一种气动发动机的电控气体喷射系统的制作方法

本发明属于电控气体喷射领域，具体涉及一种气动发动机的电控气体喷射系统。

背景技术：

与内燃机相比，气动发动机不需要燃油、噪声低、安全可靠、操作简单，且结构简单、制造成本低、生产效率高。气动发动机的材料可以用化工材料及其他轻金属制造，体积小，重量轻；所用高压气体用玻璃纤维做的气瓶装，由专业厂家生产，装换气瓶方便；气动发动机寿命长，磨损小，不承受热变形和热应力，可广泛应用于汽车类、航空类、航天业、发电产品等动力装置中。气动发动机是一种低能耗、零污染的发动机，具有光明的商业前景。

目前已有的气动发动机研究大多是直接在传统的内燃机上经过简单的改造后进行，在高压空气储气瓶与气动发动机之间建立自动高效的减压装置，发动机工作状态的控制通过调节进入气动发动机压缩空气的压力来实现。但是，这种方法存在的高压气体减压能耗过大、压缩空气能量利用率低等问题。喷射器是一种可替代减压装置的设备，它将两种不同压力的流体进行混合，进而达到一种中间压力流体。喷射器主要由工作喷嘴、吸入管、混合管及扩散管等部件组成。其基本工作原理为：高压流体进入拉伐尔喷嘴进行膨胀，压力下降，速度增加，在喷嘴出口处流体的速度大于喷嘴的临界截面上流体具有的临界速度。工作流体以较高速度进入接收管，再把低压流体从接收管中吸走，在混合管内进行两股流体的混合，当混合流体达到足够均匀的速度场时，流入扩压管进行增压减速，最终混合流体以一定的中间压力流出喷管。

气动发动机若采用气体喷射器作为供气系统，可利用气瓶中流出的高压压缩空气来引射来自环境或其它的低压空气，一方面可以简化或去除动力系统的减压设备，从而精简系统结构，减少高压气体在流经减压阀设备时的节流损失，另一方面还可以通过引射进一定量的低压空气，增加系统中所需工作流体的总质量，进而提高压缩气体的总量，为气动发动机输入更多的能量，益于提高动力输出。

现有的气体喷射器大多为固定结构的形式，即吸入管、混合管、扩张管的长度和内径为固定尺寸，其效率受喷射气体的动压头和喷射气体的喷口位置的影响较大，这种气体喷射器不能满足气动发动机工况多变性的要求。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提出了一种气动发动机的电控气体喷射系统，以满足气动发动机不同工况对高压气体的流量和压力的要求。

本发明采用以下技术方案：

一种气动发动机的电控气体喷射系统，包括高压气瓶、电磁阀、气体喷射器、气动发动机以及步进电机；

所述气体喷射器包括喷针、喷嘴、接收室、吸入管、混合管和扩张管，

所述高压气瓶通过高压气管依次与电磁阀、气体喷射器连接，所述气体喷射器的顶部中间位置设有喷嘴，所述喷嘴的下部置于接收室中，所述接收室通过螺纹连接吸入管的一端，且喷嘴的底端恰好与吸入管的入口处重合，所述吸入管的另一端通过螺纹与混合管的一端连接，所述混合管的另一端通过螺纹与扩张管的一端连接，所述扩张管的另一端通过螺栓与螺栓板固定在气动发动机上，且扩张管在气动发动机汽缸内偏离气缸轴线30°；

所述喷嘴尾部中心钻有螺纹孔，螺纹孔处设置有可以径向移动的喷针，所述喷针的上部与齿轮条一端啮合，齿轮条另一端与安装在步进电机电机轴上的齿轮啮合，所述步进电机驱动齿轮传动，实现喷针径向移动，改变喷嘴的喉口截面积，从而改变气体喷射器的喷射系数、气体压力和气体流量。

