CN103381828B - 气动车辆的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动车辆的控制装置，具体而言，该控制装置：数据单元，所述数据单元接收外部输入信号；空气流量控制模块，其基于所述数据单元接收到的所述外部输入信号控制流量控制阀；压缩机控制模块，其接收来自所述数据单元发出的指令，并根据所述指令控制压缩机。在优选方案中，所述控制装置还包括起动控制模块和加热控制模块，以为气动车辆提供快速的起动和高温高压的压缩空气。

Description

气动车辆的控制装置

技术领域

本发明涉及气动车辆的控制，更具体地，涉及压缩空气动力汽车的控制装置。

背景技术

大多数地面车辆，比如汽车、卡车、越野车等均采用以燃油作为工质的内燃机作为动力源。这种采用燃油作为工质的发动机一方面因燃油燃烧不充分，使得排出的气体中含有大量的有害物质而污染环境，另一方面因使用的燃油是从石油中提炼而获得，石油资源的日益紧缺使得燃油发动机的发展和利用受到越来越多的限制。因此开发新的、洁净的、无污染的替代能源，并以这种替代能源作为地面车辆的动力源成为现代车辆发展急需解决的问题，气动汽车正是适合这种需要而逐步走入世人的眼界。

气动汽车利用高压压缩空气在发动机气缸内膨胀做功过程，推动活塞做功对外输出动力，驱动汽车行驶。它不消耗燃料，是真正零排放的环保汽车，能有效地缓解城市空气污染严重和石油资源匮乏的情况。为此，许多国家都积极投入对气动汽车的研究。

典型的气动汽车为法国MDI公司的设计师Guy Negre在专利FR2731472A1中公开的采用压缩空气的双燃料工作模式汽车。在该专利文献中，气动汽车采用了可在燃料供应和压缩空气供应两种模式下工作的发动机，在高速公路上采用普通燃料如汽油或柴油，在低速特别是市区和市郊，将压缩空气(或其他任何非污染的压缩气体)注入燃烧室。这种发动机虽然部分地降低了燃料消耗，由于仍然采用了燃油工作模式，排放问题依然未能解决。

为了进一步减轻污染，专利US6311486B1进一步公开了一种采用纯空气动力发动机的气动汽车，这种纯空气动力发动机采用了三个独立的室：吸气-压缩室、膨胀排气室和恒定容积燃烧室，并且吸气-压缩室通过阀连接到恒定容积燃烧室，恒定容积燃烧室通过阀连接到膨胀排气室。这种发动机的问题之一是压缩气体从吸气-压缩室到膨胀排气室经历的时间较长，获得驱动活塞做功的动力源气体时间较长，同时，从膨胀排气室排出的高压气体未能得到使用，这就限制了这类气动汽车的工作效率和续航里程。

美国专利US2006225941A1公开了一种压缩空气动力车辆，这种压缩空气动力车辆以压缩空气作为动力源，通过气动马达带动涡轮发电机发电，涡轮发电机发出的电用来驱动与车轴连接的电动机，电动机转动带动车辆行进。这种气动车辆采用了多种电机，机构复杂、输出力矩小，难以得到推广应用。

本申请的申请人在其中国专利CN101428555 A公开了一种空气混合动力汽车，该混合动力汽车包括能量回收装置、能力存储装置、动力驱动装置、控制装置、换挡装置及辅助装置。当机动车正常行驶时，空气动力发动机提供动力，当机动车在制动、刹车、转弯等需要减速时，进行能源回收。这种混合动力汽车一定程度上利用了压缩空气发动机的排气，提高了压缩空气的能量利用率。但这种气动汽车未有效地对压缩空气进行量化控制，所存储的压缩空气不能最大限度地得到利用，续航里程受到一定限制。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种气动车辆的控制装置，旨在根据气动车辆的工况和驾驶员的操作，解决气动车辆的压缩空气分配和压缩空气再次采集，从而实现气动车辆的续航里程增加。为此，本发明采用如下的技术方案。

