CN107083994A - 气压发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气压发动机，包括旋转外圈、中间轴、直驱动力机芯及左右挡板，所述旋转外圈、直驱动力机芯及左右挡板同轴设置于中间轴上，所述旋转外圈与左右支撑挡板连接为一体，通过轴承与中间轴配合连接，并形成一个封闭的空间，所述中间轴设有进气口和出气口，直驱动力机芯设置有对数螺旋线流道，旋转外圈内环面上设有多个驱动槽，压缩气体从中间轴的总进气孔进入，通过直驱动力机芯的进气流道以对数螺旋线走向角2—15°的角度喷出，作用在外圈的槽面上，产生推力推动旋转外圈，最后压缩气体通过直驱动力机芯的出气流道回到总出气口，实现速度和扭矩连续输出。本发明的气压发动机，结构简单，传递效率高，续航能力强。

Description

气压发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机，主要涉及一种气压发动机。

背景技术

空气污染已成为世界性的环境问题，而汽车尾气排放现已成为世界各大城市大气污染的罪魁祸首，因此，大家都在不停地探索新能源汽车。人类总是有用不完的奇妙点子：电能、氢能、太阳能、风能、核能、生物质能、气体能……其中最引人注目的要数空气动力车了。

空气动力车依靠气压发动机，将压力能转化为机械能，从而驱动车辆前行。早期的气压发动机都是采用了类似蒸汽机的结构，体积庞大、工作效率低，无法满足实际使用需求。当今研究方向是发展结构紧凑，高效可靠的小型气压发动机。目前世界上除中国外有美国、英国和法国等国家在进行气压发动机及气体动力车的研究，大多处于试验即试制阶段，还未有大规模的商业应用。

美国华盛顿大学在美国能源部的资助下，1997年研制了一台以液氮为动力的空气动力原型车。其所使用的空气发动机是有一台旧五缸直列活塞发动机改造的。而美国北德克萨斯州立大学在州现金技术项目基金支持下也开展了液氮动力汽车的研究，利用液氮经过热交换器获得的高压氮气，供给一台叶片式气动马达工作，转化为机械功驱动汽车行驶。载储液罐满载48加仑(约182L)液氮情况下，以20kmph的时速行驶15公里，效率低。

英国伦敦威斯敏斯特大学的C.J.Marquand教授设计了一台试验型的两级偏心叶片式气动发动机，该气动发动机重50KG，工作压力为4.5MPa,采用两级各12个叶片的偏心叶片转子，该气动发动机上应用了热管热交换系统,高压压缩空气在进入发动机前需要在一个长管型铝制热交换器中部分膨胀以吸收由环境空气提供的热量，最终，效率低下仍是该发动机的问题。

1991年，法国工程师Gury Negre获得了压缩空气动力发动机的专利，其工作原理是利用车上储存的高压压缩空气驱动发动机缸体内的活塞运动进而驱动汽车前进，这是最接近真正意义上的空气动力车。在Gury Negre的领导下成立了法国MDI公司，专门研制气动汽车，其研究成果应用于印度TATA集团的空气动力车AIRPOD，车长2.13米，车重275公斤，最大载客量3人，最高时速为70公里。车内置一个可装载30MPa压缩空气的气罐，容积175升，单次充满气的最大行驶范围在200公里左右。

国内对于空气动力车的研究开始较晚，投入产品试验阶段的也较少，其中央视在2015年5月对祥天空气动力车进行了报道。从其工作原理来看，祥天空气动力大巴的动力传导经过了“压缩空气—发动机—发电机—电动机”这一系列流程，要比欧洲MDI(由法国工程师Gury Negre创立)的空气动力车的更加复杂，因此过程中损失的能量也更多。因此，空气动力车的关键取决于空气(气体)发动机的效率。

大多数空气发动机均是在原有活塞发动机或叶片泵的基础上进行应用，并通过热交换器受热实现能量的转化，实现动力输出，不仅结构复杂，关键是效率低，难以满足续航能力的要求。

