專利名稱：氣動機的制作方法
該項發明是利用高壓氣體釋放的能量產生機械運動的一種裝置。目前利用高壓氣體產生機械運動的裝置有瓦特發明的蒸汽機，由于蒸汽機產生機械能的效率不高，已逐漸被內燃機所取代，但是內燃機不僅需要燃料，并在高壓下燃料要進行燃燒。由于燃燒不充分，所排放的廢氣對環境有污染。這種污染已嚴重影響城市中人類生存的健康，而且隨著汽車量的增加這種危害越來越嚴重。針對這些問題發明了具有環保節能功能的氣動機。
內燃機實際上是靠燃料燃燒使氣體膨脹進行做功，而該項發明直接利用了高壓氣體的膨脹進行做功，因此該項發明仍然利用了內燃發動機的四沖程工作原理，即用曲軸將多個氣缸連在一起。通過電磁閥的開啟控制高壓氣體的進出，采用潛艇在水下進出艙的方法利用氣閥的開關控制，實現了以高壓氣體為能量的氣動裝置。這種氣動機整個工作過程都是物理變化，沒有燃燒等化學變化過程，所用的高壓氣體為清新的壓縮空氣或液態氮及液態氧的混合氣體。使氣動機排放出的是新鮮空氣，對環境無污染，并能夠凈化空氣，真正起到環保的作用。
本項發明的工作原理用一個研制出的四沖程氣動機原理樣機的結構進行闡述。如圖(1)所示為一個四沖程氣動機的正視原理圖；圖(2)為俯視原理圖；圖(3)為左視原理圖。每個氣缸的曲軸3上除了連接氣缸活塞4的推桿2外，還連接了一個滑桿1。此滑桿1的中間開槽11套在一個固定在氣缸5上的一個軸承13上。當氣缸的活塞4的推桿2推動曲軸3轉動時，此滑桿1在固定的軸承13上做往復運動。
每個氣缸體上都裝有四個可以手動開關的氣閥6、7、8、9，一個雙向三通電磁閥12和一個恒能缸10，如圖(3)所示。高壓氣體經過減壓閥30通過高壓管道20先進入氣閥6，同時也給恒能缸10加壓。然后高壓氣體經過恒能缸10進入氣閥7，再經過一個雙向三通電磁閥12從氣缸5底部孔17進入氣缸。氣閥8為排氣閥，通過氣缸底部孔18排氣。當氣動機需要工作時，首先將各氣缸的電磁閥12切向氣閥7，使氣閥7與氣缸5的底孔17導通，使氣缸5的底孔17與氣閥9截止。
當a氣缸的活塞4推桿2頂端處于最高位置時，a氣缸上的四個氣閥都處于截止狀態，如圖(3)所示。此時b氣缸的活塞4推桿2頂端處于曲軸3中心的水平位置并向下的運動趨勢，如圖(4)所示。由于b氣缸的滑桿1由曲軸3帶動向右偏移，在固定軸承13的下端向左偏移，此時觸壓氣閥6和氣閥8的開關，使氣閥6和氣閥8導通，將高壓氣體充進恒能缸10中，直到氣閥7。盡管此時電磁閥12處于通導狀態，但由于氣閥7為截止狀態，高壓氣體不能充進氣缸5中。而氣缸5中的氣體通過導通的氣閥8排放出去，使氣缸活塞能夠順利地向下移動。此時c氣缸的狀態如圖(5)所示，c氣缸的活塞4推桿2頂端處于最底的位置，此時四個氣閥都處于截止狀態。
而d氣缸的活塞4推桿2的頂端此時處于曲軸3中心水平的左側，如圖(6)所示。由于d氣缸的滑桿1在固定軸承13的上段向左偏移，下段向右偏移觸壓氣閥7和9的開關，使氣閥7和9導通，此時高壓氣體充進d氣缸。由于此時氣閥6和氣閥8都處于截止狀態，充進氣缸中的高壓氣體的容積為從氣閥6到氣閥7的容積V0，其中包括恒能缸10的容積，此時為做功過程。盡管氣閥9此時是導通狀態，但是由于電磁閥12將氣缸5底孔17與氣閥9截止，此時氣閥9不起作用。每個氣缸都經過這四個過程，每一時刻都有一個氣缸在做功，這樣循環往復運動，使高壓氣體釋放能量，做機械功。
