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改進的具有主動膨脹室的壓縮空氣或氣體和/或附加能量發(fā)動機的制作方法

文檔序號:5182236閱讀:259來源:國知局
專利名稱:改進的具有主動膨脹室的壓縮空氣或氣體和/或附加能量發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及特別是在壓縮空氣或任何其它壓縮氣體下操作的、并 具有主動膨脹室的發(fā)動機。
背景技術(shù)
發(fā)明人已經(jīng)申請了多個涉及推進系統(tǒng)及其裝置的專利,使用氣體
特別是壓縮空氣,用于城市和郊區(qū)中的完全清潔的運轉(zhuǎn)
WO 96/27737 - WO 97/39232 - WO 97/48884 - WO 98/12062 -WO 98/15440 - WO 98/32963 - WO 99/37885 - WO 01/69080 - WO 03/036088
在其內(nèi)容可供參考的國際專利申請WO 99/37885中,提出了一種 解決方案,增加可以使用和獲得的能量的量,其中,壓縮空氣在進入 到燃燒室和/或膨脹室中之前是直接來自于存儲罐,或者在壓縮空氣已 經(jīng)進入穿過熱交換器或周圍環(huán)境熱能回收裝置的交換器之后進入到燃 燒室中之前,該壓縮空氣導(dǎo)入到熱力加熱器中,其中,在插入到發(fā)動 機的燃燒室和/或膨脹室中之前,通過其溫度的增加,該壓縮空氣的壓 力和/或體積將會再次增大,從而再次顯著的增加所述發(fā)動機可獲得的 性能。'
盡管使用的是化石燃料,使用熱力再熱器仍然具有的優(yōu)點在于, 能夠使用清潔的、連續(xù)的燃燒,可借助所有公知方式進行催化和消除 污染,以獲得污染極小的排放。
盡管事實上使用的是化石燃料,使用熱力再熱器仍然具有的優(yōu)點 在于,能夠使用清潔的、連續(xù)的燃燒,可借助任何公知方式進行催化 轉(zhuǎn)換或者消除污染,以獲得極低水平的污染排放。
發(fā)明人已經(jīng)提交了 一份內(nèi)容可供參考的專利申請WO 03/036088,
6其涉及以單能量或多能量進行運轉(zhuǎn)的附加壓縮空氣噴射電動壓縮機-電動交流發(fā)電;f幾組。
在這類采用壓縮空氣進行運轉(zhuǎn)并包括有壓縮空氣存儲器的發(fā)動機 中,需要膨脹以很高的壓力容納在存儲罐中的壓縮空氣,但是當存儲 罐排空的時候,在可以用在發(fā)動機氣缸或多個氣缸中之前,其壓力減 小到在稱之為工作容量部分的緩沖容量部分中使用的穩(wěn)定的稱之為最 終使用壓力的中間壓力。公知的開閉器和彈簧型的傳統(tǒng)減壓器具有極 低的流速,在這樣的應(yīng)用中使用它需要很笨重而操作性不好的裝置, 其還對于在膨脹期間冷卻的空氣中的濕氣導(dǎo)致的結(jié)水很敏感。
為了解決這個問題,發(fā)明人還提交了一份內(nèi)容可供參考的專利申
請WO-A1-03/089764,其涉及可變流速的動壓力調(diào)節(jié)器和分配系統(tǒng), 用于壓縮空氣噴射式發(fā)動機,包括高壓的壓縮空氣存儲罐和工作容量 部分。
發(fā)明人還提交了 一份專利申請WO-A1-02/070876 ,其涉及可變?nèi)?積的膨脹室,由兩個不同的容量部分構(gòu)成, 一個容量部分與壓縮空氣 進氣口連通,另一個容量部分與氣缸配對結(jié)合在一起,這兩個容量部 分放置成相互連通,或者以這樣的方式隔開,即,在排氣循環(huán)期間能 夠在排氣端部處立即對這些具有壓縮空氣的容量部分中的第一個充 氣,然后在第二個中形成壓力,而活塞固定在上止點處,在其重新開 始行程之前,兩個容量部分保持連通且一起膨脹,以執(zhí)行做功行程, 并且兩個容量部分中的至少一個設(shè)置有改變其容積的裝置,以允許合 成的發(fā)動機扭矩在相同的壓力下變化。
在這些"充氣膨脹"發(fā)動機的運轉(zhuǎn)中,膨脹室的填充總是表示膨 脹而不影響機器的整體效率。
為了解決上述問題,發(fā)明人還提交了一份專利申請 WO-A1-2005/049968,其描述了 一種具有主動室的發(fā)動機,其中膨脹 室由用于做功的可變?nèi)莘e裝置構(gòu)成,通過通道與主驅(qū)動活塞上方的空 間配對結(jié)合,并通過通道與主驅(qū)動活塞上方的空間永久地接觸。
