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气动发动机的系统设计及试验研究 摘要 当今面临的石油资源短缺与环境污染问题日渐严重，直接危及内燃机的生 存和发展。因而，需要为内燃机寻找可用的替代能源。 在此背景下，本文探讨了车用内燃机以压缩空气作动力的问题。为此，先 确定供油系统的改装方案、后对改装零件进行设计和计算，最终经由r 1 7 5 单 缸柴油机制得单级压缩空气发动机。对改装成的压缩空气发动机所做试验包括 气瓶连接方式试验、润滑油试验、换热试验、配气相位对比试验、缸内压力曲 线与供气管压力曲线测定、发动机循环波动测定及转速维持试验。试验结果表 明：虽然改装机的总能量效率偏低，但内燃机使用压缩空气作动力是可行的。 此外，本文还介绍了气动发动机的一些基本问题，包括定义、分类、理论 循环及如何评价气动发动机( 系统) 的能量效率。在m a t l a b 中使用等压模 型对改装机的工作循环进行模拟计算，获取了发动机输出功率与质量流量的理 论值。 关键词：气动发动机系统设计试验研究 s t u d yo ns y s t e md e s i g na n dp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t so f a i rp o w e r e de n g i n e a b s t r a c t n o w a d a y st h ea b s e n c eo fp e t r o l e u mr e s o u r c e sa n dt h ep o l l u t i o no f e n v i r o n m e n te n d a n g e rt h ee x i s t e n c ea n dd e v e l o p m e n to fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s s ow eh a v et ol o o kf o rs u b s t i t u t ea v a i l a b l ef o rt h ee n e r g yo fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo fv e h i c l eu s i n g c o m p r e s s e da i ra si t sp o w e r f i r s t l yap r o j e c ti sp r e s e n t e dh o wt or e f i tar 1 7 5d i e s e l s e c o n d l yt h es y s t e md e s i g nc a l c u l a t i o n sa r em a d e f i n a l l yw em a k eas i n g l es t a g e c o m p r e s s e da i re n g i n e t h ee x p e r i m e n t sf o rt h ec o m p r e s s e da i re n g i n ei n c l u d e7 i t e m s ，a m o n gw h i c ha r ev e s s e l sc o n n e c t i n ge x p e r i m e n t ，l u b r i c a t i o ne x p e r i m e n t ， h e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t ，p o r tt i m i n ge x p e r i m e n t ，m e a s u r e m e n to fp r e s s u r ec u r v e s i n t ot h ec y l i n d e ra n dt h es u p p l y i n gc o n d u i t ，m e a s u r e m e n to ft h ec y c l ef l u c t u a t i o n a n dm a i n t a i n i n gr o t a t e s p e e de x p e r i m e n t a l lt h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a t c o m p r e s s e da i rp o w e rf o rv e h i c l ei sf e a s i b l ea l t h o u g ht h et o t a le n e r g ye f