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一种单冲程气压 发动机以及实施的方法及其应用

阅读：1015发布：2021-01-22

专利汇可以提供一种单冲程气压发动机以及实施的方法及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种全新的、完全可以实现“零油耗、零排放”的单冲程气压发动机技术。它主要通过改变发动机气缸体与活塞的结构或构造、并通过外部减压和增压设备与控制系统的协调工作来改变发动机的工作方式来实现。单冲程气压发动机的动力源来自于大气压力，在普通大气环境下不借助高压储气技术和任何外力，即可以让一台单冲程气压发动机如同内燃机一样实现高强度并且长时间不间断地高效工作，解决了目前气动发动机技术或气压发动机技术存在的对高压储气缸和第三方能源或电力的依赖，同时彻底解决传统发动机及其发电设备使用不洁能源造成目前环境污染和能源匮乏的问题。，下面是一种单冲程气压发动机以及实施的方法及其应用专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种单冲程气压发动机，它由气缸体、活塞、曲轴、凸轮轴及飞轮、气门、皮带轮、进气管道、排气管道组成，由蓄电池、发电机、节气门、空气滤清器辅助工作，其特征在于，所述单冲程气压发动机能够以大气压作为其唯一的动力来源，并且，所述单冲程气压发动机还增设了机械涡轮、电动涡轮、电磁阀辅助工作，所述电动涡轮及所述机械涡轮与发动机排气管道相连接，其特征在于，所述电动涡轮与所述机械涡轮交替完成对发动机的减压工作，首先，由所述电动涡轮吸收气缸体内的空气，使所述气缸内产生压力差并使所述活塞作直线往复运动，活塞带动曲轴旋转，曲轴通过皮带轮带动机械涡轮来接替电动涡轮的工作，接着，电动涡轮关闭并由机械涡轮维持气缸压力差来保证发动机正常工作，当所述电磁阀关闭排气管后，发动机和机械涡轮停止工作，其特征还在于：所述机械涡轮与发动机同步工作，机械涡轮的工作强度与发动机工作强度呈正比递增关系，使所述单冲程气压发动机不借助任何外力即可以象内燃机一样持续稳定高效运作，发动机同时带动发电机发电，发电机对外供电和给蓄电池充电，蓄电池为电动涡轮提供电力，凸轮轴在发动机带动下对气门开关实施精确开合控制，使气缸内活塞不同的运动方向始终保持压力差存在，使所述单冲程气压发动机在一个大气压力下即可实现持续良性循环工作，和，其特征还在于，所述单冲程气压发动机不存在压缩冲程，而且，所述单冲程发动机的每一次做功冲程中每一个气缸的进气门或排气门都会打开，或者，发动机的进气冲程、做功冲程、排气冲程可以是在一个气缸内同时发生，或者，其特征在于，所述气缸内的活塞做功的过程等于是该气缸进气和排气的过程。
2.根据权利要求1所述的单冲程气压发动机，其特征在于，所述曲轴每旋转360°即表示所述单冲程气压发动机完成两次做功冲程。
3.一种实施权利要求1、2的发动机气缸体：其特征在于，它由气缸、气流通道、活塞孔及活塞环糟构成，所述汽流通道包括进气通道、排气通道、以及包括使所述进气通道和所述排气通道与气缸贯通的第一开口和第二开口，所述气缸设有进气口和排气口，所述进气通道、排气通道和进气口、排气口由相应气门控制，其特征是，当进气通道的气门打开时，气缸排气口的气门也同时打开，当排气通道的气门打开时，气缸进气口的气门也同时打开，而且，进气通道的气门和排气通道的气门不能同时打开或同时关闭，同理，气缸进气口的气门和气缸排气口的气门也不能同时打开或同时半闭。
4.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，所述气缸体内设有第一机油糟和第二机油糟，第一机油糟和第二机油糟与气缸内机油糟相互连通，其特征是，发动机工作时，供油系统将润滑油输送至第一机油糟或第二机油糟，润滑油经过气缸内油糟对活塞作循环润滑后，再从第一机油糟或第二机油糟排回到油底壳。
5.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，所述气缸体与曲轴室呈气密隔绝，所述第一开口与第二开口之间的通道可以呈微凹形状，使气缸壁渗出的机油汇流至活塞孔参与活塞杆润滑，防止润滑油流失。
6.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，所述气缸体可以是一个铸造整体结构、也可以是一个可拆分的组合结构，或者，所述气缸体，其特征在于，它可以只包含气缸，并且通过所述气缸的进气门和排气门与进气通道及排气通道重新连接组合。
7.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，所述气缸体可以设有一个以上的气缸，以及，所述气缸体可以设有多条气流通道，和，所述气缸体的每一个气缸的进气和排气可以有两个以上并且可以有超过四个以上的气门来控制。
8.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，同一时间内进入气缸的空气和排出气缸的空气被严密阻隔、互不干扰。
9.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，所述气门的开关顺序可以根据需要进行调整。
10.根据权利要求3所述的气缸体，其特征在于，包括气缸体，气缸、进气通道、排气通道、第一开口、第二开口、进气口、排气口、活塞孔、第一油糟、第二油糟均分别可以呈不同的形状、不同方向、不同位置、不同数量及不同的组合存在。
11.一种实施权利要求1-10的发动机活塞：所述活塞，其特征在于，它带有活塞杆，活塞与活塞杆互为垂直同心结构，活塞设有活塞环糟，其特征在于，所述活塞其相对于活塞杆方向的反向面可以呈微凸弧或微锥形状，活塞通过活塞环与气缸缸壁紧密接触，活塞杆穿过气缸体的活塞孔并通过活塞环与缸壁紧密接触，所述活塞通过气缸内油糟的润滑油润滑、并在压力差的作用下沿气缸作直线往复运动，其特征在于：活塞承受压力时带动活塞杆运动，活塞在气缸内作直线往复运动，活塞杆穿过活塞孔在气缸与曲轴室之间作直线往复运动，活塞杆并通过摇臂带动曲轴工作。
12.根据权利要求11所述的活塞，其特征还在于，活塞做功的动力源是大气压力，也可以是压缩空气。
13.根据权利要求11所述的活塞，其特征在于，所述活塞包括活塞杆可以是一个铸造整体结构、也可以是一个可拆分的组合结构，活塞与活塞杆可以是固定的，也可以相互旋动，而且，所述活塞包括活塞杆均可以呈不同形状、不同比例、以及不同方向存在。
14.一种实施权利要求1、2、但区别于权利要求3的气缸体，其特征在于，它由两个以上的气缸组合而成，所述气缸体可以不设或没有进气通道和排气通道，所述气缸体与曲轴室可以气密隔绝、也可以连通，其特征是，当一个气缸的进气门打开时，另一个气缸的排气门同时打开，反之亦然，在压力差的作用下，两个以上气缸内的活塞会通过曲轴相互推动工作，而且，一个气缸内的进气门和排气门不能同时打开或关闭。
15.根据权利要求14所述的气缸体，其特征在于，所述气缸可以不使用权利要求11所述的活塞配合工作，配合所述气缸工作的活塞而是可以直接与摇臂连接带动曲轴工作。
16.根据权利要求14所述的气缸体，其特征在于，所述气缸体可以有两个以上的气缸，以及，每一个气缸的进气和排气可以有两个以上的气门来控制。
17.一种实现权利要求1-16完美协调和持续更高效工作的电控装置，所述电控装置，它由控制电脑(ECU)、总控开关、中路开关、延迟器、大电磁阀、小电磁阀、感应器以及相连接的线路组成，其特征在于，包括：启动发动机时，首先打开电源，电流流向电动涡轮和小电磁阀以及大电磁阀，由电脑指示大电磁阀关闭阀门，同时打开小电磁阀的阀门，保证电动涡轮有效吸收气缸内空气，一旦机械涡轮介入工作，大电磁阀阀门打开，小电磁阀就会关闭阀门同时让电动涡轮停止工作，再由机械涡轮独立完成排气工作，发动机进入正常工作状态，还包括：关闭发动机：首先关掉电源，延时器开始工作，在延迟工作状态下，大电磁阀执行关闭阀门指令，排气管内的空气停止流动，一旦发动机停止工作，机械涡轮就停止工作，总控开关会自动断开，中路开关和延时器开关复位，控制系统又回复到初始状态。
18.根据权利要求13所述的电控装置，其特征是，包括实现以下步骤和过程：
启动：电源开→电动涡轮工作→单冲程气压发动机工作→机械涡轮工作→电动涡轮自动关闭；
关闭：电源关→延迟器工作→单冲程发动机停止工作→机械涡轮停止工作→电源自动关闭。
19.一种实现权利要求1提高工作强度的方法的装置：双向节气门，所述双向节气门具有进气和排气功能，其特征在于，所述双向节气门安置于通向机械涡轮排气口的排气管位置、并将该排气管道一分为二，一部分管道与气缸体的进气管道交汇，另一部分管道与机械涡轮排气口连接，其特征在于，排气时，所述双向节气门关闭通向气缸体的管道，把空气排出大气外，进气时，双向节气门开关关闭通向大气的通道，把经过机械涡轮加压后的空气导引入气缸增压，达到提升单冲程气压发动机工作强度的目的。
20.一种实施权利要求1-19的交通工具，其特征在于，所述交通工具采用权利要求1所述的单冲程气压发动机作为引擎，所述交通工具还包含有权利要求2-19中的任一项与所述权利要求1有关的技术特征，所述交通工具所采用的单冲程气压发动机，所述该单冲程气压发动机可以有单列式，V型和对置式并且可以呈不同方向等组合形式。

