串联混合动力推进的垂直升降装置制造方法及图纸

本申请公开一种混合动力电动航空交通工具，其包括：机体；多个纵向杆，其从机身径向延伸；被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接；发电机，其可操作地与所述被动充气式内燃发动机耦接；电池组，其与发电机可操作地耦接；和多个马达。被动充气式内燃发动机具有进气发动机气门、排气发动机气门和燃烧室，其中进气发动机气门被延迟以在燃烧室中提供大于燃烧室中的压缩比的膨胀比。所述多个马达中的每一个可以定位在多个纵向杆中的一个的远端处并且可操作地与螺旋桨耦接，其中多个马达与电池组和发电机电耦接。

Vertical Lifting Device for Series Hybrid Propulsion

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】串联混合动力推进的垂直升降装置政府利益声明本专利技术是在国家航空航天局(NASA)授予的合同号：NNX15CA29P的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。相关申请的交叉引用本申请要求2017年1月10日提交的临时专利申请序列号62/444,548在35U.S.C§119(e)下的权益，该专利申请内容通过引用结合于此。
本专利技术涉及无人驾驶飞行器领域，更具体地，涉及一种具有被动充气式正膨胀比发动机循环的垂直升降飞行器，其使用延迟的进气发动机气门正时以允许膨胀比大于压缩比。
技术介绍
垂直升降飞行器的主要市场是城市运营，主要用于市政运营和电子新闻采集(即收集音频、视频、摄影和其他数据)。这些运营在交通工具行驶里程、续航时间和有效载荷能力方面需要相当大的要求。小型无人多旋翼(例如，四轴直升机)通常具有直接电驱动，其中电池驱动直接耦接到螺旋桨的电动机。这种配置的一个好处是它的简单且高保真控制。然而，目前这一代无人驾驶垂直升降飞行器无法满足这些要求。因此，现有技术局限于载人驾驶交通工具平台，通常是Bell206或EurocopterAS350直升机(两者都具有大约2000磅的交通工具重量)。可以理解的是，就诸如燃料消耗、环境排放和劳动力而言，这些直升机的运营是昂贵的。为了与载人观测平台竞争，无人驾驶飞行器(无论是多旋翼飞行器还是固定机翼飞行器)需要更接近于匹配载人观测平台在续航时间和有效载荷能力方面的能力，目前现有的全电动多旋翼飞行器无法实现这一目标。例如，现有的全电动多旋翼飞行器在没有有效载荷时提供两小时的基本悬停操作的续航时间。为了与载人市场竞争，如果不增加，这种续航时间需要保持，同时还要携带足够的有效载荷并且执行功能飞行机动以与载人平台上的系统竞争。为了实现这一点，无人驾驶飞行器将需要显著放大规模，并且交通工具上存储的能量需要显著增加，以便支持有效载荷重量和续航时间要求(具有增加的燃料重量分数)。因此，需要一种发动机系统，诸如串联混合动力推进系统，用于增强多旋翼飞行器和其他无人驾驶飞行器的范围和续航时间。为此，本文公开了一种系统和方法，既增加小型无人驾驶垂直升降飞行器的续航时间，又克服与尺寸适用于小型无人驾驶航空系统(sUAS)的内燃发动机历史上相关的燃料混合问题。
技术实现思路
本专利技术涉及一种具有串联混合动力推进系统的无人驾驶航空交通工具，其中，在一个方面，该串联混合动力推进系统采用被动充气式正膨胀比的发动机循环(“被动充气循环”)，其使用延迟的进气发动机气门正时以允许膨胀比大于压缩比。根据第一方面，一种混合动力电动航空交通工具包括：机体；多个纵向杆，其从机体径向延伸；被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接，该被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，该至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中进气发动机气门和排气发动机气门与燃烧室流体连通并分别配置成在操作期间选择性地允许空气进出燃烧室，其中控制进气发动机气门以在燃烧室中提供大于燃烧室中的压缩比的膨胀比；发电机，其可操作地与被动充气式内燃发动机耦接，其中发电机配置成经由从被动充气式内燃发动机接收的旋转发动机力产生交流电；整流器，其与发电机电耦接，其中整流器将来自发电机的交流电转换为直流电；电池组，其与整流器电耦接，电池组配置成经由所述整流器存储直流电；多个马达，所述多个马达中的每一个定位在所述多个纵向杆中的一个的远端处并且可操作地与螺旋桨耦接，其中多个马达中的每一个经由电子速度控制器(ESC)与电池组电耦接并且与发电机电耦接。