f i c i e n c yo f t h i sa i rp o w e r e de n g i n ei sal i t t l es m a l l i na d d i t i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e ss o m eb a s i cm a t t e r so fa i rp o w e r e de n g i n e ， i n c l u d i n gi t sd e f i n i t i o n ，c a t e g o r y ，t h e o r e t i c a lc i r c u l a t i o na n dh o wt oe v a l u a t e e n e r g ye f f i c i e n to ft h ee n g i n ea n dt h ew h o l ep o w e rs y s t e m w i t ht h es i m u l a t i o nt o t h et h e o r e t i c a lc i r c u l a t i o ni nm a t l a b ，w eg e tt h ep o w e ra n dt h em a s sf l u xo ft h e c o m p r e s s e da i re n g i n et h e o r e t i c a l l y k e yw o r d s ：a i rp o w e r e de n g i n e ，s y s t e md e s i g n ，p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主席：易j 参芝c 彪5 ，托玖彤博即己、长程) 番吊 芋拗优后肥巩代圣葱歉 乎壤 u 滕勤翻己乏墨走学品恤授 争穗! 考尼啾孚 。幻磁 导师： 佻嶙移勿锻 表格清单 表l l 几种替代能源的比较 表1 2 若干电动汽车蓄电池的比较- 表1 3 各代燃料电池的特性 表2 1 气动发动机与内燃机的比较一 表3 1 柴油机原始参数 表3 2 排气凸轮与进气凸轮设计结果 表3 - 3 齿轮公差组 表4 1 模拟计算的结果 表5 - 1 先减压后汇集的连接方式试验结果 表5 - 2 三种润滑油的粘度 表5 37 0 0 r m i n 缸内压力曲线的特征点 表5 49 0 0 r m i n 缸内压力曲线的特征点 表5 51 l o o r m i n 缸内压力曲线的特征点 表5 - 6 转速维持试验结果 表5 7 三种转速的机械效率 表5 8 三种转速的指示效率，o，6他m”外铂拍拍弱钭钭 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 5 图2 - 6 图3 - l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 插图清单 气动发动机的串联式和并联式7 单缸二冲程气动发动机的理论循环7 单缸四冲程气动发动机的理论循环- 8 气动发动机的运转流程8 铰接连杆的升程曲线1 0 液氮动力系统示意图l l 柴油机凸轮轴一：“1 3 改装凸轮轴“1 3 柴油机排气凸轮升程曲线1 3 推程拟合结果1 4 排气凸轮外形1 5 进气凸轮外形- - 1 5 内腔尺寸链示意图2 4 气门流通截面积j “2 8 模拟计算的一种配气相位2 8 五转速缸内压力曲线2 9 进气过程的缸内压力曲线2 9 初始阶段的缸内压力曲线2 9 六转速的输出功率3 0 六转速的质量流量3 0 试验系统示意图3 3 变压器机油与冷冻油的功率对比3 5 变压器机油与冷冻油的比质量流量对比3 5 变压器机油与冷冻油的总能量效率对比3 6 特制机油与冷冻油的功率对比3 6 特制机油与冷冻油的比质量流量对比3 6 特制机油与冷冻油的总能量效率对比- 3 7 不同换热条件的功率对比- 3 7 不同换热条件的比质量流量对比3 8 不同换热条件的终了排气温度对比3 8 2 5 m p a 输出功率的速度特性- 3 9 2 5 m p a 比质量流量的速度特性3 9 2 5 m p a 终了排气温度的速度特性3 9 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 18 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 - 2 4 图5 2 5 图5 2 6 图5 2 7 图5 2 8 图5 2 9 图5 3 0 图5 3 1 图5 3 2 图5 3 3 图5 3 4 图5 。