本發(fā)明屬于電控氣體噴射領域，具體涉及一種氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)。

背景技術：

與內(nèi)燃機相比，氣動發(fā)動機不需要燃油、噪聲低、安全可靠、操作簡單，且結(jié)構簡單、制造成本低、生產(chǎn)效率高。氣動發(fā)動機的材料可以用化工材料及其他輕金屬制造，體積小，重量輕；所用高壓氣體用玻璃纖維做的氣瓶裝，由專業(yè)廠家生產(chǎn)，裝換氣瓶方便；氣動發(fā)動機壽命長，磨損小，不承受熱變形和熱應力，可廣泛應用于汽車類、航空類、航天業(yè)、發(fā)電產(chǎn)品等動力裝置中。氣動發(fā)動機是一種低能耗、零污染的發(fā)動機，具有光明的商業(yè)前景。

目前已有的氣動發(fā)動機研究大多是直接在傳統(tǒng)的內(nèi)燃機上經(jīng)過簡單的改造后進行，在高壓空氣儲氣瓶與氣動發(fā)動機之間建立自動高效的減壓裝置，發(fā)動機工作狀態(tài)的控制通過調(diào)節(jié)進入氣動發(fā)動機壓縮空氣的壓力來實現(xiàn)。但是，這種方法存在的高壓氣體減壓能耗過大、壓縮空氣能量利用率低等問題。噴射器是一種可替代減壓裝置的設備，它將兩種不同壓力的流體進行混合，進而達到一種中間壓力流體。噴射器主要由工作噴嘴、吸入管、混合管及擴散管等部件組成。其基本工作原理為：高壓流體進入拉伐爾噴嘴進行膨脹，壓力下降，速度增加，在噴嘴出口處流體的速度大于噴嘴的臨界截面上流體具有的臨界速度。工作流體以較高速度進入接收管，再把低壓流體從接收管中吸走，在混合管內(nèi)進行兩股流體的混合，當混合流體達到足夠均勻的速度場時，流入擴壓管進行增壓減速，最終混合流體以一定的中間壓力流出噴管。

氣動發(fā)動機若采用氣體噴射器作為供氣系統(tǒng)，可利用氣瓶中流出的高壓壓縮空氣來引射來自環(huán)境或其它的低壓空氣，一方面可以簡化或去除動力系統(tǒng)的減壓設備，從而精簡系統(tǒng)結(jié)構，減少高壓氣體在流經(jīng)減壓閥設備時的節(jié)流損失，另一方面還可以通過引射進一定量的低壓空氣，增加系統(tǒng)中所需工作流體的總質(zhì)量，進而提高壓縮氣體的總量，為氣動發(fā)動機輸入更多的能量，益于提高動力輸出。

現(xiàn)有的氣體噴射器大多為固定結(jié)構的形式，即吸入管、混合管、擴張管的長度和內(nèi)徑為固定尺寸，其效率受噴射氣體的動壓頭和噴射氣體的噴口位置的影響較大，這種氣體噴射器不能滿足氣動發(fā)動機工況多變性的要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出了一種氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)，以滿足氣動發(fā)動機不同工況對高壓氣體的流量和壓力的要求。

本發(fā)明采用以下技術方案：

一種氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)，包括高壓氣瓶、電磁閥、氣體噴射器、氣動發(fā)動機以及步進電機；

所述氣體噴射器包括噴針、噴嘴、接收室、吸入管、混合管和擴張管，

所述高壓氣瓶通過高壓氣管依次與電磁閥、氣體噴射器連接，所述氣體噴射器的頂部中間位置設有噴嘴，所述噴嘴的下部置于接收室中，所述接收室通過螺紋連接吸入管的一端，且噴嘴的底端恰好與吸入管的入口處重合，所述吸入管的另一端通過螺紋與混合管的一端連接，所述混合管的另一端通過螺紋與擴張管的一端連接，所述擴張管的另一端通過螺栓與螺栓板固定在氣動發(fā)動機上，且擴張管在氣動發(fā)動機汽缸內(nèi)偏離氣缸軸線30°；

所述噴嘴尾部中心鉆有螺紋孔，螺紋孔處設置有可以徑向移動的噴針，所述噴針的上部與齒輪條一端嚙合，齒輪條另一端與安裝在步進電機電機軸上的齒輪嚙合，所述步進電機驅(qū)動齒輪傳動，實現(xiàn)噴針徑向移動，改變噴嘴的喉口截面積，從而改變氣體噴射器的噴射系數(shù)、氣體壓力和氣體流量。

