專利名稱:風(fēng)力渦輪增壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各類汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣增壓系統(tǒng)，按國際專利分類表(IPC)劃分屬于機(jī)械工程部，一般工程分部，流體壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣動技術(shù)(一般流體工作系統(tǒng)，流體壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)等流體壓力部件，流體動力學(xué)，即影響氣體或液體流動的方法或裝置)的技術(shù)領(lǐng)域：
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(二)技術(shù)背景
全球汽車行業(yè)采用的汽車渦輪增壓系統(tǒng)主要分四大類機(jī)械渦輪增壓；廢氣渦輪增壓、氣波增壓和電子渦輪增壓。其中氣波增壓器由于笨重和噪音太大而不適合轎車安裝， 電子渦輪增壓由于需要消耗發(fā)電機(jī)電能、所產(chǎn)生的風(fēng)壓過小、難以提升發(fā)動機(jī)性能而不被行業(yè)所接受，目前流行的汽車渦輪增壓器，主要是指機(jī)械渦輪增壓和廢氣渦輪增壓兩種。機(jī)械渦輪增壓器主要依靠發(fā)動機(jī)輸出軸獲得動力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子，將空氣壓迫入進(jìn)氣管達(dá)到增壓的目的，但它同樣要消耗掉引擎動力，增壓效率不高；廢氣渦輪增壓器是最常見和最受歡迎的渦輪增壓裝置，它不用消耗任何電能，通過發(fā)動機(jī)排出的廢氣來推動葉輪，同時(shí)帶動同軸葉輪來吸入大量空氣，達(dá)到增壓的目的。廢氣渦輪增壓器也是目前效率最高的增壓裝置。但是這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)同樣明顯一是生產(chǎn)成本和維護(hù)成本昂貴，普通消費(fèi)者難以承受；二是低速疲軟，要解決這個(gè)問題，就必須采用復(fù)合式增壓系統(tǒng)(即機(jī)械增壓與廢氣增壓并用)， 這一來生產(chǎn)成本和維護(hù)成本只能居高不下。這也是廢氣增壓和機(jī)械增壓技術(shù)沿用了半個(gè)多世紀(jì)后仍無法全面普及的根本原因。
國內(nèi)有關(guān)汽車渦輪增壓技術(shù)的創(chuàng)新，如“四進(jìn)氣口風(fēng)力渦輪增壓器裝置”(專利公告號CN2519022)、“空氣動力渦輪增壓器裝置”(專利公告號CN1U^81A)，其基本原理仍然停留在“自然吸氣”階段，即利用發(fā)動機(jī)自然吸氣產(chǎn)生的牽引力來推動渦輪風(fēng)扇，然而發(fā)動機(jī)每一次吸氣沖程吸入的空氣量是衡定不變的(吸入的空氣多少由氣缸容量決定)，這種將發(fā)動機(jī)“吸氣力”轉(zhuǎn)化為風(fēng)扇動力的“渦輪增壓器”充其量只是改變了氣流的運(yùn)動軌跡， 沒有從根本上提升進(jìn)氣壓力，不僅如此，當(dāng)發(fā)動機(jī)高速運(yùn)動時(shí)，渦輪本身也成為了空氣流動的障礙，因此這些創(chuàng)新至今沒有得到主流汽車行業(yè)界的認(rèn)可。
利用發(fā)動機(jī)吸氣功能、或利用發(fā)動機(jī)扭力、甚或直接以電動的方式來驅(qū)動渦輪風(fēng)扇，無疑會對發(fā)動機(jī)功率產(chǎn)生消耗，對改善發(fā)動機(jī)性能意義不大。我們將損耗發(fā)動機(jī)動力或消耗發(fā)動機(jī)吸氣力的增壓器稱為被動式或消極式渦輪增壓器，將無損發(fā)動機(jī)動力同時(shí)有效增強(qiáng)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力的增壓器稱為主動式或積極式渦輪增壓器。本發(fā)明采用外部風(fēng)力(汽車與大氣摩擦產(chǎn)生的阻力)來驅(qū)動渦輪運(yùn)動，產(chǎn)生的功效絕不亞于價(jià)格昂貴、穩(wěn)居增壓器行業(yè)龍頭老大地位達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的廢氣渦輪增壓器。

發(fā)明內(nèi)容
1、風(fēng)力渦輪增壓器的動力學(xué)原理