WO-A1-2005/049968 ( FR-A1-2.862.349 )具體示出了以壓縮空氣單(單一)能力模式運轉(zhuǎn)的四個階段的熱力循環(huán),其特征在于 -等溫膨脹,不做功 -傳遞-稍微膨脹,做功,是準等溫的 -多變(polytropic )膨脹做功 -在周圍環(huán)境壓力下的排放
發(fā)動機運轉(zhuǎn)在上述熱力循環(huán)中,并且使用傳統(tǒng)的連桿/曲軸布置。 優(yōu)選地通過稱為工作容量部分的緩沖容量部分來供應(yīng)容納在高壓存儲 罐中的壓縮空氣或任何其它的壓縮氣體。在雙能量形式中的工作容量 部分包括通過附加能量(化石的或其它的能源)供應(yīng)的用于加熱空氣 的裝置,以增加穿過其的空氣的溫度和/或壓力。
在后面的文獻WO-A1-2005/049968 (FR-A1-2.862.349)中,這樣 的熱力循環(huán)運轉(zhuǎn)是通過機械裝置獲得的,該機械裝置連接主驅(qū)動活塞、 工作曲軸和主動膨脹室的活塞。
本發(fā)明的目的在于簡化這種發(fā)動機的設(shè)計,而保持上述所有優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
為此,本發(fā)明提供一種發(fā)動機,供應(yīng)有容納在高壓存儲罐(22) 中的壓縮空氣或任何其它壓縮氣體,并且包括
-至少一個主驅(qū)動活塞,其在驅(qū)動氣缸中滑動,以傳統(tǒng)的連桿/ 曲柄布置驅(qū)動曲軸,
-以及至少一個主動膨脹室,其由可變?nèi)莘e構(gòu)成,所述可變?nèi)莘e 配備有允許做功的裝置,并且通過通道與當所述驅(qū)動活塞位于其上止 點時該驅(qū)動活塞之上的容納在驅(qū)動氣缸中的容積連接,該容積稱為固 定容積,其特征在于
-所述通道包括開閉器,從而允許所述主動膨脹室與固定容積隔 離或處于與固定容積接觸,
-所述發(fā)動機包括進氣管道,其在所述主動膨脹室中打開,并且 允許向發(fā)動機供應(yīng)壓縮空氣或壓縮氣體,
-當膨脹室處于最小容積的時候壓縮空氣或氣體進入該膨脹室
8中,在壓縮空氣的推動下,容積增大,從而做功,
-當膨脹室大致為最大體積并且驅(qū)動活塞大致位于其上止點的 時候,進氣管道關(guān)閉,所述主動膨脹室處于與驅(qū)動氣缸連通,容納在 主動膨脹室中的壓縮空氣或壓縮氣體膨脹,從而推動驅(qū)動活塞在其下 行程中后退,從而做功,
_在膨脹期間,主動膨脹室的體積返回到其最小體積,以允許重 新開始新的循環(huán),
采用這樣的方式,發(fā)動機根據(jù)四個階段的熱力循環(huán)進行工作 *等溫膨脹,不做功;
*傳遞-稍微膨脹,做功,是準等溫的;
*多變膨脹做功;
*在周圍環(huán)境壓力下的排放。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面
-所述固定容積降低到機械公差許可的最小值,以避免主動膨脹 室處于與固定容積連通時的不做功的(work-free)膨脹。
-通過稱為工作容量部分的緩沖容量部分向發(fā)動機供應(yīng)壓縮空 氣或氣體,容納在存儲罐中的高壓壓縮空氣供應(yīng)給工作容量部分,優(yōu) 選的通過動態(tài)調(diào)節(jié)器裝置在所述工作容量部分中膨脹到稱為工作壓力 的中間壓力;相應(yīng)的發(fā)動機有利地裝備有根據(jù)國際專利申請 WO-Al-03/089764的稱為動態(tài)調(diào)節(jié)器的可變流速調(diào)節(jié)器,其通過進行 等溫類型的膨脹不做功而允許向工作容量部分在其服務(wù)壓力下從存儲 罐供應(yīng)壓縮空氣。
-所述工作容量部分包括用于使用附加能量,化石燃料或其它形 式的能量,來加熱壓縮空氣或氣體的加熱裝置,所述加熱裝置允許穿 過該加熱裝置的空氣的溫度和/或壓力增加;這種布置使其通過壓縮空 氣或氣體在引入到主動膨脹室中之前溫度增大、壓力和/或體積增大使 其能夠增大性能和/或范圍,而能夠增加可用的和可獲得的能量的量; 熱力加熱器對于其能量可以使用化石燃料,比如用于車輛的汽油、柴 油或LPG或天然氣(NG);其可以使用生物燃料或乙醇燃料,從而允許采用外部燃燒的雙能量運轉(zhuǎn),其中燃燒器將引起溫度的增大。
-通過直接在壓縮空氣或氣體中燃燒化石的或生物的燃料來加 熱該壓縮空氣或氣體,然后該發(fā)動機成為外內(nèi)燃機。
