CN102094727A - 压缩空气发动机及优化集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种压缩空气发动机及优化集成系统，其包括发动机组件、容积式热交换器、全预混红外辐射快速加热炉、减压阀、减压罐、恒定气体分配器、回气收集罐/出口及配件。本发明的压缩空气发动机及优化集成系统具有结构简单合理、压缩空气能量利用高、补充燃料发挥完善、等温膨胀释放彻底、安全便于操作、应用范围广、造价低等综合优势。

Description

压缩空气发动机及优化集成系统

技术领域

本发明涉及一种动能转换装置，特别涉及一种压缩空气发动机与可燃气体发动机优化组合系统集成技术，具体的涉及一种以压缩空气为工质，可燃气体作为补充热源，为代步工具和需要动力的目标客体提供动力的高清洁、低排放动能转换装置。

背景技术

自1991年法国设计师Guy Négre受到F1方程式赛车发动机设计的启发，提出了压缩空气发动机的概念，至今已有20年。在这20年中，在世界范围内，如美国Roger Lee，荷兰国际汽车研究中心、奥地利、欧洲等一些发达国家及印度，均陆续进行研究探索。我国2004年开始在浙江杭州大学、上海同济大学、江苏大学、安徽合肥大学、清华大学国家重点实验室展开研究探讨。但其根本技术均未能跨越法国设计师Guy Négre的技术领域。印度TaTa汽车制造商则是沿用了该技术生产了样车，但此技术结构复杂，产品价格高。

在21世纪的今天，国强民富逐步变为现实，汽车已从原来的奢侈品成了必不可少的代步工具。但越来越多的汽车投放市场后所带来的弊端也显而易见，比如越来越多的气体的排放造成了越来越严重的环境污染。因此，环保的“绿色零污染汽车”成为了新型汽车设计的基本理念，而“绿色零污染汽车”的心脏-发动机，是重中之重。

目前，尽管已出现了活塞式或叶片式压缩空气发动机的技术，但综合起来看，均存在不同程度的缸体容积晋级扩容不足，而叶片式压缩空气发动机还存在截面差小、阻力大、共同存在密封性能设置欠妥，能量利用率低等诸多问题。

鉴于上述存在的问题及市场要求新能源汽车的呼声，迫切需要开发一种结构简单、效能高、低碳环保、续航能力强的车载压缩空气发动机。这种新型专职发动机，完全符合国家产业调整政策和可持续发展战略，必定成为未来低碳汽车市场的领军产品，受到广大消费者的青睐恩宠。

发明内容

本发明目的是提供一种压缩空气发动机及优化集成系统，其最大的特点是：结构简单合理、压缩空气能量利用高、补充燃料发挥完善、等温膨胀释放彻底、安全便于操作、应用范围广、造价低等综合优势。

本发明的一种压缩空气发动机及优化集成系统是采用以下技术方案实现的。一种压缩空气发动机及优化集成系统包括发动机组件、容积式热交换器、全预混红外辐射快速加热炉、减压阀、减压罐、恒定气体分配器、回气收集罐/出口及配件。

如上所述，其中发动机组件采用外壳体、缸体、动力轴、关节形气体靶、气体靶基座、滚动式靶头、封头、封盖、轴封组件、气体进口、气体出口及配件组成；复合抛物面缸体套装在外壳体内；关节形气体靶一端与气体靶基座采用销钉活动连接，另一端安装有滚动式靶头；组装好的关节形气体靶、气体靶基座、滚动式靶头组件套装在动力轴上；轴封组件包括轴承、轴封上本体、轴封下本体、单向半圆插片以及螺钉；动力轴上设置有凸槽，轴封上本体、轴封下本体、上设置有凹槽和单向半圆插片；轴承固定在动力轴两端适当位置；封头密封固定在动力轴一端；封盖套装密封固定在轴封组件内侧；压缩空气发动机周向设置有气体进口和气体出口。

