本發(fā)明涉及一種發(fā)動機(jī)，主要涉及一種氣壓發(fā)動機(jī)。

背景技術(shù)：

空氣污染已成為世界性的環(huán)境問題，而汽車尾氣排放現(xiàn)已成為世界各大城市大氣污染的罪魁禍?zhǔn)?，因此，大家都在不停地探索新能源汽車。人類總是有用不完的奇妙點子：電能、氫能、太陽能、風(fēng)能、核能、生物質(zhì)能、氣體能……其中最引人注目的要數(shù)空氣動力車了。

空氣動力車依靠氣壓發(fā)動機(jī)，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而驅(qū)動車輛前行。早期的氣壓發(fā)動機(jī)都是采用了類似蒸汽機(jī)的結(jié)構(gòu)，體積龐大、工作效率低，無法滿足實際使用需求。當(dāng)今研究方向是發(fā)展結(jié)構(gòu)緊湊，高效可靠的小型氣壓發(fā)動機(jī)。目前世界上除中國外有美國、英國和法國等國家在進(jìn)行氣壓發(fā)動機(jī)及氣體動力車的研究，大多處于試驗即試制階段，還未有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。

美國華盛頓大學(xué)在美國能源部的資助下，1997年研制了一臺以液氮為動力的空氣動力原型車。其所使用的空氣發(fā)動機(jī)是有一臺舊五缸直列活塞發(fā)動機(jī)改造的。而美國北德克薩斯州立大學(xué)在州現(xiàn)金技術(shù)項目基金支持下也開展了液氮動力汽車的研究，利用液氮經(jīng)過熱交換器獲得的高壓氮氣，供給一臺葉片式氣動馬達(dá)工作，轉(zhuǎn)化為機(jī)械功驅(qū)動汽車行駛。載儲液罐滿載48加侖(約182l)液氮情況下，以20kmph的時速行駛15公里，效率低。

英國倫敦威斯敏斯特大學(xué)的c.j.marquand教授設(shè)計了一臺試驗型的兩級偏心葉片式氣動發(fā)動機(jī)，該氣動發(fā)動機(jī)重50kg，工作壓力為4.5mpa,采用兩級各12個葉片的偏心葉片轉(zhuǎn)子，該氣動發(fā)動機(jī)上應(yīng)用了熱管熱交換系統(tǒng),高壓壓縮空氣在進(jìn)入發(fā)動機(jī)前需要在一個長管型鋁制熱交換器中部分膨脹以吸收由環(huán)境空氣提供的熱量，最終，效率低下仍是該發(fā)動機(jī)的問題。

1991年，法國工程師gurynegre獲得了壓縮空氣動力發(fā)動機(jī)的專利，其工作原理是利用車上儲存的高壓壓縮空氣驅(qū)動發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)的活塞運動進(jìn)而驅(qū)動汽車前進(jìn)，這是最接近真正意義上的空氣動力車。在gurynegre的領(lǐng)導(dǎo)下成立了法國mdi公司，專門研制氣動汽車，其研究成果應(yīng)用于印度tata集團(tuán)的空氣動力車airpod，車長2.13米，車重275公斤，最大載客量3人，最高時速為70公里。車內(nèi)置一個可裝載30mpa壓縮空氣的氣罐，容積175升，單次充滿氣的最大行駛范圍在200公里左右。

國內(nèi)對于空氣動力車的研究開始較晚，投入產(chǎn)品試驗階段的也較少，其中央視在2015年5月對祥天空氣動力車進(jìn)行了報道。從其工作原理來看，祥天空氣動力大巴的動力傳導(dǎo)經(jīng)過了“壓縮空氣—發(fā)動機(jī)—發(fā)電機(jī)—電動機(jī)”這一系列流程，要比歐洲mdi(由法國工程師gurynegre創(chuàng)立)的空氣動力車的更加復(fù)雜，因此過程中損失的能量也更多。因此，空氣動力車的關(guān)鍵取決于空氣(氣體)發(fā)動機(jī)的效率。

大多數(shù)空氣發(fā)動機(jī)均是在原有活塞發(fā)動機(jī)或葉片泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用，并通過熱交換器受熱實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)動力輸出，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵是效率低，難以滿足續(xù)航能力的要求。

