（载运工具运用工程专业论文）数控气动发动机的工作原理与工作过程分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 气动发动机是利用高压气体在气缸内膨胀将压力能转化为其它形式机械能的 动力设备。它不消耗石油等化石燃料，无污染废气排放，作为汽车动力，可以使 汽车成为零排放的清洁交通工具。压缩空气能量传递方向是从高压气源到低压尾 气，随着能量转化和不断消耗，其压力逐渐降低。高压气动动力系统的减压方式 和控制方法是气动发动机动力系统能量控制的关键。本文根据气动发动机的特点， 提出了一种新型数控气动发动机动力系统的设计方案，对其能量供给系统、工作 过程及控制策略进行了研究。分析了动力源与气动发动机之间的高压气体减压控 制过程及气动系统能量变化的特性，在能量的供给系统中设置容积减压和定量预 喷系统，能有效提高压缩空气利用率。本文的主要内容有： ( 1 ) 论述了气动发动机的动力系统组成和高压气体能量控制流程，研究了气 动发动机的工作原理及动力分配形式，并对高压气体的制备及高压空气在气动发 动机中的能量释放特点进行分析。 ( 2 ) 从可用能损失的角度对高压空气减压方式进行了对比研究，得出在高压 气体减压过程中合理利用容积减压方式，可有效降低减压过程中的可用能损失， 提高高压气体的能量利用效率。 ( 3 ) 为使高压气体压力能能有效释放，提出在进入气缸做功f j i 应用容积减压 预喷系统，并进行了数控气动发动机动力系统的理论设计及控制策略的研究，对 预喷缸和工作缸的匹配进行了理论分析，为预喷缸设计提供理论依据。 ( 4 ) 对预喷过程和缸内工作过程分别建立数学模型，对不同进气压力及不同 负载情况下的缸内气体变化状态及数控气动发动机做功能力进行了仿真计算。分 析得到高压气体预喷过程中的气体变化规律以及数控气动发动机的做功能力与预 喷进气压力的关系，数控气动发动机扩展了压缩空气压力利用范围，提高了压缩 空气利用率，为气动发动机的开发提供一定的理论指导。 关键词：数控气动发动机，动力系统设计，容积减压，预喷控制，工作过程，仿 真计算 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea i r - p o w e r e de n g i n ei san e wp o w e re q u i p m e n tw h i c hu s e st h ec o m p r e s s e da i r a si t sp o w e rs o u r c e w h e nt h ec o m p r e s s e da i re x p a n d si nt h ec y l i n d e r , t h ep r e s s u r e e n e r g yw h i c hc o n t a i n sw i l lt r a n s f o r mi n t om a c h i n ep o w e r t h ee m i s s i o no ft h ev e h i c l e w h i c he q u i p st h es p e c i a le n g i n ei sn e a r l ym a c h i n gt oz e r op o l l u t i o n ，b e c a u s ei ti s w i t h o u tc o n s u m i n ga n yf o s s i lf u e lb u tt h ec o m p r e s s e da i r t h e e n e r g y st r a n s f e rd i r e c t i o no ft h ec o m p r e s s e da i ri sa l w a y sf r o mt h eh i g hl e v e l p r e s s u r es o u r c ei n t ol o wl e v e lp r e s s u r ee x h a u s ta st h ee n e r g yu s i n gc o n t i n u o u s l yi nt h e s y s t e m t h ek e yo fu s i n gt h eh i g hp r e s s u r ea i r se n e r g ye f f i c i e n t l yi sd u et ot h em a n n e r o ft h ep r e s s u r er e d u c t i o na n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi nt h e h i g h p r e s s u r ep n e u m a t i c s y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e dt h ee n e r g ys u p p l ys y s t e m ，w o r ks y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee n g i n e t h ep o w e rp r o p e r t yo ft h ec o m p r e s s e da i ri n p r e s s u r er e d u c t i o nc o n t r o lp r o c e s s e sb e t w e e nt h eh i g h p r e s s u r ec o m p r e s s e da i rt a n k a n dt h el o w e rp r e s s u r ea i re n g i n ew e r ea n a l y z e d t h e r ea r ep r e s s u r er e d u c t i o nb y e x p a n d e rs y s t e ma n dr a t i o np r e c h a 唱es y s t e ma m o n gt h ee n e r g ys u p p l ys y s t e m t h i s p a p e rp r o p o s e st h ed e s i g ns c h e m ef o rt h ep o w e rs y s t e mi nt h en e wn ca i r - p o w e r e d e n g i n e t h ep a p e ri n c l u d e sc o n t e n t sa sf o l l o w s ( 1 ) t h ef u n d a m e n t a lo p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h en ca i r - p o w e r e de n g i n ew e r e s t u d i e d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n to ft h ee n g i n ep o w e rs y s t e mi ss u g g e s t e da c c o r d i n gt o a n a l y s i st h es t r u c t u r ea n dp o w e rd i s t r i b u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m ( 2 ) t h em 3 l r l e ro ft h ep r e s s u r er e d u c t i o nw a ss t u d i e df r o mt h ev i e wo fe x e r g y l o s i n g i te d u c e dt h a tt h ee x e r g yl o s i n gw a sr e d u c e db yi n t r o d u c i n gt h em a n n e ro f e x p a n d e rs y s t e m ，a l s ot h eu s i n ge f f i c i e n c yo f t h eh i g h - p r e s s u r ea i rw a si m p r o v e d ( 3 ) p r e s s u r er e d u c t i o nb ye x p a n d e rs y s t e ma n dr a t i o np r e - c h a r g es y s t e ma m o n g t h ee n e r g ys u p p l ys y s t e mw a ss u g g e s t e ds ot h a tt h eh i g h - p r e s s u r ea i re n e r g yc a n r e l e a s ec o m p l e t e l y t h en c a i r - p o w e r e de n g i n e sp o w e rs y s t e mi sd e s i g n e di nt h e o r y 江苏大学硕士学位论文 t h e m a t c h i n gb e t w e e nt h ep r e - i n j e c t i o nc y l i n d e ra n d t h ew o r kc y l i n d e ri sa n a l y z e d ( 4 ) t h ep r e - i n j e c t i o np r o c e s sa n d t h ew o r kp r o c e s si nt h ec y l i n d e rw e r em o d e l e d t h es t a t eo ft h ec o m p r e s s e da i ri nt h ec y l i n d e ra n dt h em e c h a n i c a lp o w e ro u t p u to ft h e e n g i