CN105221334B - 一种集风装置 - Google Patents

Abstract

本发明所述之集风装置，其特征在于，当空气进入集风口时，气体在气流通道内不再作直线变向，气流而是沿着圆弧轨道以相同方向进入蓄压部、并在蓄压部内作圆周运动或使蓄压气囊膨胀来完成蓄压、泄压及供压过程，由于集风口通道内的气体不再相互交织碰撞，并且气体在所述圆弧形气流通道由大变小的渐变过程中呈向心力而形成高压态势，使进入蓄压部内的气体的向心加速度得到增强，从而使进入集风口的气体在蓄压部内能够保持最大压力并通过出风口推动增压器叶轮高速旋转，不仅使得增压效果倍增，也使得集风装置的体积大大缩小为原来的1/10‑1/20，极大提高了风力增压的实用性，它的实现将为零能耗的风力增压技术的全面普及打下坚实的基础。

Description

一种集风装置

技术领域：

本发明涉及增压技术特别是零能耗的风力增压技术领域。

背景技术：

目前风力涡轮增压器已经在小范围内得到应用，增压效果十分惊人，由于其属“零能耗”工作，这一技术的全面普及只是时间问题。有关风力增压技术，早期的、专利号为GB2147356A(以下简称“D1”)及近年专利号为CN201210193224.X(以下简称“D2”)的申请，均给出了实现风力增压的方法，相对而言，D2更具体地说明了涡轮的结构及解决了尘沙雨雪天气下如何使增压器正常工作的问题，从而完成了风力增压从理论到实用的转变，目前的应用主要是以D2方案作为蓝本。

现有零能耗增压技术中，对集风装置的构造与增压效果的关系并无具体详述，仅作出一种抽象性的表述，如D2方案在其权利要求书中对集风口的表述为：“1.一种涡轮增压装置，其特征在于，包括：集风装置，所述集风装置为筒状，包括分别位于所述集风装置两端的第一开口和第二开口，以及将所述第一开口和所述第二开口连接起来用于引导气流流过的气流通道，所述气流通道的横截面积随着从所述第一开口向着所述第二开口延伸而减小；”(CN201210193224.X权利要求第一项)而D1方案仅以图示来表明集风装置的大致形状及气流流向，D1方案给出的集风装置是把集风装置分为三个部分：第一部分为“入口部”，第二部分为“中间部”，第三部分为“出口部”，显然D1要求集风装置的横截面积呈缓慢过渡渐变以减少气流间的相互冲击并最大程度保持气流速度和压力，却没有说明解决渐变过程中集风装置体积过大、跨度过长而无法实施的问题，因其“入口部”与“出口部”的跨度过长，一般交通工具(汽车)机仓难以布局，实用性成疑；相比之下，D2方案更具实用性。然而D2也仅对集风装置作出了概括式的形状限定，实际应用中我们发现，如果仅强调集风装置出口与入口之间的横截面积大小、或仅表明其渐进过程，而没有充分考虑气压在通道中的流失问题、及没有论证集风装置内部及外部结构应当设定的形状构造与增压效果及实用性之间的关系，那么风力增压技术在实际应用中就会因效果低劣而失去应用价值。原因在于，根据空气流量与流速的关系学原理：气流量不变的情况下，管道横截面积与流速呈反比关系。理论上第二开口横截面积不变的情况下，第一开口横截面积越大、增压效果越好，实践中第一开口和第二开口的横截面积的比值通常达到10∶1以上其增压效果才会明显，这又带来了另外一个问题：由于气流呈直线方向运动，绝大部分气流在集风装置的锥形管道内会改变方向，如果第一开口横截面积与第二开口的横截面积的比值过大，按D1或D2理论，气流直线变向过程中就会相互作用：斜向流动的气流与直线气流交织冲击、压力相互抵消，并且在第二开口处形成扰流现象，使得第二开口的气压值远低于理论值，增压效果不明显；缩小第一开口与第二开口横截面积之差可以减少气流损失，但因进气量小、增压效果更加低下。而D1中过长的集风装置又脱离了实用性。根据现有技术中对集风装置的描述所设计制作的集风口脱离不了圆锥形筒状或方锥形筒状结构，体积过大而增压效果不理想，实用价值极大降低，我们在实际应用中已经发现了这一问题，亟待解决。