3 5 图5 3 6 图5 3 7 图5 3 8 图5 3 9 图5 4 0 图5 4 l 图5 4 2 图5 - 4 3 图5 4 4 图5 4 5 图5 4 6 附图l 附图2 附图3 2 i m p a 输出功率的速度特性” 2 1 m p a 比质量流量的速度特性 2 1 m p a 终了排气温度的速度特性 7 0 0 r m i n 比质量流量的负荷特性 7 0 0 r m i n 总能量效率的负荷特性” 7 0 0 r m i n 终了排气温度的负荷特性” 8 0 0 r m i n 比质量流量的负荷特性- 8 0 0 r m i n 总能量效率的负荷特性一 8 0 0 r m i n 终了排气温度的负荷特性“ 进气提前角o o c a 的缸内压力曲线 进气提前角5 。c a 的缸内压力曲线 进气提前角1 0 。c a 的缸内压力曲线 7 0 0 r r a i n 的缸内压力曲线 0 0 c a 的供气管末端压力曲线 5 0 c a 的供气管末端压力曲线 1 0 0 c a 的供气管末端压力曲线 0 0 c a 的供气管始端压力曲线 5 0 c a 的供气管始端压力曲线 l o o c a 的供气管始端压力曲线 7 0 0 r m i n 、提前0 。c a 的频率图 9 0 0 r m i n 、提前o o c a 的频率图 1 1 0 0 r m i n 、提前o 。c a 的频率图 7 0 0 r m i n 、提前5 。c a 的频率图 9 0 0 r m i n 、提前5 。c a 的频率图 1 1 0 0 r r a i n 、提前5 0 c a 的频率图” 7 0 0 r m i n 、提前1 0 0 c a 的频率图一 9 0 0 r m i n 、提前1 0 。c a 的频率图一 1 1 0 0 r m i n 、提前1 0 0 c a 的频率图 减压压力与减压效率 2 5 m p a 总能量效率的速度特性 2 1 m p a 总能量效率的速度特性 装有压缩空气发动机的三轮车“ 储气压力与续驶里程的关系 切线段示意图 临界角度示意图” 顶圆段示意图 - - - 4 4 - - - - 4 4 - - - - 一- t 4 5 - - 一- 4 5 - - - - t 4 7 - - - - 4 7 4 8 ：4 8 - - - - - - t 4 9 - - - - - - - 4 9 - 5 0 5 0 5 l 5 1 5 1 5 2 5 2 5 2 5 3 5 5 r 5 6 5 6 5 7 5 7 - - - - - 6 1 - - j 6 3 6 3 柏们铊驼铊钙钙 附图4进气阀体装配图 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 嫂壹乞 签字日期：p 脾6 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金厦 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：泼 签字日期：口件占月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名! 麦向鳍 签字日期：易t 心年石月，f 日 电话 邮编 致谢 本文是在导师左承基教授的悉心指导下完成的。在两年多的时间里，教授 给予我极大的关怀和帮助。左老师严谨的科学态度、渊博的专业学识、创新的 研究精神令作者受教良多。值此论文完成之际，谨向左承基教授表示衷心的感 谢和崇高的敬意! 论文在写作过程中得到了内燃机实验室诸位老师的大力协助。他们的敬业 精神与工作热情是我学习的榜样。在此向谈建老师、徐天玉老师、路苏君老师 致以深深的谢意! 感谢傅秋阳同学，他的许多想法给了我有益的启迪。感谢王斌同学、谢泽 南同学，使我顺利完成有关试验。 感谢我的父亲母亲从经济上和精神上对我的巨大支持和鼓励! 感谢所有关心我、爱护我的老师、同学和朋友! 作者：安达 2 0 0 5 年6 月3 日 第一章绪 论 1 1 常规内燃机的问题 常规内燃机是指燃用石油制品的发动机，即汽油机与柴油机。这类发动机 面临的主要是能源短缺和环境污染问题。 能源是经济发展和社会文明的物质基础。某种具有潜质的新能源，配以技 术进步的强劲翅膀，往往会促成社会发展的一次飞跃。比如，煤与蒸汽机的结 合引发了18 世纪举世闻名的工业革命，拉开了近代文明的序幕；石油与内燃机 的结合为2 0 世纪世界经济的高速发展提供了曾是毫无顾忌的动力来源。然而今 天，留给内燃机的是能源日渐短缺的严峻现实。 1 9 9 5 年1 月1 日，世界石油的可开采储量为1 3 7 3 亿吨。实事求是地讲， 可开采储量很难做到十分精确，而且随着勘探范围的扩大和开采技术的进步， 可开采储量本身就是一个变数。四五十年代的有关文献曾认为三四十年后石油 就会告磐，七十年代仍然说石油资源尚可开采三四十年。