基本信息
- 项目名称：
- 零排放气动发动机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是研究一种使用压缩空气作动力源的车载动力装置，可替代普通燃料驱动车辆，从而实现汽车尾气的零排放。作品采用两级气缸膨胀作功，提高了能量使用率。气缸输出力方向与齿条运动方向相同，无侧向力损耗，能量传递效率高。一个气缸的两侧腔室都作为工作腔，往复运动双向提供动力，输出动力较为平稳，结构紧凑。作品可用于城市内短途交通工具，如城市公交、日常上班用车等，作为动力装置驱动车辆，具有良好的应用前景。
- 详细介绍：
- 本作品以提高能源利用率和环境保护为背景，提供一种使用压缩空气作动力源的汽车动力装置，使用的压缩空气能代替汽油、柴油或液化石油气燃料，驱动车辆行驶，能够实现汽车尾气的零排放。本作品采用两级气缸膨胀做功，即一级气缸的排气作为二级气缸的气源再次利用剩余能量，其中再经过热交换器吸收外界部分能量，提高了能量使用效率。气缸的输出力方向与齿条运动方向相同，无侧向力损耗，能量传递效率比传统内燃机的活塞曲柄结构高。一个气缸的两侧腔室都作为工作腔，往复运动双向提供动力，输出轴的动力输出较为平稳，结构紧凑。以本作品作为动力的气动汽车主要用于短途行驶，作为城市日常短途交通或室内交通工具。因为压缩空气简单易得，价格便宜，所以使用气动发动机的成本要比现在内燃机成本低，且结构相对简单，制造成本也低，易于在城市中广泛推广。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：本作品是研究一种使用压缩空气作动力源的车载动力装置，可替代汽油等燃料驱动车辆行驶，实现汽车尾气零排放。基本思路：气罐中的高压气体经气压控制回路输入到一级和二级气缸，推动活塞往复运动，通过机械传动系统将活塞的往复运动转换成输出轴的单向旋转运动，作为动力输出。创新点：(1)本作品采用两级气缸膨胀做功，即一级气缸的排气作为二级气缸的气源再次利用剩余能量，经过热交换器吸收外界部分能量，提高能量使用效率。(2)气缸输出力方向始终与传动轴力臂保持垂直，无侧向力损耗，与传统内燃机的活塞曲柄结构相比，能量传递效率更高。(3)一个气缸的两侧腔室都作为工作腔，往复运动双向提供动力，动力输出平稳，结构紧凑。关键技术：(1)多级膨胀做功技术:采用两级甚至多级气缸膨胀做功，令压缩气体尽可能吸收外界热能，接近等温膨胀过程，以提高能量利用率。(2)传动结构技术:作品采用齿轮齿条传动方式，将双面齿条与活塞杆固连，同时驱动上下两个齿轮，这两个齿轮与各自传动轴通过单向离合器连接，固连在两个传动轴另一侧上的齿轮与输出轴齿轮啮合，使输出轴保持持续单向旋转。(3)配气控制技术:气缸的往复运动是通过气缸两侧进、排气交替实现。通过行程开关反馈信号，经继电器控制换向阀，可实现进、排气自动交替过程。技术指标：缸径D=32mm，进气压力Ps=0.7Mpa。(1)单级系统:输出轴扭矩达到5N•m，输出轴最高转速约为480r/min；(2)双级系统：输出轴扭矩达到6N•m，输出轴最高转速约为550r/min。
科学性、先进性
- (1)现在汽车发动机主要是以内燃机为主，其燃烧所排放的污染物已经成为城市的第一大污染源。本作品采用高压气体作为动力源驱动汽车行驶，能够实现真正意义上的零排放。 (2)专利CN1851260A提出了一种使用压缩空气作为动力的发动机，传动结构与普通内燃机相似，通过活塞曲柄结构输出动力。浙江大学也针对该驱动结构进行了深入研究和试验。但在传动结构上仍然采用曲柄滑块机构，使得曲柄上有一侧向分力做无用功，影响工作效率。本作品的传动结构使气缸输出力方向始终与作用力臂垂直，没有侧向无用功损耗，提高了传动系统效率。 (3)本作品采用两级气缸膨胀做功，即一级气缸的排气作为二级气缸的气源再次利用，经过热交换器吸收外界部分能量，提高了能量使用效率。气缸的两侧腔室都作为工作腔，往复运动时都能提供动力，动力输出较为平稳，结构紧凑。参考文献：[1]刘林.气动发动机工作过程和关键零部件优化研究[D].浙江大学博士论文,2007。[2] 陈志新.用压缩空气作动力的车载发动机[P].专利号：CN1851260A。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■模型 ■图纸 ■现场演示 ■图片 ■录像 ■样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：本作品作为一种能量转换动力装置，需要提供一定压力的压缩空气，供气缸使用，传感器和控制阀能够实现自动工作过程，输出轴能够持续输出旋转动力。技术特点与优势： (1)本作品采用压缩空气作为动力源，排出的尾气为空气，无污染。 (2)本作品的传动结构工作效率更高，再结合两级膨胀做功技术，有利于提高压缩空气能量利用率。 (3)气缸两侧腔室都作为工作腔，往复运动时提供双向动力，动力输出较为平稳，整体结构紧凑。适用范围以及推广前景：本作品可用于城市内短途交通工具，如：城市公交、日常上班用车，旅游景点观光游览车、室内搬运工具等，作为动力装置驱动车辆行驶，具有良好的应用前景。经济效益预测：因为压缩空气容易获得，可集中建设高压气站，价格便宜，用之不竭，所以使用气动发动机的成本要比现有内燃机成本低，对环保更是起到重要作用。气动发动机结构相对于内燃机简单，其制造成本也低，可以广泛推广。因此本作品具有良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 本作品研究的气动发动机是一种使用压缩空气作动力源的汽车动力装置，使用的压缩空气能代替汽油、柴油或液化石油气燃料，驱动车辆行驶，能够实现汽车尾气的零排放。国外发展现状：法国的空气动力汽车研究工作主要集中在法国工程师Guy Negre领导的研究小组，他们致力于压缩空气动力汽车的研发，己获得相关的专利20余项，并组建了法国MDI汽车公司专门研制气动汽车,是该领域的“旗帜型”企业。到2001年底，已经设计制造出多款气动汽车，并计划在南非的约翰内斯堡和墨西哥的墨西哥城投入小批量商业生产。最新安装有Guy Negre气动发动机的气动汽车以一罐90L、3O0bar压力的压缩空气可行驶240km，最高时速110km/h，接电充气时间为4小时左右，而在加气站充气只需约3分钟。若要求一定容积车载气罐中的压缩空气能输出尽可能多的机械功，有效的途径就是让发动机的工作过程尽量接近于等温膨胀过程，这就要求发动机工作过程中从周围环境中吸取尽可能多的热量。MDI公司的气动发动机有多种类型，设计师采用的方法之一是多级膨胀做功方式，即由气罐输入的高压气体在第一个小缸中按多变过程膨胀推动活塞做功后，尾气经过一个热交换器由外界空气加热，进入第二个较大气缸继续膨胀推动活塞做功，然后再由热交换器加热，最后进入第三个更大的气缸膨胀推动活塞做功，此后接近大气压的尾气排出发动机。国内发展现状：在国内，气动汽车的研究还处于起步阶段，属于基础研究范畴，大多是利用传统的发动机进行改造，能够以压缩空气为动力运行，动力性和经济性均不理想，浙江大学和合肥工业大学已有相关研究报道。浙江大学气动汽车课题项目组进行了气动汽车的研究工作，还有一些个人在气动汽车方面进行探索，有概念性发明专利的申请。综上所述，气动汽车在能源和环保方面有重大意义，具有良好的应用前景，且国外气动汽车技术已经相对成熟，而国内相关研究尚处于初期阶段。
