（机械电子工程专业论文）气动汽车动力系统能效分析.pdf

浙江大学硕七学位论文 摘要 压缩空气动力汽车利用高压压缩空气动力，将压缩空气存储的压力能转化为 机械能驱动汽车运行，不消耗燃料，尾气无任何污染物资排放。同时压缩空气可 以利用水力、风力、太阳能等可再生绿色能源作为动力的电力储备，用于汽车动 力可使汽车真正成为零排放的环保汽车，解决石油矿物资源和环境污染问题，具 有零排放，绿色环保的特点。因此，气动汽车是完全环境友好的绿色车辆，社会 意义非常明显。本文采用有效能分析方法，建立了气动汽车动力系统的能量模型， 分析了系统的能效特性，得到了一系列分析结果，并结合实验对模型的正确性进 行了验证，对于气动汽车动力系统的研究和优化设计具有一定的指导价值。 论文的主要研究内容如下： 第一章综述了气动汽车动力系统相关技术及气动汽车的研究现状，发展趋 势，阐述了对气动汽车动力系统进行能效分析研究的意义，提出了本论文所要进 行的主要研究工作。 第二章论述了气动汽车动力系统组成，研究了气动发动机工作原理及高压空 气在气动发动机中能量释放的特点，研究表明改善发动机在缸内气体膨胀做功过 程的热交换条件，使其尽量进行等温过程，是提高工作效率的重要途径。 第三章应用有效能分析方法对气动汽车动力系统进行了研究分析，建立了相 应的数学模型，在此基础上对气动汽车工作过程进行了仿真分析，得到了气动汽 车动力系统各环节有效能消耗情况。 第四章对气源压力、发动机进气压力、转速、环境温度等对气动汽车动力系 统能效的影响进行了分析，得到了系统能效随以上参数变化的规律；分析了节流 减压和容积减压对动力系统效率的影响。 第五章建立了气动汽车动力系统实验台架，完成了气动汽车动力系统的台架 实验及节流减压能量损失实验。 第六章对全文的内容进行了总结并对后续研究工作进行了展望。 关键词：气动汽车，动力系统，有效能分析，节流损失，容积减压，高压 气动系统 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t h o u tu s i n ga n ym i n e r a lf u e l , t h ea i r - p o w e r e dv e h i c l e ( a p v ) ，w h i c ho u t p u t s t h em e c h a n i c a le n e r g yt r a n s f o r m e df r o mt h ec o m p r e s s e da i re n e r g yi n t ot h et o r q u e f o r m , i so b v i o u s l yi m p o r t a n tt os o c i e 够t h ec o n t a i n e r sa l ef i l l e di nt h er e c h a r g e s t a t i o n , w h e r e 舭s ha i ri sc o m p r e s s e dt oh i g hp r e 路u r eb ya l le l e c t r i ca i rc o m p r e s s o r i nt h i sw a y , a p ve x h a u s t so n l yp u r ea i ra n dt u r n st ob ea c o m p l e t e l yz e r o - p o l l u t i o n v e h i c l e t h i st h e s i sa n a l y z e st h ee x e r g yc o n s u m p t i o no fa p v sp o w e rs y s t e m g u i d e db y e x e r g yt h e o r y , t h em a t h a m a t i cm o d e lo fa p v sp o w e rs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e w o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ep o w e rs y s t e ma r e # v e n , t h e nt e s tb e n c hf o rt h ep o w e r s y s t e mi sb u i l ta n dt h er e s u l t sp r o v e st h ec o l t e c t u e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l a l l t h e s ep r o v i d et h e o p t i m i z a t i o na n df u r t h e rr e s e a r c ho ft h ep o w e rs y s t e mw