當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，與空氣產(chǎn)生作用力和反作用力，在自然風(fēng)速衡定不變的情況下，風(fēng)速的增加與汽車速度相等，相對于靜止的汽車，風(fēng)速隨車速的增加而增強(qiáng)，在風(fēng)力驅(qū)動下，渦輪風(fēng)扇將為發(fā)動機(jī)提供源源不斷的空氣壓力。
2、風(fēng)力渦輪增壓器的概念
利用汽車運(yùn)動后與大氣產(chǎn)生的阻力(風(fēng)力)來推動渦輪風(fēng)扇，被推動的風(fēng)扇同時(shí)帶動同軸葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)、使得過濾后的新鮮空氣形成高壓氣流進(jìn)入節(jié)氣門、提升混合氣質(zhì)量，改善燃燒效率、增強(qiáng)發(fā)動機(jī)動力的一種主動式增壓裝置。
3、風(fēng)力渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)
整個(gè)風(fēng)力渦輪增壓裝置由集風(fēng)口、集風(fēng)管、渦輪外殼、軸承座、高速軸承、同軸風(fēng)扇 (葉輪)、進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、排水閥、吸氣口、出氣口、及相應(yīng)連接管道(Y型管)等部件組成 (圖1、圖6、圖7)。
4、風(fēng)力渦輪增壓器的工作原理
當(dāng)汽車開動時(shí)，大量空氣進(jìn)入集風(fēng)口、經(jīng)集風(fēng)管擠壓后形成高集束氣流推動“葉輪 1”，此時(shí)“葉輪2”同步旋轉(zhuǎn)、將空氣濾清器里的空氣吸入后形成高壓氣流通過節(jié)氣門進(jìn)入發(fā)動機(jī)(圖2)。
5、風(fēng)力渦輪增壓器的技術(shù)特點(diǎn)——與廢氣渦輪增壓器相比，兩者都不需要消耗發(fā)動機(jī)動力，但增壓的動力來源正好相反廢氣渦輪增壓器依靠發(fā)動機(jī)排出的廢氣來推動風(fēng)扇，風(fēng)力渦輪則是依靠強(qiáng)勁的新鮮氣流來推動風(fēng)扇；廢氣渦輪的工作環(huán)境惡劣(溫度高達(dá)數(shù)百乃至上千度)，而風(fēng)力渦輪的工作環(huán)境優(yōu)越(溫度接近常溫)，決定了廢氣渦輪必須使用特殊材料來加工制造，工藝復(fù)雜而價(jià)格昂貴，相比之下，風(fēng)力渦輪裝置只需要普通金屬材料、輔以質(zhì)量較好的工業(yè)塑料，運(yùn)用較簡單的工藝就能夠制作完成，在生產(chǎn)成本和維護(hù)成本上呈壓倒性優(yōu)勢；傳統(tǒng)廢氣渦輪的另一大劣勢是需要中冷器來給進(jìn)氣管輔助降溫，而風(fēng)力渦輪根本不需要(圖3)。


圖1是風(fēng)力渦輪增壓器總體結(jié)構(gòu)圖；圖2是風(fēng)力渦輪增壓器工作原理圖；圖3是風(fēng)力渦輪增壓器內(nèi)部構(gòu)造圖；圖4是風(fēng)力渦輪器內(nèi)部設(shè)計(jì)簡圖；圖5是風(fēng)力渦輪增壓器殼體和核心部件組合圖；圖6是風(fēng)力渦輪增壓器實(shí)際應(yīng)用中的方案一安裝示意圖；圖7是風(fēng)力渦輪增壓器實(shí)際應(yīng)用中的方案二安裝示意圖；圖8是根據(jù)方案一安裝示意圖在實(shí)踐中的改裝實(shí)效圖；圖9是改裝完成后的汽車機(jī)蓋外觀圖；圖10是改裝完成后的整車外觀圖；圖11是風(fēng)力渦輪增壓器排水閥的設(shè)計(jì)及原理說明圖。
具體實(shí)施方式
1、制作
首先根據(jù)可轉(zhuǎn)化的扭力大小確定風(fēng)扇的形狀和葉輪的尺寸，接著按比例制作出類似普通風(fēng)機(jī)用的渦輪外殼(圖4。所需材料可以是鐵皮、鋁皮或銅皮等)，連軸的長短和粗細(xì)根據(jù)需要而定，一般而言，承載較重的葉輪需要較粗的連軸以確保連軸在高速轉(zhuǎn)動中不會變形，連軸的長短除了考慮裝配空間外，還要考慮承重因素和支撐點(diǎn)的布局(本例采用兩個(gè)支撐點(diǎn))，故連軸的長短理論上應(yīng)與所承載的重量成反比，與支撐點(diǎn)的數(shù)量成正比。
將連軸和渦輪外殼連接定位，裝上風(fēng)扇并固定好(圖5)。
2、注意事項(xiàng)[0018]A、渦輪2外殼的焊接必須緊密、保證氣壓不會泄露；B、進(jìn)入渦輪1的大量外部氣流含有塵粒，用以支撐連軸的軸承必須是高品質(zhì)的密封軸承。C、作為動力來源，渦輪1必須考慮雨雪天氣的影響，配有排水閥(圖11)。
3、排水閥的工作原理