中國文獻(xiàn)cn201410167469.4公開一種變壓噴氣式空氣發(fā)動機(jī)，包括葉輪室和葉輪，葉輪室上設(shè)置有噴入壓縮氣體的噴入孔和噴出壓縮氣體的排氣孔，葉輪通過轉(zhuǎn)軸裝設(shè)于葉輪室，葉輪包括沿轉(zhuǎn)動周面與葉輪室的內(nèi)表面氣隙配合，葉輪室的內(nèi)表面還設(shè)置有變壓噴氣槽，沿葉輪的轉(zhuǎn)動方向變壓噴氣槽與相鄰的噴入孔之間的距離大于一個齒間距，當(dāng)某個葉齒前后的兩個工作腔通過所述變壓噴氣槽相連通。通過設(shè)置變壓噴氣槽，使得噴入孔噴入的氣體在從排出孔噴出前還能再次做功。該文獻(xiàn)的本意是提高發(fā)動機(jī)的能效和動力，但是該結(jié)構(gòu)與葉片泵相似，效率低。同時，該變壓噴氣槽的設(shè)置導(dǎo)致該空氣發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低，甚至無法旋轉(zhuǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種氣壓發(fā)動機(jī)，壓縮氣體通過直驅(qū)動力機(jī)芯驅(qū)動旋轉(zhuǎn)外圈的驅(qū)動槽，產(chǎn)生推力推動旋轉(zhuǎn)外圈，實現(xiàn)動力的輸出，具有結(jié)構(gòu)簡單，傳遞效率高，續(xù)航能力強，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種氣壓發(fā)動機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)外圈、中間軸及直驅(qū)動力機(jī)芯，所述旋轉(zhuǎn)外圈、直驅(qū)動力機(jī)芯同軸設(shè)置于中間軸上，旋轉(zhuǎn)外圈相對于中間軸和直驅(qū)動力機(jī)芯轉(zhuǎn)動，所述中間軸設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，直驅(qū)動力機(jī)芯設(shè)置有進(jìn)氣流道、出氣流道，旋轉(zhuǎn)外圈內(nèi)環(huán)面上設(shè)有多個驅(qū)動槽，壓縮氣體從中間軸的總進(jìn)氣口進(jìn)入，通過直驅(qū)動力機(jī)芯的進(jìn)氣流道噴出，作用在外圈的驅(qū)動面上，產(chǎn)生推力推動旋轉(zhuǎn)外圈，最后壓縮氣體通過直驅(qū)動力機(jī)芯的出氣流道回到總出氣口，實現(xiàn)速度和扭矩連續(xù)輸出。

進(jìn)一步，所述旋轉(zhuǎn)外圈通過側(cè)板配合于中間軸上，并形成一個封閉空間，直驅(qū)動力機(jī)芯可分級設(shè)置于封閉空間內(nèi)，形成多級動力輸出裝置。

進(jìn)一步，所述直驅(qū)動力機(jī)芯的進(jìn)氣流道走向為由中間往外延伸的螺旋線。

進(jìn)一步，所述直驅(qū)動力機(jī)芯的進(jìn)氣流道走向為由中間往外延伸的對數(shù)螺旋線，該對數(shù)螺旋線的極點設(shè)置在中間軸軸線上，對數(shù)螺旋線走向角2-15°。

進(jìn)一步，所述直驅(qū)動力機(jī)芯上設(shè)置1條以上進(jìn)氣流道和相對應(yīng)出氣流道。

進(jìn)一步，所述旋轉(zhuǎn)外圈的內(nèi)環(huán)面上設(shè)置有2個以上驅(qū)動槽，每一驅(qū)動槽具有一輪廓底面以及驅(qū)動面，輪廓底面的輪廓線為對數(shù)螺旋線，其極點設(shè)置在中間軸軸線上。

