CN102979580A - 采用气体引射器的气动汽车动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用气体引射器的气动汽车动力系统。该系统主要包括作为动力源的高压空气瓶（1）、空气预热器（2）、实现引射减压的气体引射器（3）和气动发动机（4）。其方法特征在于在气瓶出口设置气体引射器（3），高压空气流过引射器时引射外界低压气体（5），在实现减压的同时又引入了多余的气体，增加了工质质量，益于增加动力系统的动力输出，改善气动汽车续航里程有限的弊端。气体引射器包括单级引射方式和多级引射方式，多级引射系统结构又分为串联形式、并联形式和混联形式等，布置方式灵活多样。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

采用气体引射器的气动汽车动力系统

技术领域

本发明属于高新技术汽车动力领域，具体涉及一种新型的气动发动机动力系统。

背景技术

面临目前资源有限和环境污染的两大难题，人们对新能源汽车产生越来越大的关注。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，其中以电动车的推广最为成熟，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。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。压缩空气动力汽车采用压缩空气作为动力能源，排放尾气不产生任何污染，是一种真正的“绿色汽车”，法、英、美、韩、中等国均开展了相关的研究，其中，法国MDI公司的研究成果最为显著，设计了多种款型的气动汽车形式，并初步实现了小规模产业化应用，而其它各家研究机构则都处于实验科研阶段。由于气瓶存储的压缩空气能量密度较低，且汽车空间所能存储的空气质量有限，气动汽车存在着续航里程有限的缺陷，不适于长距离行驶，因此，提高续航里程成为了气动汽车技术发展的重要研究方向。

气动汽车的高压储气瓶在放气的过程中需要进行降压控制，目前所有气动汽车动力系统中采用的均为节流减压阀技术，而节流过程中存在着几乎高达一半的能量损失，造成了能量的严重浪费，也进一步限制了续航里程。本发明提出了一种新型的采用引射器减压的方式。引射器是一种利用高压工作流体来引射低压流体而获得中间压力流体的设备，其基本特点是可提高流体压力而不直接消耗机械能，比采用其它机械增压设备简单而可靠，与其它设备相连接时，系统比较简单，同时制造也不复杂。目前引射器在动力、石油化工、制冷、供暖等技术领域得到了越来越多的应用，尤其是在真空蒸馏、真空结晶和真空干燥等方面前途广大。但引射器尚未在气动汽车的减压过程中得到应用。本发明提出将气体引射器应用于气动汽车动力系统中，以工作中的高压空气来引射外界低压气体，最终得到适合发动机工作的中间压力气体来进行膨胀做功。不仅能够代替节流减压阀起到减压作用，减少能量损失，还由于从外界引入了新的气体，使系统可利用的气体总质量有所增加，益于提高系统的动力输出。作为一种新的技术方案和研究思路，对提高气动汽车续航里程提供了一条新的技术途径。

发明内容

本发明的目的是设计一种采用气体引射器的气动汽车动力系统，改善由于节流减压产生大量能量损失而导致的系统能量利用率低的缺点。

本发明设计的采用气体引射器的气动发动机动力系统包括用作动力源的高压空气瓶1、空气预热器2、用于减压的气体引射器3和气动发动机4，其特征为：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与所述气体引射器3之间安装空气预热器2，所述高压空气瓶1中流出的高压低温空气通过空气预热器2，所述空气预热器2预加热所述高压空气瓶出口的高压低温空气，使之温度基本保持稳定，预加热后的高压空气流入气体引射器3，通过引射外界低压引射流体5使高压空气瓶出口的高压空气的气压降至所预定所需的压力，所述的外界低压引射流体5，又能够使所述动力系统的总输出功增加，最后由引射器3出口获得带有一定压力和流量的混合流体，进入气动发动机4进行膨胀做功，实现机械轴功输出。

本发明设计的采用气体引射器3的气动发动机动力系统，由于高压空气瓶1出口气体的变温工况，需采用空气预热器2对压缩空气温度首先预热至稳定的环境温度附近，为了进一步增加系统输出功，也可设置高温换热器来进一步提高压缩空气温度，获得更高的总输出功。由于气瓶出口气体的变压工况，为了获得气动发动机所需的工质压力和流量，气体引射器3需根据实际运行需要采用单级引射或多级引射的方式，其中多级引射方式又包括串联、并联和混联三种结构。

本发明设计的采用气体引射器的气动发动机动力系统，由于只是减压结构发生了变化，且引射减压的结构简单，连接也容易，气动发动机4可以选择包括往复活塞式、回转容积式等在内的各种结构类型。且根据功率的不同需求，气动发动机4还可以分为单级膨胀和多级膨胀型式，多级气动发动机还分为串联、并联和混联结构。