发明内容：

本发明所述之集风装置，其特征在于，当空气进入集风口时，气体在气流通道内不再作直线变向，气流而是沿着圆弧轨道以相同方向进入蓄压部、并在蓄压部内作圆周运动或使蓄压气囊膨胀来完成蓄压、泄压及供压过程，由于集风口通道内的气体不再相互交织碰撞，并且气体在所述圆弧形气流通道由大变小的渐变过程中呈向心力而形成高压态势，使进入蓄压部内的气体的向心加速度得到增强，从而使进入集风口的气体在蓄压部内能够保持最大压力并通过出风口推动增压器叶轮高速旋转，不仅使得增压效果倍增，也使得集风装置的体积大大缩小为原来的1/10-1/20，极大提高了风力增压的实用性，它的实现将为零能耗的风力增压技术的全面普及打下坚实的基础。其特征还在于，包括通过以下技术方案来实现：

所述集风装置，其特征是，它由集风口和蓄压室(蓄气室)两大部分组成。所述集风口第一开口的横截面积大小及形状和第二开口的横截面积大小及其形状可以相同，或者，所述第一开口任意两条相互平行的边长与所述第二开口对应的边长长度相同，使所述第一开口与第二开口之间的气流通道可以呈矩形形状或梯形形状，而不再局限于锥形筒状结构，当所述第一开口与第二开口之间的气流通道呈梯形形状时，可以通过加设导流板从而最大限度地降低气流之间的相互冲击以保持最大进气压力；所述蓄压室，其特征是，它是一种蜗壳结构，所述蓄压室由大风口、小风口、蓄压部、出风口、以及位于大风口和出风口之间的气流通道组成，其中，所述大风口的边长大小及形状与所述集风口第二开口的边长大小及形状一致，所述小风口它的任意两条相互平行的边长与大风口对应的两条边长大小可以相同，包括位于大风口与小风口之间的气流通道，所述大风口与小风口之间的气流通道的横截面积随着从所述大风口向着所述小风口延伸而减小，其特征还在于，大风口和小风口之间的气流通道可以增设导流板以引导气流通过；其特征还在于，所述蓄压部是一种可供气体在其内部作圆周运动的圆柱筒状结构，并有引导气流流向的导向糟，所述蓄压部通过小风口及大风口之间的气流通道与集风口连通，并且所述蓄压部是通过出风口与增压器连通。其特征还在于，所述蓄压室，它的竖截面积最大可以大于集风口第一开口或第二开口的横截面积，以及，所述蓄压室的出风口的横截面积可以小于、大于或等于所述小风口的横截面积；所述集风口及所述蓄压室它们可以是一个连通的整体结构、也可以是一个可拆分的组合式连通结构，以及，其特征还在于：所述蓄压部，它设有泄压孔，所述泄压孔由机械阀门控制开合，所述泄压孔同时也可以作为排水孔使用，当气压过大时，所述机械阀门打开排气、同时将积水排出；其特征还在于，所述蓄压室既可以是流线型蜗壳形状，使气流可以在其中作圆周运动；同时，其特征还在于，所述蓄压室还可以是一种可伸缩或可张合的气囊，通过有限的膨胀来蓄存或提供压力。所述蓄压室其特征还在于，它内部可以设有用于泄压和排水排尘的装置；所述集风装置其特征是，从所述集风口第一开口至蓄压室的出风口之间的气流通道的横截面积是由大→渐变→小→渐变→大的一个过程，空气进入集风口后，经蓄压室的大风口、再经小风口加压后进入蓄压室内作圆周运动或使蓄压室的气囊膨胀以蓄存压力，蓄压室里的高压空气从出风口进入涡轮并推动增压器叶轮工作。

根据气体流速与管道横截面积的关系式“V(流速)＝L(流量)÷S(管道横截面积)”得出：当流量不变时，管道横截面积越小，速度越快，动压越大。也就是说，如果集风口的第一开口与第二开口的横截面积比为10∶1，那么，在气流量不变的情况下，理论上经过第二开口的气流速度就会提升10倍，假设进入第一开口的风速为100km/h，那么理论上气流在进入第二开口的瞬间速度应当达到1000km/h，根据伯努利方程式有关压力与速度的关系式P(kn)＝V²(m/s)÷1600计算，其所产生的气压值从最初的0.0047个大气压提升到0.47个大气压，气压值陡升100倍；但根据D1或D2方案所制作出来的集风装置其对风力的利用率不足30％，效率极为低下，主要原因在于在集风口内部变向的气体占了绝大多数，直线运动的气流与集风口内两边斜线运动的大量气流相互间产生很大的冲击，致使气压在作用于增压器前已被大量消耗，而且由于集风口内变向过大，大量气体在第二开口部分会产生很大的扰流现象，类似于瓶颈效应，唯一的办法是在集风口内部加装一定数量的导流板以减少气体之间的交叉作用，但这只是稍为提高了对风力的利用率，因为对于变向过大的集风口而言，导流板除非足够密集否则气流变向造成的压力损失始终难以改变，而导流板过于密集除了增加集风装置的成本外，也还是不能解决集风口体形过大而降低实用性的问题。我们通过将集风装置分为集风口和蓄压室两个部分很好地解决了这一困扰多年的难题，集风口不再呈锥形筒状结构，集风口而是可以是矩形形状，使得进入集风口的气压不会受到任何损失，而当气体进入圆周运动，其在各点面的运动方向是一致的，再由于向心加速度在存在，气压损失很小，从而保证了增压器对风力的利用率达到了惊人的90％以上，技术上为零能耗的风力增压技术的全面推广铺平了道路。