當(dāng)葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣壓差將外部空氣經(jīng)排水管吸入渦輪，被吸入的空氣推動排水管中的活塞將排水口封住，使得風(fēng)力渦輪增壓器處于最佳工作狀態(tài)，當(dāng)風(fēng)力渦輪增壓器停止工作，渦輪內(nèi)部和外部的氣壓相等，活塞就會在引力作用下打開排風(fēng)口，雨雪天氣中積蓄在渦輪底部的水就會順利排除(圖11)。
4、安裝
方案一的安裝(圖6)，本安裝通過Y型管道、采用雙管進(jìn)氣的方法，即在保留原車濾清器的同時(shí)增加另外一個(gè)濾清器(如冬菇頭)，這樣做的好處是當(dāng)汽車啟動時(shí)，發(fā)動機(jī)自然吸入的空氣可以從兩條進(jìn)氣道進(jìn)入，保證了汽車低速行駛時(shí)不會產(chǎn)生“動力滯后”的問題，使汽車不論低速或是高速行駛都能保持動力輸出的最佳狀態(tài)。
方案二的安裝(圖7)，本安裝仍然采用風(fēng)力渦輪增壓裝置，不同的是取消了 Y型管，采用一個(gè)空濾器和單進(jìn)氣道的安裝方法。由于風(fēng)力渦輪增壓器直接與節(jié)氣門相連接，最大程度地減小了高壓氣流的壓力損耗，增壓效果更加明顯。實(shí)際測試中不論發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高低，并沒有出現(xiàn)類似廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)低速疲軟、類似其他增壓器帶來的高速發(fā)堵現(xiàn)象， 原因有以下幾個(gè)方面
1)進(jìn)氣溫度低
風(fēng)力渦輪增壓器本身是依靠高壓冷空氣推動轉(zhuǎn)子工作，大量冷空氣會對整個(gè)渦輪外殼、高速軸承產(chǎn)生降溫作用，保證了風(fēng)力渦增壓器的工作環(huán)境始終處于常溫狀態(tài)，使高壓氣產(chǎn)生的高溫得到有效冷卻，進(jìn)入氣門的空氣密度高，空氣質(zhì)量得到充分保障。
2)進(jìn)氣阻力小
風(fēng)力渦輪增壓器不需要抗高溫，采用輕質(zhì)、較薄的金屬制造、其進(jìn)氣管仍采用耐壓硅膠管制品，進(jìn)氣量大，取消中冷器的同時(shí)意味著減少了空氣阻力。
3)工作效率更高
廢氣渦輪增壓器采用抗高溫優(yōu)質(zhì)重型金屬制造，葉輪和轉(zhuǎn)軸笨重，加上全浮式軸承，汽車運(yùn)行過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速要達(dá)到3000轉(zhuǎn)以上才能有效推動渦輪運(yùn)行，而風(fēng)力渦輪增壓器采用高精度軸承，葉輪轉(zhuǎn)動的阻力減小到了最低，當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后吸入的空氣就開始帶動葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)，汽車運(yùn)行后在外部空氣的推動下就開始加速工作，在低速(30公里/小時(shí)以下)，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量和自然吸氣相比有增無減，低速動力遲滯的現(xiàn)象徹底消失。
風(fēng)力渦輪增壓器與廢氣渦輪增壓器相比有如下五大方面的優(yōu)勢增壓效率更高、 生產(chǎn)成本更低、工藝更簡單、安裝更容易、維護(hù)更方便。
6、實(shí)際測試數(shù)據(jù)
通過集風(fēng)口采集高速氣流推動渦輪工作的實(shí)測中，汽車50公里/小時(shí)的時(shí)速下激光測速儀顯示葉輪轉(zhuǎn)速為5600轉(zhuǎn)/分鐘，這一結(jié)果超過了大功率電機(jī)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，當(dāng)時(shí)速超過100公里/小時(shí)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速飆升到了 20000轉(zhuǎn)/分鐘以上，此時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速僅為3000 轉(zhuǎn)/分鐘，在此發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器才剛剛開始工作或處于極低效的工作狀態(tài)，可見風(fēng)力渦輪增壓器的工作效率明顯要高于廢氣渦輪增壓器。由于激光測速儀準(zhǔn)確性差，加上顛簸和手工測速，這一數(shù)值并不能完全反映風(fēng)力渦輪增壓器的真實(shí)功效，此外， 影響數(shù)值準(zhǔn)確性的因素還包括制作工藝等(本例采用極普通的鼓風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行測試)。為取得更具說服力的證據(jù)，最好的辦法就是將風(fēng)力渦輪增壓器安裝在汽車上進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試(圖8)，最終結(jié)果令人振奮。
