CN1386657A - 以压缩空气为动力的汽车动力系统 - Google Patents

Abstract

一种以压缩空气为动力的汽车动力系统,主要是在汽车上安装超高压主气罐作为储能装置,主气罐通过控制阀和油门踏板连接到高压串级变量气动马达组成驱动系统。制动踏板控制离合器在汽车传动系统中接入变量气泵,气泵通过单向阀连接制动储气罐,制动储气罐通过单向溢流阀连接主气罐组成制动系统。它以压缩空气为动力驱动汽车行驶,彻底解决了尾气污染问题,并能将汽车刹车制动能量转化为动力,节约能源。它结构简单、可靠、效率高,是一种高效实用的新型汽车动力系统。

Description

以压缩空气为动力的汽车动力系统

本发明涉及一种新型车辆动力系统，特别是汽车的驱动系统和刹车制动系统。它以高压压缩空气为动力驱动汽车行驶，彻底解决汽车尾气污染问题。

目前，汽车等机动车辆是以汽油机或柴油机为驱动装置，依靠燃烧汽油、柴油或天然气等产生动力，驱动汽车行驶。它存在以下缺点：1.汽油机和柴油机排出的尾气里含有大量有害物质，对大气造成严重污染。2.汽油机和柴油机效率低，浪费了宝贵的不可再生的一次能源--石油。3.汽油机和柴油机结构复杂，易发生故障。特别是在复杂路况路面上突然熄火，可能造成事故。4.在冬季严寒地区车辆不易发动。

本发明的目的在于提供一种新型动力装置，克服现有技术的缺点。它以高压压缩空气为动力，利用压缩空气膨胀做功，驱动车辆行驶，彻底解决汽车尾气污染环境的问题。

其解决方案是：在汽车上安装一个或多个互相连通的超高压气罐，气罐内充满洁净的压缩空气，气压在15MPa以上。气罐通过汽车钥匙控制的电磁阀和油门踏板控制的气阀连接到高压串级变量气动马达上组成汽车的驱动系统。油门踏板控制一组油缸，通过油缸调节变量马达叶片轴向工作长度调节牵引力的大小；汽车制动踏板控制离合器在汽车传动系统中接入一个变量叶片气泵，气泵通过单向阀连接制动储气罐，制动储气罐通过单向溢流阀连接主气罐构成制动系统。制动踏板控制一组油缸，通过油缸控制变量气泵叶片轴向工作长度改变制动力的大小。

驱动系统的高压串级变量气动马达由一级变量马达和安装在同一轴上的一级定量马达气路串接组成。变量马达是在一个有多个外凸气室的定子内同心安装一个整体的两级圆柱转子，转子上均布多个叶片槽，槽内装有可上、下、左、右移动的叶片。转子的小直径级安装在定子内，大直径级动密封定子气室的一个端面，定子气室的另一端由可在气室内轴向滑动的活塞密封。马达轴向，叶片的一端顶住气室活塞，其后装有由主供气管供气的气缸，另一端通过一组串连顶压的压板、顶杆、弹簧、推力轴承与油门踏板控制的油缸相连构成气室、叶片工作长度轴向调节系统。在转子体上叶片前后分别设有排气孔和进气孔，通过固定在机壳上的配气环根据叶片在气室中的位置向叶片供气。

定量马达是在一个有多个外凸气室的定子内同心安装一个与变量马达转子同轴的圆柱转子，转子上均布多个叶片槽，槽内装有只能上、下移动的叶片。定子气室两端由固定在定子上的密封板密封，气室与叶片轴向工作长度不能调整。气室一端密封板在气室尾部开有排气孔，转子上叶片后开有进气孔，将变量马达排出的带有很大余压的气体引入定量马达，通过固定在机壳上的配气盘给叶片供气。

变量马达和定量马达组成高压串级变量气动马达作为引擎给汽车提供驱动力。

制动系统中的变量气泵是在一个圆管形定子中偏心安装一个整体的两级圆柱形转子，转子上均布4个叶片槽，槽内装有可上、下、左、右移动的叶片。转子的小直径级偏心安装在定子内，与定子的偏心间隙构成一个大的气室。转子的大直径级动密封气室的一端，另一端由气室活塞密封。气泵轴向叶片的一端顶在气室活塞上，气室活塞外面压有弹簧，弹簧的另一端压在外壳端面上；叶片的另一端通过一组串连顶压的顶杆、压板、推力轴承连接到制动踏板控制的油缸上构成制动力大小调节系统。气泵定子上开有进气口、进气槽和出气口，气泵转子旋转时，空气从进气口经进气槽吸入气室，经压缩从出气口压入制动储气罐。