进一步的，所述容积式热交换器包括圆筒状筒体、螺旋热片、U型弯头及固定元件；U形弯头焊接固定在圆筒状筒体两端；螺旋热片滚焊在筒体周围；组装好的容积式热交换器采用固定元件固定在外壳体上。

进一步的，所述全预混红外辐射快速加热炉是采用包括以下零部件组合完成的：保温炉筒、保温顶盖、封盖、导流腔、工作流体出口、红外反射板、红外发射器、尾烟管/出口、红外透视墙、燃烧器、燃烧器基座、全预混点火腔、燃料管/进口、保温基座、工作流体进口、螺旋形螺旋热片管、红外吸收涂层、温度传感器，压力传感器，流量传感器，流速传感器等传感元件及螺钉，螺帽，密封垫/圈及配件。燃料管/进口与全预混点火腔制成一体；燃烧器固定在燃烧器基座上；燃料管/进口、全预混点火腔、燃烧器、燃烧器基座按序套装固定在保温基座空腔内；红外发射器两端采用内盖密封，向下一端开有便于燃烧器喷射头进入的孔，另一端径向设置有导流腔；组装好的红外发射器固定安装在燃烧器基座上；红外透视墙两端采用金属Y型夹固定，分别固定在燃烧器基座上和上端封盖内侧一面；红外透视墙与红外反射板之间的腔体内安装有螺旋形螺旋热片管；螺旋形螺旋热片管穿过保温炉筒分别密封固定在工作流体进口和工作流体出口上；红外反射板设置在保温炉筒周壁；保温顶盖用扣件或螺钉密封固定在保温炉筒上；而保温炉筒通过法兰和保温基座上的法兰对接，用螺钉密封固定成一体；在保温炉筒和红外反射板上靠近燃烧器基座处开有尾烟管/出口，并安装有尾烟管；螺旋形螺旋热片管上喷涂有红外吸收涂层；温度传感器设置在工作流体出口、红外反射板与红外发射器之间的腔体内；温度、压力、流量、流速等传感元件设置在燃料管/进口、全预混点火腔体内。

进一步的，所述减压阀安装在减压罐上；减压罐固定在发动机外壳体上；恒定气体分配器密封固定在发动机外壳体气体进口上；回气收集罐/出口密封焊接在气体出口上，便于对做功后的压缩空气进行回收利用。

进一步的，配件：螺钉、螺帽等其他专用配件及传感器均设置在必要的位置上。

更进一步的，所述的发动机组件采用缸体、外壳体、动力轴、关节形气体靶、气体靶基座、滚动式靶头、气体进口、气体出口、封头、封盖、轴封组件及配件组成。压缩空气发动机主要为单级使用，但也可根据需要采用同轴多级串联套装在一个外壳体内，或多轴单级串联使用。关节形气体靶制成曲臂式，向前向后均有限位，可起到强力的杠杆作用及动态限位作用。

更进一步的，所述的全预混红外辐射快速加热的红外透视墙采用耐高温烧杯级玻璃；红外反射器为镜面不锈钢薄板制成。

所述的螺旋形螺旋热片管可采用两组或三组，也可使用金属管缠绕成不同直径的螺旋体同心排放组成两回程或三回程(此时应弃用红外透视墙)，并由上一组出口对接下一组进口滚焊密封，免液漏。也可采用金属管及螺旋形螺旋热片管混合配置。

更进一步的，所述的容积式热交换器是采用多组耐高温、耐高压，采用U形弯头相连、并在周身设置有金属螺旋吸热翅片的圆形、方形、扁方形、椭圆形罐体，根据吸热需要设置罐体直径为50mm-300mm、长度为300mm-1000mm，并在罐体外表面、螺旋吸热翅片上喷涂有太阳能吸热涂层，充分利用太阳能加热压缩空气。

