專利名稱：單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高新技術(shù)汽車動力領(lǐng)域，具體涉及一種新型的氣動發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在人類面臨能源危機(jī)與“環(huán)境破壞”的雙重壓力下，低污染排放、低耗油汽車的研 制和生產(chǎn)成為了汽車發(fā)展的主流方向。在目前國際金融海嘯的沖擊下，全球汽車產(chǎn)業(yè)面臨 困境，世界各主要汽車生產(chǎn)國都把新能源汽車的開發(fā)作為突破危機(jī)，尋求發(fā)展的重要途徑。 由于壓縮空氣動力汽車(也叫氣動汽車)具有“零污染”的優(yōu)勢，正開始受到很大的關(guān)注。 目前的空氣動力汽車研究工作主要集中在法國工程師Guy Negre領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，經(jīng)過多 年的研發(fā)獲得很大的研究成果。作為交通工具，氣動汽車必須滿足能在市區(qū)內(nèi)一般時速下具備足夠的續(xù)航能力。 決定氣動汽車?yán)m(xù)航能力的最根本因素是車載儲氣罐有限容積中的高壓空氣所能釋放的有 用能，以及整個車輛系統(tǒng)對該部分能量的利用效率。車上存儲壓縮空氣的耐高壓氣罐，其作 用相當(dāng)于內(nèi)燃機(jī)汽車的油箱。由于汽車的車內(nèi)空間有限，這就要求車載的能量具有盡可能 高的能量密度。壓縮空氣的能量密度與存儲時的壓力成正比，壓力越高，單位容積內(nèi)存儲的 能量越大。但壓力太高，對氣罐的要求越高。在目前的技術(shù)條件下，壓縮氣罐的儲氣壓力可 達(dá)30MPa。在氣罐壓力無法提高的情況下，壓縮空氣動力汽車能否滿足市內(nèi)交通的需要，其 關(guān)鍵就是能否研制成功高效的氣動汽車動力系統(tǒng)，盡可能提高壓縮空氣動力系統(tǒng)的能量利 用效率。解決的主要技術(shù)途徑有二，一是提高發(fā)動機(jī)的性能，二是對工作氣體加熱，力求實(shí) 現(xiàn)高溫下的等溫膨脹。關(guān)于提高發(fā)動機(jī)性能方面申請人已提出了采用單螺桿氣動發(fā)動機(jī)的 專利(申請?zhí)?010101547090. 1)。同時，由于膨脹機(jī)內(nèi)氣體膨脹的輸出功與壓縮氣體的進(jìn) 口溫度成正比，因此對工作氣體加熱以提高壓縮氣體入口的溫度，是提高壓縮氣體能量利 用效率的另一個有效途徑。目前采用的各種加熱技術(shù)只限于熱水、空氣等常見傳熱蓄熱工 質(zhì)，在工況下，存在著比熱、密度、傳熱系數(shù)小，蒸汽壓高等缺點(diǎn)，使得在有限容積內(nèi)加熱量 不高，加熱溫度受限，輸出功雖有所增加但效果并不顯著，而采用化石燃料燃燒加熱又帶來 了結(jié)構(gòu)復(fù)雜和排放污染的問題。因此本申請?zhí)岢鲆环N采用熔融鹽對壓縮空氣動力系統(tǒng)加熱 的新方案，由于熔融鹽具有較大的比熱及熔解熱，且工作溫度高、傳熱性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn) 發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在更高溫度下的近等溫膨脹，大大提高系統(tǒng)輸出功率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一套適用于氣動汽車的全新、高效發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)，克服原 有活塞氣動發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳統(tǒng)加熱方式能效不高的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于采用單 螺桿膨脹機(jī)作為氣動發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、壽命長、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)鏈接機(jī)構(gòu)控制簡單；采 用蓄熱熔鹽加熱壓縮空氣的方式，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在更高溫度下的近等溫膨脹，大大提 高系統(tǒng)輸出功率。本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案