i m t h e o r e t i c a lb a s e ，w h i c hw i l lb eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yi m p o r t a n ti nt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r k t h ew h o l et h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n g c h a p t e r s ： c h a p t e rlb r i e f l ys t a t e st h er e a r c hs t a t eo fh i g hp r e s s u r ep n e u m a t i cs y s t e ma n d a p v , a n de x p l a i n st h es i g n i f i c a n c eo fe x e r g ya n a l y s i so na p v sp o w e rs y s t e m ，f i n a l l y s u m m a r i e st h em a i nr e a r c ho b j e c t so f t h i st h e s i s i nc h a p t e r2 , t h ec o n s i s to fa p v sp o w e rs y s t e mi sd i s c u s s e d , t h ew o r k i n g p r i n c i p l e so f a p e a n dt h ee n e r g ye m i s s i o nf e a t u r e so f t h ec o m p r e s s e da i ra l ea n a l y z e d w i t l it h ec l a i mt h a t , t h ee s s e n t i a lw a yt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yi s t oi m p r o v et h e e x c h a n g ec o n d i t i o n sf o re x p a n s i o np r o c e s si nt h ec y l i n d e r s i nc h a p t e r3 t h em a t h a m a t i cm o d e lo f a p v sp o w e rs y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t h t h ea p p l y i n gt h ee x e r g yt h e o r y b a s eo nt h em o d e l ，t h es i m u l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m i sc a r r i e do i lt h er e a r c hs h o w st h ed i s t r i b u t i o no f e x e r g yi np o w e rs y s t e ma n dc l a i m s t h a ta b o u t3 0p e r c e n to f t o t a le x e r g yi sl o s ti np r e s s u r er e d u c t i o nw i t h t h r o t t l i n g ，w h i c h i n d i c a t e st h a tp r e s s u r er e d u c t i o nw i t ht h r o t t l i n gi sn o tv e r ys u i t a b l ef o rh i g hp r e s s u r e p n e u m a t i cs y s t e ms u c ha sa p v i nc h a p t e r4 ，t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x e r g yd i s t r i b u t i o ni nt h ep o w e r s y s t e m , t h ei n f l u e n c e so nt h ed i s t r i b u t i o nb r o u g h tb yt h ep a r a m e t e r sa sp r e s u r eo f p n e u m a t i cs o u r c e ，i n l e t a i rp r e s s u r e ，s t r o k e - b o r