驱动系统和制动系统共同组成了本发明的新型动力系统。它以清洁的压缩空气为动力驱动汽车，彻底解决了汽车尾气污染问题。它结构简单、可靠，不易发生故障。取消了汽车的启动系统、发电系统、供油化油系统、冷却水循环等，大大简化了汽车的结构，降低了成本。汽车也不会再出现突然熄火、不易发动等问题。汽车的刹车能量被制动系统转化为动力重新得到利用，节约了能源，也解决了因各轮刹车装置调节不一致发生的刹车跑偏问题。

本发明的实施例结合附图加以详细说明。

图1为以压缩空气为动力的汽车动力系统的系统图。

图2为高压串级变量气动马达的主剖视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为图2的C-C剖视图。

图6为图2的D-D剖视图。

图7为图2的E-E剖视图。

图8为图2的F-F剖视图。

图9为图8的G-G旋转剖视图。

图10为变量叶片气泵的主剖视图。

图11为图10的H-H剖视图。

图12为图10的K-K剖视图。

在图1中，主气罐1其上安装有安全阀30、截止阀31，截止阀31的另一侧是加气充气口32。截止阀2一端连接在主气罐1上，另一端连接气压表3。连接在主气罐1上的截止阀8，其末端连接电磁阀9，电磁阀9后一条支路连接高压串级变量气动马达的气缸20、21、22、23；另一条支路连接气阀13，气阀13连接高压串级变量气动马达的变量马达14，变量马达14的排气口通过热交换器19连接高压串级变量气动马达的定量马达18的进气口，定量马达18的排气口连接到电磁阀15，控制尾气接通排气口17排入大气或接通排气口16引入车厢作为冷气。气阀13的控制端连接到油门踏板11上，踏板11下连接的油缸12通过管道连接到高压串级变量气动马达的控制油缸10上组成高压串级变量气动马达的输出功率调节系统。

制动踏板5连接离合器6控制变量气泵在汽车传动系统中的接入。其下连接的油缸7通过管道连接变量气泵的控制油缸4组成刹车力矩调节系统。制动变量叶片气泵26通过单向阀27连接制动储气罐28，气罐28通过单向溢流阀29连接主气罐1构成刹车能量回馈系统。气罐28上装有截止阀25连接气压表24指示制动气压。

在图2～图9中，高压串级变量气动马达是由一级变量马达和安装在同一轴上的一级定量马达组成。变量马达的定子46右端螺栓固定右端盖69，其内部螺栓固定有配气环60，配气环60上开有排气口91、进气口87，排气口91和进气口87分别连通配气环60上的排气腔61和进气腔62，进气腔62底面开有一组与变量马达定子气室头部相对应的进气槽88。右端盖69的右端面上螺栓固定有支架71，支架71上螺栓固定油缸10。变量马达定子46的左端螺栓固定隔离盘45和定量马达定子39。隔离盘45上开有进气口90连通空腔44，其内螺栓固定配气盘42，配气盘42上开有一组与定量马达气室头部相对应的进气槽86。定量马达定子39，其气室壁上设有单向阀82，它的左端分别螺栓固定气室密封板37，其上开有一组与定量马达气室尾部相对的排气口81和左端盖35，其上开有排气孔89。变量马达的转子是由小直径级74、大直径级56、右轴72和左轴76组成的整体，它的左、右轴76、72轴承连接在左、右端盖35、69上。转子小直径级74左端和大直径级56右端分别螺栓固定有叶片槽密封板50、59，右密封板59右侧螺栓固定配气转子63。左密封板50上开有与转子叶片槽相对应的顶杆通孔，内装顶杆49；右密封板59和配气转子63上开有与转子叶片槽相对应的弹簧孔，其内装有弹簧58和与转子进气孔相对应的进气孔。转子的小直径级74同心安装在定子46内，大直径级56的左端面动密封定子气室的右端，气室的左端由可以在气室内轴向滑动的气室活塞51密封。气室由定子46的内壁、转子小直径级74的外圆、大直径级56的左端面和气室活塞51的右端面围成。转子大、小直径级56、74上均布贯通的叶片槽55，其底部开有多个弹簧孔，孔内装有弹簧52，弹簧52上压有可上、下活动的压条53，压条53将叶片54压在定子46的气室内壁上。叶片54的左端顶住气室活塞51和顶杆49，顶杆49左端顶在压板48上，通过推力轴承47压在气室活塞的底板上。多个气室活塞在同一个底板上构成一个整体。气室活塞后分别顶有气缸20、21、22、23，气缸螺栓固定在隔离盘45上，其进气口连接在电磁阀9后的供气管上。叶片54的右端在转子大直径级56内顶住顶块57压缩弹簧58，其内套有支撑杆64，支撑杆64螺丝固定在压板65上。弹簧58压在压板65上，通过推力轴承66顶压压板67，压板67后顶有顶杆68，顶杆68的右端顶在压板70上，压板70螺丝固定在油缸10的缸杆上。转子的大直径级56的叶片槽前开有排气孔77与配气环60的排气腔61相通，小直径级74的叶片槽后开有与大直径级56、右密封板59、配气转子63贯通的进气孔78，进气孔78的一端与配气环60的进气腔62相连，另一端与定子气室相通。