中国文献CN201410167469.4公开一种变压喷气式空气发动机，包括叶轮室和叶轮，叶轮室上设置有喷入压缩气体的喷入孔和喷出压缩气体的排气孔，叶轮通过转轴装设于叶轮室，叶轮包括沿转动周面与叶轮室的内表面气隙配合，叶轮室的内表面还设置有变压喷气槽，沿叶轮的转动方向变压喷气槽与相邻的喷入孔之间的距离大于一个齿间距，当某个叶齿前后的两个工作腔通过所述变压喷气槽相连通。通过设置变压喷气槽，使得喷入孔喷入的气体在从排出孔喷出前还能再次做功。该文献的本意是提高发动机的能效和动力，但是该结构与叶片泵相似，效率低。同时，该变压喷气槽的设置导致该空气发动机转速低，甚至无法旋转。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种气压发动机，压缩气体通过直驱动力机芯驱动旋转外圈的驱动槽，产生推力推动旋转外圈，实现动力的输出，具有结构简单，传递效率高，续航能力强，节能环保等优点。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种气压发动机，包括旋转外圈、中间轴及直驱动力机芯，所述旋转外圈、直驱动力机芯同轴设置于中间轴上，旋转外圈相对于中间轴和直驱动力机芯转动，所述中间轴设有进气口和出气口，直驱动力机芯设置有进气流道、出气流道，旋转外圈内环面上设有多个驱动槽，压缩气体从中间轴的总进气口进入，通过直驱动力机芯的进气流道喷出，作用在外圈的驱动面上，产生推力推动旋转外圈，最后压缩气体通过直驱动力机芯的出气流道回到总出气口，实现速度和扭矩连续输出。

进一步，所述旋转外圈通过侧板配合于中间轴上，并形成一个封闭空间，直驱动力机芯可分级设置于封闭空间内，形成多级动力输出装置。

进一步，所述直驱动力机芯的进气流道走向为由中间往外延伸的螺旋线。

进一步，所述直驱动力机芯的进气流道走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，该对数螺旋线的极点设置在中间轴轴线上，对数螺旋线走向角2-15°。

进一步，所述直驱动力机芯上设置1条以上进气流道和相对应出气流道。

进一步，所述旋转外圈的内环面上设置有2个以上驱动槽，每一驱动槽具有一轮廓底面以及驱动面，轮廓底面的轮廓线为对数螺旋线，其极点设置在中间轴轴线上。

进一步，所述中间轴至少有1个总进气口和1个总出气口，同时还至少有1个分级进气口和1个分级出气口。

进一步，分级进气口和直驱动力机芯进气流道相通，分级出气口和直驱动力机芯出气流道相通。

一种气压发动机总成包括上述的气压发动机。

本发明气压发动机，结构简单，传递效率高，续航能力强。可广泛应用于交通工具、发电设备以及其他需要动力输出装置的各领域。

附图说明

图1是本发明气压发动机结构图。

图2是本发明直驱动力机芯A—A剖视图。

图3是本发明直驱动力机芯B—B剖视图。

图4是本发明多级直驱动力机芯示意图。

图5是发动机总成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1：

如图1-3，一种气压发动机，包括旋转外圈1、中间轴2及直驱动力机芯3，所述旋转外圈1、直驱动力机芯3同轴设置于中间轴2上，旋转外圈1相对于中间轴2和直驱动力机芯3转动，中间轴2和直驱动力机芯3固定不动。所述中间轴2设有进气口21和出气口22，直驱动力机芯3设置有进气流道31、出气流道32，旋转外圈1内环面上设有多个驱动槽11，压缩气体从中间轴的进气口21进入，通过直驱动力机芯3的螺旋进气流道31喷出，作用在旋转外圈1的驱动面a上，产生推力推动旋转外圈1，最后压缩气体通过直驱动力机芯3的出气流道32回到出气口22，实现速度和扭矩连续输出。

旋转外圈1通过左右挡板4、5配合于中间轴2上，左右支撑挡板为本发明旋转外圈1配合的侧板，并形成一个封闭空间，直驱动力机芯3可分级设置于封闭空间内，形成多级动力输出装置。

直驱动力机芯3的进气流道31由中心向外延伸的走向为对数螺旋线，所述对数螺旋线的极点设置在中间轴2中心轴线上，由于对数螺旋线压力角恒定的特性，使得压缩气体在喷射过程中的损耗最小，又能够保证压缩气体以同样时间和推力作用在驱动槽11上，传动平稳。对数螺旋线走向角决定了压缩气体喷射的角度，其大小影响旋转外圈1驱动的速度和旋转的力矩。走向角太大，旋转外圈1驱动力在切向方向上分力变小，甚至出现无法转动的现象；走向角太小，外圈的驱动面a受力面积太小，旋转驱动力也较小。因此，对数螺旋线走向角优选2-15°。同时，对数螺旋线走向角也决定了直驱动力机芯3喷射口33同时作用的驱动槽11的数量，1个喷射口33可以同时驱动2个驱动槽，也有可以是3个，可以根据要求进行设计。