n ew e r ec a l c u l a t e di nt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n ti n l e ta i rp r e s s u r ea n dd i f f e r e n t l o a db yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e w ec a ng e tt ok n o wt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep o w e r o u t p u to ft h ee n g i n ea n dt h ea i rp r e s s u r eo ft h ep r e i n j e c t i o nb ya n a l y z i n gt h er e s u l to f t h ec a l c u l a t i o n i th e l p su st od e v e l o pt h en e wa i r - p o w e r e de n g i n em o r ee f f i c i e n ti nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：n ca i r - p o w e r e de n g i n e ，p o w e rs y s t e md e s i g n ，p r e - i n j e c t i o nc o n t r o l ，w o r k p r o c e s s ，c a l c u l a t i o na n d s i m u l a t i o n 1 i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：彳篆2 童 撕7 年6 月9 日 指导教师签名：；、f 互咙 2 。驴乡年f 月夕日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 叮当 ，jj 弘 日 、q 轹 咱 鲥 占 者 年 作 吵 文 尔 捌 沙 位 期 学 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪 论 汽车自1 9 世纪末诞生至今已经历了1 0 0 多年的历史，汽车工业以惊人的速度 发展，渗透到现代社会活动的各个方面。汽车在给人们带来速度、便利、享受和 满足的同时，也造成了石油资源的大量消耗、废气的排放、噪声污染和交通安全 等问题。能源和环境己成为全球最为关注的两个问题，能源是经济的基础，而环 境是制约经济发展的重要因素。作为人类主要的交通工具汽车，既是能源消 耗的“主力军 ，又是城市环境污染的“罪魁祸首 。为了降低能源依赖度和降 低城市环境污染，我国和世界各国特别是美国、r 本以及欧洲等发达国家，都在 探索应用节能环保型汽车。 1 1汽车发展所面临挑战及相关政策 1 1 1 我国能源现状 作为汽车心脏的发动机是以燃料燃烧所产生的热能转化为机械能，然后拖动 其他机械进行工作的机器。传统的车用发动机、汽油机或柴油机均主要消耗石油 资源。 国家统计局公开发布我国( 2 0 0 8 年国民经济和社会发展统计公报涉及汽车 的数据显示【1 】，直至2 0 0 8 年末全国民用汽车保有量达到6 4 6 7 万辆( 包括三轮汽 车和低速货车1 4 9 2 万辆) ，比上年末增长1 3 5 ，其中私人汽车保有量4 1 7 3 万辆， 增长1 8 1 。民用轿车保有量2 4 3 8 万辆，增长2 4 5 ；其中私人轿车1 9 4 7 万辆， 增长2 8 o 。私人轿车占民用轿车保有量的8 0 。全年汽车产量9 3 4 5 5 万辆，增 长5 1 ；其中轿车产量5 0 3 7 万辆，增长5 0 。在限额以上批发和零售业零售额 中，汽车类增长2 5 3 。汽车( 包括整套散件) 出口6 4 万辆，增长9 4 ；创汇 8 9 亿美元，增长3 2 5 。我国目前的人均汽车拥有量仅为世界平均水平的三分之 一，但其年耗油量却已接近全国成品油总量的6 0 ，按目i ；i 的增长速度和油耗水 平，我国汽车保有量到2 0 2 0 年将超过1 5 亿辆，年耗油将突破2 5 亿吨i 期。巨大 的市场需求与严峻的能源环境约束之间的矛盾异常尖锐。发展节能环保汽车，实 1 江苏大学硕士学位论文 现能源转型与产业振兴势在必行。 1 1 2 我国汽车工业存在问题及相关政策 目前我国汽车工业所面临的主要问题有如下几方面：1 ) 生产成本持续上升， 给汽车企业生产经营带来了较大的压力；2 ) 节约能源、保护环境的法规、标准逐 步提高，对汽车产品研发产生巨大影响；3 ) 国内、国际市场的变化成为影响我国 汽车工业发展的重要因素；2 0 0 7 年政府陆续出台了一些对于汽车产品节能减排的 政策、法规。2 0 0 8 年政府对于汽车产品节能排放方面仍然会趋于严格。日益严格 的排放标准、法规，将促进中国汽车企业加速新产品的开发，将对中国汽车企业 以及汽车零部件企业形成更大的冲击。