本發(fā)明采用夏利TJ7131(豐田8A發(fā)動機(jī)，1.3排量)進(jìn)行測試(圖8，圖9，圖10)， 按方案一的安裝方法，在連續(xù)700多公里的測試中結(jié)果顯示，低速加油時(shí)扭力增強(qiáng)明顯，啟動空調(diào)時(shí)已感覺不到動力損耗，百米加速耗時(shí)僅9秒鐘，時(shí)速50公里/小時(shí)即開使體驗(yàn)到前所未有的澎湃動力，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到3000轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，呈現(xiàn)強(qiáng)勁的爆發(fā)力，高檔位下在25 度斜坡上長距離行駛車速可保持在100公里/小時(shí)以上，超車提速迅猛、油門響應(yīng)迅速敏銳、動力輸出超凡，且隨著車速的增加明顯感覺到發(fā)動機(jī)扭矩的增強(qiáng)，優(yōu)異的表現(xiàn)出乎預(yù)料之外。油耗方面，全程啟動空調(diào)的情況下，475公里耗油量為四升(93號汽油)，百公里耗油量為6升，關(guān)閉空調(diào)后200公里測試中，百公里耗油量僅為4. 3升，比原車標(biāo)稱的百公里最低耗油量4. 8升還要低。在高負(fù)荷工作后，風(fēng)力渦輪增壓器的表面溫度仍然處在常溫水平。
考慮到安全責(zé)任方面的重大問題，本次測試最高時(shí)速控制在140公里以內(nèi)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在3800-4000轉(zhuǎn)/分鐘內(nèi)，此時(shí)仍能感覺到加速強(qiáng)勁有力，而在安裝風(fēng)力渦輪增壓器前，相同時(shí)速下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超過了陽00轉(zhuǎn)/分鐘、矩力開始下降。可見裝配風(fēng)力渦輪增壓器后，該車扭矩峰值提前，動力明顯增強(qiáng)，與此同時(shí)是油耗的降低。
值得一提的是，本實(shí)驗(yàn)為避免意外為夏利車改裝了運(yùn)動型短避震彈簧、安裝前后平衡桿及加固底盤，用以提高行車安全系數(shù)，此外夏利車內(nèi)部并沒有作相應(yīng)的改造，噴油嘴、汽油泵、ECU、排氣管等必須與渦輪增壓器配套變動的的部件紋絲不動。
方案二的安裝同樣可以極大地提升發(fā)動機(jī)性能，說明風(fēng)力渦輪增壓裝置可以有多種裝配方式和方法，相比廢氣渦輪增壓器，風(fēng)力渦輪增壓器實(shí)用性更強(qiáng)、更易于普及。
(五)風(fēng)力渦輪增壓器的應(yīng)用前景
集風(fēng)口的設(shè)計(jì)和安裝格外突出(圖10)，主要由以下兩個(gè)方面的原因造成一是夏利車的機(jī)倉過于緊湊；二是發(fā)明者個(gè)人受現(xiàn)實(shí)條件限制，在制造過程中無法精細(xì)化。但這并非技術(shù)難題，未來的風(fēng)力渦輪增壓器裝置將更為精巧和高效，而隨著車輛機(jī)倉布局的改變，裝配風(fēng)力渦輪增壓器的汽車將呈現(xiàn)出注重美觀實(shí)用的多樣性。
在全球倡導(dǎo)“減排”的今天，作為一項(xiàng)增速減排技術(shù)，廢氣渦輪增壓器一直是當(dāng)仁不讓的主力軍，然而其復(fù)雜的裝配和昂貴的造價(jià)讓眾多消費(fèi)者望而卻步，無疑傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓技術(shù)走到今天其“瓶頸”效應(yīng)越發(fā)顯現(xiàn)出來，這在注重高效實(shí)用的今天尤為突出，尋找更好的替代品已迫在眉睫。在這之前，不論是機(jī)械渦輪增壓、氣波增壓、電子渦輪增壓或是形形色色利用自然進(jìn)氣原理來改變氣流運(yùn)動的所謂“渦輪增壓”技術(shù)都遠(yuǎn)不能與廢氣渦輪增壓技術(shù)相提并論，難以被消費(fèi)者所接受。本發(fā)明“風(fēng)力渦輪增壓器”相對于傳統(tǒng)渦輪增壓器在制作技術(shù)、制作成本、工作效率諸多方面而言都是一項(xiàng)顛覆性的革新方案，完全可以取代并超越傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓器。
