電控壓縮空氣發(fā)動機的改裝與研究孫培巖，欒凱，苗洋（大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，遼寧大連116023）控制的方式將一臺4沖程單缸汽油機改裝為壓縮空氣動力發(fā)動機。并利用已改裝的發(fā)動機進行了試驗，通過改變噴氣壓力和噴氣脈寬，研究發(fā)動機的轉(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)動機轉(zhuǎn)速隨壓力增加而提高。在上止點左右位置噴射，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，能源危機與污染問題日益嚴重，清潔能源越發(fā)受到人們的重視。傳統(tǒng)內(nèi)燃機存在污染物排放，而目前燃料電池技術(shù)和電動汽車成本高昂，無法產(chǎn)生市場效益，因此追求低污染甚至零污染的汽車動力裝置成為設(shè)計者追求的目標。我們闡述的壓縮空氣做動力的發(fā)動機與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比沒有燃燒過程，發(fā)動機平均有效壓力和壓力升高率均較低，發(fā)動機工作平穩(wěn)，噪聲低，對材料強度要求不高，制造成本也低。同時可以利用現(xiàn)有成熟的氣動技術(shù)，降低發(fā)動機生產(chǎn)、使用成本，有利于壓縮空氣發(fā)動機的應(yīng)用和推廣10.而且使用壓縮空氣做動力的發(fā)動機，排放物為空氣，是真正的零污染。

　　壓縮空氣發(fā)動機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)燃機的燃燒膨脹過程，把壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)化為機械能，推動活塞運動。而且普通內(nèi)燃機均可改裝成空氣發(fā)動機。經(jīng)過測算，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進行熱力學(xué)膨脹，將壓縮空氣的壓縮能轉(zhuǎn)化成機械能時，可以驅(qū)動一輛質(zhì)量為1000kg的轎車以時速50km/h行駛96km，基本可以滿足日常城市交通的需要0. 1氣動發(fā)動機改裝方案：孫培巖（1963-），男，山東煙臺人，副教授，本次改裝采用力帆LF162MK為原型機，基本參數(shù)見表1.通常將普通內(nèi)燃機改裝為壓縮空氣發(fā)動博士，研究方向為內(nèi)燃機電控測試。T機的常用方法是將壓縮空氣直接與進氣道相連并對收稿曰期：2011 -03-24配氣機構(gòu)進行改造，將發(fā)動機變?yōu)槎_程形式。其缺點是噴氣時刻受機械結(jié)構(gòu)的限制，無法根據(jù)發(fā)動機工況靈活調(diào)整噴氣提前角和噴氣時間，發(fā)動機無法在全工況范圍內(nèi)獲得較好的經(jīng)濟性和動力性。我們對原機改造較少，發(fā)動機工作過程仍為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)動機工作在*佳狀態(tài)。

　　表1LF162MK發(fā)動機基本參數(shù)項目參數(shù)缸徑X非量/mL壓縮比nin1時*大功率/kW―1時額定功率/kW 1時*大扭矩/（Nm）1.1供氣部分和噴氣控制壓縮空氣動力發(fā)動機的動力來自高壓空氣。供氣系統(tǒng)主要包括高壓儲氣罐、減壓閥和穩(wěn)壓腔。穩(wěn)壓腔容積按照氣動發(fā)動機個工作循環(huán)*大噴氣量的15倍設(shè)計，以保證進氣壓力相對穩(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)過由單片機控制的電磁閥進入氣缸。由于原型機為汽油機，改裝方法為加工個轉(zhuǎn)接頭，將電磁閥安裝在火花塞孔位置。單片機接收到轉(zhuǎn)速和油門位置信號后，通過插值取用已標定MAP圖并輸出控制參數(shù)（噴氣定時、噴氣量），噴射壓縮空氣，從而控制發(fā)動機的工作狀態(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使用無觸點永磁式磁電機，飛輪上有一個觸發(fā)凸起，飛輪每旋轉(zhuǎn)一次產(chǎn)生一個觸發(fā)信號。