甚至在未来2 - 3 年内节约能源法的相关政 策将对汽车产品研发产生巨大的影响。 中国的新能源汽车技术路线经历了很长一段不明朗时期。现在在金融危机背 景下汽车产业调整振兴规划的出台，政府的态度明朗化 4 1 。规划的目标中 提出电动汽车产销形成规模的重大战略目标，通过改造现有生产能力，形成5 0 万辆纯电动、充电式混合动力和普通型混合动力等新型汽车产业。 重点任务中提出实施新能源汽车战略，主要任务是推动纯电动汽车、充电式 混合动力汽车和关键零部件产业化，提出了具体的要求，如要求企业应该掌握新 能源汽车的专用发动机和动力模块的优化设计技术、规模生产工艺和成本控制技 术，并且建立动力模块生产体系，形成1 0 亿安时车用高性能电池的生产能力。规 划针对性地提出推广使用节能和新能源汽车的5 项政策措施，一是启动国家新 能源节能和示范型汽车工程。二是县级以上人民政府制定规划，优先在城市公交、 出租、公务、环卫、机场等领域推广使用新能源汽车。三是建立电动汽车快速充 电网络，加速停车场等公共场所公用充电设施的建设。四是在政府采购中对自主 创新的新能源汽车实施政府优先采购。五是增加1 1 0 亿元专项资金，重点支持新 能源汽车和零配件发展。 1 2 气动发动机构想的提出 能源的匮乏，各地开始出现油荒，使世界各国对于能源的争夺更趋白热化。 2 江苏大学硕士学位论文 环境的恶化，时刻威胁着人类的健康与生存。为解决汽车的发展所带来的能源危 机和环境污染问题，以实现能源、环境的可持续发展战略，要求汽车工业提高能 源利用率，减少污染物的排放量。当前主要采用新技术降低排放的同时提高燃油 利用率，另一出路为探索和使用新能源。抛开传统思路，寻求一种节能环保型汽 车已成为未来汽车的发展方向，这一类汽车将采用绿色能源驱动汽车的行驶，节 约能源且对环境友好。 气动发动机概念的提出，主要是从能源和环保这两方面考虑的。一种不使用 燃料的新型发动机，它以液氮或压缩空气储能，直接利用氮气或压缩空气膨胀做 功来实现发动机的功率输出。 1 2 1 气动发动机特点 气动发动机的发展将实现交通能源的多元化，可以利用水能、风能、太阳能 等绿色能源转化成高压气体或者液氮的形式来储存能量，为节约有限的石油资源 起到积极的作用。另外，在用电低谷期，可以将多余的电能以高压空气压力能的 形式存储，有利于节约电能【5 吲。气动发动机的能量利用路线如图1 1 所示。 一d 日圈 图1 1气动发动机能量转化流程图 f i g 1 1t h es k e t c ho ft h ee n e r g yt r a n s f e ri nt h ea i r - p o w e r e de n g i n e 气动发动机以压缩空气或液氮为动力源，通过其膨胀做功，将压力能转化为机 械能的动力设备。它不消耗燃料，按高压气体的来源可以分为压缩空气动力发动 机和液态气体动力发动机。高压空气存储在耐高压气罐中，根据工况需求，高压 空气通过减压到合适的压力状态下供给气动发动机工作。减压过程中，气体体积 膨胀，温度降低，通过热交换器从外界得到一定的热补偿。气动发动机与传统内 燃机相比较，由于在发动机气缸内没有高温高压气体的爆炸燃烧过程，只是通过 单纯的气体膨胀时的容积变化功来达到功率输出的目的，系统结构简单。因此， 整个发动机不再需要复杂的冷却系统，机体也可以选用较低强度、轻质的材料。 3 畸 、 源 能 能 电 色 余 绿 富 江苏大学硕士学位论文 在r 常工作时，发动机机体和各活动部件也不再受到高温高压燃气的冲击和腐蚀 对润滑油高温性能的要求大为降低，维护简单，费用低，使用寿命长1 9 1 。 气动发动机的工作介质来自大气，排放的尾气是减压后的空气，对环境没有 任何污染是真正意义上的绿色动力。在制各高压空气或液态气体时，通过必要 的过滤过程可以分离空气中如灰尘等悬浮微小颗粒，从而使得气动发动机的应 用成为清洁空气的手段，达到主动净化空气的效果【1 q 。 在气动发动机工作过程中，高压气体减压膨胀做功温度大幅降低，排出的尾 气温度远低于环境温度。因此，低温的尾气可以作为汽车制冷空调的冷源而不需 要额外消耗能量。 122 气动发动机国内外发展现状 气动汽车具有零捧放绿色环保的特点，能较好的缓解目前能源和环境两大危 机，具有明显的社会意义。目前法国、美国、英国和韩国等国家有在进行气动发 动机及气动汽车的研究工作，大多处于试验及试制阶段，还未有大规模的商业应 用，具体的情况分述如下。 法国的航空技术工程师、茇动机设计师g u yn e g r e 于1 9 9 1 年就成立t m d i 公司 ( m o t o rd e v e l o p m e n ti n t e r n a t i o n a l ) p 1 ，致力于开发一种无污染、时尚、环保、 经济的发动机并于1 9 9 8 年推出卜一， 。， 了首辆由气动发动机傲动力的出 7 、 ， r、 租汽车，1 9 9 9 年进行商业化改制 童i 、_ 、h ； 该发动机原理是利用高压空 l 。p | 【。“ 、 、 气在发动机气缸内膨胀做功，推 u、 动活塞运动而输出机械能。高压呻h 气体从气罐通过导管输入气缸膨i ；：三三j ：j 3 v 胀所输出的功介于绝热膨胀和 圉l2 高压气体热力过程困 等温膨胀之间，如图1 2 所示。 