CN104295322A - 一种采用螺旋杆传动的气动发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用螺旋杆传动的气动发动机，属于新能源气动发动机领域。该装置包括螺旋杆传动机构和大缸径气缸两部分，螺旋杆传动机构位于气缸上方，螺旋杆传动机构包括两头螺纹旋向相反的螺旋杆，齿轮，单向轴承，螺栓，单向轴承的内圈和螺旋杆的外螺纹接触，单向轴承的外圈由螺栓固定在齿轮的侧端面，螺旋杆受活塞的推拉运动，螺旋杆的上下移动分别通过单向轴承对齿轮作用使其对输出轴做功。本发明降低了储气罐内气压变化对发动机输出的影响，同时利用大气压做功，提升了压缩空气的能量利用率，提高了气动发动机的经济性和效率。

Description

一种采用螺旋杆传动的气动发动机

技术领域

本发明涉及一种采用螺旋杆传动的气动发动机，属于新能源气动发动机领域。

背景技术

内燃机的出现极大的推动了人类社会的进步。但是，随着汽车飞快的走进了普通人家，能源问题和环境问题不断凸显，世界上的国家都开始并已经在新能源汽车领域取得了成果，我国在电动汽车和混合动力汽车都已经有了具有自主的知识产权的成果，但是在压缩空气动力的气动汽车的研发上是刚刚起步。

气动发动机是指使用压缩空气或者液氮作为动力来源，驱动汽车行驶，可以说是零排放的汽车。但是单纯的气动发动机工质膨胀吸热导致气缸壁、气缸盖等部件温度降低，甚至结霜，具有输出功率小、能量利用率低下的缺点。

现在的气动汽车大多采用活塞式气动发动机，压缩空气在气缸内膨胀推动活塞做功，在曲轴、飞轮的惯性力的作用下回程排气，压缩空气每次膨胀做功都要克服大气压力甚至更高的压力，能耗较大。

研究表明，提高压缩空气进入气缸的压力，增大压缩空气膨胀过程中的换热量，可以极大的提高压缩空气的膨胀效率，提高气动汽车的行驶里程。

因此需要一种新型的传动系统来匹配高压气体在气缸内的膨胀特性，并且该发动机要提高能量利用效率和输出功率。

发明内容

本发明旨在提供一种采用螺旋杆传动的气动发动机，包括一种新型的传动机构，降低了储气罐内气压变化对发动机输出的影响，同时利用大气压做功，提升了压缩空气的能量利用率，提高了气动发动机的经济性和效率。

本发明提供的一种采用螺旋杆传动的气动发动机，包括储气罐、膨胀气囊、气缸、活塞、换热液、轴承、齿轮、螺旋杆、输出轴；所述气缸内部设有膨胀气囊，气缸内装有换热液，膨胀气囊位于换热液之间，换热液上方设有活塞，活塞中心连接螺旋杆，所述螺旋杆的两端螺纹旋向相反，螺旋杆下端设有第一单向轴承，螺旋杆上端设有第二单向轴承，第一单向轴承左端连接第一齿轮，第一齿轮与第一对滚珠轴承配合定位；第二单向轴承左端设有第二齿轮，第二齿轮与第二对滚珠轴承配合定位；第二齿轮和第一齿轮分别与输出轴上的第三齿轮、第四齿轮啮合；第一齿轮和第三齿轮啮合，第二齿轮和第四齿轮啮合分别通过平键将扭矩传递到输出轴上；所述膨胀气囊与储气罐连接，膨胀气囊两端分别设有进气阀和排气阀。

所述第一单向轴承内圈和螺旋杆的外螺纹接触，第一单向轴承外圈和第一齿轮通过螺栓固定；第二单向轴承内圈和螺旋杆的外螺纹接触，第二单向轴承外圈和第二齿轮通过螺栓固定。

所述活塞上方靠近气缸壁设有导向杆，活塞上下移动过程中不发生偏移。导向杆的作用是防止活塞以及螺旋杆在运动过程中发生相对位移。

本发明中，滚珠轴承的作用是为了固定齿轮和输出轴，并减小其转动阻力。

作为另一种优选的实施方式，所述换热液内部设有换热管，换热管与热源连接。此处热源可以是废弃的热源，有利于资源的综合利用。

换热管固定在气缸上，其作用是将传统内燃机或其他方面的废热通过换热管对换热液进行加热。

本发明的工作原理：（1）该气动发动机工作分为进气膨胀和排气回程两个冲程。进气膨胀冲程的动力由高压气体在气囊内膨胀来提供，膨胀过程中，气体通过气囊和换热液进行换热，使气体的膨胀接近等温膨胀，推动活塞上移；排气回程冲程的动力由大气压作用在活塞外表面来提供，大气压作用在活塞外表面，推动活塞回程，活塞带动螺旋杆上下移动，两个单向轴承的内圈分别旋套在螺旋杆两头，并且螺旋杆两头的螺纹旋向相反，螺旋杆的上下移动分别通过第一单向轴承和第二单向轴承的内圈对输出轴做功。

