ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
PNEUMATIC MOTOR

Область техники
Изобретение относится к двигателю и, в частности, к пневматическому двигателю.
Предшествующий уровень техники
Загрязнение воздуха стало глобальной экологической проблемой, и выбросы выхлопных газов автомобилей непосредственно ответственны за загрязнение воздуха в крупных городах по всему миру. Поэтому постоянно ведут исследования автомобилей на новых источниках энергии. У людей всегда есть нескончаемые фантастические идеи: электричество, водород, солнце, ветер, ядерная энергия, биомасса, газ и т.д., из которых наиболее ярким является транспортное средство с пневматическим приводом.
Транспортное средство с пневматическим приводом основано на пневматическом двигателе для преобразования энергии давления в механическую энергию, чтобы транспортное средство двигалось вперед. Все ранние пневматические двигатели использовали конструкцию, подобную паровой машине, которая была громоздкой и неэффективной и не могла удовлетворить фактическим требованиям использования. Текущие исследования направлены на разработку компактного, эффективного и надежного небольшого пневматического двигателя. В настоящее время помимо Китая исследования в области пневматических двигателей и газовых транспортных средств проводят такие страны мира, как Соединенные Штаты, Великобритания и Франция. Большинство из них находятся в экспериментальном, то есть опытном производстве, и нет никакого масштабного коммерческого применения.
Под эгидой Министерства энергетики США Вашингтонский университет в Соединенных Штатах в 1997 году разработал прототип аэродинамического транспортного средства на жидком азоте. Используемый воздушный двигатель является усовершенствованием старого пятицилиндрового рядного поршневого двигателя. Кроме того, при поддержке Государственного фонда Cash Technology Project Университет Северного Техаса в Соединенных Штатах также провел исследование автомобилей на жидком азоте, в которых азот высокого давления, полученный путем прохождения жидкого азота через теплообменник, используют для приведения в действие пневматического лопастного двигателя и преобразуют в механическую работу, чтобы автомобиль двигался вперед. В условиях, когда резервуар для текучей среды содержит 48 галлонов (около 182 л) жидкого азота, автомобиль перемещается на 15 км со скоростью 20 км/ч, что является неэффективным.
Профессор С. Дж. Маркванд из Вестминстерского университета в Лондоне (Великобритания) разработал тестовый двухступенчатый эксцентриковый лопастной двигатель с пневматическим приводом массой 50 кг и с рабочим давлением 4,5 МПа. Используют эксцентриковый лопастной ротор с 12 лопастями для каждой из двух ступеней. Двигатель с пневматическим приводом использует систему теплообмена с тепловой трубой. Сжатый воздух высокого давления должен быть частично расширен в длинном трубчатом алюминиевом теплообменнике для поглощения тепла, подаваемого окружающим воздухом, прежде чем он попадет в двигатель. В конце концов, низкая эффективность по-прежнему является проблемой этого двигателя.
В 1991 году французский инженер Гюри Негре получил патент на двигатель с пневматическим приводом. Принцип его работы заключается в использовании сжатого воздуха высокого давления, хранящегося в автомобиле, для того чтобы приводить в движение поршень в цилиндре двигателя, чтобы привести автомобиль в движение. Это самое близкое решение к транспортному средству с пневматическим приводом в его истинном смысле. Под руководством Гюри Негре была создана MDI (французская компания), специализирующаяся на разработке автомобиля с пневматическим приводом, результаты исследований которой были применены к автомобилю AIRPOD с пневматическим приводом от индийской Tata Group. Автомобиль имеет длину 2,13 метра и вес 275 килограммов. Максимальное число пассажиров составляет 3 человека, а максимальная скорость - 70 километров в час. В автомобиле установлен бак с газом объемом 175 литров, в который подают сжатый воздух под давлением 30 МПа. Максимальная дальность пробега на одной заправке составляет около 200 км.
