電控壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝與研究孫培巖，欒凱，苗洋（大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連116023）控制的方式將一臺(tái)4沖程單缸汽油機(jī)改裝為壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。并利用已改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過改變噴氣壓力和噴氣脈寬，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律并提出種新的定角調(diào)壓控制方法。結(jié)果表明壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨壓力增加而提高。在上止點(diǎn)左右位置噴射，壓縮空氣利用程度較高。

　　0刖言近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，能源危機(jī)與污染問題日益嚴(yán)重，清潔能源越發(fā)受到人們的重視。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)存在污染物排放，而目前燃料電池技術(shù)和電動(dòng)汽車成本高昂，無法產(chǎn)生市場(chǎng)效益，因此追求低污染甚至零污染的汽車動(dòng)力裝置成為設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。我們闡述的壓縮空氣做動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比沒有燃燒過程，發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力和壓力升高率均較低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，噪聲低，對(duì)材料強(qiáng)度要求不高，制造成本也低。同時(shí)可以利用現(xiàn)有成熟的氣動(dòng)技術(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)、使用成本，有利于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和推廣10.而且使用壓縮空氣做動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，排放物為空氣，是真正的零污染。

　　壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理就是利用高壓空氣在氣缸內(nèi)膨脹做功，替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的燃燒膨脹過程，把壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。而且普通內(nèi)燃機(jī)均可改裝成空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)過測(cè)算，車載300L壓力為30MPa的壓縮空氣，在理想情況下，按多變指數(shù)r=1.2進(jìn)行熱力學(xué)膨脹，將壓縮空氣的壓縮能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)一輛質(zhì)量為1000kg的轎車以時(shí)速50km/h行駛96km，基本可以滿足日常城市交通的需要0. 1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)改裝方案：孫培巖（1963-），男，山東煙臺(tái)人，副教授，本次改裝采用力帆LF162MK為原型機(jī)，基本參數(shù)見表1.通常將普通內(nèi)燃機(jī)改裝為壓縮空氣發(fā)動(dòng)博士，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)電控測(cè)試。T機(jī)的常用方法是將壓縮空氣直接與進(jìn)氣道相連并對(duì)收稿曰期：2011 -03-24配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，將發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)槎_程形式。其缺點(diǎn)是噴氣時(shí)刻受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，無法根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況靈活調(diào)整噴氣提前角和噴氣時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)無法在全工況范圍內(nèi)獲得較好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。我們對(duì)原機(jī)改造較少，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程仍為4沖程。通過采用增加傳感器及電磁閥控制的方式，結(jié)合單片機(jī)控制電磁閥的開閉，并隨工況變化精確地調(diào)節(jié)噴氣過程，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在*佳狀態(tài)。

　　表1LF162MK發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)缸徑X非量/mL壓縮比nin1時(shí)*大功率/kW―1時(shí)額定功率/kW 1時(shí)*大扭矩/（Nm）1.1供氣部分和噴氣控制壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來自高壓空氣。供氣系統(tǒng)主要包括高壓儲(chǔ)氣罐、減壓閥和穩(wěn)壓腔。穩(wěn)壓腔容積按照氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)工作循環(huán)*大噴氣量的15倍設(shè)計(jì)，以保證進(jìn)氣壓力相對(duì)穩(wěn)定H.高壓空氣經(jīng)過減壓閥壓力降低，然后通過穩(wěn)壓腔穩(wěn)定壓力，*后再經(jīng)過由單片機(jī)控制的電磁閥進(jìn)入氣缸。由于原型機(jī)為汽油機(jī)，改裝方法為加工個(gè)轉(zhuǎn)接頭，將電磁閥安裝在火花塞孔位置。單片機(jī)接收到轉(zhuǎn)速和油門位置信號(hào)后，通過插值取用已標(biāo)定MAP圖并輸出控制參數(shù)（噴氣定時(shí)、噴氣量），噴射壓縮空氣，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。電磁閥座及安裝位置見。

