一种压缩空气动力发动机换热系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于压缩气体驱动发动机技术领域，涉及一种压缩空气动力发动机换热系统。
【背景技术】
[0002]在化石能源紧张和环境污染严重的背景下，传统发动机尤其是车用内燃机的油耗和尾气污染问题成为了焦点。作为新能源发动机的一种，压缩空气动力发动机以高压的空气作为动力来源，通过利用存储在其内的压力能膨胀做功输出轴功率。制备高压空气的电能可通过风能、水能、潮汐等绿色能源获得，而压缩空气动力发动机排放的是可呼吸的空气，其工作过程是完全零污染的，因此压缩空气动力发动机研宄近年来受到广泛关注。
[0003]压缩空气动力发动机的形式有很多种，目前较多采用结构的是活塞式和转子式。但各种结构的压缩空气动力发动机在运行过程中都不可避免地出现了关键部位低温冰堵的现象。在压缩空气动力发动机系统工作过程中存在气源容器放气过程、减压机构节流过程和发动机气体膨胀过程，由于空气的膨胀和节流效应，会在上述过程发生部位产生较大的温度降，而空气无法做到完全的干燥，当温度降低到空气露点以下时，水分便凝结、凝固于管路内壁上，严重时，气体管路特别是减压阀出口、发动机阀门等部位容易发生堵塞，影响发动机正常工作。针对这种情况，本发明提出了一种压缩空气动力发动机换热系统的设计方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的:提出了一种压缩空气动力发动机换热系统，防止压缩空气动力发动机运行过程中在关键部位发生低温结露、冰堵。
[0005]本发明的技术方案:
[0006]所述系统由减压能量回收机构(11)及传动机构i⑵、传动机构ii (12)，集中换热器总成(13)，变量泵(6)，减压能量回收机构上游换热器(5)、下游换热器(10)和换热介质的循环管路⑷构成；其中，减压能量回收机构(11)通过传动机构i(7)与变量泵(6)串接、通过传动机构ii(12)与集中换热器总成(13)中的风扇串接；气瓶组(3)通过上游换热器(5)与减压能量回收机构(11)串接，再与下游换热器(10)串接，后与低压减压阀(8)串接；进行热交换的部位包括减压能量回收机构(11)本体，减压能量回收机构上游换热器
(5)、下游换热器(10)和压缩空气动力发动机本体(9);
[0007]减压能量回收机构(11)将高压气体减压过程中消耗的压力能转化为轴功率作为驱动变量泵(6)和集中换热器总成(13)中换热器的风扇运行工作的动力。集中加换器总成(13)包括水箱散热器、风扇等部件，水箱中存储的换热介质采用乙醇，其凝固点较低，能够满足工作温度范围。
[0008]工作时换热介质通过水箱散热器从大气中吸收热量，并由变量泵(6)从换热器水箱中抽出，循环管路(4)依次经过压缩空气动力发动机(9)本体换热机构、减压机构下游换热器(10)、减压能量回收机构(11)、减压机构上游换热器(5)，再回到水箱。
[0009]减压能量回收机构(11)在功能上是高压减压阀和转子式能量回收装置的串联连接，可将高压空气减压过程中消耗的压力能转化为转子的转动机械能。在结构上，减压能量回收机构(11)的转子与变量泵(6)、集中换热器总成(13)中的风扇相连接，由减压过程中消耗的压力能转化来的转子转动机械能便驱动(6)、(13)转动，实现了能量的回收。
[0010]本发明的优点:
[0011]本发明利用循环介质吸收大气环境热量对关键部位进行换热，防止在关键部位出现结露和冰堵现象。此外，驱动循环介质流动的能量来源于高压空气减压过程中消耗的压力能，不需要额外的能量。
【附图说明】
:
[0012]图1是本发明的系统原理图。
[0013]1.高压压缩机，2.压缩气体管路，3.高压气瓶组，4.换热介质的循环管路，5.减压机构上游换热器，6.变量泵，7传动机构i，12.传动机构ii，8.低压减压阀，9.压缩空气动力发动机，10.减压机构下游换热器，11.减压能量回收机构，13.集中换热器总成
[0014]图2是带换热“水”腔的活塞式压缩空气发动机缸盖结构图。
[0015]14.进气口，15.排气口，16.排水口
[0016]图3是带换热“水”腔的活塞式压缩空气发动机缸盖换热结构A-A面剖视图。
[0017]17.进水口，18.换热水套
[0018]图4是带换热“水”腔的活塞式压缩空气发动机缸盖换热结构B-B面剖视图。
[0019]19.活塞进气口，20.缸盖进气口通道
[0020]图5是带换热“水”腔的活塞式压缩空气发动机缸盖换热结构C-C面剖视图。
[0021]21.活塞排气口，22.缸盖排气口通道
[0022]图6是带换热“水”腔的活塞式压缩空气发动机缸盖换热结构D-D面剖视图。
[0023]图7是带换热“水”腔的活塞式压缩空气发动机缸盖的水套轮廓图。
[0024]23.环形结构，24.主流道，25.副流道，26.回流道
[0025]图8是减压机构上下游换热器的套管式结构图。
[0026]23.外管，24.内管
【具体实施方式】
