经济利用压缩空气为汽车动力源的系统及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气动汽车技术领域，特别提供一种经济利用压缩空气为汽车动力源的 系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 全球能源安全和气候变化对现有技术汽车提出了节能减排的要求。为此多国大力 投入汽车模式转变和技术创新的探讨、研发，尤其集中于汽车新能源、清洁能源开发及其制 动能量回收利用、混合动力搭配等。
[0003] 近年来一系列新闻发布和成果演示涉及一种压缩空气汽车（compressed-air cars)，如法国 MDI (Motor Development International)、印度 Tata Motors 等，它们以压缩 空气引擎（compressed air engine)驱动汽车，以从车外电动空气压缩机向车载压缩空气 罐（compressed air tank)加压充入的压缩空气为能源，以下统称为现有技术压缩空气汽 车。
[0004] 而对于上述现有技术压缩空气汽车来讲，压缩空气从车载压缩空气罐输出后被加 热，再注入车载压缩空气引擎，推动活塞带动曲轴转动，进而驱动汽车行驶，其行车里程和 车速有待提高，与提高车储压缩空气能量和充分利用车储压缩空气能量相关。通常现有技 术压缩空气汽车配置第二推进系统，着力于制动能量回收再生和/或作为辅助动力，即以 其车载压缩空气引擎与电动或内燃机动力构成混合动力，其中以电动或内燃机为动力的行 程占到现有技术压缩空气汽车行程相当大的比例，而电动或内燃机动力与压缩空气引擎搭 配为混合动力各有其问题：比如电动动力部分包括较大的蓄电磁、电动机、发电机（或电 动-发电机），显著地增加了车重，这与压缩空气汽车发展趋势之一"轻量化"相矛盾；更 严重的问题是蓄电磁易污染环境，污染部位在土壤，比空气甚至水源的污染更难治理，可以 设想千万、上亿较大的蓄电池一批接一批相继废弃时给后代的灾难；至于内燃机动力，周 知，标准的内燃机即使在非常好的状况下也只有约30%的效率，这意味着"每一加仑汽油的 能量的70%作为废热离开汽车"，这与开发压缩空气汽车成为未来经济、环保型车辆的初衷 并不一致。2012年，本发明人一项已授权的专利"汽车制动蓄能释能驱动装置"（专利号： ZL 2012 2 0511195. 2)、PCT 国际申请"Device for vehicle energy storage/release when braking/actuating and method thereof"（International application No. :PCT/ SE2013/000100)，可将汽车减速、制动时损失的动能以气体压力势能的形式蓄存，并在汽车 启动、加速时以动能形式释放，这种新近问世的汽车制动能量回收再生装置尚未广泛应用。
[0005] 进一步，判断任何一种新能源汽车是否节能减排，不仅要考虑车辆利用新能源在 行驶中的能耗和排放，也必须考查、加上产供该新能源过程中的能耗和排放。