上述方案中，所述气动发动机为活塞式气动发动机。

上述方案中，所述喷嘴为拉法尔喷管式。

上述方案中，所述混合管为柱型结构。

上述方案中，所述吸入管、混合管和扩张管的材料为铸铁。

上述方案中，所述喷针的针尖部为圆锥形，以便于喷针放置在喷嘴尾部的螺纹孔内。

上述方案中，所述吸入管、扩张管均采用渐缩型喷管。

本发明的有益效果为：

1、在气体喷射器的喷嘴中增加喷针，喷针通过步进电机根据气动发动机工况来控制其径向移动，从而调节喷嘴的喉口和出口截面积，改变喷射气体的流量和压力，动态调整进入到气动发动机缸内气体的流量和压力；同时，在高压气瓶与气体喷射器连接的管路上采用电磁阀控制，根据气动发动机不同运行工况负荷的变化，对电磁阀进行反馈控制，精确调整进入喷射器气体的流量，满足气动发动机不同工况对高压气体的流量和压力的要求。

2、采用气体喷射器作为供气系统，可以简化或去除动力系统的减压设备，从而精简系统结构，减少了节流损失，增加了系统中工作流体的总质量，提高了压缩气体的总量，为气动发动机输入更多的能量，有益于提高动力输出。

附图说明

图1为气动发动机的电控气体喷射系统的结构示意图；

图2为气体喷射器的结构示意图；

图3为齿轮传动的放大图。

图中：1-高压气瓶；2-电磁阀；3-气体喷射器；4-气动发动机；5-步进电机；6-齿轮；7-喷针；8-喷嘴；9-接收室；10-吸入管；11-混合管；12-扩张管；13-齿轮条；14-高压气体；15-低压气体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种气动发动机的电控气体喷射系统，包括高压气瓶1、电磁阀2、气体喷射器3、活塞式气动发动机4以及步进电机5；本发明中，气动发动机4为活塞式气动发动机，步进电机5的型号为MD556，其为两向步进电机，电压为50V，电流为5.6A。

如图2所示，气体喷射器3包括喷针7、喷嘴8、接收室9、吸入管10、混合管11和锥型扩张管12，吸入管10、混合管11和扩张管12的材料均为铸铁，当引射介质的压缩比大于2.5时，锥形混合室是最合适的；由于本发明设计的工况中，引射介质的压缩比大于2.5，所以喷嘴8采用拉法尔喷管式；混合管11为柱型结构，吸入管10、扩张管12均采用渐缩型喷管。

高压气瓶1通过高压气管依次与电磁阀2、气体喷射器3连接，气体喷射器3的顶部中间位置设有喷嘴8，喷嘴8的下部置于接收室9中，接收室9通过螺纹连接吸入管10的一端，且喷嘴8的底端恰好与吸入管10的入口处重合，吸入管10的另一端通过螺纹与混合管11的一端连接，混合管11的另一端通过螺纹与扩张管12的一端连接，扩张管12的另一端通过螺栓与螺栓板固定在气动发动机4上，且扩张管12在气动发动机4汽缸内偏离气缸轴线30°。

喷嘴8尾部中心钻有螺纹孔，螺纹孔处设置有可以径向移动的喷针7，喷针7的针尖部为圆锥形，以便于喷针7放置在喷嘴8尾部的螺纹孔内；喷针7直径为1.5mm，柱形部分长度为25mm，针尖部分的长度为4mm；如图3所示，喷针7的上部与齿轮条13一端啮合(喷针7上部的一侧加工成可以与齿轮条13啮合的形状)，齿轮条13另一端与安装在步进电机5电机轴上的齿轮6啮合，所述步进电机5驱动齿轮6传动，实现喷针7径向移动，改变喷嘴8的喉口截面积，从而改变气体喷射器3的喷射系数、气体压力和气体流量。