说明书全文

一种单冲程气压发动机以及实施的方法及其应用

技术领域：

[0001] 本发明涉及气动技术和发动机技术领域。

背景技术

[0002] 气动发动机，是一种利用空气压力来代替油气成为发动机动力源的技术，自上世纪90年代由法国人率先研发，至今气动发动机汽车已经在欧美亚等部分国家进行商业化应用，中国国内对气动技术重视较晚，但也已经在研发阶段，个别民间爱好者甚至已经将内燃机成功改造成了气动机。理论上，气动技术的应用可以实现发动机零排放，对保护环境的好处不言而喻。但目前较成熟的气动技术都离不开高压储气罐，能量转换率低，由于不停地耗电充气，并没有实现真正的“零排放”，更何况高压储气罐存在不确定的安全性因素，优点和缺点都显而易见。

[0003] 因此，有人提出了利用大气压力直接作为发动机动力源的设想，即利用气压差来带动发动机工作，如专利申请公布号分别为CN102797506A(简称H1)、CN1336486A(简称H2)、CN102425457A(简称H3)，都是利用一个大气压力让发动机做功，办法是借助外力、通过小型发动机来带动真空泵或抽气机，制造气缸内的压力差并由第三方能量来辅助推动活塞工作。其中H1的工作原理，是在发动机活塞的下方制造一个永久真空的环境，进气门打开后活塞会向下运动，活塞到达下止点后进气门关闭、排气门打开，此时空气被真空泵排出，活塞借惯性力再往上运动，如此循环往复。问题在于，按H1的设计，只能把曲轴室也变成真空环境，这会产生一系列的问题：首先曲轴本身需要润滑，而且需要把润滑油排回油底壳，除非油底壳也是真空，但加注了润滑油的机壳内无法抽空，如果先抽真空再注油，一旦不慎漏气，则再抽空就变为不可能，将问题复杂化而导致实用性消失，对此H1中并没有解决方案；H3则刚好相反，它在活塞的上部制造真空环境，利用外力来给活塞做功，再利用压力差来完成第二次冲程，可是作用在活塞表面上的大气压力与拉动它复位的外力是均等的，表明大气压推动活塞所产生的功效为零，毫无意义；H2只设一个进气门，其工作原理更让人无法理解，因为当进气门打开后，压力并没有作用在活塞上，空气而是被抽气机抽走了，发动机根本无法工作。此外，H1、H2、H3都有一个致命缺陷：没有考虑发动机的传动阻力(压力损耗，内燃机称之为“热值损耗”)，这使得利用气压充当发动机能源的设想远远脱离了实际。我们知道，内燃机做功冲程中气缸内部的压力高达15-30个大气压甚至更高，使活塞在数百乃至上千公斤的压力下工作，才能使发动机克服掉自身的传动阻力并且可以带动发电机等附加设备持续有效工作，仅仅是几十公斤的压力作用在活塞上远不足于弥补发动机产生的动力损耗，起不到任何作用。这等于是给那些寄望于在普通大气环境下不使用高压储气罐即可实现发动机自给自足的设想判了“极刑”，至少在目前一些已公开的文献中，我们还看不到一个大气压力如何可以克服发动机传动阻力的相关说明。目前比较现实的是采用高压(储气罐)气动和传统内燃技术相结合的“混合动力”技术，既减少了环境污染，同时解决气动发动机工作效率低下的问题。需要说明的是，即使这种混合动力技术得到应用，也还远不能解决目前严重的环境污染问题，除非前述“气压发动机”真正得以实现。 [0004] 不可否认的是，地球表面的大气压力无处不在，如果在技术上我们有能力完全摆脱“储气罐”的束缚，并且通过合理的设计方案让一个普通的大气压力也能够产生相当于内燃机所释放出来的强大功率，并且不需要第三方能量来维持其工作，我们就拥有了取之不尽、用之不竭、源源不断的清洁能源，实现“零油耗、零排放”的终极目标。但首先我们要找到传统发动机技术的设计缺陷并加以改正，才有可能充分利用大气压来作为动力源。传统发动机技术，包括内燃机和现有的气动力发动机，都只是单纯地考虑如何创造新的能源来替代燃油气，却没有对发动机结构、包括其中单元构造本身作重大反省与改进，发动机技术沿用一百多年来的确经历了很多次革新，从外燃机(以蒸气机为代表)到内燃机、从化油器发动机时代到电喷发动机时代、又从电喷时代到了燃油直喷发动机时代，从两冲程发动机到四冲程发动机、单缸到多缸……其间还经历了活塞式发动机向喷气式发动机的飞跃，可以说取得了巨大进步，但所有这些进步都以对矿物能源的最大程度掠夺作为代价，造成严重环境破环以至于如今难以挽回的环境污染。原因其实简单，就是没有对发动机的工作原理作出深刻反悟，采用高压储气方案来代替燃油方案也正是没有摆脱现有发动机工作原理的束缚造成的思维方式。传统发动机工作原理，是建立在“燃烧”基础之上的，所以活塞的受力面往往与摇臂直接作用，依靠燃烧力来产生更大的惯性以完成下一个冲程的工作，必然使产生的动力大小与燃油消耗成正比。可以说“热能”是传统发动机技术赖以生存的基础，包括被认为热转化效能最高的斯特林发动机，也离不开“热能”，因此首选的能源替代品是太阳能，因为那是热源，风力可以发电但难以作为交通工具的动力，原因也是“热值”低，甚至需要比机翼更长的叶片来吸收风力，材料消耗巨大，而气动力发动机更需要高达10MPA以上的气压才能维持现有技术生产的发动机工作。因此，要永久避免对燃料和核能的依赖，必须对现有技术进行创新，不仅要求发动机的内部构造发生革命性的改变，还要使它的工作方式也发生革命性的改变，才有可以利用我们身边无时不在、无穷无尽的大气压作为动力源。也就是说，我们必须要对现有技术支持下的发动机缸体及活塞的结构、形状及其工作方式——即维系整个发动机系统工作的最基础核心部分进行完全彻底地否定，或至少使它的技术特征与其工作原理从本质上发生革命性的变化。