er a t i oo ft h e c y l i n d e r , a n d t h e t e m p e r a t u r eo fe n v i r o n m e n ta r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d t h ed i f f e r e n c eo ft w o p r e s s u r er e d u c t i o n s ( p r e s s u r er e d u c t i o nw i t he x p a n d e ra n dp r e s s u r er e d u c t i o nw i t h t h r o t t l i n g ) i sd i s s c u s s e d i nc h a p e r5 , t h et e s tb e n c hf o ra p v p o w e rs y s t e mi sb u i l tu p t h ee x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e so nt h ea p v p o w e rs y s t e ma n dt h ee x e r g yl o s si nt h r o t t l i n gd e p r e s s u r i z a t i o n a r ea c c o m p l i s h e d i nc h a p e r6 , t h er e s e a r c hw o r ki ss u m m a r i z e da n dt h ep e r s p e c t i v e so nt h ef u t u r e a r ep r e s e n t e d 一 k e y w o r d s ：a i rp o w e r e dv e h i c l e ，p o w e rs y s t e m ，e x e r g ya n a l y s i s , p r e s s u r er e d u c t i o n w i t l it h r o t t l i n g , p r e s s u r er e d u c t i o nw i t he x p a n d e r , h i g hp r e s s u r ep n e u m a t i c s y s t e m 学号2 0 3 0 8 0 81 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。掘我所知，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，也不包含为获得逝鎏盘鲎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。 签名哟黼期：彤年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥姿盘鲎有关保留、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。本人授权盘婆盘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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： d ( 年，月f 日 电话： 邮编： 肌7 捆 气 月 叩 一，) ： 年 名o 签 辫 者 沙 僦 沙 文 期 论 日 位 字 学 签 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【摘要】本章综述了气动汽车动力系统相关技术及气动汽车的研究现状及发展趋势，阐 述了对气动汽车动力系统进行能效分析研究的意义，提出了本文的主要研究工作 1 1 课题的来源及意义 机动车辆的广泛应用对社会的经济发展做出了重要的贡献l l j 。目前，世界汽 车保有量已达到7 5 亿辆，并以每年6 千万辆的速度递增。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：传统内燃机汽车燃烧的是宝贵的不可再生 资源；同时汽车造成的污染日益严重，尾气、噪声和城市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，新一代超低排放、节能和经济型的对环境友好的绿色汽车正日益 受到关注。2 l 世纪汽车的发展趋势将是朝着节能、低公害、高可靠性、安全性、 舒适性和操作方便性的方向发展，也必将是一个可持续发展过程，汽车与人、 汽车与自然都应该和谐共处。人们已经开始更多地关注如何消除对矿物燃料的 依赖，一直渴望着新的绿色汽车能源的出现。 在人们的期盼中，相继出现了多种代用燃料汽车，如天然气( c n g 、l n g ) 汽车，醇类汽车、二甲醚( d m e ) 汽车等 2 - 4 。