進(jìn)一步，所述中間軸至少有1個總進(jìn)氣口和1個總出氣口，同時還至少有1個分級進(jìn)氣口和1個分級出氣口。

進(jìn)一步，分級進(jìn)氣口和直驅(qū)動力機(jī)芯進(jìn)氣流道相通，分級出氣口和直驅(qū)動力機(jī)芯出氣流道相通。

一種氣壓發(fā)動機(jī)總成包括上述的氣壓發(fā)動機(jī)。

本發(fā)明氣壓發(fā)動機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，傳遞效率高，續(xù)航能力強?？蓮V泛應(yīng)用于交通工具、發(fā)電設(shè)備以及其他需要動力輸出裝置的各領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明氣壓發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明直驅(qū)動力機(jī)芯a—a剖視圖。

圖3是本發(fā)明直驅(qū)動力機(jī)芯b—b剖視圖。

圖4是本發(fā)明多級直驅(qū)動力機(jī)芯示意圖。

圖5是發(fā)動機(jī)總成示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

實施例1：

如圖1-3，一種氣壓發(fā)動機(jī)，包括旋轉(zhuǎn)外圈1、中間軸2及直驅(qū)動力機(jī)芯3，所述旋轉(zhuǎn)外圈1、直驅(qū)動力機(jī)芯3同軸設(shè)置于中間軸2上，旋轉(zhuǎn)外圈1相對于中間軸2和直驅(qū)動力機(jī)芯3轉(zhuǎn)動，中間軸2和直驅(qū)動力機(jī)芯3固定不動。所述中間軸2設(shè)有進(jìn)氣口21和出氣口22，直驅(qū)動力機(jī)芯3設(shè)置有進(jìn)氣流道31、出氣流道32，旋轉(zhuǎn)外圈1內(nèi)環(huán)面上設(shè)有多個驅(qū)動槽11，壓縮氣體從中間軸的進(jìn)氣口21進(jìn)入，通過直驅(qū)動力機(jī)芯3的螺旋進(jìn)氣流道31噴出，作用在旋轉(zhuǎn)外圈1的驅(qū)動面a上，產(chǎn)生推力推動旋轉(zhuǎn)外圈1，最后壓縮氣體通過直驅(qū)動力機(jī)芯3的出氣流道32回到出氣口22，實現(xiàn)速度和扭矩連續(xù)輸出。

旋轉(zhuǎn)外圈1通過左右擋板4、5配合于中間軸2上，左右支撐擋板為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)外圈1配合的側(cè)板，并形成一個封閉空間，直驅(qū)動力機(jī)芯3可分級設(shè)置于封閉空間內(nèi)，形成多級動力輸出裝置。

直驅(qū)動力機(jī)芯3的進(jìn)氣流道31由中心向外延伸的走向為對數(shù)螺旋線，所述對數(shù)螺旋線的極點設(shè)置在中間軸2中心軸線上，由于對數(shù)螺旋線壓力角恒定的特性，使得壓縮氣體在噴射過程中的損耗最小，又能夠保證壓縮氣體以同樣時間和推力作用在驅(qū)動槽11上，傳動平穩(wěn)。對數(shù)螺旋線走向角決定了壓縮氣體噴射的角度，其大小影響旋轉(zhuǎn)外圈1驅(qū)動的速度和旋轉(zhuǎn)的力矩。走向角太大，旋轉(zhuǎn)外圈1驅(qū)動力在切向方向上分力變小，甚至出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象；走向角太小，外圈的驅(qū)動面a受力面積太小，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力也較小。因此，對數(shù)螺旋線走向角優(yōu)選2-15°。同時，對數(shù)螺旋線走向角也決定了直驅(qū)動力機(jī)芯3噴射口33同時作用的驅(qū)動槽11的數(shù)量，1個噴射口33可以同時驅(qū)動2個驅(qū)動槽，也有可以是3個，可以根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計。

旋轉(zhuǎn)外圈1的內(nèi)環(huán)面上設(shè)置有2個以上驅(qū)動槽11，每一驅(qū)動槽11具有一輪廓底面b以及驅(qū)動面a，輪廓底面b的輪廓線為對數(shù)螺旋線，其極點設(shè)置在中間軸2軸線上。輪廓底面b的輪廓線也可以是直驅(qū)動力機(jī)芯3的進(jìn)氣流道31走向為對數(shù)螺旋線的延長線。保證旋轉(zhuǎn)外圈1驅(qū)動槽11受力一致且受力方向指向驅(qū)動面a，保證旋轉(zhuǎn)外圈1平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。

