电控喷射式压缩空气发动机的研究

为气动发动机，它是一种通过高压压缩空气在气缸内的膨胀、将储存的压力能转变成机械能输出的动力机械。它可以不消耗石油燃料，实现了真正的零排放。

压缩空气发动机实际上也是一种对电能的应用方式。使用空气压缩机将常态的空气进行压缩，并储存入高压气瓶中。利用气瓶中储存的高压压缩空气，在发动机气缸内膨胀释放出的压力能，以推动活塞的下行，以驱动汽车行驶。

与传统内燃机相比，压缩空气发动机没有燃烧过程。所以，发动机缸内工作压力和压力升高率均较低，使得发动机工作平稳、噪声低，对材料强度要求不高，结构简单，尺寸小，制造成本也较低。同时，基金项目：清华大学汽车安全与节能国家重点的是四冲程压缩空气发动机的理论P―Y图。其中，0°CA~180°CA为自然吸气冲程，进气门打开，排气门关闭，吸入一个大气压力的常温空气；180度CA ~360度CA为压缩冲程，进、排气门均关闭，完成的是将0.1MPa大气压力压缩至2MPa的终了~540°CA为喷气、膨胀冲程，进、排气门依然关闭，高速电磁阀打开，在完成等压喷气过程后关闭，高压空气便在发动机气缸内膨胀完成做功过~720°CA为排气过程，排气门打开，进气门关闭，将膨胀后压力降低的空气排出发动机气缸，完成排气过程，为新一轮的做功过程做好准备。

1电控喷射式压缩空气发动机的整体设计方案在压缩空气发动机的研究上，如前所述国内已有人做过不少卓有成效的工作，主要是基于机械式二冲程压缩空气发动机。不难发现这类压缩空气发动机存在着固有的弱点：不能实现发动机所有工况下都具有*佳喷气提前角和喷气脉宽，从而影响经济性和动力性。

由于机械式压缩空气发动机由进气凸轮来驱动进气阀控制喷气提前角和喷气脉宽，进气凸轮形线确定后喷气提前角和喷气脉宽也就确定了。而发动机要在不同工况下运行，要求不同配气参数才能达到发动机的*优运行。显然机械式压缩空气发动机很难满足全工况下发动机的*优状态运行。

造成一部分节流损失。因为机械式的压缩空气发动机不能采用调节脉宽的方法来改变发动机的转速和输出功率，所以只有采用在输气管路上加装控制阀控制进气流通截面来调节输出转速和输入功率，势必造成节流损失。单缸四冲程压缩空气发动机的理论尸一Y图⑶结构改动大。以前的潘空气发动机多采此外，采用四冲程的工作方式还有一个重要的用将四冲程发动机更改为二冲程工作方式，需要重原因。分析发现，如果压缩空气按等温过程膨胀，则新设计配气机构释放出的机械能*多。这就需要发动机在运行时从周围环境当中吸收尽可能多的热量，以接近等温膨胀曲线。在自然吸气冲程中，压缩空气发动机吸入常温的新鲜空气（引入外界空气的环境热量）并压缩至活塞上止点。然后电磁阀打开，高压空气喷射入气缸，便和缸内的热空气混合膨胀推动活塞下行。

整个电控喷射式压缩空气发动机设计方案的核心部分是压缩空气发动机管理系统的设计、制作及调试。它包括传感器、执行器、电子控制单元ECU和PC机监控系统四大部分，其基本思路是：电子控制单元ECU根据相关传感器（主要是发动机的转速和踏板位置）的输入信号，判断出发动机所处的运行工况；由主单片机根据发动机所处的运行工况，查找标定在外部存储器中的进气喷射正时和喷射脉宽的脉谱（MAP）图，并根据进气压力、大气温度、蓄电池电压等辅助信号对进气喷射正时和喷射脉宽进行必要的修正；人单片机接收到由主单片机传送过来的进气喷射正时和喷射脉宽，形成高速电磁阀的驱动信号，通过驱动电路来控制进气喷射过程（即控制高速电磁阀的开闭）。

