（动力机械及工程专业论文）气动发动机工作过程理论与实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 y b t i u ： 1 3 摘要 摘要 日盏严重的环境问题和紧张的石油资源使汽车工业的发展面临着严重的挑 战。为此世界各国相继出台了有关政策法规，一方面用以严格限制发动机的有害 排放，另一方面积极鼓励清洁汽车的研究开发。 气动汽车是清洁汽车的一种，采用气动发动机作为动力装置。气动发动机是 采用高压空气储存能量，通过高压气体在发动机气缸内膨胀实现机械能输出的动 力装置。它不仅能使交通能源多元化，而且可以实现尾气污染零排放。 本文咀气动发动机为研究对象，主要完成以下工作： 1 从理论上建立了气动发动机理想的工作过程，从可用能量分析的角度探 讨合理的膨胀初始压力和膨胀方式。对于3 0 m p a 压缩气体，提出分级膨 胀更有利于提高发动机的经济性能，并通过计算得到最优的膨胀级数。 2 设计了新型的旋转阀配气机构，基于采用此配气机构的发动机，建立理 论的缸内压力曲线数学模型，较好地预测了缸内的压力变化趋势，但与 实验结果相比，在量值上存在较大的差异。 3 选择r n g k 一湍流模型，基于c f d 软件f l u e n t 平台，对进气道流场进 行数值模拟。 4 模拟结果进行分析，得出气体在气缸内的能量以流动动能和静压力能的 形式存在，由于流入气缸的气体动能不能完全转化为静压力，致使实验 所得的压力曲线没有理论计算结果饱满。同时发现，旋转阀的流量系数 主要随着其开度增加而增大，受进出口压力比的影响较小。 5 搭建气动发动机的实验台架，分析缸内压力的变化规律，探讨进气时刻 对发动机性能的影响，发现最佳的进气时刻为上止点。 6 在上止点进气的隋况下，对气动发动机进行动力性能和经济性能实验。 研究发现，实验用发动机在转速为1 0 0 0 r r a i n 时，输出功率最大，在低速 ( 1 2 0 0 r m i n ) 的工况下运行具有较好的经济性能。当发动机工作在高负 荷区时，发动机也具有较好的经济性能。 7 根据理论和实验分析结果，提出一种有利于提高发动机经济性能的配气 机构设计方案。 关键词：气动发动机旋转阀配气机构理论模型流场模拟示功图 实验研究性能分析 塑坚查堂堡主堂堡笙奎! ! 蔓 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa u t oi sc h a l l e n g e db yt h em o r es e r i o u sp o l l u t i o na n dt h e s h o r t a g eo f 口e t r o l e u m ，m a n yc o u n t r i e sm a k em a n y r u l e sa n dp o l i c i e sf o ri t sf u i r t h e r d e v e l o p m e n t ，w h i c ha r e s t r i c tw i t ht h ed e l e t e r i o u se x h a u s ta n de n c o u r a g et h er e s e a r c h o fc l e a na u t o t h e a i 卜p o w e r e d c a ri so n eo ft h ec l e a na u t o s ，w h i c hi sd r i v e nb yt h ea i r - p o w e r e d e n g i n e ，w h i c h i st h ep o w e rm e c h a n i s mt h r o u g hc h a n g i n gt h ee n e r g y s t o r e di n c o m p r e s s e d a i ri n t om e c h a n i c a le n e r g y i tn o to n l ym a k e sa u t o sh a v em o r er e s o u r c e s ， b u ta l s om a k e sa u t o sn op o l l u t i o n 1 1 1 ea i r - p o w e r e de n g i n ew a ss t u d i e di nt h i sp a p e ra n da l lo f t h ef o l l o w i n gw e r e c o m p l e t e dd u r i n g t h i sc o u r s e 1 t h ei d e a lw o r kp r o c e s sw a se s t a b l i s h e do nt h e o r y t h er e a s o n a b l ei n i t i a l p r e s s u r ea n d t 1 1 em o d eo f e x p a n dw e r ed i s c u s s e db y t h ea n a l y s i so fa v a i l a b l ee n e r g y m