　　1.2.1轉(zhuǎn)速和位置傳感器原型機(jī)使用無觸點(diǎn)永磁式磁電機(jī)，飛輪上有一個(gè)觸發(fā)凸起，飛輪每旋轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。

　　當(dāng)凸臺(tái)經(jīng)過觸發(fā)線圈產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)后，曲軸再轉(zhuǎn)過―定角度后i活塞到達(dá)上止點(diǎn)在觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生后他曲軸經(jīng)過30°CA活塞到達(dá)上止點(diǎn)。此信號(hào)可以用來測(cè)量轉(zhuǎn)速和判斷上止點(diǎn)位置。

　　1.2.2凸輪軸位置傳感器普通摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，給出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)用來給點(diǎn)火器點(diǎn)火，兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)的時(shí)間差可以用來計(jì)算轉(zhuǎn)速。4沖程氣體發(fā)動(dòng)機(jī)需要判斷壓縮上止點(diǎn)信號(hào)，所以需要增加一個(gè)凸輪軸位置的傳感器，用來判斷是壓縮上止點(diǎn)還是排氣上止點(diǎn)。我們采用的方法為在凸輪軸處加裝一個(gè)傳感器，這樣可以在壓縮上止點(diǎn)前得到一個(gè)信號(hào)。由以上兩個(gè)信號(hào)可以判斷曲軸的轉(zhuǎn)角位置。凸輪軸信號(hào)和曲軸轉(zhuǎn)速信號(hào)見圖凸輪軸信插排氣插1.2.3油門位置傳感器油門位置傳感器用來控制改變噴氣的時(shí)長(zhǎng)，由此改變發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。采用分壓電路使輸出電壓在0 ~5V之間變化，輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過濾波后輸入單片機(jī)。

　　1.3發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)1.3.1發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的硬件包括信號(hào)處理模塊、邏輯電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊和電源模塊，集成在一塊電路板上。信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)接收傳感器的信號(hào)并處理成為單片機(jī)可以讀取的信號(hào)。邏輯電路模塊的單片機(jī)選用ATMEL公司開發(fā)的ATmega16作為主芯片，它是一款低能耗、低電壓、高性能的AVR系列微處理器H，擁有豐富的外圍接口和強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以滿足本課題的需要。單片機(jī)接收到傳感器的信號(hào)計(jì)算處理后，通過驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥的開閉。

　　1.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序采用C語言編程，包括信號(hào)采集、工況判斷、轉(zhuǎn)速和曲軸轉(zhuǎn)角位置判斷和查找MAP圖模塊。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)首先通過轉(zhuǎn)速判斷發(fā)動(dòng)機(jī)是否低于怠速，低于怠速則進(jìn)入啟動(dòng)工況，否則根據(jù)踏板位置確nreserve .ne定工況，查找相應(yīng)的MAP圖，確定噴氣時(shí)間。

　　所示的是發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)程序流程圖。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析傳感器改裝完畢和程序調(diào)試完成后，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試階段，初由于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比太高，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量太小，壓縮空氣產(chǎn)生的能量不足以使曲軸轉(zhuǎn)過壓縮上止點(diǎn)，即使當(dāng)氣瓶壓力增加到3MPa時(shí)也無法啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。于是采用在缸蓋和缸體之間增加缸墊的方式使壓縮比降低至4. 8，并將凸輪軸正時(shí)向后推遲，使排氣門在接近下止點(diǎn)時(shí)開啟，同時(shí)進(jìn)氣遲閉角隨之增大，約在壓縮沖程半時(shí)才關(guān)閉，進(jìn)一步降低了實(shí)際壓縮比。之后發(fā)動(dòng)機(jī)在2MPa噴氣壓力下順利啟動(dòng)。

　　試驗(yàn)?zāi)康模汗潭▏姎馓崆敖?，研究不同噴氣脈寬和噴氣壓力下，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化規(guī)律。