-該熱力加熱器是使用熱化學(xué)固體方法氣體反應(yīng)的熱力加熱器, 該熱化學(xué)固體方法氣體反應(yīng)是基于借助容納在蒸發(fā)器中的反應(yīng)流體的 蒸發(fā)的轉(zhuǎn)換,比如液體氨轉(zhuǎn)換為將與容納在反應(yīng)器中的固體反應(yīng)物進 行反應(yīng)的氣體,該固體反應(yīng)物為比如氯化釣、二氯化錳、氯化鋇等等 的鹽,該化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱,并且當反應(yīng)結(jié)束時可通過向反應(yīng)器供應(yīng)熱
而再生,以釋放氣態(tài)的氨,然后該氣態(tài)的氨將會在蒸發(fā)器中再次冷凝; 該熱力加熱器有利地使用熱化學(xué)方法,比如那些在例如專利 EP-A1-0.307.297和EP-B1-0.382.586中使用和說明的那些熱化學(xué)方 法,系統(tǒng)類似于熱電池進行運轉(zhuǎn)。
-發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式進行運轉(zhuǎn),該雙能量模式 中的熱力循環(huán)的特征在于,等溫膨脹不做功,保持所述工作容量部分 中的能量,通過使用化石能量加熱空氣或氣體而增加空氣或氣體的溫 度,接下來是稱為準等溫的微小膨脹而做功,在驅(qū)動氣缸中進行多變 膨脹做功,最后在大氣壓力下進行排放,表示如下的五個連續(xù)階段
*等溫膨脹;
*溫度增加;
*傳遞-稍微膨脹,做功,是準等溫的;
*多變膨脹做功;
*在周圍環(huán)境壓力下的排放。
—通過控制所述工作容量部分中的壓力來控制發(fā)動機的扭矩和 發(fā)動機的速度;通過動態(tài)調(diào)節(jié)器有利地提供所述控制。
-發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式進行運轉(zhuǎn),在該雙能量模 式過程中,電子控制單元根據(jù)壓縮空氣或氣體的壓力,因而也是根據(jù) 進入所述工作容量部分的空氣的質(zhì)量,來控制供應(yīng)的附加能量的量。
—主動膨脹室的所述可變?nèi)莘e包括稱為充氣活塞的活塞,該活塞 在氣缸中滑動,并通過連桿連接到發(fā)動機的曲軸上。-發(fā)動機供應(yīng)有容納在高壓存儲罐中的壓縮空氣或氣體,和/或 發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式進行運轉(zhuǎn),并且為了在壓縮空氣 或氣體存儲罐變空以及使用附加能量的時候允許自發(fā)的運轉(zhuǎn),具有主 動膨脹室的發(fā)動機結(jié)合到空氣或氣體壓縮機上,允許向高壓壓縮空氣 或氣體存儲罐供應(yīng)壓縮空氣或氣體。
-所述壓縮機直接供應(yīng)工作容量部分;在這種情況下,通過控制 壓縮機的壓力來進行發(fā)動機的控制,高壓存儲罐和工作容量部分之間 的動態(tài)調(diào)節(jié)器保持關(guān)閉。
-結(jié)合的壓縮機聯(lián)合供應(yīng)存儲罐和工作容量部分。 -發(fā)動機以使用化石燃料、植物燃料等的單能量模式進行運轉(zhuǎn), 允許僅僅通過結(jié)合的壓縮機進行壓縮的容納在工作容量部分中的空氣 或氣體被加熱,然后相當簡單地省略高壓壓縮空氣或氣體存儲罐。 一釋放后的廢氣再次流通到結(jié)合的壓縮機的進氣側(cè)。 -發(fā)動機以壓縮空氣單能量模式進行運轉(zhuǎn),發(fā)動機由幾個增大氣 缸容量部分的膨脹級構(gòu)成,各個級包括主動膨脹室,該主動膨脹室由 可變?nèi)莘e裝置構(gòu)成,允許做功,并且在各個級之間具有交換器,以加 熱前一級排出的空氣。
-發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式進行運轉(zhuǎn),并且位于各個 級之間的交換器裝備有附加能量加熱裝置。
-交換器和加熱裝置是一起地或單獨地結(jié)合到使用相同能源的 多級裝置中。
根據(jù)本發(fā)明的熱力循環(huán)的特征在于,通過動態(tài)調(diào)節(jié)器允許的等溫 膨脹不做功,接下來是傳遞,伴隨著非常小的準等溫膨脹一一例如, 3000立方厘米的容量部分膨脹為3050立方厘米的容量部分——通過 利用容納在工作容納部分中的空氣或氣體的壓力做第一功,而主動膨 脹室被填充,接著膨脹室的多變膨脹至驅(qū)動氣缸中做第二功,溫度降 低,最后膨脹的空氣排放到大氣中。
根據(jù)本發(fā)明的一個可選形式,具有主動膨脹室的發(fā)動機裝備有具 有燃燒器等的熱力加熱器,并裝備有上述類型的熱化學(xué)加熱器,可在
