改进的具有主动膨胀室的压缩空气或气体和/或附加能量发动机

摘要

本发明提供一种供应有压缩空气的发动机，其包括驱动曲轴(5)的主驱动活塞(1)以及具有可变容积允许做功的一个主动膨胀室(13)，该主动膨胀室(13)通过通道(6)与容纳在所述驱动气缸(2)中的容积连接，其特征在于，所述通道(6)包括开闭器(7)，从而允许所述主动膨胀室以这样的方式与固定容积隔离或处于与固定容积接触，即发动机根据四个阶段的热力循环进行工作：等温膨胀，不做功；传递－稍微膨胀，做功，是准等温的；多变膨胀做功；在周围环境压力下的排放。

说明书

技术领域

本发明涉及特别是在压缩空气或任何其它压缩气体下操作的、并具有主动膨胀室的发动机。

背景技术

发明人已经申请了多个涉及推进系统及其装置的专利，使用气体特别是压缩空气，用于城市和郊区中的完全清洁的运转：

WO 96/27737-WO 97/39232-WO 97/48884-WO 98/12062-WO 98/15440-WO 98/32963-WO 99/37885-WO 01/69080-WO03/036088

在其内容可供参考的国际专利申请WO 99/37885中，提出了一种解决方案，增加可以使用和获得的能量的量，其中，压缩空气在进入到燃烧室和/或膨胀室中之前是直接来自于存储罐，或者在压缩空气已经进入穿过热交换器或周围环境热能回收装置的交换器之后进入到燃烧室中之前，该压缩空气导入到热力加热器中，其中，在插入到发动机的燃烧室和/或膨胀室中之前，通过其温度的增加，该压缩空气的压力和/或体积将会再次增大，从而再次显著的增加所述发动机可获得的性能。

尽管使用的是化石燃料，使用热力再热器仍然具有的优点在于，能够使用清洁的、连续的燃烧，可借助所有公知方式进行催化和消除污染，以获得污染极小的排放。

尽管事实上使用的是化石燃料，使用热力再热器仍然具有的优点在于，能够使用清洁的、连续的燃烧，可借助任何公知方式进行催化转换或者消除污染，以获得极低水平的污染排放。

发明人已经提交了一份内容可供参考的专利申请WO 03/036088，其涉及以单能量或多能量进行运转的附加压缩空气喷射电动压缩机-电动交流发电机组。

在这类采用压缩空气进行运转并包括有压缩空气存储器的发动机中，需要膨胀以很高的压力容纳在存储罐中的压缩空气，但是当存储罐排空的时候，在可以用在发动机气缸或多个气缸中之前，其压力减小到在称之为工作容量部分的缓冲容量部分中使用的稳定的称之为最终使用压力的中间压力。公知的开闭器和弹簧型的传统减压器具有极低的流速，在这样的应用中使用它需要很笨重而操作性不好的装置，其还对于在膨胀期间冷却的空气中的湿气导致的结冰很敏感。

为了解决这个问题，发明人还提交了一份内容可供参考的专利申请WO-A1-03/089764，其涉及可变流速的动压力调节器和分配系统，用于压缩空气喷射式发动机，包括高压的压缩空气存储罐和工作容量部分。

发明人还提交了一份专利申请WO-A1-02/070876，其涉及可变容积的膨胀室，由两个不同的容量部分构成，一个容量部分与压缩空气进气口连通，另一个容量部分与气缸配对结合在一起，这两个容量部分放置成相互连通，或者以这样的方式隔开，即，在排气循环期间能够在排气端部处立即对这些具有压缩空气的容量部分中的第一个充气，然后在第二个中形成压力，而活塞固定在上止点处，在其重新开始行程之前，两个容量部分保持连通且一起膨胀，以执行做功行程，并且两个容量部分中的至少一个设置有改变其容积的装置，以允许合成的发动机扭矩在相同的压力下变化。

在这些“充气膨胀”发动机的运转中，膨胀室的填充总是表示膨胀而不影响机器的整体效率。

为了解决上述问题，发明人还提交了一份专利申请WO-A1-2005/049968，其描述了一种具有主动室的发动机，其中膨胀室由用于做功的可变容积装置构成，通过通道与主驱动活塞上方的空间配对结合，并通过通道与主驱动活塞上方的空间永久地接触。