有益效果：

本发明所述之集风装置解决的问题及其作用如下：

1、解决了集风装置体形过大、安装困难的问题

由于D1和D2文献对集风装置仅作出了抽象性的描述，根据该描述所能想象到的集风装置的形状摆脱不了圆锥形或方锥形(金字塔形)的筒状结构，由于其跨度过大，在具体的实践中出现布局困难、甚至只能通过改变交通工具的外观来强免安装的情况，实用性受到限制；本发明所述之集风装置，体积及外形更加轻便和小巧，完美解决了上述难题，使集风装置的形状结构更趋丰富及合理化，极大提高了易用性，意味着风力涡轮增压器的安装更加随心所欲、实用性更强、更易于全面推广。

2、解决了风力利用率低下的问题

锥形筒状的集风装置，不仅体积偏大、跨度长、布局困难，而且从不同方向汇入的气流交织冲击，造成很大压力损失，据测算，按D1或D2方案设计的集风装置，气流从集风装置的第一开口(入口部)进入直到从第二开口(出口部)流出，气压损失在60％以上，特别当气体高速涌向第二开口(入口部)时，产生很大的扰流现象，使涡轮增压器对风力的利用率极为低下；本发明所述之集风装置，使进入集风口第一开口的气流自始至终在各点面上保持相同轨迹运动、气流之间互不干扰，并通过蓄压室加压后汇集于出风口推动增压器工作，其对风力的利用率高达90％以上，有效解决了使用风力增压的交通工具低速增压不足的难题。

3、解决了集风装置难以标准化生产的问题

风力增压技术推广两年多来，标准化生产一直受到集风装置的制约，因为按D1或D2的方案或设想，由于集风装置第二开口与增压器进气口连接、其大小与增压器进气口大小一致，在保证增压效果的前提下，只能通过集风装置第一开口来调整风力，整体形状及大小难以改变，导致不同车辆的安装需要制定不同的设计标准，而且体形过大，使产品成本和安装成本大大增加而且推广难度极大。本发明所述之集风装置的实现，使得集风装置不再局限于锥形筒状结构，不仅让集风装置的标准化生产成为现实，也将使风力增压器的增压效果提升到了一个全新的高水平。

4、促进节能环保事业的健康发展

由于以上问题的解决，风力增压技术将在未来成为主流，不论是在燃油或燃气动力时代，风力增压技术的零能耗效果都将使用户受益，同时也将为环境保护作出其不可替代的独特贡献。