u l t is t a g e so fe x p a n dw a sp u tf o r w a r df o rt h ec o m p r e s s e da i rw i t ht h ep r e s s u r e 3 0 m p aa n dt h eo p t i m a ls t a g e so f e x p a n dw a sr e a c h e d 2 t h e c i r c u m r o t a t i n g v a l v ew a sd e s i g n e da n dt h et h e o r e t i c a lm o d e lw a s e s t a b l i s h e df o rt h ep r e s s u r ei nt h ec y l i n d e r t h em o d e lc a r lf o r e c a s tt h et r e n do ft h e p r e s s u r e b u t t l l e r ei ss o m ed i f f e r e n c ei nt h eq u a n t i t y 3 b a s e do r lt h ec h a r a c t e r so fi n t a k ef l o w , t h ef l o wf i e l dw a ss i m u l a t e dw i t ht h e r n gk 一占t u r b u l e n c em o d e l 4 a st h er e s u l t s t h ee n e r g yo ft h ea i ri nt h ec y l i n d e ri n c l u d e st h ee n e r g yo ff l o w a n dt h es t a t i cp r e s s u r ee n e r g 弘砌si st h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e a s o nf o rt h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n d i c a t e dd i a g r a m t h ej a w o p e n i n gi n f l u e n c e dt h ec o e 伍c i e n to f f l o wm o s t l y 5 n l ee x p e r i m e n t a lb e n c hw a se s t a b l i s h o d t h e o p t i m a lt i m e o fi n l e tw a s o b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fi n l e to p e nt i m eo nt h ep e r f o r m a n c eo f e n g i n e 6 w h e nt h ei n t a k ep r o c e s sb e g i n sa tt d p , m a n y e x p e r i m e n t sw e r ed o n e a st h e r e s u l t s ，t h eo u t p u tp o w e ri sm o s ta tt h es p e e do f1 0 0 0 r m i n w h e nt h es p e e di s1 0 w e r t h a n1 2 0 0 r m i 玛t h e e n g i n eh a sb e t e re e o n o m i c a lp e r f o r m a n c e w h e n 血ee n g i n e o p e r a t e sw i t hh i 曲i o a d ，i ta t s oh a sb e t t e re c o n o m i c a ip e r f o r m a n c e 7 b a s e do nt h e s er e s u l t s ，ad e s i g ns c h e m eo fv a l v ew i t h h i l g he f f i c i e n c yw a sp u t f o r w a r d k e yw o r d s ：a i r - p o w e r e de n g i n e ；c i r c u m r o t a t i n gv a l v e ；t h e o r e t i c a l m o d e l ； s i m u l a t i o no ff l o w ；i n d i c a t e d d i a g r a m ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ； a n a l y s i so fp e r f o r m a n c e n 堑望查堂堡主兰垡堡塞 一苎二兰! ! 兰 第一章绪论 经过1 0 0 多年的发展，当今世界的汽车保有量已近7 亿辆，而且正以每年上 千万辆的速度增长。这么庞大的汽车队伍在给人们带来了极大物质享受的同时， 给能源利用和环境保护带来了严重的负面影响。为此世界各国相继出台了有关政 策法规，一方面用以严格限制发动机的燃油消耗和有害排放，另一方面积极鼓励 清洁汽车的研究开发。 1 1 汽车发展面临的挑战 1 1 1 能源问题 车用燃料是汽车工业的血液。目前，汽车燃料仍是以石油产品中的汽油和柴 油为主。随着汽车保有量的急剧膨胀，燃料被大量的消耗，造成了石油产品供需 矛盾日益严重。中国是世界上第二大能源消费国，目前的石油消耗量超过3 5 0 万桶每天，预计2 0 1 5 年将达到1 0 5 0 万桶每天。我国每年的石油产量增长率是 2 3 ，而汽车保有量增长为1 4 以上，石油短缺严重。2 0 0 0 年，我国进口石 油为7 0 0 0 万吨，其中汽油缺口为3 0 左右，柴油缺口为6 0 7 0 。预计2 0 0 5 年后石油进口总量将超过1 亿吨，相当于科威特一年的石油总产量。石油属于非 再生能源，随着人类无限的开采和消耗而逐渐减少，终将枯竭。有人估计，全世 界的石油储量只能维持使用4 5 年左右。 1 1 2 环境问题 由于近百年来人们对环境问题的忽视，全球环境恶化成了现代化不应该付出 的代价。近年来，空气污染、酸雨、温室效应以及臭氯层破坏成了全球性的严重 环境问题，威胁着人类的生存，引起了全人类的关注 2 1 。我国也不例外，特别是 些大城市，空气污染十分严重。在大城市的污染中，汽车尾气是罪魁祸首，常 占总污染羹的4 0 - 5 0 。 环境问题是汽车发展面临的另一个巨大挑战。汽车发展对环境带来的主要问 题是大气污染、噪声污染。随着机动车数量日益增加，中国大气污染由工业废物、 煤炭烟气型向光化学烟雾转变f 3 】。大城市中，汽车排放物中c o 分担率占6 3 ， n o 。占2 2 ，h c 占7 3 。美国的大气污染物排放重6 6 的c o ，4 3 的n o 。 3 1 的h c ，3 3 的c 0 2 ，2 0 的微粒均来自汽车的尾气排放，2 0 世纪7 0 年代以 来各国已相继投入大量的人力、物力进行治理，但是每年由汽车排入大气的污染 物数量仍然相当可观，全球汽车年度废气排放量，1 9 9 0 年为4 3 1 0 8 t 2 0 0 0 年 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 为4 9 1 0 s t 。因此，汽车对大气的污染成为城市大气污染的主要污染源。2 0 0 0 年中国城市状况公报表明，在监测的3 3 8 个城市中6 3 5 的城市超过国家大气质 量的二级标准，其中超过三级标准的有l 1 2 个，占监测城市的3 3 1 a 目前世界 上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国。按照国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染的6 4 。 交通噪声是城市噪声公害的重要来源之一，随着汽车保有量的发展，城市噪 声愈来愈严重，据国家环境质量公报报告，2 0 0 0 年监测2 1 4 个城市道路交通噪 声等效声级范围在5 6 2 8 0 7 d b 之间，8 9 的城市污染较重，2 2 4 城市声环境 质量较差，重点城市道路交通噪声基本处于轻度污染状态【3 j 。 1 1 3 总体解决措施 为解决汽车的发展所带来的能源和环境问题，以实现可持续发展战略，要求 汽车工业提高能源利用率，减少污染物的排出量。当前采取的措施主要包括两个 方面：采用新技术降低排放与燃油消耗率；使用新能源。 目前国内外已经和正在采用下列“清洁汽车”措施： 1 采用先进的具有电子喷射控制系统的电喷发动机取代传统供油系统的发 动机，加装三元催化系统，采用废气再循环( b g r ) 等。这些新技术的使用有利 于降低发动机的排放与燃油消耗率，提高发动机的动力性能。 2 采用压缩天然气( c n g ) 和液化石油气( l p g ) 等清洁的能源代替汽油 和柴油，不仅可以节省宝贵的石油资源，而且可以明最减少h c 、c o 和n o ，的 排放。 3 开发零排放汽车，从根本上解决环境污染问题，实现交通能源的多元化。 例如气动汽车、电动汽车等。 上述改善汽车环保性能的种种技术措施，无论是采用电子控制技术的发动 机，还是采用清洁燃料的发动机，都是以内燃机为基础，无论怎么改造，都是燃 烧碳氢化合物，只能降低污染气体c o 、h c 、n o x 和c 0 2 的排放量，为了使汽 车尾气污染物排放接近甚至基本达到零，人们正试图改变汽车的传统动力装置一 一内燃机，开发所谓的超低排放或零排放汽车，它们主要包括以下两大类： rb e v 电动车 jf c e v 燃料电池汽车 ( 一) 电动汽车 太阳能汽车 lh e v 混合动力汽车( 只能改善汽车排放，不能达到 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 二) 气动汽车 r 压缩空气汽车 l 液氮汽车 1 2 电动汽车技术 1 2 1 电动汽车的特点 污染低：电动汽车由电力直接驱动，在行使中不排放有害气体，即使电动汽 车所消耗的电力由使用石油燃料的火力发电厂提供，其大气污染物主要为n o x ， 根据电动汽车所消耗电力折算出以火力发电估计n o x 的排放量，也不到同类汽 油车的1 0 f ”。 可使用多种能源：由于电动汽车使用二次电力能源，其不受石油资源的限制， 可利用核能、水力、太阳能等，从而可以节省日益桔竭的石油资源l ”。 效率高：电动汽车没有怠速损失，在制动时能回收能量，8 0 以上的电池能 量可由电动机转为汽车的动力，及时考虑原油的发电效率、配送电效率，充放电 效率等。其最终效率比内燃机高。 噪声低：发动机性能是影响汽车噪声、振动大小的重要因素。传统汽车和电 动汽车相比，有动力部分引起的噪声和震动，特别是在加速时，电动机的噪声和 振动要比发动机低得多。 更有利于智能化：由于电动汽车已达到电气化，所以电动汽车系统中更有利 于采用先进的电子信息技术，提高汽车智能化程度。电动汽车的电动机控制系统， 可与各个电子控制系统包括无级变速、a b s 、制动能量回收系统，安全气囊系统、 自动空调系统相协调，在电动汽车上实现计算机智能控制4 引。 1 2 2 电动汽车的研究现状 1 国外电动汽车的研究现状： 在美国、目本、欧洲等发达国家，电动汽车已开始进入实用化阶段。由于高 新技术发展的推动和政府对汽车排放越来越苛刻的要求，各大汽车公司投入大量 的人力、物力和财力用于电动汽车的开发，不断的推出自己的新产品【9 】。 通用汽车公司1 9 9 6 年推出一款镍金属混合电池电动汽车，2 0 0 0 年又推出一 款混合动力汽车，该车百公里平均油耗只有2 9 4 l 。同年，研制出“氢动一号” 概念车。2 0 0 1 年，推出了雪佛兰s 1 0 型燃料电池轻型载货汽车，其燃料电池动 力系统采用了该公司研发的g e n i i i 型汽油重整器，这是世界上首台车载汽油重 楚器，开创了燃料电池汽车迈向实用化、商用化之先河。 福特汽车公司一直致力于新型无污染汽车的开发。1 9 9 8 年，福特推出r m g c r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电动卡车，该车使用阀控式免维护9 0 8 k g 铅酸电池，一次充电行驶里程为8 0 k i n ， 并能在1 2 5 s 内加速至8 0 k i n h ，与汽油驱动的r a n g e r 车相似。2 0 0 0 年，福特推 出f o c u s 牌燃料电池轿车，该车使用巴拉德公司制造的质子交换膜m a r k 9 0 0 型 燃料电池组。2 0 0 2 年，福特汽车公司采用最新的混合动力电动汽车技术与先进 的新式燃料电池打造了一款全新的高效率、零排放福特f o c u s 轿车。 雷诺公司2 0 0 0 年与5 个欧洲合作伙伴( 意大利d e n o r a 和a n s a l d o 公司、瑞典 v c l v 0 1 d 、法国e c o l e d e s 矿业工程学院及液化气公司) 共同研发出一辆燃料电池 车，该车电池组的输出功率为3 0 k w ，携带8 k g 液态氢可连续行驶4 0 0 k i n 。另外， 该车还装有制动能量回收系统。 丰田公司一直走在电动汽车技术研发的前列，尤其在燃料电池汽车技术方 面，一直保持优势地位。1 9 9 6 年研制出首辆直接使用液态氢作为燃料的r a v 4 型燃料电池汽车，该车采用密封型镍氢电池和永久磁铁式同步马达，每次充电后 可行驶约2 0 0 k m ，最高时速为1 2 5 k m h ，额定乘员为5 人。2 0 0 1 年，该公司又以 m u g e rv 为原型车试制出f c h v 4 型燃料电池车并投入道路行驶试验，该车最 高车速达到1 5 0 k m h 。 本田公司自8 0 年代末就开始了电动汽车的研究开发，1 9 9 6 年终于推出了本 田的e v 车“p l u s ”。该车装备高能镍氢蓄电池，充电一次可行驶2 1 0 - - 3 5 0 k m ， 最高时速可达1 3 0 k m h 。另外，本田公司近年来也一直在从事燃料电池技术的基 础性开发。1 9 9 9 年9 月，首次研制出2 辆燃料电池汽车，其中一辆是独立自主 开发的，以甲醇为间接燃料，另一辆装用巴拉德公司提供的燃料电池系统。2 0 0 0 年，又推出f c x 型燃料电池概念车。2 0 0 1 年7 月，f c x v 3 型燃料电池车投 入公路试验。2 0 0 1 年9 月，该公司进一步推出了f cx - 一v 4 ，该车带有3 5 0 个大 气压的高压氢罐，一次充装可续驶3 0 0 k m ，最高时速为1 4 0 k m h 9 。l l 】。 2 国内电动汽车研究现状 我国首辆电动汽车于1 9 6 6 年在上海问世。1 9 7 7 年、1 9 8 3 年相继有型号为 s h d l 7 0 、s h d 6 1 0 两辆电动汽车试制并作技术测试，但均因蓄电池技术指标低而 制约了整车技术性能。2 0 世纪9 0 年代起，我国掀起了电动汽车研制的热潮，北 京、上海、天津、武汉、合肥等地的院校、汽研所、汽车厂纷纷研发了微型电动 轿车、微型厢式电动车、电动大客车等l l ”。 近几年来，由于我国政府的重视，在科技部和各省市科委的指导与资助下， 国内大专院校、科研院所及相关企业在电动汽车的研究方面投入了一定的资金和 人力。 早在1 9 9 9 年清华大学就与厦门金龙汽车公司合作，联合研制成功国内第一 辆混合电动轻型客车。2 0 0 1 年5 月，清华大学还在清华园内运行自己研发的1 2 塑垩查堂堡主堂垡笙壅 一 一! 已! ! 堕 辆电动中巴。每辆车的续驶里程可达到1 2 0 k i n ，最高车速为8 0 k i n 。2 0 0 1 年6 月 我国首辆电动轿车( 概念车) 在湖北东风汽车公司问世。北京捷恒信能源技术公司 于2 0 0 1 年5 月研发配有镍氢电池作动力的2 辆混合动力豪华大巴，并开始在北 京经济技术开发区范围内上路试运行。2 0 0 2 年8 月上汽奇瑞公司混合动力车进 行第一阶段验收。北京时光科技有限公司( 国家投资公司和北京科技大学共同投 资6 0 0 0 万元注册成立的“产、学、研”高新科技企业) 开发了拥有自主知识产权 的全数字化交流伺服控制系统的纯电动轿车。该车在2 0 0 2 年1 2 月的中国( 北京) 国际电动车展览会上展出【1 1 “】。 我国也积极开展燃料电池汽车的研究工作，燃料电池技术是我国“九五”期 间的重大发展项目，主要内容包括“质子交换膜燃料电池技术( p e m f c ) ”、“熔 融碳酸盐燃料电池技术( m c f c ) ”及“固体氧化物燃料电池技术( s o f c ) ”三 大项目。其中“5 k w 质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。 经过多年的努力，我国电动汽车( b e v ) 的些关键技术与国际先进水平差 距并不大，部分核心技术属世界领先水平。在质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 方面，已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份 额上，可以并且有能力占有一定的比例i l ”。 1 2 3 电动汽车推广应用存在的问题 近几年来，国内外各大汽车公司纷纷投入了大量的人力物力进行电动汽车的 研发，并取得了丰硕的成果。但是，电动汽车( b e v ) 和燃料电池汽车( f c e v ) 的全面推广还存在诸多问题【”j 。 第一是技术问题。电池的关键技术是制约电动汽车发展的最重要的因素，这 一技术长期不能得以突破，在功率、快速充电、环保、寿命等方面成为电动汽车 发展的瓶颈。对于燃料电池汽车而言，还存在一些特殊的问题。燃料电池的质量 功率较低，燃料的储存问题以及成本高等原因都制约的燃料电池汽车的推广应 用。虽然各国不断有对电池技术发展的最新报道，但也都停留在实验室和小规模 实验范围内，到真正实用还有相当长的一段时间。可以肯定地说，电动汽车的整 体性能在短期内还无法与燃油汽车相比拟。 第二是产业化的问题。各国主要汽车生产厂商追求的主要目标都是以最低的 成本达到市场的最大化，尽可能地扩大现有产品的产量，最大可能地提高质量和 降低价格以占有更大的市场。x 寸予- e g 动汽车来说，由于目前有很多关键问题没有 得到彻底解决，使得整车性能不如传统汽车，而且价格昂贵。因此，将来很长一 段时期内，汽车市场占主导地位的仍然是燃油汽车，而不是电动汽车。 第三是使用硬件环境问题。由于电动汽车续驶里程短，充电时间长，所以需 要建设大量的充电站。不但目前的停车场没有这类充电设备，而且即将修律的停 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 车场也很少有考虑这方面的设备，因而汽车充电就成了大问题。另外，还有配件 供应和专业维修等一系列问题构成了电动汽车进入市场的障碍。 1 3 气动汽车技术 气动汽车是以气动发动机驱动的汽车。气动汽车的发展关键就在气动发动机 的研究和开发。气动发动机是将高压气体或低温介质储存的能量转化为动能的 种动力机械。 l _ 3 1 气动发动机的特点 气动汽车概念的提出，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，并以纯粹的氮气或空气作为工作介 质，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，故称之为气动 发动机。 气动汽车的发展将实现交通能源的多元化，可以利用较多的新型能源来发 电，并通过高压气体或者液氦来储存能量，为节约有限的石油资源起到积极的作 用l l3 ，”j 。其能量利用路线如图1 1 所示。 图1 1 气动发动机的能量利用路线 f i g l 1t h eu s i n gr o u t eo f e n e r g yf o r a i r - p o w e r e de n g i n e 在环保方面，采用压缩空气或者液氮可以不引入二次污染，这是电动汽车所 不能比拟的。如果采用清洁的能源来发电，制取液氮。也不会引入一次污染。就 是采用煤或者石油来发电，因为燃烧的废气中也含有大量的氮气，所以可以将其 废气液化来制造液氮，同时在液化的过程中，可以将一些有害气体分离出来。分 离出来的二氧化碳和污染物可以注射到已经枯竭的气井或者油井中，深矿中，以 及深海区，或者是其他储藏室，通过这样的处理，它们不会扩散到大气中，或者 它们通过化学反应变成有用的或惰性的物质。这将大大减少汽车排放的污辨 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 噪声污染小，这是气动发动机的另一个主要特点。气动汽车目前的研制目标 就是应用于城市的公共交通和旅游观光，这不仅可以为减少城市污染做出贡献， 还可以大大降低公共场所的噪声污染。对于环保要求较高的旅游城市或者景区具 有较广的应用前景。 此外，与内燃机相比，气动发动机的做功方式更简单，总体结构可以更紧凑。 由于气动发动机的工作温度较低，对于零部件没有热负荷可言，同时也没有较高 的爆发压力，所以对发动机的零部件强度要求较低，制造成本可以降低。同时通 过发动机的工作介质( 气体) 可以实现全车的气动化。 另外，通过气动发动机与内燃机混合驱动的方式，可以降低内燃机在怠速时 的排放，使内燃机在高效率、低排放的工况下工作。同时在高负荷的情况下，可 以启动气动发动机来增加汽车的动力输出。相对的，利用内燃机的高温尾气来加 大低温气体介质膨胀过程的换热可以提高气动发动机的经济性能。 1 3 2 气动发动机的研究现状 法国设计师g u r yn e g r e 于1 9 9 1 年获得了压缩空气动力发动机的专 利，并加盟m d l 公司，予1 9 9 8 年 推出了第一台空气动力汽车样车 ”。m d i 公司现正在南非约翰内斯 堡、墨西哥等城市推广基于压缩空 气动力发动机的城市用出租车，如 图1 2 所示。目前国外的研究工作 主要集中在法国工程师c , u r y n e g r e 图1 2气动出租车 f i 9 1 2a i r _ p o w e r e dt a x i 领导的研究小组，他们已获得相关的专利2 0 余项。美国人r u g e rl e e 也提出了 类似的专利；荷兰的国际汽车研究中心，以及奥地利等一些欧洲国家也正积极的 进行相关的研究f 1 7 1 8 ，2 0 】。 图1 3 压缩空气发动机外观和系统示意图 f i 9 1 3t h es k e t c ho f a p p e a r e n e ea n ds y s t e mo fc o m p o s e da i re n g i n e 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 是法国m d i 公司的压缩空气发动机的外观图和系统示意图，采用多 级膨胀的做功方式。图中的储气罐( a i rt a n k ) 充满高压的压缩气体，经过控制 阀向发动机供气，推动活塞做功。每级气缸之间由换热器( h e a te x c h a n g e r ) 连 接【1 4 】。 美国华盛顿大学于1 9 9 7 年研制了一台以液氮为动力的气动原型汽车 l n 2 0 0 0 ，是在一辆送邮件的有蓬货车上改装起来的。其总体布置与液氮循环如 图1 4 所示。工作时，液氦( l n 2 ) 经过低温泵( p u m p ) 升高至一定的压力，然 后进入换热器( h e a te x c h a n g e r ) ，液态的氮在换热器中吸收热量成为高压气体， 然后进入膨胀器( e x p a n d e r e n g i n e ) 膨胀做功，实现机械能的输出。 圈1 4 l n 2 0 0 0 液氰汽车示意图 隐1 4t h es k e t c ho f q u i dn i t r o g e n2 0 0 0 在国内，浙江大学动力机械及车辆工程研究所首次对气动发动机进行理论和 实验研究，已经取得较大的进展。目前正进行工作循环优化和结构优化设计方面 的研究。 国内外研究表明，气动发动机是可行的，具有突出的环保特性，符合汽车绿 色设计的时代精神。但是气动发动机的效率问题制约着其推广应用，所以探讨 影响其效率的因素，研究其影响规律具有重要意义。 1 3 3 关键技术 无论是压缩空气发动机还是液氮发动机，都是通过高压气在动力机械中的膨 胀，实现机械能输出的。同时，整个系统是串联系统，每一部分的效率对总体的 效率都有着决定的影响。所以对压缩空气发动机的动力机械部分的研究更具有现 实意义。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 有 前期的研究工作表明，影响气动发动机动力性能和经济性能的决定性因素 1 、配气机构。气动发动机的进气过程处于高压状态下，同时气动发动机的 动力输出就是由进入气缸的压缩气体的膨胀来实现的，所以迸气过程的 组织方式必将影响着发动机的动能性能和经济性能，合理的配气机构成 为气动发动机研制的关键技术之一。 2 、膨胀器。压缩气体在膨胀器内膨胀做功，必将引起气体温度的下降，此 时如果能与外界由足够的熟交换，就会使压缩气体的做功能力得到较大 限度的利用。 1 4 本文的主要工作 本文将围绕气动发动机的关键技术做一些理论和实验方面的探索性研究，主 要工作如下： 1 、从可用能分析的角度探讨气动发动机合理的膨胀初始压力和膨胀方式。 2 、设计较为含理的配气机构，并建立相应的工质压力变化数理模型。 3 、对进气道流场进行计算计仿真，探讨影响进气流动的因素。 4 、搭建实验台架，对实验样机进行实验研究，探讨影响气动发动机性能的 主要因素。 5 、根据以上研究工作，提出配气机构的改进设计方案。 浙江大学硕士学位论文 第二章气动发动机做功过程的理论分析 第二章气动发动机做功过程的理论分析 气动发动机主要是利用压缩空气储存的能量，膨胀过程直接影响着可用能利 用率。本章通过对可用能的分析，探讨合理的膨胀做功方式。同时建立采用旋转 阀配气结构的发动机的缸内压力曲线理论模型。 2 1 气动发动机的工作过程 目前，气动发动机的膨胀机构具有活塞式和转子式两种结构。由于活塞式的 膨胀机构与内燃机的结构相似，有剥于试验样机的改造。同时，活塞式的结构形 式可以为开展混合动力( 气动发动机与内燃机) 方面的研究做准备，所以文中研 究的对象选用活塞式。 气动发动机是利用压缩空气储存能量，通过高压气体在气缸内膨胀实现机械 能输出。完整的系统包括：压缩气体储存装置( 储气瓶) ，控制高压气体输出的 调节阀门( 控制阀) ，以及高压气体膨胀实现机械能输出的膨胀装置( 活塞式膨 胀器) 。其系统示意图如图2 1 所示。 l 控制阀 图2 1 气动发动机系统示意图 f i 9 2 1t h es k e t c ho f t h e a i r - p o w e r e de n g i n es y s t e m 高压气体通过控制阀进入发动机，在发动机的气缸内膨胀实现机械能输出。 在高压气体进入发动机的气缸之前，必须有合理的配气机构以实现进排气过程。 其中排气过程是将膨胀结束后的气体排出气缸，所以只要使发动机的排气门在膨 胀过程结束至进气过程开始处于开启状态就可以实现排气。所以对于发动机来 说，影响发动机的性能的主要因素包括两个部分，即进气过程与膨胀过程。本章 将主要从可用能利用的角度分析发动机的膨胀过程。 o 塑坚查堂堡主兰垡丝奎 璺三兰墨壁垄垫墼垡些鎏堡竺堡! 垒! 塑 2 2 气动发动机的膨胀过程 根据气动发动机的做功特点，其膨胀过程如图2 1 所示。图中过程1 2 为绝热膨胀过程，l 3 为等温膨胀过程，p ，为初始膨胀压力，p 。为大气压力， v 、为余隙容积，v ：，v 。分别为绝热膨胀和等温膨胀的终了容积。 从图2 2 中可以定性的看 出，对于一定质量的高压气体而。 言，等温膨胀过程比等熵膨胀过 一 程的对外做功能力要强。等温膨 1 胀过程中，工作介质将从环境中 吸收能量，始终保持与环境相同 的温度。实际的工作过程并不能 保持等温膨胀，在膨胀过程中工 质的温度下降，并且将从环境中 吸收一定的能量，所以实际的膨 ” 胀过程将是一个多变过程。对于 不同的动力机械，其多变指数不 同，为了简化计算，理论计算假 设其工作过程为等温或者绝热 过程。 图2 2 气动发动机的工作过程示意图 f j 9 2 2t h e s k e t c ho f w o r k p r o c e s sf o r a i r - p o w e r e de n g i n e 2 3 可用能分析 压缩空气发动机的工作循环的热力学过程如图2 2 所示。压缩空气经过配气 机构进入发动机气缸，此时其热力学状态为1 点( p 。，t 。) ，而后压缩空气按理 想的等温过程完全膨胀至状态5 ( p 0 ，t o ) 。1 5 过程是理想的做功过程。根据工 质流的比物理火用的定义1 2 1 ) ： p p h2 p 4 - p p ( 2 1 ) 式中，一比物理吠甩 以一比焓火甩 p b r 一r ，y弋 ， ，l 岷 烟 压吡 饿 想理于对 塑竖查兰堡主堂垡兰苎 苎三兰皇垫垄垫垫垡垫整堡堕里兰坌堑 e ，= 瓦参印= 删唼2 e o ) 眩， 式中，t 、p 一工质流的热力学状态参数 瓦、p o 一大气环境热力学状态参数 c 。扩) 一定压比热容 r 一理想气体状态常数 因此，焓姗和压姗均为工质流的状态参数，其中焓烟仅为温度的函数，压 j 土用仅为压力的函数。气动发动机工作在环境温度下，因此压缩气体的可用能大 小主要由气体的压力大小决定1 8 】。为了研究压缩气体的压力对高压气体储能的 影响关系，在常温状态下计算不同压力下的压缩气体的可用能，关系如图23 所 示。 z 。 蛔 箍 丑 图2 3 压缩空气发动机可用能随膨胀初始压力变化的曲线 f i 9 2 3t h e r e l a t i o no fu s e f u le n e r g ya n d e x p a n dp r e s s u r ef o r a i r - p o w e r e de n g i n e 从图2 3 中可以看出，随着膨胀初始压力增加，循环的可用能呈增加的趋势， 但是增加的幅度逐渐减弱。考虑高压空气储存的安全性，认为采用3 0 m p a 的常 温压缩空气是合理的。 根据公式2 2 和公式2 3 可以看出，气动发动机的做功能力受到环境温度的 影响。图2 3 中显示了按理论循环计算得到的压缩空气发动机在夏季( 环境温度 设为3 0 0k ) 和冬季( 环境温度设为2 7 3k ) i 作时可用能的对比，可以看出压缩 空气发动机在冬季的做功能力比夏季降低1 0 左右，则这种发动机在环境温度 比较高的地区应用效果较好。 浙江大学硕士学位论文 第二章气动发动机做功过程的理论分析 图2 4 所示是压缩空气发动机的输出功与膨胀初始温度的关系曲线，可以看 出不管是等温膨胀过程还是等熵膨胀过程，膨胀初始温度对发动机的输出功的 影响都是线性的，即提高膨胀初始温度将大大增加发动机的做功能力。因此认 为，利用传统内燃机可以产生大量排气废热的特点，在不要求绝对零排放的情 况下，采用气动和燃油混合动力可以改善压缩空气发动机的动力性能，从而使 得气动发动机更具实用性。 从图2 4 还可以看出，等温膨胀过程的输出功大大高于等熵膨胀过程，因此 对于压缩空气发动机来说，从理论上讲，如何实现缸内的等温膨胀过程是提高 其输出功率的关键技术之一。 ， 置 m 埘 鼍 亩 尊 图2 4 压缩空气发动机输出功与膨胀初始温度关系曲线 f i 9 2 4t h e r e l a t i o no f o u t p u to f a i r - p o w e r e de n g i n ea n d e x p a n dt e m p e r a t u r e 2 4 理论做功过程分析 根据实际情况的分析需要，将气动发动机的做功过程分为等温过程和绝热过 程。其过程曲线如图2 2 所示。由上述计算结果，常温下压缩气体的储存压力在 3 0 m p a 时比较合理1 4 1 。为了计算方便，在下文的计算中一般都按照3 0 m p a 的初 始膨胀压力来计算。 2 4 1 等温膨胀做功 假设气动发动机按照图2 2 中的等温过程膨胀做功，从状态1 ( 3 0 m p a ，3 0 0 k ) 到状态3 ( 0 1 m p a ，3 0 0 k ) ，其对外输出的技术功可由公式f 2 2 】： 砜，n 。， 计算得出。这里的，对于空气来说等于0 2 8 6 7 k j k g k ，t o 为3 0 0 k ，将 塑望查兰堕主兰竺丝壅 苎兰皇望堡型塑型望堕堕塑塑墅! 竺塑 p 】：3 0 m p a ，p 3 = 0 1 m p a 代入式( 2 4 ) ，得1k g 压缩空气等温膨胀过程对外输出 的技术功： w 崦甜= 4 9 0 6 k j 因为焓火用是温度的函数，所以在等温膨胀的过程中，焓火用保持不变。从公式 2 3 、2 4 可以看出，等温膨胀的技术功等于压力火用的大小，所以等温膨胀将压缩 气体的最大可用能全部转化为技术功对外输出，即等温膨胀过程技术功最大， 此时气动发动机的煳效率最高。 2 4 2 绝热膨胀做功 假设气动发动机的按照图2 2 中的绝热过程膨胀，从状态1 ( 3 0 m p a ，3 0 0 k ) 到状态2 ，状态2 的压力为0 1 m p a ，按照绝热过程的理论公式1 2 2 j i r 小( 竿 瓦；互f 詈f ( 2 5 ) f l 式中t j = 3 0 0 k ，p 2 = 0 ，1 m p a ，p 1 = 3 0 0 m p a ，绝热指数k = 1 4 ，代入计算得 t 2 = 5 8 ，8 k 。在状态2 ( o 1 m p a ，5 8 8 k ) 下，空气为液态，即在绝热膨胀的终点 不在2 点，在此之前就发生相变。 为了计算绝热过程的技术功，就必须在绝热膨胀的过程曲线上找到空气发生 相变的状态点。经过计算，在状态( o 7 5 m p a ，1 0 4 5 k ) 下，空气将会发生相变， 此状态的焓为- 2 0 8 7 k j k g 。在状态i ( 3 0 m p a ，3 0 0 k ) - f ，空气的焓为- 4 1 1 8k j k g 。 绝热膨胀过程的技术功等于膨胀初始和终了状态的焓差，所以此过程中1 k g 压 缩空气的技术功为1 6 7 5k j k g 。 从上述的计算结果可以看出，绝热过程的技术功仅约为等温过程的1 3 ，大大 的降低了压缩气体的做功能力。从图2 2 和计算结果中都可以看出，做功能力的 下降都是由于温度下降引起的。在绝热膨胀的过程中，可以看到压缩气体的压 火甩直接转化为技术功输出，同时由于温度的下降，焓炯也随之增加，随后排入大 气，这是引起压缩气体可用能损失的主要原因。 2 5 做功过程的优化 在压缩气体膨胀的过程中，如果气体能够从环境中得到热量，那么焓娴就没 有绝热过程下降的多，获得的热量越多，整个过程就越接近等温过程，即理想状 态。所以在压缩气体膨胀的过程中，应该尽可能的使气体从环境中吸收更多的热 量，提高压缩气体的焖效率。在实际的工作过程中，在极短的时间内压缩空气不 塑垩查堂堡主兰垡丝塞 苎三童墨垫茎垫塑堂婴里矍堕墨! 垒! ! 塑 可能从环境中吸收较多的热量来补偿温度的下降。如果采取分级膨胀的方式， 就可以在每一级的膨胀终了让气体吸收热量，即对气体进行再热，补偿温度的下 降。根据再热过程的方式可以分为等压再热和等容再热两种工作方式 2 ，5 1 等压再热 等压再热是在每一级的膨胀终了，工作介质在等压的情况下进行换热，使温 度升至高环境温度。到为了计算方便，每一级的膨胀过程假设为绝热过程，其工 作过程如图2 5 所示。 尸 _哆k 矿 图2 5 两级膨胀示意图( 等压再热) f i 9 2 5t h e s k e t c ho f t w o s t e pe x p a n d ( r e h e a t a ts m m e p r e s s u r e ) 图2 5 示出了两极膨胀的过程曲线，第一级从状态1 开始，绝热膨胀到状态 4 ，从状态4 状态5 为等压吸熟过程，使气体的温度升高到环境温度。然后 进入第二级膨胀，从状态5 状态6 为绝热膨胀过程。从图中可以定性的看出， 分级膨胀以后整个过程输出的技术功明显的大于一级绝热膨胀过程的技术功： 从图2 5 还可以定性的看出，一级膨胀的