从1 9 7 3 年至今，人类 又向地球索取了大约8 0 0 亿吨石油，相当于1 9 7 3 年探明储量的8 5 。与此同 时，探明储量也近乎翻番，结论是石油资源仍可开采四十多年。现在有两种观 点，一种认定石油的使用时限为四十多年：另一种观点以阿姆斯特丹大学彼 得奥杰尔教授为代表，认为“地球就像吸足了石油和天然气的海绵，根本不 存在能源末日”。我们认为悲观固然不必要，盲目乐观则更不适宜。不论情况如 何，对石油资源只消耗不补充总会使其枯竭。当然如果抛开“可利用”原则， 地壳内的石油的确不会用完。因为对于那些开采起来经济上得不偿失、需要耗 费更多能源的储藏，只能永远摆在那里。 值得注意的是，根据储量仍在增加的现实，仅仅用现有储量与产量这两个 变量来计算石油的使用时限，结论容易偏小。谁也不能断定这一次的“四十多 年”是不是最后一个轮回。作能源决策时应当把“四十多年”作为最基本的依 据，而不能把人类的命运建立在无法确定的可能性之上。基于这样的判断，二 十一世纪石油消费的走势为：保持二三十年的惯性领先，之后退居第二、第三 位，二十一世纪中叶以后沦为次要能源i l 】。 使用碳氢化合物燃料的内燃机在完全燃烧时是不会产生有害排放物的，排 放物为c 0 2 、h 2 0 及n 2 。实际情况却并非如此。混合气质量的低下、某些工况 的恶劣燃烧条件等均会造成有害排放物的生成。对大气环境和人类健康影响巨 大的内燃机污染物有一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 及微粒( p m ) 。c o 是一种无色无味的气体，它和血红蛋白( 血液中输送氧的 载体) 的亲和力是氧的2 4 0 倍。血红蛋白一经和c o 结合就剥夺了血红蛋白对 人体组织的供氧能力。h c 对血液和神经系统有害，对眼睛、呼吸道、。粘膜有 刺激作用，还可致癌。“光化学烟雾”的形成与h c 也有直接关系。内燃机排放 的n o x 大部分是一氧化氮( n o ) ，少量是二氧化氮( n 0 2 ) 。n o 是无色气体， 在大气中缓慢氧化成为n 0 2 。n 0 2 呈褐色，具有强烈的刺激性气味，对心肌和 肺有很强的毒害作用。n 0 2 还是在地面附近形成“光化学烟雾”的另一主要因 素。p m 的主要成分是碳及其吸附的有机物质，其中含有多种多环芳香烃，因 而具有不同程度的致癌作用【2 。 我国目前城市的大气污染以工业排污和民用排污为主。随着城市燃料煤改 油、煤改气工程的不断进展，工业及民用排污正迅速减少，而与此同时我国汽 车保有量的迅猛增长导致汽车排污迅速增加。可以预见，我国的大部分城市尤 其是大城市，汽车排污成为大气污染主要来源只是一个时间问题。实际上，某 些大城市的汽车排污已经成为大气污染的主要分担者。如北京，全年平均大气 污染中6 3 的c o 、7 4 的h c 、2 2 的n o x 来自机动车，非采暖期机动车排污 所占比例则更大。我国许多城市汽车排污的分担名次靠后，是由于现行城市污 染统计未将h c 和c o 计入的缘故。 综上所述，本着可持续发展的宗旨，我们迫切需要为常规动力汽车寻找相 对洁净的替代能源。 1 2 替代能源的研究现状 替代能源，狭义指一切可替代石油的一次能源；广义指一切可代替目前广 泛使用的矿物燃料( 煤、石油、天然气) 的一次能源。交通领域的替代能源则 是指可以取代石油制品( 汽油和柴油) 的能源，并不局限于一次能源。 经过多年的研究，已知有可能用于汽车的石油替代能源有电能、氢气、甲 醇、乙醇、天然气、液化石油气、二甲醚、太阳能和生物质能等。几种替代能 源的比较见表1 1 。 比较来说，已经得到大力推广的天然气和液化石油气发动机具备优于常规 内燃机的排放水平。比如，压缩天然气发动机比汽油机的c o 排放下降2 0 以 上、n m h c ( 不含甲烷的未燃碳氢化合物) 排放下降7 0 左右、n o x 排放下降 4 0 5 0 。但是也应看到，天然气和液化石油气亦属于不可再生能源，并且 只要仍然使用化石燃料，是不可能实现真正意义的零污染排放。从这两点来说， 电动汽车才是未来汽车的主要品种。 电动汽车以电能作为车辆的动力来源，按电能的供给方式分为蓄电池型电 动汽车与燃料电池型电动汽车两大类。 制约蓄电池型电动汽车推广使用的因素主要是能量密度和充电时间两大技 术难题。现在可作电动汽车动力的蓄电池有数十种，从已经达到的指标和发展 来看，一般认为新型铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池是最有潜力的电动汽车 动力电池l lj ( 参见表1 2 ) 。不过截至目前还没有任何一种能够胜任工作。且不 谈其他性能，仅就续驶里程来说，如果只有几十或一百多公里，则一不能出城、 2 不能上高速公路，无论如何算不上是真正意义的现代汽车。 