一种气动车辆的控制装置，其包括：数据单元，所述数据单元接收外部输入信号；空气流量控制模块，其基于所述数据单元接收到的所述外部输入信号控制流量控制阀；压缩机控制模块，其接收来自所述数据单元发出的指令，并根据所述指令控制压缩机。

在进一步的特征中，所述控制装置还包括起动控制模块，所述起动控制模块接收来自驾驶员的起动信号，以在起动控制模块工作时连通起动通路。

在进一步的特征中，所述控制装置还包括制动控制模块，所述制动控制模块接收响应驾驶员制动操作的制动信号，以控制制动单元。

在进一步的特征中，所述控制装置还包括加热控制模块，所述加热控制模块基于温度传感器检测到的加热调节器内的压缩空气温度和设定温度阈值控制辅助阀的关闭或开启。

优选的是，当车辆制动时，所述制动控制模块促动所述压缩机控制模块向压缩机发出启动工作指令，压缩机开始工作，以从大气环境中吸入过滤的清洁空气并压缩，以向主储气罐充气。

优选的是，所述外部输入信号包括加速踏板信号、空气动力发动机转速信号和前进/倒档信号。

在优选实施例中，当传感器检测到加速踏板下压即Acc信号时，所述数据单元将Acc信号送入所述空气流量控制模块，所述空气流量控制模块使得流量控制阀开启到适当程度，一定流量和压力的压缩空气经过流量控制阀进入空气动力发动机，从而使空气动力发动机输出适当的功率。

在优选实施例中，当空气动力发动机的转速降低到设定值时，所述压缩机控制模块向压缩机发出停止工作指令，压缩机停止工作。

在优选实施例中，当气动车辆下坡或滑行时，所述压缩机控制模块发出启动压缩机工作的指令，压缩机继续向主储气罐供应压缩空气。

优选的是，所述外部输入信号还包括反映主储气罐内压缩空气容量的储气压力信号。

优选的是，所述储气压力信号过低时，所述压缩机控制模块向压缩机发出启动工作的控制指令，压缩机工作。

优选的是，所述设定温度阈值为400摄氏度。

在优选实施例中，当加热调节器内的所述压缩空气温度大于所述设定温度阈值时，辅助加热剂箱停止向加热调节器内供应燃烧气体，同时电加热器停止加热。

优选的是，所述压缩机控制模块基于空气动力发动机工况控制尾气回收和增压回路。

由于本发明的控制装置包含了制动控制模块，能在车辆制动、滑行时采集压缩空气，因此能提高车辆的续航里程。并且基于车辆的运行状态和驾驶员的操作来控制压缩空气的流量，可以更加高效地利用压缩空气，从而提高气动车辆的性能。

附图说明

现在将描述根据本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的气动车辆的总体结构的方框示意图；

图2是图1中的控制装置的结构框图。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

现在参考附图，图1描述了根据本发明的气动车辆的总体结构的优选实施例。如图1所示，气动车辆包括车辆框架（未示出）、支撑在车辆框架上的底盘（未示出）以及连接在车轴49上的多个车轮51。支撑在底盘上的是空气动力发动机31，该空气动力发动机可以是直列多缸发动机，比如本申请的申请人在其中国申请CN201110331831.3中所公开的二冲程空气动力发动机，也可以是V型多缸空气动力发动机。空气动力发动机31通过多柱体动力分配器40连接到传统车辆所采用的动力传动单元45，以将空气动力发动机31的动力通过车轴49传递到车轮51。多柱体动力分配器40为一种动力分配装置，其具有传统联轴器的功能，并可将动力装置的输出动力同时进行多路输出，其详细的构造在本申请的申请人的中国专利申请201110331831.3和201110373185.7中得到了描述，在此，这两个申请的全文通过引用结合于本文中，以对多柱体动力分配器40进行公开。