一種單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的氣動汽車發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)，包括高壓空氣瓶1、 控制調(diào)節(jié)閥2、空氣加熱器3、熔鹽加熱器4、信號感應(yīng)器5和單螺桿膨脹機(jī)6。高壓空氣瓶1中流出的空氣通過調(diào)節(jié)閥2控制壓縮空氣的流量和壓力達(dá)到一定的 工況條件后，進(jìn)入空氣加熱器3進(jìn)行預(yù)加熱，預(yù)加熱后的帶壓空氣進(jìn)入熔鹽加熱器4實(shí)現(xiàn)蓄 熱熔鹽的二次加熱，此后帶壓高溫空氣通過信號感應(yīng)器5并與調(diào)節(jié)閥2配合實(shí)現(xiàn)工況下空 氣壓力、流量的控制，最終進(jìn)入單螺桿發(fā)動機(jī)6進(jìn)行膨脹做功，帶動螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)并通過機(jī)械功 輸出軸7輸出機(jī)械功。本發(fā)明設(shè)計(jì)的氣動發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)中，空氣加熱器3設(shè)計(jì)為外置肋片式，選用導(dǎo) 熱性能好的材質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖4如示，加熱器管壁8內(nèi)側(cè)走高壓低溫的空氣工質(zhì)，外側(cè)為流動 的環(huán)境大氣，壁面外側(cè)設(shè)置有大面積的環(huán)形肋片9，用以強(qiáng)化內(nèi)外兩側(cè)的空氣換熱?？諝饧?熱器需布置于空氣流通性好的位置。本發(fā)明設(shè)計(jì)的氣動發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)中，單螺桿發(fā)動機(jī)6可根據(jù)實(shí)際功率的需求設(shè) 計(jì)為單級形式或多級形式，多級系統(tǒng)可設(shè)計(jì)為串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)等結(jié)構(gòu)，加熱方式可以設(shè)置 為首級加熱(即熔鹽只加熱進(jìn)入首級膨脹機(jī)前的壓縮空氣)和分級加熱(即進(jìn)入每級膨脹 機(jī)前的空氣均經(jīng)過熔鹽加熱器加熱后再膨脹做功)形式。單螺桿膨脹機(jī)選用非金屬-金屬 螺桿星輪轉(zhuǎn)子副，振動小，壽命長。本發(fā)明設(shè)計(jì)的氣動發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)采用高壓空氣與高溫熔鹽同時配合做功，根據(jù) 不同的汽車功率需求選用不同的高壓空氣量與熔鹽量，且通過空氣量與熔鹽加熱量的計(jì)算 匹配，基本保證兩者同步工作且同時耗盡；待一個工作周期結(jié)束后，同時進(jìn)行氣瓶充氣和熔 鹽加熱。本發(fā)明的有益效果為采用單螺桿膨脹機(jī)作為發(fā)動機(jī)，具有低噪音，耐磨損，結(jié)構(gòu) 簡單等優(yōu)點(diǎn)，且做功過程連續(xù)、穩(wěn)定，無負(fù)功產(chǎn)生，鏈接機(jī)構(gòu)簡單，可大大簡化汽車機(jī)構(gòu)；熔 鹽蓄熱方式的設(shè)計(jì)，利用熔鹽成本低、相變潛熱大、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，可大大提升壓縮空 氣做功溫度，有效提高系統(tǒng)做功能力，對于多級發(fā)動機(jī)組效果尤其顯著；此外，熔鹽加熱器 前設(shè)置空氣加熱器還可以起到初步提高壓縮空氣溫度和穩(wěn)定工作溫度的作用，便于理論上 的優(yōu)化分析和實(shí)踐操作中的實(shí)時控制。



11-外部保溫層；13-熔鹽注入口；15-空氣進(jìn)口；17-加熱器底座；
12-外接電源插座；
14-溢氣孔； 16-空氣出口 ； 18-電加熱帶； 19-管程(內(nèi)走空氣)；
20-殼程(內(nèi)儲熔鹽)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明設(shè)計(jì)的氣動發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)，尤其適用于城市公交、旅游纜車、景區(qū)觀光 車、綠化洗清車等短途交通工具，可實(shí)現(xiàn)城區(qū)、景點(diǎn)的完全零污染，低噪聲，提高環(huán)境質(zhì)量， 能有效緩解燃油汽車引起的溫室效應(yīng)、生態(tài)破壞等問題。在具體實(shí)施方案中，單螺桿膨脹機(jī) 可根據(jù)實(shí)際的功率需求采用不同級數(shù)和不同聯(lián)接方式，熔鹽種類、加熱方式和加熱位置的 選擇也可根據(jù)實(shí)際情況具體確定。下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。實(shí)施方案1方案系統(tǒng)參見圖1，本實(shí)施例的系統(tǒng)主要應(yīng)用于小功率車的引擎中。