气动发动机电控球阀配气机构的制作方法
【专利摘要】气动发动机电控球阀配气机构，包括稳压箱和电控单元和传感器组，所述稳压箱通过安装有控制阀的管道与气动发动机的气缸相连通，其特征是所述控制阀为球阀，所述配气机构还包括由电控单元控制的变频电机，变频电机的输出轴采用万向节连轴器与球阀的阀杆末端连接，所述传感器组包括分别与电控单元相连接的压力传感器、曲轴转速传感器和曲轴位置传感器，所述压力传感器安装在稳压箱上。
【专利说明】
气动发动机电控球阀配气机构
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及气动发动机配气机构。
【背景技术】
[0002] 活塞式空气动力发动机(简称活塞式气动发动机)是一种以压缩空气为动力的新 型发动机。由于活塞式气动发动机在运转时需要间歇向气缸内注入高压气体对气动发动机 进排气的快速、有效控制成为了保障其动力输出的重要环节。现有技术中因为蝶阀的旋转 部件质量较轻，容易实现较高转速，因此被普遍选用于气动发动机的配气机构，但由于气动 发动机工作压力较高，蝶阀在此工作压力下难于实现可靠密封，因此限制了气动发动机的 使用，球阀虽然气密性更好，但在由于其难于满足现有技术中对气动发动机的转速要求，因 此一般被认为不适用于气动发动机的配气机构，如果通过克服球阀的上述固有缺陷使之能 够应用于气动发动机配气机构从而整体性提高配气机构的可靠性及使用寿命，成为现有技 术中亟待解决的问题。 【实用新型内容】
[0003] 为解决技术问题，提供一种应用球阀的气动发动机配气机构，本实用新型在普通 机械球阀的基础上，应用万向节联轴器将球阀的转动轴与变频调速电动机的输出轴相连， 从而实现用电动机驱动球阀的转动。并应用发动机电控单元(ECU)对发动机曲轴位置、转速 传感器及压力传感器的信息进行分析并依据分析结果对发出指令对变频调速电机进行控 制。该机构在电控单元(ECU)精确的控制下能够使空气动力发动机在全工况范围内达到最 佳配气，进而保证其高效运转。
[0004] 本实用新型提供了气动发动机电控球阀配气机构，包括稳压箱和电控单元(ECU) 和传感器组，所述稳压箱通过安装有控制阀的管道与气动发动机的气缸相连通，其特征是 所述控制阀为球阀，所述配气机构还包括由电控单元控制的变频电机，变频电机的输出轴 采用万向节连轴器与球阀的阀杆末端连接，所述传感器组包括分别与电控单元相连接的压 力传感器、曲轴转速传感器和曲轴位置传感器，所述压力传感器安装在稳压箱上。
[0005] 所述的于气动发动机电控球阀配气机构，其特征在于所述气动发动机的排量< 1.0L，所述稳压箱中压缩气体压力为3-5MPa，球阀的流通面积与气动发动机的气缸截面积 之比为0.2~0.25。
[0006] 本实用新型还提供了用于所述气动发动机电控球阀配气机构的控制方法，其特征 在于采用电控单元将控制变频电机的转速< 2000r/min。
[0007] 发明人经过在先理论研究，确定气动发动机的最佳工况范围，即在转速< 2000r/ min，排量< 1.0L时能够有较高的工作效率，并通过进一步研究确定了气动发动机的压缩比 范围及稳压箱进气压力等参数，在此研究的基础上提供了一种用于气动发动机的电控球阀 配气机构，采用球阀代替了蝶阀作为控制阀，并采用变频电机与万向节连轴器对球阀进行 控制，气动发动机的电控单元可以根据稳压箱中气体压力及曲轴的速度、位置信息及时调 整发动机的转速，基于发明人的在先理论研究，通过优化气动发动机的最佳工况范围，克服 了现有几种配气机构须要选用蝶阀的偏见，采用了以球阀为控制阀的配气机构，增加了整 个配气机构的使用寿命和可靠性。并且利用优化的气动发动机参数可以更好的提高发动机 的整体运行效率。
【附图说明】
[0008] 图1是气动发动机电控球阀配气机构及控制系统部件及其控制线路连接示意图。
[0009] 图中
[0010] 1、球阀，2、万向联轴器，3、变频电机，4、电控单元(E⑶），5、曲轴位置传感器，6、曲 轴转速传感器，7、气动发动机，8、稳压箱，9、压力传感器
【具体实施方式】
[0011] 本实用新型提供了一种用于气动发动机的电控球阀配气机构，包括稳压箱8、电控 单元4(ECU)和传感器组，所述稳压箱通过安装有控制阀的管道与气动发动机7的气缸相连 通，所述控制阀为球阀1，所述配气机构还包括由电控单元控制的变频电机3,变频电机的输 出轴采用万向节连轴器2与球阀的阀杆末端连接；
[0012] 所述传感器组包括以导线分别与电控单元相连接的压力传感器9、曲轴转速传感 器6和曲轴位置传感器5。压力传感器安装在稳压箱上。
[0013] 本实用新型提供的配气机构的工作原理如下
[0014] 1)当气动发动机开始启动时使电控单元电路系统处于通电状态，将曲轴位置传感 器检测曲轴的实时位置信息、曲轴转速传感器检测曲轴的实时转速信息和压力传感器检测 的进气压力信息传输给电控单元。
[0015] 2)随后电控单元根据曲轴的实时转速和发动机需要的负荷，发出调速指令驱动变 频电机按给定的转速旋转，来控制球阀接通气路的持续时间。
