CN103223861A - 气动车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用空气动力发动机作为动力源的压缩空气动力车辆。其包括：车身、气罐组、加气设备、恒压罐、等离子加热装置、车载电动机、永磁发电机、旋转式发动机以及控制装置。外接加气站接通车辆上的气罐组，把已经完成压缩的一定压力的气体储存到气罐组中，经过恒压罐进行减压，输入到等离子加热设备中，从等离子加热设备出来的具有一定温度的气体进入到旋转式发动机中，排出的气体输入到车载空压机中循环使用，气体膨胀推动发动机做功，输出的动力主要供永磁发电机使用，由机械能转化为发电机发出的电能，随后被储存在大功率镍氢电池电容器中，供车上的所有电力设备使用。电动机通电后，电能转化为机械能，产生动力，驱动车辆行驶。

Description

气动车辆

技术领域

本发明涉及一种气动车辆，具体而言，涉及一种使用旋转式发动机作为动力源的压缩空气动力车辆。

背景技术

气动车辆利用高压压缩空气在发动机气缸内膨胀做功过程，推动活塞做功对外输出动力，驱动车辆行驶。它不消耗燃料，是真正零排放的环保车辆，能有效地缓解城市空气污染严重和石油资源匮乏的情况。为此，许多国家都积极投入对气动车辆的研究。

美国专利US2006225941A1公开了一种压缩空气动力车辆，这种压缩空气动力车辆以压缩空气作为动力源，通过气动马达带动涡轮发电机发电，涡轮发电机发出的电用来驱动与车轴连接的电动机，电动机转动带动车辆行进。这种气动车辆采用了多种电机，机构复杂、输出力矩小，难以得到推广应用。

本申请的申请人在其中国专利CN101428555 A公开了一种空气混合动力车辆，该混合动力车辆包括能量回收装置、能力存储装置、动力驱动装置、控制装置、换挡装置及辅助装置。当机动车正常行驶时，空气动力发动机提供动力，当机动车在制动、刹车、转弯等需要减速时，进行能源回收。这种混合动力车辆一定程度上利用了压缩空气发动机的排气，提高了压缩空气的能量利用率。但这种气动车辆未有效地对压缩空气进行量化控制，所存储的压缩空气不能最大限度地得到利用，续航里程受到一定限制。

本申请的申请人在其中国专利CN202557273 U公开了一种气动车辆，该气动车辆包括：车辆框架、底盘、车轴、空气动力发动机、发电机、主储气罐、加热调节器、流量控制阀、空气分配控制器以及控制装置。该控制装置根据气动车辆的工况和驾驶员的操作控制流量控制阀的开度和持续时间，从而调节空气动力发动机的功率输出。该气动车辆的车轴上还安装有可在车辆制动、滑行时工作的压缩机，以增加气动车辆的续航里程。并且，气动车辆还具有气体回收和增压回路，以充分利用空气动力发动机的气体。但是该气动车辆的压缩机需要额外提供电力装置驱动压缩机工作，而且要求的空气发动机和发电机的转速比较高，消耗大量的气体。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种气动车辆，旨在解决现有的气动车辆中空气发动机和发电机的转速比较高、耗气多，需要另外提供电力装置为压缩机提供动力。为此，本发明采用如下的技术方案。

按照本发明的技术方案，提供一种气动车辆，其包括：车身、底盘、车轴以及和车轴连接的多个车轮；气罐组，其通过加气管道与加气站接通，以便为空气动力发动机提供所需的高压压缩空气；发电机，其与空气动力发动机连接，将利用空气动力发动机的转动动能发电，并将发出的电能送入蓄电池单元；恒压罐，其与气罐组连接，将气罐组内的高压压缩空气进行减压；车载电动机，其与发电机连接，将发电机产生的电能转换为机械能，产生的动力输入到车辆的驱动装置中，驱动车辆行驶；所述气动车辆还包括：等离子加热装置，其与恒压罐连接，以对进入其中的压缩空气进行增压和升温；控制装置，其根据气动车辆的工况和驾驶员的操作控制流量控制单元。