Отечественные исследования в области транспортного средства с пневматическим приводом начались поздно, и было меньше испытаний в фазе изделия. Центральное телевидение Китая сообщило о транспортном средстве с пневматическим приводом из Сянтаня (Xiangtian) в мае 2015 года. С точки зрения принципа работы, силовая передача Сянтань с пневматическим приводом прошла через ряд потоков, т.е. «сжатый воздух-двигатель-генератор-электромотор», что является более сложным, чем транспортное средство с пневматическим приводом европейской MDI (основанной французским инженером Гюри Негре). Таким образом, в этом процессе теряется больше энергии. Следовательно, транспортное средство с пневматическим приводом очень сильно зависит от эффективности пневматического (газового) двигателя.
Большинство пневматических двигателей применяют на основе исходного поршневого двигателя или лопастного насоса, для которого преобразование энергии получают за счет нагрева теплообменника и выхода мощности. Сложной является не только конструкция, но также низкой является эффективность, и таким образом трудно соответствовать требованиям долговечности.
В документе CN201410167469.4 раскрыт воздушно-реактивный двигатель c переменным давлением, включающий в себя камеру крыльчатки и крыльчатку, при этом в камере крыльчатки выполнены нагнетательные отверстия для впуска сжатого газа и выпускные отверстия для выпуска сжатого газа, крыльчатка установлена в камере крыльчатки на валу вращения, причем крыльчатка включает в себя зубья крыльчатки, которые равномерно расположены вдоль вращательной периферийной поверхности, причем вращательная периферийная поверхность крыльчатки находится в воздушном зазоре, приведенном в соответствие с внутренней поверхностью камеры крыльчатки, на внутренней поверхности камеры крыльчатки дополнительно расположены канавки реактивного движения переменного давления, при этом расстояние между канавкой реактивного движения переменного давления и соседним нагнетательным отверстием в направлении вращения крыльчатки больше, чем расстояние между зубьями, и если конец зуба определенной крыльчатки поворачивается в положение канавки реактивного движения переменного давления, две рабочие камеры спереди и сзади зуба крыльчатки сообщаются друг с другом через канавку реактивного движения переменного давления. Благодаря расположению канавок реактивного движения переменного давления газ, нагнетаемый из нагнетательных отверстий, может снова выполнять работу до того, как газ будет выпущен через выпускные отверстия. Решение согласно данному документу предназначено для повышения энергоэффективности и мощности двигателя, однако конструкция аналогична лопастному насосу и имеет низкую эффективность. В то же время расположение канавок реактивного движения переменного давления приводит к тому, что пневматический двигатель вращается с низкой скоростью вращения или даже не может вращаться.
Раскрытие изобретения
С учетом недостатков предшествующего уровня техники согласно изобретению предложен пневматический двигатель, в котором сжатый газ приводит в движение приводные канавки вращающегося внешнего кольца через силовой сердечник прямого привода так, что создается движущая сила для приведения вращающегося внешнего кольца в движение для достижения выходной мощности, который обладает такими преимуществами, как простая конструкция, высокая эффективность передачи и высокая долговечность, а также является энергосберегающим и экологически чистым.
Для решения вышеуказанных задач изобретение представлено следующими техническими решениями.
Пневматический двигатель содержит вращающееся внешнее кольцо, промежуточный вал и силовой сердечник прямого привода; причем вращающееся внешнее кольцо и силовой сердечник прямого привода расположены соосно на промежуточном валу; вращающееся внешнее кольцо выполнено с возможностью вращения относительно промежуточного вала и силового сердечника прямого привода; промежуточный вал снабжен основным отверстием для впуска воздуха и основным отверстием для выпуска воздуха; силовой сердечник прямого привода снабжен впускным каналом и выпускным каналом; на внутренней кольцевой поверхности вращающегося внешнего кольца выполнено множество приводных канавок; при этом сжатый газ поступает из основного отверстия для впуска воздуха промежуточного вала и выходит через впускной канал силового сердечника прямого привода, чтобы воздействовать на приводную поверхность внешнего кольца так, чтобы создавалась движущая сила для приведения в движение вращающегося внешнего кольца, и, наконец, сжатый газ возвращается обратно к основному отверстию для выпуска воздуха через выпускной канал силового сердечника прямого привода для достижения постоянной скорости и крутящего момента.