旋转外圈1的内环面上设置有2个以上驱动槽11，每一驱动槽11具有一轮廓底面b以及驱动面a，轮廓底面b的轮廓线为对数螺旋线，其极点设置在中间轴2轴线上。轮廓底面b的轮廓线也可以是直驱动力机芯3的进气流道31走向为对数螺旋线的延长线。保证旋转外圈1驱动槽11受力一致且受力方向指向驱动面a，保证旋转外圈1平稳旋转。

直驱动力机芯3上设置1条以上进气流道和相对应出气流道，可以是2条、3条、或4条或更多条进气流道，与旋转外圈1的内环面上设置的驱动槽11数量匹配，出气流道与其对应设置。主要考虑压缩气体驱动旋转外圈1转动的连续性和平稳性，且和旋转速度等参数对应匹配，才能获得较高的转速和扭矩并连续平稳输出。

中间轴上的进气口包括至少有1个总进气口和至少有1个分级进气口，出气口包括1个总出气口和至少1个分级出气口。

所述中间轴至少有1个总进气口和1个总出气口，同时还至少有1个分级进气口和1个分级出气口。分级进气口和直驱动力机芯进气流道相通，分级出气口和直驱动力机芯出气流道相通。气压发动机压缩气体通过中间轴2的总进气口，进到分级进气口，通过进气流道驱动旋转外圈，然后以较小的压力进到分级出气口，最后通过中间轴2的总出气口排出。

气压发动机总成包括上述的气压发动机。

实施例2：

如图2-4，一种气压发动机，其包括旋转外圈1、中间轴2、一级直驱动力机芯3、二级直驱动力机芯7、及左右支撑挡板4、5，所述旋转外圈1、一级直驱动力机芯3、二级直驱动力机芯7及左右支撑挡板4、5同轴设置于中间轴上2，左右支撑挡板为本发明旋转外圈配合的侧板，所述旋转外圈1与左右支撑挡板4、5连接为一体，通过轴承6与中间轴2配合连接，通过隔板8隔开，形成两级的封闭空间，所述中间轴2设有进气孔21和出气孔22，一级直驱动力机芯3和二级直驱动力机芯7设置有进气流道31和71、出气流道32和72，旋转外圈1内环面上设有多个驱动槽11，压缩气体从中间轴2的进气孔21进入，然后通过一级进气口通至一级直驱动力机芯3的进气流道31，气体作用在外圈的驱动面a上，然后通过一级直驱动力机芯3出气流道32进到二级直驱动力机芯7的进气流道71，此时，气压减少为95％，再次作用在外圈的驱动槽11面上，产生推力推动旋转外圈1，最后压缩气体通过直驱动力机芯7的出气流道72回到出气口22，实现速度和扭矩连续输出。

根据负载的要求，可以对发动机进行设计，其中的直驱动力机芯3分级设置可以两级，也可以三级，还可以多级，经每级做功气压减小5％，即以上一级95％的气压进入下一级做功，充分利用能量，最大程度地提高使用效率，以满足输出扭矩和转速的需求。

如图5，气压发动机总成可以由一个或多个气压发动机100驱动飞轮101，配合进气压力和流量的调节，实现输出扭矩和速度的变化，满足各种路况要求。

实施例3：

设计一台匹配奥迪2.5LV6的样机：

1、主要参数如下：

a)气源：200L的液氮；

b)气压发动机驱动槽直径：Φ108mm，旋转外圈齿轮直径Φ136mm；

c)气压发动机数量：3个

d)旋转外圈驱动凹槽截面尺寸：一级20mm×8mm(长×高)，二级20mm×8mm(长×高)，三级16mm×8mm(长×高)，四级12mm×8mm(长×高)；

e)飞轮直径：Φ244.8mm；

f)单个气压发动机质量：9kg，其中旋转外圈质量：8kg；

g)飞轮质量：20kg。

h)气压发动机总成质量：70Kg(含3个气压发动机、飞轮及底座等附件)

