电控压缩空气发动机的改装与研究

　　电控压缩空气发动机的改装与研究孙培岩，栾凯，苗洋（大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116023）控制的方式将一台4冲程单缸汽油机改装为压缩空气动力发动机。并利用已改装的发动机进行了试验，通过改变喷气压力和喷气脉宽，研究发动机的转速变化规律并提出种新的定角调压控制方法。结果表明压缩空气发动机转速随压力增加而提高。在上止点左右位置喷射，压缩空气利用程度较高。

　　0刖言近年来，随着现代工业的发展，能源危机与污染问题日益严重，清洁能源越发受到人们的重视。传统内燃机存在污染物排放，而目前燃料电池技术和电动汽车成本高昂，无法产生市场效益，因此追求低污染甚至零污染的汽车动力装置成为设计者追求的目标。我们阐述的压缩空气做动力的发动机与传统内燃机相比没有燃烧过程，发动机平均有效压力和压力升高率均较低，发动机工作平稳，噪声低，对材料强度要求不高，制造成本也低。同时可以利用现有成熟的气动技术，降低发动机生产、使用成本，有利于压缩空气发动机的应用和推广10.而且使用压缩空气做动力的发动机，排放物为空气，是真正的零污染。

　　压缩空气发动机的原理就是利用高压空气在气缸内膨胀做功，替代传统内燃机的燃烧膨胀过程，把压缩空气的能量转化为机械能，推动活塞运动。而且普通内燃机均可改装成空气发动机。经过测算，车载300L压力为30MPa的压缩空气，在理想情况下，按多变指数r=1.2进行热力学膨胀，将压缩空气的压缩能转化成机械能时，可以驱动一辆质量为1000kg的轿车以时速50km/h行驶96km，基本可以满足日常城市交通的需要0. 1气动发动机改装方案：孙培岩（1963-），男，山东烟台人，副教授，本次改装采用力帆LF162MK为原型机，基本参数见表1.通常将普通内燃机改装为压缩空气发动博士，研究方向为内燃机电控测试。T机的常用方法是将压缩空气直接与进气道相连并对收稿曰期：2011 -03-24配气机构进行改造，将发动机变为二冲程形式。其缺点是喷气时刻受机械结构的限制，无法根据发动机工况灵活调整喷气提前角和喷气时间，发动机无法在全工况范围内获得较好的经济性和动力性。我们对原机改造较少，发动机工作过程仍为4冲程。通过采用增加传感器及电磁阀控制的方式，结合单片机控制电磁阀的开闭，并随工况变化精确地调节喷气过程，使发动机工作在*佳状态。

　　表1LF162MK发动机基本参数项目参数缸径X非量/mL压缩比nin1时*大功率/kW―1时额定功率/kW 1时*大扭矩/（Nm）1.1供气部分和喷气控制压缩空气动力发动机的动力来自高压空气。供气系统主要包括高压储气罐、减压阀和稳压腔。稳压腔容积按照气动发动机个工作循环*大喷气量的15倍设计，以保证进气压力相对稳定H.高压空气经过减压阀压力降低，然后通过稳压腔稳定压力，*后再经过由单片机控制的电磁阀进入气缸。由于原型机为汽油机，改装方法为加工个转接头，将电磁阀安装在火花塞孔位置。单片机接收到转速和油门位置信号后，通过插值取用已标定MAP图并输出控制参数（喷气定时、喷气量），喷射压缩空气，从而控制发动机的工作状态。电磁阀座及安装位置见。

　　1.2.1转速和位置传感器原型机使用无触点永磁式磁电机，飞轮上有一个触发凸起，飞轮每旋转一次产生一个触发信号。

　　当凸台经过触发线圈产生触发信号后，曲轴再转过―定角度后i活塞到达上止点在触发信号产生后他曲轴经过30°CA活塞到达上止点。此信号可以用来测量转速和判断上止点位置。

　　1.2.2凸轮轴位置传感器普通摩托车发动机，曲轴每转一圈，给出一个触发信号用来给点火器点火，两个转速信号的时间差可以用来计算转速。4冲程气体发动机需要判断压缩上止点信号，所以需要增加一个凸轮轴位置的传感器，用来判断是压缩上止点还是排气上止点。我们采用的方法为在凸轮轴处加装一个传感器，这样可以在压缩上止点前得到一个信号。由以上两个信号可以判断曲轴的转角位置。凸轮轴信号和曲轴转速信号见图凸轮轴信插排气插1.2.3油门位置传感器油门位置传感器用来控制改变喷气的时长，由此改变发动机的输出功率。采用分压电路使输出电压在0 ~5V之间变化，输出的电压信号经过滤波后输入单片机。

　　1.3发动机管理系统1.3.1发动机管理系统硬件设计发动机管理系统的硬件包括信号处理模块、逻辑电路模块、驱动电路模块和电源模块，集成在一块电路板上。信号处理模块负责接收传感器的信号并处理成为单片机可以读取的信号。逻辑电路模块的单片机选用ATMEL公司开发的ATmega16作为主芯片，它是一款低能耗、低电压、高性能的AVR系列微处理器H，拥有丰富的外围接口和强大的计算能力，可以满足本课题的需要。单片机接收到传感器的信号计算处理后，通过驱动电路控制电磁阀的开闭。

