（动力工程及工程热物理专业论文）气动汽车动力系统研究.pdf

摘要 气动汽车动力系统使用压缩空气做为动力源，利用车载气罐存储的压缩空气 的压力能膨胀转化为机械能驱动汽车行驶，是零排放的绿色汽车。但压缩空气的 储能密度较低，相对于汽油等燃料有较大的差距，因此对气动汽车动力系统进行 深入研究，尽可能提高系统的效率，延长一次充气后的续驶里程，是气动汽车最 终达到实用要求的重要保证。气动汽车动力系统是一个复杂的多环节系统，提高 系统的效率涉及多方面的问题。本站博士后的工作，在本人博士课题对于气动汽 车发动机探索性研究的基础上，通过对气动汽车动力系统的能效分析明晰系统能 耗的分布情况，并针对可更充分利用热能，更充分释放压缩空气能量的多级膨胀 气动发动机和混合动力气动发动机开展研究，同时对气动汽车在加气站快速充气 过程进行分析，研究加气站参数设置对加气过程的影响，为气动汽车实际应用做 好配套工作。 报告主要研究内容如下： 第一章：论述了研究课题的研究背景，以及与本课题研究相关的气动汽车动 力系统的国内外研究现状，并提出了本论文所要进行的主要研究工作。 第二章：通过应用热力学第一定律和第二定律对气动汽车动力系统进行的毋h 分析，建立了系统的绸分析模型，基于此模型的仿真计算结果与整车实验结果接 近，很好的描述了系统的炯损失情况，指明了提高系统效率需要改善提高的环节。 第三章：在掌握各关键参数对于气动发动机性能影响的基础上，开展了两级 膨胀试验气动发动机的设计、制造和实验研究工作。设计选用了基于现有内燃机 机体改造加工的方案，根据两级膨胀气动发动机的要求，分为缸盖和缸体两部分 进行了重新设计和改造，试制的样机在发动机台架上进行了实验，掌握了两级膨 胀气动发动机工作过程中的一些重要特性。 第四章：设计了内燃一气动共体式混合动力气动发动机，对其工作原理和特 点进行了说明，并应用热力学和燃烧动力学进行了分析，建立了该类型发动机的 数学模型，为其研究工作的进一步开展打下了基础。 第五章：结合变质量系统热力学和气体动力学理论对快速加气站加气过程进 行了数学建模，通过数值仿真方法计算得到加气过程的变化规律，并结合试验进 行进一步的分析，为加气站的设计提出了有益的参考。 关键词：气动汽车，动力系统，炯分析，两级膨胀气动发动机，混合动力气动 发动机，快速加气站 a b s t r a c t c o m p r e s s e da i ri su s e da se n e r g ys o u r c eo ft h ep o w e rs y s t e mo fa i r - p o w e r e d v e h i c l e ，w h i c hc o n v e r t st h ep r e s s u r ee n e q r g yo ft h ec o m p r e s s e da i rs t o r e di nt h e o n b o a r dc a n si n t ot h em e c h a n i c a le n e r g yt od r i v et h ev e h i c l e t h a tp o w e rs y s t e mi s t h ek e yp a r to f az e r op o l l u t i o ng r e e nv e h i c l e b u tt h ee n e r g yd e n s i t yo f p r e s s u r ea i ri s m u c hl o w e rt h a no r d i n a r yf u e ls u c ha sg a s o l i n e s of u r t h e rs t u d yo nt h es y s t e mt o e n h a n c ei t se f f i c i e n c ya n de x t e n dt h er a n g eo ft h ev e h i c l ea f t e rr e c h a r g i n gi st h e g u a r a n t e eo fa p p l y i n gt h ea i r - p o w e r e dv e h i c l e t h ep o w e rs y s t e mo fa i r - p o w e r e d v e h i c l ei sa c o m p l e xm u l t i - p a r ts y s t e ma n d i th a st of a c em a n yp r o b l e m sc o m i n gf r o m v a r i o u sa s p e c t s b a s e do nt h er e s d t so f t h ep r e v i o u sd o c t o rp r o j e c tr e s e a r c h i n go na i r p o w e r e dv e h i c l ee n g i n e , t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h ea s p e c t si n c l