　　試驗(yàn)步驟：固定噴氣脈寬，調(diào)整減壓器壓力，記錄不同壓力下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　所示的是噴氣提前角為30°，噴氣脈寬分別為25，30，35，40，45和50ms，空載時(shí)，轉(zhuǎn)速隨壓力變化的規(guī)律。

　　在相同噴氣脈寬下，轉(zhuǎn)速隨噴氣壓力降低而下降。噴氣脈寬為45ms時(shí)停轉(zhuǎn)壓力*低。因?yàn)橥C(jī)轉(zhuǎn)速約為720r/min.此時(shí)每行程所用時(shí)間為41.67ms，以噴氣提前角=30°計(jì)算，到做功沖程不同噴氣脈寬時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨噴氣壓力變化的規(guī)律下止點(diǎn)約為45ms，在噴氣脈寬45ms的情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)前，噴入氣缸的壓縮空氣量是*多的，因此在較低壓力下即可啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　試驗(yàn)過程中曾嘗試將減壓器出口壓力調(diào)整為2.6MPa，在噴氣脈寬為25ms的工況下，轉(zhuǎn)速并未提高。分析原因?yàn)椋x用的電磁閥開啟時(shí)間為5ms.因此實(shí)際噴射時(shí)間只有20ms，而且雖然在上止點(diǎn)前驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)給電磁閥通電，但是電磁閥實(shí)際開啟的時(shí)間已經(jīng)在上止點(diǎn)后處。此時(shí)活塞開始下行，等容度降低，噴入的高壓空氣無法較快地建立壓力而是邊噴射邊膨脹，能量利用率低。因此雖然增加噴氣壓力有使轉(zhuǎn)速提高的趨勢(shì)，但由于電磁閥開啟時(shí)間的滯后，抵消了這種轉(zhuǎn)速提高的趨勢(shì)。此時(shí)如果想提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在提高壓力的同時(shí)需增加噴氣提前角。以噴氣壓力為2. 4MPa時(shí)的曲線為例，分析原因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速1020r/min時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的時(shí)間為58.82ms.在噴氣脈寬為25ms的工況下，經(jīng)計(jì)算，噴氣過程已經(jīng)持續(xù)到了上止點(diǎn)后120°CA位置，噴射氣體建立壓力和膨脹的時(shí)間太短，此時(shí)如再增加噴氣脈寬，這部分氣體能量浪費(fèi)很嚴(yán)重，使得噴氣脈寬為25ms和30ms時(shí)，雖然噴氣時(shí)間增加了1/5，但轉(zhuǎn)速基本不變。當(dāng)再增加噴氣脈寬時(shí)，由于曲軸已經(jīng)轉(zhuǎn)過了下止點(diǎn)開始上行，雖然排氣門已經(jīng)打開，但是噴入的高壓空氣還是會(huì)阻礙活塞上行，使得轉(zhuǎn)速降低，所以當(dāng)噴射脈寬大于40ms后，轉(zhuǎn)速反而下降。

　　氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)與普通內(nèi)燃機(jī)膨脹過程不同，內(nèi)燃機(jī)的能量來自于燃料的燃燒，缸內(nèi)的總質(zhì)量保持不變，而氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，攜帶壓力能的氣體穿過氣缸的控制界面，是一個(gè)變質(zhì)量系統(tǒng)S.普通內(nèi)燃機(jī)在絕熱膨脹過程中可以得到更多的輸出功，因此內(nèi)燃機(jī)在相對(duì)高速時(shí)，有利于降低傳熱損失，增加輸出功。對(duì)于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，等溫膨脹比絕熱膨脹可以獲得更大單位質(zhì)量的可用能S，因此在相同噴氣壓力下，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功。因?yàn)榻档娃D(zhuǎn)速可以使得單位時(shí)間內(nèi)噴射進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)1勺高壓空氣的量增加，膨脹時(shí)間增加，可以從外界吸收更多的熱量，增加可用能。此外，吸氣沖程從外界可以引入熱量。

