CN101451444B - 一种数控气动发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数控气动发动机，包括能量供给系统、能量转化系统及控制系统；能量供给系统由高压储气罐、手动阀、控制电磁阀A、一级热交换器、一级减压气缸、控制电磁阀B、二级热交换器、二级减压气缸、控制电磁阀C、定量预喷气缸、控制电磁阀D依次由管路串接而成。能量转化系统包括机体、工作气缸通过活塞与曲轴连杆机构连接、飞轮连接在曲轴连杆机构另一端。控制系统由电子控制单元、信号采集设备及执行设备组成；本发明利用了压缩空气或液氮，无污染、存储和运输方便、制作工艺简单，能量效率高、控制方便等特性，可作为污染严重城市的日常短途交通或室内交通工具的动力源。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于汽车动力的数控压缩空气或液氮动力发动机，属于动力总成领域。
背景技术
汽车主要以消耗化石燃料如汽油、柴油以及天然气作为动力的来源，同时向外界排放包含COx、NOx及CHx等有害物质的尾气。汽车工业在给经济带来蓬勃生机的同时，也给人类社会带来了能源危机和环境污染的困扰。各种化石能源的枯竭，迫使越来越多的人开始探寻新能源，并陆续出现了以新能源为名的绿色概念汽车。压缩空气动力发动机就是顺应这一潮流而产生的一种无污染排放绿色汽车的典型。
专利号为01108350.6，名称为“气动汽车”的专利公开的是一种汽轮机和压缩空气再生回收装置。专利号为02290673.8，名称为“气动汽车气动动力机”的专利公开的是是对普通内燃机的改进。专利号为02111984.4，名称为“压缩空气燃油气混合动力的汽车发动机”的专利公开的是压缩空气动力、燃油/燃气内燃机动力的混合动力的汽车发动机，其可以单独用压缩空气为动力，还可以同时使用燃油/燃气和压缩空气为动力的混合动力的汽车发动机。上述以压缩空气为动力的汽车，都存在一定的问题：在使用过程中由于高压气体在管道内膨胀吸热而出现热交换器结霜、冰堵等问题，且对气体流量控制困难，高压空气的压力能损失大，利用效率低。发动机的配气机构复杂，制造工艺要求高且控制困难。
发明内容
本发明的目的是针对目前内燃机大量应用所带来的能源危机和人类生存环境的恶化，以及传统气动发动机在使用过程中由于高压气体在管道内膨胀吸热而导致热交换器结霜、冰堵等问题，且对气体流量控制困难，高压空气的压力能损失大，利用效率低，发动机的配气机构复杂，制造工艺要求高且控制困难，提供了一种数控气动发动机。
本发明采用的技术方案是：包括能量供给系统、能量转化系统及控制系统；所述能量供给系统由高压储气罐、手动阀、控制电磁阀A、一级热交换器、一级减压气缸、控制电磁阀B、二级热交换器、二级减压气缸、控制电磁阀C、定量预喷气缸、控制电磁阀D依次由管路串接而成。
所述能量转化系统包括机体、工作气缸通过活塞与曲轴连杆机构连接、飞轮连接在曲轴连杆机构另一端。
所述控制系统由电子控制单元、信号采集设备及执行设备组成；其中信号采集设备包含：安装在高压储气罐处的压力传感器、安装在一级热交换器处的温度传感器A、安装在一级减压气缸处的温度压力传感器组A、安装在二级热交换器处的温度传感器B、安装在二级减压气缸处的温度压力传感器组B、安装在定量预喷气缸处的温度压力传感器组C、安装在工作气缸处的温度压力传感器组D、安装在曲轴连杆机构处的曲轴位置传感器、温度压力传感器组E及电子油门装置；所述执行设备包含控制电磁阀A、控制电磁阀B、控制电磁阀C、控制电磁阀D、控制电磁阀E及起动机，且电子控制单元与各信号采集设备及执行设备之间用电磁导线联接。
本发明利用了压缩空气或液氮无污染、存储和运输方便、制作工艺简单，能量效率高、控制方便等特性，可作为污染严重城市的日常短途交通或室内交通工具的动力源，如：城市公交车、观光游船、运动小车、室内搬运工具，高尔夫球场用车，拥有巨大的潜在市场，具有很好的应用前景。