[0027]压缩空气动力发动机系统如图1所示，高压压缩机(I)消耗电能将空气压缩，并将其储存在高压气瓶组(3)中。工作时，高压空气流经减压机构上游换热器(5)、减压能量回收机构(11)、减压机构下游换热器(10)和低压减压阀(8)后变成低压气体进入压缩空气动力发动机(9)，以供压缩空气动力发动机运转。由于高压空气的减压降温和在减压能量回收机构(11)处的节流效应，使压缩空气温度急剧下降。实际环境下，不能保证系统中压缩空气是完全干燥的，压缩空气温度急剧下降会导致压缩空气中的水分结露，结冰析出。当析出量较大时，会在减压能量回收机构(11)节流口处、压缩空气动力发动机缸盖进气口
(14)、排气口(15)处出现冰堵现象。严重时，会引起整个系统故障停运。因此，压缩空气动力发动机的换热系统是必要的。
[0028]压缩空气动力发动机的换热系统中，集中换热器总成(13)包括水箱散热器、风扇等部件，水箱中存储的换热介质采用乙醇，其凝固点较低，能够满足工作温度范围。换热介质通过水箱散热器从大气中吸收热量，并由变量泵(6)从换热器水箱中抽出，循环管路(4)依次经过压缩空气动力发动机(9)本体换热机构、减压机构下游换热器(10)、减压能量回收机构(11)、减压机构上游换热器(5)，再回到水箱。
[0029]减压能量回收机构在功能上采用类似齿轮、叶片式等马达的结构，在发动机运行过程中，通过高压气体流经时产生压差来回收压力能，输出轴功率，并作为驱动变量泵(6)和集中换热总成(13)中的换热器风扇运转的动力。在发动机运启动后，能量回收机构同时启动，无需额外的能量和控制，当发动机转速增加，耗气量增大，各个部位的温度效应加剧，通过能量回收机构的流量也增加，转速增大，使变量泵(6)也能自动提供更大流量的换热介质。
[0030]压缩空气动力发动机的配气阀门的部位是容易发生低温冰堵的位置，对于活塞是压缩空气动力发动机，在压缩空气动力发动机(9)本体处，缸盖部位(图2、3，4)的进气口(14)、排气口(15)是换热的关键部位，结露、冰堵现象常常易在此处发生。因此，围绕进气口(14)、排气口(15)，在缸盖内部设计了嵌入式换热水套(18)结构。进气口(14)、排气口(15)通过缸盖进气口通道(20)、缸盖排气口通道(22)与活塞进气口(19)、活塞排气口
(21)相连。循环换热介质从缸盖底面的换热水套进水口(17)进入换热水套中(18)时，可对进气口(14)、排气口(15)，活塞进排气口(19)、(21)各处进行换热，防止在以上关键部位出现冰堵。
[0031]换热“水套”的流通方式具体描述如下:图2为发动机缸盖外形图，中14、15为压缩空气动力发动机配气系统的排气口、进气口，16为换热介质的出口；图7为嵌入缸盖中的“水套”的外形图；如图6为缸盖D-D面剖视图，换热介质由入口 17进入换热“水套”，一部分介质通过主流道24进入“水套”主体，一部分介质通过环形结构23围绕发动机排气管道22流动，加强排气管道附近的换热效果，再通过副流道25进入“水套”主体，介质通过“水套”流经缸盖主要部位通过回流道26流经进气口管道20附近，并通过介质出口 16排出；如图3缸盖的A-A面剖视图中，17为介质入口，18为“水套”主体，16为介质出口 ；
[0032]压缩空气动力发动机的换热系统中，减压机构上下游换热器(5)、(10)的一种设计方案是采用套管式结构，其原理简图如图8所示，循环换热介质在外管(27)中流动，压缩空气在内管(28)中流动，两种流体的流动方向相反，有利于充分换热。
【主权项】
1.一种压缩空气动力发动机换热系统，其特征在于:由减压能量回收机构(11)及传动机构i (7)、传动机构ii (12)，集中换热器总成(13)，变量泵(6)，减压能量回收机构上游换热器(5)、下游换热器(10)和换热介质的循环管路(4)构成；其中，减压能量回收机构(11)通过传动机构i (7)与变量泵(6)串接、通过传动机构ii(12)与集中换热器总成(13)中的风扇串接；气瓶组(3)通过上游换热器(5)与减压能量回收机构(11)串接，再与下游换热器(10)串接，后与低压减压阀(8)串接；进行热交换的部位包括减压能量回收机构(11)本体，减压能量回收机构上游换热器(5)、下游换热器(10)和压缩空气动力发动机本体(9);工作时换热介质通过水箱散热器从大气中吸收热量，并由变量泵(6)从换热器水箱中抽出，循环管路(4)依次经过压缩空气动力发动机(9)本体换热机构、减压机构下游换热器(10)、减压能量回收机构(11)、减压机构上游换热器(5)，再回到水箱。
【专利摘要】本实用新型属于压缩气体驱动发动机技术领域，提出了一种压缩空气动力发动机换热系统。本实用新型针对各类压缩空气动力发动机在运行过程中出现的关键部位温度过低的问题，利用高压空气减压过程中消耗的压力能作为换热系统驱动能，采用低凝固点的流体作为循环加热介质，吸收大气环境热量，对产生温度降的减压机构本体及上下游的管路、压缩空气动力发动机本体关键部位，尤其是进排气道进行加热，防止在上述部位出现结露、冰堵等现象，并提高压缩空气动力发动机的能量使用效率。
【IPC分类】F01B31-08, F01B31-02
【公开号】CN204283502
【申请号】CN201420297540
【发明人】许启跃, 孙珺朋, 蔡茂林
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年6月5日