u d i n gm a k i n gc l e a r t h ee n e r g yl o s sd i s t r i b u t i o nw i t he x e r g ya n a l y s i sm e t h o d ，c a r r y i n go u te x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nt h em u l t i s t a g ee x p a n s i o na i r - p o w e r e de n g i n e ，m o d e l i n gt h eh y b r i d a i r - p o w e r e de n g i n ew i t ht h et h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i sm e t h o da n ds m d y i n gt h e i n f l u e n c eo f t h ep a r a m e t e r so f t h ea i rr e c h a r g es t a t i o no nt h ep r o e e 鼹o f r e c h a r g i n g t h er e s e a r c hw o r ki sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gc h a p t e r s ： c h a p t e r1 ：t h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c ti si n t r o d u c e dh e r e a n dt h ec u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ea i r - p o w e r e dv e h i c l ep o w e rs y s t e ma r o u n dt h ew o r l di s e l a b o r a t e l yr e v i e w e d f i n a l l y , t h em a i nr e s e a r c ho b j e c t sa r ep r o p o s e di n t h i s d i s s e r t a t i o n c h a p t e r2 ：u s i n gb o t ht h et h e r m o d y n a m i c st h e o r ya n de x e r g ya n a l y s i sm e t h o d t h e p o w e rl o s s e si nt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ep o w e rs y s t e mo fa i r - p o w e r e dv e h i c l ew a s s t u d i e da n dt h ee x e r g ya n a l y s i sm o d e lo ft h es y s t e mi sb u i l tu p b a s e do nt h em o d e l ， s i m u l a t i o n so np o w e rl o s so f t h e s y s t e ma r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sa r ec l o s et ot h e w h o l ev e h i c l ee x p e r i m e n t s s i m u l a t i o nr e s u l t sd e s c r i b et h ep o w e rl o s ss i t u a t i o ni n d e t a i la n di n d i c a t et h ef a c t o r st h a tn e e dt ob ei m p r o v e di ne n h a n c i n gt h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e m c h a p t e r3 ：b a s e do nt h ek n o w l e d g eo ft h ee f f e c to fk e yp a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c eo ft w o - s t a g ee x p a n s i o na i r - p o w e r e de n g i n e ( t s e a p e ) ，t h ed e s i g n ，t h e m a n u f a c t u r ea n de x p e r i m e n t so f t h ee n g i n ea r ec a r r i e