发明内容

[0005] 本发明提供一种全新的、完全可以实现“零油耗、零排放”的单冲程气压发动机技术，所述单冲程气压发动机，它主要通过改变发动机气缸体与活塞的结构或构造、并通过外部减压和增压设备与控制系统的协调工作来实现使发动机按照一种新的工作模式运行，达到利用大气压作为其能源的目的，使之在普通大气环境下不借助高压储气技术和任何外力，即可如内燃机一样实现高强度并且长时间不间断地高效工作，解决了目前气动发动机技术或气压发动机技术存在的对高压储气缸和第三方能源或电力的依赖，彻底改变传统发动机技术及其发电设备导致不洁能源的大量使用所造成的环境污染和能源匮乏现状。 [0006] 单冲程气压发动机的技术特征包括结构特征和工作特征两大类。它的结构特征由内部结构和外部结构两部份来体现，内部结构由气缸体、活塞、曲轴、气门组组成，其中气缸体及其多变的结构是单冲程气压发动机最基本并且最重要的技术特征之一；它的外部结构由机械涡轮、电动涡轮、发电机、蓄电池、节气门、控制系统、进气和排气管道组成，它们的相互作用和并存关系构成了单冲程气压发动机的外部重要的技术特征。单冲程气压发动机的技术特征还包括其工作方式、工作原理及方法和实施的步骤三个方面。包括通过以下技术方案来实现：

[0007] 一、单冲程气压发动机的结构特征：

[0008] 1、内部结构及其作用

[0009] (1)气缸体与活塞：

[0010] 气缸体由气缸、气流通道、活塞孔及活塞环糟构成，汽流通道又包括进气通道、排气通道，进气通道和排气通道通过第一开口、第二开口与气缸贯通，进气通道、排气通道分别设有相应气门，气缸设有进气门和排气门，气门由发动机带动的凸轮轴来控制开合，每一个气缸的活塞完成一次做功冲程，该气缸就需要同时完成一次进气和一次排气，也就是说，即使是单缸发动机，它的每一次做功冲程，都需要同步完成一次进气以及同时完成一次排气；气缸体内设有第一机油糟和第二机油糟，第一机油糟和第二机油糟与气缸内油糟相互连通，发动机工作时，供油系统将润滑油输送至第一机油糟或第二机油糟，润滑油经过气缸内油糟对活塞作循环润滑后，再从第一机油糟或第二机油糟排回到油底壳。气缸体与曲轴室气密隔绝，气缸体的第一开口与第二开口之间可以呈微凹形状，使从气缸壁渗出的机油汇流至活塞孔，防止润滑油流失；气缸体可以是一个铸造整体结构、也可以是一个可拆分的组合结构；气缸体、包括气缸、进气通道、排气通道、第一开口、第二开口、活塞孔、第一油糟、第二油糟均分别可以呈不同的形状、不同方向、不同位置、不同数量及不同的组合存在。气缸体也可以只包含气缸，通过气缸的进气门和排气门与分离的进气通道和排气通道重新组合连接(如图17所示)。气缸体还可以不设进气通道和排气通道，而是直接由两个以上的气缸组合而成，当一个气缸的进气时，另一个气缸排气，其原理及作用与带有气流通道的气缸体是一样的，只不过它其中一个气缸活塞需要通过曲轴来传递能量带动另一个气缸活塞工作，增加了更多的摩擦力，从效率上，带有气流通道的气缸体工作强度更大、效率更高。 [0011] 活塞带有活塞杆，活塞与活塞杆互为垂直同心结构，活塞设有活塞环糟，活塞可以呈微凸弧或微锥形状以方便润滑油集中润滑活塞环，活塞通过活塞环与气缸缸壁紧密接触，活塞杆穿过气缸体的活塞孔并通过活塞环与缸壁紧密接触，压力差的作用下活塞沿气缸作直线往复运动，活塞杆穿过活塞孔通过摇臂带动曲轴工作。活塞及活塞杆可以是一个铸造整体结构、也可以是一个可拆分的组合结构，而且，活塞包括活塞杆也可以呈不同形状、不同比例、以及不同方向存在。

[0012] 气缸体和活塞是制造单冲程气压发动机过程中诸多需要解决的技术环节中最为基本的两个环节。气缸体在凸轮轴和气门的作用下，通过进气和排气的频繁互换制造气缸内的压力差、保证活塞不论是在发动机排气还是进气过程都保持做功状态，因此它是实现单冲程气压发动机长效稳定工作的最基础和最重要单元。活塞的作用是利用其不同受力面形成的压力差在气缸内作往复直线运动，对于设有气流通道的气缸体而言，由于气缸体与曲轴室气密隔绝，活塞杆通过活塞孔连接摇臂才能将作用在活塞上的压力传递给曲轴、让曲轴作旋转运动；而对于不设气流通道、由两个以上的气缸组合而成的气缸体而言，它与曲轴室可以是气密阻隔，也可以连通，注定了配合它工作的活塞可以没有活塞杆而是直接通过摇臂与曲轴连接，但活塞比例大小不能按传统方式制造，否则一个大气压力不足于使之有效工作，传统活塞只能采用高压储气技术、通过压缩空气的作用才有一定的效果。 [0013] (2)曲轴和气门组：

[0014] 曲轴和气门组件属现有技术，它们可以匹配单冲程发动机的工作，因而成为本发明单冲程气压发动机内部结构之一，它们本身不作为一种技术特征存在。作为现有技术，曲轴和气门组的作用是公知常识，本发明并没有赋予它们特别的目的，不再另作说明。 [0015] 2、外部结构及其作用

[0016] (1)机械涡轮：

[0017] 机械涡轮一般被用来作为内燃机的增压涡轮或增压器使用，它主要由增速器和壳体及叶轮组成，增速器由发动机传动轴通过皮带轮来带动工作，增速器工作后再带动叶轮同步工作。本发明赋予机械涡轮两种作用：减压和增压。首先通过机械涡轮的减压作用来吸收气缸体内的空气，再通过其增压作用来增强气缸体内的压力。机械涡轮通过感应器与信号线和控制电脑连接，由控制电脑来监控涡轮的工作。机械涡轮吸气口和排气口分别与前排气管和后排气管连接。机械涡轮的作用，是利用其减压功能来保证单冲程气压发动机持续高效工作，同时又通过其增压作用来提高单冲程气压发动机的工作强度。 [0018] 机械涡轮也可以不用增速器带动，而直接由发动机皮带轮通过皮带来带动工作，与自行车原理一样，同样达到增速目的。

[0019] (2)电动涡轮：

[0020] 电动涡轮一般被用来作为电动增压器，或作为吸气机使用，它主要由电机、壳体及叶轮组成；本发明赋予电动涡轮作为起动机使用，完成起动发动机的任务后即自行关闭。电动涡轮设有感应器，电动涡轮的电机通过电路与中路开关连接，感应器通过信号线与控制电脑连接，由控制电脑来控制电动涡轮的工作时间。

[0021] (4)控制系统：

[0022] 本发明设有两个电磁阀，一个是大电磁阀，一个是小电磁阀，电磁阀由控制器、电磁阀门和感应器组成，感应器通过信号线与控制电脑连接，电磁阀通过电路与中路开关连接，其中，大电磁阀通过电路同时与延时器开关连接。小电磁阀的作用，是在电脑控制下关闭或打开电磁阀门、提示电脑启动或中止电动涡轮的工作；大电磁阀的作用，是在电脑控制下关闭或打开电磁阀门、提示电脑启动或关闭电动涡轮的工作。其特征是：需要发动机起动时，大电磁阀门关闭，小电磁阀门打开、电动涡轮工作，接着，大电磁阀再打开，小电磁阀关闭、电动涡轮关闭；需要发动机停止工作时，大电磁阀门关闭。大电磁阀门第二次关闭时，对小电磁阀门不产生影响。

[0023] 控制系统由总控电脑、总开关、中路开关、延时器和感应器组成，并通过线路相连接。本发明控制系统的作用，主要是负责单冲程气压发动机的启动和关停。 [0024] (5)发电机和蓄电池：