但是，代用燃料汽车仍然有排放 污染和热效应，有些燃料还有毒性，并且有些燃料燃烧控制也困难。 同时，还出现了大量电动汽车以及混合动力汽车【5 - l 。电动汽车是用电力驱 动，行驶中无污染排放，噪声低，能量转化效率高。全世界已投入使用的电动 汽车约有1 0 0 万辆，大致分为三大类：电池驱动电动汽车( b e v ) 、混合动力电 动汽车( h e v ) 和燃料电池电动汽车( f c e v ) 。 目| i ，电池驱动电动汽车存在的主要问题是：受制于车用电池因素的制约， 所储存的能量难以满足长途要求，汽车的启动特性也不够理想，电池充电时间 长、寿命较短、造价贵，电池本身的二次污染严重。混和动力电动车具有电池 电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放问题，并且由于包括了两套动力装 置，驱动和控制系统更为复杂。燃料电池电动车【i 引3 1 ，是人们寄予厚望的。目 前用于最有发展前途的是质子交换膜燃料电池( d e m f c ) ，以氢气为燃料，可 实现零排放，能量转化率高，结构简单但燃料电池的制造成本比较高，氢气 的安全存储、制备和灌装都有许多问题，这制约了这种电动车辆的发展和实用 浙江大学硕士学位论文 化。其他种类的电动车也存在功率比、循环寿命、充放电性能、造价、污染、 安全性等方面的一系列问题，一时难以达到实用的程度。 人们期待着一种没有污染、经济可行的新型能源出现，而压缩空气能源正 是满足了这样的要求【“b 】。 压缩空气动力汽车( a i rp o w e r e dv e h i c l e - - - a p v ，简称气动汽车) 利用高压 压缩空气动力，将压缩空气存储的压力能转化为机械能驱动汽车运行，不消耗 燃料，尾气无任何污染物资排放。同时压缩空气可以利用水力、风力、太阳能 等可再生绿色能源作为动力的电力储备，用于汽车动力可使汽车真正成为零排 放的环保汽车，解决石油矿物资源和环境污染问题。 气动汽车与传统汽车相比，具有不可比拟的优势：气动汽车是真正的零排 放汽车，在循环利用的空气的同时也对空气进行了净化；同时，高压空气膨胀 做功后温度降低，低温的尾气可以作为空气动力汽车制冷空调的冷源而不需要 额外消耗能量。要存储保证汽车正常行驶里程的能量，需要采用很高的压力并 占用较大的空间，不适于长途行驶的需要。空气动力汽车的优缺点决定了它将 主要针对污染严重城市日常短途交通或室内交通工具，如：城市公交车、城市 上班私家车、观光游船、运动小车及室内搬运工具车等，这是一个巨大的市场， 具有很好的应用前景。 目前世界各国都积极投入对气动汽车的研究。但大部分气动汽车还处于研 究试验阶段，虽然有个别公司已有产品问世，但离气动汽车走向普及还有很大 一段距离。目前制约气动汽车发展的最大因素之一就是气动汽车的能量利用率 问题，如：气动汽车车载气源所能支持的一次最大行驶里程是否能满足实际应 用的需要，气动汽车整车效率到底如何，提高气动汽车效率应该从哪些方面寻 找措施等。 从目前可获得的资料看，没有关于气动汽车能量利用率的较为系统的研究 报道，而且各研究机构所公布的技术数据( 如气动汽车的行驶里程、最大时速 等) 有待进一步考证。而就目前浙江大学所进行的研究情况看，气动汽车整车 试验结果与理论计算及实际应用有一定差距，目前未达到国外研究机构所公布 的技术水平。因此，开展对气动汽车整车系统能效分析的研究，科学确定气动 汽车能量利用率量化指标，分析有效能分布情况，找出能量损失的最薄弱环节， 从而根据有效能损失的原因，针对重点薄弱环节进行节能改进措施，提高气动 汽车的整体效率，对于气动汽车的研究和优化设计具有重要的指导价值，对气 动汽车早日走向市场具有战略意义。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 气动汽车动力系统相关技术概述 汽车的基本构造由动力系统、底盘系统、车身及其附件、电气设备四部分构 成【1 6 1 。动力系统是汽车的动力源，主要作用是输出机械能，驱动汽车行驶。气动 汽车与普通燃油汽车的主要区别在于动力系统的不同。普通燃油汽车动力系统的 核心是内燃发动机，一般由机体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系、冷却系、 润滑系、点火系( 汽油发动机采用) 、启动系等部分组成。气动汽车动力系统的 核心是气动发动机。气动发动机将高压气体所存储的压力能，转化为转矩形式的 机械能驱动汽车行驶。由于高压气体储能的特殊性，气动汽车动力系统本质上是 高压气动系统在汽车上的应用，是高压空气存储技术、气动动力系统以及气动动 力系统的节能等技术的集成。 1 2 1 高压气动储存元件的发展 储存着高压空气的高压储气罐是气动汽车的动力系统动力源。高压储气罐是 气动系统的一种气源装置，广泛应用于航空、航天机械、近程导弹和鱼雷控制系 统等对体积和重量要求严格的设备中。