所示的是电控喷射式压缩空气发动机总体设计方案的示意图。工作介质高压压缩空气由配气系统提供，通过高压气体管路输送到发动机各缸的喷射器上。高速电磁阀安装在电磁阀座内，与喷射器相联，用以控制进气喷射过程。电子控制单元ECU根据发动机的转速和踏板位置这两个主控信号，判断出发动机所处的运行工况，得出所需要的进气喷射正时和喷射脉宽，并由辅助信号如进气压力、大气温度、蓄电池电压等加以修正，然后输出驱动信号用以控制高速电磁阀的开闭，从而完成高压压缩空气的进气喷射过程。

13.发动机机体总成14启动马达15.喷气阀、单向阀及阀座总成16连轴器17光电编码器（上止点传感器）18.提前角调节滑板19.提前角调节螺钉20.支架2电控喷射式压缩空气发动机管理系统的硬件设计电子控制单元ECU主要由三部分组成，分别为逻辑电路部分、功率驱动电路部分和电源模块部分。

其中，逻辑电路部分采用的是双单片机结构，即存在主、从单片机。它们之间的通讯方式采用的是同步串行接口（SynchronousSerialPort，SSP）的SPI工作模式，且两者共用一个4MHz的时钟电路。传感器输入的数字量信号和模拟量信号由主单片机负责接收、处理和分析，从单片机则负责合成与发动机运行工况所对应的高速电磁阀驱动信号，并根据凸轮轴的位置信号，通过功率驱动电路来控制高速电磁阀的开闭。电子控制单元与PC机的通讯也是由主单片机通过串行通讯电路（SerialCommunicationCircuit，SCI）来完成的。电源模块部分负责向各个模块提供各自所需要的电源形式。所示的是电子控制单元的基本结构框5671.数字量输入模拟量输入电源模块LSPI通讯I主单片机从单片机率驱动电路电磁阀3电控喷射式压缩空气发动机管理系统的软件设计电控喷射式压缩空气发动机管理系统软件分为三大模块，即发动机管理模块、喷射控制模块和PC机监控程序模块。其软件的总体架构如所示。

发动机管理模块由电子控制单元ECU的主单片机完成，故又称为主机程序。其主要任务包括压缩空气发动机运行时相关信息的采集和处理，并据此确定出发动机的运行工况，实施相应的控制策略等，故又可划分为若干个子模块。

PC机监控程序模块由PC机完成，主要任务是将主单片机通过SCI串行通讯模块实时发送过来的压缩空气发动机的运行参数，如转速、踏板位置、进气压力、大气温度、蓄电池电压、进气喷射正时、喷射脉宽等，进行显示，并可以将修改后的MAP图在线写入主单片机的外部存储器中。

4电控喷射式压缩空气发动机的初步试验研究本研究所采用发动机是对R175型柴油机进行改造而来。中国机械工2陈鹰，许宏，陶国良等。压缩空气动力汽车的研究与发展3安达，谈健，左承基。压缩空气发动机设计及初步实验卜合肥工业大学学报，2005，4左承基，钱叶剑，欧阳明高，杨福源。气动发动机能量转移系统分析。中国机械工程，2007，7（8）870-873. 5左承基，钱叶剑，谈健。等。一种用于液化燃料的电控共轨式喷射系统。内燃机学报，2002，20（6）481―486. 6方会咏。点燃式煤层气发动机电控单元的改进及点火控制系统的设计D.合肥工业大学机械与汽车工程学院，7鲁祥友。二甲醚发动机电控单元的研究D.合肥工业大学机械与汽车工程学院，2007. 8左承基，钱叶剑，安达，欧阳明高，杨福源。气动发动机的试验研究。机械工程学报，2007，4（43）93―96.