表1 - 1几种替代能源的比较 新能源主要优点主要缺点或问题现状与前景 电能来源非常丰富：电动汽蓄电池能量密度小，车辆续从总体看仍处于研究阶段， 电能车直接污染及噪声很小；电驶里程短、动力性较差；蓄要完全解决技术上的难题 ( 蓄电池)机结构简单，维修方便电池重量大、寿命短、成本井降低成本，还需时日；公 高：蓄电池充电时间长认的未来汽车主要品种 氢气来源非常丰富；氢气污氢气生产成本高；气态氢能 仍处于基础研究阶段，制氢 染很小；氢气的辛烷值高、量密度小、储运不便，液态 及储带技术有待突破；有希 氢气 热值高氢技术难度大、成本高；需望成为未来汽车的重要组 要开发专用发动机成部分，但前景尚难估量 资源丰富；污染小；辛烷值加气站网络建设需要高投在许多国家获得广泛使用 高；价格低廉入；气态天然气的能量密度并被大力推广；2 1 世纪汽车 天然气 小，影响续驶里程；比汽油的重要品种 机动力性差：储带有所不便 液化 来源较为丰富；污染小；辛 面临类似于天然气汽车的 目前保有量达4 0 0 采万辆； 石油气 烷值较高问题，但程度较轻2 l 世纪汽车的重要品种 来源较为丰富：辛烷值高；甲醇毒性较大；需解决醇和 己获得一定程度的应用：可 甲醇 污染较小汽油的分层问题：对金属及作为一种补充性质的能源、 乙醇 橡胶具有腐蚀性；冷起动性在特定国家或地区可能保 能较差持较大的使用比例 来源较为丰富；污染小：十面临类似于液化石油气的正在研究开发；采用一步法 二甲醚六烷值高储运问题生产二甲醚成本大幅下降， 可望有较好发展前景 来源非常丰富，可再生；污转化效率低、成本高；受时正在研究开发；达到实用程 太阳能 染很小 令影响度需要相当长的时间 来源丰富，可再生；污染小供油系统部件容易堵塞；冷还未达到实用程度：可以作 生物质能 起动性能较差 为能源的一种补充，应用于 某些国家或地区 燃料电池是一种将燃料和氧化剂储存的化学能通过电极反应直接转化为电 能的电池。当前燃料电池已经发展至第五代，即质子交换膜式燃料电池，各项 性能较以前均有较大提升。各代燃料电池的特性1 1 见表1 3 。 表1 2 若干电动汽车蓄电池的比较 铅酸镍镉镍氢锂离子钠硫锌空镍锌 能量密度w h k g 4 05 57 5 8 0l o o1 1 81 6 07 4 0 功率密度w k g 1 5 0 2 0 0 1 9 01 6 0 2 3 02 0 02 4 0 1 5 05 0 0 循环使用寿命 5 0 0 - 7 0 02 0 0 06 0 01 2 0 03 0 0 5 0 06 0 0 燃料电池具有以下优点3 i ： 1 能量转换效率高 燃料电池能量转换效率远高于内燃机和发电机的能量转换效率。目前柴油 机的效率最大值为4 0 5 0 ，带动发电机时效率仅为3 5 4 0 。燃料电池 的能量转换效率可达6 0 7 0 ，其理论能量转换效率可达9 0 以上。 2 污染小、噪声低 燃料电池作为大中型发电装置使用时，其突出的优点是能够实现零污染排 放。此外，因为没有内燃机的机械传动部件，故燃料电池没有噪声污染。 3 可靠性高 燃料电池发电装置由单个电池堆叠而至所需规模的电池组。由于此种电池 组是模块结构，因而维修十分方便。另外，当负载发生变化时，燃料电池会很 快响应。所以无论处于额定功率以上还是额大功率以下，燃料电池均能承受且 效率变化不大。 4 适应能量强 燃料电池可以使用多种多样的初级燃料，原则上任何富含氢的燃料均可作 为燃料电池的燃料来源。 燃料电池尚需解决的问题： 1 成本高 依据目前的技术水平，批量生产燃料电池的成本大于2 0 0 $ k w ，而常规动 力总成的成本仅为2 0 $ k w 3 5 $ k w 。 2 燃料储运困难 3 起动性能较差 4 功率密度小 总体说来，燃料电池型电动汽车虽然能够取得零污染的效果，但其性能指 标仍有待进一步提高。为了达到实用化的目标，尚需在新工艺、新材料、新技 术方面做许多工作。 1 3 本文内容 从以上的论述可以知道，电能用作车用动力是大势所趋的事情。术文的出 发点即在于探讨现有技术条件下，以压缩空气储存电能、用于车用动力的可行 表1 3各代燃料电池的特性 碱性磷酸溶融碳酸盐固体氧化物质子交换膜 简称a f cp a f cm c f cs o f cp e m f c l i 2 c o ) 溶液 固态离子导电固体氟系列高 电解质k o h 溶液h ，p 0 4 溶液 k 2 c 0 3 溶液氧化物如z r 0 2分子 氧化剂纯氧空气空气空气空气或氧气 燃料氢气氢气氢气、天然气氢气氢气 工作温度6 0 】2 01 7 0 2 0 06 0 0 6 5 01 0 0 08 0 功率密度w k g 3 5 1 0 51 2 0 1 8 0 3 0 4 0 1 5 2 03 4 0 一l5 0 0 高效率较低效率效率高效率高功率密度高 特征 对c 0 2 敏感有腐蚀控制复杂运行温度过高运行灵活 有腐蚀有腐蚀有腐蚀无腐蚀 性。