目前，在航空和航天系统中，气瓶的充气 压力均在3 0 m p a 以上，有的高达5 5 m p a ，其发展趋势是尽可能提高气瓶的充气 压力和降低气瓶的重量【i ”。采用3 8 c r n i 3 m o v a 高强度钢制造高压储气瓶，每一 立方米气体容积的储气瓶重量比普通储气瓶轻3 0 左右【墙l 。采用有限元法优化 设计，利用先进的成型、焊接、热处理工艺，可以制成重量轻、储气量大的高压 球形气瓶【1 9 1 。运用第三强度理论和第四强度理论建立条件方程，将高压储气瓶设 计成双层结构的热套组合筒形式，可大大减少气瓶重量【2 哪。用玻璃纤维包裹铝罐， 可以比相同重量的钢材质储气罐增加3 0 的容积。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【2 ”。这种气罐装有压缩天然气经过了火场测试、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，因此应该是气动汽车高压储气罐的最佳选择。 1 2 2 气动动力系统的研究和发展 气动系统具有无污染、工作可靠、经济性好、对环境温度适应范围广等一系 列优点，已经广泛应用于工业自动化生产、矿山、建筑、科技、军事、航空、医 疗等国民经济的多个领域。压缩空气除了具有作为工作介质传递能量的特性外， 另一个主要特性就是能够储存能量，是一种可以作为动力源的二次能源。我们把 压缩气体作为动力源的系统称为气动动力系统，研究和应用的重点是提高系统的 浙江大学硕七学位论文 能量利用效率。压缩空气最显著的优点，就是释放能量时不产生新的污染，是一 种绿色能源，由其组成的动力系统也就是绿色气动动力系统。绿色气动动力系统 主要是以系统的能量利用效率和节能作为研究内容。目前，气动动力系统的应用 还处于新兴阶段。 气动动力系统的组成和能量传递路线如图1 i 所示，其中绿色能源可以是太 阳能、风能、水能、地热能和生物质能等一次能源，或由它们产生的电能；转换 装置主要包括将一次能源转换为机械能的装置和空气压缩机，通过它可以利用绿 色能源生产洁净的压缩空气；高压气体单元是空气压缩机生产的存入储气罐中的 高压压缩空气( 2 5 - - 4 0 m p a ) ，作为气动动力系统的直接动力源；减压控制单元 是设备上或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( o 7 2 o m p a ) ；气动发动 图i i 气动动力系统组成与能量挎制流程方框图 机是气动动力系统的动力输出装置，以压缩空气为能源对外做功；辅助装置包括 系统监控、能量补偿和能量回收装置，对系统能量的高效利用起到重要的作用； 负载是指动力系统运行过程中所完成的各种工作和克服的各种阻力1 2 2 1 。 气动动力系统应用的范例之一是压缩空气储能系统，它是利用低谷负荷时多 余的电力将空气压缩储存在地下洞室中，在电力需求高峰时将压缩空气释放出来 利用气轮机进行发电，以实现电力供应与电力消耗保持平衡 2 3 。6 】。第一个压缩空 气储能电站1 9 7 8 年在德国建造，储能容量为2 9 0 兆瓦。1 9 9 1 年，美国建成了储 能容量为1 1 0 兆瓦的压缩空气储能装置，其主要部分是一台两级气轮机，一台压 缩机，一台电动机发动机和一台回收装置，此外还有换热系统、低压膨胀器等， 发电时可使燃料消耗降低3 0 2 7 珊】。日本能源厅和电源开发公司已研制出两种 压缩空气储能系统：一种是变压式，随着压缩空气的充入洞室和从洞室中释放的 过程，储存的压缩空气压力发生变化；另一种是定压式，它选择有色金属废矿洞， 利用地下水的压力对压缩空气进行水封【2 9 l 。其他一些国家正在计划建造压缩空气 储能系统。气动动力系统的另一种重要的应用是气动汽车，气动汽车社会意义明 显，吸引了许多国家投入研究，本章稍后有详细介绍。 1 2 3 气动动力系统节能技术的研究和发展 气动汽车车载储气罐能量是有限的，动力系统必须高效利用气罐中气体的能 4 浙江大学硕士学位论文 量。气动动力系统的压缩空气的消耗有被动和主动消耗两种形式【3 0 】。气动系统的 节能要考虑从气源开始到放气终端的所有用气设备和环节，包括压缩空气的产 生、处理、储存、分配、控制、泄漏、做功和热交换等各个方面 3 t , 3 2 1 。 ( 1 ) 压缩空气生产环节的节能 空气压缩机是气源系统的主要装置。1 8 8 0 s 年，伴随着蒸汽涡轮机的研制成 功，往复式空气压缩机走上了历史舞台；1 9 3 0 s 到1 9 4 0 s 年，出现了离心式和轴 流式空气压缩机，满足了市场对大容量压缩机的需要；1 9 6 0 s 年以来，多种类型 的空气压缩机出现在市场上，给用户提供了更广泛的选择空h j 【3 3 1 。双作用往复式 压缩机的优点是效率高、寿命长，适用于各种工作场合；但初投资和维修费用高。 单级螺杆式压缩机的优点是结构紧凑、初投资和维修费用低；缺点是效率较低。 两级螺杆式压缩机的优点是结构较紧凑、维修费用低、效率较高，但初投资较高。 