本发明设计的采用气体引射器的气动发动机动力系统，气体引射器3起到减压和增加做功工质总质量的双重作用。但根据动力系统的工况特征，引射器可以单独使用，也可以与节流减压或其它减压方式同时并用，起到维持工况稳定和增加工质质量作用。

本发明具有以下有益效果：采用气体引射器的气动汽车动力系统的特点在于：采用气体引射器作为气瓶出口高压空气的减压器，结构简单，既减少了能量损失，又由于引射进了低压的外界气体，使得通过气动发动机做功的有效压缩空气总质量有所增加，有利于提高系统总动力输出，进一步提高续航里程。

附图说明

图1，采用气体引射器的气动发动机动力系统工作流程图；

图2，气体引射器结构简图；

图3，采用直接引射环境大气的新型气动发动机动力系统示意图；

图4，采用引射发动机排气尾气的新型气动发动机动力系统示意图；

图5，采用高温加热与引射并用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—空气预热器；

3—气体引射器；                          4—气动发动机；

5—低压引射流体；                         6—工作流体；

7—混合流体；                            8—吸入室；

9—混合室；                              10—扩散室；

11—工作喷管；                           12—环境大气；

13—发动机排放尾气；                      14—高温加热器。

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。

本发明公开的采用气体引射器的气动发动机动力系统，基本工作流程如图1所示。具体实施方式为：车载碳纤维高压空气瓶1作为动力源，气瓶1出口处设置空气预热器2，利用环境空气对气瓶1出口低温的压缩空气进行初步加热，使温度基本稳定至环境温度附近，之后作为高压工作流体流入气体引射器3的入口，引射外界的低压引射流体5，进而在引射器出口得到具有一定中间压力和一定流量的混合流体7。这里的引射流体5可以为环境大气，也可以为其它系统可利用的低压气体，除空气预热器外还可设置其它高温换热器来获得更高的压缩空气温度。通过引射外界低压气体5使气瓶出口的高压空气降至所需要的压力，一方面减少了采用节流减压阀时产生的大量能量损失，另一方面又引射进多余的气体，使系统的总输出功增加，最后由引射器出口获得带有一定压力和流量的混合流体，进入气动发动机4进行膨胀做功，实现机械轴功输出。

本发明采用气体引射器3代替传统气动汽车中的节流减压阀，气体引射器的结构简图如图2所示，所述气体引射器包括吸入室8、吸入室内部设置的工作喷管11，与吸入室8相连通的混合室9、与混合室9相连通的扩散室10，其中所述吸入室8包括一预热后的高压工作流体6进气口，以及一吸入外界低压引射流体5的进气口，设置在吸入室的外周位置，其中，高压工作流体6进气口末端与工作喷管11相连，工作喷管的喷嘴与混合室9的入口相对。所述气体引射器3具体工作原理为：高压工作流体6由进气口进入引射器，流经吸入室内部设置的工作喷管11，通过绝热膨胀将势能转化为动能，压力降低，温度也降低，而速度则增加，在喷嘴出口处气体的速度大于喷嘴临界截面上气体具有的临界速度，之后以很高的速度从喷嘴流出，由于射流的紊动扩散作用，卷吸周围的流体而发生动量交换，在混合室9入口处产生相对引射流体压力的负压，将吸入室8中压力较低的引射流体5吸入混合室9。工作流体6与引射流体5在混合室9内剧烈混合，进行能量和动量的交换，在流动过程中速度渐渐均衡，这期间常常伴随压力的升高。混合段出口处的混合流体压力增加，进入扩散室10，压力将因流动速度变缓而继续升高。在扩散室10出口处，混合流体的压力将高于进入吸入室时引射流体5的压力，具备一定的做功能力。

根据气体引射器的工作特性，采用高的工作流体温度、压力，低的引射流体压力、温度可以获得较好的引射能力，益于增加系统动力输出。针对不同的发动机功率需求，采用多级发动机多级引射方案时，系统结构多样而复杂，优化的动力结构需作较深入的分析。这里，仅针对单级引射系统给出了几种不同的具体实施方案，下面结合附图详细说明本发明采用单级引射时的优选实施例。

实施方案1

实施方案1为采用采用气体引射器的气动发动机动力系统，示意图参见图3，本实施例采用直接引射环境大气的形式，由于只设置了气体引射器，无其它附加装置引入，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。该气动汽车动力系统工作流程为：车载碳纤维高压空气瓶1作为动力源，高压压缩空气从高压空气瓶1中流出，然后进入空气预热器利用环境空气与低温的压缩空气进行加热，使温度恢复到接近环境温度，一方面回收了热量，一方面又可实现压缩空气温度的相对稳定，此后压缩空气作为高压工作流体6流入气体引射器3。引射器的引射流体5的进口直接与环境大气相通，因此，高压工作流体6在引射器内通过直接引射环境大气12，在引射器出口获得具有一定中间压力和一定流量的混合流体7，再通过气动发动机进行膨胀做功，做功后的发动机尾气直接排放至大气。