为此将一台单缸柴油机进行改装，而后通以压缩空气使其运转，同时测定 了有关技术数据。经过数据处理与分析，指出了运转过程的主要特点，并给出 改进方向。本文的主要内容如下： 1 气动发动机的基本问题 对气动发动机进行定义、分类，介绍单级气动发动机的理论循环。给出针 对气动发动机的能量效率评价标准，包括机械效率和指示效率，以及针对气动 发动机系统的能量效率评价标准，即减压效率、制各效率和总能量效率。 2 气动发动机的系统设计 系统设计的目标是完成一台直动阀配气的单级往复式压缩空气发动机。为 此首先介绍对r 1 7 5 单缸柴油机的改装内容，然后具体讨论了凸轮轴、进气凸 轮、齿轮、进气门弹簧、出油阀弹簧、出油阀及进气阀体的设计与计算问题。 3 循环的模拟计算 对改装机的工作循环进行模拟计算，能够获取发动机输出功率与质量流量 的理论值，为选择试验设备和制定试验方案提供依据。模拟计算是在m a t l a b 中进行的，使用等压模型分析控制容积的充气和放气过程。结果显示，改装机 的质量流量十分巨大。 4 压缩空气发动机的试验研究 介绍对改装机的各项试验，包括气瓶连接方式试验、润滑油试验、换热试 验、配气相位对比试验、缸内压力曲线与供气管压力曲线测定、发动机循环波 动测定及转速维持试验。叙述各种工况下输出功率、比质量流量和终了排气温 度的变化规律，总结了评价改装机( 系统) 的机械效率、指示效率、减压效率、 制备效率和总能量效率。 第二章气动发动机的基本问题 2 1 定义 气动发动机是以物理方法储存能量、通过气态介质的物理过程对外做功的 动力机械。这个定义包含以下内容： 第一，气动发动机的动力来自于物理方法储存的能量。物理储能方式早已 有之，比如飞轮储能。气动发动机是以提高储能介质的压力或者降低储能介质 的温度来储存能量的。 第二，通过物理过程对外做功。所说的物理过程可以是流动、相变、膨胀 等。显然燃烧不属于物理过程，因而这_ 点就把气动发动机与内燃机区别开来。 第三，做功介质是气态的。气动发动机的名称即由此而来。 另外，物理储能方式及物理做功过程决定了储能介质即是做功介质。 表2 i气动发动机与内燃机的比较 做功介质 熟量传递燃烧过程能源转化方式 l 气动发动机单一成分向环境吸热 无物理能一机械能 内燃机多种成分 对环境放热有化学能一机械能 2 2 分类 气动发动机的分类标准有很多，以下仅举几例。 按储能介质分，有液态氮气发动机、液态空气发动机、压缩空气发动机； 按结构形式分，有往复式发动机、旋转式发动机； 按做功级数分，有单级发动机、多级发动机；多级发动机按储能介质分配 方式分，有串联式( 见图2 - l a ) 、并联式( 见图2 一l b ) 和混联式【4 】： 按配气方式分，有直动阀式发动机、旋转阀式发动机； 2 3 理论循环 为得到气动发动机的理论循环，作出以下假定：气动发动机由恒压源供气； 不计供气的流动损失，缸内压力因而能够达到供气压力；不计发动机充气与排 气的压力变化时间，即充气时缸内压力立即升至供气压力、排气时缸内压力立 即降至大气压力。 单缸二冲程气动发动机的理论循环缸内压力曲线如图2 2 所示。本图以活 塞上止点作为o o 曲轴转角，并规定供气压力为1 m p a ，气缸容积3 5 0 e m 3 ，供气 始点为0 。c a 、供气终点为7 5 0 c a 。 由图2 2 可见：向气缸供气开始于上止点处，缸内压力迅速从0 1 l 、) i p a ( 大 气压力) 升至1 m p a ( 供气压力) ；随后气缸进行等压充气( 0 。c a 7 5 。c a ) ； 6 捧吣 围2 - 1气动发动扼妁串联式和并联式 供气终点时刻气缸被完全封闭，而后徽功介质发生膨胀( 7 5 。c a 1 8 0 0 c a ) ； 下止点处气缸被打开，缸内瑶力迅速由膨胀终了压力降至大气压力，最后进行 等压排气过程( 1 8 0 q c a 3 6 0 0 c a ) 。 做功介质韵膨胀如果进行得十分迅速，可视为绝热膨胀过程( n = 4 ) 。若 保证充分换热，剥膨娠丑于傲功介质韵温瘦时时与环境温度相等，就是等温膨胀 过程( n - - - - 1 ) 。一般情况下，膨胀是介于绝热和等温之间韵多交过程( t n l ，4 ) 。 由图可知，在供气压力与气缸窖积一定时，等温膨胀的理论循环功最大，绝热 膨胀约理论循环功最小，多变过程髓理论循环功处于两者之赶。 圈2 - 2单缸二冲程气动发动机的理论循环 单缸四冲程气动发动机的理论循环缸内压力曲线如图2 3 所示。本蔺以活 塞上止点作为曲轴转角o o ，并规定供气压力为2 m p a ，气缸容积3 5 0 c m 3 ，压缩 比2 0 ，供气始点为3 6 0 0 c a 、供气终点为4 3 5 。c a 。 由图2 - 3 可见：在进气冲程( 0 。