ii熱化學(xué)加熱器的階段l期間一起或接連使用,在此期間,當熱化學(xué)加 熱器變空的時候,通過加熱其反應(yīng)器而單元持續(xù)使用燃燒器加熱器進
行運轉(zhuǎn),具有燃燒器的熱力加熱器將使得熱化學(xué)加熱器再生(階段2 )。 在使用燃燒加熱器的情況下,根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的發(fā) 動機為具有外燃燒室的發(fā)動機,稱為外燃燒室發(fā)動機。然而,如果火 焰直接與運轉(zhuǎn)壓縮空氣接觸,所述加熱器的燃燒可以是內(nèi)部的,在這 種情況下發(fā)動機被稱為"內(nèi)-外燃燒發(fā)動機",或者,所述加熱器的 燃燒是外部的,通過交換器加熱運轉(zhuǎn)壓縮空氣,在這種情況下發(fā)動機 被稱為"外外燃機"。
在采用附加能量的運轉(zhuǎn)模式中,然后熱力循環(huán)包括上述五個階段。 在壓縮空氣模式的運轉(zhuǎn)過程中,在比如以市內(nèi)設(shè)定的車輛中,緊 緊只有高壓罐中的壓縮空氣的壓力被用于運行;在以附加能量模式的 運轉(zhuǎn)過程中,使用化石的或其它形式的能量,在比如高速路上的車輛 中,然后工作容量部分需要被加熱,使其能夠增大通過該工作容量部 分的空氣的溫度,并因此增大可以用于充入主動膨脹室和膨脹的體積 和/或壓力。
具有主動膨脹室的雙能量發(fā)動機可以兩個模式運轉(zhuǎn),這兩個模式 在比如城鎮(zhèn)中的車輛上使用容納在高壓存儲罐中的壓縮空氣的零排放 運轉(zhuǎn)模式,而在比如高速路上使用其熱力加熱器供應(yīng)有化石能量或某 些其它形式的能量而同時高壓存儲罐再次供應(yīng)有由空氣壓縮機提供的 空氣的附加能量運轉(zhuǎn)模式。
根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的雙能量發(fā)動機實際上可具有三個 主要的運轉(zhuǎn)模式
-壓縮空氣單能量模式
-壓縮空氣加上附加能量雙能量模式
-附加能量燃料單能量模式
當結(jié)合至如上所述的供應(yīng)工作容量部分的空氣壓縮機的時候,具 有主動膨脹室的發(fā)動機還可以單能量化石燃料或某些其它燃料形式出 現(xiàn),然后非常簡單地省略高壓壓縮空氣存儲罐。在壓縮空氣單能量發(fā)動機的情況下,第一氣缸中的膨脹已經(jīng)引起 溫度的下降,空氣有利地在與周圍環(huán)境交換能量的空氣-空氣交換器 中被力口熱。
在以附加能量模式運轉(zhuǎn)的雙能量發(fā)動機的情況下,使用熱力加熱 器中的附加能量,比如使用化石燃料,來加熱空氣。
根據(jù)這種布置的可選形式,在每級之后,排出的空氣被引至單個 多級加熱器,從而使其能夠使用僅僅一個燃燒源。
熱交換器可以是空氣-空氣或空氣-液體交換器,或產(chǎn)生期望效 果的任何其它的裝置或氣體。
根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的發(fā)動機可用在所有陸地、海洋、 軌道或空中交通工具上。根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的發(fā)動機還可 以或有利地應(yīng)用在備用發(fā)電機組中,以及產(chǎn)生電力、熱力和提供氣候 控制的各種家用熱電應(yīng)用中。


參考附圖,閱讀幾個實施例的沒有任何暗含限制的說明,本發(fā)明
的其它目的、優(yōu)點和特征將會變得明顯,其中
圖1示出了具有主動膨脹室的發(fā)動機的縱向截面示意圖,以及其 高壓(HP)空氣供應(yīng)裝置;
圖2至4示出了圖1的發(fā)動機的各個運轉(zhuǎn)階段的縱向截面示意圖5為壓縮空氣單能量模式的熱力循環(huán)圖6示出了具有主動膨脹室的發(fā)動機的橫截面示意圖,以及其高 壓空氣供應(yīng)裝置,該高壓空氣供應(yīng)裝置包括有通過燃燒加熱空氣的裝 置;
圖7為壓縮空氣和附加雙能量模式的熱力循環(huán)圖8為具有主動膨脹室的發(fā)動機的示意圖,該主動膨脹室結(jié)合到
允許自發(fā)運轉(zhuǎn)的空氣壓縮機上;
圖9為具有主動膨脹室的發(fā)動機的示意圖,該主動膨脹室聯(lián)接到
提供存儲罐和工作容量部分(working capacity)的壓縮機上;圖IO示出了具有主動膨脹室、為化石燃料單能量模式的發(fā)動機。
具體實施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的發(fā)動機,顯示有驅(qū)動