更进一步的，所述的恒定气体分配器为耐高压罐状体，包括气体流量、气体流速、温度测定仪、气体喷射器以及控制阀。恒定气体分配器是为了配合压缩空气红外加热器加热后的空气进入缸体做功特设的器具。

更进一步的，所述的回气收集罐/出口采用耐高压1.5Mpa-3Mpa的金属圆管或异型管制成。一头密封，另一头设置有连接口。

更进一步的，所述的轴封组件采用轴封本体，在本体上制作有多条凹槽并与单向半圆插片、轴承、轴封上本体、轴封下本体、通过固定螺钉密封固定。采用此方法密封有利于和中心梯级轴上的凸台组合成活动密封体。

更进一步的，所述的燃料采用清洁燃油、天然气、沼气、甲醇、乙醇、二甲醚和各种生物质气化气体。

更进一步的，所述的压缩空气采用清洁环境空气经压缩机加压到15Mpa-35Mpa，而通过减压阀存储在减压罐内的压力为1.5Mpa-4Mpa。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：

图1为本发明的一种压缩空气发动机及系统集成揭盖图；

图2为图1的A-A面的剖面图；

图3为图1所示的本发明的一种压缩空气发动机及系统集成的全预混红外辐射快速加热炉的B-B剖面图。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明的一个实施例的一种压缩空气发动机及优化集成系统包括发动机组件、容积式热交换器2、全预混红外辐射快速加热炉1、减压阀6、减压罐7、恒定气体分配器13、回气收集罐/出口8及配件。

其中，所述发动机组件包括外壳体4、缸体10、动力轴12、关节形气体靶3、气体靶基座11、滚动式靶头9、封头18、封盖16、轴封组件、气体进口、气体出口及配件。所述缸体10为复合抛物面缸体10，套装在外壳体4内；关节形气体靶3一端与气体靶基座11采用销钉活动连接，另一端安装有滚动式靶头9；组装好的关节形气体靶3、气体靶基座11、滚动式靶头9组件套装在动力轴12上；轴封组件包括轴承17、轴封上本体15、轴封下本体36、单向半圆插片14以及螺钉；动力轴12上设置有凸槽，轴封上本体15、轴封下本体36上设置有凹槽和单向半圆插片14；轴承17固定在动力轴12两端适当位置；封头18密封固定在动力轴12一端；封盖16套装密封固定在轴封组件15内侧；压缩空气发动机周向设置有气体进口和气体出口。

所述容积式热交换器2包括圆筒状筒体、螺旋热片、U型弯头5以及固定元件；U形弯头5焊接固定在圆筒状筒体两端；螺旋热片滚焊在筒体周围；组装好的容积式热交换器2采用固定元件固定在外壳体4上。

如图3所示，所述全预混红外辐射快速加热炉1包括保温炉筒19、保温顶盖20、封盖16、导流腔33、工作流体出口29、红外反射板32、红外发射器23、尾烟管/出口21、红外透视墙24、燃烧器26、燃烧器基座34、全预混点火腔25、燃料管/进口27、保温基座31、工作流体进口28、螺旋形螺旋热片管30、红外吸收涂层35、温度传感器，压力传感器，流量传感器，流速传感器等传感元件及螺钉，螺帽，密封垫/圈及配件。燃料管/进口27与全预混点火腔25制成一体；燃烧器26固定在燃烧器基座34上；燃料管/进口27、全预混点火腔25、燃烧器26、燃烧器基座34按序套装固定在保温基座31空腔内；红外发射器23两端采用内盖22密封，向下一端开有便于燃烧器26喷射头进入的孔，另一端径向设置有导流腔33；组装好的红外发射器23固定安装在燃烧器基座34上；红外透视墙24两端采用金属Y型夹固定，分别固定在燃烧器基座34上和上端封盖16内侧一面；红外透视墙24与红外反射板32之间的腔体内安装有螺旋形螺旋热片管30；螺旋形螺旋热片管30穿过保温炉筒19分别密封固定在工作流体进口28和工作流体出口29上；红外反射板32设置在保温炉筒19周壁；保温顶盖20用扣件或螺钉密封固定在保温炉筒19上；而保温炉筒19通过法兰和保温基座31上的法兰对接，用螺钉密封固定成一体；在保温炉筒19和红外反射板32上靠近燃烧器基座34处开有尾烟管21/出口，并安装有尾烟管21；螺旋形螺旋热片管30上喷涂有红外吸收涂层35；温度传感器设置在工作流体出口29、红外反射板32与红外发射器23之间的腔体内；温度传感器、压力传感器、流量传感器、流速传感器等传感元件设置在燃料管/进口27、全预混点火腔25体内。