[0025] 发电机依靠单冲程气压发动机传动轴的皮带轮带动发电、对外提供电力，同时给蓄电池充电。

[0026] (6)节气门：

[0027] 本发明设有两种节气门，一种是调节从空气滤清器进入发动机的气流大小的常规节气门，一种是用来改变排气方向的双向节气门，双向节气门可以让排气管的空气回流至发动机内，也可以把排气管的空气直接排出大气外。

[0028] 二、单冲程气压发动机的工作特征：

[0029] 1、工作方式

[0030] (1)进气、做功、排气在同一冲程中同步完成：

[0031] 单冲程气压发动机的进气冲程、做功冲程以及排气冲程是同一个概念，它们不存在位置和时间上的差别，所述单冲程发动机的排气冲程即是它的做功冲程和进气冲程。这是单冲程气压发动机最明显的技术特征之一，也是单冲程气压发动机与内燃机和现有气动发动机技术最本质的区别所在。如两冲程内燃发动机，它的做功冲程与排气、进气冲程存在时间差，并不完全同步，而四冲程内燃发动机，分别由做功、排气、进气和压缩四个冲程来完成一个工作循环，一个工作循环仅完成一次做功，一次做功要使曲轴旋转720°，相比之下，当曲轴旋转720°，单冲程气压发动机已经完成了四次做功。此外，内燃发动机的做功冲程和压缩冲程必须在气门完全关闭的情况下完成，与本发明单冲程气压发动机的工作方式完全不同，本发明单冲程气压发动机一个气缸的做功、排气、进气都可以同时发生，如图18所示：其中A、B为内燃发动机的工作模式、C、D为单冲程气压发动机的工作模式，图中可以看出，内燃发动机的气门只有在进气冲程和排气冲程中打开，而单冲程气压发动机的气门任何情况下始终会选择性地打开。

[0032] (2)以大气压作为唯一或基本动力来源：

[0033] 这里所说的大气压力，与水能(水力和潮夕发电)、风能(风力发电)、热能(太阳能、矿物燃料、天燃气、植物燃料)、化学能(核能)的区别显而易见，前者完全是清洁的，后者除了太阳能与风能外，都是高污染的能源，而且难以再生；与压缩空气不同的是，压缩空气需要第三方能源来制造，仍改变不了对污染能源的依赖，等于是增加了电厂发电负荷，对人类整体生存环境的改善没有太大意义；另一方面，电能转变成空气能，能量利用率更低，反而加大了能源浪费，还不如直接用电。本发明所述之“大气压力”，指地球表面无处不在的普通大气压。此外，既利用大气压的同时又不得不借助于外力的帮助或希望利用一个大气压力的一次做功冲程来实施更多惯性工作的设想都有违“单冲程”概念和能量守衡律的。理论上，高压储气技术也可以采用本发明来减少或完全摆脱对第三方电力(能源)的依赖，但由于本发明提供的单冲程气压发动机技术仅在一个大气压环境下就能使发动机产生比储气高压技术更理想的动力输出和低负荷效果，储气罐的存在反而成为了一种不必要的负担，高压储气虽然能提供高能量的压缩气体，但没有持续力，每完成一次做功，后续的气压就会减弱，与始终保持相同压力并且源源不断的大气压无法相提并论。

[0034] (3)自增压及同等的减压能力

[0035] 目前的气动力技术存在着无法解决发动机自增压不足、动力疲软和续航能力差的难题：让发动机工作的气压需要第三方电能来补充，一方面是必须要用更高的储压值来提高动力，另一方面则是担心过高的气压带来更多的充气时间，等于是缩短发动机的工作时间(这里还没有考虑到高压储气罐潜在的致命伤害)；较低的储压设备可以减少时间上的浪费，减少安全隐患，却又降低了发动机的工作效率。人们无法想像驾驶着气动力汽车在野外工作的场景：储气缸漏气或本身动力不足，保险的做法是配带一台独立的发电机以备急需，否则一旦离开城市则会提心吊胆。

[0036] 单冲程气压发动机的优点之一：既不用储气设备，也不用担心压力不足的问题。因为它可以根据需要、在不借助外力的情况下通过自增压方式来自行改变气压强度以有效提升发动机动力。前提在于：它的增压能力和减压能力是同等的。这也意味着，安装有单冲程气压发动机的汽车完全可以行驶在地球上的任何一个角落，除非机械故障，永远不需要担心“油耗”和电力问题。显然，所有其它与“能源”相关的问题也会迎刃而解。 [0037] 2、工作原理及实现的方法：

[0038] (1)能量转换：

[0039] 普通中小排量汽车内燃机在混合气燃烧后，燃烧室会产生相当于1.5-3mpa的压力，即活塞每cm2的表面承受约30kg的压力，假设一台小排量汽车，它的发动机活塞半径为3cm，那么它将承受超过800kg的压力，可想而知，如果活塞的表面只有1kg/cm2的压力(一个大气压力)，半径为3cm的活塞仅承受总共27kg的压力，这只能使一个玩具发动机工作。
即使把压力增加到10kg/cm2，显然这台小排量汽车只会缓慢而无力地行驶。也就是说，利用一个大气压力来让发动机工作，在设计上允许的情况下，如果只是让一台发动机空转、并且不去考虑机件摩擦力的话，也许它会动，但它没有任何使用价值。这也就是为什么那些考虑使用空气动力来代替内燃机工作的人，必须不得不使用压缩空气，因为储气罐可以将
0.1mpa的空气压力变成10mpa甚至更高的气压值，理论上它的爆发力甚至强于内燃机，但这仅是理论上的，实际上再大的气压也是极其有限的：每使用掉一部分空气，储气缸内压力也就随之降低，难以自给自足，再好的设计也只能稍微延长发动机的工作时间，但永远也无法让发动机达到所希望的工作强度，更不可能象内燃机那样随心所欲地工作下去，而这正是目前气动技术无法逾越的难题：让发动机持续高强度地正常工作。更大的问题如前述：
需要第三方能源(电力)来制造所谓的“清洁能源”，但它不是能源，储气罐内的高压气只不过是能源的中介而已，相当于把家庭用电拿来充气后再利用气压带动另一台发动机发电一样得不偿失。

[0040] 既然利用高达20mpa(比一个大气压力还要大200倍)的高压气来带动的发动机都难以取代传统内燃机，那么如果舍弃储气技术，还能有什么办法呢？

[0041] 应当注意到一个关键性细节：决定一个物体所承受的大气压力大小，除了考虑作用力大小外，物体表面积的大小也起着决定性的作用：相同的一个大气压力下，物体表面积2 2
越大、其受力也越大。在一个大气压环境下，一个只有30cm 的平面上承受约30kg(1kg/cm)
2
的压力，而一个1m 的平面上就将承受高达10000kg的压力，这相当于把一辆10吨重的大卡
2
车安放在一张只有1m 的桌子上，结果可想而知。从理论上来说，大气压的力量才是真正清洁、强大并且是无穷无尽的。但就象太阳能一样，由于技术原因，至今我们无法充分地去利用它。但这并不妨碍我们去做出假设：如果一台发动机活塞半径是15cm而不只是3cm，它所承受的压力就不是27kg，而是接近700kg的压力，足以让这样一台发动机长期正常工作、发电，并能轻松使一辆1吨重的汽车无燃料需求地长距离行驶下去。问题的关键，不是活塞半径是否过大而可能带来高速平衡问题(现有技术完全可以解决类似问题)，而是如何让发动机活塞真正接收到大气压的能量并有效转化为机械动力。

[0042] (2)关键技术：

[0043] 不使用第三方能源就能让单冲程气压发动机依靠一个大气压带动、完成持续不断地的高强度工作，并且还要具备自增压能力，需要解决以下几个关键的技术性问题： [0044] a、保证单冲程气压发动机活塞与气缸的缸壁之间有良好的气密性，并且不影响活塞在缸体内的往复运动，在当前技术条件下，这是最易于实现的关键技术之一。 [0045] b、保证单冲程气压发动机活塞在运动时不消耗第三方能源。