氣缸2,在其中滑動有主驅(qū)動活塞1,該主驅(qū)動活塞1在氣缸2中滑動, 并通過連桿3連接導(dǎo)曲軸5的曲柄銷4上。
該驅(qū)動氣缸2在其頂部通過裝備有開閉器7的通道6與主動膨脹 室氣缸13連通, 一活塞14在主動膨脹室氣缸13中滑動,該活塞14 稱為充氣活塞(charge piston),通過連桿15連接到曲柄銷16上, 該曲柄銷16大體上與曲軸5上的驅(qū)動氣缸的曲柄銷4相對并成180。 放置。
由氣門18控制的進氣管道17開口到主動膨脹室氣缸13中,并允 許從保持工作壓力的工作室19中向發(fā)動機供應(yīng)壓縮空氣,而工作室 19本身則通過動態(tài)調(diào)節(jié)器21控制的管道20由高壓存儲罐22來供應(yīng) 壓縮空氣。
由排氣門24控制的排氣管道23形成于氣缸1的上部。 由加速器踏板控制的裝置控制動態(tài)調(diào)節(jié)器21,以調(diào)節(jié)工作室中的 壓力,從而控制發(fā)動機。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的處于進氣階段的發(fā)動 機。驅(qū)動活塞l處于其上行程,排氣門24打開,通過管道23排出在 前一個循環(huán)中膨脹的空氣。進氣門18打開,容納在工作容量部分19 中的空氣的壓力驅(qū)動充氣活塞14后退,從而產(chǎn)生下行程,同時填充主 動膨脹室的氣缸13,并產(chǎn)生第一功,由此通過其連桿15轉(zhuǎn)動曲軸9, 該第一功是顯著的,因為其是在準恒壓下進行的,也就是基本上沒有 釋放。
當其繼續(xù)轉(zhuǎn)動的時候一一圖3—一驅(qū)動活塞1大致到達其上止點, 然后大致是在同時排氣門24和進氣門18再次關(guān)閉,并且連接管道6 的開閉器7打開。容納在主動膨脹室13中的充入壓縮空氣或一定量的 壓縮空氣膨脹,推動驅(qū)動活塞l在其下行程中后退,從而轉(zhuǎn)動產(chǎn)生第一功,由此轉(zhuǎn)動曲軸9。在驅(qū)動活塞1的這個下行程中,充氣活塞14 繼續(xù)向其上止點上升。
當其繼續(xù)轉(zhuǎn)動的時候一一圖4——驅(qū)動活塞1到達其下止點,而 充氣活塞14到達其上止點。然后開閉器7再次關(guān)閉,進氣門18和排 氣門24打開,以允許進一步的充氣進入主動膨脹室13中,之前的充 氣在驅(qū)動氣缸2中膨脹,向大氣排放。
圖5示出了發(fā)動機以壓縮空氣單能量模式運轉(zhuǎn)的熱力圖,圖5顯 示了在各種容量部分(沿著橫坐標軸)中的循環(huán)的各個階段,構(gòu)成根 據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的發(fā)動機,縱坐標軸上顯示壓力。
在為存儲罐22的第一個容量部分中,匯集了范圍從存儲壓力Pst 到初始工作壓力PIT的等溫曲線,當存儲罐變空時存儲壓力降低,而 壓力PIT將會根據(jù)最小運轉(zhuǎn)壓力和最大運轉(zhuǎn)壓力之間所需的扭矩來進 行控制,在這個例子中,在10到30巴之間。
在主動膨脹室13充氣期間,在工作容量部分19中,壓力基本上 保持相同。進氣門一打開,容納在工作容量部分中的壓縮空氣就傳遞 到主動膨脹室中,做功并伴隨著壓力微小的降低。例如,對于3000cm3 的工作容量部分和35ci^的主動膨脹室,壓力下降1.16%,也就是, 仍然通過例子,對于30巴的初始工作壓力,其實際工作壓力為29.65 巴。
然后驅(qū)動活塞開始其多變膨脹的下行程,做功并且壓力降低,直 到排氣門打開(比如在大約2巴下),接著在排氣沖程期間,開始新 的循環(huán)之前回復(fù)到大氣壓力。
圖6示出了整體處于雙能量型式的發(fā)動機,并且顯示了在工作容 量部分19中用于通過提供附加能量來加熱壓縮空氣的示意性加熱裝 置,在這個例子中,是由氣筒26提供的燃燒器25。因此在圖6中所 示的燃燒是內(nèi)-外燃燒,并且允許來自于存儲罐的壓縮空氣的體積和/ 或壓力顯著增加。
圖7示出了附加能量雙能量模式的熱力圖,并且顯示了在各種容 量部分中的循環(huán)的各個階段,構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的具有主動膨脹室的發(fā)
15動才幾,縱坐標軸上顯示壓力。