在隔离盘45的左侧，定量马达定子39内，轴76上花键连接转子33，其两端螺栓固定左、右叶片槽密封板36、41。转子33上均布多个叶片槽34，其内安装有叶片40，叶片后的转子体上开有进气孔83。

在图10、11、12中，变量叶片气泵的外壳112左端螺栓固定左端盖95，其左端面上螺栓固定有支架92，支架92上螺栓固定油缸4。外壳112内部螺丝固定定子105，定子105内偏心安装有转子。转子由小直径级114，其右端螺栓固定有叶片槽密封板107，大直径级117，其左端螺栓固定有叶片槽密封板100，左端轴118，右端轴113组成一个整体。左、右轴118、113轴承连接在左端盖95和外壳112上。转子小直径级114偏心安装在定子105内，大直径级117动密封气室119的一端，气室119的另一端由可在气室119内轴向滑动的气室活塞109密封。定子105和转子小直径级114间的偏心间隙被转子大直径级117的右端面和气室活塞109的左端面密封，形成一个大的气室119。气泵转子大、小直径级117、114上均布4个贯通的叶片槽101，槽底有多个孔，孔内装有弹簧104，弹簧两端压有压条103、115，把叶片102、116压在定子105的内壁上。叶片102的右端顶住气室活塞109、顶杆106。顶杆106的另一端顶住压板108，通过推力轴承110压在气室活塞109的底板上。气室活塞109的右侧压有弹簧111，弹簧111的另一侧压在外壳112上。叶片102的左端在转子大直径级117内顶住顶杆99，其另一端顶在压板98上，通过推力轴承97压住压板96，压板96的另一侧顶有顶杆94，顶杆94的左端顶在压板93上，压板93螺丝固定在油缸4的缸杆上。变量气泵的定子上开有进气口122、进气槽120和出气口123，供空气的吸入和压缩空气的压出。