另外，减压阀6安装在减压罐7上；减压罐7固定在发动机外壳体4上；恒定气体分配器13密封固定在发动机外壳体4气体进口上；回气收集罐/出口8密封焊接在气体出口上，便于对做功后的压缩空气进行回收利用。

配件：螺钉、螺帽等其他专用配件及传感器均设置在必要的位置上。

所述的发动机组件包括缸体10、外壳体4、动力轴12、关节形气体靶3、气体靶基座11、滚动式靶头9、气体进口、气体出口、封头18、封盖16、轴封组件15及配件组成。压缩空气发动机主要为单级使用，但也可根据需要采用同轴多级串联套装在一个外壳体内，或多轴单级串联使用。关节形气体靶3制成曲臂式，向前向后均有限位，可起到强力的杠杆作用及动态限位作用。

所述的全预混红外辐射快速加热炉1中的红外透视墙24采用耐高温烧杯级玻璃；红外反射器32为镜面不锈钢薄板制成。

所述的螺旋形螺旋热片管30可采用两组或三组，也可使用金属管缠绕成不同直径的螺旋体同心排放组成两回程或三回程(此时应弃用红外透视墙)，并由上一组出口对接下一组进口滚焊密封，免液漏。也可采用金属管及螺旋形螺旋热片管30混合配置。

所述的容积式热交换器2是采用多组耐高温、耐高压，采用U形弯头相连、并在周身设置有金属螺旋吸热翅片的圆形、方形、扁方形、椭圆形罐体，根据吸热需要设置筒体直径为50mm-300mm、长度为300mm-1000mm，并在筒体外表面、螺旋吸热翅片上喷涂有太阳能吸热涂层，充分利用太阳能加热压缩空气。

所述的恒定气体分配器13为耐高压罐状体，并包括气体流量、气体流速、温度测定仪、气体喷射器以及控制阀。恒定气体分配器13是为了配合全预混红外辐射快速加热炉1加热后的空气进入缸体10做功特设的器具。

所述的回气收集罐/出口8采用耐高压1.5Mpa-3Mpa的金属圆管或异型管制成。一头密封，另一头设置有连接口。

所述的轴封组件采用轴封上本体、轴封下本体，在本体上制作有多条凹槽并与单向半圆插片14、轴承17、轴封上本体15、轴封下本体36通过固定螺钉密封固定，有利于和中心梯级轴上的凸台组合成活动密封体。