如果供給氣缸5的高壓氣體的壓強為P0，那么每次做功供給氣缸5的能量為P0·V0。當氣缸5的活塞4運動到圖(3)位置時，氣缸中的壓強減小為P，氣缸的容積增至最大為V，根據氣壓原理P0·V0＝P·V。設氣缸的截面積為S；行程為x時，則V’＝S·x；P’＝(P0·V0)/(S·x)，每行程所做的功為W=∫h0h(S·P′)dx=∫h0hP0·V0·dxx=P0·V0·1nhh0=P0·V0·1nVV0]]>h為氣缸5處于圖(3)狀態時活塞4距離氣缸5底部的最大距離，V為氣缸5增至最大時的容積；V0為氣缸活塞4運行到底部時，從氣閥6到氣缸5底部的容積。
可以得出V/V0的值越大做功就越多，即V0越小越好。當V0一定時，氣缸5的容積V越大越好。由于V＝(P0/P)·V0，所以可以得出氣缸5的容積與恒能缸10的容積關系。即當V一定，所供氣體壓強P0一定時，就可以求出V0(P應等于大氣壓強)。
由于此發明氣缸的最大容積V在工作中不會發生改變，而供給氣動機的高壓氣體的壓強P0隨著氣動機工作的進程在逐漸減小，即最初時壓強最大為P0，隨著做功的消耗充氣壓強成為一個變量P’。為了使氣動機始終工作在最高效率，每次供給各氣缸做功的能量應保持不變，即P’·V’＝P·V。
由于P’在逐漸減小，因此必須增大V’的容積，即要求恒能缸10的容積能夠隨P’的變化而改變。為了解決恒能缸10的容積V’能夠隨P’的變化而改變的問題，因此又發明了平衡氣壓能量的恒能缸10。如圖(7)所示，為恒能缸10的內部結構原理圖。
該恒能缸10為一元柱的密閉容器，該容器分為三個倉，左邊一個倉為原壓倉24，中間為恒能倉25，右邊為現壓倉26。原壓倉24與現壓倉26與一活塞27的兩邊相連接，連接均用一個帶鋼圈可伸縮耐高壓的密閉氣包23和28。原壓倉24的密閉氣包23與活塞27的觸壓面積為S0，現壓倉26的密閉氣包28與活塞27的觸壓面積為S。先將原壓倉24充入高壓氣體，當活塞27在最左邊時，即原壓倉24容積最小時，從原壓倉24的充氣口29給原壓倉24充進高壓氣體，使原壓倉24的壓強為P0。
如果供給氣缸5的高壓氣體壓強為P0時，由于S0＜S此時活塞27將移至最左邊，此時原壓倉24的容積最小為V1。既使恒能倉25也充滿壓強為P0的高壓氣體，由于兩邊壓強相等，活塞27不會移動，活塞27仍在最左邊，此時恒能倉25的容積最小為V0。當現壓倉26氣體的壓強減小至P’時，恒能倉25的壓強也是P’。原壓倉24的壓強也要減小至P’，因此原壓倉24的容積就要增大。原壓倉24的原壓包23必然推動活塞向右移動，使恒能倉25的容積增大到V’，如圖(8)所示。
若原壓包23增大的容積使活塞27向右移動的距離為L，則恒能倉25的容積就增大了(S-S0)L，恒能倉25的容積增至V’＝V0+(S-S0)L，由于恒能倉P0V0＝P’[V0+(S-S0)L]；原壓倉P0V1＝P’(V1+S0L)，則可以求出(S-S0)/S0＝V0/V1。
即恒能倉25與活塞27觸壓面積與原壓包23觸壓活塞27面積的比等于恒能倉25最小容積V0與原壓倉24最小容積V1之比。因此恒能缸10的活塞27面積為S時，則原壓包23觸壓活塞27的面積 因此，根據實際情況設計出的恒能缸10的結構必須符合上述理論計算出的結果，這樣才能夠滿足P’V’＝PV，即當供氣壓強改變時，每次供給氣缸的能量保持不變。
