CN101852092B - 单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动汽车发动机动力系统。原有气动汽车活塞动力系统易磨损、噪声大且链接机构复杂。该系统主要包括作为动力源的高压空气瓶(1)、用于实现控制的调节阀(2)、加热器(3)和单螺杆发动机(4)。其方法特征在于采用单级单螺杆膨胀机或多级单螺杆膨胀机组作为气动发动机，结构简单、噪声低、寿命长、发动机系统链接机构控制简单，输出轴(5)运转连续平稳；单螺杆发动机包括单级膨胀方式和多级膨胀方式，多级系统的联结方式又分为串联形式、并联形式和混联形式，布置方式灵活多样，发动机工作范围适用较广，且易于实现联接和控制。由于本系统所具备的特点，因此将该项发明应用于气动汽车发动机系统具有很大的优势。

Description

单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统

技术领域

本发明涉及一种新型的气动发动机动力系统，属于高新技术汽车动力领域。

背景技术

随着人们生活质量的提高，汽车已经逐步从奢侈品变成了代步工具，这虽然体现了社会的进步，满足了人们在物质上的需求，但同时也使人们陷入了资源有限和环境污染的两大难题。于是，人们已经开始更多地关注如何消除对矿物燃料的依赖，一直渴望着新的“绿色汽车”及汽车绿色能源的出现。

从20世纪30年代以蓄电池作为动力的EV电动车到现在的HEV复合动力电动汽车及代用燃料汽车，汽车用能源的研究与开发从未间断，但各项研究均存在着未能攻克的难题。代用燃料汽车，如天然气汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料燃烧控制困难；电动汽车行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高，但电池驱动的电动汽车受制于车载电池，在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性等方面一时难以达到实用的程度，同时，电池本身也存在严重的二次污染；混合动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放问题，由于有两套动力装置，其驱动和控制系统更复杂；燃料电池电动车可实现零排放，能量转换率高，结构简单，但燃料电池的制造成本比较高，氢气的安全存储、制备和灌装都有许多问题，制约了其发展和实用化。于是，人们期待着一种没有污染、用之不竭的新型汽车动力能源的出现，压缩空气能源正好满足了这种需求。

自1991年法国工程师NEGRE首次提出了气动发动机的概念，由于只用压缩空气为做功介质，对大气环境没有污染，所以立即受到了人们的关注。法、英、美、韩、中等国均开展了相关的研究。但至今为止，国内外所有相关气动汽车的研究基本上都是基于原有传统气缸发动机基础之上的，采用的均为活塞式发动机结构，其技术上尚存在着很大的问题：由于其动力直接来自于物理方法储存的高压空气能量，对气缸的密封性要求高，活塞与汽缸之间的摩擦属于动摩擦，不利于两者之间的密封，在实际应用中，气缸漏气比较严重，造成发动机效率低；往复活塞式压缩空气发动机低速性好，但随着转速升高输出扭矩减小、功率减小、耗气量增大、能量利用率下降；由于往复活塞式压缩空气发动机气缸容积以及车上有限能量的限制，发动机功率小；往复活塞式压缩空气发动机配气机构和减压控制机构的设计不够完善，输送过程中存在着较大的高压空气能量损失。

发明内容

本发明的目的是设计一套适用于气动汽车的高效可行的发动机动力系统，克服原有活塞气动发动机的结构复杂、控制困难的缺点。该系统的特点在于：采用单螺杆膨胀机作为气动发动机(如图1所示)，结构简单、发动机系统链接机构控制简单；由于单螺杆膨胀机选用非金属-金属螺杆星轮转子副，且结构上受力平衡，故具有磨损小、噪声低、寿命长的优点；由于单螺杆膨胀机是一种适用于汽液两相的全流膨胀机，可以适应压缩空气做功过程中因温降产生液滴的工况，效率较高。

本发明设计的气动发动机动力系统包括用作动力源的高压空气瓶1、用于工况控制的调节阀2、加热器3和单螺杆发动机4，其特征为：高压空气瓶1中流出的空气通过调节阀2控制压缩空气的流量和压力达到一定的工况条件后，进入加热器3进行加热，以提高压缩空气的做功温度，增益输出功，之后带压高温空气进入单螺杆发动机4进行膨胀做功，由于单螺杆发动机属于回转容积式膨胀机，随着压缩空气膨胀，带动螺杆运转并通过机械功输出轴5输出机械功，其中，所述单螺杆发动机4为一单螺杆膨胀机，其由一个圆柱螺杆和两个对称配置的平面星轮组成啮合副，装在机壳内，螺杆螺槽、机壳内壁和星轮齿顶面构成封闭的基元容积，运转时，动力传到圆柱螺杆轴上，由圆柱螺杆带动星轮旋转，气体由吸气腔进入螺杆螺槽内，经膨胀后通过气缸上的排气孔口由排气腔排出，当所述平面星轮在螺槽内相对移动时，封闭的基元容积就会逐渐增大，形成气体膨胀做功。同时运转过程中可完成不同螺杆槽道的顺序吸气和排气，工作过程比较连续，做功平稳，易于控制，且配气机构简单。