所述的燃料采用清洁燃油、天然气、沼气、甲醇、乙醇、二甲醚和各种生物质气化气体。

所述的压缩空气采用清洁环境空气经压缩机加压到15Mpa-35Mpa，而通过减压阀6存储在减压罐7内的压力为1.5Mpa-4Mpa。

本实施例的压缩空气发动机及优化集成系统的工作原理如下：

具有15Mpa-35Mpa的压缩空气经减压阀减压后，以1.5Mpa-4Mpa压力存储在减压罐中待用。使用中，首先打开第二级减压阀，气体以0.6Mpa-1.5Mpa的压力往容积式热交换器中输送，设置在容积式热交换器周身的螺旋形吸热片与环境温度进行热交换，特别可充分利用白天太阳能集热技术来达到更好的热交换效果。通过热交换使容积式热交换器内的压缩空气吸热膨胀，压力提升，通过全预混红外辐射快速加热炉进入恒定气体分配器上设置的高速空气喷射器，在自动控制的作用下有序工作，当高压、高速空气喷射作用在关节形气体靶上时，在离心力的作用下，关节形气动靶自动延伸，使滚动式靶头紧贴复合抛物面缸体内壁上并带动动力轴旋转输出动力。做功后的压缩空气从尾气排出口排出，串联、并联工作时可作为工质输送给后一级使用，夏季可采集用于降温，以此完成一套工作顺序。但由于环境温度低及夜晚做功时，压缩空气的能量未能达到最大能量转换效率时，全预混红外辐射快速加热炉中的感知式压力温度元件自动启动燃烧器，及时补充热源。加热路经全预混红外辐射快速加热炉时的压缩空气。使压缩空气符合环境温度，达到等温膨胀的目的。这种清洁高效的压缩空气发动机前景甚为广阔。

本发明压缩空气发动机及优化集成系统具有明显的技术和性价优势，具体如下：

1、机械结构设计合理、动静相宜、密封性强、静音、低速、转矩大。

本发明采用多级同轴偏心缸体结合关节形气体靶作为核心部件，一端密封、一端输出动力，加上凹凸迷宫式半圆形插片及动力轴作为密封要件，密封程度高。由于是旋转式启动，关节形气动靶在高压空气的作用下极大地发挥了杠杆作用，启动快，转矩大，无缸体撞击声，工作平稳，噪声低，动静适宜，制造容易，性价比高。

2、等温&加温双膨胀，潜能彻底，性能卓越，是真正意义上的绿色动力装备。

本发明的另一大特点是将压缩空气首先在发动机壳体外采用容积式热交换器吸收环境温度，特别是利用太阳能辐射热源，进行第一次吸热，使压缩空气压力剧增。由于压缩空气在制取过程中使用常态环境空气作为工质，经电力压缩机加压时消耗了大量的电能，启动全预混红外辐射快速加热炉作为补充热源，采用外燃加热特种工艺使压缩空气进一步受热，达到理想的冲射力，做功后的低温空气可为夏季带来凉爽。这一机理过程完全符合热力学三大定律，也是一款另类“斯特林”热机。这种高可靠性、高安全性、高效率、低排放的绿色动力必将成为未来代步工具的首选动力装置。

3、“三适应、二提高”，完全符合我国的能源政策和产业结构调整。

本发明无疑为人们提供了一款梦寐以求的绿色环保动力装置，即便是高原、平地、矿山、隧道等特殊地理、气候条件下；机械行业、纺织行业、运输行业及一切需要动力的行业，本发明均可为任何目标客户及时提供动力。适应地域广、适应产业广、适应环境广是有目共睹的。同时提高了续航能力，提高了尾气排放的清洁度，也是其他内燃机所无法匹及的。为我国的能源政策及产业结构调整提供了一款不可多得的绿色动力产品。

4、削峰填谷、优化电力能源的二次利用。

压缩空气发动机使用高压空气为发动机提供动力，高压空气由电机驱动的空气压缩机制取，可以充分利用深夜用电低谷时制取压缩空气，也为缓解白天用电紧张找到一条出路，使发电企业少受损失。众所周之，电是很难存储的，在电力充足的深夜，可以利用电力制作压缩空气来进行存储。因此，本发明压缩空气发动机及优化集成系统具有广泛的应用前景和市场潜力。

以上所述仅为本发明的一个优选实施例，但本发明并不局限于所述的实施例，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神即公开范围内，仍可作一些修正或改变，故本发明的权利保护范围以权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，包括发动机组件、容积式热交换器、全预混红外辐射快速加热炉、减压阀、减压罐、恒定气体分配器、回气收集罐/出口及配件。