　　當凸臺經(jīng)過觸發(fā)線圈產(chǎn)生觸發(fā)信號后，曲軸再轉(zhuǎn)過―定角度后i活塞到達上止點在觸發(fā)信號產(chǎn)生后他曲軸經(jīng)過30°CA活塞到達上止點。此信號可以用來測量轉(zhuǎn)速和判斷上止點位置。

　　1.2.2凸輪軸位置傳感器普通摩托車發(fā)動機，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，給出一個觸發(fā)信號用來給點火器點火，兩個轉(zhuǎn)速信號的時間差可以用來計算轉(zhuǎn)速。4沖程氣體發(fā)動機需要判斷壓縮上止點信號，所以需要增加一個凸輪軸位置的傳感器，用來判斷是壓縮上止點還是排氣上止點。我們采用的方法為在凸輪軸處加裝一個傳感器，這樣可以在壓縮上止點前得到一個信號。由以上兩個信號可以判斷曲軸的轉(zhuǎn)角位置。凸輪軸信號和曲軸轉(zhuǎn)速信號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長，由此改變發(fā)動機的輸出功率。采用分壓電路使輸出電壓在0 ~5V之間變化，輸出的電壓信號經(jīng)過濾波后輸入單片機。

　　1.3發(fā)動機管理系統(tǒng)1.3.1發(fā)動機管理系統(tǒng)硬件設(shè)計發(fā)動機管理系統(tǒng)的硬件包括信號處理模塊、邏輯電路模塊、驅(qū)動電路模塊和電源模塊，集成在一塊電路板上。信號處理模塊負責(zé)接收傳感器的信號并處理成為單片機可以讀取的信號。邏輯電路模塊的單片機選用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大的計算能力，可以滿足本課題的需要。單片機接收到傳感器的信號計算處理后，通過驅(qū)動電路控制電磁閥的開閉。

　　1.3.2發(fā)動機管理系統(tǒng)軟件設(shè)計程序采用C語言編程，包括信號采集、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)動機啟動時首先通過轉(zhuǎn)速判斷發(fā)動機是否低于怠速，低于怠速則進入啟動工況，否則根據(jù)踏板位置確nreserve .ne定工況，查找相應(yīng)的MAP圖，確定噴氣時間。

　　所示的是發(fā)動機管理系統(tǒng)程序流程圖。

　　2試驗結(jié)果及分析傳感器改裝完畢和程序調(diào)試完成后，進入發(fā)動機調(diào)試階段，初由于發(fā)動機壓縮比太高，飛輪轉(zhuǎn)動慣量太小，壓縮空氣產(chǎn)生的能量不足以使曲軸轉(zhuǎn)過壓縮上止點，即使當氣瓶壓力增加到3MPa時也無法啟動發(fā)動機。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，并將凸輪軸正時向后推遲，使排氣門在接近下止點時開啟，同時進氣遲閉角隨之增大，約在壓縮沖程半時才關(guān)閉，進一步降低了實際壓縮比。之后發(fā)動機在2MPa噴氣壓力下順利啟動。

　　試驗?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)動機性能的變化規(guī)律。

　　試驗步驟：固定噴氣脈寬，調(diào)整減壓器壓力，記錄不同壓力下發(fā)動機轉(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，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時停轉(zhuǎn)壓力*低。因為停機轉(zhuǎn)速約為720r/min.此時每行程所用時間為41.67ms，以噴氣提前角=30°計算，到做功沖程不同噴氣脈寬時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨噴氣壓力變化的規(guī)律下止點約為45ms，在噴氣脈寬45ms的情況下，在發(fā)動機停轉(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發(fā)動機。

