CN102352788A - 风力涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

风力涡轮增压器所属技术领域：本发明涉及各类汽车发动机进气增压系统，按国际专利分类表(IPC)划分属于机械工程部，一般工程分部，流体压力执行机构，气动技术(一般流体工作系统，流体压力执行机构等流体压力部件，流体动力学，即影响气体或液体流动的方法或装置)的技术领域。所解决的技术问题：1、降低涡轮增压器的制造成本；2、提高涡轮增压器的实用性；3、优化涡轮增压器的工作环境。4、提高涡轮增压器的工作效率。技术方案要点：利用汽车运动后与大气产生的阻力(风力)作为风力涡轮增压器的动力来源。主要用途：提高发动机工作效率，增强发动机动力，降低燃气(尾气)排放。

Description

风力涡轮增压器

(一)技术领域：

本发明涉及各类汽车发动机进气增压系统，按国际专利分类表(IPC)划分属于机械工程部，一般工程分部，流体压力执行机构，气动技术(一般流体工作系统，流体压力执行机构等流体压力部件，流体动力学，即影响气体或液体流动的方法或装置)的技术领域。 

(二)技术背景：

全球汽车行业采用的汽车涡轮增压系统主要分四大类：机械涡轮增压；废气涡轮增压、气波增压和电子涡轮增压。其中气波增压器由于笨重和噪音太大而不适合轿车安装，电子涡轮增压由于需要消耗发电机电能、所产生的风压过小、难以提升发动机性能而不被行业所接受，目前流行的汽车涡轮增压器，主要是指机械涡轮增压和废气涡轮增压两种。机械涡轮增压器主要依靠发动机输出轴获得动力来驱动转子，将空气压迫入进气管达到增压的目的，但它同样要消耗掉引擎动力，增压效率不高；废气涡轮增压器是最常见和最受欢迎的涡轮增压装置，它不用消耗任何电能，通过发动机排出的废气来推动叶轮，同时带动同轴叶轮来吸入大量空气，达到增压的目的。废气涡轮增压器也是目前效率最高的增压装置。但是这项技术的缺点同样明显：一是生产成本和维护成本昂贵，普通消费者难以承受；二是低速疲软，要解决这个问题，就必须采用复合式增压系统(即机械增压与废气增压并用)，这一来生产成本和维护成本只能居高不下。这也是废气增压和机械增压技术沿用了半个多世纪后仍无法全面普及的根本原因。 

国内有关汽车涡轮增压技术的创新，如“四进气口风力涡轮增压器装置”(专利公告号：CN2519022)、“空气动力涡轮增压器装置”(专利公告号：CN1129281A)，其基本原理仍然停留在“自然吸气”阶段，即利用发动机自然吸气产生的牵引力来推动涡轮风扇，然而发动机每一次吸气冲程吸入的空气量是衡定不变的(吸入的空气多少由气缸容量决定)，这种将发动机“吸气力”转化为风扇动力的“涡轮增压器”充其量只是改变了气流的运动轨迹，没有从根本上提升进气压力，不仅如此，当发动机高速运动时，涡轮本身也成为了空气 流动的障碍，因此这些创新至今没有得到主流汽车行业界的认可。 

利用发动机吸气功能、或利用发动机扭力、甚或直接以电动的方式来驱动涡轮风扇，无疑会对发动机功率产生消耗，对改善发动机性能意义不大。我们将损耗发动机动力或消耗发动机吸气力的增压器称为被动式或消极式涡轮增压器，将无损发动机动力同时有效增强发动机进气压力的增压器称为主动式或积极式涡轮增压器。本发明采用外部风力(汽车与大气摩擦产生的阻力)来驱动涡轮运动，产生的功效绝不亚于价格昂贵、稳居增压器行业龙头老大地位达半个多世纪的废气涡轮增压器。 

(三)发明内容

1、风力涡轮增压器的动力学原理： 

当汽车运行时，与空气产生作用力和反作用力，在自然风速衡定不变的情况下，风速的增加与汽车速度相等，相对于静止的汽车，风速随车速的增加而增强，在风力驱动下，涡轮风扇将为发动机提供源源不断的空气压力。 