2.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述发动机组件包括外壳体、缸体、动力轴、关节形气体靶、气体靶基座、滚动式靶头、封头、封盖、轴封组件、气体进口、气体出口及配件；所述缸体为复合抛物面缸体，套装在外壳体内；所述关节形气体靶一端与气体靶基座活动连接，另一端安装有滚动式靶头；组装好的关节形气体靶、气体靶基座、滚动式靶头组件套装在动力轴上；轴封组件包括轴承、轴封上本体、轴封下本体、单向半圆插片以及螺钉；动力轴上设置有凸槽，轴封上本体、轴封下本体上设置有凹槽和单向半圆插片；轴承固定在动力轴两端位置；封头密封固定在动力轴一端；封盖套装密封固定在轴封组件内侧；压缩空气发动机周向设置有气体进口和气体出口。

3.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述容积式热交换器包括圆筒状筒体、螺旋热片、U型弯头及固定元件；其中，所述U形弯头焊接固定在圆筒状筒体两端；所述螺旋热片滚焊在筒体周围；组装好的容积式热交换器采用固定元件固定在外壳体上。

4.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述全预混红外辐射快速加热炉包括保温炉筒、保温顶盖、封盖、导流腔、工作流体出口、红外反射板、红外发射器、尾烟管/出口、红外透视墙、燃烧器、燃烧器基座、全预混点火腔、燃料管/进口、保温基座、工作流体进口、螺旋形螺旋热片管、红外吸收涂层以及传感元件；其中燃料管/进口与全预混点火腔制成一体；燃烧器固定在燃烧器基座上；燃料管/进口、全预混点火腔、燃烧器、燃烧器基座按序套装固定在保温基座空腔内；红外发射器两端采用内盖密封，向下一端开有便于燃烧器喷射头进入的孔，另一端径向设置有导流腔；组装好的红外发射器固定安装在燃烧器基座上；红外透视墙两端采用金属Y型夹固定，分别固定在燃烧器基座上和上端封盖内侧一面；红外透视墙与红外反射板之间的腔体内安装有螺旋形螺旋热片管；螺旋形螺旋热片管穿过保温炉筒分别密封固定在工作流体进口和工作流体出口上；红外反射板设置在保温炉筒周壁；保温顶盖用扣件或螺钉密封固定在保温炉筒上；而保温炉筒通过法兰和保温基座上的法兰对接，用螺钉密封固定成一体；在保温炉筒和红外反射板上靠近燃烧器基座处开有尾烟管/出口，并安装有尾烟管；螺旋形螺旋热片管上喷涂有红外吸收涂层。

5.如权利要求4所述的全预混红外辐射快速加热炉，其特征在于，所述的螺旋形螺旋热片管也可采用两组或三组金属管缠绕成不同直径的螺旋体同心排放组成两回程或三回程，并由上一组出口对接下一组进口滚焊密封；或者采用金属管及螺旋形螺旋热片管混合配置。

6.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述的压缩空气发动机可以为单级使用，或者可根据需要采用同轴多级串联套装在一个外壳体内，或多轴单级串联使用。

7.如权利要求2所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述的轴封组件采用轴封上本体、轴封下本体，在本体上制作有多条凹槽使单向半圆插片、轴承、轴封上本体、轴封下本体通过固定螺钉密封固定。

8.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述的回气收集罐/出口采用耐高压1.5Mpa-3Mpa的金属圆管或异型管制成，其一头密封，另一头设置有连接口。

9.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述减压阀安装在减压罐上；减压罐固定在发动机外壳体上；恒定气体分配器密封固定在发动机外壳体气体进口上；回气收集罐/出口密封焊接在气体出口上。

10.如权利要求1所述的一种压缩空气发动机及优化集成系统，其特征在于，所述的压缩空气采用清洁环境空气经压缩机加压到15Mpa-35Mpa，而通过减压阀存储在减压罐内的压力为1.5Mpa-4Mpa。

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