 轮船、 发电等 负载， 要驱动要求扭矩带宽大的车辆难以适应。 经国内外车企二十多年倾力研发， 新能源汽 车发动机己有了很大进步， 可目前的新能源汽车： 纯电动汽车——续航路程短， 电池能量密 度低、 昂贵、 寿命短、 充电时间长， 电池也存在二次污染……目前仍难以推广应用 ； 油电混 合动力汽车——继承了现有内燃机高能耗、 高污染、 输出扭矩小……等先天缺陷， 只作目前 的过渡产品； 燃料电池汽车——节能减排效果很好， 但氢燃料和铂金来源困难， 梦想难以实 现。 各国依然投入巨额资金对上述技术进行研发， 可见新能源汽车技术已经触动着世界各 国的神经， 已成为国家层次之间的竞争。 担心的是如此钻牛角尖下去， 有可能未曾能把 经济实用的新能源汽车造出来， 人类己把地球上的石油烧光了。 最近人们开始认识到以 压缩空气为动力的汽车一样环保节能， 而且技术可行， 比上述三个新能源汽车发展方向 在技术上容易解决得多， 经济实用， 才开始把精力和资金投入到以压缩空气为动力 的压 缩空气汽车上来， 中国、 法国、 美国、 印度、 澳大利亚等国已投入相关的研究。 据报道， 2004年澳大利亚墨尔本市的一个发明家， 近日发明了世界上第一辆"压缩空气"汽车。 不知何 因未能推广。 2003 年， 以本人专利号 200310113991.6 为代表的 "一种降低车辆能耗的 方法及其装置" 在中国获得多项国家发明专利权， 它其实就是所谓 "压缩空气" 汽车。 虽然在降低车辆能耗方面已取得突破性技术进 步， 但由于使用了内燃机驱动压缩机， 未 应用火焰筒、 水平对置二过程发动机等， 致使在环保节能、 降低车辆能耗、 实用性等方 面存在了一定差距。 发明内容

发明目的： 通过优化一种降低车辆能耗的方法及其装置得 到的一种压缩空气车辆发 动机及其运行方法， 根据该压缩空气车辆发动机中部件之间的连接 关系， 使它在降低车辆能 耗方面发挥更加出色； 此外， 该压缩空气车辆发动机采用一种水平对置二过 程发动机， 使它 能大流量转换压缩空气能量； 该压缩空气东辆发动机采用一种水平对置二过 程发动机配气机

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更正页 (细則第 9 1条) 构， 用它代替凸轮轴配气机构， 使水平对置二过程发动机结构简单实用。

本发明所述的压缩空气车辆发动机具体采用以 下技术方案来实现：

一种压缩空气车辆发动机， 其包括空气滤清器、 空气压缩机、 储气罐、 加热装置、 输出 气闽门、 二过程发动机、 涡轮机、 排气管、 蓄电池、 发电机、 减速器； 所述空气压缩机包括 小功率空气压缩机和大功率空气压缩机；所述 加热装置由加热装置 A和加热装置 B两部分组 成；

所述压缩空气车辆发动机中的部件采用以下方 式连接：

把大气——空气滤清器——小功率和大功率空 气压缩机——储气罐——加热装置 A—— 输出气阀门——二过程发动机——涡轮机—— 加热装置 B——排气管——大气， 用管道顺序 连接使之与大气形成以压缩空气为工质的热力 循环； 或

把大气——空气滤清器——小功率和大功率空 气压缩机——储气罐——输出气阀门—— 一加热装置 A 二过程发动机——涡轮机——加热装置 B——排气管——大气， 用管道 顺序连接使之与大气形成以压缩空气为工质的 热力循环；

消除真空阻力导入大气的单向阀并联在输出气 阀门至二过程发动机之间， 使大气——空 气滤清器——导入大气的单向阀——二过程发 动机——涡轮机——加热装置 B——排气管一 一大气， 形成以大气为工质的热力循环；

接地——发电机——蓄电池——小功率空气压 縮机电机——接地， 顺序电连接形成以电 荷为工质的电力循环，

涡轮机通过匹配的减速器输出动力与发电机和 大功率空气压缩机动力连接， 蓄电池与各 用电器电连接；

加热装置 A的燃烧室电控单元 ECU信号输入端分别与检测压缩空气流量传感器 、 加热 前后压力传感器、 加热前后温度传感器电连接， 信号输出端分别与燃烧室的点火装置、 依程 序控制燃料空燃比的装置电连接。

在储气罐和输出气阀门之间还连接有常开应急 备用阀门。

在上述基础上， 作为优选方案， 还包括以下述功能部件和装置。

由蓄电池提供电能驱动的空气压缩机。

所述的电动空气压缩机是滑片空气压缩机。

由涡轮机输出机械能驱动大功率滑片空气压缩 机。

储气罐用碳纤维材料包裹轻质金属制成， 由至少 2个以上储气罐并联组成。

加热装置 B包括回收废气余热的外热装置； 加热装置 A包括内燃烧的内热装置， 所述内 热装置是包括燃烧室壳、 扩压器、 火焰筒、 旋流器、 点火装置的燃烧室， 靠压缩空气助燃、

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更正页 （细則第 9 1条） 燃烧室至少有 2路燃料供给系统及其燃料雾化喷嘴，电控单� � ECU信号输入端分别与检测 ¾ 缩空气流量传感器、 加热前后压力传感器、 加热前后温度传感器电连接， 信号输出端分别与 燃烧室的点火装置、 依程序控制燃料空燃比的装置电连接。

输出气阔门， 由一个纵向一端设有输入气接口另一端设有输 出气接口， 横向设有锥形孔 且与输入输出气接口相通的定子匹配一个纵向 设有孔套入锥形孔内的锥形体转子组成， 转动 锥形体转子可开或关流经输入输出气接口的压 缩空气。

二过程发动机， 包括曲柄连杆机构、 配气机构、 润滑系， 二过程发动机至少有 3个以上 的 n个曲拐数， 各曲拐的相对位置按 360 !均匀布置于曲轴转角上， 各连杆轴颈连接的活塞 数相等， 配气机构使活塞从上止点下移至下止点过程其 间进气门开， 排气门关， 活塞从下止 点上移至上止点过程其间进气门关， 排气门开， 当选定二过程发动机其中一端为进气端时， 则另一端为排气端， 曲轴旋转一周能完成一个循环中的作功、 排气二个过程， 曲轴可以顺时 针或逆时针旋转把活塞连杆组传来的力转变为 扭矩输出机械能， 取 6以上双数个活塞平均分 布在曲轴两侧， 以同一平面反向的 2个曲拐为 1对置， 使活塞在水平方向上左右运动构成一 种水平对置二过程发动机。

一种水平对置二过程发动机， 一个活塞配一个缸体及气缸盖。

缸体及气缸盖外表设有散热片。

曲轴箱表面设有散热片。

所述水平对置二过程发动机的配气机构由气缸 盖和电动装置组成， 气缸盖由一个纵向一 端设有进气接口、 排气接口， 面向活塞端设有进气口、 排气口， 横向设有锥形孔且与进排气 口相通的定子匹配一个同一条轴上径向纵横垂 直设有 2个互不相通孔套入锥形孔内的锥形体 转子组成； 电动装置由曲轴位置传感器、 执行机构组成， 执行机构输出动力与气缸盖的转子 动力连接， 电动装置输出信号驱动转子转动控制水平对置 二过程发动机气缸盖进排气门的开 或关。

所述水平对置二过程发动机配气机构的电动装 置， 设有一个与水平对置二过程发动机输 出轴同步转动的非磁性转盘， 非磁性转盘上对应水平对置二过程发动机曲拐 转角分别固定有 永久磁铁， 在永久磁铁扫过点半圆范围分别固定有导磁材 料， 紧贴导磁材料磁极方向设有霍 尔传感器， 当霍尔传感器检测到是某曲拐的信号时， 输出信号控制执行机构驱动转子转动控 制水平对置二过程发动机气缸盖进排气门的开 或关。

所述水平对置二过程发动机配气机构的执行机 构， 由 AB两个幵关管同向串联控制线路 A-B间节点 1， CD两个开关管同向串联控制线路 C-D间节点 2 , 节点 1与节点 2之间并联有 两个铁芯线圈， 铁芯与转子动力连接， 开关管 A管与 D管输入信号电极并联与霍尔传感器输 更正页 （细^第 9〗条） 出信号端电连接， 开关管 C管与 B管输入信号电极并联电连接反相器输出端， 反相器输入端 与霍尔传感器输出信号端电连接。

当选定幵关管 A管与 D管输入信号电极并联与霍尔传感器输出信号� �电连接， 开关管 C 管与 B管输入信号电极并联电连接反相器输出端， 反相器输入端与霍尔传感器输出信号端电 连接时发动机是顺转， 则当幵关管 A管与 D管输入信号电极并联电连接反相器输出端， 反相 器输入端与霍尔传感器输出信号端电连接， 幵关管 C管与 B管输入信号电极并联与霍尔传感 器输出信号端电连接时水平对置二过程发动机 由顺转变为逆转。

一种根据上述压缩空气车辆发动机的运行方法 ， 压缩空气车辆发动机中部件之间的连接 关系参见上文所述， 该方法包括以下步骤：

启动小功率空气压缩机提供压缩空气， 通过输出气阀门控制压缩空气释放量， 使压缩空 气在加热装置处获得增大的能量；

驱动二过程发动机和涡轮机输出机械能；

驱动大功率空气压缩机提供大量压缩空气， 使压缩空气车辆发动机循环工作下去。

由于取用了上述技术措施， 达到以下的的技术效果：

1、压缩空气车辆发动机无需使用大容量的蓄� �池。 因为现有纯电动汽车和混合动力汽车 工作时驱动的负载是整辆汽车， 所以必须要用大容量的蓄电池组， 必然就要用重量大功率大 的电动一发电机， 这正是它的致命弱点； 而本发明只需用小功率发电机和用小容量蓄电 池驱 动小功率电动空气压缩机提供压缩空气起动发 动机就可以了。 用水平对置二过程发动机输出 动力驱动车辆， 用结构轻便涡轮机输出动力驱动小功率发电机 和大功率空压机正是克服上述 方面缺点。

2、 燃料来源广泛。 由于取用了来自燃气轮机燃烧室原理的火焰筒 加热装置， 柴油、 天然 气、 沼气、 丙烷、 汽油、 煤油、 酒精等都是它燃料。 特别是沼气， 只要有易降解有机物存在， 人类就能低成本获取沼气， 它是人类未来能源的希望。

3、 更节能环保。 因为取用火焰筒加热装置， 空燃比可达 40: 1以上， 燃料可超稀薄充分 燃烧， 过量空气量大， 所产生的有害物质自然就少， 主要排放物是空气。

4、 输出扭矩更大。 由于取用了水平对置二过程发动机， 活塞做功是任何时候都至少有 2 个活塞处于做功行程， 也至少有 2个活塞处于排气行程， 输出扭矩是单缸输出扭矩 2倍以上。

5、 实现了电子配气。现时的内燃机配气机构都是 取用齿轮传动或同步皮带传动凸轮配气 装置， 齿轮传动凸轮配气装置除噪声大、 笨重、 复杂和容易磨损出现配气不准外， 就说同步 皮带传动凸轮配气装置， 现时的小汽车一般每行 6〜 0万公里需要更换同步皮带， 否则会断带 损坏发动机， 这是现时小汽车的一大弱点。而本发明用电动 阔门配气装置就不存在这些问题。 更正页 （细則第 9 1条） 6、 取消水冷却系统。 因为取用的是缸外燃烧加热方式， 二过程发动机设有散热片， 关闭 输出气阀门时又导入大气冷却， 故用风冷就可以了。

7、 实现了电子换档。 用切换电路方式就可以使发动机顺转、 逆转从而代替了变速箱的前 进档、 倒车档。

8、 不易泄气。 取用锥型孔定子配锥型体转子做阀门， 即使吻接部位磨损也会自动吻合。

9、 供气得到保障。 因为滑片空气压缩机型较小、 噪音小、 振动小、 节能外， 故障率少 和长达 10万小时以上使用寿命是它的最大优势。

10、 安全性能高。 一取用了以碳纤维为主要材料来制造储气罐； 二现有商品滑片空气压 缩机最大额定输出压力只有 1.3Mpa， 1.3Mpa属常规低压范围。

11、 在降低车辆能耗方面发挥更加出色。 一、 要驱动汽车， 它的发动机必须有足够的输 出扭矩和转速， 即有足够大的输出功率， 要使二过程发动机能输出足够大的输出功率， 它必 须有转换大量压缩空气能量为机械能的能力， 水平对置二过程发动机正好满足要求， 任何时 候它都至少有 2个活塞处于做功行程， 至少有 2个活塞处于排气行程， 高低转速都能输出大 扭矩， 而且转速越低输出扭矩越大， 大量的压缩空气能量在单位时间内被转换成机 械能， 转 速可高达 3000转 /分以上， 即输出了强劲的功率。 二、 整个能量转换装置和燃气轮机有相似 的地方， 可看成在燃气轮机的燃气涡轮与燃烧室之间串 联了水平对置二过程发动机， 与燃气 轮机工作方式不同是水平对置二过程发动机输 出动力独立对外驱动负载， 涡轮机输出动力独 立驱动压气机； 本发明工质从火焰筒中燃料燃烧获得的热量， 一部分由水平对置二过程发动 机转换输出用于驱动车辆行驶的有用功机械能 ， 另一部分输出了无用功， 而这无用功大部分 被涡轮机和回热装置回收循环利用， 只有小部分的热量通过机壳和废气传递到温度 较低的环 境中， 使这个装置能量转换效率接近理想的 100%极限， 比燃气轮机等热机效率高得多。 三、 科学的连接方法加上储气罐、 火焰筒、 涡轮机等轻量化和上述技术优势， 使压缩空气车辆发 动机容易启动、 结构简单、 重量轻、 高效节能、 经久耐用、 不存在续航路程短问题， 使装上 它作汽车发动机使用时， 小型汽车省却离合器、 传动轴、 甚至变速箱， 大型汽车也能省却离 合器、 传动轴。 附图说明

图 1为本发明所述的一种压缩空气车辆发动机的� �部连接示意图。

编号 1、 7、 14空气滤清器， 2小功率电动滑片空气压缩机， 3储气罐， 4输出气阀门， 5 加热装置八、 B , 6 ECU, 8单向阀， 9动力输出， 10水平对置二过程发动机， 11涡轮机， 12 减速器， 13发电机， 15大功率滑片空气压缩机， 16蓄电池。 更正页 （细則第 9 1条） 具体实施方式

压縮空气车辆发动机的连接方法， 把大气——空气滤清器——小功率和大功率空 气压缩 机——储气罐——加热装置 A——输出气阔门——二过程发动机——涡轮� �——加热装置 B ——排气管——大气， 用管道顺序连接使之与大气形成以压缩空气为 工质的热力循环或把大 气——空气滤清器——小功率和大功率空气压 缩机——储气罐——输出气阀门 加热装 置 A 二过程发动机——涡轮机——加热装置 B——排气管——大气， 用管道顺序连接 使之与大气形成以压缩空气为工质的热力循环 ， 消除真空阻力导入大气的单向阀并联在输出 气阀门至二过程发动机之间， 使大气——空气滤清器——导入大气的单向阀 ——二过程发动 机——涡轮机——加热装置 B——排气管——大气， 形成以大气为工质的热力循环， 接地一 一发电机——蓄电池——小功率空气压缩机电 机——接地， 顺序电连接形成以电荷为工质的 电力循环， 涡轮机通过匹配的减速器输出动力与发电机和 大功率空气压缩机动力连接， 蓄电 池与各用电器电连接， 加热装置 A的燃烧室电控单元 ECU信号输入端分别与检测压缩空气 流量传感器、 加热前后压力传感器、 加热前后温度传感器电连接， 信号输出端分别与燃烧室 的点火装置、 依程序控制燃料空燃比的装置电连接， 以此组成一台压缩空气车辆发动机， 先 启动小功率电动空气压缩机提供压缩空气， 通过输出气阔门控制压缩空气释放量， 使压缩空 气在加热装置处获得增大的能量， 进而驱动二过程发动机和涡轮机输出机械能， 进而驱动大 功率空气压缩机提供大量压缩空气， 使压缩空气车辆发动机循环工作下去。

说明书附图只给出了其中一种连接方法示意图 ， 另一种接法只需把加热装置 5放置在输 出气阀门 4前面。 示意图连接方法好处： 火焰筒不会长时间置身在高温高压环境中， 输出气 阔门释放压缩空气有致冷作用， 可让加热装置 B吸收更多的回热， 再 ώ加热装置 A加热到所 需的温度。 另一种接法好处： 输出气阀门前如火焰筒、 管道的内部空间储存的压缩空气不会 随输出气阀门关闭而浪费。

蓄电池提供电能驱动小功率电动空气压缩机， 可用蓄电池直接提供直流电， 也可逆变成 交流电供电。

滑片式空气压缩机有许多优点， 用它做压缩空气车辆发动机的空气源是最好的 。 现有滑 片压縮机空气的流程： 大气→空气过滤器→进气阔—空气端→油气分 离器→最小压力止 回阀→后冷却器 （某些小型机无后冷却器） →用气系统。 可见后冷却器， 对本发明起相 反作用， 应省去。

用一个储气罐来储备大量的压縮空气安装在车 上所占空间大，应用多个小储气罐并 联使用。 储气罐材料首选碳纤维材料包裹轻质金属制成 的， 以减轻重量和提高安全性能。

在储气罐——输出气阀门之间连接有常开应急 备用阀门， 是预防万一输出气阀门不能关 更正页 （细 ⁶ 則第 9 1条） 闭时， 水平对置二过程发动机会继续输出动力而设的 。

加热装置 B包括回收废气余热的外热装置； 加热装置 A包括内燃烧的内热装置， 所述内 热装置是包括燃烧室壳、 扩压器、 火焰筒、 旋流器、 点火装置的燃烧室， 靠压缩空气助燃、 燃烧室至少有 2路燃料供给系统及其燃料雾化喷嘴，电控单� � ECU信号输入端分别与检测压 缩空气流量传感器、 加热前后压力传感器、 加热前后温度传感器电连接， 信号输出端分别与 燃烧室的点火装置、 依程序控制燃料空燃比的装置电连接。

这个燃烧室简称火焰筒， 它轻巧， 能超稀薄燃烧燃料， 能单位时间内等压加热大量的压 缩空气， 可设多路燃料供给， 故本发明可使用多种燃料。

本发明用由一个纵向一端设有输入气接口另一 端设有输出气接口， 横向设有锥形孔且与 输入输出气接口相通的定子匹配一个纵向设有 孔套入锥形孔内的锥形体转子组成， 转动锥形 体转子可开或关流经输入输出气接口的压縮空 气做输出气阔门（其实是所谓的油门）， 锥形体 设计是出于系统工作于高温高压， 这个转动部件容易损坏泄气而取用。

一种水平对置二过程发动机， 包括曲柄连杆机构、 配气机构、 润滑系， 水平对置二过程 发动机至少有 6个以上的 n个曲拐数， 各曲拐的相对位置按 360 ^Q /n均匀布置于曲轴转角上， 6 以上双数个活塞平均分布在曲轴两侧， 各连杆轴颈连接的活塞数相等， 以同一平面反向的 2 个曲拐为 1对置， 使活塞在水平方向上左右运动， 配气机构使活塞从上止点下移至下止点过 程其间进气门开， 排气门关， 活塞从下止点上移至上止点过程其间进气门关 ， 排气门开， 当 选定二过程发动机其中一端为进气端时， 则另一端为排气端， 曲轴旋转一周能完成一个循环 中的作功、 排气二个过程， 曲轴可以顺时针或逆时针旋转把活塞连杆组传 来的力转变为扭矩 输出机械能。 例如 6、 8、 10、 12、 14个活塞时， 就分别构成了 3对置、 4对置、 5对置、 6 对置、 7对置水平对置二过程发动机， 它是二过程发动机在特定条件下的特殊结构发 动机。

取用一个活塞配一个缸体及气缸盖， 缸体及气缸盖外表设有散热片， 曲轴箱表面设有散 热片， 这样分立结构和散热， 就可以省冷却水装置， 减轻重量和减少体积。

一种水平对置二过程发动机所述配气机构， 由气缸盖和电动装置组成， 气缸盖由一个纵 向一端设有进气接口、 排气接口， 面向活塞端设有进气口、 排气口， 横向设有锥形孔且与进 排气口相通的定子匹配一个同一条轴上径向纵 横垂直设有 2个孔套入锥形孔内的锥形体转子 组成； 电动装置由曲轴位置传感器、 执行机构组成， 设一个与水平对置二过程发动机输出轴 同步转动的非磁性转盘， 非磁性转盘上对应水平对置二过程发动机曲拐 转角分别固定有永久 磁铁， 在永久磁铁扫过点半圆范围分别固定有导磁材 料， 紧贴导磁材料磁极方向设有霍尔传 感器； 执行机构是 AB两个开关管同向串联控制线路 A-B间节点 1， CD两个开关管同向串联 控制线路 C-D间节点 2， 节点 1与节点 2之间并联有两个铁芯线圈， 铁芯与转子动力连接， 更正页 （细則第 9 1条） 开关管 A管与 D管输入信号电极并联与霍尔传感器输出信号� �电连接， 开关管 C管与 B管 输入信号电极并联电连接反相器输出端， 反相器输入端与霍尔传感器输出信号端电连接 ， 当 霍尔传感器检测到是某曲拐的信号时， 电动装置输出信号驱动转子转动控制水平对置 二过程 发动机气缸盖进排气门的开或关。

通过电路切换就可以实现水平对置二过程发动 机顺逆转：

当选定开关管 A管与 D管输入信号电极并联与霍尔传感器输出信号� �电连接，开关管 C 管与 B管输入信号电极并联电连接反相器输出端， 反相器输入端与霍尔传感器输出信号端电 连接时发动机是顺转， 则当开关管 A管与 D管输入信号电极并联电连接反相器输出端， 反相 器输入端与霍尔传感器输出信号端电连接， 开关管 C管与 B管输入信号电极并联与霍尔传感 器输出信号端电连接时水平对置二过程发动机 由顺转变为逆转。

上述电动装置也可以由其它形式电路装置与伺 服电机构成。

涡轮机现有技术成熟， 有径流和轴流两种， 转速高， 驱动滑片空气压缩机和发电机时最 好减速至 1000— 2000转 /分。

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