根据第二方面，一种串联混合动力推进系统包括：被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接，该被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，该至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中进气发动机气门和排气发动机气门与燃烧室流体连通并且分别配置成在操作期间选择性地允许空气进出燃烧室，其中控制进气发动机气门以在燃烧室中提供大于燃烧室中的压缩比的膨胀比；发电机，其可操作地与被动充气式内燃发动机耦接，其中发电机配置成经由从被动充气式内燃发动机接收的旋转发动机力产生交流电；整流器，其与发电机电耦接，其中整流器将来自发电机的交流电转换为直流电；电池组，其与整流器电耦接，电池组配置成经由所述整流器存储直流电；多个马达，其经由电子速度控制器(ESC)与电池组电耦接并且与发电机电耦接。根据第三方面，一种串联混合动力推进系统包括：被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接，该被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，该至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中进气发动机气门和排气发动机气门与燃烧室流体连通并且分别配置成在操作期间选择性地允许空气进出燃烧室，其中根据米勒循环控制进气发动机气门，以在燃烧室中提供大于燃烧室中的压缩比的膨胀比；发电机，其可操作地与被动充气式内燃发动机耦接，其中发电机配置成经由从被动充气式内燃发动机接收的旋转发动机力产生交流电；整流器，其与发电机电耦接，其中整流器将来自发电机的交流电转换为直流电；电池组，其与整流器电耦接，电池组配置成经由所述整流器存储直流电；多个马达，其经由电子速度控制器(ESC)与电池组电耦接并与发电机电耦接，其中多个马达中的每一个以可变的每分钟转速(RPM)操作，而被动充气式内燃发动机以恒定的RPM操作。根据第四方面，一种用于驱动混合动力推进系统的方法包括：提供可操作地与燃料箱耦接的被动充气式内燃发动机，该被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，该至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中进气发动机气门和排气发动机气门与燃烧室流体连通；根据米勒循环选择性地将空气输入和输出燃烧室，以在燃烧室中提供大于燃烧室中的压缩比的膨胀比；经由从被动充气式内燃发动机在发电机处接收的旋转发动机力产生交流电，其中发电机可操作地与被动充气式内燃发动机耦接；经由与发电机电耦接的整流器将来自发电机的交流电转换为直流电；经由所述整流器将直流电存储到与整流器电耦接的电池组；并且，经由电子速度控制器(ESC)以可变的每分钟转速(RPM)操作电动机，而被动充气式内燃发动机以恒定的RPM操作。在某些方面，发电机直接与被动充气式内燃发动机耦接。在某些方面，发电机经由驱动轴与被动充气式内燃发动机耦接。在某些方面，根据米勒循环延迟进气发动机气门的正时。在某些方面，被动充气式内燃发动机以恒定的每分钟转速(RPM)操作。在某些方面，多个马达中的每一个以可变的RPM操作，而被动充气式内燃发动机以恒定的RPM操作。在某些方面，多个马达配置成提供升力和推进力。在某些方面，进气发动机气门的正时被延迟，使得进气发动机气门保持打开比奥托循环规定的更长的预定时间段。在某些方面，发电机配置成从电池组接收直流电以将旋转起动力输出到内燃发动机，从而作为起动机马达操作内燃发动机。附图说明参考以下说明书和附图，可以容易地理解本专利技术的这些优点和其他优点，其中：图1示出采用混合动力推进系统的合适的多旋翼飞行器。图2示出串联混合动力推进系统的示例架构。图3a和图3b示出示例活塞组件的横截面。图4a示出估计入口几何形状要求的分析研究的结果。图4b示出奥托循环与被动充气循环的压力-容积图比较。图5示出串联混合动力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合动力电动航空交通工具，其包括：机体；被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接，所述被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，所述至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中所述进气发动机气门和所述排气发动机气门与所述燃烧室流体连通并分别配置成在操作期间选择性地允许空气进出所述燃烧室，其中控制所述进气发动机气门以在所述燃烧室中提供大于所述燃烧室中的压缩比的膨胀比；发电机，其可操作地与所述被动充气式内燃发动机耦接，其中所述发电机配置成经由从所述被动充气式内燃发动机接收的旋转发动机力产生交流电；整流器，其与所述发电机电耦接，其中所述整流器将来自所述发电机的交流电转换为直流电；电池组，其与所述整流器电耦接，所述电池组配置成经由所述整流器存储直流电；多个马达，所述多个电动机中的每一个可操作地与螺旋桨耦接，其中所述多个马达中的每一个经由电子速度控制器(ESC)与所述电池组和所述发电机电耦接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.10 US 62/444,5481.