本发明的气动车辆的工作过程为：外接加气站接通车辆上的气罐组，把已经完成压缩的一定压力的气体储存到气罐组中，经过恒压罐进行减压，输入到等离子加热设备中，从等离子加热设备出来的具有一定温度的气体进入到旋转式发动机中，排出的气体输入到车载空压机中循环使用，气体膨胀推动发动机做功，输出的动力主要供永磁发电机使用，由机械能转化为发电机发出的电能，随后被储存在大功率镍氢电池电容器中，供车上的所有电力设备使用。电动机通电后，电能转化为机械能，产生动力，驱动车辆行驶。

优选的是，所述气罐组外接有加气设备。当车辆行驶一段时间做为动力源的高压压缩空气用完时，只需要通过外接加气设备向气罐组加入高压压缩空气即可，不需将气罐组从车辆上卸下进行进行加气。

上述方案中优选的是，所述蓄电池单元为大功率镍氢电池电容器。

上述方案中优选的是，还包括车载空压机，所述压缩机根据控制装置的指令运行，以在车辆制动、滑行时为气罐组提供高压压缩空气。

上述方案中优选的是，所述车载空压机与大功率镍氢电池电容器之间电连接。

上述方案中优选的是，所述空气动力发动机和车载电动机置于车辆的前端车轮的车轴上，以方便车辆整体的驱动。

上述方案中优选的是，所述车载空压机置于车辆的后端车轮的车轴上，根据车辆行驶的状况压缩空气向气罐组补充高压气体。

上述方案中优选的是，所述控制装置包括多个输入和至少一个输出，所述多个输入包括储气压力、加速踏板信号、温度信号和制动信号，所述至少一个输出为流量控制单元操作的控制指令。

上述方案中优选的是，所述控制装置还包括数据单元、空气喷射模块、制动模块和压缩机模块。

上述方案中优选的是，所述发动机为永磁发电机，其与蓄电池单元之间连接有变频装置。

上述方案中优选的是，还包括起动通路。

上述方案中优选的是，所述起动通路包括起动控制阀、压力补偿管路和高压高速压力补偿器，所述起动控制阀响应气动车辆的起动信号，以在车辆起动时，连通起动通路。 

上述方案中优选的是，所述空气动力发动机为旋转式发动机。

上述方案中优选的是，旋转式发动机包括：发动机本体、进排气系统、气缸、轴系统、末端端盖、上箱体、油底壳、支进气管道、主进气管道和润滑系统。

上述方案中优选的是，旋转式发动机还包括副进气管道，当发动机的油门打开，压缩空气经过加热设备加热后通过主进气管道进入副进气管道，副进气管道内的压缩空气经支进气管道进入进排气系统，进而控制气缸内的活塞的左右滑动，同时带动轴系统中的中间轴转动。

上述方案中优选的是，所述气缸为六个，三个为一组通过两个末端端盖固定在上箱体的两端，并且相对中间轴呈环形径向均布排列。

上述方案中优选的是，所述主进气管道通过管接头与副进气管道连接，副进气管道为两根，每一根副进气管道上设有三根支进气管道。

上述方案中优选的是，所述支进气管的一端连接在副进气管道上，另一端连接在气缸的顶部。

附图说明

图1为按照本发明的气动车辆的总体结构示意图；

图2为按照本发明的气动车辆的图1的控制装置的结构框图；

图3为按照本发明的气动车辆的图1的旋转式发动机整体结构示意图；

图4为按照本发明的图3的旋转式发动机的正面剖视图；

图5为按照本发明的图3的旋转式发动机的侧面剖视图；

图6为按照本发明的图3中发动机本体的立体图；

图7为按照本发明的图6的正面剖视图。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。下面结合说明书附图对本发明气动车辆的具体实施方式作进一步的说明（在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。）。