WO-A1-2005/049968(FR-A1-2.862.349)具体示出了以压缩空气单(单一)能力模式运转的四个阶段的热力循环，其特征在于：

-等温膨胀，不做功

-传递-稍微膨胀，做功，是准等温的

-多变(polytropic)膨胀做功

-在周围环境压力下的排放

发动机运转在上述热力循环中，并且使用传统的连杆/曲轴布置。优选地通过称为工作容量部分的缓冲容量部分来供应容纳在高压存储罐中的压缩空气或任何其它的压缩气体。在双能量形式中的工作容量部分包括通过附加能量(化石的或其它的能源)供应的用于加热空气的装置，以增加穿过其的空气的温度和/或压力。

在后面的文献WO-A1-2005/049968(FR-A1-2.862.349)中，这样的热力循环运转是通过机械装置获得的，该机械装置连接主驱动活塞、工作曲轴和主动膨胀室的活塞。

本发明的目的在于简化这种发动机的设计，而保持上述所有优点。

发明内容

为此，本发明提供一种发动机，供应有容纳在高压存储罐(22)中的压缩空气或任何其它压缩气体，并且包括：

-至少一个主驱动活塞，其在驱动气缸中滑动，以传统的连杆/曲柄布置驱动曲轴，

-以及至少一个主动膨胀室，其由可变容积构成，所述可变容积配备有允许做功的装置，并且通过通道与当所述驱动活塞位于其上止点时该驱动活塞之上的容纳在驱动气缸中的容积连接，该容积称为固定容积，其特征在于：

-所述通道包括开闭器，从而允许所述主动膨胀室与固定容积隔离或处于与固定容积接触，

-所述发动机包括进气管道，其在所述主动膨胀室中打开，并且允许向发动机供应压缩空气或压缩气体，

-当膨胀室处于最小容积的时候压缩空气或气体进入该膨胀室中，在压缩空气的推动下，容积增大，从而做功，

-当膨胀室大致为最大体积并且驱动活塞大致位于其上止点的时候，进气管道关闭，所述主动膨胀室处于与驱动气缸连通，容纳在主动膨胀室中的压缩空气或压缩气体膨胀，从而推动驱动活塞在其下行程中后退，从而做功，

-在膨胀期间，主动膨胀室的体积返回到其最小体积，以允许重新开始新的循环，

采用这样的方式，发动机根据四个阶段的热力循环进行工作：

＊等温膨胀，不做功；

＊传递-稍微膨胀，做功，是准等温的；

＊多变膨胀做功；

＊在周围环境压力下的排放。

根据本发明的其它方面：

-所述固定容积降低到机械公差许可的最小值，以避免主动膨胀室处于与固定容积连通时的不做功的(work-free)膨胀。

-通过称为工作容量部分的缓冲容量部分向发动机供应压缩空气或气体，容纳在存储罐中的高压压缩空气供应给工作容量部分，优选的通过动态调节器装置在所述工作容量部分中膨胀到称为工作压力的中间压力；相应的发动机有利地装备有根据国际专利申请WO-A1-03/089764的称为动态调节器的可变流速调节器，其通过进行等温类型的膨胀不做功而允许向工作容量部分在其服务压力下从存储罐供应压缩空气。

-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，来加热压缩空气或气体的加热装置，所述加热装置允许穿过该加热装置的空气的温度和/或压力增加；这种布置使其通过压缩空气或气体在引入到主动膨胀室中之前温度增大、压力和/或体积增大使其能够增大性能和/或范围，而能够增加可用的和可获得的能量的量；热力加热器对于其能量可以使用化石燃料，比如用于车辆的汽油、柴油或LPG或天然气(NG)；其可以使用生物燃料或乙醇燃料，从而允许采用外部燃烧的双能量运转，其中燃烧器将引起温度的增大。

-通过直接在压缩空气或气体中燃烧化石的或生物的燃料来加热该压缩空气或气体，然后该发动机成为外内燃机。

-该热力加热器是使用热化学固体方法气体反应的热力加热器，该热化学固体方法气体反应是基于借助容纳在蒸发器中的反应流体的蒸发的转换，比如液体氨转换为将与容纳在反应器中的固体反应物进行反应的气体，该固体反应物为比如氯化钙、二氯化锰、氯化钡等等的盐，该化学反应产生热，并且当反应结束时可通过向反应器供应热而再生，以释放气态的氨，然后该气态的氨将会在蒸发器中再次冷凝；该热力加热器有利地使用热化学方法，比如那些在例如专利EP-A1-0.307.297和EP-B1-0.382.586中使用和说明的那些热化学方法，系统类似于热电池进行运转。