2、扭矩

(1)气压发动机(气压为0.6MPa时，转速3000r/min)2个驱动槽受力

单个气压发动机一级的气体冲击扭矩 N_气1＝10.4N·m；

单个气压发动机二级的气体冲击扭矩 N_气2＝9.8N·m；

单个气压发动机三级的气体冲击扭矩 N_气3＝7.5N·m；

单个气压发动机四级的气体冲击扭矩 N_气4＝5.3N·m；

单个气压发动机的外圈惯性力矩 N_惯＝11.7N·m；

单个气压发动机的扭矩 N＝33+11.7＝44.7N·m。

(2)飞轮(转速n飞轮＝1666r/min)

飞轮受气压发动机驱动力矩 N_飞轮＝44.7*1.8*3＝241.3N·m；

飞轮惯性力矩 N_惯＝18.2N·m；

(3)发动机总成输出总扭矩

发动机输出总扭矩 N_输出＝241.3+18.2＝259.5N·m；

其扭矩与奥迪A6L2.5V6发动机250N·m匹配。

本实施例采用200L的液氮作为气源，液氮气化膨胀系数800(0℃，1个大气压)，相当于4瓶压力20Mpa，容积200L的压缩氮气，即34瓶12Mpa，容积40L的原型机气源。气源以0.6Mpa工作时，可连续使用约408分钟，即6.8小时。以80KM/h的速度计算，行驶里程可达约544KM，折合行驶里程远远大于现有的研究。液氮的价格1元/公斤，充满200L约160Kg，价格约为160元，折合每公里约0.3元。若以液态空气为气源，成本可进一步降低。

本发明气压发动机，彻底改变了在原有活塞发动机或叶片泵的基础上进行改装应用的方法，发明了新型式的发动机原理。不仅结构简单，还具有高效率，续航能力强等优点。绿色环保，减少温室效应，降低PM2.5，同时还可以有很多辅助应用，经济效益和社会效益显著。可广泛应用于汽车、摩托车、自行车灯交通工具、发电设备以及其他需要动力输出装置的各领域。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (9)

1.一种气压发动机，其特征在于：包括旋转外圈、中间轴及直驱动力机芯，所述旋转外圈、直驱动力机芯同轴设置于中间轴上，旋转外圈相对于中间轴和直驱动力机芯转动，所述中间轴设有进气口和出气口，直驱动力机芯设置有进气流道、出气流道，旋转外圈内环面上设有多个驱动槽，压缩气体从中间轴的进气口进入，通过直驱动力机芯的进气流道喷出，作用在外圈的驱动面上，产生推力推动旋转外圈，最后压缩气体通过直驱动力机芯的出气流道回到出气口，实现速度和扭矩连续输出。

2.根据权利要求1所述的气压发动机，其特征在于：所述旋转外圈通过侧板配合于中间轴上，并形成一个封闭空间，直驱动力机芯可分级设置于封闭空间内，形成多级动力输出装置。

3.根据权利要求1所述的气压发动机，其特征在于：所述直驱动力机芯的进气流道走向为由中间＝往外延伸的螺旋线。

4.根据权利要求3所述的气压发动机，其特征在于：所述直驱动力机芯的进气流道走向为由中间往外延伸的对数螺旋线，该对数螺旋线的极点设置在中间轴轴线上，对数螺旋线走向角2-15°。

5.根据权利要求1所述的气压发动机，其特征在于：所述直驱动力机芯上设置1条以上进气流道和相对应出气流道。

6.根据权利要求1所述的气压发动机，其特征在于：所述旋转外圈的内环面上设置有2个以上驱动槽，每一驱动槽具有一轮廓底面以及驱动面，轮廓底面的轮廓线为对数螺旋线，其极点设置在中间轴轴线上。

7.根据权利要求1所述的气压发动机，其特征在于：所述中间轴至少有1个总进气口和1个总出气口，同时还至少有1个分级进气口和1个分级出气口。

8.根据权利要求7所述的气压发动机，其特征在于：分级进气口和直驱动力机芯进气流道相通，分级出气口和直驱动力机芯出气流道相通。

9.气压发动机总成，其特征在于：包括权利要求1—8任意一项所述的气压发动机。