无油润滑螺杆式压缩机的优点是压缩空气质量高、结构简单紧凑、效率中等，不 足之处是初投资较高。离心式压缩机的优点是可以实现4 5 0 k w 以上的大功率驱 动、压缩空气质量高、中等效率、寿命长；缺点是初投资较高，需要辅助的水冷 却设备，而且气体流量对环境变化敏感。 理论和实践已经证明空气压缩机的选型和运行控制方式对系统的能耗有重 大影响。生产高压压缩空气，应采用多级压缩、带中日】冷却器的压缩机，它比单 级压缩机可节能1 0 2 0 t 3 4 1 ；对于中小流量的气动系统，选用螺杆式空气压缩机 较为合适；对于高压小流量的系统，应选用往复活塞式空气压缩机【 铘】。空气压 缩机运行时，为了使空气压缩机的排气量和排气压力与用气系统的需求相适应， 气动系统可以采用两极控制、多级控制、连续控制，变频调速等方式来控制空气 压缩机的输出压力和排气量，做到压缩空气的供求相匹配，从而使整个系统具有 高的运行效率，减少能源消耗p 硼。 ( 2 ) 压缩空气处理环节的节能 空气压缩机排出的热而潮湿的压缩空气中存在的主要污染物是水、油、固体 和气体杂质和一些微生物等。这些污染物会对气动系统造成严重伤害；如堵塞气 流通道，卡住控制阀，损坏密封造成泄漏，致使执行结构运动迟缓，仪器仪表工 作失效，水滴导致润滑失效、加剧元件磨损等，其中任一个问题出现都会影响生 产。只有对压缩空气进行严格的处理，才能减少设备的维修费用，提高产品质量， 减少停工时间。压缩空气的处理费用要远远少于对压缩空气不处理所导致设备损 坏造成的经济损失阴。因此，气动系统需用后冷却器、干燥器、分离器和集水排 水器来清除水分，用过滤器和分离器来清除固体颗粒、油雾和其他杂质等。由于 过滤产生的压力降也是一种能量损失，同时干燥器运行也会增加能耗和运行费 用，因此，气动系统的压缩空气处理环节要选用高效的干燥和过滤装置来实现节 能运行。 s 浙江大学硕七学位论文 ( 3 ) 压缩空气储存环节的节能概述 气动系统的储气装置就像电路系统中的电容所具有的功能一样。根据应用的 条件和目的不同，压缩空气储存装置和储气容量可分为控制性储气、负载适应性 储气、通用性储气、缓冲性储气和定点专用性储气等h o 。气动动力系统的储气装 置主要包含控制性储气、负载适应性储气和缓冲性储气。控制性储气装置实质是 动力系统的气源储气罐，主要用来维持系统的工作压力平稳或者应付发生在气动 系统中的相关随机事件；控制性储气容量大小决定了做功能力的大小，应根据系 统设计要求来确定。负载适应性和缓冲性储气容量的大小可根据所完成的任务的 用气量的变化率来确定。储气罐的容量和储能密度的合理范围确定是高压气动动 力系统要研究的内容。 ( 4 ) 压缩空气的分配与控制环节的节能 压缩空气系统的参数设计和调整要建立在对用气设备的精确计算、测量和监 控的基础上，从而把压缩空气的压力控制在执行元件的工作压力点，这是重要的 节能方法。控制压力的目的是保证系统的执行元件所需的最大工作压力，而且避 免造成超过最大工作压力的气体能量浪费。它包括空气压缩机的控制和各种元件 的响应情况控制，从而使执行元件在气源压力产生变化时能够得到精确、连续的 压缩空气理论；在质量变化时，能够维持恒定的压缩空气密度【4 l 删。 ( 5 ) 气动元件的节能 气动控制元件的节能主要应考虑元件的工作性能和驱动功率m l 。超磁致伸缩 材料应用于气动阀，可以大大提高阀的频率响应( 1 0 0 h z 左右) ，但仅限于低压、 小流量元件嗍。步进电机驱动的两级气动数字阀可以通过阀心的直线和旋转运动 来控制阀的开和关，结构上比较新颖，目前也只有低压实验结果m 。步进电机驱 动的电气微分压力阀采用了毛细管调节压力阻尼的措施，可使压力阀的响应小于 1 2 0 m s l 4 7 】。上述气动阀虽然都是为常规气动系统应用目的所进行的研究设计，但 它们分别在材料选择、驱动元件或结构设计方面有新意，可以为研制高压气动节 能元件提供借鉴。 气动执行元件的节能主要应从减少压缩空气消耗量方面考虑。可以通过减 少气缸内腔无效容积，减少气缸滑动部位的摩擦阻力，减轻运动部件的重量等 基本方法来设计普通节能气缸。采取组合设计，将气缸和控制阀组合为一体， 可以减少控制阀到气缸之间的管线容积，节省压缩空气。或采用特殊结构利用 气缸排出的具有一定压力的气体二次做功【蚺l 。意大利学者研制了一种新型节能 气缸，具有双作用气缸的性能，但伸出时不消耗压缩空气，可节能5 0 左右【4 9 】。 6 浙江大学硕七学位论文 1 3 气动汽车的研究现状 气动汽车具有零排放绿色环保的特点，能较好的解决目前能源和环境两大危 机，具有明显的社会意义，目前世界许多国家都积极投入对气动汽车的研究。具 体的研究情况分述如下： 1 3 1 国外研究现状 法国的气动汽车研究工作主要集中在法国工程师g u yn 6 9 r e 领导的研究小 组。g u yn 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 d 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 s ，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f 5 们。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，其中一种纯气动的发动机外观及工作 原理如图1 - - 2 、1 - - 3 所示； o u l s i d ea i r 1 l llj 图i - - 2m d i 发动机外观图( i 型)图1 - - 3m d i 发动机工作原理图( i 型) 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，在前后各气缸之日j 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l 一4 所示的是m d i 公司最新型的一种纯压缩气动发动机，同样采用吸 入外界空气的环境热能利用形式，结构为双缸双曲轴四冲程对置式气动发动机 ( 包括吸新鲜空气一 压缩进压缩空气 排气冲程) ，使用了已申请专利的 曲柄活塞连杆结构( 图i 一5 ) ，该结构可以使压缩冲程末端活塞保持在上止点 7 浙江大学硕士学位论文 位置较长时问，从而被压缩的高温新鲜空气可以和喷射进来的低温压缩空气充 分混和，使环境温度得到充分利用。同时，在汽车整体气动系统的布置上，如 图3 所示由储气罐出来的高压气体减压后先经过热交换器，充分吸收环境热能 后再进入发动机气缸做功，提高气动汽车整体效率。这种气动发动机对进气过 程做了改进，较好的利用了环境热能。 图l - - 4m d i 新型气动发动机图l - - 5m d i 研制的新型曲柄活塞连杆结构 美国华盛顿大学( u n i v e r s i t yo fw 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【5 ”。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d r c 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。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 5 2 1 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l 一7 所示。 图l - - 6 华盛顿大学气动发动机外观图图i - - 7 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5 3 1 ，并进行了台架试验。 8 浙江大学颂士学位论文 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 m 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i 8 荚国m a r q u a n d 教授气动发动机 韩国是新兴汽车制造业大国，气动汽车的独特优势也引起了韩国汽车制造 业者的关注，其中以e n e r g i n e 公司为主开展了压缩空气+ 电动混和动力汽 车( p h e v ) 的研究工作 h i 。e n e r g i n e 公司成立于1 9 9 6 年，2 0 0 0 年研制成 功并展示了其混合动力汽车，其中压缩空气发动机部分重3 0 k g ，往复活塞式， 气缸工作容积为0 8 l ，发动机工作进气压力为1m p a ，储气罐容积为1 0 0 l ， 储气压力3 0 m p a 。该混合动力汽车的气动发动机并不是持续工作的，而是作为 电动驱动的辅助系统工作在汽车起步及上坡等需要瞬时大功率输出的时刻，在 汽车起步时利用气动发动机具有的低速大扭矩特性将汽车加速到2 0 - 3 0 k m h 后就停止工作，由电动机接替维持汽车行驶，在上坡和加速的时候又启动气动 发动机提供额外的辅助动力，气动发动机和电动机间的动力切换是由车载电脑 ( e c u ) 根据行驶工况自动控制的。使用这套系统的p h e v 能达到1 2 0 k m h 的最 高时速。 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 k g ，功率却相当于5 l v 8 汽油机。据报道，装备这种引擎 9 浙江大学硕士学位论文 的机动车在墨尔本进行试驾时，最高时速达5 0 公里，比电池推动的高尔夫球用 车更有效率【钢。 图i - 9 韩国气电混和动力汽车外观及发动帆外观 阳- r i 以f 孵尹h 日“k h 删_ 嘲”f u 一- jn _ 雕 图l i o 韩国气电混和动力汽车原理图 翻i - 1 1e n g i n e a i r 公司气动汽车外观图图1 - - 1 2e n g i n e a i r 公司发动机原理图 另外，荷兰的国际汽车研究中心，以及奥地利等一些欧洲国家也进行了相关 的研究。 