现在参考附图，图1（粗实线为管道，细实线为电路，箭头方向为气体流向）描述了根据本发明的气动车辆的总体结构的优选实施例。如图1所示，气动车辆包括车身10、支撑在车辆框架上的底盘（未示出）以及连接在车轴（未示出）上的多个车轮（未示出）。支撑在前端车轮处的是空气动力发动机，优选旋转式空气动力发动机90。车辆框架的底盘上装有气罐组30，气罐组30包含多个高压储气罐，其通过加气管道与加气站接通，以便为旋转式空气动力发动机90提供所需的高压压缩空气；旋转式空气动力发动机90上连接有永磁发电机80，将利用旋转式空气动力发动机90的转动动能发电，并将发出的电能送入蓄电池单元中，该蓄电池单元优选大功率镍氢电池电容器50；所述永磁发电机80与车载电动机70连接，将永磁发电机80产生的电能转换为机械能，产生的动力输入到车辆的驱动装置中，驱动车辆行驶；气罐组30的出口处连接有恒压罐400，将气罐组30内的高压压缩空气进行减压；所述恒压罐4000与等离子加热装置60连接，以对进入其中的压缩空气进行增压和升温。

本发明的车轴优选地具有内部中空结构和外部圆柱形的形状，以通过例如是花键、销的形式与多个径向车载空压机20连接。本发明的车载空压机20可根据设计需要采用一个、二个、三个、四个等，在优选实施例中，结合图2所示，采用了两个相同结构的车载空压机20。车轴进一步连接有制动单元22，以在车辆制动时为车辆提供制动。车载空压机20可根据车辆工况和驾驶员的操作进行工作和停止，以充分利用车辆的制动、滑行、减速等运动来对旋转式空气动力发动机90所排出的气体进行循环利用。

进一步参考图1，将详细描述气动车辆的工作过程。气罐组30存储压力为20MPa~45MPa之间的高压压缩空气，优选地为30MPa。气罐组30通过加气管路（未标记）与外部加气设备连接，以从压缩空气加气站或外部高压气罐获得所需的压缩空气。气罐组30上设有监测罐内压缩空气压力和容量的压力表和流量表。从气罐组30出来的高压压缩空气经设有单向阀的管路进入到恒压罐4000，并在恒压罐4000内得到一定程度的减压。恒压罐400通过储气罐管路连接到等离子加热装置60中。经过减压后的高压压缩空气在等离子加热装置60内进行加热，以提高压缩空气的压力和温度。等离子加热装置60为一种综合加热装置，其内部具有容纳空气的空腔，空腔内设有依靠大功率镍氢电池电容器50供电的电加热器，以直接对空腔内的空气进行加热，从而将压缩空气的温度提高到例如是400℃左右。在等离子加热装置60上设有可控制开/闭的等离子辅助加热控制阀18，该等离子辅助加热控制阀18是可控的开关阀，其根据控制装置11发出的控制指令开启或关闭，以调节等离子加热装置60内部的压缩空气的温度。

经过等离子加热装置60加热调节后的压缩空气经稳压罐（未示出）稳压后再经管路连接到过滤干燥器（未示出），经过滤干燥器（未示出）干燥后的压缩空气经管路送入流量控制单元16。流量控制单元16受控制装置11控制，以根据旋转式空气动力发动机90的工况和驾驶员的操作来确定流量控制单元16的开度和开启时间，从而调节进入旋转式空气动力发动机90的压缩空气量。进入旋转式空气动力发动机90的压缩空气驱动其中间轴转动，进而来自旋转式空气动力发动机90的动力传递到气动车辆的车轮，从而驱动车辆行驶。旋转式空气动力发动机90与永磁发电机80的转轴可转动地连接，进入旋转式空气动力发动机90的气缸中的压缩空气压强增大，排出的气体输入到车载空压机20中循环使用，进而气缸内的气体膨胀推动旋转式空气动力发动机90做功，输出的动力带动永磁发电机80发电。永磁发电机80发出的电经变频装置（未示出）转变为直流电存储在大功率镍氢电池电容器50中，以供车辆的其他用电单元（电动机、等离子加热设备等）使用。

