專利名稱：膨脹比可調的車用氣動發動機及其排氣壓力控制方法
技術領域：
本發明涉及車用氣動發動機，具體是膨脹比可調的車用氣動發動機及其排氣壓力控制方法。
背景技術：
氣動發動機是零污染環保節能車輛的動力系統的重要組成部件，其作用是將壓縮空氣具 有的有效能轉化成驅動車輛所需要的旋轉機械能。
現有的車用氣動發動機一般由發動機本體、減壓閥、流量調節閥、儲氣罐和輸氣管道等 零部件組成。壓縮空氣存儲在儲氣罐中，在氣動發動機工作時，壓縮空氣流經輸氣管道、減 壓閥、流量調節閥、進氣口、氣缸和排氣口，最終排入大氣。減壓閥將壓縮空氣的壓力從高 壓降至工作壓力，流量調節閥控制壓縮空氣的流量，壓縮空氣在氣缸中膨脹，推動活塞，再 通過連桿使曲軸轉動，向外界輸出旋轉機械功。
但是，現有的車用氣動發動機在加工裝配完成后，其在每個工作循環中壓縮空氣的膨脹 比是固定不變的，這至少帶來了兩個問題發動機系統中必須配備減壓裝置，以及排氣壓力 過高。儲氣罐在加氣站充氣后的壓力可達30兆帕，隨著發動機的運轉，壓縮空氣逐漸被消耗， 其壓力逐漸降低，可低至數兆帕，氣源的壓力變化范圍很寬。若壓縮空氣的膨脹比固定不變， 為了使排氣壓力在氣罐壓力很高時不致過高，必須在儲氣罐與氣缸進氣口之間加入減壓裝置。 壓縮空氣的壓力越高，其有效能就越多，不輸出有效功的減壓必然造成壓縮空氣有效能的損 失。車輛的工況經常變化，對發動機的動力需求也隨之而變。若壓縮空氣的膨脹比固定不變， 則氣動發動機的氣缸進氣壓力必須按照氣動發動機的最大輸出功率的要求設計，否則不能適 應車輛的高動力需求的工況。而在大部分的工況下，排氣壓力遠高于排氣的需要，造成壓縮
空氣有效能的損失。
現有的車用氣動發動機系統因不能在運行中調節壓縮空氣的膨脹比，而存在減壓環節， 且排氣壓力過高。據浙江大學氣動汽車研究小組的研究，壓縮空氣在減壓和排氣環節中損失 的有效能約占其全部有效能的六成?，F有的車用氣動發動機將壓縮空氣的有效能轉換成旋轉 機械能的效率偏低，限制了氣動車輛的續駛里程，阻礙了環保節能的氣動車輛的推廣使用。

發明內容
為了克服現有的車用氣動發動機因減壓損失和排氣損失而導致有效能利用率低的不足， 本發明提供一種膨脹比可調的車用氣動發動機，能避免現有的車用氣動發動機在減壓環節和 排氣環節中的有效能損失，提高氣動發動機的能量轉換效率。
本發明還提供上述膨脹比可調的車用氣動發動機的排氣壓力控制方法。
一種膨脹比可調的車用氣動發動機，壓縮空氣在氣缸中膨脹，推動活塞，再通過連桿使 曲軸轉動，向外界輸出旋轉機械功，其特征在于包括設于氣缸進氣管道的進氣電磁閥、設 于氣缸排氣管道的排氣電磁閥、用于檢測氣缸內空氣壓力的壓力傳感器、用于檢測曲軸轉角的光電編碼器以及控制器，控制器根據壓力傳感器檢測到的氣缸內空氣壓力以及光電編碼器 檢測的曲軸轉角計算決策，向進氣電磁閥和排氣電磁閥發出打開或關閉的控制信號。
進一歩地，壓力傳感器安裝在缸蓋上，其承壓面與缸蓋面對活塞的表面平齊。
進一歩地，光電編碼器安裝在曲軸的端部。
上述膨脹比可調的車用氣動發動機的排氣壓力控制方法，其特征在于包括下列步驟
1) 控制器向排氣電磁閥發出關閉的控制信號，關閉排氣電磁閥；向進氣電磁閥發出打開 的控制信號，打開進氣電磁閥；
2) 壓力傳感器檢測氣缸內的空氣壓力，光電編碼器檢測曲軸的轉角，控制器從壓力傳感 器和光電編碼器讀取壓力和轉角數據；
3) 控制器將獲得的壓力和轉角數據代入過程方程，計算即時關閉進氣電磁閥的預測的排 氣壓力；
4) 若預測的排氣壓力大于或等于預定的排氣壓力，則關閉進氣電磁閥，否則返回步驟2);
5) 光電編碼器重復檢測曲軸的轉角，當轉角達到第一預設值，則打開排氣電磁閥，第一 預設值為175 180°;
6) 光電編碼器重復檢測曲軸的轉角，當轉角達到第二預設值，則返回步驟1)，第二預 設值為355° 360°。
進一步地，在步驟3)中，控制器根據獲得的壓力和轉角數據，以壓縮空氣在氣缸中膨 脹的熱力過程為多變過程，計算即時關閉進氣電磁閥的預測的排氣壓力。
進一步地，在步驟4)中，預定的排氣壓力取l.l倍的環境大氣壓力。
本發明在氣缸進氣口安裝一個進氣電磁閥，在氣缸的排氣口安裝一個排氣電磁闊，增加 一個控制進氣電磁閥和排氣電磁閥打開或關閉的控制器。在進氣過程中，在不同時刻關閉進 氣電磁閥就可以得到不同的壓縮空氣膨脹比，從而使壓縮空氣的膨脹比可以調節。
增加發動機氣缸、缸蓋和活塞的強度，使其能夠承受預設的最高充氣壓力， 一般是30兆 帕，如此可以在儲氣罐和氣缸之間不采用減壓裝置，高壓空氣不經減壓地進入氣缸，避免因 減壓導致的壓縮空氣有效能損失。
關閉進氣電磁閥的信號由控制器發出，發送關閉進氣電磁閥信號的時刻取決于氣缸中壓 縮空氣的壓力和活塞的位置，目的是使排氣壓力與環境壓力接近。在發動機的缸蓋上安裝壓 力傳感器以檢測氣缸內空氣的壓力，在發動機的曲軸端部安裝光電編碼器以檢測曲曲軸的轉 角，通過計算可得到活塞的位置。氣缸內空氣的壓力數據和曲軸轉角數據傳送至控制器，控 制器根據獲得的數據，以使排氣壓力盡量接近環境壓力為目標，決定是否關閉進氣電磁閥。 讀取數據、計算和決策的過程不斷重復，控制器會在恰當的時刻發出關閉進氣電磁閥的信號， 該循環的排氣壓力與環境壓力接近，如此可以避免因帶壓排氣導致的有效能損失。
本發明的有益效果是，避免了因減壓引起的壓縮空氣有效能損失，降低了因高壓排氣引 起的壓縮空氣有效能損失，從而提高氣動發動機的能量轉換效率。


圖1是膨脹比可調的車用氣動發動機的結構原理圖中l.儲氣罐，2.截斷閥，3.高壓管，4.流量調節閥，5.中間管，6.進氣電磁閥，7.進氣管， 8.壓力傳感器，9.排氣管，IO.排氣電磁閥，ll.低壓管，12.出氣口， 13.缸蓋，14.氣缸，15.活 塞，16.連桿，17.曲軸，18.光電編碼器，19.控制器。
圖2是車用氣動發動機排氣壓力的控制方法流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一歩說明。
如圖1所示，膨脹比可調的車用氣動發動機由儲氣罐l、截斷閥2、高壓管3、流量調節 閥4、中間管5、進氣電磁閥6、進氣管7、氣缸14、缸蓋13、活塞15、排氣管9、排氣電磁 閥10、低壓管11、出氣口 12、壓力傳感器8、連桿16、曲軸17、光電編碼器18和控制器 19組成。壓縮空氣從儲氣罐l出發，依次經過截斷閥2、高壓管3、流量調節閥4、中間管5、 進氣電磁閥6、進氣管7、氣缸14、排氣管9、排氣電磁閥IO、低壓管ll、出氣口 12，最終 排入大氣。高壓空氣在氣缸14中膨脹，推動活塞15，連桿16將活塞15的直線運動轉換為 曲軸17的旋轉運動，發動機向外輸出旋轉機械功?；钊?5在上止點時，進氣電磁閥6打開， 并在活塞15向下運動的過程中關閉；活塞15在下止點時，排氣電磁閥10打開，并在活塞 15運動到上止點時關閉；該氣動發動機為兩沖程發動機。
圖1所示的氣動發動機的氣缸14、缸蓋13和活塞15的壁厚都大于現有的車用氣動發動 機，具有更高的強度，可以使高壓空氣不經減壓就可注入，省去了壓縮空氣從儲氣罐1到氣 缸14的過程中的減壓裝置，避免了因減壓導致的壓縮空氣有效能的損失。
圖1所示的氣動發動機的壓縮空氣膨脹比是可調的。在進氣電磁閥6打開，壓縮空氣推 動活塞15進入氣缸14的過程中，壓力傳感器8不斷重復地檢測氣缸14中空氣的壓力，并將 數據傳至控制器19;同時，光電編碼器18不斷地檢測曲軸17的轉角，并將數據也傳至控制 器19;控制器19由曲軸17的轉角計算與其對應的活塞15的位置，以使排出空氣的壓力接 近環境壓力為目的，根據得到的氣缸14內的空氣的壓力和活塞15的位置循環判斷是否關閉 進氣電磁閥6?？刂破?9判斷出各個循環的停止進氣的最佳時刻并及時控制進氣電磁閥6關 閉，就可以使排氣壓力與環境壓力接近，從而避免因排氣壓力過高導致的壓縮空氣有效能的 損失。
圖1中的流量調節閥4用于調節發動機的轉速，增大壓縮空氣的流量，則發動機的轉速 增加；反之，發動機的轉速減小。
圖2描述了在一個進氣一膨脹一排氣循環中控制排氣壓力接近環境壓力的方法，實現車 用氣動發動機排氣壓力的控制方法的具體步驟如下
1) 一個進氣一膨脹一排氣循環開始，控制器19關閉排氣電磁閥U，禁止或停止排氣；打開進氣電磁閥6，開始進氣；活塞從上止點位置開始下行。
2) 在進氣的過程中，壓力傳感器8實時地檢測氣缸14內的空氣壓力，光電編碼器18實 時地檢測曲軸17的轉角；控制器19從壓力傳感器8讀取壓力數據，從光電編碼器18讀取轉 角數據。
3) 壓縮空氣在氣缸中膨脹的熱力過程是一個多變過程，其多變指數可針對具體的氣動發 動機經實驗預先測得，范圍是1~1.4?？刂破鞲鶕@得的壓力和轉角數據，以多變過程計算即 時關閉進氣電磁閥的預測的排氣壓力。隨著進氣過程的進行，進入氣缸的壓縮空氣的量不斷 增加，預測的排氣壓力也不斷提高。
4) 為避免高壓排氣造成壓縮空氣有效能的損失，預定的排氣壓力理論上等于環境大氣壓 力，但實踐中為便于排氣可取略高于環境大氣壓力的壓力，如取1.1倍的環境大氣壓力，即 K=l.l。進氣開始時，預測的排氣壓力小于預定的排氣壓力，隨著進氣持續進行，預測的排氣 壓力會超過預定的排氣壓力?？刂破髦貜偷貙㈩A測的排氣壓力與預定的排氣壓力進行比較， 若預測的排氣壓力大于等于預定的排氣壓力，則關閉進氣電磁閥6，停止進氣；否則，返回 步驟2)，重復檢測、計算和比較。控制器19關閉進氣電磁閥6后，壓縮空氣在氣缸14中膨 脹，直到排氣電磁閥ll打開，此時的壓縮空氣的壓力就是排氣壓力。
5) 在理想情況下，應該在曲軸轉角為180°,活塞在下止點時，打開排氣電磁閥11。但 因為排氣電磁閥11存在滯后效應，需要提前一些角度開始打開排氣電磁閥11，即在接近180° 的某個角度范圍內開始打開排氣電磁閥11。提前的角度與排氣電磁閥11的性能有關，如可 取175° 180°。在壓縮空氣膨脹過程中，光電編碼器18重復檢測曲軸17的轉角，若轉角達 到預設的接近180。的某個角度范圍，則打開排氣電磁閥11。
6) 同理，在理想情況下，應該在曲軸轉角為360°，活塞在上止點時，關閉排氣電磁閥 11，打開進氣電磁閥6。但因為電磁閥存在滯后效應，需要提前一些角度開始關閉排氣電磁 閥ll，打開進氣電磁閥6，即在接近360。的某個角度范圍內開始關閉排氣電磁閥，打開進氣 電磁閥6。提前的角度與電磁閥的性能有關，如可取355° 360°。在排氣過程中，光電編碼 器18重復檢測曲軸的轉角，若轉角達到預設的接近360。的某個角度范圍，則關閉排氣電磁閥 11，打開進氣電磁閥6，即返回步驟l)，開始下一個進氣一膨脹一排氣循環。