当要开动汽车时，用钥匙打开电源开关，电磁阀9接通，压缩空气从主气罐1经截止阀8、电磁阀9进入高压串级变量气动马达的气缸20、21、22、23，缸杆推动气室活塞51，通过叶片54、顶块57压缩弹簧58。当弹簧58被压缩到一定程度时，弹力等于气缸推力，达到平衡，变量马达的气室和叶片轴向工作长度根据主气罐1内气压的不同被限定在一定长度。踩下油门踏板11，气阀13打开，高压气体由进气口87、经气腔62、进气槽88、进气孔78进入气室79，推动叶片80带动转子旋转。当叶片80转过一个小角度，进气孔78转过进气槽88被配气环60封闭，向叶片80的供气停止。但此时叶片所受气体推力大于负载阻力，压缩空气膨胀，继续推动叶片80旋转。气体膨胀，气压减小，对叶片80上单位面积的推力减小，但由于气室79的外凸形状，随着叶片80的旋转，其下弹簧推动叶片80随气室79的外凸形状伸出，受力面积增大，弥补了气压减小对叶片80推力的影响。当叶片80转过气室79顶部后，叶片80上的推力逐渐减小，但此时其他气室开始进气推动其内的叶片带动转子旋转。当叶片80快转动到气室79的末端时，下一个叶片进入气室79，余气从其前面的排气孔77经排气腔61、排气口91排出；压缩空气从其后的进气孔进入气室推动叶片继续带动转子旋转，叶片80也转向下一气室开始下一轮工作。不同的气室和叶片交叉重叠工作，保持马达输出稳定的功率。从排气口91排出的余气还有一定的压力，经热交换器19升温后从进气口90经气腔44、进气槽86、进气孔83进入定量马达的气室84，推动叶片85带动转子33旋转。转子33花键连接在轴76上，定量马达的叶片与变量马达的叶片共同推动输出轴76，加大了轴上的输出功率。定量马达与变量马达的旋转原理相同。当主气罐1气压很高时，变量马达排出的余气压力也较大，进入定量马达膨胀做功后气压基本降至大气压力，从排气口81经空腔38、排气孔89排出。当主气罐1气压较低时，变量马达排出的余气压力也较低，进入定量马达气室84后，叶片85转过一定角度气体膨胀气压降至大气压。由于叶片85随花键连接在轴76上的转子33继续旋转，气体继续膨胀，气压下降低于大气压，此时定子气室壁上的单向阀82打开进气，不使大气对叶片85形成反压。从排气孔89排出的尾气由于气体膨胀吸热温度降至很低，当冷气开关打开时，电磁阀15动作，尾气从出气口16引入车厢作为冷气；当冷气开关关闭时，尾气从排气口17排入大气。

当汽车需要较大牵引力时，向下踩油门踏板11，油缸12的活塞受压，液压油通过管道进入油缸10，推动缸杆带动压板70挤压顶杆68向里推动压板67、推力轴承66、压板65、压缩弹簧58，弹力增大，通过顶块57顶压叶片54和气室活塞51。由于此时主气罐1气压不变，气室活塞51后气缸的推力不变，弹力大于气缸推力，叶片54和气室活塞51被向左推出，弹簧伸长，弹力减小，直到达到新的平衡。此时，叶片54储存在转子大直径级56中部分的一段进入气室，气室和叶片轴向工作长度增长，叶片受力面积增大，马达的输出功率增大。反之，当上抬油门踏板时，通过相反的动作顺序，叶片的一段被推入转子大直径级56中，气室和叶片轴向工作长度减小，马达输出功率减小。

随着汽车的行驶，压缩空气不断被消耗，主气罐1内气压不断降低，对马达叶片单位面积推力不断减小。但主气罐1气压下降，进入气缸20、21、22、23的气体气压下降，气缸推力不断减小，弹簧58通过顶块57不断向左推出叶片54和气室活塞51，增大气室和叶片的轴向工作长度，增大叶片受力面积，保持稳定的输出功率。

当汽车刹车时，踩下制动踏板5，通过离合器6在汽车的传动系统中接入变量气泵26。汽车在惯性作用下带动气泵26的转子旋转，空气从进气口122经进气槽120吸入气室119。当叶片121转过进气槽120后，空气被封闭在叶片121前的气室中。随着转子的旋转，叶片121前气室体积不断缩小，空气被压缩，气压不断升高。由于主气罐1加气时通过单向溢流阀29的单向阀向制动储气罐28加入了气压等于主气罐1初始压力的高压气体，只有当叶片121前的气室内气体被压缩至气压高于气罐28内气压时才能打开单向阀27，由出气口123经单向阀27向气罐28排气，高压气体对叶片121的旋转产生很大的阻力，使汽车制动。气罐28被压入气体后气压不断升高，当气压达到单向溢流阀29的设定值时，气体压开溢流阀29进入主气罐1，制动能量被转化为动力能量储存在主气罐1中。当需要较大制动力时，下踩制动踏板5，其下连接的油缸7的活塞被压下，液压油通过管道进入油缸4，推动缸杆带动压板93、顶杆94顶压压板96，通过推力轴承97、压板98、顶杆99向右推出叶片102和气室活塞109，转子大直径级117内储存的叶片102部分的一段进入气室，气室119和叶片102轴向工作长度增长，叶片102受力面积增大，制动力增大。反之，上抬制动踏板，油缸4的推力减小，弹簧111向左压进气室活塞109和叶片102，叶片102的一段进入转子大直径级117，气室119和叶片102轴向工作长度变小，制动力减小。