本发明设计的气动发动机动力系统中，加热器3依然选择现在常用的加热工质，利用高温热水、空气或燃气进行加热，加热器设置肋片进行强化换热，压缩空气借助自身的余压流过加热器来实现流动加热。

本发明设计的气动发动机动力系统中，单螺杆发动机4选用非金属-金属螺杆星轮转子副，振动小，寿命长。其发动机系统可根据实际功率的需求设计为单级膨胀形式或多级膨胀形式，多级膨胀系统可设计为串联、并联或混联等结构，其加热方式可以采用只加热进入首级膨胀机前的压缩空气(即首级加热)和加热进入每级膨胀机前的空气(即分级加热)两种形式，分级加热虽然增加了系统的复杂性，但输出功率较高。

附图说明

图1，单螺杆膨胀机结构简图；

图2，采用首级加热、单级膨胀的新型气动发动机动力系统示意图；

图3，采用首级加热、双级串联膨胀的新型气动发动机动力系统示意图；

图4，采用分级加热、三级串联膨胀的新型气动发动机动力系统示意图；

附图中标号说明如下：

1高压空气瓶组；2调节阀；3加热器；4单螺杆发动机；5机械功输出轴。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合优选实施例对本发明的技术方案进一步详细说明。

本发明公开的气动发动机动力系统，尤其适用于短途交通工具，本发明采用单级单螺杆膨胀机或多级单螺杆膨胀机组作为气动发动机。如图1所示为单螺杆膨胀机结构简图，它由一个圆柱螺杆和两个对称配置的平面星轮组成啮合副，装在机壳内，螺杆螺槽、机壳内壁和星轮齿顶面构成封闭的基元容积。运转时，动力传到螺杆轴上，由螺杆带动星轮旋转，气体由吸气腔进入螺槽内，经膨胀后通过气缸上的排气孔口由排气腔排出，星轮的作用相当于往复式膨胀机的活塞，当星轮在螺槽内相对移动时，封闭的基元容积就会逐渐增大，形成气体膨胀做功。

本发明公开的气动发动机动力系统，具体实施方式为：以通过车载强度实验的碳纤维高压空气瓶作为动力源，气瓶出口处设置调节阀进行压力和流量的控制，使之满足实际的工况要求，其压力主要根据单螺杆膨胀机的膨胀比来确定，膨胀比越大，调节阀所控制的压力则越高，而流量主要根据发动机的功率需求而定，功率越大，所要求的质量流量也越大，为了提高压缩空气的做功能力，进行膨胀前需通过加热器加热，这里的加热方式比较自如，可采用现有的热水加热、空气加热、燃气加热方法。根据绝热膨胀做功过程分析，单螺杆膨胀机的膨胀比越大，有限车载容积的压缩空气所产生的续航里程越长，而实际上由于机械工艺的限制，单级单螺杆膨胀机的膨胀比不可能太大，因此，为了满足大功率发动机的需求，单螺杆发动机需采用多级膨胀的形式，经初步理论分析，对于采用首级加热时，当多级膨胀的级数超过2时，输出功增加的并不多，反而结构复杂，而对于采用分级加热时，3级膨胀为最佳。多级膨胀系统中单螺杆膨胀机间的联接方式有串联、并联和混联三种形式。因而针对不同的发动机需求，具体实施方案也有所不同，下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施方案1

方案系统参见图2，本实施例采用单级膨胀机形式，加热方式可选用热水加热、空气加热、燃气加热方法，该系统装置比较简单，主要应用于体积小、质量轻、功率小的车用发动机中。

该气动发动机动力系统包括用作动力源的高压空气瓶1、用于工况控制的调节阀2、加热器3和单螺杆发动机4，高压空气瓶1中流出的空气通过调节阀2控制压缩空气的流量和压力达到预定的工况条件后，进入加热器3进行加热，以提高压缩空气的做功温度，增益输出功，之后带压高温空气进入单螺杆发动机4进行膨胀做功，通过机械功输出轴5输出机械功。