由于该发明中的旋转式空气动力发动机90的动力源为清洁的压缩空气，因此从旋转式空气发动机90排出的气体仍旧为清洁的空气，从旋转式发动机90排出的气体排到车辆的尾部被车载空压机20吸收，车载空压机20由可控开关控制的直流电机带动，以对回收的气体增压。经过车载空压机20压缩后的气体其压力得到显著的增加，通常能达到5 MPa 以上。

当车辆处在下坡状态时，车轮轮毂产生动力驱动车载空压机20运行，车载空压机20对内部气体进行压缩，车载空压机20向气罐组30补充压缩气体，或者当车内气罐组30缺少气体，而周围又没有加气站时，该气动车辆利用车内永磁发电机80发出的电带动车载空压机20压缩空气向气罐组30补充压缩空气，使汽车行驶稳定。

在恒压罐4000与旋转式空气动力发动机90之间，还设有便于旋转式空气动力发动机90迅速起动的压缩空气供应通路（以下称起动通路）。该起动通路包括起动控制阀（未示出）、压力补偿管路（未示出）、高速压力补偿器15和管路（未示出）。在气动车辆起动时，经恒压罐4000减压后的压缩空气经过起动控制阀直接进入压力补偿管路，经高速压力补偿器15压力补偿后，直接进入等离子加热装置60中进行加热；经等离子加热装置60加热后的气体进入旋转式空气动力发动机90的各个气缸，从而快速起动旋转式空气动力发动机90。由于起动通路管路短、送入的压缩空气压力大，旋转式空气动力发动机90能迅速起动，提高了气动车辆的起动性能。当旋转式空气动力发动机90正常起动后，起动控制阀关闭起动通路，恒压罐4000与气罐组30的储气罐管路连通，压缩空气开始正常地供应旋转式空气动力发动机90。

接下来参考图2。气动车辆设有控制装置11，以根据气动车辆的工况和驾驶员的操作对气动车辆进行控制。如图1和图2所示，控制装置具有多个输入，加速踏板信号Acc、发动机转速Ne信号、车辆速度信号、制动信号以及由安装在等离子加热装置60上的温度传感器测量的温度信号。多个输入信号输入控制装置11后经控制装置11处理后发出控制流量控制单元16的控制指令，流量控制单元16根据控制指令确定自身的开度大小和持续打开时间，从而控制压缩空气进气量。

控制装置11的具体结构如图2所示。控制装置11包括数据单元12、起动模块14、空气喷射模块13、加热模块17、制动模块21、压缩机模块19。数据单元12接收外部输入信号Acc、车辆速度信号、发动机转速Ne，这些信号经数据单元12处理后，送往空气喷射模块13和压缩机模块19。空气喷射模块13向流量控制单元16发出指令，以控制流量控制单元16的开度和持续开启时间，经流量控制单元16流通的适当量的压缩空气进入旋转式空气动力发动机90，从而完成旋转式空气动力发动机90的供气过程。当传感器检测到加速踏板下压即Acc信号时，数据单元12将Acc信号送入空气喷射模块13，空气喷射模块13使得流量控制单元16开启到适当程度，一定流量和压力的压缩空气经过流量控制单元16进入旋转式空气动力发动机90，从而使旋转式空气动力发动机90输出适当的功率。

制动信号响应驾驶员的制动操作，当制动模块21接收到制动信号时，制动模块21发出控制制动单元22的指令，制动单元22操作，车轮制动。同时，制动模块21促动压缩机模块19向车载空压机20发出启动工作指令，车载空压机20开始工作，以从大气环境中吸入过滤的清洁空气并压缩，以向气罐组30充气。当旋转式空气动力发动机90的转速Ne降低到设定值（比如怠速转速）时，压缩机模块19向车载空压机20发出停止工作指令，车载空压机20停止工作。当车辆下坡或滑行时，压缩机模块19发出启动车载空压机20工作的指令，车载空压机20继续向气罐组30供应压缩空气。当气罐组30的压力过低时，即反映气罐组30内压缩空气容量的储气压力信号（未示出）过低时（例如压力低于3MPa时），压缩机模块19接收到此信号时，即可向车载空压机20发出启动工作的控制指令，车载空压机20工作。