在為存儲罐22的第一個容量部分中,匯集了范圍從存儲壓力Pst 到初始工作壓力PIT的等溫曲線,當存儲罐變空時存儲壓力降低,而 壓力PIT將會根據(jù)最小運轉(zhuǎn)壓力和最大運轉(zhuǎn)壓力之間所需的扭矩來進 行控制,在這個例子中,在10到30巴之間。
在工作容量部分19中,加熱壓縮空氣允許壓力從初始壓力PIT 顯著增大到最終工作壓力PFT。例如,對于30巴的PIT,溫度增加大 約30(TC,使其能夠獲得大約60巴的PFT。進氣門一打開,容納在工 作容量部分中的壓縮空氣就傳遞到主動膨脹室中,做功并伴隨著壓力 微小的降低——例如,對于3000cm3的工作容量部分和35 cm3的主動 膨脹室,壓力下降1.16%,也就是,仍然通過例子,對于60巴的初始 工作壓力,其實際工作壓力為59.30巴。
然后驅(qū)動活塞開始其多變膨脹的下行程,做功并且壓力降低,直 到排氣門打開(比如在大約2巴下),接著在排氣沖程期間,開始新 的循環(huán)之前回復(fù)到大氣壓力。
具有主動膨脹室的發(fā)動機還以雙能量模式運轉(zhuǎn),該雙能量模式自 發(fā)的(autonomously)使用通常所說的附加能量,其可以是來源于化 石或植物的能量一一圖8—一根據(jù)本發(fā)明的另一個可選形式,當其驅(qū) 動供應(yīng)存儲罐22的壓縮空氣壓縮機27的時候。
機器的整個運轉(zhuǎn)與前面關(guān)于圖l至4所述的相同。然而,這種布 置允許在運轉(zhuǎn)期間使用附加能量再次填充存儲罐22,但是會由于壓縮 機而導(dǎo)致相對大量的能量損失。
根據(jù)本發(fā)明的另一個可選形式(圖中未示),空氣壓縮機直接供 應(yīng)工作容量部分。在這種形式的運轉(zhuǎn)中,動態(tài)調(diào)節(jié)器21保持關(guān)閉,壓 縮機27向工作容量部分供應(yīng)壓縮空氣,在該工作容量部分中這些空氣 被加熱裝置加熱,壓力和/或體積增加,以便像前述情況那樣進入主動 膨脹室13中。再者在這種形式的運轉(zhuǎn)中,通過直接使用壓縮機調(diào)節(jié)壓 力來執(zhí)行發(fā)動機的控制,由于壓縮機而導(dǎo)致的能量損失遠低于前述情 況中的能量損失。
16最后,根據(jù)本發(fā)明的另一個可選形式一一圖9一一根據(jù)能量的需 求,壓縮機同時或相繼供應(yīng)好呀存儲罐22和工作容量部分19。雙通 閥28允許向存儲罐22或工作容量部分19供應(yīng)空氣,或者同時向存儲 罐22和工作容量部分19兩者供應(yīng)空氣。然后根據(jù)發(fā)動機相對于壓縮 機的能量需求進行選擇如果發(fā)動機的需求相對較低,那么就供應(yīng)高 壓存儲罐;如果發(fā)動機能量需求高,那么僅僅供應(yīng)工作容量部分。
圖IO顯示了具有主動膨脹室的單能量發(fā)動機,使用化石燃料(或 者另一種選擇是,使用來源于植物和其它的燃料)進行運轉(zhuǎn),該發(fā)動 機結(jié)合到壓縮機27上,該壓縮機27向工作容量部分19供應(yīng)壓縮空氣, 該工作容量部分19在這里包括由氣筒26供應(yīng)能量的燃燒器25。機器 的整個工作方式如上所述。
所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機使用壓縮空氣進行運轉(zhuǎn)。然而, 其可以使用不會以任何方式改變所述發(fā)明的任何壓縮氣體。
權(quán)利要求
1. 一種發(fā)動機,其供應(yīng)有容納在高壓存儲罐(22)中的壓縮空氣或任何其它壓縮氣體,并且包括-至少一個主驅(qū)動活塞(1),其在驅(qū)動氣缸(2)中滑動,以傳統(tǒng)的連桿/曲柄布置驅(qū)動曲軸(5),-以及至少一個主動膨脹室,其由可變?nèi)莘e構(gòu)成,所述可變?nèi)莘e配備有允許做功的裝置,并且所述至少一個主動膨脹室通過通道(6)與當所述驅(qū)動活塞(1)位于其上止點時所述驅(qū)動活塞(1)之上的容納在驅(qū)動氣缸(2)中的容積連接,所述容積稱為固定容積,其特征在于-所述通道(6)包括開閉器(7),從而允許所述主動膨脹室與固定容積隔離或與固定容積接觸,-所述發(fā)動機包括進氣管道(17),其在所述主動膨脹室(13)中打開,并且允許向發(fā)動機供應(yīng)壓縮空氣或壓縮氣體,-當膨脹室處于其最小容積時,壓縮空氣或氣體進入所述膨脹室中,在壓縮空氣的推動下,所述膨脹室容積增大,從而做功,-當膨脹室大致在其最大容積并且驅(qū)動活塞大致位于其上止點時,進氣管道(17)關(guān)閉,所述主動膨脹室(13)與驅(qū)動氣缸(2)連通,并且容納在主動膨脹室中的壓縮空氣或壓縮氣體膨脹,從而推動驅(qū)動活塞(1)在其下行程中后退,從而做功,-在膨脹期間,主動膨脹室(13)的容積返回到其最小容積,以允許重新開始新的循環(huán),采用這樣的方式,發(fā)動機按照四個階段的熱力循環(huán)進行工作*等溫膨脹,不做功;*傳遞-稍微膨脹,做功,是準等溫的;*多變膨脹做功;*在周圍環(huán)境壓力下的排放。