[发明专利]单螺杆膨胀机气动汽车发动机动力系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的气动发动机动力系统，属于高新技术汽车动力领域。

背景技术

随着人们生活质量的提高，汽车已经逐步从奢侈品变成了代步工具，这虽然体现了社会的进步，满足了人们在物质上的需求，但同时也使人们陷入了资源有限和环境污染的两大难题。于是，人们已经开始更多地关注如何消除对矿物燃料的依赖，一直渴望着新的“绿色汽车”及汽车绿色能源的出现。

从20世纪30年代以蓄电池作为动力的EV电动车到现在的HEV复合动力电动汽车及代用燃料汽车，汽车用能源的研究与开发从未间断，但各项研究均存在着未能攻克的难题。代用燃料汽车，如天然气汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料燃烧控制困难；电动汽车行驶中无污染排放、噪声低、能量转换效率高，但电池驱动的电动汽车受制于车载电池，在比功率、循环寿命、充放电性能、造价和安全性等方面一时难以达到实用的程度，同时，电池本身也存在严重的二次污染；混合动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放问题，由于有两套动力装置，其驱动和控制系统更复杂；燃料电池电动车可实现零排放，能量转换率高，结构简单，但燃料电池的制造成本比较高，氢气的安全存储、制备和灌装都有许多问题，制约了其发展和实用化。于是，人们期待着一种没有污染、用之不竭的新型汽车动力能源的出现，压缩空气能源正好满足了这种需求。

自1991年法国工程师NEGRE首次提出了气动发动机的概念，由于只用压缩空气为做功介质，对大气环境没有污染，所以立即受到了人们的关注。法、英、美、韩、中等国均开展了相关的研究。但至今为止，国内外所有相关气动汽车的研究基本上都是基于原有传统气缸发动机基础之上的，采用的均为活塞式发动机结构，其技术上尚存在着很大的问题：由于其动力直接来自于物理方法储存的高压空气能量，对气缸的密封性要求高，活塞与汽缸之间的摩擦属于动摩擦，不利于两者之间的密封，在实际应用中，气缸漏气比较严重，造成发动机效率低；往复活塞式压缩空气发动机低速性好，但随着转速升高输出扭矩减小、功率减小、耗气量增大、能量利用率下降；由于往复活塞式压缩空气发动机气缸容积以及车上有限能量的限制，发动机功率小；往复活塞式压缩空气发动机配气机构和减压控制机构的设计不够完善，输送过程中存在着较大的高压空气能量损失。

发明内容

本发明的目的是设计一套适用于气动汽车的高效可行的发动机动力系统，克服原有活塞气动发动机的结构复杂、控制困难的缺点。该系统的特点在于：采用单螺杆膨胀机作为气动发动机(如图1所示)，结构简单、发动机系统链接机构控制简单；由于单螺杆膨胀机选用非金属—金属螺杆星轮转子副，且结构上受力平衡，故具有磨损小、噪声低、寿命长的优点；由于单螺杆膨胀机是一种适用于汽液两相的全流膨胀机，可以适应压缩空气做功过程中因温降产生液滴的工况，效率较高。

本发明设计的气动发动机动力系统包括用作动力源的高压空气瓶1、用于工况控制的调节阀2、加热器3和单螺杆发动机4，其特征为：高压空气瓶1中流出的空气通过调节阀2控制压缩空气的流量和压力达到一定的工况条件后，进入加热器3进行加热，以提高压缩空气的做功温度，增益输出功，之后带压高温空气进入单螺杆发动机4进行膨胀做功，由于单螺杆发动机属于回转容积式膨胀机，随着压缩空气膨胀，带动螺杆运转并通过机械功输出轴5输出机械功，同时运转过程中可完成不同螺杆槽道的顺序吸气和排气，工作过程比较连续，做功平稳，易于控制，且配气机构简单。

本发明设计的气动发动机动力系统中，加热器3依然选择现在常用的加热工质，利用高温热水、空气或燃气进行加热，加热器设置肋片进行强化换热，压缩空气借助自身的余压流过加热器来实现流动加热。

本发明设计的气动发动机动力系统中，单螺杆发动机4选用非金属—金属螺杆星轮转子副，振动小，寿命长。其发动机系统可根据实际功率的需求设计为单级膨胀形式或多级膨胀形式，多级膨胀系统可设计为串联、并联或混联等结构，其加热方式可以采用只加热进入首级膨胀机前的压缩空气(即首级加热)和加热进入每级膨胀机前的空气(即分级加热)两种形式，分级加热虽然增加了系统的复杂性，但输出功率较高。

附图说明

图1，单螺杆膨胀机结构简图；

图2，采用首级加热、单级膨胀的新型气动发动机动力系统示意图；

图3，采用首级加热、双级串联膨胀的新型气动发动机动力系统示意图；

图4，采用分级加热、三级串联膨胀的新型气动发动机动力系统示意图；

附图中标号说明如下：