（2）该发动机采用螺旋杆传动，所述的螺旋杆受活塞作用只做往复的推拉动作，在推程和拉程均可输出功率，并且不要求推程或拉程达到一个精确长度，可以允许推程或拉程在行程极限范围内有较大的波动。螺旋杆推拉时，通过单向轴承驱动齿轮旋转，所述螺旋杆两头螺纹旋向相反，使螺旋杆在推程只能扭转一个单向轴承内圈，在螺旋杆拉程，扭转另一个单向轴承内圈，并且两个单向轴承内圈旋转方向一致；通过齿轮传动，将螺旋杆的推、拉动作通过单向轴承内圈所产生的扭矩集中到同一根输出轴上，使输出轴在螺旋杆往复运动的过程中具有连续稳定的功率输出。

（3）本发明采取大缸径气缸，所述活塞面积较大，大气压力作用在活塞外表面的压力除了提供回程力，还可以提供较大的功率输出，所述大缸径气动发动机活塞每次往复利用大气压做功一次，极大地提高了能量利用效率。

本发明的具体操作过程为：所述大缸径气动发动机，使高压气体在膨胀气囊内膨胀，通过挤压换热液将压力传递至活塞内表面上，推动活塞上移，在膨胀过程中吸收换热液的热量，使膨胀气体接近等温膨胀，提高膨胀效率，活塞上移过程中推动螺旋杆上移，通过一个单向轴承对齿轮作用使其对输出轴做功；活塞回程时，由于膨胀气囊自身的弹性变形和换热液的重力作用，将膨胀气囊内的气体排出，活塞外表面受到大气压向下的压力，带动螺旋杆下移，通过另一个单向轴承对输出轴做功；输出轴在螺旋杆往复运动的过程中具有连续稳定的功率输出。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用大缸径气缸，降低了高压气体在气囊内膨胀的终了压力，提高了压缩气体的能量利用率；

（2）在活塞和气囊之间加入高温的换热液，不仅可以为气体膨胀提供热量，使膨胀过程接近等温膨胀，还可以在气囊排气时由换热液的重力和膨胀气囊的弹性作用将气囊内的气体快速排出，气缸内产生瞬间的真空，大气压作用在活塞表面产生较大的回程力并拉动螺旋杆再次做功，提高了气动发动机的经济性和效率；

（3）该发动机采用螺旋杆传动机构，降低了储气罐压力变化对发动机性能的影响；同时，该传动机构将活塞的往复运动转变成旋转运动，使得活塞可以在低速、行程长度不稳定的工作环境下平稳连续的输出功率；

（4）本发明采取螺旋杆机构，在推程和拉程均可输出功率，并且不要求推程或拉程达到一个精确长度，避免了采用曲轴的传动方式所带来的对活塞运动速度及行程长度的精确要求，允许推程或拉程在行程极限范围内有较大的波动；相对于传统的曲轴传动方式，本发明螺旋杆机构降低了对气缸内进气量、进气压力的要求。

（5）该气动发动机可以和普通汽油机或柴油机配合使用，换热液的热量可以由传统内燃机的尾气或其他方面的废热通过换热管来提供，可以起到回收利用废热的效果。

附图说明

图1为气动发动机的装配示意图。

图2为第一单向轴承的主视图。

图3为图2的俯视图

图中：1-排气阀；2-膨胀气囊；3-换热液；4-气缸；5-活塞；6-螺旋杆；7-第一齿轮；8-第一单向轴承；9-第一对滚珠轴承；10-第二齿轮；11-第二单向轴承；12-第二对滚珠轴承；13-输出轴；14-第三滚珠轴承；15-平键；16-第三齿轮；17-第四齿轮；18-导向杆；19-换热管；20-进气阀；21-储气罐。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

如图1~3所示，

一种采用螺旋杆传动的气动发动机，包括储气罐21、膨胀气囊2、气缸4、活塞5、换热液3、轴承、齿轮、螺旋杆6、输出轴13；所述气缸4内部设有膨胀气囊2，气缸4内装有换热液3，膨胀气囊2位于换热液3之间，换热液3上方设有活塞5，活塞5中心连接螺旋杆6，所述螺旋杆6的两端螺纹旋向相反，螺旋杆6下端设有第一单向轴承8，螺旋杆6上端设有第二单向轴承11，第一单向轴承8左端连接第一齿轮7，第一齿轮7与第一对滚珠轴承9配合定位；第二单向轴承11左端设有第二齿轮10，第二齿轮10与第二对滚珠轴承12配合定位；第二齿轮10、第一齿轮7分别于第三齿轮16、第四齿轮17啮合；所述膨胀气囊2与储气罐21连接，膨胀气囊2两端分别设有进气阀20和排气阀1。