[0046] 即使仅从理论上也很找到满足这个要求的合理设计，因为如果要保证发动机单纯地依靠大气压驱动，按H1(专利公布号CN102797506A)的设想，首先要保证“活塞下方永久真空”，并且在发动机启动前也要保证活塞上方形成真空，这样才能使“带动飞轮旋转”的“起动机”不费力地启动，否则有可能无法启动，当活塞运动到上止点时进气门打开，由于活塞下方“永久真空”，活塞自然就在大气压力下向下运动，但是当活塞到达下止点时如何继续向上运动呢？H1认为此时进气门关闭而排气门打开，空气被真空泵抽出后活塞继续向上运动，显然按H1设想，活塞是依靠惯性在作向上运动的。如果说活塞承受的压力足够大，这种往复运动是可以持续下去的，其意义大小在于为真空泵提供动力的“小型发动机”需要消耗多大功率，以及机件摩擦产生的传动系损耗是否抵消掉发动机的做功冲程。H1明确说明“在现有汽、柴油机的基础上，将气缸低端封闭……活塞下方为永久的真空环境”，这就不难理解，H1并不打算改变活塞的形状大小，意味着发动机活塞承受的压力仅有约15kg-30kg，这样小的压力根本克服不了传动系统产生的摩擦力，“小型发动机”的存在事实上如储气技术一样，使结构复杂化和降低了能源的使用效率，更何况使曲轴箱完全处于真空环境是不可能的，除非曲轴不需要润滑油。至于CN1336486A(简称H2)、CN102425457A(简称H3)，与H1一样，这些两冲程的气压发动机设计，都没有提出增大活塞压力的办法，一味追求第三方动力来解决起动和排气问题，于事无补。本节将在以下具体实施方式中作进一步详解。

[0047] c、保证单冲程气压发动机做功时活塞产生的压力达到或超过传统内燃机活塞的压力。

[0048] 在所有技术条件允许的情况下，只需改变单冲程气压发动机活塞面积大小，使之在一个大气压下即达到或超过内燃机混合气燃烧产生的压力，让发动机无燃料持续高强度工作就成为可能。这里面存在两个问题：一是过大的活塞是否会造成发动机体积过大？二是活塞在高速往复运动中是否能够维持平衡工作状态？对前一个问题，答案是否定的。以一台活塞压力面大小为半径15cm的单冲程气压发动机为例，它一次做功产生的压力约为700kg，相比之下，一台2.0L内燃发动机做功时活塞压力约为1200kg，但请注意：2.0L内燃发动机需要将其中约500kg的力量来克服发动机的压缩、进气、排气冲程产生的气压阻力和摩擦力，它真正输出到轮胎的力也只是700kg左右，也就是说，一台活塞半径15cm的单冲程气压发动机其实相当于一台2.0内燃发动机输出的功率大小，它的体积与传统2.0排量内燃机发动机体积相当，问题在于，2.0内燃发动机一次做功冲程要完成其它个三冲程(进气、排气、压缩)的任务，曲轴需要转动720度，所以我们有必要考虑单冲程气压发动机15cm的活塞半径是否过大，因为单冲程气压发动机一次做功后曲轴仅转动180度，而当曲轴转动720度时，单冲程气压发动机已经完成了4次做功冲程，相同时间内它输出的有效功率约相当于2.0L内燃发动机输出的有效功率的4倍，因此我们只要把单冲程气压发动机活塞面半径设计为10cm，它在相同的时间内输出的有效功率就超过了2.0L的内燃发动机，体积也会变得更小。活塞面积变小后，可能由于单次输出功率较小而爆发力不足，可以考虑通过缩短曲轴转动半径来提高做功频率(提高发动机转速)，用转速来弥补扭矩的不足。这里需要指出的是，如果利用压缩气体来带动发动机工作，则难以随心所欲地改变发动机转速，因为转速越快，气体及气压的消耗也就越快，而大气压永远不存在压力消耗的问题，所以我们可以根据需要来提高或降低发动机转速，通常如果考虑使用较小直径的活塞，就应提高转速以弥补扭矩的不足，高转速的内燃发动机有更好的爆发力表现，但同时需要更多的油耗，单冲程气压发动机再高的转速也只是增加了排气的频率，并不会降低发动机的经济性。 [0049] d、保证单冲程气压发动机做功过程中活塞受力面的相反面始终处于真空或超低压状态。

[0050] 虽然在理论上，只要活塞设计到位，一个大气压足以给活塞产生足够大的推动力，但如果没有完美的针对凸轮轴和气门正时工作的设计方案，再大的压力也会在瞬即变为乌有。进排气系统故障会导致发动机无法工作。涉及发动机正时系统的调试将不在本说明范围内，因为该技术已经被运用得炉火纯青，这也保证了单冲程气压发动机技术在现有技术的支持下将得以实现。

[0051] e、保证单冲程气压发动机的自增压功能。

[0052] 单冲程气压发动机如果仅依靠大气压作为动力源，也完全满足人们日常生活、工作和生产的电力需要，但如果考虑运用在交通工具上，必须确保发动机有自增压功能，否则车辆的加速性能将得不到保障。在具体实施方式中将会给出最基本的解决办法以及详解实施单冲程发动机工作的具体步骤。

[0053] 三、有益效果：

[0054] 与传统发动机技术(包括目前的气动发动机技术)相比，单冲程气压发动机有如下优点：

[0055] 1、不需要任何燃料，任何时间、地点均可全天候工作，实现完全的零排放目标。 [0056] 由于蓄电技术的严重滞后，人类对太阳能和风能的利用极其有限，不得不依赖核能和矿物能源，而核能本身严格来说也属矿物能源，其污染力更强。因此，不论是交通工具还是日常生活、生产用电，都不得不以大量有毒气体排放为代价，即使不考虑污染和因事故造成的严重灾难，矿物能源也会有枯竭的一天。单冲程气压发动机的出现将会解决所有与能源有关的问题。

[0057] 2、动力输出效率更高、功率更强大。

[0058] 传统两冲程的发动机，虽然进气与排气基本同步(进气和排气被视为一个冲程)，但它们与做功冲程永远无法同步，事实上依靠燃烧推动的发动机技术永远也无法实现这种同步过程，这就使得热损耗导致的燃料浪费不可避免；再以四冲程发动机为例，四冲程发动机提高了进气和排气效率，并且因为增加压缩冲程而使得燃烧效率得到提升，但是在四个冲程中，只有一个冲程在做功，其余三个冲程分别是进气、排气和压缩过程，更高的工作效率同时也产生相对更高的热值损耗。现有气动技术依赖压缩空气，同样无法使一个气缸的进气、做功、排气同时进行，首先做功后发动机活塞被推到下止点、活塞再依靠惯性力回到上止点排出空气后重新做功，需要两个冲程来完成；前述H1、H2、H3类型，都需要第三方能量来协助发动机做功，但不管是其中哪一种设计方案，都无法使发动机实现单冲程工作。在现有的各种技术方案或设想中，没有前述“单冲程气压发动机的结构”的创造，使得发动机单冲程循环工作变得不可想象，也使得利用大气压使发动机工作的设想变得脱离现实。 [0059] 3、不需要任何第三方能源支持、不需要储气技术，大气压本身就是取之不尽的能量来源。

[0060] 该技术的实现，将为人类提供更丰富和永不间断的清洁能源，社会经济的发展将得到极大飞跃，同时宣告矿物能源时代的结束，甚至水力和核能发电也将变得毫无必要，人类的生存环境将得到最彻底的改善，人们永远不需要再担心能源问题。

[0061] 4、交通工具更加简洁和轻量化、成本更低。

[0062] 单冲程气压发动机不需要象内燃机一样承受高温高压，材料的使用面会更广，生产成本更低，除了产品成本外，人们将不必考虑它的使用成本问题；交通工具如汽车，减少了与燃料及耐高温有关的大量的附加设备，也将变得更加轻量化和拥有更高的经济使用性。附图说明