附图说明：

图1是D2方案的集风装置及气体流向俯视平面图。

图2是现有集风装置在加装导流板后的俯视平面图。

图3是D1方案的集风装置俯视平面图。

图4是本发明所述的集风装置侧视立体结构图。

图5、图6是集风口的侧视立体结构图。

图7是蓄压部侧面立体结构图。

图8是本发明所述之一种可伸缩的集风装置俯视平面图。

图9是集风口侧视立体结构图。

图10是集风口正面立体结构图。

图11是本发明所述的集风装置及气流运动的俯视平面图。

图12是本发明所述的集风装置侧视立体结构图。

图13是本发明所述的集风装置横截面图。

图14是本发明所述集风装置横截面及气流运动图。

图15是不同集风装置实用性对比平面图。

具体实施方式：

下面通过实施例说明本发明所述之集风装置的安装、蓄压原理及其非凡的实用性效果：

首先，我们先通过图例来说明现有技术中D1和D2方案存在的问题，以便更清晰的对比本发明所述的集风装置存在的不同技术特征。

图3为根据D1方案的设想，它把集风装置分为三个部分：进气部11、中间部12、出气部13，其中出气部13与增压器6连接，可以看出，进气部11的横截面积比出气部13的横截面积大很多，为减少进气损失，只能延长进气部11到出气部13的气流通道，通过管道截面积渐变来保持或有效提升气流速度，但却付出了集风装置体形太大的代价，在实践中很难实施。图1为根据D2方案的设想，其中集风装置7没有了“中间部”的过渡，而是直接从第一开口1向第二开口8变向，虽然第一开口1与第二开口8的距离变小了，但从中看出，直线气流与斜线气流在气流通道右侧3和左侧2相互冲击，致使大量气体的流速减弱，并且斜向流动的气体在增压器6的进气口左侧4与右侧5的位置与中间气流产生冲击而变成了扰流，严重削弱了进气速度和进气压力。可见，按D2原有的设想，集风装置的实用性不强，而D1因体形过大而基本上失去了实用价值。图2是我们实践中在D2方案的基础上为集风口增加了导流板10，从中看出，增加导流板后，气体之间的交叉作用减少，实践中发现增压效果明显提升，其效果无疑要比D1强很多，但集风装置也因此而变得笨拙和增加了制作成本，更重要的是，加装了导流板只是相对提升了进气压力，却无法解决集风装置体形过大、安装麻烦的问题，实用效果仍有待提高。

图4是本发明所述的集风装置，本实例中集风口14和蓄压室15是一个可拆分的组合式结构，所述集风口14和蓄压室15组合后如图12所示；所述集风口类似于图5、图6，图5中集风口第一开口19的边长和截面形状与第二开口18的边长及截面形状一致，整个集风口呈矩形筒状，而在图6中，第一开口19的其中两条边长要大于第二开口对应的两条边长，使得整个集风口呈渐扁的梯形筒状结构，由于图6中第一开口与第二开口对应的另两条边长仍相等，其进气效果仍优于锥形筒状结构，只要加装少量导流板(如图10所示的导流板10)，那么图6的进气效果就与图5的效果相当或甚至更好，设计方案视发动机排量大小而定；相比之下，图5的集风口理论上根据安装需要从第一开口到第二开口之间的气流通道可以无限缩小，而图6中的集风口则视第一开口大小来确定导流板数量，第一开口到第二开口之间的气流通道仍可维持在5cm之内；图4、图7所展示的为蜗壳形状的蓄压室结构，图8则是一种气囊式蓄压室，当空气进入集风口后，蓄气囊21根据发动机所需进气量大小自动张合，当发动机气门开度小、则蓄压室压力增大、蓄气囊膨胀，反之蓄气囊则缩小，气囊蓄压室与蜗壳式蓄压室一样可以无损耗地维持气压的存在并根据发动机需要及时提供足量的进气压力，蜗壳蓄压室及气囊蓄压室的出气口20都可以视需要设定在蓄压室的任何一个位置上，如气囊蓄压室的出气口20可以位于20a、20b、20c、20d等位置，图9说明了集风口的基本形状，当第一开口19大于第二开口8时，可以加装导流板10以引导和使气流保持最大速度和压力进入蓄压室，与蜗壳蓄压室相比，气囊蓄压室所占用的空间更小、更易于安装。本文主要介绍蜗壳蓄压室集风装置的具体实施方式。