上述方案中，所述氣動發(fā)動機為活塞式氣動發(fā)動機。

上述方案中，所述噴嘴為拉法爾噴管式。

上述方案中，所述混合管為柱型結(jié)構。

上述方案中，所述吸入管、混合管和擴張管的材料為鑄鐵。

上述方案中，所述噴針的針尖部為圓錐形，以便于噴針放置在噴嘴尾部的螺紋孔內(nèi)。

上述方案中，所述吸入管、擴張管均采用漸縮型噴管。

本發(fā)明的有益效果為：

1、在氣體噴射器的噴嘴中增加噴針，噴針通過步進電機根據(jù)氣動發(fā)動機工況來控制其徑向移動，從而調(diào)節(jié)噴嘴的喉口和出口截面積，改變噴射氣體的流量和壓力，動態(tài)調(diào)整進入到氣動發(fā)動機缸內(nèi)氣體的流量和壓力；同時，在高壓氣瓶與氣體噴射器連接的管路上采用電磁閥控制，根據(jù)氣動發(fā)動機不同運行工況負荷的變化，對電磁閥進行反饋控制，精確調(diào)整進入噴射器氣體的流量，滿足氣動發(fā)動機不同工況對高壓氣體的流量和壓力的要求。

2、采用氣體噴射器作為供氣系統(tǒng)，可以簡化或去除動力系統(tǒng)的減壓設備，從而精簡系統(tǒng)結(jié)構，減少了節(jié)流損失，增加了系統(tǒng)中工作流體的總質(zhì)量，提高了壓縮氣體的總量，為氣動發(fā)動機輸入更多的能量，有益于提高動力輸出。

附圖說明

圖1為氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)的結(jié)構示意圖；

圖2為氣體噴射器的結(jié)構示意圖；

圖3為齒輪傳動的放大圖。

圖中：1-高壓氣瓶；2-電磁閥；3-氣體噴射器；4-氣動發(fā)動機；5-步進電機；6-齒輪；7-噴針；8-噴嘴；9-接收室；10-吸入管；11-混合管；12-擴張管；13-齒輪條；14-高壓氣體；15-低壓氣體。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1所示，一種氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)，包括高壓氣瓶1、電磁閥2、氣體噴射器3、活塞式氣動發(fā)動機4以及步進電機5；本發(fā)明中，氣動發(fā)動機4為活塞式氣動發(fā)動機，步進電機5的型號為MD556，其為兩向步進電機，電壓為50V，電流為5.6A。

如圖2所示，氣體噴射器3包括噴針7、噴嘴8、接收室9、吸入管10、混合管11和錐型擴張管12，吸入管10、混合管11和擴張管12的材料均為鑄鐵，當引射介質(zhì)的壓縮比大于2.5時，錐形混合室是最合適的；由于本發(fā)明設計的工況中，引射介質(zhì)的壓縮比大于2.5，所以噴嘴8采用拉法爾噴管式；混合管11為柱型結(jié)構，吸入管10、擴張管12均采用漸縮型噴管。

高壓氣瓶1通過高壓氣管依次與電磁閥2、氣體噴射器3連接，氣體噴射器3的頂部中間位置設有噴嘴8，噴嘴8的下部置于接收室9中，接收室9通過螺紋連接吸入管10的一端，且噴嘴8的底端恰好與吸入管10的入口處重合，吸入管10的另一端通過螺紋與混合管11的一端連接，混合管11的另一端通過螺紋與擴張管12的一端連接，擴張管12的另一端通過螺栓與螺栓板固定在氣動發(fā)動機4上，且擴張管12在氣動發(fā)動機4汽缸內(nèi)偏離氣缸軸線30°。

噴嘴8尾部中心鉆有螺紋孔，螺紋孔處設置有可以徑向移動的噴針7，噴針7的針尖部為圓錐形，以便于噴針7放置在噴嘴8尾部的螺紋孔內(nèi)；噴針7直徑為1.5mm，柱形部分長度為25mm，針尖部分的長度為4mm；如圖3所示，噴針7的上部與齒輪條13一端嚙合(噴針7上部的一側(cè)加工成可以與齒輪條13嚙合的形狀)，齒輪條13另一端與安裝在步進電機5電機軸上的齒輪6嚙合，所述步進電機5驅(qū)動齒輪6傳動，實現(xiàn)噴針7徑向移動，改變噴嘴8的喉口截面積，從而改變氣體噴射器3的噴射系數(shù)、氣體壓力和氣體流量。