图2中的相关参数具体为：

引射气体入口处直径d1为6mm，喷嘴8收缩段高度S1取12mm，喷嘴8扩张段高度S2为8mm，喷嘴8出口直径P1为5mm，喷嘴8上端实心部分高度La为5mm；接收室9高度Lb为16mm，吸入管10进口直径d2为18mm，吸入管10高度Lc为16mm，吸入管10出口直径d3为13mm，混合管11高度Lm为50mm，扩张管12出口直径d4为23mm，扩张管12高度Ld为90mm。

气动发动机的电控气体喷射器系统，采用气体喷射器3作为高压气瓶1中高压气体的减压装置，减少节流损失，提高气动发动机的效率。本发明的电控系统主要控制两个部位：

(1)控制电磁阀2

根据气动发动机4运行工况的要求，动态控制电磁阀2的开启时刻和开启持续时间，使进入气动发动机4气缸中高压气体的压力和流量与气动发动机4运行工况相匹配。

(2)控制喷嘴8中的喷针7

喷射器的两个结构参数对气体喷射器3的工作特性有较大影响，一是柱型混合管11的截面积与喷嘴8喉口截面积的比值，一是喷嘴8出口截面积与喷嘴8喉口截面积之比；由此可见，改变喷嘴8的喉口截面积可以对气体喷射器3的性能(如流量、压力等)产生很大的影响。在喷嘴8中设置可以径向移动的喷针7，喷针7的针尖部为圆锥形，喷针7径向移动可改变喷嘴8的喉口的截面积，从而改变气体喷射器3的喷射系数、气体压力和气体流量。通过喷针7径向移动，调节喷嘴8的喉口和出口的截面积，改善气体喷射器3的性能，以适应负荷变化的需要。喷针7的移动位置采用步进电机5控制，步进电机5是将电脉冲信号转变为角位移或直线位移的开环执行驱动机构，在不超载的情况下，步进电机5的转速及停止位置仅取决于给定脉冲信号的频率和个数，步进电机5的运行机理决定其运转角度误差跟随控制信号的短时周期性，而不会带来累积误差。本发明通过气动发动机4的台架试验得到气动发动机4的map图并且输入到步进电机5的控制模块，通过map图来提供给步进电机5信号，喷嘴8中的喷针7与齿轮条13一端啮合，齿轮条13另一端与齿轮6相啮合，齿轮6则安装在步进电机5的电机轴上，步进电机5根据map图提供的发动机的工况来确定其正反转从而控制齿轮的传动，通过齿轮6的传动来控制喷针7的径向移动。

本发明一种气动发动机的电控气体喷射系统的工作过程具体为：

根据气动发动机4的工况可以先确定最后流出管道流体的压力、流量等，又因为高压流体14进入喷嘴8进行膨胀，压力下降，速度增加，在喷嘴8出口处流体的速度大于喷嘴8的临界截面上流体具有的临界速度。工作流体以较高速度进入接收管，并从接收管中引入低压流体15，在混合管11内进行两股流体的混合，当混合流体达到足够均匀的速度场时，流入扩张管12进行增压减速，最终混合流体以一定的中间压力流出喷管。最后确定的中间压力，其实就是由高压流体14和低压流体15来确定的，而低压气体15是可以通过传感器来测量，现只需调整喷嘴8出口处的气体压力、流量，气体压力、流量的调节主要是通过两部分，一是通过电磁阀的开启来初步确定其流进气流的流量、气压；二是就通过步进电机5控制喷针7的径向移动，在步进电机5的电机轴上安装一个齿轮6，齿轮6与齿轮条13一端啮合，齿轮条另一端与喷针7的上部啮合，通过步进电机5驱动齿轮6转动，齿轮6的转动带动齿轮条13的传动，带动喷针7的径向移动，从而改变喷嘴8候口的截面积，通过截面积的改变来精确调节其气体压力与流量的变化。

以上对本发明所提供的一种气动发动机的电控气体喷射系统进行了详细介绍，本发明应用了具体个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，所要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。