[0016] 3)采用万向节联轴器可避免球阀与电机联接时的对中问题，可以实现不同轴联 接，便于电机在发动机上的布置。气动发动机工作时的循环进气量多少由稳压箱的压力高 低、球阀的旋转速度(接通气路的时间）和流通孔径共同决定。
[0017] 球阀的旋转速度与气动发动机转速一致，发明人先期进行的理论研究表明，为了 使高压气体的压力势能高效的转化为曲轴旋转的动能，气动发动机的转速不易太高，一般 不大于2000r/min;稳压箱的压力一般不大于6MPa。按气动发动机转速2000r/min来计算，贝lj 球阀开闭的时间为30ms/次。球阀流通孔径必须满足在球阀开启时间即进气过程内有足够 的气体流过球阀并充入气缸，产生足够高的压力来驱动活塞做功。
[0018] 实施例1，球阀流通孔径的确定
[0019] 以下通过计算来确定球阀的流通孔径。因为压缩空气的能量密度较低、存储体积 较大，所以气动发动机的气缸尺寸一般不大；同时为了提高能量利用率，降低空气消耗，发 明人先期进行的理论研究表明，气动发动机的进气压力不宜超过2MPa。为此，本实施例选取 气动发动机参数及气体状态如下：
[0020] 1.气动发动机参数及工况
[0021] 表1单缸气动发动机参数和工况
[0022]
[0023] 2.球阀前后的气体状态参数
[0024]表2球阀入口状态（即稳压箱内气体状态）
[0025]
[0026]表3球阀出口进气初始状态
[0027]
[0028] 表4球阀出口进气终了状态
[0029]
[0030]
[0031 ] 3、计算满足上述工况要求所需的球阀流通孔径
[0032]进气完成后活塞位移：
[0033]
[0034] 代入表1中数值，得x = 30mm
[0035] 进气完成后缸内气体所占容积:V! = Vc+Jid2X/4，压缩容积Vc = Vs/ (ε-l)
[0036] 代入表1中数值和χ值，得70 = 0.111^^ = 0.371^
[0037]进气前压缩容积内的空气质量由气体状态方程mQ = PQVC/(RgT0)
[0038] 代入表3数值和Vc值，得_ = 0.0001586kg (空气的气体常数Rg = 287J/ (kg. K))
[0039] 进气终了气缸内空气质量^fPW/UgTO
[0040] 代入表4数值和％值，得血=0 · 008799kg;
[0041 ]由此得进气终 了气缸内空气密度为 Pi=mi/Vi = Ο · 008799 X 103/0 · 37 = 23 · 78kg/m3 [0042] 所以循环进气质量:m = mi-m〇 = 0.00864kg，根据喷管流速公式得进气终了时的空 气流速：
[0043]
[0044] 其中k为进气终了状态下的绝热指数，查表得k = 1.43;由表2，P = 5MPa;由表4，Pi =2MPa，代入上式得进气终了时进气流速Cf! = 366.4m/s，则进气终了时，进气质量流量A为
[0045] A = PiCflX球阀流通面积
[0046] 随着进气的进行，气缸内压力逐渐增大，所以进气流速越来越小，进气终了时的流 速为整个进气过程的最小流速，所以用此流速计算球阀的进气量，必然能够满足气缸进气 量要求;此外在进气过程中，缸内空气密度越来越大，这里取进气过程中间状态的密度进行 计算，即取Pi= l〇kg/m3，贝ljA = 10 X 366 · 4 X球阀流通面积。
[0047] 于是，在球阀开启时间0.005s内的进气质量m为：
[0048] m= 10 X 366 · 4 X 球阀流通面积 X 0 · 005 = 0 · 00864kg
[0049] 即球阀流通面积=0 · 0086/0 · 005/366 · 4/10 = 4.694 X 10-4m2 = 469mm2
[0050] 从而得出球阀开口直径为d = 24.4mm。
[0051] 以上通过气动发动机的进气过程阐述了电控球阀配气机构的工作原理；同理，电 控球阀配气机构也适用于对气动发动机排气过程的控制。
【主权项】
1. 气动发动机电控球阀配气机构，包括稳压箱和电控单元和传感器组，所述稳压箱通 过安装有控制阀的管道与气动发动机的气缸相连通，其特征是所述控制阀为球阀，所述配 气机构还包括由电控单元控制的变频电机，变频电机的输出轴采用万向节连轴器与球阀的 阀杆末端连接，所述传感器组包括分别与电控单元相连接的压力传感器、曲轴转速传感器 和曲轴位置传感器，所述压力传感器安装在稳压箱上。2. 如权利要求1所述的气动发动机电控球阀配气机构，其特征在于所述气动发动机的 排量< 1.0 L，球阀的流通面积与气动发动机的气缸截面积之比为0.2~0.25。
【文档编号】F01L9/04GK205477804SQ201620325272
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】黎苏, 杨荣荣, 黎明, 刘晓日, 郑清平
【申请人】河北工业大学