一种混合动力电动航空交通工具，其包括：机体；被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接，所述被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，所述至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中所述进气发动机气门和所述排气发动机气门与所述燃烧室流体连通并分别配置成在操作期间选择性地允许空气进出所述燃烧室，其中控制所述进气发动机气门以在所述燃烧室中提供大于所述燃烧室中的压缩比的膨胀比；发电机，其可操作地与所述被动充气式内燃发动机耦接，其中所述发电机配置成经由从所述被动充气式内燃发动机接收的旋转发动机力产生交流电；整流器，其与所述发电机电耦接，其中所述整流器将来自所述发电机的交流电转换为直流电；电池组，其与所述整流器电耦接，所述电池组配置成经由所述整流器存储直流电；多个马达，所述多个电动机中的每一个可操作地与螺旋桨耦接，其中所述多个马达中的每一个经由电子速度控制器(ESC)与所述电池组和所述发电机电耦接。2.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述发电机与所述被动充气式内燃发动机直接耦接。3.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述发电机经由驱动轴与所述被动充气式内燃发动机耦接。4.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中根据米勒循环延迟所述进气发动机气门的正时。5.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述被动充气式内燃发动机以恒定的每分钟转速(RPM)操作。6.根据权利要求5所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述多个马达中的每一个以可变的RPM操作，而所述被动充气式内燃发动机以恒定的RPM操作。7.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述多个马达配置成提供升力和推进力。8.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述进气发动机气门的正时被延迟，使得所述进气发动机气门保持打开比由奥托循环规定的更长的预定时间段。9.根据权利要求1所述的混合动力电动航空交通工具，其中所述发电机配置成从所述电池组接收直流电以将旋转起动力输出到所述内燃发动机，从而作为起动机马达操作所述内燃发动机。10.一种串联混合动力推进系统，其包括：被动充气式内燃发动机，其可操作地与燃料箱耦接，所述被动充气式内燃发动机具有至少一个汽缸，所述至少一个汽缸包括燃烧室、进气发动机气门和排气发动机气门，其中所述进气发动机气门和所述排气发动机气门与所述燃烧室流体连通并分别配置成在操作期间选择性地允许空气进出所述燃烧室，其中控制所述进气发动机气门以在所述燃烧室中提供大于所述燃烧室中的压缩比的膨胀比；发电机，其可操作地与所述被动充气式内燃发动机耦接，其中发电机配置成经由从所述被动充气式内燃发动机接收的旋转发动机力产生交流电；整流器，其与所述发电机电耦接，其中所述整流器将来自所述发电机的交流电转换为直流电；电池组，其与所述整流器电耦接，所述电池组配置成存储来自所述整流器的直流电；多个马达，其经由电子速度控制器(ESC)与所述电池组和所述发电机电耦接。11.根据权利要求10所述的串联混合动力推进系统，其中所述发电机与所述被动充气式内燃发动机直接耦接。12.根据权利要求10所述的串联混合动力推进系统，其中所述发电机经由驱动轴与所述被动充气式内燃发动机耦接。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·利维拉托斯，R·格里芬，N·瓦尼，A·考夫曼，
申请(专利权)人：极光飞行科学公司，
类型：发明
国别省市：美国,US