如图11所示，空气进入集风口14后，气体在蓄压室内作高速向心圆周运动，气流形成的向心力把集束高压空气通过出气口20输送入增压器6推动叶轮工作；图13和图14则进一步说明了所述集风装置气体的流向及蓄压原理，其中大风口和小风口之间的气流通道可以呈360度以上的圆弧延伸，从图14可以看出，当空气进入集风口14后，气体在导流板10的引导下会以几乎相同的方向进入蓄压室15的大风口22和小风口23之间的圆弧气流通道，并且在小风口23处形成最大压力，并且无论在任何情况下，进入小风口的气流25与蓄压部内作向心运动的气流24永远保持同一方向，从而最大限度保证了气压的稳定性。实践中，我们通常把大风口的横截面积与小风口的横截面积设计为30∶1(实际上可以设计为100∶1以上)，根据气流量、流速、压强及管道横截面积之间的关系公式，按照管道渐变的比例，在流量不变的情况下(如汽车匀速100km/h)，计算出当大风口22进气速度为100km/h时，小风口22位置的气流速度将接近3000km/h，为音速的2倍以上，产生的压力超过4个大气压，但是小风口22出现的压力值并不代表增压器产生的压力，它只表明了蓄压部26所能蓄积的最高压力值，在实践中，由于发动机不停地消耗进气压力，所以蓄压部26内的气压很难维持到最高，在气流量不变而发动机需气量下降时增压器叶轮转速同步下降，这时候蓄压部26的压力才会攀升，而当发动机加速时增压叶轮转速同步上升，蓄压部的压力又会下降到正常水平，即便如此，由于汽车行驶过程中发动机不停变换工况，蓄压部的压力通常都保持在1.0-1.5个大气压力(视蓄压部容积而定)，足以推动增压叶轮以超过30000r/min的速度旋转，足以为发动机提供有效的进气压力，若不考虑增压器本身的技术和工艺因素，单就所述集风装置对风力的利用效果而言，其对发动机提供的进气压力与工艺复杂而价格昻贵的废气增压器所产生的增压效果相比毫不逊色。而我们根据D2方案制作的集风装置，在第一开口和第二开口的横截面积比为30∶1时，气流量不变的情况下，第二开口产生的气压值仅相当于第一开口进气压力的10倍左右，即表明原有的集风装置对风力的利用率不足或仅为30％左右，加装导流板后气压值在原有基础上会提升5％左右，可见锥形筒状的集风装置如果第一开口与第二开口横截面积的比值过大，导流板的作用同样极为有限。本实施方式中省略了位于蓄压部26内壁应设有的导向糟，导向糟的作用是使得作圆周运动的气流可以按既定的路线推进，根据出风口22所处的位置来设定导向糟的方向，理论上会一定程度提升蓄压部26气流的输出速度，但因蓄压部的空间通常设计得很小，高压气流向低压方向输出的速度本来就很快，导向糟的积极作用更多体现在理论上，实践中则因工艺成本等因素可能忽略导向糟的设计，在此不表。虽然本发明所述的集风装置实现了对风力利用率的最大化，但在实际应用中进气压力对发动机的影响还需要考虑到进气管道长度和管径大小、以及考虑到增压器本身的设计及工艺因素，如果进气管道过长或过大，或增压器本身存在设计缺陷，同样会削弱或分散从蓄压部26输出的压力，但这不属于本说明讨论的范畴。

本发明所述的集风装置不仅解决了现有集风装置对风力的利用率低下的问题，集风装置的体形也因此而大大缩小，如图15所示，我们根据实际尺寸的缩放比例大小可以看出，本发明所述的集风装置29，其大小为D1方案的集风装置27大小的1/10以上，也比D2方案的集风装置小了很多，只占用发动机仓很小的空间，说明本发明所述的集风装置在设计、生产及安装环节均可轻易实现标准化，对风力增压技术的全面推广将起到决定性作用。

Claims (4)

1.一种集风装置，它由集风口和蓄压室组成，其特征在于，所述集风口，它由第一开口和第二开口、以及位于第一开口和第二开口之间的第一气流通道组成，所述第一开口的横截面积大小与所述第二开口的横截面积大小相等，或者所述气流通道的横截面积随着从所述第一开口向着所述第二开口方向延伸而大小保持不变；其特征还在于，所述蓄压室，它由大风口、小风口、蓄压部、出风口、以及位于大风口和出风口之间的第二气流通道组成，所述第二气流通道的横截面积随着从所述大风口向着所述小风口延伸而减小，并且，所述第二气流通道的横截面积随着从所述小风口向着蓄压部延伸而增加；所述蓄压部是圆柱形筒状结构，使得所述蓄压部内部气流作向心运动，所述蓄压部还设有泄压孔，所述泄压孔设有阀门，以及，所述蓄压部它的竖截面积大小与所述集风口的第一开口的横截面积大小相同；所述集风装置，其特征还在于，所述集风口内部的气流从所述第一开口向所述第二开口流动的方向不改变、气流速度无损耗进入蓄压室，使位于所述大风口与所述小风口之间的第二气流通道内的气体形成高压态势并在蓄压部内部作圆周向心运动，所述蓄压部内的高压空气再经所述出风口进入增压器并推动增压叶轮工作。

2.根据权利要求1所述的集风装置，其特征在于，所述集风口、蓄压部及其泄压孔、出风口、以及位于大风口与小风口之间的第二气流通道，它们是一个整体连通结构，同时，它们也是一个可拆分的组合式连通结构。

3.根据权利要求1所述的集风装置，其特征在于，所述大风口与小风口之间的第二气流通道增加导流板来引导气流通过。

4.根据权利要求1所述的集风装置，其特征在于，所述蓄压部还是一种可伸缩和可张合的蓄气囊，当压力增加时，所述蓄压部产生膨胀以蓄存压力，当压力减弱时，蓄压部的体形也会相对缩小。