c a 1 8 0 0 c a ) 气缸内流入常压空气 ( 0 1 m p a ) ：在压缩冲程( 18 0 0 c a 3 6 0 。c a ) 对常压空气进行等温压缩：压缩 终了的上止点处开始供气，随后进行等压充气过程( 3 6 0 0 c a 4 3 5 。c a ) ；而后 做功介质发生等温膨胀( 4 3 5 。c a 5 4 0 0 c a ) ；最后气缸进行排气冲程( 5 4 0 。c a 7 2 0 。c a ) 。 与二冲程理论循环相比，四冲程理论循环具有单纯的空气压缩过程，其后 的充气、膨胀及排气同二冲程类似。 09 01 8 0珊3 6 04 5 05 4 06 3 07 2 0 曲轴转角( 。) 图2 - 3单缸四冲程气动发动机的理论循环 2 4 能量效率 气动发动机的运转流程如图2 4 所示【5 1 。首先由电能制各储能介质，然后 将储能介质减压、作为做功介质引入气动发动机，最后由气动发动机对外做功。 图2 4 气动发动机的运转流程 可以从以下几个方面对发动机( 系统) 的能量效率进行评价。 1 气动发动机机械效率 机械效率体现气动发动机的机械结构对能量的利用效果，表示为 机械效率= 气动发动机输出功指示功 式中的指示功是由实测的发动机缸内压力曲线得到的，需要从中扣除摩擦功与 5 2 5 l 5 0 ，l i o 勺垒一r出置增 驱动附属机构的功耗才是气动发动机的输出功。 2 气动发动机指示效率 做功介质指的是已经减压的储能介质。在给定的环境条件下，做功介质的 能量中最大限度可转变为有用功的那部分能量就是做功介质的焓炯。气动发动 机的一系列不可逆损失造成发动机获得的指示功小于做功介质的焓炯。 于是，以指示效率描述做功介质可用能的转换效果，表示为 指示效率= 指示功做功介质的焓煳 指示功仍由实测的发动机缸内压力曲线得到。 3 减压效率 节流是指在管道中流动的流体，流经截面突然缩小的阀门、狭缝和孔口等 设备，因发生不可逆的压力损失而使流体压力降低的现象。节流减压时流体与 环境交换的热量很少，认为过程是绝热的。所以节流前后的焓相等、温度相等。 下面以压缩空气为例加以分析。 设储能介质压力p - 、温度t i ，节流减压之后的做功介质压力p 2 、温度t 2 ， 环境压力p o 、温度t o ：压缩空气视为理想气体。 将压缩空气作为稳定流动物质并且不考虑宏观动能和位能，在其只可能跟 环境交换热量的情况下，从p l 、t l 可逆变化到不完全平衡环境状态p o 、t o 时 所能做出的最大有用功，就是储能介质的焓焖e 6 1 ，表示为 p2 e r + e 。 其中， 温度炯e ，= c ，( r i 卜等】刀 压力佣岛= 瓦j ! ：笋= e r o i n 等 式中c 。盯) 是定压比热，r 是压缩空气气体常数。 一般来说t i = t o ，则g r l = 0 ，储能介质的焓炯q = p 。2 = r r o i n f - - l 。 p o 同理可知做功介质的焓炯p ，= r ll n 丝1 7 。 风 虽然节流前后介质的能量没有减少( 表现为前后的焓相等) ，但减压时技术 功完全用于克服摩擦阻力，使得介质产生媚损失。为此，定义节流前后的可用 能之比为减压效率，表示为 减压效率= 做功介质的焓煳储能介质的焓煳 嗡西既 i | 4 制各效率 储能介质储存的能量小于制备过程消耗的能量，则用制各效率表示电能的 转化效果，表示为 制备效率= 储能介质的焓烟制备储能介质功耗 5 总能量效率 把储能介质、减压环节和气动发动机看作一个整体，用总能量效率描述该 系统的能量传递效果，表示为 总能量效率= 输出能量输入能量 = 气动发动机输出功制各储能介质功耗 25 研究现状 车用气动发动机的研究是最近十几年才刚剐兴起的。在这方面，以法国人 g u yn e g r e 领衔的m d i 公司( m o t e u rd e v e l o p m e n ti n t e r n a t i o n a l ) 走在前列。从 1 9 9 4 年至今，m d i 公司已经完成气动发动机的全部研究、开发工作，他们的空 气车正处于市场推广阶段。另外，美国华盛顿大学的c k n o w l e n 等人也做了许 多工作。 图2 2 5铰接连杆的升程曲线 1 m d i 的气动发动机 m d i 的气动发动机是以压缩空气为储能介质的多级串联式发动机。为适应 同常使用的需要，压缩空气发动机配有三个膨胀气缸。气缸之间设置换热器， 促使膨胀过程在总体上尽量地接近等温过程，并避免造成摩擦损失。 m d i 的压缩空气发动机仍保留活塞、连杆机构，属于往复式发动机之列。为了 改善发动机高转速下的扭矩，m d i 发动机的连杆采用了特殊结构。如图2 5 所 示j ，新式的铰接连杆( t h ea r t i c u l a t e dc o n r o d ) 使得活塞在大约7 0 。