　　試驗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。分析原因為，選用的電磁閥開啟時間為5ms.因此實際噴射時間只有20ms，而且雖然在上止點前驅(qū)動電路已經(jīng)給電磁閥通電，但是電磁閥實際開啟的時間已經(jīng)在上止點后處。此時活塞開始下行，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，但由于電磁閥開啟時間的滯后，抵消了這種轉(zhuǎn)速提高的趨勢。此時如果想提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，在提高壓力的同時需增加噴氣提前角。以噴氣壓力為2. 4MPa時的曲線為例，分析原因為在轉(zhuǎn)速1020r/min時，曲軸轉(zhuǎn)動一圈的時間為58.82ms.在噴氣脈寬為25ms的工況下，經(jīng)計算，噴氣過程已經(jīng)持續(xù)到了上止點后120°CA位置，噴射氣體建立壓力和膨脹的時間太短，此時如再增加噴氣脈寬，這部分氣體能量浪費很嚴重，使得噴氣脈寬為25ms和30ms時，雖然噴氣時間增加了1/5，但轉(zhuǎn)速基本不變。當再增加噴氣脈寬時，由于曲軸已經(jīng)轉(zhuǎn)過了下止點開始上行，雖然排氣門已經(jīng)打開，但是噴入的高壓空氣還是會阻礙活塞上行，使得轉(zhuǎn)速降低，所以當噴射脈寬大于40ms后，轉(zhuǎn)速反而下降。

　　氣動發(fā)動機與普通內(nèi)燃機膨脹過程不同，內(nèi)燃機的能量來自于燃料的燃燒，缸內(nèi)的總質(zhì)量保持不變，而氣動發(fā)動機工作時，攜帶壓力能的氣體穿過氣缸的控制界面，是一個變質(zhì)量系統(tǒng)S.普通內(nèi)燃機在絕熱膨脹過程中可以得到更多的輸出功，因此內(nèi)燃機在相對高速時，有利于降低傳熱損失，增加輸出功。對于氣動發(fā)動機，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)動機轉(zhuǎn)速可以增加發(fā)動機輸出功。因為降低轉(zhuǎn)速可以使得單位時間內(nèi)噴射進入發(fā)動機1勺高壓空氣的量增加，膨脹時間增加，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結(jié)果與分析，氣動發(fā)動機工作過程與內(nèi)燃機有很大不同，氣動發(fā)動機的動力性是由每循環(huán)進入缸內(nèi)的壓縮空氣所具有的能量決定的，而活塞在下行時噴射，由于等容度降低，能量浪費很嚴重，因此，提出種新的氣動發(fā)動機控制方式：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。采用機械結(jié)構(gòu)或電子控制，將噴氣時間控制在壓縮上止點前后一定角度范圍內(nèi)（即定的曲軸轉(zhuǎn)角），在這個曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，由于曲柄連桿機構(gòu)運動的不均勻性，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)動機的負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又可以減少發(fā)動機控制系統(tǒng)的控制量簡化控制系統(tǒng)。

　　4結(jié)論樣機經(jīng)過改裝后穩(wěn)定運行。在噴氣提前角合適的情況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨壓力增大而提高。在上止點噴氣時，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，在上止點附近噴氣并提高噴射壓力可以提高發(fā)動機效率。

　　空氣動力發(fā)動機在低速時工作可以使更多高壓空氣進入氣缸，并能延長從外界吸熱的時間，有利于增加可用能。

　　排氣門打開時，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沖程空氣動力發(fā)動機中，雖然吸氣沖程和壓縮沖程被視為完全無用的兩個消耗能量的沖程，但吸氣沖程可以從外界引入部分熱量，對膨脹過程是有利的。

　　發(fā)動機輸出功率扭矩很小，離實用化還有很大距離，需要繼續(xù)改進。

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　　目前大型柴油機常用的簡諧系數(shù)不一定適用于中小型柴油機，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)燃機曲軸扭振幅值與激振力矩關(guān)系的研究。車用發(fā)動機，2004，（3）：李輝，董大偉，閆兵。內(nèi)燃機氣體激振力矩相位特性與應(yīng)用。西南交通大學(xué)學(xué)報，2003，鄒積軍，董大偉，閆兵，呂建法。某天然氣發(fā)動機示功圖測量方法研究。車用發(fā)動機，2009，3）：82-86.何學(xué)良，李疏松。內(nèi)燃機燃燒學(xué)M.北京：機械工業(yè)出版社，1990.朱孟華。內(nèi)燃機振動與噪聲控制M.北京：國防工業(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)燃機故障缸的新方法。西南交通大學(xué)學(xué)報，