12 t h 。p r o c e s s o f h l g l l 螂呲a i r t h 。r m o d y n a m 。 图中点画线代表高压气体按绝热膨胀过程虚线代表高压气体按等温膨胀过程。 各自与坐标连线所对应的面积即其容积变化功，由于等温膨胀补充了高压气体在 膨胀过程中温度降低的那部分热量，可见，等温膨胀所得到的容积变化功大于绝 江苏大学硕士学位论文 热膨胀的容积变化功。为使高压空气在膨胀过程中输出的客积变化功尽可能地多， 这就要求发动机在工作过程接近等温膨胀，因而应设置热交换器用来吸收外界的 热量来补充气体的膨胀做功。图1 3 所示是帅i 公司设计的串联式多级膨胀做功 图，高压气体从气罐输出先进入第一个气缸进行膨胀推动活塞做功，做动完成后 的气体捧出后通过热交抉器，从外界吸收一定的热量后进入第二个气缸，气体的 第二气缸中再次膨胀做功后捧出，途经另一热交换器进行加热后进入第三个气 缸膨胀做功，最后将气体排出气缸，进入环境。 荔缈 c 矽- ；9 瓠 国1 3 串联式多摄膨胀敢功示意图 f j 晷1 0 m t d 眺e a 中鼬正q w 吲d 1 0 b e 缸斑8 2 0 0 2 年，) 4 1 ) 1 公司对发动机曲柄处进行改造，开发出一种特殊机构，如图i 4 所示，当曲轴旋转到7 0 。时，活塞就已到达上止点并驻留：当曲轴继续转过4 0 4 后，括塞往下运动。这里曲轴旋转4 0 。所经历的这个时间用来作储气罐往气缸内 充气，提高了压缩空气的利用率，同时也提高了输出扭矩。 禹1 4 曲栖机构置遣转扭矩示蠢固 f 嘻1 a t b m k 岫柚d m e 岫m 州口n 蚰t a l r ” 目前如i 公司已设计制造了多款气动汽车，产品包括o n e c a t 、m i n i c a t 、 c i t y c a t 、m u l t i c a t 、发电机组及工矿牵引车。并已在巴西、墨西哥等地区投入了 5 江苏大学硕士学位论文 商业使用。2 0 0 7 年2 月，印度塔塔汽乍公司引进m d i 公司的气动汽车技术，如图 15 所示。预计未来几年将推出6 0 0 0 辆零排放的压缩窄气动力汽车，售价在1 2 7 0 0 美元( 约合r m b9 5 2 5 0 元) ，擐高时速6 8 m p h ( 约舍1 0 9 公里) ，一次充气行程1 2 5 英里( 约台2 0 1 公里) ，足以满足在城市中穿行的需要。利用自带的压缩机充满一 次大约耗时3 到4 小时，耗费2 美元( 约合r m b i5 兀) 左右。 懋够 图15c i t y c a t 车型汽车厦其发动机 f 毽1 5 t h e c i t y c a t a n d be n g i n e 在澳丈利亚墨尔本，曾在德国m e r c e d e sb e n z 公司从事汪克尔发动机研制的 机械工程师h n g e l od ip i e t r o 致力于转了发动机的精简化【”l ，在1 9 9 9 年推出了 他的转子活塞式发动机，重量仪有1 3 千克，如下图l _ 6 所示，能推动一辆汽车的 运行并且没有污染排放。该发动机安置在车轮轮毅处，直接将发动机内高压空气 带动转于旋转的能量输出给车轮。d ip i e t r o 发动机的概念基于转子活寒发动机， 与之不同的是，d ip e t r e 发动机作为转子的旋转活塞在作为定子的缸体中转动 时，没有任何的摩擦力。转了和定了之间的空间按旋转轴分为6 个膨胀室。安装 在输出轴上伴随发动机同速转动的一个跟踪定时器控制着进排气的启动和持续时 问。通过对进气时问的控制，可以很方便地使对发动机能达至4 所需的性能参数。 当加长进气周期也就增加了进气的流罱时，自然就提高了扭矩。缩短进气周期， 使进气量减少但进入膨胀室的压缩空气得到更有效地膨胀做功，从而可以依据 工况要求得到更高的扭矩和功率输出。目| j ，d ip t e t r o 带领的小组所设计的汽 车在两个日僻自上各安装一个转予空气发动机，或在4 w d 轻卡、s ij v 的每个轮卜装 上他的转子空气发动机，因此可以单独协调控制各个驱动轮。 江苏走学硕士学位论文 图16 发动机剖示图理安装位置示意囤 f i g 1 6 t h eo n l i n ec u t a w a yv i e wa n d t h ee q u i p m e n tl o c a t i o n 美国华盛顿人学( u n i v e r s i t yo fw a s h i n g t o n ) 干1 9 9 7 年研制刀。发了一种以液 氯受热膨胀为驱动力的零排放概念发动机( l n 2 0 0 0 ) f 1 1 ，如图l7 所示。它的运行 原理类似f 燕汽机，但没有燃烧的介入。液压罐中的液氮( 一1 9 6 0 ) 通过热交换器 吸收外界周围环境的热最而燕发：这种热交换器类似十汽车的散热器，但并不足利 用空气束降低水温，而是利用空气巾的热来加热液氯使之加快蒸发，广e 的高压氯 气进入发动机的推动活塞运转输出机械功，最后的排放只有氨气。 