c a 的范围 内始终停在上止点位置。这样就为建立缸内压力提供了充裕的时间，从而有助 予提高转速、增加扭矩。 据有关资料介绍【7 ，8 ，9 1 ，m d i 的压缩空气发动机最大输出功率为18 3 k w ，对 应转速为3 5 0 0 r m i n ，有效载荷可达5 0 0 k g ，最大速度为1 0 0 k m h ，续驶里程可 在1 5 0 k m 以上。 2 华盛顿大学的气动发动机 华盛顿大学的气动发动机是以液态氮气作储能介质的往复式发动机。此项 研究隶属于a e r o s p a c ea n de n e r g e t i e sr e s e a r c hp r o g r a m ，目的是探讨低温储能技 术用作零污染车用动力的可行性。 液氮动力系统参见图2 - 6 ，此系统进行的是开式朗肯循环。液态氮气放入 由真空层包裹的容器内。压力泵把液氮加压到动力系统需要的超临界压力。热 交换器( a m b i e n ta i rf a n s ) 使得储能介质升温至环境温度而不产生有害的结霜 现象。接收器( r e c e i v e r ) 中充入气态氮气，用于减少因输出功率变化而引起 的压力剧烈变动。“暖流体”( w a r m a n tf l u i d ) 通过膨胀装置( e x p a n d e r ) 壁面 循环使用，可使壁面温度接近环境温度。氮气排气在节省器( e c o n o m i z e r ) 中 预热超临界压力的液氮i l 。 图2 - 6液氮动力系统示意图 理论计算表明，两缸发动机、喷射压力6 m p a ，在8 5 0 r m i n 时将会产生15 k w 功率和1 9 0 n m 扭矩。这样的动力能够使装有2 0 0 l 液氮的汽车行驶1 4 0 k m 。 2 6 本章小结 本章指出了气动发动机的一些基本问题，包括气动发动机的定义、分类、 理论循环，以及如何评价气动发动机( 系统) 的能量效率，最后简要介绍了气 动发动机的研究现状。 第三章气动发动机的系统设计 3 1 方案 计划对一台单缸柴油机进行改装，制成一台单级往复式压缩空气发动机。 柴油机的有关参数见表3 1 。 表3 1柴油机原始参数 缸数1冲程设置4冲程长度8 0 m m 气缸直径7 5 m m额定转速2 6 0 0 r m i n额定功率4 4 k w 排气提前角4 8 5 0 c a 排气滞后角 1 5 5 0 c a进气提前角1 4 5 0 c a 进气滞后角3 7 5 。c a齿轮中心距9 0 m m齿轮模数2 5 排气凸轮基圆半径 1 2 5 m m 排气凸轮最大升程 6 r a m r 油泵凸轮基圆半径 2 1 m m 油泵凸轮最大升程 7 m m 四冲程发动机每两转做功一次，二冲程发动机每一转做功一次。若忽略摩 擦损失，二冲程发动机只用四冲程发动机的一半转速即可输出和其相等的功率。 这样，二冲程设置显然有利于气动发动机运转更为平稳。另外，单缸四冲程气 动发动机的膨胀终了压力远高于二冲程的膨胀终了压力( 图2 3 ) ，所以其压缩 空气可用能的损失大于二冲程发动机。并且由于存在常压空气的压缩过程，使 得四冲程的供气压力同样高于二冲程发动机，这就需要为它配备性能更高的供 气部件，为改装带来困难。有鉴于此，压缩空气发动机定为二冲程。 具体改装内容如下： 1 拆除油泵凸轮，在同一位置换装进气凸轮。进气凸轮负责驱动进气门按 照要求开闭，以便为压缩空气发动机供气。 2 把进气门装入进气阀体，而后同油泵阀体相接。进气阀体入口端连接到 压缩空气气瓶，出口端连接到缸盖上的涡流室。两处连接均使用液压软管。 3 改变凸轮轴形状。柴油机凸轮轴见图3 - 1 ，左端为排气凸轮，中间为进 气凸轮，右端安装油泵凸轮。现已把进气凸轮安装在右端，所以应去掉凸轮轴 上的进气凸轮。压缩空气发动机的凸轮轴见图3 2 。 4 换装符合二冲程传动要求的齿轮组。 总之，通过改装就把柴油机的供油系统变为供气系统，把四冲程设置改为 二冲程设置。 3 2 零件设计与计算 改装过程用到的零件有凸轮轴、进气凸轮、齿轮、进气门弹簧、出油阀弹 簧、出油阀、进气阀体。下面分别予以介绍。 1 2 一 0 卜_ i l l 卜 图3 - 1柴油机凸轮轴 r _ 1卜_ r - t h + 0| 卜 v 图3 - 2 改装凸轮轴 3 2 1 凸轮轴 柴油机的排气凸轮为四冲程完成配气，应重新设计凸轮型线，以适应二冲 程设置。凸轮轴的其他部分仿照原凸轮轴的结构。 对柴油机排气凸轮的升程进行测量，得到如图3 - 3 所示结果。 图3 - 3柴油机排气凸轮升程曲线 由图可见，原排气凸轮的升程曲线具有对称性。由于推程部分与回程部分 的升程函数相似，所以仅对推程部分的升程值进行拟合。结果见图3 - 4 。 拟合结果表明，柴油机的排气凸轮是匀加速匀减速凸