從對風(fēng)力渦輪增壓器的制造材料計(jì)算得出，其成本只介于200-500元人民幣之間，相當(dāng)于廢氣渦輪增壓器制造成本的1/10或更低，而對汽車性能的提升完全可以與廢氣渦輪增壓器相提并論，隨著制作工藝的完善，風(fēng)力渦輪增壓器在對發(fā)動機(jī)功率的提升方面完全可以超越廢氣渦輪增壓器。
選擇材料靈活、裝配方案呈無極多樣化、制作和維護(hù)簡單方便、工作效率更高更強(qiáng)……所有這些優(yōu)勢表明風(fēng)力渦輪增壓器裝置在汽車產(chǎn)業(yè)如雨后春筍的今天，將會有極其廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種利用汽車運(yùn)動時(shí)與大氣產(chǎn)生的阻力(即外部風(fēng)力)作為動力源的風(fēng)力渦輪增壓器裝置。其特征是通過安裝在空氣濾清器外部的集風(fēng)口采集汽車外部的高速氣流并以此推動風(fēng)力渦輪增壓器葉輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述，風(fēng)力渦輪增壓器有效工作的唯一動力來源必須是汽車運(yùn)行時(shí)與大氣產(chǎn)生的高速氣流。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2所述，風(fēng)力渦輪增壓器必須配置有集風(fēng)口。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2、權(quán)利要求
3所述，風(fēng)力渦輪增壓器必須是安裝在空氣濾清器的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2、權(quán)利要求
3、權(quán)利要求
4所述，風(fēng)力渦輪增壓器內(nèi)部提供動力的渦輪必須配備排水裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述，風(fēng)力渦輪增壓器裝置主要由集風(fēng)口、渦輪增壓器主件(渦輪外殼、軸承座、高速軸承、同軸葉輪)、及連接進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、排水閥、吸氣口、出氣口的相應(yīng)管線構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
2所述，風(fēng)力渦輪增壓器內(nèi)部葉輪必須同軸，兩個(gè)葉輪及渦輪之間必須防水、防塵。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1、權(quán)利要求
6、權(quán)利要求
7所述，風(fēng)力渦輪增壓器裝置的渦輪及葉輪數(shù)量必須是2個(gè)或以上。
專利摘要
風(fēng)力渦輪增壓器所屬技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及各類汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣增壓系統(tǒng)，按國際專利分類表(IPC)劃分屬于機(jī)械工程部，一般工程分部，流體壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，氣動技術(shù)(一般流體工作系統(tǒng)，流體壓力執(zhí)行機(jī)構(gòu)等流體壓力部件，流體動力學(xué)，即影響氣體或液體流動的方法或裝置)的技術(shù)領(lǐng)域：
。所解決的技術(shù)問題1、降低渦輪增壓器的制造成本；2、提高渦輪增壓器的實(shí)用性；3、優(yōu)化渦輪增壓器的工作環(huán)境。4、提高渦輪增壓器的工作效率。技術(shù)方案要點(diǎn)利用汽車運(yùn)動后與大氣產(chǎn)生的阻力(風(fēng)力)作為風(fēng)力渦輪增壓器的動力來源。主要用途提高發(fā)動機(jī)工作效率，增強(qiáng)發(fā)動機(jī)動力，降低燃?xì)?尾氣)排放。
文檔編號F02B33/40GKCN102352788SQ201110151460
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月8日
發(fā)明者黃錦林 申請人:黃錦林導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan