专利名称：膨胀比可调的车用气动发动机及其排气压力控制方法
技术领域：
本发明涉及车用气动发动机，具体是膨胀比可调的车用气动发动机及其排气压力控制方法。
背景技术：
气动发动机是零污染环保节能车辆的动力系统的重要组成部件，其作用是将压縮空气具 有的有效能转化成驱动车辆所需要的旋转机械能。
现有的车用气动发动机一般由发动机本体、减压阀、流量调节阀、储气罐和输气管道等 零部件组成。压縮空气存储在储气罐中，在气动发动机工作时，压縮空气流经输气管道、减 压阀、流量调节阀、进气口、气缸和排气口，最终排入大气。减压阀将压縮空气的压力从高 压降至工作压力，流量调节阀控制压縮空气的流量，压縮空气在气缸中膨胀，推动活塞，再 通过连杆使曲轴转动，向外界输出旋转机械功。
但是，现有的车用气动发动机在加工装配完成后，其在每个工作循环中压缩空气的膨胀 比是固定不变的，这至少带来了两个问题发动机系统中必须配备减压装置，以及排气压力 过高。储气罐在加气站充气后的压力可达30兆帕，随着发动机的运转，压縮空气逐渐被消耗， 其压力逐渐降低，可低至数兆帕，气源的压力变化范围很宽。若压縮空气的膨胀比固定不变， 为了使排气压力在气罐压力很高时不致过高，必须在储气罐与气缸进气口之间加入减压装置。 压縮空气的压力越高，其有效能就越多，不输出有效功的减压必然造成压縮空气有效能的损 失。车辆的工况经常变化，对发动机的动力需求也随之而变。若压縮空气的膨胀比固定不变， 则气动发动机的气缸进气压力必须按照气动发动机的最大输出功率的要求设计，否则不能适 应车辆的高动力需求的工况。而在大部分的工况下，排气压力远高于排气的需要，造成压縮
空气有效能的损失。
现有的车用气动发动机系统因不能在运行中调节压縮空气的膨胀比，而存在减压环节， 且排气压力过高。据浙江大学气动汽车研究小组的研究，压縮空气在减压和排气环节中损失 的有效能约占其全部有效能的六成。现有的车用气动发动机将压縮空气的有效能转换成旋转 机械能的效率偏低，限制了气动车辆的续驶里程，阻碍了环保节能的气动车辆的推广使用。
发明内容
为了克服现有的车用气动发动机因减压损失和排气损失而导致有效能利用率低的不足， 本发明提供一种膨胀比可调的车用气动发动机，能避免现有的车用气动发动机在减压环节和 排气环节中的有效能损失，提高气动发动机的能量转换效率。
本发明还提供上述膨胀比可调的车用气动发动机的排气压力控制方法。
一种膨胀比可调的车用气动发动机，压縮空气在气缸中膨胀，推动活塞，再通过连杆使 曲轴转动，向外界输出旋转机械功，其特征在于包括设于气缸进气管道的进气电磁阀、设 于气缸排气管道的排气电磁阀、用于检测气缸内空气压力的压力传感器、用于检测曲轴转角的光电编码器以及控制器，控制器根据压力传感器检测到的气缸内空气压力以及光电编码器 检测的曲轴转角计算决策，向进气电磁阀和排气电磁阀发出打开或关闭的控制信号。
进一歩地，压力传感器安装在缸盖上，其承压面与缸盖面对活塞的表面平齐。
进一歩地，光电编码器安装在曲轴的端部。
上述膨胀比可调的车用气动发动机的排气压力控制方法，其特征在于包括下列步骤
1) 控制器向排气电磁阀发出关闭的控制信号，关闭排气电磁阀；向进气电磁阀发出打开 的控制信号，打开进气电磁阀；
2) 压力传感器检测气缸内的空气压力，光电编码器检测曲轴的转角，控制器从压力传感 器和光电编码器读取压力和转角数据；
3) 控制器将获得的压力和转角数据代入过程方程，计算即时关闭进气电磁阀的预测的排 气压力；
4) 若预测的排气压力大于或等于预定的排气压力，则关闭进气电磁阀，否则返回步骤2);
5) 光电编码器重复检测曲轴的转角，当转角达到第一预设值，则打开排气电磁阀，第一 预设值为175 180°;
6) 光电编码器重复检测曲轴的转角，当转角达到第二预设值，则返回步骤1)，第二预 设值为355° 360°。
进一步地，在步骤3)中，控制器根据获得的压力和转角数据，以压縮空气在气缸中膨 胀的热力过程为多变过程，计算即时关闭进气电磁阀的预测的排气压力。
进一步地，在步骤4)中，预定的排气压力取l.l倍的环境大气压力。
本发明在气缸进气口安装一个进气电磁阀，在气缸的排气口安装一个排气电磁阔，增加 一个控制进气电磁阀和排气电磁阀打开或关闭的控制器。在进气过程中，在不同时刻关闭进 气电磁阀就可以得到不同的压縮空气膨胀比，从而使压縮空气的膨胀比可以调节。
增加发动机气缸、缸盖和活塞的强度，使其能够承受预设的最高充气压力， 一般是30兆 帕，如此可以在储气罐和气缸之间不采用减压装置，高压空气不经减压地进入气缸，避免因 减压导致的压縮空气有效能损失。
关闭进气电磁阀的信号由控制器发出，发送关闭进气电磁阀信号的时刻取决于气缸中压 縮空气的压力和活塞的位置，目的是使排气压力与环境压力接近。在发动机的缸盖上安装压 力传感器以检测气缸内空气的压力，在发动机的曲轴端部安装光电编码器以检测曲曲轴的转 角，通过计算可得到活塞的位置。气缸内空气的压力数据和曲轴转角数据传送至控制器，控 制器根据获得的数据，以使排气压力尽量接近环境压力为目标，决定是否关闭进气电磁阀。 读取数据、计算和决策的过程不断重复，控制器会在恰当的时刻发出关闭进气电磁阀的信号， 该循环的排气压力与环境压力接近，如此可以避免因带压排气导致的有效能损失。
本发明的有益效果是，避免了因减压引起的压縮空气有效能损失，降低了因高压排气引 起的压縮空气有效能损失，从而提高气动发动机的能量转换效率。
图1是膨胀比可调的车用气动发动机的结构原理图中l.储气罐，2.截断阀，3.高压管，4.流量调节阀，5.中间管，6.进气电磁阀，7.进气管， 8.压力传感器，9.排气管，IO.排气电磁阀，ll.低压管，12.出气口， 13.缸盖，14.气缸，15.活 塞，16.连杆，17.曲轴，18.光电编码器，19.控制器。
图2是车用气动发动机排气压力的控制方法流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一歩说明。
如图1所示，膨胀比可调的车用气动发动机由储气罐l、截断阀2、高压管3、流量调节 阀4、中间管5、进气电磁阀6、进气管7、气缸14、缸盖13、活塞15、排气管9、排气电磁 阀10、低压管11、出气口 12、压力传感器8、连杆16、曲轴17、光电编码器18和控制器 19组成。压縮空气从储气罐l出发，依次经过截断阀2、高压管3、流量调节阀4、中间管5、 进气电磁阀6、进气管7、气缸14、排气管9、排气电磁阀IO、低压管ll、出气口 12，最终 排入大气。高压空气在气缸14中膨胀，推动活塞15，连杆16将活塞15的直线运动转换为 曲轴17的旋转运动，发动机向外输出旋转机械功。活塞15在上止点时，进气电磁阀6打开， 并在活塞15向下运动的过程中关闭；活塞15在下止点时，排气电磁阀10打开，并在活塞 15运动到上止点时关闭；该气动发动机为两冲程发动机。
图1所示的气动发动机的气缸14、缸盖13和活塞15的壁厚都大于现有的车用气动发动 机，具有更高的强度，可以使高压空气不经减压就可注入，省去了压縮空气从储气罐1到气 缸14的过程中的减压装置，避免了因减压导致的压縮空气有效能的损失。
图1所示的气动发动机的压縮空气膨胀比是可调的。在进气电磁阀6打开，压缩空气推 动活塞15进入气缸14的过程中，压力传感器8不断重复地检测气缸14中空气的压力，并将 数据传至控制器19;同时，光电编码器18不断地检测曲轴17的转角，并将数据也传至控制 器19;控制器19由曲轴17的转角计算与其对应的活塞15的位置，以使排出空气的压力接 近环境压力为目的，根据得到的气缸14内的空气的压力和活塞15的位置循环判断是否关闭 进气电磁阀6。控制器19判断出各个循环的停止进气的最佳时刻并及时控制进气电磁阀6关 闭，就可以使排气压力与环境压力接近，从而避免因排气压力过高导致的压縮空气有效能的 损失。
图1中的流量调节阀4用于调节发动机的转速，增大压縮空气的流量，则发动机的转速 增加；反之，发动机的转速减小。
图2描述了在一个进气一膨胀一排气循环中控制排气压力接近环境压力的方法，实现车 用气动发动机排气压力的控制方法的具体步骤如下
1) 一个进气一膨胀一排气循环开始，控制器19关闭排气电磁阀U，禁止或停止排气；打开进气电磁阀6，开始进气；活塞从上止点位置开始下行。
2) 在进气的过程中，压力传感器8实时地检测气缸14内的空气压力，光电编码器18实 时地检测曲轴17的转角；控制器19从压力传感器8读取压力数据，从光电编码器18读取转 角数据。
3) 压縮空气在气缸中膨胀的热力过程是一个多变过程，其多变指数可针对具体的气动发 动机经实验预先测得，范围是1~1.4。控制器根据获得的压力和转角数据，以多变过程计算即 时关闭进气电磁阀的预测的排气压力。随着进气过程的进行，进入气缸的压縮空气的量不断 增加，预测的排气压力也不断提高。
4) 为避免高压排气造成压縮空气有效能的损失，预定的排气压力理论上等于环境大气压 力，但实践中为便于排气可取略高于环境大气压力的压力，如取1.1倍的环境大气压力，即 K=l.l。进气开始时，预测的排气压力小于预定的排气压力，随着进气持续进行，预测的排气 压力会超过预定的排气压力。控制器重复地将预测的排气压力与预定的排气压力进行比较， 若预测的排气压力大于等于预定的排气压力，则关闭进气电磁阀6，停止进气；否则，返回 步骤2)，重复检测、计算和比较。控制器19关闭进气电磁阀6后，压縮空气在气缸14中膨 胀，直到排气电磁阀ll打开，此时的压缩空气的压力就是排气压力。
5) 在理想情况下，应该在曲轴转角为180°,活塞在下止点时，打开排气电磁阀11。但 因为排气电磁阀11存在滞后效应，需要提前一些角度开始打开排气电磁阀11，即在接近180° 的某个角度范围内开始打开排气电磁阀11。提前的角度与排气电磁阀11的性能有关，如可 取175° 180°。在压縮空气膨胀过程中，光电编码器18重复检测曲轴17的转角，若转角达 到预设的接近180。的某个角度范围，则打开排气电磁阀11。
6) 同理，在理想情况下，应该在曲轴转角为360°，活塞在上止点时，关闭排气电磁阀 11，打开进气电磁阀6。但因为电磁阀存在滞后效应，需要提前一些角度开始关闭排气电磁 阀ll，打开进气电磁阀6，即在接近360。的某个角度范围内开始关闭排气电磁阀，打开进气 电磁阀6。提前的角度与电磁阀的性能有关，如可取355° 360°。在排气过程中，光电编码 器18重复检测曲轴的转角，若转角达到预设的接近360。的某个角度范围，则关闭排气电磁阀 11，打开进气电磁阀6，即返回步骤l)，开始下一个进气一膨胀一排气循环。
权利要求
1、一种膨胀比可调的车用气动发动机，压缩空气在气缸(14)中膨胀，推动活塞(15)，再通过连杆(16)使曲轴(17)转动，向外界输出旋转机械功，其特征在于包括设于气缸进气管道的进气电磁阀(6)、设于气缸排气管道的排气电磁阀(10)、用于检测气缸内空气压力的压力传感器(8)、用于检测曲轴转角的光电编码器(18)以及控制器(19)，控制器(19)根据压力传感器(8)检测到的气缸内空气压力以及光电编码器(18)检测的曲轴转角计算决策，向进气电磁阀(10)和排气电磁阀(11)发出打开或关闭的控制信号。
2、 根据权利要求1所述的膨胀比可调的车用气动发动机，其特征在于压力传感器(8) 安装在缸盖(13)上，其承压面与缸盖(13)面对活塞(15)的表面平齐。
3、 根据权利要求1或2所述的膨胀比可调的车用气动发动机，其特征在于光电编码器 (18)安装在曲轴(17)的端部。
4、 权利要求1所述膨胀比可调的车用气动发动机的排气压力控制方法，其特征在于包括 下列步骤1) 控制器(19)向排气电磁阀(11)发出关闭的控制信号，关闭排气电磁阀(11);向 进气电磁阀(6)发出打开的控制信号，打开进气电磁阔(6);2) 压力传感器(8)检测气缸(14)内的空气压力，光电编码器(18)检测曲轴(17)的 转角，控制器(19)从压力传感器(8)和光电编码器(18)读取压力和转角数据；3) 控制器(19)将获得的压力和转角数据代入过程方程，计算即时关闭进气电磁阀(6) 的预测的排气压力；4) 若预测的排气压力大于或等于预定的排气压力，则关闭进气电磁阀(6)，否则返回步 骤2);5) 光电编码器(18)重复检测曲轴(17)的转角，当转角达到第一预设值，则打开排气 电磁阀(11)，第一预设值为H5 180。；6) 光电编码器(18)重复检测曲轴(17)的转角，当转角达到第二预设值，则返回步骤 1)，第二预设值为355° 360°。
5、 根据权利要求4所述的排气压力控制方法，其特征在于在步骤3)中，控制器(19) 根据获得的压力和转角数据，以压縮空气在气缸中膨胀的热力过程为多变过程，计算即时关 闭进气电磁阀(6)的预测的排气压力。
6、 根据权利要求4所述排气压力控制方法，其特征在于在步骤4)中，预定的排气压 力取l.l倍的环境大气压力。
全文摘要
本发明涉及车用气动发动机，公开了一种膨胀比可调的车用气动发动机及其排气压力控制方法。一种膨胀比可调的车用气动发动机，压缩空气在气缸中膨胀，推动活塞，再通过连杆使曲轴转动，向外界输出旋转机械功，其特征在于包括设于气缸进气管道的进气电磁阀、设于气缸排气管道的排气电磁阀、用于检测气缸内空气压力的压力传感器、用于检测曲轴转角的光电编码器以及控制器，控制器根据压力传感器检测到的气缸内空气压力以及光电编码器检测的曲轴转角计算决策，向进气电磁阀和排气电磁阀发出打开或关闭的控制信号。本发明降低了因高压排气引起的压缩空气有效能损失，从而提高气动发动机的能量转换效率。
文档编号F01B17/00GK101476490SQ20091003672
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者徐正冈, 谢小鹏, 陈树林 申请人:华南理工大学