-发动机以使用附加能量的双能量模式进行运转，该双能量模式中的热力循环的特征在于，等温膨胀不做功，保持所述工作容量部分中的能量，通过使用化石能量加热空气或气体而增加空气或气体的温度，接下来是称为准等温的微小膨胀而做功，在驱动气缸中进行多变膨胀做功，最后在大气压力下进行排放，表示如下的五个连续阶段：

＊等温膨胀；

＊温度增加；

＊传递-稍微膨胀，做功，是准等温的；

＊多变膨胀做功；

＊在周围环境压力下的排放。

-通过控制所述工作容量部分中的压力来控制发动机的扭矩和发动机的速度；通过动态调节器有利地提供所述控制。

-发动机以使用附加能量的双能量模式进行运转，在该双能量模式过程中，电子控制单元根据压缩空气或气体的压力，因而也是根据进入所述工作容量部分的空气的质量，来控制供应的附加能量的量。

-主动膨胀室的所述可变容积包括称为充气活塞的活塞，该活塞在气缸中滑动，并通过连杆连接到发动机的曲轴上。

-发动机供应有容纳在高压存储罐中的压缩空气或气体，和/或发动机以使用附加能量的双能量模式进行运转，并且为了在压缩空气或气体存储罐变空以及使用附加能量的时候允许自发的运转，具有主动膨胀室的发动机结合到空气或气体压缩机上，允许向高压压缩空气或气体存储罐供应压缩空气或气体。

-所述压缩机直接供应工作容量部分；在这种情况下，通过控制压缩机的压力来进行发动机的控制，高压存储罐和工作容量部分之间的动态调节器保持关闭。

-结合的压缩机联合供应存储罐和工作容量部分。

-发动机以使用化石燃料、植物燃料等的单能量模式进行运转，允许仅仅通过结合的压缩机进行压缩的容纳在工作容量部分中的空气或气体被加热，然后相当简单地省略高压压缩空气或气体存储罐。

-释放后的废气再次流通到结合的压缩机的进气侧。

-发动机以压缩空气单能量模式进行运转，发动机由几个增大气缸容量部分的膨胀级构成，各个级包括主动膨胀室，该主动膨胀室由可变容积装置构成，允许做功，并且在各个级之间具有交换器，以加热前一级排出的空气。

-发动机以使用附加能量的双能量模式进行运转，并且位于各个级之间的交换器装备有附加能量加热装置。

-交换器和加热装置是一起地或单独地结合到使用相同能源的多级装置中。

根据本发明的热力循环的特征在于，通过动态调节器允许的等温膨胀不做功，接下来是传递，伴随着非常小的准等温膨胀——例如，3000立方厘米的容量部分膨胀为3050立方厘米的容量部分——通过利用容纳在工作容纳部分中的空气或气体的压力做第一功，而主动膨胀室被填充，接着膨胀室的多变膨胀至驱动气缸中做第二功，温度降低，最后膨胀的空气排放到大气中。

根据本发明的一个可选形式，具有主动膨胀室的发动机装备有具有燃烧器等的热力加热器，并装备有上述类型的热化学加热器，可在热化学加热器的阶段1期间一起或接连使用，在此期间，当热化学加热器变空的时候，通过加热其反应器而单元持续使用燃烧器加热器进行运转，具有燃烧器的热力加热器将使得热化学加热器再生(阶段2)。

在使用燃烧加热器的情况下，根据本发明的具有主动膨胀室的发动机为具有外燃烧室的发动机，称为外燃烧室发动机。然而，如果火焰直接与运转压缩空气接触，所述加热器的燃烧可以是内部的，在这种情况下发动机被称为“内-外燃烧发动机”，或者，所述加热器的燃烧是外部的，通过交换器加热运转压缩空气，在这种情况下发动机被称为“外外燃机”。

在采用附加能量的运转模式中，然后热力循环包括上述五个阶段。

在压缩空气模式的运转过程中，在比如以市内设定的车辆中，紧紧只有高压罐中的压缩空气的压力被用于运行；在以附加能量模式的运转过程中，使用化石的或其它形式的能量，在比如高速路上的车辆中，然后工作容量部分需要被加热，使其能够增大通过该工作容量部分的空气的温度，并因此增大可以用于充入主动膨胀室和膨胀的体积和/或压力。

具有主动膨胀室的双能量发动机可以两个模式运转，这两个模式在比如城镇中的车辆上使用容纳在高压存储罐中的压缩空气的零排放运转模式，而在比如高速路上使用其热力加热器供应有化石能量或某些其它形式的能量而同时高压存储罐再次供应有由空气压缩机提供的空气的附加能量运转模式。