本发明的新型动力系统不改变汽车现有的传动系统和驾驶操作方式，结构简单，效率高，无污染，是一种高效适用的新型汽车动力系统。

Claims (6)

1.一种以压缩空气为动力的汽车动力系统，其特征在于汽车上安装一个超高压主气罐1，通过电磁阀9、气阀13与高压串级变量气动马达相连接，油门踏板11下连接气阀13的控制端和油缸12，油缸12通过管道连接到高压串级变量气动马达的控制油缸10上，制动踏板5下连接离合器6和油缸7，刹车时离合器6在汽车的传动系统中接入变量气泵26，气泵26通过单向阀27连接制动储气罐28，气罐28通过单向溢流阀29连接主气罐1，油缸7通过管道连接在气泵26的控制油缸4上。

2.如权利要求1所述的以压缩空气为动力的汽车动力系统，其特征在于高压串级变量马达是在变量马达定子46右端固定右端盖69，其内固定配气环60，配气环60内有固定在转子上的配气转子63，端盖69右端面上固定有油缸10，定子46左端固定隔离盘45和定量马达定子39，隔离盘45内固定配气盘42，定子39左端固定密封板37和左端盖35，变量马达定子46内安装一个两直径级整体转子，它的左、右轴轴承连接在左、右端盖上，转子上开有叶片槽，槽内装有弹簧和压条，压条上压有叶片，叶片的一端顶住气室活塞，其后顶有气缸，另一端通过串联顶压的顶块、弹簧、压板、顶杆、推力轴承与油缸10相连，定量马达定子39内，转子左轴76上花键连接定量马达转子33，其上开有叶片槽，槽内装有叶片。

3.如权利要求2所述的以压缩空气为动力的汽车动力系统，其特征在于高压串级变量气动马达是在变量马达输出轴76上花键连接一级定量马达，主气罐1通过控制阀连接变量马达的进气口87，变量马达的排气口91通过热交换器19连接定量马达的进气口90，定量马达的排气口89连接电磁阀15，或接通排气口17，或接通车厢内冷气进气口16。

4.如权利要求2所述的以压缩空气为动力的汽车动力系统，其特征在于高压串级变量气动马达的变量马达是在一个有多个外凸气室的定子46内同心安装一个两直径级的整体转子，转子小直径级74安装在定子46内，转子的大直径级56的端面密封定子气室的一端，气室的另一端由可在气室内轴向滑动的气室活塞密封，气室活塞后连接有与供气管连接的气缸，转子大、小直径级56、74上均布多个轴向贯通的叶片槽，叶片槽内装有可轴向滑动的叶片，叶片的一侧顶住气室活塞，另一侧通过串联顶压的顶块、弹簧、顶杆、压板、推力轴承与油缸10相连，叶片下压有压条和弹簧。

5.如权利要求2所述的以压缩空气为动力的汽车动力系统，其特征在于高压串级变量气动马达的变量马达的端盖69上固定有配气环60，配气环60的排气腔61与转子大直径级56叶片槽前的排气孔连通，进气腔62底面开有与定子气室头部相对应的一小段进气槽，进气槽轴向与配气转子63的进气孔的位置相对应，配气转子63上的进气孔通过转子叶片槽后的进气孔与定子气室相连通。

6.如权利要求1所述的以压缩空气为动力的汽车动力系统，其特征在于变量叶片气泵26是在外壳112左端固定左端盖95，其左端面上固定有油缸4，外壳112内固定定子105，定子105内偏心安装一个两直径级的整体转子，它的左、右轴轴承连接在左端盖95和外壳112上，转子小直径级114安装在定子105内，转子大直径级的端面密封定子气室119的一端，定子气室119的另一端由可在气室内轴向滑动的气室活塞109密封，气室活塞109后压有弹簧111，转子大、小直径级117、114上均布4个轴向贯通的叶片槽，叶片槽内装有可轴向滑动的叶片，叶片的一端顶住气室活塞109，另一端通过串联顶压的顶杆、压板、推力轴承与油缸4相连，叶片下压有压条和弹簧。

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