do u t t h em a n u f a c t u r ep l a nt h a t i m p r o v e sat s e a p ef r o ma l le x i s t i n gi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ei sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft s e a p e ，t h ee n g i n ei sr e d e s i g n e da n dr e b u i l ti nt w o 1 1 1 m a i np a r t sa sc y l m d e rh e a da n dc y l i n d e rb o d yr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n to ft h e p r o t o t y p ee n 西n ei st a k e no nat e s tb e n c ha n ds o m ei m p o r t a n tc h a r a c t e r so f t h ee n g i n e w o r k i n gp r o c e s sa r co b t a i n e d c h a p t e r4 ：t h ed e s i g no fa ni n t e r n a l - c o m b u s t i o n & a i r - p o w e r e dh y b r i de n g i n ei s p r o p o s e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so f t h ee n g i n ea r cd e s c r i b e di nd e t a i l a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cm o d e li sb u i l tu pw i t ht h e r m o d y n a m i c st h e o r y t h em o d e lw f l lb et h ef o u n d a f i o nf o r t h ef m t h e a r e s e a r c ho f t h e h y b r i de n g i n e k e y w o r d s ：a i r - p o w e r e dv e h i c l e ( a p v ) ，p o w e rs y s t e m , e x e r g ya n a l y s i s , t w o - s t a g e e x p e n s i o na i rp o w e r e de n g i n e ( t s e a p e ) ，h y b r i da i r - p o w e r e de n g i n e ( n a p e ) ，q u i c k r e c h a r g es t a t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目前，世界汽车保有量已达到6 7 亿辆，并以每年2 3 的速度递增。汽车工业 的迅速发展，推动了全球经济发展。汽车文明已经成为人类文明的重要象征。但是， 汽车在造福人类的同时，也带来了很大的弊端：由于绝大部分汽车搭载的是以石油 制品为燃料的内燃机，在消耗大量宝贵的不可再生资源的同时造成的污染也日益严 重，尾气、噪声和热岛效应对环境造成的破坏，已经到了必须加以控制和治理的程 度。 随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，在人们的不懈努力下，相继出现 了代用燃料汽车、电动汽车、混合动力电动汽车以及气动汽车等新一代低排放、节 能和经济型的汽车“州，它们各自有自己突出的优点，但同时也有相应的局限。其 中气动汽车( a i rp o w e r e dv e h i c l e a p v ) 搭载气动发动机，使用压缩空气为动力源， 将压缩空气的压力能转化为曲轴旋转的机械能，无需燃料燃烧，排放的仍然是空气， 是真正零排放的绿色汽车，且空气来源丰富，获取简单，经济性较好。但压缩空气 的储能密度较低，即使以3 0 m p a 压力存储，能量密度也仅有1 3 5 1 0 5 j l ，相对于 汽油3 1 9 1 0 7 j l 的储能密度有较大的差距，因此对气动汽车动力系统进行深入 研究，尽可能提高系统的效率，是气动汽车延长一次充气后的续驶里程，适应实际 需要的重要保证。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室联合浙江大学动力工程及汽车工程 研究所在国家自然科学基金( n o 5 0 1 2 2 1 1 5 ) 和“十五”科技攻关项目( n o 2 0 0 3 b a 4 0 8 8 1 4 ) 的支持下开展了气动汽车发动机及气动汽车的探索性研究，在气动 发动机理论研究和气动汽车动力系统设计方面取得了丰富的成果“”1 ，但由于时间 与经费所限，研究工作主要集中于以单级膨胀气动发动机为主的动力系统，对于动 力系统整体的能效分析、能增强环境热能利用以提高效率的多级膨胀气动发动机的 理论和试验研究、混合动力气动发动机、车载气罐加气过程的研究等方面没有做进 一步深入的研究工作。