本发明的优点为：
1、针对传统气动发动机热交换系统易出现结霜，甚至冰堵，导致其能量效率低下的情况，利用数控技术对气动发动机的热交换系统的进气进行实时精确控制，以消除热交换系统的结霜及冰堵现象，来尽可能多地吸收外环境热量，进而实现提高数控气动发动机能量供给系统的能量效率。
2、针对不同工况下的发动机功率需求，利用数控技术对进入气动发动机工作气缸的进气进行精确定量控制，以减少气动发动机排除尾气压力过高带来的能量损失。
附图说明
图1为本发明数控气动发动机的系统连接示意图；
图中：1.高压储气罐；2.手动阀；3.压力传感器；4.控制电磁阀A；5.一级热交换器；6.温度传感器A；7.一级减压气缸；8.温度压力传感器组A；9.控制电磁阀B；10.二级热交换器；11.温度传感器B；12.二级减压气缸；13.温度压力传感器组B；14.控制电磁阀C；15.定量预喷缸；16.温度压力传感器组C；17.吸热片A；18.控制电磁阀D；19.排气管总成；20.控制电磁阀E；21.温度压力传感器组D；22.工作气缸；23.活塞；24.曲轴连杆机构；25.飞轮；26.曲轴位置传感器；27.机体；28.起动机；29.吸热片B；30.温度压力传感器组E；31.电子控制单元；32.电子油门装置。
具体实施方式
如图1，数控气动发动机主要由能量供给系统、能量转化系统及控制系统三大系统组成，其工作过程主要有：能量供给过程与能量转化过程。
一、能量供给过程
数控气动发动机的能量供给系统由高压储气罐1、手动阀2、控制电磁阀A4、一级热交换器5、一级减压气缸7、控制电磁阀B9、二级热交换器10、二级减压气缸12、控制电磁阀C14、定量预喷气缸15、控制电磁阀D18依次由相关管路串接而成。控制系统由电子控制单元31、信号采集设备及执行设备组成。其中信号采集设备包含各温度、压力和位置传感器以及电子油门装置32。执行设备包含各个控制电磁阀及起动机28。电子控制单元31与各信号采集设备及执行设备之间用电磁导线连接。高压储气罐1上设有压力传感器3，以监控高压储气罐能量状态；一级热交换器5上设有温度传感器A6，以监测一级热交换器的工作状态，如果其温度过低有导致一级热交换器结霜的情况出现，可由电子控制单元31操控控制电磁阀A4开启和闭合来减少流入一级热交换器的高压气体，以消除其结霜现象；一级减压气缸7上设有温度压力传感器组A8以监控其能量状态，并为电子控制单元31提供操控控制电磁阀A4开启及关闭控制算法所需实时的温度及压力参数；二级热交换器10上设有温度传感器B11，以监测二级热交换器的工作状态，如果其温度过低有导致一级热交换器结霜的情况出现，可由电子控制单元31操控控制电磁阀B9开启和闭合减少流入二级热交换器的高压气体，以消除其结霜现象；二级减压气缸12上设有温度压力传感器组B 13以监控其能量状态，并为电子控制单元31提供操控控制电磁阀B9开启及关闭控制算法所需实时的温度及压力参数；定量预喷气缸15上设有吸热片17，以吸收外环境热量；定量预喷气缸15上设有温度压力传感器组C16以监控其能量状态，电子控制单元31可根据电子油门装置32反应不同的需求，结合温度压力传感器组C16反应的压力的温度、由曲轴位置传感器26计算得出的发动机转速，通过电子控制单元31计算出一次做功循环的高压气体精确进气量，提前存储在定量预喷气缸15内备用，此时控制电磁阀D18处于关闭状态。
二、能量转化过程
数控气动发动机的能量转化系统由工作气缸22、活塞23、曲轴连杆机构24、飞轮25、机体27等组成。其中工作气缸22通过活塞23与曲轴连杆机构24连接、飞轮25连接在曲轴连杆机构24的另一端数控气动发动机可有一个或多个工作气缸，每一个气缸需配备一个定量预喷气缸。工作气缸22设有吸热片29，以吸收外环境热量。