蓠爹垂 图17l n 2 0 0 0 液氘汽车工作原理应实验车型 f i g 17 t h e o p e r a t i o np r i n c i p l e s o f l i q u i d n i t m g e n v e h i c l e “1 2 4 2 0 0 0 韩躅作为新兴汽车制造 ：业大幽，对新能源汽车的开发也给千了搬人的戈注。 韩囤的6 n e r g i n e 公司十2 0 0 0 年研制的气动一电动混合动力汽车 ( p h e v p n e u m a t i c h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) ， i i 中央电脑( e c u ) 控制压缩空气 发动机和 乜动机的远作，如陶1 8 所示。气动发动机只作为电动驱动的辅助系统 工作，山一个两冲程j 氍缩窄4 t 发动机做肩动、加速和爬坡菩需瞬时大功牢时启用。 当汽车车速需求超过2 0 2 5 h h 时，气动发动机停止工作，转由电机驱动。其最高 时速可以达到1 2 0 k m h 。圈ll o 是e s e r g i n e 公司生产的混合动力汽车。 7 江苏大学硕士学位论文 囤i 8p h b v 系统原理图度样车 f i g 1 8 p n e t m a a f i c - h y b f i d e l c c t f i c v e h i c l e a a ds c h e m e p r e s e n t a t i o n 英国伦敦威斯敏斯特大学( u n i v e r s i t yo fw e s t m i n s t e r ) 的c j m a r q u a n d 教授 设计了一台试验型的两级偏心叶片式气动篾动 机，并进行了台架试验 1 5 l 。如图1 _ 9 所示该气 动发动机重5 0 k g ，工作压力为4 5 m p a ，采用两 级各1 2 个叶片的偏心叶片转子，在1 0 0 0 r m i n 时 可输出2 5 k w 的功率，工作效率达到9 8 以上。该 型气动发动机上应用了热管热交换系统，高压 压缩空气在进入发动机前需要在一个长管型铝 制热交换器中部分膨胀以吸收由环境空气 提供的热量，该热管热交换器被环绕在储气 罐及发动机四周，总的热交换面积可咀达到 期躲溺 糊 - 。划 图i 9m a r q u a n d 所研制的发动机 f 唔19 t h e 曲g i 肿咖如b y m a r a u d i 4 d ，同时该热交换器还配有变速风扇强制通风，吸热效率达8 5 - 。 国内目前对压缩空气动力汽车的研究还处于基础研究阶段，浙江大学和合肥 工业大学己开始了研究报道。浙江大学于1 9 9 9 年开始对气动汽车做了原理建模、 能效分析、动力系统设计、集成技术及加气站设计等相关方面的研究，并进行了 样车试验。2 0 0 2 年末，浙江大学相关技术人员将一辆“昌河”面包车改造成气动 汽车，如图1 1 0 所示。配置的发动机是经改造后的4 缸气动发动机，发动机机体 基本不做改动，主要对内部的配气机构、凸轮轴及进气系统进行了改造，增加了 外接进气接口部分。车载气源及车载气动系统全部安装在汽车内部，将4 个5 0 l 高压气罐配置在汽车后排空间。试验结果表明，汽车最高时速大于3 0 k m h ，由0 加速到3 0 k m h 的时间约为1 5 s ，在平坦路面上的行驶里程大约为5 k m 。证明了气 8 江苏大学硕士学位论支 动汽车的呵行性，但j 实际应用还有一定的差距【1 6 - 2 2 1 图1 1o 气动汽圭试验用丰及其单级膨胀四缸气动发动机 f i 9 1 1 0 t h ea i r - p o w c r c dv e h i c l ea n d i t se n g i n e m a d e b y z h e j j i a n gu n i v e r s i t y 1 3 课题的来源和本文的主要研究内容 31 诨题的来源 目前固内所研究的气动发动机所存在的问越是对进气过程的可控性差，控制 精度低- 高压空气压力能利用率不高。在动力系统中的减压气罐只起到了减压的 作用，而且只是对储气罐内气体压力范围进行限制，难以达到定黾拄制的要求： 另一方而，其通过流量调节阀来控制进入发动机缸内的高压空气量，辨必在此耗 去一部分能舀，且控制精度低：存存尾气余胝。 本课题咀江苏大学高级人爿科研启动肇会项目为依托，以岛艇气动动力系统 往气动发动机上的应用为对孽展丌研究。由于压缩空气的压力越高，其能昼密度 越大。因此，压缩窄气作为气动发动机等动力机械设备的动力源，必需以高压或 超高压的形式柬储存压缩空气，使其满足在小l 司工况f 的动力续航需求。耐高压 储7 t 罐内的高压压缩窑气需经过能量供给系统的减压控制和分配环节，然后进入 气础发动机膨胀做功，最后以低压尾l 形式排出。压缩空气能量传递方向是从高 压气源到低压尾气，随着能鲢转换和不断消耗，其压力逐渐降低。压缩空气的能 量利川和转换过程，就是气体的膨胀碱压做功过程，井贯穿于压缩守，t 传递路线 的各个环节。固此，高压气动动力系统的减压方式和控制方法是气动发动机动力 系统能量控制的关键。减压效果的优劣卣接戈系到气动汽车的能昼利用是否合理， 关系到压缩空气能量转化牢的高低是气动发动机能否实用化的保证。