　　3定角調(diào)壓控制方法基于以上試驗(yàn)結(jié)果與分析，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程與內(nèi)燃機(jī)有很大不同，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性是由每循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)的壓縮空氣所具有的能量決定的，而活塞在下行時(shí)噴射，由于等容度降低，能量浪費(fèi)很嚴(yán)重，因此，提出種新的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制方式：定曲軸轉(zhuǎn)角噴射壓力調(diào)節(jié)控制方法一定角調(diào)壓控制方法。采用機(jī)械結(jié)構(gòu)或電子控制，將噴氣時(shí)間控制在壓縮上止點(diǎn)前后一定角度范圍內(nèi)（即定的曲軸轉(zhuǎn)角），在這個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的不均勻性，活塞行程的變化量并不大，氣缸內(nèi)等容度較高。通過調(diào)節(jié)噴射壓力來控制噴入的壓縮空氣量，即發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷由噴射壓力直接調(diào)節(jié)。這樣的控制方式既能避免由于缸內(nèi)等容度降低帶來的能量浪費(fèi)又可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的控制量簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。

　　4結(jié)論樣機(jī)經(jīng)過改裝后穩(wěn)定運(yùn)行。在噴氣提前角合適的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨壓力增大而提高。在上止點(diǎn)噴氣時(shí)，由于氣缸內(nèi)等容率較高，使得壓縮空氣利用率較高。在活塞下行的后半段噴氣，等容率很低，壓縮空氣利用率很低。因此，在上止點(diǎn)附近噴氣并提高噴射壓力可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

　　空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)工作可以使更多高壓空氣進(jìn)入氣缸，并能延長(zhǎng)從外界吸熱的時(shí)間，有利于增加可用能。

　　排氣門打開時(shí)，排氣還有一定的壓力，增加活塞行程可以使膨脹更充分，提高壓縮空氣可用能的利用程度。

　　4沖程空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)中，雖然吸氣沖程和壓縮沖程被視為完全無用的兩個(gè)消耗能量的沖程，但吸氣沖程可以從外界引入部分熱量，對(duì)膨脹過程是有利的。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率扭矩很小，離實(shí)用化還有很大距離，需要繼續(xù)改進(jìn)。

　　陳鷹，許宏，陶國(guó)良，等。壓縮空氣動(dòng)力汽車的研究與劉昊，張浩，羅新法，等。壓縮空氣動(dòng)力汽車集成技術(shù)翟昕，俞小莉，蔡金雷，等。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能試驗(yàn)研究。浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40⑴：135俞小莉，元廣杰，沈瑜銘，等。氣動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)的理論分析。機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38（9）：118-122.（上接第32頁）4結(jié)論中小型柴油機(jī)簡(jiǎn)諧力矩幅值Mv與平均有效壓力凡呈3次方關(guān)系?？捎孟鄳?yīng)的擬合曲線表示。

　　目前大型柴油機(jī)常用的簡(jiǎn)諧系數(shù)不一定適用于中小型柴油機(jī)，特別在低諧次可能有比較大的差別，如等低諧次，其余諧次差別比較小。

　　兩種機(jī)型相位偏差比較小，可用于故障診斷。

　　麻龍剛，董大偉，閆兵，華春蓉。內(nèi)燃機(jī)曲軸扭振幅值與激振力矩關(guān)系的研究。車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2004，（3）：李輝，董大偉，閆兵。內(nèi)燃機(jī)氣體激振力矩相位特性與應(yīng)用。西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，鄒積軍，董大偉，閆兵，呂建法。某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖測(cè)量方法研究。車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，3）：82-86.何學(xué)良，李疏松。內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.朱孟華。內(nèi)燃機(jī)振動(dòng)與噪聲控制M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.閆兵，董大偉，秦萍，華春蓉。利用曲軸扭振相位診斷內(nèi)燃機(jī)故障缸的新方法。西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，