数控气动发动机的能量转化过程主要经历做功行程及排气行程：
做功行程，在数控气动发动机做功以前，由与飞轮25连接的起动机28使数控气动发动机曲轴连杆机构24由静止状态过渡到定向转动状态。当电子控制单元31开启控制电磁阀D18同时关闭控制电磁阀E20，高压气体从定量预喷气缸15进入到工作气缸22，并 推动活塞23带动曲轴连杆机构24对外做功。
排气行程：如果对数控气动发动机的功率需求较小，电子控制单元31可根据电子油门装置32反应不同的需求，结合温度压力传感器组C16反应的压力的温度、由曲轴位置传感器26计算得出的发动机转速，通过电子控制单元31计算出一次做功循环的高压气体精确进气量，活塞23达到下止点，且温度压力传感器组D21检测到工作气缸22内的压力接近温度压力传感器组E30检测到外环境压力，电子控制单元31关闭控制电磁阀D18同时开启控制电磁阀E20，直到活塞23回到上指点，尾气经过排气管总成19进入大气，完成排气行程，此工作——排气工作循环能量效率最高。如果对数控气动发动机功率较大，活塞23达到下止点，且温度压力传感器组D21检测到工作气缸22内的压力大于温度压力设置在数控气动发动机机体外的传感器组E30检测到外环境压力，电子控制单元31也要关闭控制电磁阀D18同时开启控制电磁阀E20，直到活塞23回到上指点，尾气经过排气管总成19进入大气，完成排气行程，且排气尾气的压力大于外环境的压力，故此工作——排气工作循环有一定的能量损失。
Claims (1)
1.一种数控气动发动机，包括能量供给系统、能量转化系统及控制系统；所述能量转化系统包括机体(27)，工作气缸(22)通过活塞(23)与曲轴连杆机构(24)连接，飞轮(25)连接在曲轴连杆机构(24)的另一端；所述控制系统由电子控制单元(31)、信号采集设备及执行设备组成；其中信号采集设备包含安装在高压储气罐(1)处的压力传感器(3)、安装在一级热交换器(5)处的温度传感器A(6)、安装在一级减压气缸(7)处的温度压力传感器组A(8)、安装在二级热交换器(10)处的温度传感器B(11)、安装在二级减压气缸(12)处的温度压力传感器组B(13)、安装在工作气缸(22)处的温度压力传感器组D(21)、安装在曲轴连杆机构(24)处的曲轴位置传感器(26)、温度压力传感器组E(30)及电子油门装置(32)；其特征在于：
所述能量供给系统由高压储气罐(1)、手动阀(2)、控制电磁阀A(4)、一级热交换器(5)、一级减压气缸(7)、控制电磁阀B(9)、二级热交换器(10)、二级减压气缸(12)、控制电磁阀C(14)、定量预喷气缸(15)、控制电磁阀D(18)依次由管路串接而成；
所述信号采集设备包含安装在定量预喷气缸(15)处的温度压力传感器组C(16)以监控其能量状态，电子控制单元(31)根据电子油门装置(32)反应不同的需求，结合温度压力传感器组C(16)反应的压力及温度、由曲轴位置传感器(26)计算得出的发动机转速，通过电子控制单元(31)计算出一次做功循环的高压气体精确进气量，提前存储在定量预喷气缸(15)内备用，此时控制电磁阀D(18)处于关闭状态；
所述执行设备包含控制电磁阀A(4)、控制电磁阀B(9)、控制电磁阀C(14)、控制电磁阀D(18)、控制电磁阀E(20)及起动机(28)，且电子控制单元(31)与各信号采集设备及执行设备之间用电磁导线连接；起动机(28)使曲轴连杆机构(24)由静止状态过渡到定向转动状态，当电子控制单元(31)开启控制电磁阀D(18)同时关闭控制电磁阀E(20)，高压气体从定量预喷气缸(15)进入到工作气缸(22)，并推动活塞(23)带动曲轴连杆机构(24)对外做功。
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