根据本发明的具有主动膨胀室的双能量发动机实际上可具有三个主要的运转模式：

-压缩空气单能量模式

-压缩空气加上附加能量双能量模式

-附加能量燃料单能量模式

当结合至如上所述的供应工作容量部分的空气压缩机的时候，具有主动膨胀室的发动机还可以单能量化石燃料或某些其它燃料形式出现，然后非常简单地省略高压压缩空气存储罐。

在压缩空气单能量发动机的情况下，第一气缸中的膨胀已经引起温度的下降，空气有利地在与周围环境交换能量的空气-空气交换器中被加热。

在以附加能量模式运转的双能量发动机的情况下，使用热力加热器中的附加能量，比如使用化石燃料，来加热空气。

根据这种布置的可选形式，在每级之后，排出的空气被引至单个多级加热器，从而使其能够使用仅仅一个燃烧源。

热交换器可以是空气-空气或空气-液体交换器，或产生期望效果的任何其它的装置或气体。

根据本发明的具有主动膨胀室的发动机可用在所有陆地、海洋、轨道或空中交通工具上。根据本发明的具有主动膨胀室的发动机还可以或有利地应用在备用发电机组中，以及产生电力、热力和提供气候控制的各种家用热电应用中。

附图说明

参考附图，阅读几个实施例的没有任何暗含限制的说明，本发明的其它目的、优点和特征将会变得明显，其中：

图1示出了具有主动膨胀室的发动机的纵向截面示意图，以及其高压(HP)空气供应装置；

图2至4示出了图1的发动机的各个运转阶段的纵向截面示意图；

图5为压缩空气单能量模式的热力循环图；

图6示出了具有主动膨胀室的发动机的横截面示意图，以及其高压空气供应装置，该高压空气供应装置包括有通过燃烧加热空气的装置；

图7为压缩空气和附加双能量模式的热力循环图；

图8为具有主动膨胀室的发动机的示意图，该主动膨胀室结合到允许自发运转的空气压缩机上；

图9为具有主动膨胀室的发动机的示意图，该主动膨胀室联接到提供存储罐和工作容量部分(working capacity)的压缩机上；

图10示出了具有主动膨胀室、为化石燃料单能量模式的发动机。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的具有主动膨胀室的发动机，显示有驱动气缸2，在其中滑动有主驱动活塞1，该主驱动活塞1在气缸2中滑动，并通过连杆3连接导曲轴5的曲柄销4上。

该驱动气缸2在其顶部通过装备有开闭器7的通道6与主动膨胀室气缸13连通，一活塞14在主动膨胀室气缸13中滑动，该活塞14称为充气活塞(charge piston)，通过连杆15连接到曲柄销16上，该曲柄销16大体上与曲轴5上的驱动气缸的曲柄销4相对并成180°放置。

由气门18控制的进气管道17开口到主动膨胀室气缸13中，并允许从保持工作压力的工作室19中向发动机供应压缩空气，而工作室19本身则通过动态调节器21控制的管道20由高压存储罐22来供应压缩空气。

由排气门24控制的排气管道23形成于气缸1的上部。

由加速器踏板控制的装置控制动态调节器21，以调节工作室中的压力，从而控制发动机。

图2示出了根据本发明的具有主动膨胀室的处于进气阶段的发动机。驱动活塞1处于其上行程，排气门24打开，通过管道23排出在前一个循环中膨胀的空气。进气门18打开，容纳在工作容量部分19中的空气的压力驱动充气活塞14后退，从而产生下行程，同时填充主动膨胀室的气缸13，并产生第一功，由此通过其连杆15转动曲轴9，该第一功是显著的，因为其是在准恒压下进行的，也就是基本上没有释放。

当其继续转动的时候——图3——驱动活塞1大致到达其上止点，然后大致是在同时排气门24和进气门18再次关闭，并且连接管道6的开闭器7打开。容纳在主动膨胀室13中的充入压缩空气或一定量的压缩空气膨胀，推动驱动活塞1在其下行程中后退，从而转动产生第一功，由此转动曲轴9。在驱动活塞1的这个下行程中，充气活塞14继续向其上止点上升。

当其继续转动的时候——图4——驱动活塞1到达其下止点，而充气活塞14到达其上止点。然后开闭器7再次关闭，进气门18和排气门24打开，以允许进一步的充气进入主动膨胀室13中，之前的充气在驱动气缸2中膨胀，向大气排放。