实施方案2

本申请优选的实施方案2为采用引射发动机排放尾气的新型气动发动机动力系统，示意图参见图4，本实施例采用引射发动机排气尾气的形式，由于发动机膨胀做功后排气温度较低，而采用低温的引射流体有益于得到较高的喷射系数，因此引射发动机尾气可以获得更多可利用的有效做功工质。系统仍然只设置了气体引射器，但需要构建引射排气回路系统，结构装置较简单，适用于体积小、质量轻的中小型车用发动机中。该气动汽车动力系统具体工作流程为：高压压缩空气从高压空气瓶1中流出，首先进入空气预热器2利用环境空气对压缩空气进行预热和温度稳定，然后通过空气引射器3，引射发动机排出的低温尾气13，得到所需要的中等压力的压缩空气，再通过气动发动机进行膨胀做功，膨胀后的尾气又重新作为引射流体进入引射器中。

实施方案3

本申请优选的实施方案3为采用引射发动机排放尾气的新型气动发动机动力系统，示意图参见图5，本实施例既采用了高温加热技术又结合了气体引射技术，一方面，压缩空气高温膨胀做功时可以得到较高的动力输出，另一方面，高温的工作流体能够增加引射器的引射能力，因此，本方案综合采用高温加热与引射器相辅并用的形式，可以获得较高的动力输出。但由于系统增加了高温加热器14，所述高温加热器14包括两部分，其中一部分对经过空气预热器2预加热后的高压空气进一步加热，得到的高温高压的工作流体6进入气体引射器，另一部分对引射器3出口获得带有一定压力和流量的混合流体进一步实现加热。高温加热器4结构相对复杂，且需要占用一定的空间，适用于体积相对较大的大功率需求的车用发动机中。该气动汽车动力系统具体工作流程为：高压压缩空气从高压空气瓶1中流出，首先进入空气预热器2利用环境空气对压缩空气进行预热和温度稳定，然后通过高温加热器14对压缩空气进一步进行加热，得到的高温高压的工作流体6进入气体引射器，引射环境大气12后，得到中间压力中等温度的混合流体7，混合流体再经过高温加热器14进一步实现加热，最终得到具有一定压力和温度的压缩空气工质进入气动发动机进行膨胀做功，膨胀后的尾气直接排入大气环境。

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 (6)

1.一种采用气体引射器的气动汽车动力系统，所述采用引射器的气动汽车发动机动力系统包括高压空气瓶（1）、空气预热器（2）、气体引射器（3）和气动发动机（4），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）与所述气体引射器（3）之间安装空气预热器（2），所述空气预热器（2）预加热所述高压空气瓶（1）出口的高压低温空气，使之温度基本保持稳定，预加热后的高压空气流入气体引射器（3），通过引射外界低压引射流体（5）使高压空气瓶出口的高压空气的气压降至预定所需的压力，通过引射的外界低压引射气体（5），又能够使所述动力系统的总输出功增加，最后由引射器（3）出口获得带有一定压力和流量的混合流体，进入气动发动机（4）进行膨胀做功，实现机械轴功输出。

2.根据权利要求1所述的采用气体引射器的气动汽车动力系统，其特征在于：气体引射器（3）采用单级引射或多级引射的方式，多级引射方式又包括串联、并联和混联结构方式。

3.根据权利要求1所述的采用气体引射器的气动汽车动力系统，其特征在于：所述气动发动机（4）可采用往复活塞式、回转容积式等各种气动发动机型式，发动机系统可以是单级型式也可以为多级型式。

4.根据权利要求1所述的采用气体引射器的气动汽车动力系统，其特征在于：气体引射器（3）引射的低压引射流体（5）包括环境大气、气动发动机的排气尾气等各种动力系统中可利用的气体。

5.根据权利要求1所述的采用气体引射器的气动汽车动力系统，其特征在于：气体引射器（3）引入气动汽车动力系统中，起到减压和增加工质质量的双重作用，根据动力系统的工况特征，所述气体引射器（3）可以与节流减压或其它减压方式同时并用。

6.根据权利要1所述的采用气体引射器的气动汽车动力系统，其特征在于：

所述气动汽车发动机动力系统还包括高温加热器（14），所述高温加热器（14）包括两部分，其中一部分对经过空气预热器（2）预加热后的高压空气进一步加热，得到的高温高压的工作流体（6）进入气体引射器，另一部分对引射器（3）出口获得带有一定压力和流量的混合流体进一步实现加热。

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