　　1.3.2发动机管理系统软件设计程序采用C语言编程，包括信号采集、工况判断、转速和曲轴转角位置判断和查找MAP图模块。

　　发动机启动时首先通过转速判断发动机是否低于怠速，低于怠速则进入启动工况，否则根据踏板位置确nreserve .ne定工况，查找相应的MAP图，确定喷气时间。

　　所示的是发动机管理系统程序流程图。

　　2试验结果及分析传感器改装完毕和程序调试完成后，进入发动机调试阶段，初由于发动机压缩比太高，飞轮转动惯量太小，压缩空气产生的能量不足以使曲轴转过压缩上止点，即使当气瓶压力增加到3MPa时也无法启动发动机。于是采用在缸盖和缸体之间增加缸垫的方式使压缩比降低至4. 8，并将凸轮轴正时向后推迟，使排气门在接近下止点时开启，同时进气迟闭角随之增大，约在压缩冲程半时才关闭，进一步降低了实际压缩比。之后发动机在2MPa喷气压力下顺利启动。

　　试验目的：固定喷气提前角，研究不同喷气脉宽和喷气压力下，发动机性能的变化规律。

　　试验步骤：固定喷气脉宽，调整减压器压力，记录不同压力下发动机转速。

　　所示的是喷气提前角为30°，喷气脉宽分别为25，30，35，40，45和50ms，空载时，转速随压力变化的规律。

　　在相同喷气脉宽下，转速随喷气压力降低而下降。喷气脉宽为45ms时停转压力*低。因为停机转速约为720r/min.此时每行程所用时间为41.67ms，以喷气提前角=30°计算，到做功冲程不同喷气脉宽时，发动机转速随喷气压力变化的规律下止点约为45ms，在喷气脉宽45ms的情况下，在发动机停转前，喷入气缸的压缩空气量是*多的，因此在较低压力下即可启动发动机。

　　试验过程中曾尝试将减压器出口压力调整为2.6MPa，在喷气脉宽为25ms的工况下，转速并未提高。分析原因为，选用的电磁阀开启时间为5ms.因此实际喷射时间只有20ms，而且虽然在上止点前驱动电路已经给电磁阀通电，但是电磁阀实际开启的时间已经在上止点后处。此时活塞开始下行，等容度降低，喷入的高压空气无法较快地建立压力而是边喷射边膨胀，能量利用率低。因此虽然增加喷气压力有使转速提高的趋势，但由于电磁阀开启时间的滞后，抵消了这种转速提高的趋势。此时如果想提高发动机转速，在提高压力的同时需增加喷气提前角。以喷气压力为2. 4MPa时的曲线为例，分析原因为在转速1020r/min时，曲轴转动一圈的时间为58.82ms.在喷气脉宽为25ms的工况下，经计算，喷气过程已经持续到了上止点后120°CA位置，喷射气体建立压力和膨胀的时间太短，此时如再增加喷气脉宽，这部分气体能量浪费很严重，使得喷气脉宽为25ms和30ms时，虽然喷气时间增加了1/5，但转速基本不变。当再增加喷气脉宽时，由于曲轴已经转过了下止点开始上行，虽然排气门已经打开，但是喷入的高压空气还是会阻碍活塞上行，使得转速降低，所以当喷射脉宽大于40ms后，转速反而下降。

　　气动发动机与普通内燃机膨胀过程不同，内燃机的能量来自于燃料的燃烧，缸内的总质量保持不变，而气动发动机工作时，携带压力能的气体穿过气缸的控制界面，是一个变质量系统S.普通内燃机在绝热膨胀过程中可以得到更多的输出功，因此内燃机在相对高速时，有利于降低传热损失，增加输出功。对于气动发动机，等温膨胀比绝热膨胀可以获得更大单位质量的可用能S，因此在相同喷气压力下，降低发动机转速可以增加发动机输出功。因为降低转速可以使得单位时间内喷射进入发动机1勺高压空气的量增加，膨胀时间增加，可以从外界吸收更多的热量，增加可用能。此外，吸气冲程从外界可以引入热量。

　　3定角调压控制方法基于以上试验结果与分析，气动发动机工作过程与内燃机有很大不同，气动发动机的动力性是由每循环进入缸内的压缩空气所具有的能量决定的，而活塞在下行时喷射，由于等容度降低，能量浪费很严重，因此，提出种新的气动发动机控制方式：定曲轴转角喷射压力调节控制方法一定角调压控制方法。采用机械结构或电子控制，将喷气时间控制在压缩上止点前后一定角度范围内（即定的曲轴转角），在这个曲轴转角范围内，由于曲柄连杆机构运动的不均匀性，活塞行程的变化量并不大，气缸内等容度较高。通过调节喷射压力来控制喷入的压缩空气量，即发动机的负荷由喷射压力直接调节。这样的控制方式既能避免由于缸内等容度降低带来的能量浪费又可以减少发动机控制系统的控制量简化控制系统。

　　4结论样机经过改装后稳定运行。在喷气提前角合适的情况下，发动机转速随压力增大而提高。在上止点喷气时，由于气缸内等容率较高，使得压缩空气利用率较高。在活塞下行的后半段喷气，等容率很低，压缩空气利用率很低。因此，在上止点附近喷气并提高喷射压力可以提高发动机效率。

　　空气动力发动机在低速时工作可以使更多高压空气进入气缸，并能延长从外界吸热的时间，有利于增加可用能。

　　排气门打开时，排气还有一定的压力，增加活塞行程可以使膨胀更充分，提高压缩空气可用能的利用程度。

　　4冲程空气动力发动机中，虽然吸气冲程和压缩冲程被视为完全无用的两个消耗能量的冲程，但吸气冲程可以从外界引入部分热量，对膨胀过程是有利的。

　　发动机输出功率扭矩很小，离实用化还有很大距离，需要继续改进。

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　　目前大型柴油机常用的简谐系数不一定适用于中小型柴油机，特别在低谐次可能有比较大的差别，如等低谐次，其余谐次差别比较小。

　　两种机型相位偏差比较小，可用于故障诊断。

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