当车辆起动时，起动模块14接收到起动信号，起动模块13连通起动通路，高速压力补偿器15工作，旋转式空气动力发动机90迅速起动。控制装置11还包括控制等离子加热装置60工作的加热模块17，当等离子加热装置60内的压缩空气的温度超过设定阈值时，加热模块17发出关闭等离子辅助加热控制阀18的指令，进而控制压缩空气温度控制在阈值温度范围之内。在示例性实施中，本发明的阈值温度设置为400℃。根据气动车辆设计需要，压缩机模块19还可以控制气体回收和增压回路。比如在发动机怠速或低速低负荷运转时，可通过控制可控开关（未示出）的断开，来切断气体回收和增压回路的工作。

数据单元12还控制电池管理模块23，进入旋转式空气动力发动机90的气体膨胀推动其做功，输出的动力主要供永磁发电机80使用，由机械能转化为发电机发出的电能，随后被镍氢电池电容器50储存，供车载用电设备25（电动机、等离子辅助加热控制阀18等）使用。

该气动车辆采用低转速发动机带动低转速发电机来发电，发出来的电能供车上的电力设备使用的同时，主要是用来带动电动机驱使车的运动，此系统的优点是只需消耗少量的气体就可以保证车辆行驶很远的距离，也就是说耗气少、里程大、环保等优点。

另外，本发明还提供了一种旋转式空气动力发动机。接下来参考图3和图4为本发明的旋转式发动机的结构示意图。如图3、图4所示，旋转式发动机，其包括：发动机本体100、进排气系统300、气缸102、轴系统40、末端端盖202、上箱体203、油底壳205、支进气管道206、主进气管道208和润滑系统500，还包括副进气管道207，当发动机的油门打开，压缩空气经过加热设备加热后通过主进气管道208进入副进气管道207，副进气管道207内的压缩空气经支进气管道206进入进排气系统300，进而控制气缸102内的活塞112的左右滑动，同时带动轴系统40中的中间轴转动。

进一步参考图3-图5，发动机本体100通过螺栓201连接在上箱体203上，并与油底壳205通过螺栓密封性连接，其中轴系统40与气缸102的外部通过固定盘101连接在一起，并通过末端端盖202固定在上箱体203上。储气罐中的压缩空气在加热装置加热后通入主进气管道208中，进入主进气管道208后的压缩空气会进入副进气管道207中暂存，随后副进气管道207内的压缩空气会根据进排气系统300和轴系统40的控制通过支进气管道206进入气缸102中，做功完成后的气体通过上箱体203侧壁上的排气孔209排出。气缸102为六个，三个为一组通过两个末端端盖202固定在上箱体203的两端，并且相对中间轴（未示出）呈环形径向均布排列。主进气管道208通过管接头204与副进气管道207连接，副进气管道207为两根，每一根副进气管道207上设有三根支进气管道206，支进气管15的一端连接在副进气管道207上，另一端连接在气缸102的顶部。

上述的气缸102以轴系统40上的中间轴（未示出）对称，左边的气缸组按顺时针看为1#气缸、2#气缸和3#气缸；右边的气缸组按顺时针看为4#气缸、5#气缸和6#气缸。

现在参考图6和图7，图6描述了根据本发明的发动机本体100的结构示意图。发动机本体100包括气缸102、气缸杆104、活塞112、排气凸轮105、滑道108、进气凸轮118和轴系统40。气缸102为六个，三个为一组通过两个末端端盖202固定在上箱体203的两端，并且相对中间轴（未示出）呈环形径向均布排列，所述末端端盖202通过卡簧103固定在中间轴的两端，并且在末端端盖202与中间轴之间设有轴承。横向相邻的两个气缸102的气缸杆104通过滑道108连接在一起，进而将相邻的两个气缸102连接在一起。气缸杆104的一端通过活塞112的连接置于气缸102的活塞腔内，另一端穿过固定盘101上圆孔通过气缸杆固定螺母113与滑道108上的滑枕114相连。固定盘101安装在轴系统40的中间轴上，并且在固定盘101与中间轴之间设有固定轴承107。排气凸轮105和进气凸轮118通过凸轮固定螺钉106固定在中间轴41上。气缸102进排气时，气缸杆104在活塞112的推动下在活塞腔内左右滑动。由于气缸杆104的另一端与滑道108上的滑枕114连接在一起，滑枕114夹持在轴系统40中的V型滑道轴（未示出）上，因此气缸杆104左右滑动时产生的推力推动V型滑道轴的凸起侧面，进而将该推力转变成径向的旋转力，使V型滑道轴旋转，最终带动中间轴旋转，从而产生动力。

如图7所示，滑道108为两端90度折弯的槽型体；或采用切割工艺切割成的槽型体；或选用焊接方式焊接成的槽型体。槽型体的主体面的中部开有矩形孔，矩形孔的两端加工成半圆形；两端折弯部分的中部开有半圆孔，其上部开有螺纹孔。滑道108上通过滑道螺栓110连接有滑枕114，螺栓110上设有滑道轴承109，滑道轴承109的底部设有滑道轴承固定座111，滑道轴承109置于滑道108主体面的矩形孔中，为了减少滑道轴承109与滑道18的矩形孔之间的摩擦，故将矩形孔的两端加工成半圆形。滑枕114为两端90度折弯的槽型体，槽型体的主体面的上表面开有两个带有螺纹的盲孔，该盲孔用于连接滑道螺栓110；槽型体的主体面的内平面上开有两个销孔，销孔内设有固定销116，固定销116上设有滑轮轴承117，滑轮轴承117与主体面的内平面之间设有垫片115。两个滑轮轴承117置于轴系统40上的V型滑道轴42的两侧，并与V型滑道轴42的V型螺旋状凸起45的侧面接触。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (10)

1.一种气动车辆，其包括：

车身、底盘、车轴以及和车轴连接的多个车轮；

气罐组，其通过加气管道与加气站接通，以便为空气动力发动机提供所需的高压压缩空气；

发电机，其与空气动力发动机连接，将利用空气动力发动机的转动动能发电，并将发出的电能送入蓄电池单元；

恒压罐，其与气罐组连接，将气罐组内的高压压缩空气进行减压；

车载电动机，其与发电机连接，将发电机产生的电能转换为机械能，产生的动力输入到车辆的驱动装置中，驱动车辆行驶；其特征在于，所述气动车辆还包括：等离子加热装置，其与恒压罐连接，以对进入其中的压缩空气进行增压和升温；

控制装置，其根据气动车辆的工况和驾驶员的操作控制流量控制单元。

2.如权利要求1的气动车辆，其特征在于：所述气罐组外接有加气设备。

3.如权利要求1的气动车辆，其特征在于：所述蓄电池单元为大功率镍氢电池电容器。

4.如权利要求1的气动车辆，其特征在于：还包括车载空压机，所述压缩机根据控制装置的指令运行，以在车辆制动、滑行时为气罐组提供高压压缩空气。

5.如权利要求4的气动车辆，其特征在于：所述车载空压机与大功率镍氢电池电容器之间电连接。

6.如权利要求1的气动车辆，其特征在于：所述空气动力发动机和车载电动机置于车辆的前端车轮的车轴上，以方便车辆整体的驱动。

7.如权利要求4的气动车辆，其特征在于：所述车载空压机置于车辆的后端车轮的车轴上，根据车辆行驶的状况压缩空气向气罐组补充高压气体。

8.如权利要求1的气动车辆，其特征在于：所述控制装置包括多个输入和至少一个输出，所述多个输入包括储气压力、加速踏板信号、温度信号和制动信号，所述至少一个输出为流量控制单元操作的控制指令。

9.如权利要求8的气动车辆，其特征在于：所述控制装置还包括数据单元、空气喷射模块、制动模块和压缩机模块。

10.如权利要求1的气动车辆，其特征在于：所述发电机为永磁发电机，其与蓄电池单元之间连接有变频装置。

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