[0006] 现有技术压缩空气汽车以车外电动空气压缩机向车载压缩空气罐加压充气获得 其作为能源的压缩空气，其中某些有条件的家庭可试用家庭设备的电动空气压缩机为车载 压缩空气罐加压充气，大部分用户在服务站（service stations)用专门的功率较大的电动 空气压缩机为车载压缩空气罐加压充气。物理实验证明，气体被很快地压缩时，它的温度就 会升高；当它很快地膨胀时，温度就会降低。据权威机构检测，电动空气压缩机所消耗的电 能仅有10%转化成压缩空气，剩下的90%转化为热能。如此大量的热能对于现有技术压缩 空气汽车并不需要，属于以电动空气压缩机向车载压缩空气罐加压充气过程中产生的大量 废热。有报道，不采取冷却措施的话，压缩空气的时候几乎可以达到l〇〇〇°C的高温。在上述 车外电动空气压缩机向车载压缩空气罐加压充气过程中设有中间冷却，包括设有中间冷却 的 4 级空气压缩（four-stage air compression with inter-cooling)，即分 4 级（阶段） 压缩空气，经一级压缩后温度升高的气体被冷却，再进入二级压缩…共4级，级间设有中间 冷却，伴随着显著的能量损失；在车外电动空气压缩机分别向一辆辆现有技术压缩空气汽 车的一个个车载压缩空气罐加压充气过程中产生的一股股废热不易于高效提取集中利用。 在上述车外电动空气压缩机向车载压缩空气罐加压充气过程中该罐内气温也升高，这一部 分热能消耗在车上，在截止向该罐内加压充气瞬间该罐内压缩空气的高温尚未被充分冷却 的话，在随后该罐内气温下降过程中其内气体压力随之下降，导致该罐内压缩空气所蓄存 的能量自动减少；为此车上也需相应地配置快速而且高效的冷却设施，以减缓这种情况发 生的严重性。综合、累积计算如此产供压缩空气的方式耗费的大量电能，使现有技术压缩空 气汽车节能、减排优势大打折扣。
【发明内容】
[0007] (一）要解决的技术问题
[0008] 本发明要解决的技术问题是：车载高压压缩空气并被充分利用产生行车动力，经 济产储高压压缩空气供应汽车作为廉价能源，回收再生以压缩空气驱动的汽车的制动能量 以节省行车压缩空气的消耗，提供一整套经济利用压缩空气为汽车动力源的系统。
[0009] (二）技术方案
[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种经济利用压缩空气为汽车动力源的系 统，包括压缩空气动力装置、压缩空气产储供气机构、制动能量回收再生装置、内齿圈总成、 离合传动装置以及控制器；
[0011] 所述压缩空气动力装置包括一个或多个蓄气管和一部或多部气缸组合引擎，用于 以压缩空气产生驱动汽车行驶的动力；所述压缩空气产储供气机构包括锅炉式高压压缩空 气产储装置和空气压缩机，所述空气压缩机的工作压力接近、等于或超过l〇〇Mpa，所述锅炉 式高压压缩空气产储装置由水箱和曲管型高压压缩空气库构成；所述曲管型高压压缩空气 库设置在所述水箱的内部，一端与所述空气压缩机连接，另一端通加气设备可与所述蓄气 管连接，所述水箱与集中供暖系统连接，所述压缩空气产储供气机构主要用夜间低谷及不 易蓄存电能产储高压压缩空气同时将伴发热量用于集中供暖，并为所述蓄气管加压充气； 所述制动能量回收再生装置包括弹簧蓄-释装置和/或压缩空气蓄-释装置，及其制动 蓄能传动机构和释能驱动传动机构，用以将压缩空气驱动行驶的汽车减速、制动时损失的 动能回收再用于汽车起动、加速，以节省作为汽车行驶动力的所述蓄气管内压缩空气的消 耗；所述内齿圈总成包括一个内齿圈和与所述内齿圈定轴内嗤合的第一加速齿轮和第二加 速齿轮、一个飞轮前内嗤合齿轮、多个做功齿轮和多个复位齿轮，多个所述做功齿轮分别通 过所述离合传动装置与所述气缸组合引擎传动连接，所述第一加速齿轮通过所述离合传动 装置与所述弹簧蓄-释装置传动连接，所述第二加速齿轮通过所述离合传动装置与所述 压缩空气蓄-释装置传动连接；所述飞轮前内啮合齿轮被所述内齿圈旋转带动而旋转并 与飞轮传动连接，用于将所述内齿圈旋转的扭矩向飞轮方向输出，多个所述复位齿轮被所 述内齿圈旋转带动而旋转并可分别通过所述离合传动装置向所述气缸组合引擎传回扭矩； 所述离合传动装置与所述控制器连接；所述控制器为计算机自动控制系统，与所述经济利 用压缩空气为汽车动力源的系统各部分连接，用于协调、控制它们的工作；