[0063] 图1是本发明所采用的一种带有活塞杆的活塞结构及形状图。

[0064] 图2是本发明所采用的一种气缸体结构截面图。

[0065] 图3是区别于图2的一种气缸体结构截面图。

[0066] 图4是单冲程气压发动机启动前后的整体工作示意图。

[0067] 图5是单冲程气压发动机关闭前后的整体工作示意图。

[0068] 图6是一种气缸体的俯视截面图。

[0069] 图7是一种气缸体的底部截面图。

[0070] 图8是一种气缸体活塞润滑方案剖面图。

[0071] 图9是一种油路偏向区别于图8的气缸体活塞润滑方案示意图。

[0072] 图10是一种气缸体活塞润滑方案立体截面图。

[0073] 图11是一种区别于图2、图3的包含润滑油路的气缸体结构截面图。 [0074] 图12是一种多气缸的气缸体及活塞和气门位置及工作图。

[0075] 图13是一种区别于图12的气缸体结构及工作图。

[0076] 图14是单冲程气压发动机安装在一种交通工具上的俯视平面图。

[0077] 图15是一种安装了单冲程发动机的交通工具装备示意图。

[0078] 图16是气缸活塞、气门工作位置及气流走向图。

[0079] 图17是气缸体与气流通道的分离组合示意图。

[0080] 图18是传统内燃发动机与单冲程气压发动机工作模式对比图。

具体实施方式

[0081] 下面主要结合附图(图4)和附图(图5)对本发明单冲程气压发动机的工作原理作进一步的说明。为突出交待单冲程气压发动机的工作原理，将略过对润滑系统构造的说明(关于润滑方案，请参照图8、图9、图10及前述“单冲程气压发动机的结构特征”的说明)。本领域技术人员应当能够理解：本说明省略了凸轮轴及其它部件的润滑过程、包括也省略了机油泵及输油管道、油底壳、曲轴箱、发动机外壳体和缸盖部份，作为发动机组件，虽然这些部份在实践中不可或缺，但本发明主要展示单冲程气压发动机有别于其它发动机的工作原理，而作为现有技术的发动机外壳体及其润滑结构的作用非本说明重点。省略该部份目的是让本发明单冲程气压发动机的构成能更为清楚地展示。

[0082] 本实施例中，单冲程气压发动机的核心部分由气缸体3和活塞11组成。气缸体3又由气缸4和气流通道构成，气缸设有排气口37和进气口38，气流通道包括进气通道5和排气通道6及其相应的开口39和开口36，以及把气缸4、进气通道5、排气通道6连通起来的第一开口50和第二开口51；在第一开口50和第二开口51之间、即气缸4与活塞孔31之间的气流通道底部呈微凹状，方便从缸壁渗出的润滑油汇集并参与活塞杆41的润滑和渗回油底壳，气缸体设有活塞孔31(图2)；气缸体设有排气口29和进气口30，排气口29与排气管27连接，进气口30通过进气管道57与空气滤清器1连接；气缸体内部可以设有气门杆位置32、33、34、35(图2)，由气门7、气门8、气门9、气门10来分别控制进气通道、排气通道和气缸的进气口和排气口的进排气(图4、图5)。活塞11的上受力面43(图1)呈微凸弧形状，方便从输油管47及注油孔49经气缸内油糟80(图10)循环至排油管46及排油孔48(图8)的润滑油集中润滑活塞环及易于循环流动，活塞通过活塞环45与气缸缸壁紧密接触，活塞杆41通过活塞孔31的内紧活塞环42(图2)与气缸体的缸壁紧密接触，并通过活塞孔31与摇臂59连接，摇臂59与曲轴12连接；活塞11与活塞杆41同为一个整体，互为垂直同心结构，可以是固定一体的；整个气缸体除与管道连接外完全处于气密状态。气缸体的另外三种结构(图3、图12)，(图3)除排气口29与进气口30的进排气方向改变外，其余形状与(图2)类似，(图12)是区别于(图2)和(图3)的气缸体，它不设气流通道，由两个气缸组合而成，两个气缸的活塞通过曲轴来传递动力，(图13)说明单由两个以上气缸构成的气缸体可以与曲轴室连通，活塞可以直接与摇臂衔接。本领域技术人员应当能够理解，气门杆位置32、33、34、35视气缸体的设计而定，有时候并不属于气缸体部分而属于管道之一部分(如图11所示)，在实际运用中，包括气缸体的形状和设计并不局限于以上几种。 [0083] 单冲程气压发动机外设机械涡轮、电动涡轮、发电机辅助工作，并设有相关的控制系统来保证单冲程气压发动机的正常工作，以下一一分解说明：

[0084] 电动涡轮17、小电磁阀17c、电磁阀感应器17b、电动涡轮感应器17a组成一个关联工作单位，它们可以组合，也可以以单独的个体存在。电动涡轮的作用，是吸收气缸体内的空气以激活活塞往复运动，因此电动涡轮17也可称之为起动涡轮或起动机，由它来启动单冲程气压发动机的工作。

[0085] 机械涡轮14包括涡轮进气口53和涡轮排气口52，与增速器15是一个整体结构，与涡轮感应器14a、大电磁阀16、电磁阀感应器16a组成一个关联工作单位。机械涡轮14的作用，是当单冲程气压发动机被启动后即开始同步介入工作，接替电动涡轮17来吸收气缸体内的空气，以保证单冲程气压发动机的持续正常运行。

[0086] 发电机13通过曲轴12带动并自行发电，为各种辅助设备提供电力，并时刻给蓄电池20充电以确保电动涡轮17在任何时候都可以启动单冲程气压发动机的工作。 [0087] 控制系统由控制电脑(ECU)19、总控开关21、中路开关54和延时开关18组成，控制电脑19通过信号线65、信号线66、信号线67、信号线68、信号线69接收各感应器的信号并作了指令，控制单冲程气压发动机的起动、运行和关闭过程。

[0088] 下面来具体了解单冲程气压发动机的工作过程：

[0089] 1、单冲程气压发动机的启动

[0090] (图4)首先打开电源总控开关21，电流经电路73流向电路63和电路64向电动涡轮17和电磁阀(16、17c)两个控制单元提供电力，控制电脑19通过感应器60的信号指示大电磁阀16关闭阀门61以阻隔排气管25内的大气，同时小电磁阀17c打开阀门62，电动涡轮17开始工作、通过排气管25吸收气缸体3及气缸4内的空气，活塞11下受力面44方向的空气从第一开口50向排气通道6流动并从排气口29排出，此时活塞11的上下两个受力面形成巨大的压力差，活塞开始沿气缸做直线运动并推动曲轴旋转、同时带动发电机、机械涡轮和凸轮轴24工作。需要说明的是，由于凸轮轴24的作用，在电动涡轮17工作前，四气门(7、8、9、10)不可能同时打开或关闭，两组气门(两个排气门和两个进气门)每组只有一个打开或关闭，其位置顺序因时而异、由发动机停止工作后随机形成，(图4)以气门7和气门9打开、气门8和气门10关闭为例。

[0091] (图5)当曲轴旋转半周(180度)后，活塞到达下止点，在凸轮轴的作用下，气门7和气门9关闭、气门8和气门10打开，由于此时机械涡轮已经介入工作，活塞11上受力面43方向的空气很快被抽空，活塞11的上下两个受力面再次形成巨大压力差，活塞11继续往回做直线运动并使曲轴完成一周工作。这里需要着重说明增速器15的作用：我们设增速器15的增速比例为10∶1，则当曲轴12旋转一周时，在行星齿轮(略)的作用下，机械涡轮叶轮(略)的转速将10倍于曲轴的速度旋转。必须注意的是，在实践过程中，机械涡轮叶轮(略)需要精确设计以确保在曲轴12旋转一周时机械涡轮14有足够的能力完全吸收来自气缸体内的空气(鉴于在单冲程气压发动机技术中排气问题的重要性，我们在后面将进行单独说明)。当曲轴完成一周工作后，控制电脑19会根据机械涡轮14的工作状况来决定停止电动涡轮17的工作并关闭电磁阀门62，让机械涡轮14来独立完成全部的排气任务、使单冲程气压发动机持续工作下去。也可见，由于电动涡轮17依靠蓄电池提供动力，不能持续长时间工作，仅充当起动机的作用，虽然有足够的技术条件使发电机13为电动涡轮17的后续工作提供电力，但由于电机负荷有限，电动涡轮17的工作效率很难与机械涡轮相提并论，因此要确保单冲程气压发动机持续稳定高效的工作，必须使机械涡轮14 来承担更多排气任务。机械涡轮14的绝对优势在于：它与发动机同步工作，只要设计得当，就不需要担心排气问题，因为越大的排气量意味着发动机产生了更高的动力输出，而再高的动力输出也只会使得机械涡轮有更强的工作能力，反之亦然。如前述，当控制电脑19指示关闭阀门
62，并打开阀门61后，电动涡轮(起动机)的工作结束，接下来的排气工作由机械涡轮来完成。

[0092] 2、单冲程气压发动机的运行和加速

[0093] (图4)中，我们可以设置单向节气门70，通过节气门开关71来调整气压大小，当我们不需要太大的功率输出时可以象内燃机一样松开“油门”，需要时可以加大单向节气门70的开合度以保证单冲程气压发动机任意改变工况；单向节气门70要设有进气歧管(略)以维持发动机的怠速工作。虽然没有单向节气门70不会造成“燃料”浪费，但会使发动机会产生不必要的磨损，譬如家庭或单位用于发电的单冲程气压发动机，可以根据电力使用量随机调整发动机的工况，尽可能延长单冲程气压发动机的寿命。不管是生活用电、商业用电或工业用电，只要合理设计出气缸体与活塞的大小、准确计算其受力大小及输出的功率大小，并且确保机械涡轮14有足够的能力来满足单冲程气压发动机的正常工作，则不论我们对电力的需求有多大，单冲程气压发动机都可以提供，当然，我们不需把一个活塞11和气缸体3做得象蓝球场这么大(这么大的单冲程气压发动机完全可以提供600万千瓦/小时的电力，但技术上不可能实现)才可以为一个城市供电，发动机组就可以解决问题。 [0094] 如果仅仅依靠一个大气压力来让单冲程气压发动机工作，满足生活、生产、工作用电是完全没有问题的，供电用的发动机只要功率输出稳定就不存在其它担心。但是，如果我们要让单冲程气压发动机运用在交通工具(如汽车)上，不解决增压问题，则汽车的爆发力受到一定的限制。举例来说，设计一台输出功率为100千瓦(相当于1.5L排量内燃发动机输出的功率大小)的单冲程气压发动机汽车，理想道路环境下它的最高时速应该达到
150km/h，同样可以通过变速箱和节气门的配合来适应各种路况，对现有技术而言这样的设计不存在难题，只要它的最大功率得到保证，就可以如内燃机汽车一样随意“加油”。这对于大多数用户来说并没有什么不妥，但无疑我们将失去观赏赛车的乐趣，因为内燃机在活塞面积不变的情况下，可以不计油耗成本、人为改变混合气浓度或是采用增压技术来提高发动机的爆发力。而单冲程气压发动机的动力源是大气压，在不考虑增压的情况下，它输出的功率大小取决于活塞的受力面积大小，提高动力的办法就只能是增大缸径和活塞面积。的确，再大的活塞面积也不会使单冲程气压发动机的经济性降低多少，因为它不用燃料，但没有人乐意观看卡车比赛，我们不仅要实现“零排放”的目标，还要使未来的交通工具在性能上变得更强，唯一的办法就是增压。

[0095] 我们知道机械涡轮14的作用，是通过涡轮进气口53和排气管25来吸收气缸体3内已经完成了做功任务的空气，然后，机械涡轮14再把吸收的空气送进排气管27，再从排气管23排回大气中，循环往复。必须清楚的是，机械涡轮14承担着“吸气”工作的同时，也在从事“排气”工作，这里要理清一个概念性的问题：机械涡轮14的作用到底是增压还是减压？答案很简单：对于密闭的气缸体3而言，机械涡轮是在减压；而对于开放的大气环境而言，它是在增压。对这个常识性问题我们没有必要讨论，因为所有的吸气机或压气机其实都存在增压和减压的作用，不同的用途导致了不同的形状和外观设计罢了。既然如此，我们就给排气管27增设一个双向节气门22(图4)，节气门开关72可以在排气管27和排气管23之间根据需要先择关闭其中之一，如果先择关闭排气管27，那么机械涡轮14排出的高压空气就会进入大气中，而如果关闭排气管23，那么高压空气就会一直沿着排气管27经排气管76回流进入气缸体内、给活塞11增加额外的压力、达到增压目的。不难想象：当排气管23一直处于关闭状态，排气管27中的高压气体一直回流到气缸体3内时，活塞11瞬间就会承受高于一个大气压的压力，使得活塞往复运动的能力更强、曲轴12也旋转得更快，同时也会让机械涡轮14产生更大的动力。也就是说，随着曲轴12和机械涡轮14转速的增加，气缸体内的空气流失得也就更快，排气管27内的气压也会变得越来越高，增压的效果将越来越明显，而且将是爆发性的，其产生的爆发力丝毫不会比内燃机更弱。而这是一个良性循环的过程。理论上，单冲程气压发动机完全可以通过机械式的自增压来无限提高动力，但在实践中我们必须考虑到气缸体3和活塞11的承受能力，最重要的是我们打算给机械涡轮14多高的期望值。

[0096] 由此可见，一台单冲程气压发动机所能提供的最大功率，除了考虑气缸体3和活塞11的大小外，机械涡轮14有效工作的极限性同样要做预设性的实验和考量，即使认为增速器15的设计不成问题，还要考虑机械涡轮14叶轮的排气极限，传统电动增压器(或吸气机)的叶轮和叶片通常都要按其最大排气(吸气)能力来设计，再大的电机而叶轮太小也无济无事，反之，再大的叶轮而电机功率太小也起不了作用。机械涡轮的特点是无需考虑电机承受力，而只要增速器可以承受就能达到想要的转速，前提是叶轮的设计必须倒位。因此，一台单冲程气压发动机到底能够提升多大的动力，很大程度上取决于机械涡轮有多大的排气能力。应当确信，在现有技术条件下，不考虑增压问题，使单冲程气压发动机发挥出不亚于内燃机的工作效率是完全可行的，如果仅仅只是考虑解决机械涡轮14的工作能力问题，就能使单冲程气压发动机产生比内燃机强大得多的动力的话，我们不妨与目前任何一个环保技术相比较，齿轮的工艺或材料、轴承的传动性和耐久性等等诸如此类与增压技术有关的所谓“问题”就简直不值一提。也就是说，以现有的技术手段，升级版的机械涡轮14不是能不能解决的问题，而是何时需要动手解决的问题。

[0097] 3、单冲程气压发动机的关闭

[0098] 如果把大气压比作是单冲程气压发动机的“燃料”，那么机械涡轮14就如同发动机的“点火”开关，只要停止“点火”，发动机就会立即停止工作。所以要关闭单冲程气压发动机，理论上应当先关闭机械涡轮14，只要机械涡轮14停止工作，大气就会从排气管23回流、与排气管27内的气压达到平衡，活塞11不同方向的压力很快就会趋于平衡、活塞的往复运动就会中止、发动机就会停止工作。但由于机械涡轮14是由单冲程气压发动机的传动轴带动工作，从始至终它都处于被动工作状态，只要发动机持续工作，机械涡轮14就没有停止的可能。所以实际上，我们没有任何办法首先让机械涡轮14停止工作。唯一的办法，只能通过控制电脑19指示大电磁阀16关闭电磁阀门61、阻止气缸体3内的空气进入机械涡轮14；由于空气无法流动，活塞11的压力差消失，单冲程气压发动机就会立即停止工作，只有在单冲程气压发动机停止工作后，机械涡轮14也才会停止工作，所以在单冲程气压发动机的诸多机械工作单元中，机械涡轮14既是最后才介入工作，也是最迟才停止工作。下面有必要说明一下控制系统在实施关闭单冲程气压发动机过程中所采取的具体步骤和办法，以便我们对单冲程气压发动机工作原理有更全面、直观的了解：

[0099] 让单冲程气压发动机停止工作和让内燃机停止工作一样，形式上没有什么不同，都是关闭电源开关，不同的是内燃机的电源是燃料转化，而单冲程气压发动机的电源则是大气压转化，决定了他们在停止工作过程中仍存在内容上的差别：内燃机的电源关闭后供油系统、点火系统以及包括发动机在内的所有设备都会停止工作，而单冲程气压发动机(或可称之为气压发动机)的电源关闭后，活塞11和机械涡轮14仍然还在不停的工作，需要控制系统来完成关闭发动机的任务。(图5)执行关闭电源开关的操作后，我们看到总控开关21并没有立即断开，这是因为控制电脑19接到了延迟命令后，需要指示中路开关断开电路73并接通电路74，延时器18开始工作，控制电脑19再指示大电磁阀16执行关闭阀门61，由于小电磁阀17c的阀门62在电动涡轮17停止工作后已经关闭，所以当阀门61关闭后排气管25的空气停止流动，气缸体内的空气也会停止流动，活塞11的压力差才会消失、最后包括机械涡轮才会停止工作。控制电脑通过感应器14a接收到机械涡轮14停止工作的信号后会自动断开总控开关21，使中路开关和延时器开关复位如(图4)，整个单冲程气压发动机的控制系统又回复到初始状态。有必要解释：当活塞停止工作后，根据对凸轮轴的设计要求不同，四个气门(7、8、9、10)的水平位置会发生不同的变化，但不论如何变化，其中一个进气门和另一个排气门都会呈打开或半闭合状态，而另外两个气门会处于关闭状态，它们不可能同时打开或关闭。由于气缸体独特的设计，不论气门(7、8、9、10)的位置如何变化，都不会影响单冲程气压发动机的启动。

[0100] 以上就是单冲程气压发动机的原理及其整个运作过程。我们下面给出例子来说明单冲程气压发动机在实践中的完全可行性：通过以上的说明，我们不难理解，在保证单冲程气压发动机持续高效工作的诺干技术环节中，机械涡轮14应当是最具不确定因素的一个重要环节，现有的技术条件下，所有的包括气缸体、活塞、电磁阀、节气门、控制系统等等作为单冲程气压发动机的充要或必备装置中之一种都可以尽善尽美地设计和生产。然而，事实上机械涡轮14也是如此。要证实现有技术条件下机械涡轮14是否拥有足够的能力来匹配单冲程气压发动机的工作，需要以下数据支持就可以了：

[0101] 1、计算出活塞11往复运动一次产生的空气流量；

[0102] 2、计算出活塞11往复运动一次机械涡轮叶轮75旋转的次数。

[0103] 3、实测(或计算)出机械涡轮叶轮75在1000转/分钟时所能吸收或排出的风量大小，即清楚机械涡14是否可以匹配单冲程气压发动机的工作。

[0104] 首先我们计算第1个数据：设(图4)或(图5)中气缸体的气缸半径为10cm，活塞上止点到下止点(气缸高度)为20cm；气缸体3内的进气通道5和排气通道6的截面半径为5cm，高度30cm(这里把开口50和开口51水平面的空气容量一起估算在内)。那么： [0105] 气缸的容积(m3)＝0.1×0.1×3.14×0.2＝0.00628m3

[0106] 气道的容积(m3)＝0.05×0.05×3.14×0.3×2＝0.00471m3

[0107] 因为活塞完成一个往复工作要被排出两次空气，所以，以上总和再乘以2再加上0.00628就是活塞11完成一个往复运动所排出的空气总量：

[0108] (0.00628+0.00471)×2+0.00628＝0.02826m3

[0109] 计算活塞往复运动100次产生的空气总量：

[0110] 0.02826×100＝2.826m3

[0111] 也就是说，我们必须保证所使用或设计的机械涡轮14它的叶轮75旋转1000周时3
能够排出达到或超过3.0m 的空气，否则单冲程气压发动机就无法工作。按本说明给出的增速器15发生的速比1∶10来计算，当发动机1000转/分钟(活塞往复运动的频率)时，就要求机械涡轮叶轮75完成10000转/分钟的工作任务，假如发动机5000转/分钟，机械涡轮叶轮75的转速就要达到50000转/分钟以上，这样高的转速当然会对增速齿轮的要求很高。但问题并不在于叶轮75能转多快，而在于1000转时它能排出多少空气。日常生活中我们使用的如德东小型风机DE190，它的叶轮半径10cm，使用750W/小时功率的电机，转速为
3
2800转/分钟，每分钟能输送接近40m 的风量，这说明按目前的技术能力，如果增速器的增速比设为1∶3的话，机械涡轮采用与DE190同等效果的叶轮工作，单冲程气压发动机就可以持续不断地工作下去，当发动机达到5000转/分钟强度时，机械涡轮的转速也就在15000转/分钟左右，仅消耗掉发动机1％左右的功率，寻常的技术都能办到。自然地，如果我们希望使用更小巧的机械涡轮，就不得不提高它的转速，我们当然也可以放弃使用增速器15而根据自行车原理直接用发动机皮带带动机械涡轮的工作，只要设计得当，提高皮带轮28的速比，让机械涡轮叶轮75达到50000转/分钟乃至100000转/分钟的转速也是完全有可能的，如果这样我们当然可以把机械涡轮的叶轮75做得很小；同理，机械涡轮14的设计，它的大小也要随着单冲程气压发动机所能发出的最大功率的大小不同而变化，不能指望大车用的与小车用的一样，自然，厂区及住宅区发电用的单冲程发动机，它的排气涡轮也不可能与家用发动机的排气涡轮一样大小。以下我们将以汽车为例，简单说明单冲程发动机对交通工具所起的作用及其效果：

[0112] (图14)给出单冲程气压发动机58安装在一台汽车上的俯视平面图，图中看出按气缸直径20cm的设计，恰好是一台四缸、排量为1.3L的内燃机大小，并不会占有太大的空间，反而，我们从(图15)看到，除掉水箱2、排气管40、喷油嘴26、高压包及其点火线56、油箱55后，整车重量会变轻而且更加整洁。如前述气缸直径20cm的单冲程气压发动机其所产生的功率应当大于1.3L内燃发动机，在整备质量减轻的情况下，汽车的动力会有增无减，因此，不论是安全性、舒适性、经济性、动力性能方面，单冲程气压发动机都有完全超越传统内燃发动机的可能。

[0113] 最后，我们还会发现，单冲程气压发动机与内燃机一样很容易地把气缸体组合在一起，两个气缸体3组合就是两个活塞11在工作，动力成倍增加，或一个气缸体内有多个气缸并存，同样可以有单列式，V型和对置式等组合形式。尽管看起来内燃机的气缸要小得多，但是内燃机所附加的设备十分繁杂，当一种发动机没有了冷却系统、不需要点火系统和喷油系统，仅仅是气缸增大并不会导致相同功率的发动机体积变大，设计一个活塞直径为20cm的活塞，仅需要长度为50cm、宽度为30cm的气缸体来容纳，与普通1.3排量的汽车发动机体积相当，功率却更强大，既然取消了水箱，则安装两组气缸体在一台小车上也不成问题，在大车上安装四组中型单冲程气压发动机或两组大型单冲程气压发动机也是非常现实的。

[0114] 综上所述，在现有技术条件下，单冲程气压发动机的研发和生产是完全可以实现的。

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