以上在前期研究中未能深入的相关基础问题，是气动汽车动 力系统提高效率和实际应用的保障，对于气动汽车动力系统的研究和发展具有重要 的意义，基于上述原因，本站的研究将集中于以上四个方面，为我国气动汽车动力 系统的深入研究和发展提供理论与实践。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 法国的气动汽车研究工作主要集中在法国工程师g u yn ( 5 9 r e 领导的研究小组。 g u y n 6 9 r e 于1 9 9 1 年获得了法国气动发动机的专利，并组建了法国m i ) i 汽车公司 专门研制气动汽车。到2 0 0 4 年底，已经设计制造出各种型号的气动汽车： f a m i l y ，v a n , t a x i ，p i c k _ u p ，m i n ic a t 8 ，在包括西班牙巴塞罗那、巴西圣保罗、墨西 哥的墨西哥城等地区投入商业使用m 。安装有g u yn 6 9 r e 的气动发动机的气动汽车 以一罐3 0 0 l 、3 0 0 b a r 压力的压缩空气可以行驶2 0 0 3 0 0 k m ，最高时速1 1 0 k m h ， 接电自充气时间在4 个小时左右，而在加气站充气时间只需3 分钟。 m d i 公司的气动发动机有多种类型，其中一种多级膨胀气动发动机外观及工作 原理如图1 1 、1 2 所示： 在这种类型的气动发动机里，储存在高 压气罐中的压缩空气经过减压，依次进入多 个气缸推动活塞做功，在前后各气缸之间设 置了热交换器，以利用外界空气中的热能， 提高发动机的效率。这种发动机提高效率的 手段是设置热交换器以使高压空气尽可能 的释放，从而得到经可能多的对外输出功， 获得较高的效率。 图1 - i 帅i 多级膨胀发动机外观图 图卜2m d l 多级膨胀发动机原理图 虽然m d i 公司发布了如上所示多级膨胀气动发动机的图片，但关于其发动机 的具体性能并没有公布，有关多级膨胀气动发动机特性的研究报告也未见相关的文 献报道。 图卜3 所示的是m d i 公司所设计的气动汽车快速加气站外观和布置图，加气 站主要由大功率高压压缩机及站内储气罐组组成，将一台车载容积3 0 0 l 的气罐充 2 第一章绪论 气至3 0 m p a 所花费的时间在3 分钟以内。 图1 3m d i 快速加气站 图1 - 4m d i 快速加气站布置圈 美国华盛顿大学( u n i v e r s i t yo f w a s h i n g t o n ) 在美国能源部的资助下，1 9 9 7 年研 制了一台以液氮为动力的气动原型汽车【8 1 。他们使用的是液氮受热膨胀后产生的高 压气体在气动发动机内做功来为汽车提供动力，因此，对于发动机来说与使用压缩 空气的气动发动机没有区别。 华盛顿大学使用的气动发动机是由一台旧五缸直列式活塞发动机改造的，参与 研究的mc k n o w l e n d 等在文献中分析了气动发动机工作过程并进行了仿真分析， 同时指出提升发动机效率的有效途径是高压气体在发动机中的膨胀做功过程接近等 温过程f j 纠研。c k n o w l e n d 等通过仿真说明小缸径大冲程以及低转速将有利于使发动 机的工作过程接近于准等温膨胀过程。同时，为增强发动机工作过程中与外界环境 的热交换，文献中还提出了将气缸中的缸盖和活塞顶设计成锯齿状以增大热交换面 积，并在缸盖中循环流动导热剂以强制将外界热量传导到气缸中的设计，如图1 - 6 第一章绪论 所示。 图1 - 5 华盛顿大学气动发动机外观图图t - 6 华盛顿大学气动发动机设计概念图 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发动机【l9 。，并进行了台架试验。 m a r q u a n d 教授的气动发动机重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，总的热交换面积可以达到1 4 2 ，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 。m a r q u a n d 教授设计的气动汽车也采用了能 量回收系统，该系统的特点在于它的目的在于回收制动系统在刹车时产生的热能， 利用流动的空气在冷却刹车片的同时将热量引导到热交换器中去，实现能量的回收。 图t - 7 英国m a r q u a n d 教授气动发动机 最近，澳洲的e n g i n e a i r 公司声称发明了一种只有两个运动机件驱动旋转式发 动机，该发动机安装在公园维修车上，采用的不是活塞式结构，而是偏心转子式的， 重量只有1 3 蚝，功率却相当于5 lv 8 汽油机。据报道，装备这种引擎的机动车在 4 第一章绪论 墨尔本进行试驾时，最高时速可达5 0 公里【2 0 l 。 