Кроме того, вращающееся внешнее кольцо установлено на промежуточном валу посредством боковой пластины, и образовано замкнутое пространство для возможности ступенчатого размещения силового сердечника прямого привода для формирования многоступенчатого устройства выработки мощности.
Кроме того, впускной канал силового сердечника прямого привода проходит по спиральной линии, проходящей наружу от центра.
Кроме того, впускной канал силового сердечника прямого привода проходит по логарифмической спиральной линии, и логарифмическая спиральная линия имеет полюс, находящийся на осевой линии промежуточного вала, и имеет угол перемещения 2 - 15°.
Кроме того, на силовом сердечнике прямого привода выполнен один или более впускных и соответствующих выпускных каналов.
Кроме того, на внутренней кольцевой поверхности вращающегося внешнего кольца выполнено две или более приводных канавок, причем каждая из приводных канавок имеет профилированную донную поверхность и приводную поверхность, а линия профиля профилированной донной поверхности представляет собой логарифмическую спиральную линию, полюс которой расположен на осевой линии промежуточного вала.
Кроме того, промежуточный вал имеет по меньшей мере одно основное отверстие для впуска воздуха и одно основное отверстие для выпуска воздуха, а также имеет по меньшей мере одно ступенчатое отверстие для впуска воздуха и одно ступенчатое отверстие для выпуска воздуха.
Кроме того, ступенчатое отверстие для впуска воздуха сообщается с впускным каналом силового сердечника прямого привода, а ступенчатое отверстие для выпуска воздуха сообщается с выпускным каналом силового сердечника прямого привода.
Пневматический двигательный узел содержит пневматический двигатель, который раскрыт выше.
Пневматический двигатель в соответствии с изобретением имеет простую конструкцию, высокую эффективность передачи и высокую долговечность. Его можно широко использовать на транспортных средствах, оборудовании выработки электроэнергии, и в других областях, где требуются силовые устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан пневматический двигатель в соответствии с изобретением, структурный вид;
на фиг. 2 - силовой сердечник прямого привода в соответствии с изобретением, вид в разрезе по плоскости А-А;
на фиг. 3 - силовой сердечник прямого привода в соответствии с изобретением, вид в разрезе по плоскости В-В;
на фиг. 4 - многоступенчатый силовой сердечник прямого привода в соответствии с изобретением; и
на фиг. 5 - двигательный узел, схематичный вид.
Варианты осуществления изобретения
Изобретение будет дополнительно описано далее со ссылками на чертежи.
Вариант 1 осуществления
Как показано на фиг. 1 - 3, предложен пневматический двигатель, включающий в себя: вращающееся внешнее кольцо 1, промежуточный вал 2 и силовой сердечник 3 прямого привода, где вращающееся внешнее кольцо 1 и силовой сердечник 3 прямого привода расположены соосно на промежуточном валу 2, при этом вращающееся внешнее кольцо 1 выполнено с возможностью вращения относительно промежуточного вала 2 и силового сердечника 3 прямого привода, а промежуточный вал 2 и силовой сердечник 3 прямого привода закреплены неподвижно. Промежуточный вал 2 имеет основное отверстие 21 для впуска воздуха и основное отверстие 22 для выпуска воздуха, силовой сердечник 3 прямого привода имеет впускной канал 31 и выпускной канал 32, на внутренней кольцевой поверхности вращающегося внешнего кольца 1 выполнено несколько приводных канавок 11, сжатый газ поступает из основного отверстия 21 для впуска промежуточного вала и выходит через спиральный впускной канал 31 силового сердечника 3 прямого привода для воздействия на приводную поверхность а вращающегося внешнего кольца 1 так, что создается движущая сила для приведения в движение вращающегося внешнего кольца 1, и, наконец, сжатый газ возвращается обратно в основное отверстие 22 для выпуска через выпускной канал 32 силового сердечника 3 прямого привода для достижения постоянной скорости и крутящего момента.