此恒能缸10是本發明氣動機中的一個關鍵技術。該恒能缸10的作用是在氣動機每個氣缸的行程中，供給的能量P0V0始終保持不變，這樣不僅能夠使氣動機工作效率最佳，具有節省能源的作用，同時也能夠使氣動機轉動平穩。
在外力作用下當氣動機的曲軸反向轉動時，電磁閥12將供給各氣缸5的高壓氣體關閉。同時將氣缸5的底孔17與氣閥9連通，此時氣缸活塞的運動過程是從c→b→a→d的反向充氣過程。如圖(9)所示，氣缸5的活塞4從最低處向上運動至圖(10)，此時滑桿1將氣閥6和氣閥8打開。由于電磁閥12將氣閥6通向氣缸的高壓氣體關閉，因此在外力作用下滑桿1對氣閥6和氣閥7的開啟和關閉都不起作用，只有氣閥8和氣閥9起作用。
當氣缸活塞在外力作用下繼續向上運動時，氣缸5通過開啟的氣閥8經過氣缸底部孔18已開始吸氣，吸氣過程至氣缸5的活塞4運動到最高處。如圖(11)所示，此時氣閥9和氣閥8都關閉。曲軸3繼續反向轉動時，氣閥9被打開，氣缸5的活塞4開始向下運動，氣缸中的氣體被壓縮，通過氣缸底部孔17經過電磁閥12充入高壓管22，再經過氣閥9通過一個單向進氣閥16經高壓管21送進一個儲壓包14中。
由圖(9)經過圖(10)至圖(11)是氣缸5吸氣過程；由圖(11)經過圖(12)至圖(9)是氣缸中的氣體被壓縮的過程。循環往復上述過程，氣動機在外力作用下四個氣缸都給儲壓包14充氣。儲壓包14的出氣口是通過一個單向導氣閥15與氣動機供氣的高壓管20連通。當供氣管20的氣體壓強大于儲壓包14中的氣體壓強時，單向導氣閥15處于關閉狀態，高壓氣體不能進入儲壓包14中；當供氣管20的氣體壓強小于儲壓包14中的氣體壓強時，儲壓包14中的氣體就補充進來，供氣動機做功時用。
氣動機的曲軸3在外力作用下反向轉動是在汽車停車過程中實現的。當腳踏剎車板剎車時，剎車板向下運動經過三個過程
1、首先將電磁閥12換向，使供給氣缸5的高壓氣體截止，同時導通向儲壓包14，處于供壓縮氣體狀態。
2、當剎車板繼續向下移動時，通過齒輪換向使氣動機曲軸3反向轉動，開始產生壓縮氣體，給儲壓包14充氣。
3、當剎車板踏到底時，為緊急剎車狀態，此時啟動汽車的剎車裝置使汽車的輪子不再轉動，處于緊急停車狀態。
在緊急剎車狀態時，氣動機不再回收壓縮氣體。但是通常情況下無需緊急剎車，因此靠氣動機產生壓縮氣體的反作用力，可以使汽車平緩的停下來。這樣汽車啟動時所耗的能量，在平緩停下來時得到補充。從理論上計算汽車啟動所用的能量與停下來回收的能量應相等。但實際上由于摩擦力、空氣阻力、機械傳動等的損耗，靠汽車運動慣性回收的能量要小于汽車啟動時所用的能量。本發明的氣動機的反向做功的功能，大幅度地補充了做功所需的能量，使該發明具有了很好的實用性。
該項發明的關鍵技術包括三方面。第一個關鍵技術是開啟各氣閥的滑桿1，它使各氣閥的開啟和關閉與氣動機的工作同步。同時使高壓氣體分量地充入氣缸內做功，就如同潛艇在水下出入時需要經過兩道門一樣。這種設計在開啟氣閥時為順力開啟，因此開啟各氣閥需要的作用力不大。而關閉氣閥時，各氣閥進出口的氣體的氣壓處于平衡狀態，因此也不需要很大作用力，即滑桿1觸壓各氣閥開關的作用力很小。開關各氣閥時，各氣閥對滑桿1的反作用力對氣動機曲桿3轉動影響也很小。