首先要进 9 江苏大学硕士学位论文 行能量供给系统的研究，分析减压过程的能量变化机理，这是气动发动机系统优 化设计的基础。对能量供给系统进行改进设计，应用多级容积减压和定量预喷可 以使高压空气的压力能得到更好的控制和释放。本文设计了气动发动机的动力系 统，对能量供给系统，能量转化系统及控制系统分别做了研究，具有一定的理论 价值和现实意义。 1 3 2 论文的主要研究内容 为了提高气动发动机的功率和压缩空气的能量利用效率，分析了高压气体储 能机理及膨胀做功时的特性，在此基础上探索具有良好动力性能，同时工作效率 较高的气动发动机的工作方式和结构。 气动发动机的基本原理简单，高效高性能的气动发动机必须针对车用动力的 要求进行优化设计，这就需要在理论上对气动发动机的工作原理和特性做进一步 的研究。提高压缩空气利用率的关键是：减少气体在减压过程中的压力能损失及 提高各气动元件的密封性。通过对高压空气性质和发动机工作原理的分析研究， 提出了数控气动发动机，建立气动发动机热力学和动力学的数学模型。在此基础 上对发动机工作过程进行仿真计算，对发动机的结构、动力系统和控制过程进行 分析，使压缩空气的利用效率最高。为此，本文主要进行以下研究工作： ( 1 ) 对气动发动机的工作原理及特点的研究分析； ( 2 ) 从可用能分析的角度探讨了高压气体容积减压和节流减压的能量特性； ( 3 ) 提出数控气动发动机动力系统设计方案； ( 4 ) 对预喷缸进行具体分析及设计，进行控制策略的研究； ( 5 ) 建立数控气动发动机动力系统数学模型，并进行仿真研究，分析高压气体 在工作缸内的状态变化和做功特性。 1 4 本章小结 本章概述了论文研究课题的来源和意义，综述了目前气动发动机国内外的研 究现状，并提出本论文所要进行的主要研究工作。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章气动发动机的工作原理分析 2 1气动发动机的一般特征 气动发动机动力系统的工作过程就是高压气体所具有的压力能转换为机械能 的过程。气动发动机动力系统的输出为机械能，作为其输入的高压空气，可以由 绿色能源通过转换装置产生。从能量的角度考虑，气动发动机动力系统的基本组 成和能量控制流程如图2 1 。 际磊虱二鎏l i 矗虱型骘赢订 l 一l j l一 图2 1 气动发动机动力系统能量控制流程图 f 噜2 1t h ee n e r g yc o n t r o lo ft h ea i r - p o w e r e de n g i n e sp o w e rs y s t e m 绿色能源可以是太阳能、风能、水能、地热能和生物质能等一次能源，以及 富余电能，通过这些洁净能源可以驱动生产压缩空气的能量转换装置 2 3 ，6 1 ；转换 装置是指以高压空气压缩机为核心的能量转换设备，主要用以生产洁净的高压压 缩空气；高压气体单元是指存入储气罐中的高压压缩空气，是气动发动机的动力 源；减压控制单元是系统中储存的高压压缩空气的能量传递和转换的控制环节， 其作用是将高压气体减低为驱动气动发动机所需的中低压气体；气动发动机是这 一气动动力系统中能量转化的关键一环，减压后的中低压气体在气动发动机气缸 内膨胀做功，将所存储的压力能转化为机械能输出阳。 在气动回路的设计中，考虑到高压气体在减压后温度大幅降低，与环境温度 将形成较大温度差。如果从环境中给低温的气体补充热量，根据热力学规律，气 体的温度和压力将升高，最终使发动机输出更多的机械能，提高了高压空气的利 用效率。因此，在气动发动机动力系统的各个减压控制环节上设置热交换器，让 减压后的气体尽可能充分的从环境中吸热，并可充当制冷空调的冷源，减少发动 机动力的消耗。以压缩空气为动力的气动发动机的最大优势在于具有良好的环保 特性和较低的制造成本，将其装配于汽车，作为汽车动力源，可成为真正的零排 放无污染绿色汽车。 下面分别论述气动汽车动力系统的高压空气储气装置、减压控制装置、换热 1 1 江苏大学硕士学住论支 器等重要部分，并对气动发动机的动力分配分式进行了分析 21 1 高压空气储气装置 气动发动机的能量来自于存储在耐高压储气罐中的高压压缩空气，储气罐的 作用相当于内燃机汽车的油箱。为保证汽车有足够的续驶能力，满足日常行驶的 需要，需要汽车装载足够的压缩空气。由于汽车的车内空间有限，这就要求气罐 压力高，重量轻，体积小。 压缩空气的能量密度与存储时的压力成正比，压力越高，单位容积内存储的 能量越大。经过测算，车载3 0 0 l ，压力为3 0 m p a 的压缩空气，在理想情况下，按 多变指数1 2 进行热力学变化将压缩能转化为机械能时，可以驱动一辆质量为l t 的轿车以时速5 0 k m h 行驶9 6 k m ，基本可以满足日常城市交通的需要1 1 8 1 。 存储压力达3 0 i p a 以上的压缩空气，其安全性是压缩空气动力汽车集成中必 须要考虑的。一般工业生产中使用钢瓶存储高压压缩空气，价格便宜，安全可靠， 但是重量太大，不适宜用作车载的压缩空气存储容器使用，这也是一直制约压缩 空气动力汽车发展的重要因素。