由于所要求的 功率較小，發(fā)動機(jī)采用單級膨脹機(jī)形式，其膨脹比受制作工藝的限制可選為10。在確定好膨 脹比與熔鹽種類的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)功率的需求進(jìn)行熔鹽工作溫限的選擇，并通過熔鹽 加熱器控制空氣加熱至某一工作溫度，并由傳感器和調(diào)節(jié)閥的感應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣流 量和壓力的控制。由于采用單級膨脹且加熱量不必太高，因此系統(tǒng)裝置比較簡單，體積小、 質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)性好為該方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)施方案2方案系統(tǒng)參見圖2，本實(shí)施例的系統(tǒng)主要應(yīng)用于中等功率車的引擎中。發(fā)動機(jī)采用 雙級膨脹、首級熔鹽加熱的形式。由于在不同的熔鹽加熱溫度下雙級系統(tǒng)具有最優(yōu)的膨脹 比，故需選擇最優(yōu)膨脹比匹配的單螺桿膨脹機(jī)，且蓄熱熔鹽溫度盡可能高。雙級膨脹機(jī)設(shè)計(jì) 為串接形式，同軸輸出，可使結(jié)構(gòu)更緊湊，易于控制，其它流程結(jié)構(gòu)與方案1相同。由于采用 雙級膨脹，膨脹比在一定程度內(nèi)有所增加，再輔之高溫蓄熱熔鹽加熱，功率較之方案1有所 增加，體積小、質(zhì)量輕、功率高是該方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)施方案3方案系統(tǒng)參見圖3，本實(shí)施例的系統(tǒng)主要應(yīng)用于較大功率車的引擎中。發(fā)動機(jī)采用 三級膨脹、分級熔鹽加熱的形式。由于在不同的熔鹽加熱溫度下三級系統(tǒng)具有最優(yōu)的膨脹 比，故需選擇最優(yōu)膨脹比匹配的單螺桿膨脹機(jī)，選擇熔點(diǎn)相對較高，熔解熱和比熱相對較大 的熔鹽作為蓄熱介質(zhì)，蓄熱熔鹽的工作溫度盡可能高，利用熔鹽潛熱和顯熱實(shí)現(xiàn)對壓縮空 氣的加熱。三級膨脹機(jī)也設(shè)計(jì)為串接形式，同軸輸出，壓縮空氣每經(jīng)過一級膨脹機(jī)膨脹前均 經(jīng)過熔鹽加熱，即實(shí)現(xiàn)分級加熱，使多級發(fā)動機(jī)系統(tǒng)盡可能實(shí)現(xiàn)高溫下近等溫膨脹，其它流 程結(jié)構(gòu)與方案1相同。該方案系統(tǒng)總體積、總質(zhì)量將相對增加，控制也相對復(fù)雜，但可以實(shí) 現(xiàn)最大的輸出功率，獲得高功率是該方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)。下面介紹本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選的加熱器的結(jié)構(gòu)形式，空氣加熱器3設(shè)計(jì)為外置肋片 式，選用導(dǎo)熱性能好的材質(zhì)，結(jié)構(gòu)如圖4如示，加熱器管壁8內(nèi)側(cè)走高壓低溫的空氣工質(zhì)， 外側(cè)為流動的環(huán)境大氣，壁面外側(cè)設(shè)置有大面積的環(huán)形肋片9，用以強(qiáng)化內(nèi)外兩側(cè)的空氣換 熱。空氣加熱器需布置于空氣流通性好的位置。
熔鹽加熱器4采用電加熱蓄熱的方式，利用市電對熔鹽進(jìn)行充熱，所述電加熱與 所述高壓空氣瓶1充氣過程同步進(jìn)行。即，發(fā)動機(jī)工作前對車載高壓空氣瓶1進(jìn)行充氣，同 時利用電加熱對熔鹽加熱器4內(nèi)所儲熔鹽進(jìn)行加熱蓄熱，當(dāng)氣瓶充滿氣且熔鹽被加熱至設(shè) 定的溫度(根椐選擇熔鹽的種類及功能不同而定)后，即完成充氣與蓄熱過程，氣動發(fā)動機(jī) 正常工作。當(dāng)氣源空氣及熔鹽蓄熱同步用盡后，開始新的充氣及蓄熱。其中熔鹽加熱器工 作時可利用顯熱蓄熱，潛熱蓄熱，也可顯熱、潛熱蓄熱同時應(yīng)用的方式。熔鹽加熱器4的結(jié)構(gòu)形式可借采用管殼式、板式等多種常見工質(zhì)的換熱器形式。 本申請優(yōu)選管殼式熔鹽加熱器結(jié)構(gòu)形式，包括外部保溫層11，下方設(shè)置加熱器底座17，外 接電源插座12接通市電，通過電加熱帶18進(jìn)行加熱，該熔鹽加熱器4還包括熔鹽注入口 13、空氣進(jìn)口 15、空氣出口 16、溢氣孔14、管程19、殼程20。帶壓空氣經(jīng)入口 15流入加熱器 的管程19，流動過程中經(jīng)殼程20內(nèi)蓄存的具有一定熱量的熔鹽進(jìn)行加熱，最終實(shí)現(xiàn)加熱從 空氣出口 16流出。當(dāng)熔鹽加熱器4內(nèi)熔鹽蓄存的熱量用盡時，由電插座12接入市電，利用 電加熱帶進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對熔鹽重新蓄熱。