图5示出了发动机以压缩空气单能量模式运转的热力图，图5显示了在各种容量部分(沿着横坐标轴)中的循环的各个阶段，构成根据本发明的具有主动膨胀室的发动机，纵坐标轴上显示压力。

在为存储罐22的第一个容量部分中，汇集了范围从存储压力Pst到初始工作压力PIT的等温曲线，当存储罐变空时存储压力降低，而压力PIT将会根据最小运转压力和最大运转压力之间所需的扭矩来进行控制，在这个例子中，在10到30巴之间。

在主动膨胀室13充气期间，在工作容量部分19中，压力基本上保持相同。进气门一打开，容纳在工作容量部分中的压缩空气就传递到主动膨胀室中，做功并伴随着压力微小的降低。例如，对于3000cm³的工作容量部分和35cm³的主动膨胀室，压力下降1.16％，也就是，仍然通过例子，对于30巴的初始工作压力，其实际工作压力为29.65巴。

然后驱动活塞开始其多变膨胀的下行程，做功并且压力降低，直到排气门打开(比如在大约2巴下)，接着在排气冲程期间，开始新的循环之前回复到大气压力。

图6示出了整体处于双能量型式的发动机，并且显示了在工作容量部分19中用于通过提供附加能量来加热压缩空气的示意性加热装置，在这个例子中，是由气筒26提供的燃烧器25。因此在图6中所示的燃烧是内-外燃烧，并且允许来自于存储罐的压缩空气的体积和/或压力显著增加。

图7示出了附加能量双能量模式的热力图，并且显示了在各种容量部分中的循环的各个阶段，构成根据本发明的具有主动膨胀室的发动机，纵坐标轴上显示压力。

在为存储罐22的第一个容量部分中，汇集了范围从存储压力Pst到初始工作压力PIT的等温曲线，当存储罐变空时存储压力降低，而压力PIT将会根据最小运转压力和最大运转压力之间所需的扭矩来进行控制，在这个例子中，在10到30巴之间。

在工作容量部分19中，加热压缩空气允许压力从初始压力PIT显著增大到最终工作压力PFT。例如，对于30巴的PIT，温度增加大约300℃，使其能够获得大约60巴的PFT。进气门一打开，容纳在工作容量部分中的压缩空气就传递到主动膨胀室中，做功并伴随着压力微小的降低——例如，对于3000cm³的工作容量部分和35cm³的主动膨胀室，压力下降1.16％，也就是，仍然通过例子，对于60巴的初始工作压力，其实际工作压力为59.30巴。

然后驱动活塞开始其多变膨胀的下行程，做功并且压力降低，直到排气门打开(比如在大约2巴下)，接着在排气冲程期间，开始新的循环之前回复到大气压力。

具有主动膨胀室的发动机还以双能量模式运转，该双能量模式自发的(autonomously)使用通常所说的附加能量，其可以是来源于化石或植物的能量——图8——根据本发明的另一个可选形式，当其驱动供应存储罐22的压缩空气压缩机27的时候。

机器的整个运转与前面关于图1至4所述的相同。然而，这种布置允许在运转期间使用附加能量再次填充存储罐22，但是会由于压缩机而导致相对大量的能量损失。

根据本发明的另一个可选形式(图中未示)，空气压缩机直接供应工作容量部分。在这种形式的运转中，动态调节器21保持关闭，压缩机27向工作容量部分供应压缩空气，在该工作容量部分中这些空气被加热装置加热，压力和/或体积增加，以便像前述情况那样进入主动膨胀室13中。再者在这种形式的运转中，通过直接使用压缩机调节压力来执行发动机的控制，由于压缩机而导致的能量损失远低于前述情况中的能量损失。

最后，根据本发明的另一个可选形式——图9——根据能量的需求，压缩机同时或相继供应好呀存储罐22和工作容量部分19。双通阀28允许向存储罐22或工作容量部分19供应空气，或者同时向存储罐22和工作容量部分19两者供应空气。然后根据发动机相对于压缩机的能量需求进行选择：如果发动机的需求相对较低，那么就供应高压存储罐；如果发动机能量需求高，那么仅仅供应工作容量部分。

图10显示了具有主动膨胀室的单能量发动机，使用化石燃料(或者另一种选择是，使用来源于植物和其它的燃料)进行运转，该发动机结合到压缩机27上，该压缩机27向工作容量部分19供应压缩空气，该工作容量部分19在这里包括由气筒26供应能量的燃烧器25。机器的整个工作方式如上所述。

所述的具有主动膨胀室的发动机使用压缩空气进行运转。然而，其可以使用不会以任何方式改变所述发明的任何压缩气体。