目前世界上最新的研究进展是采用1 0 0 的碳纤 维制造气罐，内部有衬垫，外部缠绕细丝，使得气罐重量明显变轻闭，其结构如 图2 2 所示。这种气罐装有压缩天然气经过了火场澳4 试、枪击测试、爆炸测试和 汽车摔跌测试等比普通高压气罐测试标准高得多的苛刻条件测试，没有出现实质 性破坏，也没有不安全隐患，使用压力达5 0 m p a 以上，5 0 l 容积的气罐自重2 0 k g 左右，是目前气动汽车高压储气罐的最佳选择，但价格较高。 碳纤维蕾解剖圈 囤22 碳纤堆耐高压储气罐结构示意图 f i g , 2 2 t h c 蛐u c m r e o f c a d x m t i b e t g a s h o l d c r 1 2 瞄一矮灞霪11 r l 江苏大学硕士学位论文 此外，特制的气罐形状和合理的安装方式对于提高气动汽车在有限的空间下 装载的能量有很重要的意义。 2 1 2 高压气体减压控制装置 气动汽车储气罐中的压力很高，而发动机的工作压力相对较低，为了尽可能 有效的利用高压空气的能量，高压空气在进入发动机工作缸之前，需进行减压。 气动汽车具有高压、流量大的特点，因此需要高压大流量的减压阀。常规的减压 是采用节流减压方式。管道中流动的流体，在经过界面突然缩小的阀门、狭缝、 和孔口等设备时，因发生不可逆的压力损失而使流体的压力降低，这种现象称为 节流。存储在储气罐中的高压空气通过节流阀减压时会发生有效能损失。 对于气动发动机，高压气动动力系统所需的减压控制装置应该满足高压、大 流量特性，并且在减压过程中尽量地减少能量高压空气的能量损失。 2 1 3 热交换器 换热器的任务是使其中的流动工质与外界发生热量交换，按照工作原理可分 为混合式换热器、回热式换热器，间壁式换热器等。混合式换热器中，高温流体 通过和低温流体的混合而将热量传递给低温流体，比如在热力发电厂中使用的热 力除氧器，就是利用高温蒸汽直接加热冷水。 回热式换热器中，高温流体和低温流体周期性地交替流过固体壁面而实现热 量从高温流体向低温流体地传递。在这种换热器中，固体表面通过在低温状态时 先积蓄高温流体的热量，然后再将积蓄的热量在高温状态时传递给低温流体。 间壁式换热器是用固体壁面将高温流体和低温流体分开，实现热量通过固体 壁面从高温流体传递的过程。 在气动汽车的动力系统中，高压气罐中的气体在不断向外释放过程中，压力 和温度会不断降低，由气罐流出的气体温度低于环境温度，部分的压力燃化为 了冷量火用，热交换环节使其能从环境中吸收一定的热量，促进冷量火用的释放， 提高气体的在发动机中的做功能力。因此，气动汽车动力系统适合用间壁式换热 器。 江苏大学硕士学位论文 2 2 气动发动机工作原理及动力分配形式分析 2 2 1气动发动机的工作原理 以往复活塞式气动发动机为研究对象，最基本的气动发动机的工作循环为简 单的两冲程，即高压气体进入工作腔膨胀做功冲程，和膨胀后低压气体排出工作 腔的排气冲程，做功系统示意图如图2 3 。当活塞在上止点时，开启进气阀体1 ， 高压压缩空气进入发动机气缸并膨胀做功，推动活塞向下运动，并带动曲柄连杆 机构输出驱动力；当活塞开始经过下止点向上运动时，打开排气阀2 ，气缸内膨 胀后的低压压缩空气通过排气口向外界排气；当活塞运动到上止点时，残余气体 全部排出，排气口关闭，进气口再次打开使高压压缩空气进入；周而复始，压缩 空气为动力的发动机就可连续运转。 不： i 图2 3 气动发动机做功系统示意图 f i g 2 3t h ew o r ks y s t e mo ft h ea i r - p o w e r e de n g i n e 其中理想的气动发动机的工作过程中，工作缸内气体的变化过程如图2 4 所 1 4 江苏大学硕士学位论文 p p l 夕2 o 吒 v 图2 4 气动发动机示功图 f i g 2 4t h er e l a t i o no ft h ep vi nt h ea i r - p o w e r e de n g i n e 做功开始时，连接高压气缸与发动机气缸的阀体开启，高压空气开始以压力珐 向工作气缸内进气，高压气体开始膨胀推动活塞下行，压力能释放，对外做功。当 活塞运行到下止点时，做功结束；排气阀开启，系统进入排气冲程，缸内气体向 外排出，压力降低到大气压改，活塞上行至上止点时，排气完成，一次做功循环 结束。如图2 4 所示，其中的细实线卜2 3 1 所围的面积即是高压气体所做的理 论功。在气动发动机做功行程，工作缸与外界隔离，是一闭口系统，假定进气初 始时高压气体状态1 为( a ，k ) ，做功结束时缸内气体状态2 为( 仍，e ) ，则 做功行程中发动机对外输出的膨胀功为： ：f ! ( 躺p d v ( 2 1 ) 文见, v o 由式( 2 1 ) 可知，提高容积膨胀功的途径有增大膨胀容积与提高膨胀工作过 程中缸内压力两种，其中膨胀容积即体积膨胀比由发动机的结构与配气机构确定 的进气相位所决定，而膨胀工作过程中缸内压力是由高压气体膨胀所经历的热力 学过程所决定的。高压空气在发动机内的实际膨胀过程是一个非常复杂的过程， 必须清楚高压气体在各个减压时刻的状态变化及能量变化。 应用高压空气作为动力源，_ 个最大的缺点是能量存储密度较低。为了保证 在汽车有限的高压空气储存量下有足够的行驶里程，必