2、风力涡轮增压器的概念： 

利用汽车运动后与大气产生的阻力(风力)来推动涡轮风扇，被推动的风扇同时带动同轴叶轮高速运转、使得过滤后的新鲜空气形成高压气流进入节气门、提升混合气质量，改善燃烧效率、增强发动机动力的一种主动式增压装置。 

3、风力涡轮增压器的结构： 

整个风力涡轮增压装置由集风口、集风管、涡轮外壳、轴承座、高速轴承、同轴风扇(叶轮)、进风口、排风口、排水阀、吸气口、出气口、及相应连接管道(Y型管)等部件组成(图1、图6、图7)。 

4、风力涡轮增压器的工作原理： 

当汽车开动时，大量空气进入集风口、经集风管挤压后形成高集束气流推动“叶轮1”，此时“叶轮2”同步旋转、将空气滤清器里的空气吸入后形成高压气流通过节气门进入发动机(图2)。 

5、风力涡轮增压器的技术特点——与废气涡轮增压器相比，两者都不需要消耗发动机动力，但增压的动力来源正好相反：废气涡轮增压器依靠发动机排出的废气来推动风扇，风力涡轮则是依靠强劲的新鲜气流来推动风扇；废气涡轮的工作环境恶劣(温度高达数百乃至上千度)，而风力涡轮的工作环境优越(温 度接近常温)，决定了废气涡轮必须使用特殊材料来加工制造，工艺复杂而价格昂贵，相比之下，风力涡轮装置只需要普通金属材料、辅以质量较好的工业塑料，运用较简单的工艺就能够制作完成，在生产成本和维护成本上呈压倒性优势；传统废气涡轮的另一大劣势是需要中冷器来给进气管辅助降温，而风力涡轮根本不需要(图3)。 

（四）附图说明

图1是风力涡轮增压器总体结构图；图2是风力涡轮增压器工作原理图；图3是风力涡轮增压器内部构造图；图4是风力涡轮器内部设计简图；图5是风力涡轮增压器壳体和核心部件组合图；图6是风力涡轮增压器实际应用中的方案一安装示意图；图7是风力涡轮增压器实际应用中的方案二安装示意图；图8是根据方案一安装示意图在实践中的改装实效图；图9是改装完成后的汽车机盖外观图；图10是改装完成后的整车外观图；图11是风力涡轮增压器排水阀的设计及原理说明图。 

(五)具体实施方式

1、制作： 

首先根据可转化的扭力大小确定风扇的形状和叶轮的尺寸，接着按比例制作出类似普通风机用的涡轮外壳(图4。所需材料可以是铁皮、铝皮或铜皮等)，连轴的长短和粗细根据需要而定，一般而言，承载较重的叶轮需要较粗的连轴以确保连轴在高速转动中不会变形，连轴的长短除了考虑装配空间外，还要考虑承重因素和支撑点的布局(本例采用两个支撑点)，故连轴的长短理论上应与所承载的重量成反比，与支撑点的数量成正比。 

将连轴和涡轮外壳连接定位，装上风扇并固定好(图5)。 

2、注意事项： 

A、涡轮2外壳的焊接必须紧密、保证气压不会泄露；B、进入涡轮1的大量外部气流含有尘粒，用以支撑连轴的轴承必须是高品质的密封轴承。C、作为动力来源，涡轮1必须考虑雨雪天气的影响，配有排水阀(图11)。 

3、排水阀的工作原理： 

当叶轮高速运转时产生的气压差将外部空气经排水管吸入涡轮，被吸入的空气推动排水管中的活塞将排水口封住，使得风力涡轮增压器处于最佳工作状态，当风力涡轮增压器停止工作，涡轮内部和外部的气压相等，活塞就会在引力作用下打开排风口，雨雪天气中积蓄在涡轮底部的水就会顺利排除(图11)。 