直驅(qū)動力機(jī)芯3上設(shè)置1條以上進(jìn)氣流道和相對應(yīng)出氣流道，可以是2條、3條、或4條或更多條進(jìn)氣流道，與旋轉(zhuǎn)外圈1的內(nèi)環(huán)面上設(shè)置的驅(qū)動槽11數(shù)量匹配，出氣流道與其對應(yīng)設(shè)置。主要考慮壓縮氣體驅(qū)動旋轉(zhuǎn)外圈1轉(zhuǎn)動的連續(xù)性和平穩(wěn)性，且和旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)對應(yīng)匹配，才能獲得較高的轉(zhuǎn)速和扭矩并連續(xù)平穩(wěn)輸出。

中間軸上的進(jìn)氣口包括至少有1個總進(jìn)氣口和至少有1個分級進(jìn)氣口，出氣口包括1個總出氣口和至少1個分級出氣口。

所述中間軸至少有1個總進(jìn)氣口和1個總出氣口，同時還至少有1個分級進(jìn)氣口和1個分級出氣口。分級進(jìn)氣口和直驅(qū)動力機(jī)芯進(jìn)氣流道相通，分級出氣口和直驅(qū)動力機(jī)芯出氣流道相通。氣壓發(fā)動機(jī)壓縮氣體通過中間軸2的總進(jìn)氣口，進(jìn)到分級進(jìn)氣口，通過進(jìn)氣流道驅(qū)動旋轉(zhuǎn)外圈，然后以較小的壓力進(jìn)到分級出氣口，最后通過中間軸2的總出氣口排出。

氣壓發(fā)動機(jī)總成包括上述的氣壓發(fā)動機(jī)。

實施例2：

如圖2-4，一種氣壓發(fā)動機(jī)，其包括旋轉(zhuǎn)外圈1、中間軸2、一級直驅(qū)動力機(jī)芯3、二級直驅(qū)動力機(jī)芯7、及左右支撐擋板4、5，所述旋轉(zhuǎn)外圈1、一級直驅(qū)動力機(jī)芯3、二級直驅(qū)動力機(jī)芯7及左右支撐擋板4、5同軸設(shè)置于中間軸上2，左右支撐擋板為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)外圈配合的側(cè)板，所述旋轉(zhuǎn)外圈1與左右支撐擋板4、5連接為一體，通過軸承6與中間軸2配合連接，通過隔板8隔開，形成兩級的封閉空間，所述中間軸2設(shè)有進(jìn)氣孔21和出氣孔22，一級直驅(qū)動力機(jī)芯3和二級直驅(qū)動力機(jī)芯7設(shè)置有進(jìn)氣流道31和71、出氣流道32和72，旋轉(zhuǎn)外圈1內(nèi)環(huán)面上設(shè)有多個驅(qū)動槽11，壓縮氣體從中間軸2的進(jìn)氣孔21進(jìn)入，然后通過一級進(jìn)氣口通至一級直驅(qū)動力機(jī)芯3的進(jìn)氣流道31，氣體作用在外圈的驅(qū)動面a上，然后通過一級直驅(qū)動力機(jī)芯3出氣流道32進(jìn)到二級直驅(qū)動力機(jī)芯7的進(jìn)氣流道71，此時，氣壓減少為95％，再次作用在外圈的驅(qū)動槽11面上，產(chǎn)生推力推動旋轉(zhuǎn)外圈1，最后壓縮氣體通過直驅(qū)動力機(jī)芯7的出氣流道72回到出氣口22，實現(xiàn)速度和扭矩連續(xù)輸出。

根據(jù)負(fù)載的要求，可以對發(fā)動機(jī)進(jìn)行設(shè)計，其中的直驅(qū)動力機(jī)芯3分級設(shè)置可以兩級，也可以三級，還可以多級，經(jīng)每級做功氣壓減小5％，即以上一級95％的氣壓進(jìn)入下一級做功，充分利用能量，最大程度地提高使用效率，以滿足輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的需求。

