[发明专利]膨胀比可调的车用气动发动机及其排气压力控制方法

说明书

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，其作用是将压缩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。压缩空气存储在储气罐中，在气动发动机工作时，压缩空气流经输气管道、减压阀、流量调节阀、进气口、气缸和排气口，最终排入大气。减压阀将压缩空气的压力从高压降至工作压力，流量调节阀控制压缩空气的流量，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。

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，压缩空气逐渐被消耗，其压力逐渐降低，可低至数兆帕，气源的压力变化范围很宽。若压缩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。压缩空气的压力越高，其有效能就越多，不输出有效功的减压必然造成压缩空气有效能的损失。车辆的工况经常变化，对发动机的动力需求也随之而变。若压缩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，造成压缩空气有效能的损失。

现有的车用气动发动机系统因不能在运行中调节压缩空气的膨胀比，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，压缩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缩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。

进一步地，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。

进一步地，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，以压缩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1.1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阀，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缩空气膨胀比，从而使压缩空气的膨胀比可以调节。