图1 - 8e n g i n e a i r 公司气动汽车外观图图1 - 9e n g l n o a ir 公司发动机原理图 气动汽车实用化的关键在于如何有效利用高压空气的有效能，提高能量利用 的效率。气动汽车属于气动系统，从节能角度来看，气动系统要比液压系统和电气 系统效率低很多。1 9 8 8 年m i t s u o k a 从能量转换的角度对这三种方式驱动系统的效 率进行了研究，认为当时的电气系统效率为8 0 ，液压系统效率为4 0 ，而气动 系统的效率仅为2 0 ，并估计将来能够达到的可能值是电气系统为9 0 ，液压系 统为7 5 ，气动系统为4 0 2 。从这个结果可以看出气动系统在节能的角度来说 是较差的，但同时也说明了气动系统节能还有很大的改善空间。对于气动汽车这一 特定的气动系统，虽然各研究机构都有相关的研究成果，但关于其动力系统能量损 失的具体情况，并有针对性地进行分析和研究的工作目前还没有文献报道。 迄今为止，国内主要有浙江大学进行了气动汽车的研究工作，其它的未见文献 报道。但是在有关气动发动机相关的气动马达和其他气动系统方面，国内有一些学 者做过一定的研究，提出了以选择合适的膨胀比来提高压缩空气利用效率的方法 2 2 - 2 6 。 目前浙江大学已经取得的研究成果有：活塞式气动发动机单级及两级建模，普 通燃油发动机改造为气动发动机、气动汽车整车动力集成、试验液氮发动机理论与 实验研究等。 目前装配好的压缩空气动力汽车原型车，如图1 1 0 所示，采用4 5 0 l 的气罐 作为气源，搭载由内燃机改造得来的四缸单级膨胀气动发动机。试验结果表明，汽 车最高时速 3 0 k m h ，由0 加速到3 0 k m h 的时间约为1 5 s 。经济性方面，储气瓶充 气至1 2 m p a 时，平均时速3 0 k m h 时，平坦路面上最大行驶里程约5 k m 左右。试 验技术数据离理论计算及实际应用还有一定差距。 第一章绪论 1 3 主要研究内容 图1 - 1 0 浙江大学研制的气动试验汽车 本课题研究的目的是在气动汽车发动机探索性研究的基础上，通过对气动汽车 动力系统的能效分析明晰系统能耗的分布情况，探索提高系统效率的方法，并针对 可更充分利用环境热能，更充分释放压缩空气能量的多级膨胀气动发动机和混合动 力气动汽车开展研究，同时对气动汽车在加气站快速充气过程进行分析，研究加气 站参数设置对加气过程的影响，为气动汽车实际应用做好配套工作。因此，本课题 的主要研究内容分为如下四个部分： ( 1 ) 气动汽车动力系统炯分析 应用热力学理论和毋h 分析方法，对气动汽车动力系统各主要环节在工作 过程中能量损失情况进行研究，建立系统的炯分析数学模型，计算得到系统的 娴流图，为提高系统效率提供参考。 ( 2 ) 两级膨胀气动发动机试验研究 在前期对两级膨胀气动发动机理论研究的基础上，重点开展两级膨胀气 动发动机的设计和试制，完成两级膨胀气动发动机的实验研究。 ( 3 ) 混合动力气动发动机热力学分析及建模 考虑能为压缩空气膨胀过程提供除环境外热源以提高发动机效率的混合 动力气动发动机结构，对内燃一气动共体式混合动力气动发动机工作原理和特 点进行研究，并应用热力学进行分析，建立了该类型发动机的数学模型，为其 研究工作的进一步开展打下基础。 ( 4 ) 气动汽车快速加气过程研究 运用变质量系统热力学和气体动力学理论对快速加气站充气系统进行分 6 第一章绪论 析，建立气动汽车快速加气站的数学模型，并基于该模型对快速加气过程进行 了数值仿真分析，掌握加气过程中气站和车载气罐中气体状态的变化规律，为 类似加气站的设计和建设提供支持。 7 第二章气动汽车动力系统j l i 】分析 第二章气动汽车动力系统烟分析 目前气动汽车研究面临的主要问题是气动汽车动力系统效率较低，车载有限的 高压压缩空气的能量得不到有效的利用，限制了气动汽车的行驶里程。了解系统中 能量损失的性质、大小与分布等具体情况，找到其中的薄弱环节并加以针对性的改 进是提高气动汽车动力系统效率的关键，这需要对系统进行全面的能量分析。目前 能量分析的方法有两种，第一种是依据能量的数值守恒关系，即热力学第一定律进 行的“能分析”；另一种是依据能量中炯的平衡关系，即热力学第一和第二定律进 行的“焖分析”。实践表明炯分析要比能分析更可选、更深入与更全面，在揭露损失 原因、部位以及指出改进方向等方面能提供科学的正确的信息【2 ”。在对气动汽车动 力系统进行炯分析方面目前还没有相关的研究报告，本文将在前期对气动汽车动力 系统研究的基础上，开展相关的工作，以期为提高该系统的效率提供帮助。 2 1 气动汽车动力系统工作过程 气动汽车动力系统主要由车载高压储气罐组、高压减压阀、流量调节阀、气动 发动机和串连这些部件的管道等组成，如图2 1 所示。车载高压储气罐组中的高压 空气流出气罐后通过节流阀减压至设定的压力，作为发动机的进气。随后的流量调 节阀用于控制进入气动发动机气缸的气体流量，以此调节发动机的转速，适应不同 工况的要求。在气缸中膨胀做功的气体的压力并不能最终降低到大气压力，而是以 一定的残余压力在工作循环结束时通过排气门排放至环境中。 