Вращающееся внешнее кольцо 1 установлено на промежуточном валу 2 через левую и правую перегородки 4 и 5, причем левая и правая опорные перегородки представляют собой боковые пластины, посредством которых установлено вращающееся внешнее кольцо 1 в соответствии с изобретением, и образовано замкнутое пространство, в котором может быть выполнен ступенчатый силовой сердечник 3 прямого привода для получения многоступенчатого силового устройства.
Впускной канал 31 силового сердечника 3 прямого привода проходит по логарифмической спиральной линии, проходящей наружу от центра, и полюс логарифмической спиральной линии находится на линии промежуточной оси промежуточного вала 2, благодаря тому, что логарифмическая спиральная линия имеет угол постоянного давления, минимизируют потери сжатого газа во время процесса его подачи, и можно гарантировать, что сжатый газ подают на приводные канавки 11 в одно и то же время с одинаковой движущей силой, так что передача является стабильной. Угол перемещения логарифмической спиральной линии определяет угол, под которым происходит выброс сжатого газа, и величина которого влияет на скорость привода и крутящий момент вращения вращающегося внешнего кольца 1. Если угол перемещения слишком большой, то составляющая движущей силы, направленная по касательной к вращающемуся внешнему кольцу 1, становится меньше, и даже возникает явление отсутствия вращения; если угол перемещения слишком мал, то приводная поверхность а внешнего кольца имеет небольшую площадь воздействия силы, и движущая сила для вращения также мала. Поэтому логарифмическая спиральная линия предпочтительно имеет угол перемещения в диапазоне от 2 до 15°. При этом угол перемещения логарифмической спиральной линии также определяет число приводных канавок 11, на которые одновременно воздействуют выпускные отверстия 33 силового сердечника 3 прямого привода. Одно выпускное отверстие 33 может одновременно воздействовать на две или, возможно, три приводные канавки, конструкция может быть выполнена в соответствии с требованиями.
На внутренней кольцевой поверхности вращающегося внешнего кольца 1 выполнено две или более приводных канавок 11, причем каждая из приводных канавок 11 имеет профилированную донную поверхность b и приводную поверхность a, а линия профиля профилированной донной поверхности b представляет собой логарифмическую спиральную линию, полюс которой расположен на осевой линии промежуточного вала 2. Линия профиля профилированной донной поверхности b также может представлять собой линию продолжения впускного канала 31 силового сердечника 3 прямого привода, которая проходит по логарифмической спиральной линии. Гарантируется, что на приводные канавки 11 вращающегося внешнего кольца 1 воздействует одинаковое усилие, и направление усилия направлено на приводную поверхность а, и гарантируется, что вращающееся внешнее кольцо 1 вращается плавно и стабильно.
Силовой сердечник 3 прямого привода имеет один или более впускных каналов и соответствующих им выпускных каналов, которые могут представлять собой два, три, четыре или более впускных каналов, чтобы соответствовать числу приводных канавок 11, выполненных на внутренней кольцевой поверхности вращающегося внешнего кольца 1, причем выполнены выпускные каналы, соответствующие впускным каналам. Может быть получена высокая скорость вращения и крутящий момент, а также непрерывный и плавно стабильный выход с точки зрения, главным образом, непрерывности и плавности вращающегося внешнего кольца 1, приводимого во вращение сжатым газом, и соответствия таким параметрам, как скорость вращения, и т.п.
Основное отверстие для впуска воздуха на промежуточном валу включает в себя по меньшей мере одно основное отверстие для впуска и по меньшей мере одно ступенчатое отверстие для впуска. Отверстие для выпуска воздуха на промежуточном валу включает в себя одно основное отверстие для выпуска воздуха и по меньшей мере одно ступенчатое отверстие для выпуска воздуха.