实施方案2

方案系统参见图3，本实施例的系统采用双级膨胀、首级加热的形式，加热方式可选用热水加热、空气加热、燃气加热方法。由于在不同的加热温度下双级系统具有最优的膨胀比，故需选择相应最优膨胀比匹配的单螺杆膨胀机。双级膨胀做功，可提高总膨胀比，增大功率输出，两级膨胀机的联接方式设计为串联形式，即利用第一级膨胀机的排气作为第二级膨胀机的进气，且实现同轴输出，使结构更紧凑，易于控制，该系统方案主要应用于中等功率的发动机。

该气动发动机动力系统包括用作动力源的高压空气瓶1、用于工况控制的调节阀2、加热器3和单螺杆发动机4，高压空气瓶1中流出的空气通过调节阀2控制压缩空气的流量和压力达到预定的工况条件后，进入加热器3进行加热，以提高压缩空气的做功温度，增益输出功，之后带压高温空气依次进入由两级单螺杆膨胀机组成的气动发动机4中进行膨胀做功，前一级膨胀机的排气作为下一级膨胀机的进气，且两级膨胀机实现同轴联接，共同通过机械功输出轴5输出机械功。

实施方案3

方案系统参见图4，本实施例的系统采用三级膨胀、分级加热的形式，加热方式可选用热水加热、空气加热、燃气加热方法。考虑级间分配问题，需选择最优的三级膨胀比匹配，且为了提高工作效率，压缩空气进入每一级膨胀机前均进行加热，即实现分级加热的方式。该系统方案可实现较大的功率输出，适用于较大功率的汽车发动机中。

该气动发动机动力系统包括用作动力源的高压空气瓶1、用于工况控制的调节阀2、加热器3和单螺杆发动机4，高压空气瓶1中流出的空气通过调节阀2控制压缩空气的流量和压力达到预定的工况条件后，进入加热器3进行加热，以提高压缩空气的做功温度，增益输出功，之后带压高温空气依次进入由三级单螺杆膨胀机组成的气动发动机4中进行膨胀做功，做功过程为：带压高温空气首先在第一级膨胀机中膨胀做功，在膨胀过程中由于产生温降，因此由第一级膨胀机排出的空气将进入加热器3进一步进行加热后，再作为第二级膨胀机的进气进行再次膨胀做功，排气仍然通过加热器3进行加热后再作为第三级膨胀机的进气。采用串联方式实现三级膨胀做功，输出功设计为同轴形式，共同通过机械功输出轴5输出机械功。

应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替代或等效变换等形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，采用单螺杆膨胀机代替了现有的活塞式气动发动机，所述气动汽车发动机动力系统包括高压空气瓶(1)、调节阀(2)、加热器(3)、单螺杆发动机(4)和机械功输出轴(5)，其特征在于：

装有高压空气的高压空气瓶(1)作为动力源，所述高压空气瓶(1)中流出的空气通过调节阀(2)控制压缩空气的流量和压力达到预定的工况条件后，进入加热器(3)进行加热，以提高压缩空气的做功温度，增益输出功，之后带压高温空气进入单螺杆发动机(4)进行膨胀做功，带动螺杆运转并通过机械功输出轴(5)输出机械功；

其中，所述单螺杆发动机(4)为一单螺杆膨胀机，其由一个圆柱螺杆和两个对称配置的平面星轮组成啮合副，装在机壳内，螺杆螺槽、机壳内壁和星轮齿顶面构成封闭的基元容积，运转时，动力传到圆柱螺杆轴上，由圆柱螺杆带动星轮旋转，气体由吸气腔进入螺杆螺槽内，经膨胀后通过气缸上的排气孔口由排气腔排出，当所述平面星轮在螺槽内相对移动时，封闭的基元容积就会逐渐增大，形成气体膨胀做功。

2.根据权利要求1所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，其特征在于：

所述的单螺杆发动机优选非金属-金属螺杆星轮转子副。

3.根据权利要求2所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，其特征在于：

所述单螺杆发动机采用单级膨胀或多级膨胀的形式。

4.根据权利要求3所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，其特征在于：

采用多级膨胀单螺杆发动机的级间联结方式包括串联、并联或混联三种形式。

5.根据权利要求4所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，其特征在于：

所述加热器(3)对所述单螺杆发动机(4)的加热方式采用首级加热或分级加热方式。

6.根据权利要求5所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，其特征在于：

当采用分级加热方式时，所述单螺杆发动机(4)优选3级膨胀；当采用首级加热方式时，所述单螺杆发动机(4)的多级膨胀级数优选不超过2级。

7.根据权利要求1所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，其特征在于：

所述的加热器(3)采用热水加热、空气加热或燃气加热的方式。

8.根据权利要求7所述的单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统，，其特征在于：

所述加热器(3)对所述单螺杆发动机(4)的加热方式采用首级加热和分级加热方式。

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