權利要求
1、一種膨脹比可調的車用氣動發動機，壓縮空氣在氣缸(14)中膨脹，推動活塞(15)，再通過連桿(16)使曲軸(17)轉動，向外界輸出旋轉機械功，其特征在于包括設于氣缸進氣管道的進氣電磁閥(6)、設于氣缸排氣管道的排氣電磁閥(10)、用于檢測氣缸內空氣壓力的壓力傳感器(8)、用于檢測曲軸轉角的光電編碼器(18)以及控制器(19)，控制器(19)根據壓力傳感器(8)檢測到的氣缸內空氣壓力以及光電編碼器(18)檢測的曲軸轉角計算決策，向進氣電磁閥(10)和排氣電磁閥(11)發出打開或關閉的控制信號。
2、 根據權利要求1所述的膨脹比可調的車用氣動發動機，其特征在于壓力傳感器(8) 安裝在缸蓋(13)上，其承壓面與缸蓋(13)面對活塞(15)的表面平齊。
3、 根據權利要求1或2所述的膨脹比可調的車用氣動發動機，其特征在于光電編碼器 (18)安裝在曲軸(17)的端部。
4、 權利要求1所述膨脹比可調的車用氣動發動機的排氣壓力控制方法，其特征在于包括 下列步驟1) 控制器(19)向排氣電磁閥(11)發出關閉的控制信號，關閉排氣電磁閥(11);向 進氣電磁閥(6)發出打開的控制信號，打開進氣電磁闊(6);2) 壓力傳感器(8)檢測氣缸(14)內的空氣壓力，光電編碼器(18)檢測曲軸(17)的 轉角，控制器(19)從壓力傳感器(8)和光電編碼器(18)讀取壓力和轉角數據；3) 控制器(19)將獲得的壓力和轉角數據代入過程方程，計算即時關閉進氣電磁閥(6) 的預測的排氣壓力；4) 若預測的排氣壓力大于或等于預定的排氣壓力，則關閉進氣電磁閥(6)，否則返回步 驟2);5) 光電編碼器(18)重復檢測曲軸(17)的轉角，當轉角達到第一預設值，則打開排氣 電磁閥(11)，第一預設值為H5 180。；6) 光電編碼器(18)重復檢測曲軸(17)的轉角，當轉角達到第二預設值，則返回步驟 1)，第二預設值為355° 360°。
5、 根據權利要求4所述的排氣壓力控制方法，其特征在于在步驟3)中，控制器(19) 根據獲得的壓力和轉角數據，以壓縮空氣在氣缸中膨脹的熱力過程為多變過程，計算即時關 閉進氣電磁閥(6)的預測的排氣壓力。
6、 根據權利要求4所述排氣壓力控制方法，其特征在于在步驟4)中，預定的排氣壓 力取l.l倍的環境大氣壓力。
全文摘要
本發明涉及車用氣動發動機，公開了一種膨脹比可調的車用氣動發動機及其排氣壓力控制方法。一種膨脹比可調的車用氣動發動機，壓縮空氣在氣缸中膨脹，推動活塞，再通過連桿使曲軸轉動，向外界輸出旋轉機械功，其特征在于包括設于氣缸進氣管道的進氣電磁閥、設于氣缸排氣管道的排氣電磁閥、用于檢測氣缸內空氣壓力的壓力傳感器、用于檢測曲軸轉角的光電編碼器以及控制器，控制器根據壓力傳感器檢測到的氣缸內空氣壓力以及光電編碼器檢測的曲軸轉角計算決策，向進氣電磁閥和排氣電磁閥發出打開或關閉的控制信號。本發明降低了因高壓排氣引起的壓縮空氣有效能損失，從而提高氣動發動機的能量轉換效率。
文檔編號F01B17/00GK101476490SQ20091003672
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者徐正岡, 謝小鵬, 陳樹林 申請人:華南理工大學