應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不以任何形式限定本發(fā)明，凡采用等同替代或等效變換等 形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的氣動汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，按壓縮空氣的流向，包括高壓空氣瓶(1)、控制調(diào)節(jié)閥(2)、空氣加熱器(3)、熔鹽加熱器(4)、信號感應(yīng)器(5)和單螺桿膨脹機(jī)(6)，其特征在于高壓空氣瓶(1)中流出的空氣通過調(diào)節(jié)閥(2)控制壓縮空氣的流量和壓力達(dá)到一定的工況條件后，進(jìn)入空氣加熱器(3)進(jìn)行預(yù)加熱，預(yù)加熱后的帶壓空氣進(jìn)入溶鹽加熱器(4)實(shí)現(xiàn)蓄熱熔鹽的二次加熱，此后帶壓高溫空氣通過信號感應(yīng)器(5)并與調(diào)節(jié)閥(2)配合實(shí)現(xiàn)工況下空氣壓力、流量的控制，最終進(jìn)入單螺桿發(fā)動機(jī)(6)進(jìn)行膨脹做功，帶動螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)并通過機(jī)械功輸出軸(7)輸出機(jī)械功。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的氣動汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其特征 在于所述的空氣加熱器(3)采用肋片式結(jié)構(gòu)，利用大氣環(huán)境溫度對剛從氣瓶中流出的空 氣進(jìn)行初步預(yù)熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的氣動汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其 特征在于所述的單螺桿膨脹機(jī)(6)包括單級膨脹和多級膨脹兩種方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的氣動汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其特征 在于對于多級形式的單螺桿膨脹機(jī)，其聯(lián)結(jié)方式包括串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)三種形式，其熔鹽 加熱方式包括首級加熱和分級加熱兩種形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單螺桿膨脹機(jī)與熔鹽相結(jié)合的氣動汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，其 特征在于所述的熔鹽加熱器(4)采用電加熱蓄熱的方式，利用市電對熔鹽進(jìn)行充熱，所述 電加熱與所述高壓空氣瓶(1)充氣過程同步進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣動汽車發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及其裝置，屬于高新技術(shù)汽車動力領(lǐng)域。原有氣動汽車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；加熱方式效率不高。該系統(tǒng)主要包括作為動力源的高壓空氣瓶(1)、用于實(shí)現(xiàn)控制的調(diào)節(jié)閥(2)和信號感應(yīng)器(5)、空氣加熱器(3)、熔鹽加熱器(4)和單螺桿膨脹機(jī)(6)。其方法特征在于采用單螺桿膨脹機(jī)作為氣動發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單、噪聲低、壽命長、發(fā)動機(jī)系統(tǒng)鏈接機(jī)構(gòu)控制簡單；采用蓄熱熔鹽加熱壓縮空氣的方式，由于熔融鹽具有比熱及熔解熱大、工作溫度高、傳熱性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在更高溫度下的近等溫膨脹，能大大提高系統(tǒng)輸出功率。由于本系統(tǒng)所具備的特點(diǎn)，因此將該項(xiàng)發(fā)明應(yīng)用于氣動汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢。
文檔編號F01C20/24GK101922318SQ20101023882
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者何為, 吳玉庭, 馬重芳 申請人:馬重芳