4、安装： 

方案一的安装(图6)，本安装通过Y型管道、采用双管进气的方法，即在保留原车滤清器的同时增加另外一个滤清器(如冬菇头)，这样做的好处是当汽车启动时，发动机自然吸入的空气可以从两条进气道进入，保证了汽车低速行驶时不会产生“动力滞后”的问题，使汽车不论低速或是高速行驶都能保持动力输出的最佳状态。 

方案二的安装(图7)，本安装仍然采用风力涡轮增压装置，不同的是取消了Y型管，采用一个空滤器和单进气道的安装方法。由于风力涡轮增压器直接与节气门相连接，最大程度地减小了高压气流的压力损耗，增压效果更加明显。实际测试中不论发动机转速高低，并没有出现类似废气涡轮增压发动机低速疲软、类似其他增压器带来的高速发堵现象，原因有以下几个方面： 

1)进气温度低 

风力涡轮增压器本身是依靠高压冷空气推动转子工作，大量冷空气会对整个涡轮外壳、高速轴承产生降温作用，保证了风力涡增压器的工作环境始终处于常温状态，使高压气产生的高温得到有效冷却，进入气门的空气密度高，空气质量得到充分保障。 

2)进气阻力小 

风力涡轮增压器不需要抗高温，采用轻质、较薄的金属制造、其进气管仍采用耐压硅胶管制品，进气量大，取消中冷器的同时意味着减少了空气阻力。 

3)工作效率更高 

废气涡轮增压器采用抗高温优质重型金属制造，叶轮和转轴笨重，加上全浮式轴承，汽车运行过程中发动机转速要达到3000转以上才能有效推动涡轮运行，而风力涡轮增压器采用高精度轴承，叶轮转动的阻力减小到了最低，当发动机启动后吸入的空气就开始带动叶轮运转，汽车运行后在外部空气的推动下就开始加速工作，在低速(30公里/小时以下)，发动机进气量和自然吸气相比有增无减，低速动力迟滞的现象彻底消失。 

风力涡轮增压器与废气涡轮增压器相比有如下五大方面的优势：增压效率更高、生产成本更低、工艺更简单、安装更容易、维护更方便。 

6、实际测试数据 

通过集风口采集高速气流推动涡轮工作的实测中，汽车50公里/小时的时速下激光测速仪显示叶轮转速为5600转/分钟，这一结果超过了大功率电机风扇的转速，当时速超过100公里/小时时，叶轮转速飙升到了20000转/分钟以上，此时发动机转速仅为3000转/分钟，在此发动机转速下，传统废气涡轮增压器才刚刚开始工作或处于极低效的工作状态，可见风力涡轮增压器的工作效率明显要高于废气涡轮增压器。由于激光测速仪准确性差，加上颠簸和手工测速，这一 数值并不能完全反映风力涡轮增压器的真实功效，此外，影响数值准确性的因素还包括制作工艺等(本例采用极普通的鼓风机叶轮进行测试)。为取得更具说服力的证据，最好的办法就是将风力涡轮增压器安装在汽车上进行实际运行测试(图8)，最终结果令人振奋。 

本发明采用夏利TJ7131(丰田8A发动机，1.3排量)进行测试(图8，图9，图10)，按方案一的安装方法，在连续700多公里的测试中结果显示，低速加油时扭力增强明显，启动空调时已感觉不到动力损耗，百米加速耗时仅9秒钟，时速50公里/小时即开使体验到前所未有的澎湃动力，当转速上升到3000转/分钟时，呈现强劲的爆发力，高档位下在25度斜坡上长距离行驶车速可保持在100公里/小时以上，超车提速迅猛、油门响应迅速敏锐、动力输出超凡，且随着车速的增加明显感觉到发动机扭矩的增强，优异的表现出乎预料之外。油耗方面，全程启动空调的情况下，475公里耗油量为29升(93号汽油)，百公里耗油量为6升，关闭空调后200公里测试中，百公里耗油量仅为4.3升，比原车标称的百公里最低耗油量4.8升还要低。在高负荷工作后，风力涡轮增压器的表面温度仍然处在常温水平。 