本发明的车轴49优选地具有内部中空结构和外部圆柱形的形状，以通过例如是花键、销的形式与多个径向压缩机43连接。车轴49的纵向外部可配置成具有多个空气吸入孔，以在压缩机43工作时为压缩机43提供外部空气。本发明的压缩机43可根据设计需要采用一个、二个、三个、四个等，在优选实施例中，如图1所示，采用了两个相同结构的压缩机43。车轴49进一步连接有制动单元50，以在车辆制动时为车辆提供制动。压缩机43可根据车辆工况和驾驶员的操作进行工作和停止，以充分利用车辆的制动、滑行、减速等运动来对储气罐进行补充充气。压缩机43的这种工作模式将在后文结合控制系统进行阐述。

现在回到图1，将详细描述气动车辆的工作过程。主储气罐46存储压力为20MPa~45MPa之间的高压压缩空气，优选地为30MPa。主储气罐47通过加气管路（未标记）与外部加气设备连接，以从压缩空气加气站或外部高压气罐获得所需的压缩空气。主储气罐46上设有监测罐内压缩空气压力和容量的压力表42和流量表43。从主储气罐46出来的高压压缩空气经设有单向阀2的管路进入到减压储气罐5，并在减压储气罐5内得到一定程度的减压。减压储气罐5通过储气罐管路14连接到加热调节器17。经过减压后的高压压缩空气在加热调节器17内进行加热，以提高压缩空气的压力和温度。加热调节器17为一种综合加热装置，其内部具有容纳空气的空腔，空腔内设有依靠蓄电池单元3供电的电加热器（也可以是点火器），以直接对空腔内的空气进行加热，从而将压缩空气的温度提高到例如是400摄氏度左右。加热调节器17还可通过管路与辅助加热剂箱52连接。该辅助加热剂箱52的内部装有可燃烧的辅助加热剂，比如是天然气、汽油、柴油或其他可燃烧气体。在加热调节器17和辅助加热剂箱52之间设有可控制开/闭的辅助阀16，该辅助阀16是可控的开关阀，其根据控制装置35发出的控制指令开启或关闭，以调节加热调节器17内部的压缩空气的温度。

经过加热调节器17加热调节后的压缩空气经稳压罐21稳压后再经管路22连接到过滤干燥器23，经过滤干燥器23干燥后的压缩空气经管路24送入流量控制阀25。流量控制阀25受控制装置35控制，以根据空气动力发动机31的工况和驾驶员的操作来确定流量控制阀25的开度和开启时间，从而调节进入空气动力发动机31的压缩空气量。经流量控制阀25调节的压缩空气通过管路27送入空气分配控制器28。空气分配控制器28是一种机械式控制器，其可将压缩空气均匀地分配到空气动力发动机31内的各个气缸，以驱动空气动力发动机31工作。空气分配控制器28的详细构造在本申请的申请人的中国专利申请201110331822.4中得到了描述，在此，该申请的全文通过引用结合于本文中。空气动力发动机31通过其曲轴与多柱体动力分配器40可转动地连接。多柱体动力分配器40进一步与动力传动单元45连接，以将来自空气动力发动机31的动力传递到气动车辆的车轮51，从而驱动车辆行驶。多柱体动力分配器40与发电机47的转轴可转动地连接，以带动发电机47发电。发电机47发出的电经变频装置48转变为直流电存储在蓄电池单元3中，以供车辆的其他用电单元使用。