Промежуточный вал имеет по меньшей мере одно основное отверстие для впуска воздуха и одно основное отверстие для выпуска воздуха, а также имеет по меньшей мере одно ступенчатое отверстие для впуска воздуха и одно ступенчатое отверстие для выпуска воздуха. Ступенчатое отверстие для впуска воздуха сообщается с впускным каналом силового сердечника прямого привода, а ступенчатое отверстие для выпуска воздуха сообщается с выпускным каналом силового сердечника прямого привода. Сжатый газ из пневматического двигателя поступает в ступенчатое отверстие для впуска воздуха через основное отверстие для впуска воздуха промежуточного вала 2 и приводит в движение вращающееся внешнее кольцо посредством впускного канала, а затем поступает в ступенчатое отверстие для впуска воздуха под небольшим давлением и, наконец, выходит через основное отверстие для выпуска воздуха промежуточного вала 2.
Предложен пневматический двигательный узел, включающий в себя пневматический двигатель, описанный выше.
Вариант 2 осуществления
Как показано на фиг. 2 - 4, предложен пневматический двигатель, включающий в себя: вращающееся внешнее кольцо 1, промежуточный вал 2, силовой сердечник 3 прямого привода первой ступени, силовой сердечник 7 прямого привода второй ступени и левую и правую опорные перегородки 4 и 5, где вращающееся внешнее кольцо 1, силовой сердечник 3 прямого привода первой ступени, силовой сердечник 7 прямого привода второй ступени и левая и правая опорные перегородки 4 и 5 установлены соосно на промежуточном валу 2, при этом левая и правая опорные перегородки представляют собой боковые пластины, посредством которых установлено вращающееся внешнее кольцо в соответствии с изобретением, причем вращающееся внешнее кольцо 1 соединено с левой и правой опорными перегородками 4 и 5 как единое целое для взаимодействия с промежуточным валом 2 через подшипник 6, двухступенчатое замкнутое пространство образовано путем разделения перегородкой 8, промежуточный вал 2 имеет основное отверстие 21 для впуска воздуха и основное отверстие 22 для выпуска воздуха, силовой сердечник 3 прямого привода первой ступени и силовой сердечник 7 прямого привода второй ступени имеют впускные каналы 31 и 71 и выпускные каналы 32 и 72, на внутренней кольцевой поверхности вращающегося внешнего кольца 1 выполнено несколько приводных канавок 11, и сжатый газ поступает из основного отверстия 21 для впуска воздуха промежуточного вала 2, а затем поступает во впускной канал 31 силового сердечника 3 прямой передачи первой ступени через отверстие для впуска воздуха первой ступени. Газ воздействует на приводную поверхность а внешнего кольца, а затем поступает во впускной канал 71 силового сердечника 7 прямой передачи второй ступени через выпускной канал 32 силового сердечника 3 прямой передачи первой ступени, в этот момент давление воздуха снижается до 95%, и снова воздействует на приводную канавку 11 внешнего кольца так, что создается движущая сила для приведения в движение вращающегося внешнего кольца 1, и, наконец, сжатый газ возвращается обратно в основное отверстие 22 для выпуска воздуха через выпускной канал 72 силового сердечника 7 прямой передачи для достижения постоянной скорости и крутящего момента.
Двигатель можно проектировать в соответствии с требованиями к нагрузке. Силовой сердечник 3 прямого привода может быть установлен в два ступени, или три ступени, или несколько ступеней. Давление воздуха снижается на 5% при выполнении работы на каждой ступени, т.е. 95% давления предыдущей ступени поступает на следующую ступень для выполнения работы, полностью используя энергию и наилучшим образом повышая эффективность использования, чтобы соответствовать требованиям к выходному крутящему моменту и скорости вращения.
Как показано на фиг. 5, для пневматического двигательного узла маховик 101 может быть приведен в движение одним или более пневматическими двигателями 100 для согласования настроек входного давления и скорости потока так, чтобы получать изменения выходного крутящего момента и скорости и соответствовать различным дорожным условиям.