圖2中的相關參數(shù)具體為：

引射氣體入口處直徑d1為6mm，噴嘴8收縮段高度S1取12mm，噴嘴8擴張段高度S2為8mm，噴嘴8出口直徑P1為5mm，噴嘴8上端實心部分高度La為5mm；接收室9高度Lb為16mm，吸入管10進口直徑d2為18mm，吸入管10高度Lc為16mm，吸入管10出口直徑d3為13mm，混合管11高度Lm為50mm，擴張管12出口直徑d4為23mm，擴張管12高度Ld為90mm。

氣動發(fā)動機的電控氣體噴射器系統(tǒng)，采用氣體噴射器3作為高壓氣瓶1中高壓氣體的減壓裝置，減少節(jié)流損失，提高氣動發(fā)動機的效率。本發(fā)明的電控系統(tǒng)主要控制兩個部位：

(1)控制電磁閥2

根據(jù)氣動發(fā)動機4運行工況的要求，動態(tài)控制電磁閥2的開啟時刻和開啟持續(xù)時間，使進入氣動發(fā)動機4氣缸中高壓氣體的壓力和流量與氣動發(fā)動機4運行工況相匹配。

(2)控制噴嘴8中的噴針7

噴射器的兩個結(jié)構參數(shù)對氣體噴射器3的工作特性有較大影響，一是柱型混合管11的截面積與噴嘴8喉口截面積的比值，一是噴嘴8出口截面積與噴嘴8喉口截面積之比；由此可見，改變噴嘴8的喉口截面積可以對氣體噴射器3的性能(如流量、壓力等)產(chǎn)生很大的影響。在噴嘴8中設置可以徑向移動的噴針7，噴針7的針尖部為圓錐形，噴針7徑向移動可改變噴嘴8的喉口的截面積，從而改變氣體噴射器3的噴射系數(shù)、氣體壓力和氣體流量。通過噴針7徑向移動，調(diào)節(jié)噴嘴8的喉口和出口的截面積，改善氣體噴射器3的性能，以適應負荷變化的需要。噴針7的移動位置采用步進電機5控制，步進電機5是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛑本€位移的開環(huán)執(zhí)行驅(qū)動機構，在不超載的情況下，步進電機5的轉(zhuǎn)速及停止位置僅取決于給定脈沖信號的頻率和個數(shù)，步進電機5的運行機理決定其運轉(zhuǎn)角度誤差跟隨控制信號的短時周期性，而不會帶來累積誤差。本發(fā)明通過氣動發(fā)動機4的臺架試驗得到氣動發(fā)動機4的map圖并且輸入到步進電機5的控制模塊，通過map圖來提供給步進電機5信號，噴嘴8中的噴針7與齒輪條13一端嚙合，齒輪條13另一端與齒輪6相嚙合，齒輪6則安裝在步進電機5的電機軸上，步進電機5根據(jù)map圖提供的發(fā)動機的工況來確定其正反轉(zhuǎn)從而控制齒輪的傳動，通過齒輪6的傳動來控制噴針7的徑向移動。

本發(fā)明一種氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)的工作過程具體為：

根據(jù)氣動發(fā)動機4的工況可以先確定最后流出管道流體的壓力、流量等，又因為高壓流體14進入噴嘴8進行膨脹，壓力下降，速度增加，在噴嘴8出口處流體的速度大于噴嘴8的臨界截面上流體具有的臨界速度。工作流體以較高速度進入接收管，并從接收管中引入低壓流體15，在混合管11內(nèi)進行兩股流體的混合，當混合流體達到足夠均勻的速度場時，流入擴張管12進行增壓減速，最終混合流體以一定的中間壓力流出噴管。最后確定的中間壓力，其實就是由高壓流體14和低壓流體15來確定的，而低壓氣體15是可以通過傳感器來測量，現(xiàn)只需調(diào)整噴嘴8出口處的氣體壓力、流量，氣體壓力、流量的調(diào)節(jié)主要是通過兩部分，一是通過電磁閥的開啟來初步確定其流進氣流的流量、氣壓；二是就通過步進電機5控制噴針7的徑向移動，在步進電機5的電機軸上安裝一個齒輪6，齒輪6與齒輪條13一端嚙合，齒輪條另一端與噴針7的上部嚙合，通過步進電機5驅(qū)動齒輪6轉(zhuǎn)動，齒輪6的轉(zhuǎn)動帶動齒輪條13的傳動，帶動噴針7的徑向移動，從而改變噴嘴8候口的截面積，通過截面積的改變來精確調(diào)節(jié)其氣體壓力與流量的變化。

以上對本發(fā)明所提供的一種氣動發(fā)動機的電控氣體噴射系統(tǒng)進行了詳細介紹，本發(fā)明應用了具體個例對本發(fā)明的原理和實施方式進行了闡述，所要說明的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。