储嚣表见压熊巷器 毫耐f 莘 高速大流量田：蝌信号j | 拦 锄：珀闺乎_ 压力传感器一 热交换器 热交笋嚣i 发动机配 流量调节阔 压力传感器i 二：= 寻 捧气管厶要蓑嘉 图2 - 1 压缩空气动力汽车气动回路示意图 8 第二章气动汽车动力系统佣分析 在系统工作过程中，能量流动的情况如图2 - 2 所示。由图中可以看出，气动汽 车动力系统的几乎所有能量来源于车载气罐组中高压气体的压力能，部分来源于经 过热交换器时从环境中吸收的热量。气体由气罐出来后的各个环节均存在不同的能 量损失情况，主要有流过管路和接头等处时壁面摩擦引起的能量损失；高压减压阀 减压过程中气体状态不可逆变化过程引起的能量损失：气体在发动机内的膨胀做功 过程，存在泄漏、尾气带压排放等情况，是不可逆过程，也将引起能量损失。以上 环节是本文进行 鼹分析的重点，考虑到气体的粘性很小，且管道长度较短，气体与 管壁摩擦引起的损失可以忽略，同时，流量调节阀由于一般通径较大，对气体状态 影响较小，引起的能量损失也较小，因此本文研究中也暂不考虑。 图2 _ 2 气动汽车动力系统工作过程能量流动简图 2 2 气动汽车动力系统煽分析模型 2 2 1 车载气罐存储的能量分析模型 由热力学第二定律可知，在不考虑气体的宏观动能和位能时，车载气罐中高压 气体所具有的有效能量即其焓堋。气体的焓佣包括压力炯和热删，其中热佣是初始 状态气体温度相对于环境温度不一致所具有的能量，但除在充气完成的时刻气罐内 气体温度略高于环境温度外，一般情况下车载气罐中气体初始温度接近环境温度，可 视其热佣为0 。因此，车载气罐中高压空气存储的能量主要是压力煳，可由下式计算： e o = m c 0 r 不i n ( p 。p o ) ( 2 1 ) 式中：反为气罐内气体所具有的焖，m 。o 为车载气罐内气体总质量，p c 为车载气罐内 空气压力，珈为环境压力，死为环境温度，r 为空气气体常数。 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，罐内气体的 状态变化将会直接影响到后续各个环节的热力学过程，因此必须加以明确。取车载 气瓶空间作为一个整体设为控制容积进行热力学分析，控制容积内气体状态变化规 律满足能量守恒方程，因为气瓶为刚性容积，对外做功始终为0 ，且高压气罐的材 料导热性能较差，气体接近绝热变化中，因此与外界热交换也为0 。假定在工作过 程中任一瞬时，高压气体经由气罐出口所在截面以速度放出，瞬时放气质量如下 9 第二章气动汽车动力系统嘏| 分析 式所示： d m 。= p 。a 。v o d t ( 2 2 ) 式中：m c _ 气罐内气体瞬时质量； p 。一出口处气体密度； 4 c _ 出1 3 处开i ：1 面积； t 时间。 气动动力系统的工作过程中高压气体在管道内的流动可视为一个稳定的流动过 程，因此，在气罐出口气体的瞬时质量流量应与发动机迸气口进气时的瞬时质量流 量相当。 冬：孥 ( 2 - 3 ) 出 d f ” 式中：m 广发动机气缸内气体瞬时质量。 由于气动发动机的工作过程是分为进气和排气两冲程的高速运转过程，进气是间 歇而不连续的，为简化计算，本文将发动机一个工作循环的平均进气流量作为该循 环经历时刻的瞬时流量，即： 亟d t = 甏6 0 k c z 川 。 ， 式中：胛发动机转速； p 广发动机进气口处气体密度： 玩一发动机气缸排量； 缸气动发动机膨胀比，由下式计算： 后c2 管( 2 - 5 ) 式中：_ 气动发动机一个工作循环中高压空气进气体积。 由式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 和式( 2 5 ) 整理可得 v c 2 意6 0 kp 麓e a p s ， f pf 、- 。， 在气动汽车动力系统中，车载气罐的出气口和管道通径较大，且气体的流速较低， 因此可视管道内气体压力和温度与气罐管内气体相同，设该瞬时罐内气体压力p c ， 温度为疋。 忽略势能的变化，该控制容积内气体满足如下能量守恒方程： 1 ，2 d 致= ( 魄+ ) d ( 2 7 ) 第二章气动汽车动力系统堋分析 利用理想气体性质，上式可写为 ( 勺正+ 导) d m 。= d ( ) = d + d 致= c ，m 。d 疋+ c ，t d m 。 式中：c 广气体等压比热； g 气体等容比热。 因此上式整理可得 t o ( c 一c v ) + 等 d 互= 上咖。 c v n c 控制容积内气体的状态变化同时满足气体状态方程： 鼠圪= 他r 瓦 式中：瞻一车载气罐容积； r - _ 气体常数。 ( 2 - 8 ) c - 9 ) ( 2 1 0 ) 2 2 2 高压减压阀的煳损失模型 目前气体高压减压阀一般采用节流减压方式，通过采用节流元件使高压气体在 流动过程中产生摩擦功耗来实现的。在管道中流动的流体，在经过截面突然缩小的 阀门、狭缝和孔口等设备时，会发生不可逆的压力损失而使流体的压力降低，在这 个过程中气流与外界交换的热量很少，可以认为是绝热的，也称为绝热节流，可建 立如图2 - 2 所示绝热节流过程物理模型。 图中：p l ，五，朋，e x i ， 比焓、比熵；见，死，见， 娴、比焓、比熵。 