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其特征在于,所述固定容積減小到機械公差許可的最小值,以避免當主動膨脹室與 固定容積連通時的不做功的膨脹。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)動機,其特征在于,所述發(fā)動機 通過稱為工作容量部分(19 )的緩沖容量部分供應(yīng)有壓縮空氣或氣體, 容納在存儲罐(22)中的高壓壓縮空氣供應(yīng)給工作容量部分(19), 并優(yōu)選地通過動態(tài)調(diào)節(jié)器裝置在所述工作容量部分(19)中膨脹到稱 為工作壓力的中間壓力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其特征在于, 所述工作容量部分(19)包括用于使用附加能量、化石燃料或某些其 它形式的能量來加熱壓縮空氣或氣體的加熱裝置(25),所述加熱裝 置允許穿過所述加熱裝置的空氣的溫度和/或壓力增加。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其特征在于,物的燃料而被加熱的,所述發(fā)動機繼而是外內(nèi)燃機。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其特征在于, 容納在工作容量部分中的空氣是通過燃燒化石的或生物的燃料借助交 換器而被加熱的,火焰不與所述壓縮空氣或氣體接觸,所述發(fā)動機繼 而是所謂的外外燃機。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一個所述的具有主動膨脹室的發(fā)動 機,其特征在于,所述熱力加熱器是使用熱化學(xué)固體方法氣體反應(yīng)的 熱力加熱器,所述熱化學(xué)固體方法氣體反應(yīng)是基于通過容納在蒸發(fā)器 中的反應(yīng)流體的蒸發(fā)的轉(zhuǎn)換,比如液體氨轉(zhuǎn)換為將與容納在反應(yīng)器中 的固體反應(yīng)物進行反應(yīng)的氣體,所述固體反應(yīng)物例如是諸如氯化釣、 二氯化錳、氯化鋇或類似物的鹽,所述固體反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱, 并且當反應(yīng)結(jié)束時可通過向反應(yīng)器供應(yīng)熱而再生,以釋放氣態(tài)的氨, 然后所述氣態(tài)的氨將會在蒸發(fā)器中再次冷凝。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一個所述的具有主動膨脹室的發(fā)動 機,其特征在于,所述發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式操作,所 述雙能量模式中的熱力循環(huán)的特征在于,等溫膨脹不做功,通過使用化石能量加熱空氣或氣體而升高空氣或氣體的溫度,保持所述工作容 量部分中的能量,接下來是稱為準等溫的做功的微小膨脹,在驅(qū)動氣缸(2)中做功的多變膨脹,最后是在大氣壓力下的排放,代表如下的 五個連續(xù)階段*等溫膨脹;*溫度升高;*傳遞-稍微膨脹,做功,是準等溫的; *多變膨脹,做功; *在周圍環(huán)境壓力下的排放。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3至8中任一個所述的具有主動膨脹室的發(fā)動 機,其特征在于,發(fā)動機扭矩和發(fā)動機速度是通過控制所述工作容量 部分(19)中的壓力來控制的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其特征在 于,所述發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式操作,在所述雙能量模 式過程中,電子控制單元根據(jù)壓縮空氣或氣體的壓力,因而也是根據(jù) 進入所述工作容量部分(19)的空氣的質(zhì)量,來控制供應(yīng)的附加能量 的量。