如圖5，氣壓發(fā)動機(jī)總成可以由一個或多個氣壓發(fā)動機(jī)100驅(qū)動飛輪101，配合進(jìn)氣壓力和流量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)輸出扭矩和速度的變化，滿足各種路況要求。

實施例3：

設(shè)計一臺匹配奧迪2.5lv6的樣機(jī)：

1、主要參數(shù)如下：

a)氣源：200l的液氮；

b)氣壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動槽直徑：φ108mm，旋轉(zhuǎn)外圈齒輪直徑φ136mm；

c)氣壓發(fā)動機(jī)數(shù)量：3個

d)旋轉(zhuǎn)外圈驅(qū)動凹槽截面尺寸：一級20mm×8mm(長×高)，二級20mm×8mm(長×高)，三級16mm×8mm(長×高)，四級12mm×8mm(長×高)；

e)飛輪直徑：φ244.8mm；

f)單個氣壓發(fā)動機(jī)質(zhì)量：9kg，其中旋轉(zhuǎn)外圈質(zhì)量：8kg；

g)飛輪質(zhì)量：20kg。

h)氣壓發(fā)動機(jī)總成質(zhì)量：70kg(含3個氣壓發(fā)動機(jī)、飛輪及底座等附件)

2、扭矩

(1)氣壓發(fā)動機(jī)(氣壓為0.6mpa時，轉(zhuǎn)速3000r/min)2個驅(qū)動槽受力

單個氣壓發(fā)動機(jī)一級的氣體沖擊扭矩n氣1＝10.4n·m；

單個氣壓發(fā)動機(jī)二級的氣體沖擊扭矩n氣2＝9.8n·m；

單個氣壓發(fā)動機(jī)三級的氣體沖擊扭矩n氣3＝7.5n·m；

單個氣壓發(fā)動機(jī)四級的氣體沖擊扭矩n氣4＝5.3n·m；

單個氣壓發(fā)動機(jī)的外圈慣性力矩n慣＝11.7n·m；

單個氣壓發(fā)動機(jī)的扭矩n＝33+11.7＝44.7n·m。

(2)飛輪(轉(zhuǎn)速n飛輪＝1666r/min)

飛輪受氣壓發(fā)動機(jī)驅(qū)動力矩n飛輪＝44.7*1.8*3＝241.3n·m；

飛輪慣性力矩n慣＝18.2n·m；

(3)發(fā)動機(jī)總成輸出總扭矩

發(fā)動機(jī)輸出總扭矩n輸出＝241.3+18.2＝259.5n·m；

其扭矩與奧迪a6l2.5v6發(fā)動機(jī)250n·m匹配。

本實施例采用200l的液氮作為氣源，液氮氣化膨脹系數(shù)800(0℃，1個大氣壓)，相當(dāng)于4瓶壓力20mpa，容積200l的壓縮氮氣，即34瓶12mpa，容積40l的原型機(jī)氣源。氣源以0.6mpa工作時，可連續(xù)使用約408分鐘，即6.8小時。以80km/h的速度計算，行駛里程可達(dá)約544km，折合行駛里程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的研究。液氮的價格1元/公斤，充滿200l約160kg，價格約為160元，折合每公里約0.3元。若以液態(tài)空氣為氣源，成本可進(jìn)一步降低。

本發(fā)明氣壓發(fā)動機(jī)，徹底改變了在原有活塞發(fā)動機(jī)或葉片泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝應(yīng)用的方法，發(fā)明了新型式的發(fā)動機(jī)原理。不僅結(jié)構(gòu)簡單，還具有高效率，續(xù)航能力強等優(yōu)點。綠色環(huán)保，減少溫室效應(yīng)，降低pm2.5，同時還可以有很多輔助應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著?？蓮V泛應(yīng)用于汽車、摩托車、自行車燈交通工具、發(fā)電設(shè)備以及其他需要動力輸出裝置的各領(lǐng)域。

以上所記載，僅為利用本創(chuàng)作技術(shù)內(nèi)容的實施例，任何熟悉本項技藝者運用本創(chuàng)作所做的修飾、變化，皆屬本創(chuàng)作主張的專利范圍，而不限于實施例所揭示者。