所述膨胀气囊2由柔性材料制成，因为柔性材料的弹性性能好。此处的柔性材料可以选择橡胶等材料。

所述第一单向轴承8内圈和螺旋杆6的外螺纹接触，第一单向轴承8外圈和第一齿轮7通过螺栓固定；第二单向轴承11内圈和螺旋杆6的外螺纹接触，第二单向轴承11外圈和第二齿轮10通过螺栓固定。

所述活塞5上方靠近气缸壁设有导向杆18，活塞5上下移动过程中不发生偏移。导向杆18的作用是防止活塞5以及螺旋杆6在运动过程中发生相对位移。

所述输出轴上开有键槽，键槽内安装平键15，螺旋杆6对第二单向轴承11产生的扭矩，通过第二齿轮10传递到第三齿轮16，第三齿轮16的扭矩通过平键15传递到输出轴13对外做功。第一齿轮对输出轴产生的作用与此相同。

    作为另一种优选的实施方式，所述换热液内部设有换热管，换热管与废弃的热源连接。换热管19通过焊接的方式固定在气缸上，其作用是将传统内燃机或其他方面的废热通过换热管19对换热液3进行加热。

本发明中，滚珠轴承的作用是为了固定齿轮和输出轴，并减小其转动阻力。

具体的实施方式为：

（1）打开进气阀20，储气罐21里的压缩空气进入膨胀气囊2，压缩空气通过膨胀气囊2和换热液3进行换热，使压缩空气的膨胀接近等温膨胀，压力通过换热液传递到活塞5的内表面，推动活塞5，活塞5推动螺旋杆6向上运动。

（2）螺旋杆6的上行运动，扭转第一单向轴承8的内圈顺时针转动，第一单向轴承8的内圈带动第一单向轴承8的外圈，单向轴承8的外圈带动第一齿轮7顺时针旋转，第一齿轮7与第三齿轮16啮合传动，带动输出轴13转动；

同时，螺旋杆6的上行运动，扭转第二单向轴承11的内圈，由于螺旋杆6两头旋向相反，第二单向轴承11的内圈逆时针空转。

（3）膨胀过程结束后，打开排气阀1，膨胀气囊2内的气体受气囊的弹性变形力和换热液3的重力作用排出，膨胀气囊2被压扁，大气压作用在活塞5外表面，活塞5下移，拉动螺旋杆6下移。

    （4）螺旋杆6的下行运动，扭转第一单向轴承8的内圈逆时针空转；

同时，螺旋杆6的下行运动，扭转第二单向轴承11的内圈顺时针旋转，第二单向轴承11的内圈带动第二单向轴承11的外圈，第二单向轴承11的外圈带动第二齿轮10顺时针旋转，第二齿轮10与第四齿轮17啮合传动，通过平键15带动输出轴13转动。

（5）输出轴13与第三对滚珠轴承配合定位，第三对滚珠轴承由与第三齿轮配合的第三滚珠轴承14与第四齿轮下端的滚珠轴承（图中未标注）组成，为避免第三滚珠轴承14与第三齿轮16直接接触，中间设有轴套。第四齿轮与轴承之间也是同样的设置。

本发明提供的大缸径气缸，当气缸的直径达到400毫米，活塞表面受到的压力约为为1260kg。

    以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (4)

1. 一种采用螺旋杆传动的气动发动机，包括储气罐、膨胀气囊、气缸、活塞、换热液、轴承、齿轮、螺旋杆、输出轴；其特征在于：所述气缸内部设有膨胀气囊，气缸内装有换热液，膨胀气囊位于换热液之间，换热液上方设有活塞，活塞中心连接螺旋杆，所述螺旋杆的两端螺纹旋向相反，螺旋杆下端设有第一单向轴承，螺旋杆上端设有第二单向轴承，第一单向轴承左端连接第一齿轮，第一齿轮与第一对滚珠轴承配合定位；第二单向轴承左端设有第二齿轮，第二齿轮与第二滚珠轴承配合定位；第二齿轮和第一齿轮分别与输出轴上的第三齿轮、第四齿轮啮合；所述膨胀气囊与储气罐连接，膨胀气囊两端分别设有进气阀和排气阀。

2.根据权利要求1所述的采用螺旋杆传动的气动发动机，其特征在于：所述第一单向轴承内圈和螺旋杆的外螺纹接触，第一单向轴承外圈和第一齿轮通过螺栓固定；第二单向轴承内圈和螺旋杆的外螺纹接触，第二单向轴承外圈和第二齿轮通过螺栓固定。

3.根据权利要求1所述的采用螺旋杆传动的气动发动机，其特征在于：所述活塞上方靠近气缸壁设有导向杆，活塞上下移动过程中不发生偏移。

4.   根据权利要求1所述的采用螺旋杆传动的气动发动机，其特征在于：所述换热液内部设有换热管，换热管与热源连接。