自空气动力发动机31排出的尾气依然具有一定的压力，其可通过管路回收和增压后进行重复利用，从而最大程度地利用压缩空气的压能。该尾气回收和增压回路包括消声器30、尾气回收装置29、过滤器15、尾气增压压缩机10、直流电机6及其多个连接管路。尾气经消声器管路32被送入消声器30，消声后的尾气被送入尾气回收装置29。尾气回收装置29可以是简单的聚气罐，也可以是附加抽气单元的容器。从尾气回收罐29出来的尾气经过滤器15过滤后送往尾气增压压缩机10。尾气增压压缩机10由可控开关4控制的直流电机6带动，以对回收的尾气增压。经过尾气增压压缩机10压缩后的尾气其压力得到显著的增加，通常能达到5 MPa 以上。在尾气增压压缩机10的下游处设有单向阀9，增压后的尾气经单向阀9分成两路分别送入主储气罐46和减压储气罐5。在通往主储气罐46的分支管路8上设有开启压力设定为例如是10MPa的限压阀7，以将较高压的压缩空气送往主储气罐46。在通往减压储气罐5的管路上设有顺序阀9，当尾气增压压缩机10增压后的尾气压力小于10MPa时，增压尾气通过限压压力设定为例如是10MPa的顺序阀（该顺序阀在进气压力小于10MPa时开启，在进气压力大于10MPa时自动关闭）送入减压储气罐5。在备选方案中，可根据实际需要，设定限压阀的开启压力和顺序阀的关闭压力。例如可以是7Ma至20MPa之间的任何压力。优选的是，是10、12、15MPa中的任何一个。如此一来，用于驱动空气动力发动机31的高压压缩空气在做功之后其相当一部分通过尾气回收和增压回路增压净化后回收到主储气罐46，从而实现了尾气的再利用。尾气回收和增压回路的存在不仅相当程度地解决了具有相当压力的尾气直接排气大气造成的噪声污染问题，而且有效地减少了对大容量主储气罐46的容积需求问题。换句话说，对于给定容量的主储气罐46，尾气回收和增压回路的存在大大增加了空气动力发动机31的持续工作时间，大大增加了气动车辆的持续工作时间，从而明显地提气动车辆的性能。

在减压储气罐5和空气分配器28之间，还设有便于空气发动力发动机31迅速起动的压缩空气供应通路（以下称起动通路）。该起动通路包括起动控制阀12、压力补偿管路13、压力补偿器26和管路27。在气动车辆起动时，经减压储气罐5加压后的压缩空气经过起动控制阀12直接进入压力补偿管路13，经压力补偿器26压力补偿后，直接进入空气分配控制器28；高压压缩空气经空气分配控制器28的调节和分配后进入空气动力发动机31的各个气缸，从而快速起动空气动力发动机31。由于起动通路管路短、送入的压缩空气压力大，空气动力发动机31能迅速起动，提高了气动车辆的起动性能。当空气动力发动机31正常起动后，起动控制阀12关闭起动通路，减压储气罐5连接加热调节器17的储气罐管路14连通，压缩空气开始正常地供应空气动力发动机31。

气动车辆设有控制装置35，以根据气动车辆的工况和驾驶员的操作对气动车辆进行控制。如图1和图2所示，控制装置具有多个输入，例如F/R信号38（前进 /倒档控制信号）、加速踏板信号Acc 37、发动机转速Ne信号36、主储气罐储气压力信号39、制动信号53以及由安装在加热调节器17上的温度传感器18测量的温度信号34。多个输入信号输入控制装置35后经控制装置35处理后发出控制流量控制阀25的控制指令33，流量控制阀25根据控制指令33确定自身的开度大小和持续打开时间，从而控制压缩空气进气量。

控制装置35的具体结构如图2所示。控制装置35包括数据单元35-7、起动控制模块35-2、空气流量控制模块35-1、加热控制模块35-3、制动控制模块35-6、压缩机控制模块35-5。数据单元35-7接收外部输入信号Acc、F/R、Ne，这些信号经数据单元35-7处理后，送往空气流量控制模35-1和压缩机控制模块35-3，空气流量控制模块35-1向流量控制阀25发出指令，以控制流量控制阀25的开度和持续开启时间，经流量控制阀25流通的适当量的压缩空气再经空气分配控制器28分配到空气动力发动机31，从而完成空气动力发动机31的供气过程。当传感器检测到加速踏板下压即Acc信号时，数据单元35-7将Acc信号送入空气流量控制模块35-1，空气流量控制模块35-1使得流量控制阀25开启到适当程度，一定流量和压力的压缩空气经过流量控制阀25进入空气动力发动机31，从而使空气动力发动机31输出适当的功率。