温度、密度、比焓蝴、 力、温度、密度、比焓 若节流前后的状态稳定，那么这一过程为稳定流动过程，则稳定流动能量方程 第二章气动汽车动力系统堋分析 可表示为 1 q = m ( h ：一h i ) + = m ( ”：一“：) + m g ( z 2 一z 1 ) + w ( 2 1 1 ) 二 式中：开r 通过节流口的气体质量； q 热力过程中气体与外界交换的热； 形热力过程中气体与外界交换的功： 们节流口前气体的流速； l r 节流口后气体的流速； z l 节流口前位置高度； z 2 节流口后位置高度。 对于绝热节流过程，介质与外界没有热交换，对外也不做功，所以0 = o ，形：o ； 同时，节流进、出口处的流速和位置高度一般不会发生变化，所以由此产生的动能 和位能变化可以忽略不计；因此，能量平衡方程可简化为 = 啊( 2 1 2 ) 虽然绝热节流过程为等焓过程，但也是一个典型的不可逆过程，因此，过程中 必然带来能量的不可逆损失，即娴损失。由于绝热节流过程是一种稳定流动过程， 可以应用稳定流动系统的烟平衡方程： & + 历巳l = 形+ ，z 乌2 + & o + 厶 ( 2 1 3 ) 式中；e o 一除环境以外的其他热源进入系统的热量硼； o _ 一系统温度r 下放给环境的热量煳； 矾一系统对外作出的轴功； 一盯一系统的内部煳损失。 由于在绝热节流过程中，、三q 0 、巩均为0 ，因此炯平衡方程可简化为 4 i ，= 历( 巳i 一巳2 ) ( 2 - 1 4 ) 节流前后的焓煳值可分别由下式计算： e x l = ( 啊一) 一t o ( 一s o ) 气2 = ( 一h o ) 一( 3 2 一j o ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 式中：两、矗0 一环境状况下气体的比熵和比焓。 由式( 2 1 2 ) 可知，绝热节流过程前后焓值相等，因此气体节流过程的炯损失 1 2 第二章气动汽车动力系统堋分析 表达式( 2 1 4 ) 可化为 4 = m r o ( h 一) = m t o a s ( 2 1 7 ) 一般实际的高压气体可以近似简化为理想气体，因此，绝热节流过程的熵增可 由下式计算： a s = r l n ( p , p 2 ) ( 2 一1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) ，则可得高压气体在节流减压过程中的烟损失为 4 吖= m r t oi n ( p 1 p , ) ( 2 1 9 ) 由式2 1 9 可以看到，高压气体在节流减压过程中的烟损失是减压前后压力比的 函数。值得注意的是，在气动汽车动力系统工作过程中，车载气罐中的压缩空气一 般中途不会得到补充，因此持续的放气过程将使气罐中气体的压力持续降低，节流 减压前后的压差也是随之变化的，所以计算系统效率时对于节流减压过程中总的炯 损失的计算取系统工作整个过程中压力比变化引起的瞬时烟损失积分后的平均值。 例如，设定进气为1 5 m p a 时，在不同压力比节流过程引起的炳损失与系统总可用能 的比值如图2 - 4 所示。 鬟 、 趔 丑 水 辎 出 攥 媸 靼 节流减压前后压力比 图2 - 4 节流减压有效能损失与系统总有效能比值曲线 2 2 3 气动发动机的删损失模型 以往复活塞式气动发动机为例，理想的工作过程中气缸内气体压力的变化如图3 所示，在图中l 点( 上止点) 进气冲程开始，进气门开启缸内压力迅速上升到进气 第二章气动汽车动力系统佣分析 压力p k 并继续向气缸内进气，推动活塞下行，对外做功。当活塞运行到由设定的膨 胀比确定的位置3 时，进气门关闭，封闭在气缸中的高压气体开始膨胀，压力能释 放，并继续推动活塞下行对外做功。当活塞运行到下止点4 时，排气门开启，缸内 气体向外排出，压力降低到大气压p o ，之后到达下止点5 ，活塞上行将缸内残余气 体排出回到上止点l ，完成一个工作循环。在这个过程中，由于结构和膨胀比有限 等原因，不可避免的存在一定的泄漏、尾气排放压力较高等情况，气体经历了一个 不可逆热力学过程，炯损失较大。以下对一个发动机工作循环内炯损失情况进行分 析。 p p m p o u t p o 在进气过程中，由于气缸内气体压力和温度保持不变，泄漏引起的堋损失即泄 漏气体自身具有的烟，为了研究泄漏的影响，定义进气阶段泄漏系数如下： 磊= l e a k ( 2 2 0 )钿一( -) 式中：石进气阶段泄漏系数5 珊。一进入气缸的气体质量； m l e a k l 进气阶段泄漏的气体质量。 则进气阶段泄漏引起的炯损失可由下式计算： 爿。，：鼻小。 c 瓦一写，一瓦( 勺h 荨一r h 百p m j c 2 2 ， 进气门关闭后气体在膨胀阶段膨胀做功，由于一般发动机转速较高，一个工作 循环中吸热量相对很小，对输出功的影响可以忽略，因此膨胀过程可视为绝热膨胀。 因为有泄漏的存在，气缸内气体的状态变化并不等同于定质量系统绝热变化过程， 是一个变质量热力过程。同理，定义膨胀阶段泄漏系数如下： 1 4 第二章气动汽车动力系统炯分析 受= 且 m e 一所l c a k l ( 2 2 2 ) 式中：参为膨胀阶段泄漏系数，埘l 碰为进气阶段泄漏的气体质量。 变质量系统热力学研究表明，引入过程多变指数，可以推导得到有泄漏存在时 绝热变化过程中气体状态参数变化规律【2 s l 。