[0012] 其中，所述蓄气管为一种长管状高压压缩空气蓄存装置，其圆筒形蓄气管管壁由 耐高压材质构成，其管径小于传统技术车载压缩空气储气罐的内径，在相同材质情况下其 可管存较高压力的压缩空气；所述蓄气管一端封闭，另一端设有受所述控制器控制的蓄气 管进/排气阀，所述蓄气管进/排气阀通过蓄气管充气阀与所述曲管型高压压缩空气库连 接以向所述蓄气管充入的高压压缩空气，还连接有通向所述气缸组合引擎的蓄气管排气管 道以向所述气缸组合引擎排气；所述蓄气管弯曲盘旋靠拢在一起，或随车架、底盘走势自然 伸展，所述蓄气管外设有保护外壳；
[0013] 其中，每部所述气缸组合引擎均包括第一气缸和第二气缸；所述第一气缸和所述 第二气缸均包括气缸腔、活塞、活塞杆以及长筒型滑筒；所述气缸腔的一端开口为开口端而 另一端封闭为封闭端，每个气缸腔靠近其封闭端的一段空间称为封闭端空间，其中，第一气 缸的封闭端空间称为第一气缸封闭端空间、第二气缸的封闭端空间称为第二气缸封闭端空 间，所述活塞滑动设置于所述开口端至所述封闭端空间外侧的阻挡构件；所述滑筒的一端 与所述开口端对接固定，另一端设有缓冲减震装置并留有通气孔与大气相通；所述活塞杆 的一端与所述活塞的外侧连接，另一端探出于所述开口端之外，并容置于所述长筒形滑筒 之中，且可在所述长筒型滑筒中平动运动；所述活塞杆相对的两个侧面上设有齿条和分别 与两个所述齿条啮合的活塞杆上齿轮和活塞杆下齿轮，其中，第一气缸的活塞杆上齿轮称 为第一气缸活塞杆上齿轮，第二气缸的活塞杆上齿轮称为第二气缸活塞杆上齿轮，第一气 缸的活塞杆下齿轮称为第一气缸活塞杆下齿轮，第二气缸的活塞杆下齿轮称为第二气缸活 塞杆下齿轮；所述活塞杆上齿轮通过离合传动装置与所述做功齿轮传动连接；所述活塞杆 下齿轮通过离合传动装置与所述复位齿轮传动连接；
[0014] 其中，第一气缸和第二气缸的气缸腔的长度和封闭端空间的长度相同；
[0015] 在所述第一气缸的封闭端空间设有受所述控制器控制的第一气缸进气阀和第一 气缸排气阀，所述第二气缸的封闭端空间设有受所述控制器控制的第二气缸进气阀和第二 气缸排气阀；所述第一气缸进气阀经所述蓄气管排气管道与所述蓄气管进/排气阀连通， 在所述蓄气管排气管道和第一气缸封闭端空间的周围设有电加热器及保温绝热层，第二气 缸进气阀与第一气缸排气阀相通，第二气缸排气阀通向大气；
[0016] 所述第一气缸的气缸腔的内径小于第二气缸的气缸腔的内径，并且两者之间符合 下式关系：
[0017]
[0018] 其中Γι为第一气缸的气缸腔半径，r 2为第二气缸的气缸腔半径，η为从蓄气管注 入第一气缸封闭端空间内的压缩空气的压力（巴），m为电加热器加热后进入第一气缸封闭 端空间内压缩空气绝对温度升高的倍数即气体膨胀的倍数，u为气缸腔长度相对于其封闭 端空间长度的倍数。
[0019] 优选的，所述水箱为一容水的容器，其进水口与待加热水源相通，其出水口与集中 供热系统地下直埋保温管相通；所述曲管型高压压缩空气库为一弯曲盘绕充斥于水箱之中 的管状结构，管壁由耐高压材质构成，管径小于传统技术相同容量压缩空气储气装置的内 径故在相同材质情况下其有利于管存较高压力的压缩空气且有利于与管外冷却水进行热 交换；所述曲管型高压压缩空气库的进气管口用于接受从所述空气压缩机排气阀加压充入 的高压压缩空气，出气管口与加气机相通，用于向所述蓄气管加压充气。