制动信号53响应驾驶员的制动操作，当制动控制模块35-6接收到制动信号53时，制动控制模块35-6发出控制制动单元50的指令，制动单元50操作，车轮51制动。同时，制动控制模块35-6促动压缩机控制模块35-3向压缩机43发出启动工作指令，压缩机43开始工作，以从大气环境中吸入过滤的清洁空气并压缩，以向主储气罐46充气。当空气动力发动机31的转速Ne降低到设定值（比如怠速转速）时，压缩机控制模块35-5向压缩机43发出停止工作指令，压缩机43停止工作。当车辆下坡或滑行时，压缩机控制模块35-5发出启动压缩机43工作的指令，压缩机43继续向主储气罐46供应压缩空气。当主储气罐46的压力过低时，即反映主储气罐46内压缩空气容量的储气压力信号39过低时（例如压力低于3MPa时），压缩机控制模块35-5接收到此信号时，即可向压缩机43发出启动工作的控制指令，压缩机43工作。

当车辆起动时，起动控制模块35-2接收到起动信号54，起动控制阀12连通起动通路，压力补偿器工作，空气动力发动机31迅速起动。控制装置35还包括控制加热调节器17工作的加热控制模块35-3，当加热调节器17内的压缩空气的温度34超过设定阈值时，加热控制模块35-3发出关闭辅助阀16的指令，辅助加热剂箱52停止向加热调节器17内供应燃烧气体，同时电加热器停止加热，这样就可将电加热器17内的压缩空气温度控制在阈值温度范围之内。在示例性实施中，本发明的阈值温度设置为400℃。根据气动车辆设计需要，压缩机控制模块还可以根据空气动力发动机工况控制尾气回收和增压回路。比如在发动机怠速或低速低负荷运转时，可通过控制可控开关4的断开，来切断尾气回收和增压回路的工作。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (14)

1.一种气动车辆的控制装置，包括：

数据单元，所述数据单元接收外部输入信号；

空气流量控制模块，其基于所述数据单元接收到的所述外部输入信号控制流量控制阀；

压缩机控制模块，其接收来自所述数据单元发出的指令，并根据所述指令控制压缩机。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括起动控制模块，所述起动控制模块接收来自驾驶员的起动信号，以在起动控制模块工作时连通起动通路。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括制动控制模块，所述制动控制模块接收响应驾驶员制动操作的制动信号，以控制制动单元。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括加热控制模块，所述加热控制模块基于温度传感器检测到的加热调节器内的压缩空气温度和设定温度阈值控制辅助阀的关闭或开启。

5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，当车辆制动时，所述制动控制模块促动所述压缩机控制模块向压缩机发出启动工作指令，压缩机开始工作，以从大气环境中吸入过滤的清洁空气并压缩，以向主储气罐充气。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述外部输入信号包括加速踏板信号、空气动力发动机转速信号和前进/倒档信号。

7.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，当传感器检测到加速踏板下压即Acc信号时，所述数据单元将Acc信号送入所述空气流量控制模块，所述空气流量控制模块使得流量控制阀开启到适当程度，一定流量和压力的压缩空气经过流量控制阀进入空气动力发动机，从而使空气动力发动机输出适当的功率。

8.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，当空气动力发动机的转速降低到设定值时，所述压缩机控制模块向压缩机发出停止工作指令，压缩机停止工作。

9.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，当气动车辆下坡或滑行时，所述压缩机控制模块发出启动压缩机工作的指令，压缩机继续向主储气罐供应压缩空气。

10.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述外部输入信号还包括反映主储气罐内压缩空气容量的储气压力信号。

11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述储气压力信号过低时，所述压缩机控制模块向压缩机发出启动工作的控制指令，压缩机工作。

12.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述设定温度阈值为400摄氏度。

13.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，当加热调节器内的所述压缩空气温度大于所述设定温度阈值时，辅助加热剂箱停止向加热调节器内供应燃烧气体，同时电加热器停止加热。

14.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述压缩机控制模块基于空气动力发动机工况控制尾气回收和增压回路。