專利名稱：單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種新型的氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)，屬于高新技術(shù)汽車動力領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人們生活質(zhì)量的提高，汽車已經(jīng)逐步從奢侈品變成了代步工具，這雖然體現(xiàn) 了社會的進步，滿足了人們在物質(zhì)上的需求，但同時也使人們陷入了資源有限和環(huán)境污染 的兩大難題。于是，人們已經(jīng)開始更多地關(guān)注如何消除對礦物燃料的依賴，一直渴望著新的 “綠色汽車”及汽車綠色能源的出現(xiàn)。從20世紀30年代以蓄電池作為動力的EV電動車到現(xiàn)在的HEV復(fù)合動力電動汽 車及代用燃料汽車，汽車用能源的研究與開發(fā)從未間斷，但各項研究均存在著未能攻克的 難題。代用燃料汽車，如天然氣汽車、醇類汽車、二甲醚汽車等仍然有排放污染和熱效應(yīng)，有 些燃料還有毒性，有些燃料燃燒控制困難；電動汽車行駛中無污染排放、噪聲低、能量轉(zhuǎn)換 效率高，但電池驅(qū)動的電動汽車受制于車載電池，在比功率、循環(huán)壽命、充放電性能、造價和 安全性等方面一時難以達到實用的程度，同時，電池本身也存在嚴重的二次污染；混合動力 電動車具有電池電動車和內(nèi)燃機汽車的優(yōu)點，但仍存在排放問題，由于有兩套動力裝置，其 驅(qū)動和控制系統(tǒng)更復(fù)雜；燃料電池電動車可實現(xiàn)零排放，能量轉(zhuǎn)換率高，結(jié)構(gòu)簡單，但燃料 電池的制造成本比較高，氫氣的安全存儲、制備和灌裝都有許多問題，制約了其發(fā)展和實用 化。于是，人們期待著一種沒有污染、用之不竭的新型汽車動力能源的出現(xiàn)，壓縮空氣能源 正好滿足了這種需求。自1991年法國工程師NEGRE首次提出了氣動發(fā)動機的概念，由于只用壓縮空氣為 做功介質(zhì)，對大氣環(huán)境沒有污染，所以立即受到了人們的關(guān)注。法、英、美、韓、中等國均開展 了相關(guān)的研究。但至今為止，國內(nèi)外所有相關(guān)氣動汽車的研究基本上都是基于原有傳統(tǒng)氣 缸發(fā)動機基礎(chǔ)之上的，采用的均為活塞式發(fā)動機結(jié)構(gòu)，其技術(shù)上尚存在著很大的問題由于 其動力直接來自于物理方法儲存的高壓空氣能量，對氣缸的密封性要求高，活塞與汽缸之 間的摩擦屬于動摩擦，不利于兩者之間的密封，在實際應(yīng)用中，氣缸漏氣比較嚴重，造成發(fā) 動機效率低；往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動機低速性好，但隨著轉(zhuǎn)速升高輸出扭矩減小、功率減 小、耗氣量增大、能量利用率下降；由于往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動機氣缸容積以及車上有限 能量的限制，發(fā)動機功率??；往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動機配氣機構(gòu)和減壓控制機構(gòu)的設(shè)計 不夠完善，輸送過程中存在著較大的高壓空氣能量損失。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是設(shè)計一套適用于氣動汽車的高效可行的發(fā)動機動力系統(tǒng)，克 服原有活塞氣動發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難的缺點。該系統(tǒng)的特點在于采用單螺桿膨脹 機作為氣動發(fā)動機(如圖1所示)，結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)動機系統(tǒng)鏈接機構(gòu)控制簡單；由于單螺桿 膨脹機選用非金屬一金屬螺桿星輪轉(zhuǎn)子副，且結(jié)構(gòu)上受力平衡，故具有磨損小、噪聲低、壽 命長的優(yōu)點；由于單螺桿膨脹機是一種適用于汽液兩相的全流膨脹機，可以適應(yīng)壓縮空氣做功過程中因溫降產(chǎn)生液滴的工況，效率較高。本實用新型設(shè)計的氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)包括用作動力源的高壓空氣瓶1、用于工 況控制的調(diào)節(jié)閥2、加熱器3和單螺桿發(fā)動機4，其特征為高壓空氣瓶1中流出的空氣通過 調(diào)節(jié)閥2控制壓縮空氣的流量和壓力達到一定的工況條件后，進入加熱器3進行加熱，以提 高壓縮空氣的做功溫度，增益輸出功，之后帶壓高溫空氣進入單螺桿發(fā)動機4進行膨脹做 功，由于單螺桿發(fā)動機屬于回轉(zhuǎn)容積式膨脹機，隨著壓縮空氣膨脹，帶動螺桿運轉(zhuǎn)并通過機 械功輸出軸5輸出機械功，同時運轉(zhuǎn)過程中可完成不同螺桿槽道的順序吸氣和排氣，工作 過程比較連續(xù)，做功平穩(wěn)，易于控制，且配氣機構(gòu)簡單。本實用新型設(shè)計的氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)中，加熱器3依然選擇現(xiàn)在常用的加熱工 質(zhì)，利用高溫熱水、空氣或燃氣進行加熱，加熱器設(shè)置肋片進行強化換熱，壓縮空氣借助自 身的余壓流過加熱器來實現(xiàn)流動加熱。本實用新型設(shè)計的氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)中，單螺桿發(fā)動機4選用非金屬一金屬螺 桿星輪轉(zhuǎn)子副，振動小，壽命長。其發(fā)動機系統(tǒng)可根據(jù)實際功率的需求設(shè)計為單級膨脹形式 或多級膨脹形式，多級膨脹系統(tǒng)可設(shè)計為串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)等結(jié)構(gòu)，其加熱方式可以采用只 加熱進入首級膨脹機前的壓縮空氣(即首級加熱)和加熱進入每級膨脹機前的空氣(即分 級加熱)兩種形式，分級加熱雖然增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，但輸出功率較高。

圖1，單螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)簡圖；圖2，采用首級加熱、單級膨脹的新型氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)示意圖；圖3，采用首級加熱、雙級串聯(lián)膨脹的新型氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)示意圖；圖4，采用分級加熱、三級串聯(lián)膨脹的新型氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)示意圖；附圖中標號說明如下1高壓空氣瓶組；2調(diào)節(jié)閥；3加熱器；4單螺桿發(fā)動機；5—機械功輸出軸。
具體實施方式
下面根據(jù)說明書附圖并結(jié)合優(yōu)選實施例對本實用新型的技術(shù)方案進一步詳細說 明。本實用新型公開的氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)，尤其適用于短途交通工具，本實用新型 采用單級單螺桿膨脹機或多級單螺桿膨脹機組作為氣動發(fā)動機。如圖1所示為單螺桿膨脹 機結(jié)構(gòu)簡圖，它由一個圓柱螺桿和兩個對稱配置的平面星輪組成嚙合副，裝在機殼內(nèi)，螺桿 螺槽、機殼內(nèi)壁和星輪齒頂面構(gòu)成封閉的基元容積。運轉(zhuǎn)時，動力傳到螺桿軸上，由螺桿帶 動星輪旋轉(zhuǎn)，氣體由吸氣腔進入螺槽內(nèi)，經(jīng)膨脹后通過氣缸上的排氣孔口由排氣腔排出，星 輪的作用相當于往復(fù)式膨脹機的活塞，當星輪在螺槽內(nèi)相對移動時，封閉的基元容積就會 逐漸增大，形成氣體膨脹做功。本實用新型公開的氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)，具體實施方式
為以通過車載強度實驗 的碳纖維高壓空氣瓶作為動力源，氣瓶出口處設(shè)置調(diào)節(jié)閥進行壓力和流量的控制，使之滿 足實際的工況要求，其壓力主要根據(jù)單螺桿膨脹機的膨脹比來確定，膨脹比越大，調(diào)節(jié)閥所 控制的壓力則越高，而流量主要根據(jù)發(fā)動機的功率需求而定，功率越大，所要求的質(zhì)量流量也越大，為了提高壓縮空氣的做功能力，進行膨脹前需通過加熱器加熱，這里的加熱方式比 較自如，可采用現(xiàn)有的熱水加熱、空氣加熱、燃氣加熱方法。根據(jù)絕熱膨脹做功過程分析，單 螺桿膨脹機的膨脹比越大，有限車載容積的壓縮空氣所產(chǎn)生的續(xù)航里程越長，而實際上由 于機械工藝的限制，單級單螺桿膨脹機的膨脹比不可能太大，因此，為了滿足大功率發(fā)動機 的需求，單螺桿發(fā)動機需采用多級膨脹的形式，經(jīng)初步理論分析，對于采用首級加熱時，當 多級膨脹的級數(shù)超過2時，輸出功增加的并不多，反而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而對于采用分級加熱時，3 級膨脹為最佳。多級膨脹系統(tǒng)中單螺桿膨脹機間的聯(lián)接方式有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種形式。 因而針對不同的發(fā)動機需求，具體實施方案也有所不同，
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新 型的優(yōu)選實施例。實施方案1方案系統(tǒng)參見圖2，本實施例采用單級膨脹機形式，加熱方式可選用熱水加熱、空 氣加熱、燃氣加熱方法，該系統(tǒng)裝置比較簡單，主要應(yīng)用于體積小、質(zhì)量輕、功率小的車用發(fā) 動機中。該氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)包括用作動力源的高壓空氣瓶1、用于工況控制的調(diào)節(jié)閥 2、加熱器3和單螺桿發(fā)動機4，高壓空氣瓶1中流出的空氣通過調(diào)節(jié)閥2控制壓縮空氣的流 量和壓力達到預(yù)定的工況條件后，進入加熱器3進行加熱，以提高壓縮空氣的做功溫度，增 益輸出功，之后帶壓高溫空氣進入單螺桿發(fā)動機4進行膨脹做功，通過機械功輸出軸5輸出 機械功。實施方案2方案系統(tǒng)參見圖3，本實施例的系統(tǒng)采用雙級膨脹、首級加熱的形式，加熱方式可 選用熱水加熱、空氣加熱、燃氣加熱方法。由于在不同的加熱溫度下雙級系統(tǒng)具有最優(yōu)的膨 脹比，故需選擇相應(yīng)最優(yōu)膨脹比匹配的單螺桿膨脹機。雙級膨脹做功，可提高總膨脹比，增 大功率輸出，兩級膨脹機的聯(lián)接方式設(shè)計為串聯(lián)形式，即利用第一級膨脹機的排氣作為第 二級膨脹機的進氣，且實現(xiàn)同軸輸出，使結(jié)構(gòu)更緊湊，易于控制，該系統(tǒng)方案主要應(yīng)用于中 等功率的發(fā)動機。該氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)包括用作動力源的高壓空氣瓶1、用于工況控制的調(diào)節(jié)閥 2、加熱器3和單螺桿發(fā)動機4，高壓空氣瓶1中流出的空氣通過調(diào)節(jié)閥2控制壓縮空氣的流 量和壓力達到預(yù)定的工況條件后，進入加熱器3進行加熱，以提高壓縮空氣的做功溫度，增 益輸出功，之后帶壓高溫空氣依次進入由兩級單螺桿膨脹機組成的氣動發(fā)動機4中進行膨 脹做功，前一級膨脹機的排氣作為下一級膨脹機的進氣，且兩級膨脹機實現(xiàn)同軸聯(lián)接，共同 通過機械功輸出軸5輸出機械功。實施方案3方案系統(tǒng)參見圖4，本實施例的系統(tǒng)采用三級膨脹、分級加熱的形式，加熱方式可 選用熱水加熱、空氣加熱、燃氣加熱方法?？紤]級間分配問題，需選擇最優(yōu)的三級膨脹比匹 配，且為了提高工作效率，壓縮空氣進入每一級膨脹機前均進行加熱，即實現(xiàn)分級加熱的方 式。該系統(tǒng)方案可實現(xiàn)較大的功率輸出，適用于較大功率的汽車發(fā)動機中。該氣動發(fā)動機動力系統(tǒng)包括用作動力源的高壓空氣瓶1、用于工況控制的調(diào)節(jié)閥 2、加熱器3和單螺桿發(fā)動機4，高壓空氣瓶1中流出的空氣通過調(diào)節(jié)閥2控制壓縮空氣的流 量和壓力達到預(yù)定的工況條件后，進入加熱器3進行加熱，以提高壓縮空氣的做功溫度，增益輸出功，之后帶壓高溫空氣依次進入由三級單螺桿膨脹機組成的氣動發(fā)動機4中進行膨 脹做功，做功過程為帶壓高溫空氣首先在第一級膨脹機中膨脹做功，在膨脹過程中由于產(chǎn) 生溫降，因此由第一級膨脹機排出的空氣將進入加熱器3進一步進行加熱后，再作為第二 級膨脹機的進氣進行再次膨脹做功，排氣仍然通過加熱器3進行加熱后再作為第三級膨脹 機的進氣。采用串聯(lián)方式實現(xiàn)三級膨脹做功，輸出功設(shè)計為同軸形式，共同通過機械功輸出 軸5輸出機械功。 應(yīng)當理解，上述實施例不以任何形式限定本實用新型，凡采用等同替代或等效變 換等形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，采用單螺桿膨脹機代替了現(xiàn)有的活 塞式氣動發(fā)動機，所述氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)包括高壓空氣瓶(1)、調(diào)節(jié)閥(2)、加熱器 (3)、單螺桿發(fā)動機(4)和機械功輸出軸(5)，其特征在于裝有高壓空氣的高壓空氣瓶(1)作為動力源，所述高壓空氣瓶(1)中流出的空氣通過 調(diào)節(jié)閥(2)控制壓縮空氣的流量和壓力達到預(yù)定的工況條件后，進入加熱器(3)進行加熱， 之后帶壓高溫空氣進入單螺桿發(fā)動機(4)進行膨脹做功，帶動螺桿運轉(zhuǎn)并通過機械功輸出 軸(5)輸出機械功。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于所述 的單螺桿發(fā)動機優(yōu)選非金屬_金屬螺桿星輪轉(zhuǎn)子副。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于所述 單螺桿發(fā)動機采用單級膨脹或多級膨脹的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于采用 多級膨脹單螺桿發(fā)動機的級間聯(lián)結(jié)方式包括串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)三種形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于所述 加熱器(3)對所述單螺桿發(fā)動機(4)的加熱方式采用首級加熱或分級加熱方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于當采 用分級加熱方式時，所述單螺桿發(fā)動機(4)優(yōu)選3級膨脹；當采用首級加熱方式時，所述單 螺桿發(fā)動機(4)的多級膨脹級數(shù)優(yōu)選不超過2級。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于所述 的加熱器(3)采用熱水加熱、空氣加熱或燃氣加熱的方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單螺桿膨脹機氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)，其特征在于所述 加熱器(3)對所述單螺桿發(fā)動機(4)的加熱方式采用首級加熱或分級加熱方式。
專利摘要本實用新型公開了一種氣動汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)。原有氣動汽車活塞動力系統(tǒng)易磨損、噪聲大且鏈接機構(gòu)復(fù)雜。該系統(tǒng)主要包括作為動力源的高壓空氣瓶(1)、用于實現(xiàn)控制的調(diào)節(jié)閥(2)、加熱器(3)和單螺桿發(fā)動機(4)。其方法特征在于采用單級單螺桿膨脹機或多級單螺桿膨脹機組作為氣動發(fā)動機，結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、壽命長、發(fā)動機系統(tǒng)鏈接機構(gòu)控制簡單，輸出軸(5)運轉(zhuǎn)連續(xù)平穩(wěn)；單螺桿發(fā)動機包括單級膨脹方式和多級膨脹方式，多級系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)方式又分為串聯(lián)形式、并聯(lián)形式和混聯(lián)形式，布置方式靈活多樣，發(fā)動機工作范圍適用較廣，且易于實現(xiàn)聯(lián)接和控制。由于本系統(tǒng)所具備的特點，因此將該項實用新型應(yīng)用于氣動汽車發(fā)動機系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢。
文檔編號F01C1/18GK201778838SQ20102016862
公開日2011年3月30日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者何為, 吳玉庭, 馬重芳 申請人:馬重芳