[0020] 优选的，所述锅炉式高压压缩空气产储装置根据体积大小可分为大、中、小三型； 所述锅炉式高压压缩空气产储装置即指大型的锅炉式高压压缩空气产储装置，设置在热源 式压缩空气产供母站；中型的锅炉式高压压缩空气产储装置与地面设施活动连接，可被吊 装在汽车拖车上运输，往返于所述热源式压缩空气产供母站在那里所述空气压缩机为其加 压充气，和压缩空气加气加力子站在这里将其所储高压压缩空气输给汽车车载蓄气管；小 型锅炉式高压压缩空气产储装置系利用私家空压机在夜间用电低谷时为其内曲管型高压 压缩空气库充气加压，并以私家自来水用作冷却水在其水箱内被加热并汇入私家家用热水 管路和/或私家暖气管路，其内曲管型高压压缩空气库中气压高于车载蓄气管中额定气压 数倍且其容量大于车载蓄气管中一个蓄气管的容量。
[0021] 优选的，所述弹簧蓄-释装置包括推杆、圆柱螺旋压缩弹簧、圆柱螺旋拉伸弹簧、 第一链轮、第二链轮、链条以及弹簧加力机关；所述压缩弹簧和拉伸弹簧分别固连在所述推 杆的两端；所述推杆容置于长筒形推杆室之中，并可在所述长筒形推杆室中作平动运动； 所述圆柱螺旋压缩弹簧外加装有导套，所述圆柱螺旋拉伸弹簧外加装有套筒，所述导套和 所述套筒分别固连在所述推杆室的两端；所述推杆在外力作用下可以在所述导套内纵向平 动；所述推杆的相对的两侧面布有齿条和分别与两侧的所述齿条相啮合的推杆上齿轮和推 杆下齿轮，所述推杆的平动与所述推杆上齿轮和推杆下齿轮的转动可以相互作用、传动；所 述推杆室内设有可控阻挡机关，所述阻挡机关用于对所述推杆向拉伸弹簧一侧平动起到阻 挡或放行的作用；所述第一链轮和第二链轮分别固定于所述压缩弹簧和所述拉伸弹簧的外 端的一侧；所述链条为一段固定长度的链条，所述链条的两端分别穿经所述圆柱螺旋压缩 弹簧和所述圆柱螺旋拉伸弹簧的中空空间，并与所述推杆的两端连接；所述链条的主体部 分位于所述推杆室外侧并且其两端分别与所述第一链轮和第二链轮啮合；所述弹簧加力机 关为一多角型螺栓状凸起物，通过第七离合传动装置与所述第一链轮传动连接，所述可控 加力机关可被扭矩扳手定向旋拧带动所述第一链轮旋转而牵拉所述推杆向所述压缩弹簧 一侧平动，使所述压缩弹簧被压缩以及使所述拉伸弹簧被拉长并将弹性形变产生的弹力势 能蓄存于其中，当所述可控阻挡机关放行时，所述推杆在弹力作用下可向所述拉伸弹簧的 一侧复位平动；所述推杆下齿轮转动亦可带动所述推杆向所述压缩弹簧一侧平动压缩所述 压缩弹簧和拉伸所述拉伸弹簧使它们产生弹性形变、积蓄弹簧弹力势能，同时所述推杆下 齿轮通过离合传动装置与所述制动蓄能传动机构传动连接，用于参与制动蓄能传动；而所 述推杆向所述拉伸弹簧一侧平动释放所积蓄的弹簧弹力势能时可带动所述推杆上齿轮转 动，所述推杆上齿轮通过离合传动装置与所述第一加速齿轮传动连接，进而通过所述内齿 圈总成向飞轮方向输出扭矩，启动所述释能驱动传动机构。
[0022] 优选的，所述压缩空气蓄-释装置包括一个弹簧气缸、气动活塞和气动推杆；所 述弹簧气缸包括弹簧气缸腔、充气阀和螺旋弹簧，其中所述弹簧气缸腔内气体介质具有设 定的初始气压，所述充气阀设置于所述弹簧气缸腔的端部，用于向所述弹簧气缸腔内预充 气至设定的初始气压，所述螺旋弹簧位于所述弹簧气缸腔内弹簧气缸腔端部至所述气动活 塞的内侧之间；所述气动活塞与所述弹簧气缸腔内壁滑动配合，所述气动活塞外侧与所述 气动推杆连接；所述气动推杆容置于长筒形活动室之中，所述气动推杆在外力作用下可以 在所述活动室中纵向平动，所述活动室内侧设导向支架对所述气动推杆在活动室内平动有 导向作用；所述活动室内壁节段性地设有可控阻挡机关，用于对所述气动推杆末端向弹簧 气缸外平动阻挡或放行；所述气动推杆的相对的两侧面布有齿条和分别与两侧的所述齿条 相啮合的气动推杆上齿轮和气动推杆下齿轮，所述气动推杆的平动与所述气动推杆上齿轮 和气动推杆下齿轮的转动可以相互作用、传动；所述气动推杆下齿轮转动可带动所述气动 推杆向所述弹簧气缸内平动压缩其内气体介质和所述螺旋弹簧积蓄气体压力势能和弹簧 弹力势能，同时所述气动推杆下齿轮通过离合传动装置与所述制动蓄能传动机构传动连接 用于参与制动蓄能传动；所述气动推杆向所述弹簧气缸外平动释放所述弹簧气缸内所积蓄 的气体压力势能和弹簧弹力势能时可带动所述气动推杆上齿轮转动，所述气动推杆上齿轮 通过离合传动装置与所述第二加速齿轮传动连接，进而通过所述内齿圈总成向飞轮方向输 出扭矩，启动所述释能驱动传动机构。
[0023] 优选的，所述锅炉式高压压缩空气产储装置、所述蓄气管和所述气缸组合引擎构 成气压传动系统；所述锅炉式高压压缩空气产储装置和/或所述蓄气管可作为气压传动系 统的气源装置；所述气缸组合引擎可作为将气体能转换成机械能的气动执行装置；其中， 所述锅炉式高压压缩空气产储装置作为气源装置还可为气动扭矩扳手提供压缩空气作为 其动力用于旋拧所述弹簧加力机关为车载所述弹簧蓄-释装置积蓄弹力势能以备用，和/ 或必要时为车载所述压缩空气蓄-释装置的弹簧气缸补充压缩空气以维持其内初始气压 及其蓄-释功能。
[0024] 优选的，所述制动蓄能传动机构为在汽车传统技术中的传动轴之旁设置制动轴， 包括在所述传动轴之上加入具有扭矩单向传递作用的超越离合器和具有过载保护作用的 扭矩限制器，在所述传动轴和所述制动轴之间设置参与构成离合传动装置的齿形链，在所 述制动轴之上设置齿形链链轮、制动变速器、制动主动轮，并且制动主动轮分别通过离合传 动装置与所述推杆下齿轮和/或气动推杆下齿轮传动连接；这样在汽车起动、加速和行驶 时所述释能驱动传动机构的动力传递流程为，从飞轮、离合器、变速器传统技术汽车动力传 递流程传递来的扭矩可通过所述超越离合器和扭矩限制器继续顺向传递到传动轴、差速 器、半轴、驱动轮，驱动汽车；而在汽车减速、制动时所述制动蓄能传动机构的动力传递流 程为，驱动轮扭矩通过半轴、差速器、传动轴、扭矩限制器、齿形链、齿形链链轮全部传递到 制动轴，而该扭矩不会通过所述超越离合器反向传递到变速器且所述扭矩限制器对向所述 制动轴传递扭矩具有过载保护作用，如此传递到所述制动轴的扭矩进而经制动变速器、制 动主动轮并分别通过离合传动装置向所述推杆下齿轮和/或气动推杆下齿轮传递，导至所 述推杆向所述压缩弹簧一侧平动和/或所述气动推杆向所述弹簧气缸内平动，进行制动蓄 能。
[0025] 优选的，所述气缸组合引擎为两部，多个所述做功齿轮包括第一做功齿轮、第二做 功齿轮、第三做功齿轮以及第四做功齿轮，所述第一做功齿轮和第二做功齿轮分别通过离 合传动装置与一部气缸组合引擎中的所述第一气缸活塞杆上齿轮和第二气缸活塞杆上齿 轮传动连接；所述第三做功齿轮和第四做功齿轮分别通过离合传动装置与另一气缸组合引 擎中的第一气缸活塞杆上齿轮传动连接和第二气缸活塞杆上齿轮传动连接；所述第一做功 齿轮、第二做功齿轮、第三做功齿轮、第四做功齿轮以及所述第一加速齿轮和第二加速齿轮 在所述内齿圈内匀称排布并各将其转动的扭矩传递给所述内齿圈，所述内齿协同汇总这些 扭矩、动力混合，并通过所述飞轮前内啮合齿轮向飞轮方向输出扭矩；
[0026] 多个所述复位齿轮包括第一复位齿轮、第二复位齿轮、第三复位齿轮和第四复位 齿轮，它们亦在所述内齿圈内相对匀称地排布，但系在所述内齿圈转动的带动下旋转并适 时分别通过第二离合传动装置反向传递扭矩给各气缸的活塞杆下齿轮促进各气缸活塞杆 适时进行复位行程；由于与各气缸做功行程产生的推力对比，各气缸复位行程的阻力甚小， 故所述内齿圈只需消耗其转动扭矩的一小部分用于带动这些复位齿轮旋转；其中所述第一 复位齿轮和第二复位齿轮分别通过离合传动装置与所述一部气缸组合引擎中的所述第一 气缸活塞杆下齿轮和所述第二气缸活塞杆下齿轮传动连接，分别适时促进该两气缸活塞杆 复位行程；第三复位齿轮和第四复位齿轮分别通过离合传动装置与另一气缸组合引擎中第 一气缸活塞杆下齿轮和第二气缸活塞杆下齿轮传动连接，分别适时促进相应的此二气缸活 塞杆复位行程。
[0027] 优选的，所述离合传动装置中可以接通或断开的机械传动可为轴线平行齿轮组合 传动、锥齿轮副和/或链传动；
[0028] 所述离合传动装置包括：
[0029] 第一离合传动装置，所述第一离合传动装置分为第一离合传动装置甲和第一离合 传动装置乙，所述第一离合传动装置甲设置于第一气缸活塞杆上齿轮与所述第一做功齿轮 之间，用于控制所述所述第一气缸活塞杆上齿轮向所述第一做功齿轮传递扭矩在接通与断 开状态之间切换；所述第一离合传动装置乙设置于第二气缸活塞杆上齿轮与所述第二做功 齿轮之间，用于控制第二气缸活塞杆上齿轮向所述第二做功齿轮传递扭矩在接通与断开状 态之间切换；
[0030] 第二离合传动装置，所述第二离合传动装置分为第二离合传动装置甲和第二离合 传动装置乙，所述第二离合传动装置甲设置于第一气缸活塞杆下齿轮与所述第一复位齿轮 之间，用于控制所述第一复位齿轮向所述第一气缸活塞杆下齿轮传递扭矩在接通与断开状 态之间切换；所述第二离合传动装置乙设置于第二气缸活塞杆下齿轮与所述第二复位齿轮 之间，用于控制所述第二复位齿轮向所述第二气缸活塞杆下齿轮传递扭矩在接通与断开状 态之间切换；
[0031] 第三离合传动装置，所述第三离合传动装置设置于所述推杆上齿轮与所述第一加 速齿轮之间，用于控制所述推杆上齿轮向所述第一加速齿轮传递扭矩在接通与断开状态之 间切换；
[0032] 第四离合传动装置，所述第四离合传动装置设置于所述气动推杆上齿轮与所述第 二加速齿轮之间，用于控制所述气动推杆上齿轮向所述第二加速齿轮传递扭矩在接通与断 开状态之间切换；
[0033] 第五离合传动装置，所述第五离合传动装置设置于所述制动主动轮与所述推杆下 齿轮之间，用于控制所述制动主动轮向所述推杆下齿轮传递扭矩在接通与断开状态之间切 换；
[0034] 第六离合传动装置，所述第六离合传动装置设置于所述制动主动轮与所述气动推 杆下齿轮之间，用于控制所述制动主动轮向所述气动推杆下齿轮传递扭矩在接通与断开状 态之间切换；
[0035] 第七离合传动装置，所述第七离合传动装置设置于所述弹簧加力机关与所述第一 链轮之间，用于控制所述弹簧加力机关向所述第一链轮传递扭矩在接通与断开状态之间切 换；以及
[0036] 第八离合传动装置，所述第八离合传动装置设置于所述传动轴与所述制动轴之 间，用于控制所述传动轴向所述制动轴传递扭矩在接通与断开状态之间切换；
[0037] 其中，所设第一离合传动装置可以接通或断开