Вариант 3 осуществления
Разработан прототип, соответствующий Audi 2.5LV6:
1. Основные параметры следующие:
a) источник газа: 200 л жидкого азота;
b) диаметр ∅ приводной канавки пневматического двигателя: 108 мм; диаметр ∅ шестерни вращающегося внешнего кольца: 136 мм;
c) число пневматических двигателей: 3
d) размер сечения приводной канавки вращающегося внешнего кольца: 20 мм× 8 мм (длина× высота) для первой ступени, 20 мм × 8 мм (длина × высота) для второй ступени, 16 мм × 8 мм (длина× высота) для третьей ступени и 12 мм × 8 мм (длина× высота) для четвертой ступени;
e) диаметр ∅ маховика: 244,8 мм;
f) вес одного пневматического двигателя: 9 кг; где вес вращающегося внешнего кольца: 8 кг;
g) вес маховика: 20 кг;
h) вес пневматического двигательного узла: 70 кг (включая такое оборудование, как 3 пневматических двигателя, маховики и основания и т.д.).
2. Крутящий момент
(1) Усилие воздействует на две приводные канавки пневматического двигателя (когда давление составляет 0,6 МПа, скорость - 3000 об/мин).
Импульсный крутящий момент газа одного пневматического двигателя на первой ступени
gas 1
N = 10,4 Н⋅м;
импульсный крутящий момент газа одного пневматического двигателя на второй ступени
gas 2
N = 9,8 Н⋅м;
импульсный крутящий момент газа одного пневматического двигателя на третьей ступени
gas 3
N = 7,5 Н⋅м;
импульсный крутящий момент газа одного пневматического двигателя на четвертой ступени
gas 4
N = 5,3 Н⋅м;
момент инерции внешнего кольца одного пневматического двигателя
inertia
N = 11,7 Н⋅м;
крутящий момент одного пневматического двигателя N=33+11,7=44,7 Н⋅м.
(2) Маховик (скорость n маховика = 1666 об/мин)
Крутящий момент, с которым пневматический двигатель приводит в движение маховик
flywheel
N = 44,7*1,8*3=241,3 Н⋅м;
момент инерции маховика
inertia
N = 18,2 Н⋅м;
(3) Итоговый выходной крутящий момент двигательного узла
output
Итоговый выходной крутящий момент двигателя N = 241,3 + 18,2 = 259,5 Н⋅м;
этот крутящий момент соответствует 250 Н⋅м двигателя Audi A6L2.5V6.
В настоящем варианте осуществления в качестве источника газа используют 200 л жидкого азота, а коэффициент расширения, с которым испаряется жидкий азот составляет 800 (при 0°C и атмосферном давлении), что эквивалентно 4 баллонам сжатого азота под давлением 20 МПа и объемом 200 л, то есть, 34 баллона источника газа прототипа под давлением 12 МПа и объемом 40 л. Если источник газа работает при давлении 0,6 МПа, то его можно непрерывно использовать в течение примерно 408 минут, то есть, 6,8 ч. Вычисленная при скорости 80 км/ч дальность пробега может достигать примерно 544 км, и эквивалентная дальность пробега намного больше, чем дальность пробега в текущих исследованиях. Цена жидкого азота составляет 1 юань/кг. Для заправки 200 л необходимо около 160 кг, и стоимость составит около 160 юаней, что эквивалентно примерно 0,3 юаня/км. Если в качестве источника газа использовать сжиженный воздух, то стоимость можно дополнительно снизить.
Пневматический двигатель в соответствии с изобретением полностью меняет способ применения, в котором усовершенствование выполнено на основе первоначального поршневого двигателя или лопастного насоса, и изобретены принципы нового двигателя. Он не только имеет простую конструкцию, но также обладает такими преимуществами, как высокая эффективность и долговечность, и т.д. Он является экологически чистым, что может сократить парниковый эффект и снизить выбросы PM2.5; в то же время, также имеется много вспомогательных применений, а также существенные экономические и социальные выгоды. Его можно широко использовать на транспортных средствах, таких как автомобили, мотоциклы и велосипеды, оборудовании генерации электроэнергии, и в других областях, где требуются силовые устройства.
Вышеприведенные раскрытия представляют собой всего лишь варианты осуществления, в которых применено техническое содержание изобретения. Любые модификации и изменения, выполненные специалистами в этой области техники с использованием изобретения, должны попадать под объем изобретения, но не ограниченный объемом, раскрытым в вариантах осуществления.