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一個所述的具有主動膨脹室的發(fā)動 機,其特征在于,主動膨脹室(13)的所述可變?nèi)莘e包括稱為充氣活 塞的活塞(14),所述活塞在氣缸(13)中滑動,并通過連桿(15) 連接到發(fā)動機(9)的曲軸上。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一個所述的具有主動膨脹室的發(fā)動 機,其特征在于,所述發(fā)動機供應(yīng)有容納在高壓存儲罐(22)中的壓 縮空氣或氣體,和/或所述發(fā)動機以使用附加能量的雙能量模式操作, 并且為了當壓縮空氣或氣體存儲罐變空時以及當使用附加能量時允許 自發(fā)的運轉(zhuǎn),具有主動膨脹室的發(fā)動機聯(lián)接到空氣或氣體壓縮機(27 ) 上,允許向高壓壓縮空氣或氣體存儲罐(22)被供應(yīng)有壓縮空氣或氣 體。
13. 根據(jù)與權(quán)利要求3組合的權(quán)利要求12所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其特征在于,所述壓縮機(27 )直接供應(yīng)工作容量部分(19 ); 在這種情況下,發(fā)動機的控制是通過控制壓縮機的壓力來進行的,高 壓存儲罐(22)和工作容量部分之間的動態(tài)調(diào)節(jié)器(21)保持關(guān)閉。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12和13所述的具有主動膨脹室的發(fā)動機,其 特征在于,聯(lián)接的壓縮機(27)聯(lián)合供應(yīng)存儲罐(22)和工作容量部 分(19)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13和13的組合,其特征在于,所述發(fā)動機以 使用化石燃料、植物燃料或類似物的單能量模式操作,允許僅僅通過 聯(lián)接的壓縮機(27)壓縮的容納在工作容量部分(19)中的空氣或氣 體被加熱,繼而相當簡單地省略高壓壓縮空氣或氣體存儲罐。
16. 根據(jù)權(quán)利要求6和權(quán)利要求12的組合,其特征在于,釋放后 的廢氣再次流通到聯(lián)接的壓縮機的進氣側(cè)。
17. 根據(jù)任何權(quán)利要求1的組合,以壓縮空氣單能量模式操作, 其特征在于,發(fā)動機由幾個增大氣缸容量的膨脹級構(gòu)成,各個級包括 主動膨脹室,所述主動膨脹室由可變?nèi)莘e構(gòu)成,所述可變?nèi)莘e配備有 允許做功的裝置,并且在各個級之間具有交換器(29),以加熱從前 一級排出的空氣。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的組合,其特征在于,所述發(fā)動機以使用附 加能量的雙能量模式操作,并且位于各個級之間的交換器配備有附加 能量加熱裝置。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17和18的組合,其特征在于,交換器和加熱 裝置一起地或單獨地結(jié)合到使用相同能源的多級裝置中。
全文摘要
本發(fā)明提供一種供應(yīng)有壓縮空氣的發(fā)動機,其包括驅(qū)動曲軸(5)的主驅(qū)動活塞(1)以及具有可變?nèi)莘e允許做功的一個主動膨脹室(13),該主動膨脹室(13)通過通道(6)與容納在所述驅(qū)動氣缸(2)中的容積連接,其特征在于,所述通道(6)包括開閉器(7),從而允許所述主動膨脹室以這樣的方式與固定容積隔離或處于與固定容積接觸,即發(fā)動機根據(jù)四個階段的熱力循環(huán)進行工作等溫膨脹,不做功;傳遞-稍微膨脹,做功,是準等溫的;多變膨脹做功;在周圍環(huán)境壓力下的排放。
文檔編號F01B17/02GK101512105SQ200780032894
公開日2009年8月19日 申請日期2007年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月5日
發(fā)明者C·內(nèi)格爾, G·內(nèi)格爾 申請人:Mdi-汽車發(fā)展國際股份公司
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