本文在此基础上，对于气动发动机膨胀 做功过程，引入过程指数a ，b ： 口=一里丛!i群n= 一黼i nl l k o ) ， ( 2 z ，) ( v l 仉) ( “ 扣h 瓦老丽) c v “ l n ( 1 u 亿z 。， l ( m 。一聊瓦j 、“。“。” 式中：厂一膨胀末态尾气质量5 正广膨胀初态气体温度( 即进气温度) ； 旷膨胀过程中的吸热量； 甜一空气的比定容比热容。 实际情况中由于发动机转速较高，气体在气缸中的膨胀过程很快，一个- i - 作循 环中吸热量相对很小，对输出功的影响可以忽略，可以认为9 = o 。 引入过程指数后，膨胀过程e e 热力学参数间的相互关系为 p v 。( 1 + 4 ) + 6 = c o n s t 。 ( 2 2 5 ) 丁矿( 。一1 1 + 4 ) ”= c o n s t ( 2 2 6 ) 由此可以计算有泄漏情况下膨胀功： w v = f p d 矿= i 南r 瓦 一1 1 ) “1 + + 扣1 。2 一：7 ， 而无泄漏情况下气体在气缸内绝热膨胀可以获得的膨胀功为 1 一( ) 1 】p i n 圪 形= j l _ 一( 2 - 2 8 ) 则膨胀过程泄漏引起的煳损失为 4 e 2 = w i 一，v ( 2 - 2 9 ) 由式( 2 - 2 5 ) 可以计算尾气压力： 第二章气动汽车动力系统| l i 分析 = ”m 。， 由式( 2 - 2 6 ) 可以计算得尾气温度： 7 二。= 7 二( 丢) 一1 x 1 + 4 + 6 c 2 ，。， 而随状态为( 胁，) ，质量为m d l - - 螽一磊) 的尾气排出气缸所损失的焖为： k 卜m k - r o ) - r o ( 咖和h 剀协s 2 ， 2 3 动力系统焖分析仿真计算 由以上分析建立的气动汽车动力系统堋分析模型可知，由于气罐中气体的温度 在系统工作过程中不保持恒定，将会影响到后续环节4 f h 损失的计算，需要在整个工 作时问段内进行积分计算。基于以上模型编写了数值计算程序，对不同工作情况下 系统的煳损失进行仿真计算。 在选取气动汽车动力系统相关参数为气罐组初始压力为3 0m p a ，总容积3 0 0l ， 发动机进气压力为1 5m p a ，发动机转速1 5 0 0r m i n ，总排量0 8l ，膨胀比为2 5 ， 发动机进气阶段泄漏系数为0 0 8 ，膨胀阶段泄漏系数为o 0 5 ，空气绝热指数k 为1 4 ， 空气气体常数r 为o 2 8 7k j ( k g 1 4 ) 时，计算得到系统烟流图如图2 - 4 所示。 气罐余气剩盒 发动帆机 械功输出 3 2 图2 - 4 气动汽车动力系统炯流图 由计算结果可以看到，由于气动发动机进气压力较低，节流减压比较大，节流 1 6 第二章气动汽车动力系统堋分析 损失过程损失了大量的压力炯，超过于总有效能的l 3 。同时发动机膨胀比较小，尾 气压力排放较高，且经历过程为绝热过程，温度低于环境压力的进气所具有的冷量佣 冷量也随之损失，因此尾气排放时的炯损失最多，占到接近总量的l 6 。泄漏损失在 娴损失的总量中虽然较小，但随泄漏系数的增大将迅速增大。再者气罐中在系统工 作的最后压力接近进气压力而无法释放出来的压缩空气中所剩余的能量也接近总有 效能的1 1 0 ，因此，由于以上多方面原因造成的拥损失，最后可用于做功输出的翻不 到总量的l 3 。分析以上结果，由于车载气罐的容积和充气压力主要由汽车的承载空 间、气罐的安全许用储气压力等动力系统外部因素决定，为保证足够的继驶里程， 在可能的情况下一般应取大值，在此不做进一步讨论。除此之外，可以看到节流减 压的压差、气罐余气压力主要由可以调节的进气压力决定，而在进气压力确定的情 况下，尾气排放压力、泄漏等主要气动发动机的膨胀比决定。因此，要提高气动汽 车动力系统的效率，必须针对进气压力和膨胀比于系统效率的影响进行深入研究， 为系统的优化设计提供参考。 2 3 1 进气压力对系统效率的影响 进气压力是气动发动机工作过程中易于调节控制的变量，对发动机的性能也具 有关键性的影响。在气动发动机配气相位一定时，气体在气缸中的体积膨胀比是一 定的，进气压力越大，尾气压力也会越大，尾气损失也越大。另外，进气压力是减 压环节的输出值，进气压力的变化将影响减压阀前后的压差，改变节流过程的煳损 失。气动汽车气罐中的余气压力基本上与发动机进气压力相等，相同条件下，进气 压力越大，则气罐余气压力越大，动力系统可以利用的能量越少。在气动汽车瞬态 能效分析中，保持2 3 节中仿真设定中主要参数不变，改变发动机进气压力，可以 得到进气压力对各环节能效影响曲线，如图2 - 5 。 由图2 5 中可以看到，当发动机进气压力肋增大时，虽然节流减压环节因为压 差减小能量损失减小，但尾气、泄漏和气罐余气所占有的有效能迅速增加，因此发 动机能输出的机械功略有增长后持续减小。仿真结果表明，在保证效率及续驶里程 的前提下，发动机的工作压力取1 5 3 m p a 为宜。 第二章气动汽车动力系统堋分析 进气压力p ：( m p a ) 1 发动机输出机械功2 节流减压损失 3 尾气损失4 泄漏损失5 气罐余气剩余有效能 图2 - 5 进气压力对系统效率的影响 2 3 2 发动机膨胀比对系统效率的影响 在气动汽车瞬态能效分析中，保持2 3 节中仿真设定中