第二個關鍵技術是恒能缸10，它可以使每次分量充入氣缸的高壓氣體的能量保持不變。具有使氣動機工作穩定，能夠達到最佳工作效率的作用。同時還能夠供給氣缸的等能量高壓氣體的壓強很大，使氣動機的缸徑很小時也能夠產生很大的推力。由于氣動機所用氣缸直徑可以減小，因此能夠節省大量的高壓氣能。
第三個關鍵技術是當氣動機的曲軸逆時針轉動時具有反向做功的功能，就如同打氣筒一樣各個氣缸同時為儲壓包14充氣，所充氣體的能量通過一個單向氣壓閥供給氣動機工作。實際上該過程是將汽車停車時的慣性動能加以利用。汽車啟動時所耗的能量在停車時通過該項技術又回收來很大一部分，使能量基本消耗在汽車行駛時克服空氣阻力和摩擦力上。由于有了能量回收做補充，使所需高壓氣體的能量也大幅度節省。
由于上述三個關鍵技術的解決，使該項發明的氣動機具有很好的實用性。該項發明的應用推廣不僅具有環境保護的意義，起到凈化空氣的作用，而且還能夠節省能源。使地球資源一汽油不再被消耗，因此氣動機的發明具有很好的社會效益和巨大的經濟效益。
權利要求
1.本發明是利用高壓氣體釋放的能量產生機械運動的一種裝置，它包括4個或多個氣缸5。每個氣缸5由4個氣閥(6、7、8、9)和一個雙向三通的電磁閥12及一個恒能缸10，由高壓管20連接組成；所供高壓氣體受控于一個可調節的減壓閥30；在各氣缸5的曲軸3上連接一個按各氣缸的工作要求能夠先后開啟各氣閥(6、7、8、9)的滑桿1；在外力作用下當氣動機曲軸3反轉時，氣動機產生壓縮氣體，經過一個單向氣閥16將壓縮氣體充入儲壓包14。
2.根據權利要求1所述的氣缸5其特征在于底部有兩個通氣孔17和18。
3.根據權利要求1所述的恒能缸10其特征在于由三個儲氣倉(24、25、26)和一個活塞27組成，其中原壓倉24和現壓倉26中都有一個帶缸圈能夠以一個方向伸縮的耐高壓密閉氣袋23和28。恒能倉25的進出口連接氣動機工作的高壓管20。
4.根據權利要求3所述的恒能倉25和原壓倉24其特征在于恒能倉25與原壓倉24接觸活塞27的面積比等于恒能倉25和原壓倉24最小容積比。
5.根據權利要求1所述的滑桿1其特征在于有滑道11，滑道受限于固定在氣缸5上的軸承13。
6.根據權利要求1所述的各閥(6、7、8、9)和電磁閥12及恒能缸10其特征在于經過減壓閥30后高壓管20連接的順序依次為氣閥6、恒能缸10、氣閥7、雙向三通電磁閥12進入氣缸5底孔17；氣缸5的底孔18連通至氣閥8；雙向三通電磁閥12另一通氣孔連接氣閥9。
7.根據權利要求1所述的雙向三通電磁閥12其特征在于當氣動機反轉時，進入氣缸5的高壓氣體被關閉，同時使氣缸5的底孔17連通氣閥9。
8.根據權利要求1所述的儲壓包14特征在于進氣通過各氣缸上的一個單向氣閥16連通各氣缸5的氣閥9；出氣通過一個單向氣閥15連通高壓管20。
全文摘要
本發明是利用高壓氣體釋放的能量產生機械運動的一種裝置。該裝置利用了內燃機的四沖程工作原理。在每個氣缸的曲軸3處裝有一個滑桿1,用于開啟氣閥,使各氣閥的開啟與氣動機工作過程同步。并有一個恒能缸10,使供給各氣缸每次工作行程所需要的高壓氣體能量相等。同時在外力作用下,該氣動機反轉時還具有充氣功能。該氣動機不僅工作穩定,而且還能夠節省能量,沒有空氣污染,具有很好的實用價值。
文檔編號B60T13/24GK1361035SQ0013677
公開日2002年7月31日 申請日期2000年12月29日 優先權日2000年12月29日
發明者劉金剛 申請人:劉金剛