考虑到安全责任方面的重大问题，本次测试最高时速控制在140公里以内，发动机转速在3800-4000转/分钟内，此时仍能感觉到加速强劲有力，而在安装风力涡轮增压器前，相同时速下发动机转速已经超过了5500转/分钟、矩力开始下降。可见装配风力涡轮增压器后，该车扭矩峰值提前，动力明显增强，与此同时是油耗的降低。 

值得一提的是，本实验为避免意外为夏利车改装了运动型短避震弹簧、安装前后平衡杆及加固底盘，用以提高行车安全系数，此外夏利车内部并没有作相应的改造，喷油嘴、汽油泵、ECU、排气管等必须与涡轮增压器配套变动的的部件纹丝不动。 

方案二的安装同样可以极大地提升发动机性能，说明风力涡轮增压装置可以有多种装配方式和方法，相比废气涡轮增压器，风力涡轮增压器实用性更强、更易于普及。 

(五)风力涡轮增压器的应用前景 

集风口的设计和安装格外突出(图10)，主要由以下两个方面的原因造成： 一是夏利车的机仓过于紧凑；二是发明者个人受现实条件限制，在制造过程中无法精细化。但这并非技术难题，未来的风力涡轮增压器装置将更为精巧和高效，而随着车辆机仓布局的改变，装配风力涡轮增压器的汽车将呈现出注重美观实用的多样性。 

在全球倡导“减排”的今天，作为一项增速减排技术，废气涡轮增压器一直是当仁不让的主力军，然而其复杂的装配和昂贵的造价让众多消费者望而却步，无疑传统废气涡轮增压技术走到今天其“瓶颈”效应越发显现出来，这在注重高效实用的今天尤为突出，寻找更好的替代品已迫在眉睫。在这之前，不论是机械涡轮增压、气波增压、电子涡轮增压或是形形色色利用自然进气原理来改变气流运动的所谓“涡轮增压”技术都远不能与废气涡轮增压技术相提并论，难以被消费者所接受。本发明“风力涡轮增压器”相对于传统涡轮增压器在制作技术、制作成本、工作效率诸多方面而言都是一项颠覆性的革新方案，完全可以取代并超越传统废气涡轮增压器。 

从对风力涡轮增压器的制造材料计算得出，其成本只介于200-500元人民币之间，相当于废气涡轮增压器制造成本的1/10或更低，而对汽车性能的提升完全可以与废气涡轮增压器相提并论，随着制作工艺的完善，风力涡轮增压器在对发动机功率的提升方面完全可以超越废气涡轮增压器。 

选择材料灵活、装配方案呈无极多样化、制作和维护简单方便、工作效率更高更强……所有这些优势表明风力涡轮增压器装置在汽车产业如雨后春笋的今天，将会有极其广阔的应用前景。 

Claims (8)

1.一种利用汽车运动时与大气产生的阻力(即外部风力)作为动力源的风力涡轮增压器装置。其特征是：通过安装在空气滤清器外部的集风口采集汽车外部的高速气流并以此推动风力涡轮增压器叶轮的高速运转。

2.根据权利要求1所述，风力涡轮增压器有效工作的唯一动力来源必须是汽车运行时与大气产生的高速气流。

3.根据权利要求1、权利要求2所述，风力涡轮增压器必须配置有集风口。

4.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3所述，风力涡轮增压器必须是安装在空气滤清器的外部。

5.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4所述，风力涡轮增压器内部提供动力的涡轮必须配备排水装置。

6.根据权利要求1所述，风力涡轮增压器装置主要由集风口、涡轮增压器主件(涡轮外壳、轴承座、高速轴承、同轴叶轮)、及连接进风口、排风口、排水阀、吸气口、出气口的相应管线构成。

7.根据权利要求1、权利要求2所述，风力涡轮增压器内部叶轮必须同轴，两个叶轮及涡轮之间必须防水、防尘。

8.根据权利要求1、权利要求6、权利要求7所述，风力涡轮增压器装置的涡轮及叶轮数量必须是2个或以上。

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