1 3 2 国内研究现状 迄今为止，国内只有浙江大学流体传动及控制国家重点实验室进行了气动 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d 删。 1 0 浙江大学硕士学位论文 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、两级膨胀发动机研制、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【6 i - 6 6 1 。 目前装配好的压缩空气动力汽车原型车，如图l 1 3 所示，采用4 5 0 l 的气罐作为气源。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，因此有必要对气动汽车整车系统进行能效分析。 图1 一1 3 浙江大学研制的气功试验汽车 1 4 气动汽车能效分析研究现状 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 【6 ”。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。 近几年各国学者对气动系统节能投入了越来越多的力量进行研究，例如日本 工业大学的香川研究室正在对气动系统的能量传递进行详细的研究，试图为节能 问题提供完善的理论基础。在解决手段上，气动系统节能技术的发展趋势是利用 计算机技术和控制技术向精确化和最优化方向发展1 6 8 o 在以往的气动选型中是根 据经验公式选型，现在已经开发出通过计算整个系统的动态特性并进行优化来选 型的软件。针对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，但关于其能效分析目前还没有文献报道。 浙江大学硕七学位论文 1 5 气动系统能效分析的相关方法 对气动汽车开展能量效率研究，需要借鉴热力系统能量分析的研究方法。鉴 于气动汽车的工作特点，炯分析方法及变质量系统热力学将是论文进行研究的主 要方法。 研究热力过程能量分析的方法主要有能量分析法和：骝分析法两种。 能量分析法仅依据热力学第一定律分析揭示能量数量上的转换、传递、利用 和损失的情况，只从能量的量的角度研究热力过程，不能揭示能量损失的本质， 在如何提高能量利用率的努力方向上可能把人们引入歧途，不能找出提高能量利 用率的正确措施。 佣分析方法是最近5 0 年才发展起来并得到广泛应用的热力学分析方法。娴 分析法的本质是结合热力学第一定律和第二定律( 以第二定律为主) ，从能量的 数量和质量相结合的角度出发，分析揭示能量中的炯的转换，传递、利用和损失 的情况，主要计算是对装置和设备进行平衡的计算，又称“媚平衡法”【6 钆7 0 l 。堋 平衡法目前被广泛用于热能动力、石油化工、制冷、冶金等行业。采用炯分析方 法可以正确、全面地评价能源利用率，对节能潜力作出正确的判断，科学诊断出 节能的薄弱环节，根据炯损失的原因找出探求节能的正确措施，使气动汽车热力 过程从热力学角度达到优化。 变质量系统热力学是研究变质量系统热功转换的规律和方法。变质量热力系 统是指工质数量发生变化的系统，变质量热力系统经历的状态变化过程为变质量 热力过程【7 “。由于6 0 年代高速计算机的广泛使用，使热机过程计算机模拟发展 迅速，已成为研制和调试新机器的重要手段。由于实际热机工作过程中大量存在 变质量热力过程，研究变质量热力系统热力学成为一种实际需要和可能。气动发 动机的工作过程属于变质量热力过程，需要用变质量热力学对其进行分析，运用 变质量热力学所得到的仿真结果具有更高的准确性和可信度。 1 6 课题的提出及主要研究内容 国家自然科学基金委福特基金第三期项目“气动汽车发动机的探索性研究” ( n o 5 0 1 2 2 11 5 ) 及“十五”国家科技攻关计划项目“压缩空气动力发动机汽车研究” ( n o 2 0 0 3 b a 4 0 8 8 1 4 ) 对气动汽车的研究给予了大力支持。目前气动汽车距离实际 应用还有一定差距，因此有必要对气动汽车整车系统进行能效分析。 本文的研究内容是运用热力学第二定律分析法，建立气动汽车动力系统的仿 真模型，得到有效能的量化分布，搭建试验平台，对气动汽车进行能效测试，验 证仿真模型，根据有效能损失的原因，提出提高气动汽车效率的改进措施。为此， 浙江大学顾+ 学位论文 本文主要进行以下研究工作： ( 1 ) 气动发动机工作过程变质量热力学分析，应用变质量热力学建立气动 发动机能量模型。 ( 2 ) 高压空气由储气罐经减压阀节流减压过程的有效能损失研究。应用有 效能分析方法，研究高压气体节流损失。 ( 3 ) 气动汽车能效分析仿真研究。建立气动汽车动力系统的数学模型，进 行仿真分析，得到整车系统的动力系统的能效分析仿真结果，研究各因素对动力 系统能效的影响。 ( 4 ) 气动汽车能效试验分析。搭建气动汽车动力系统实验台，研究动力系 统实际能效特性及节流减压损失，为进一步的理论研究和实际应用提供参考。 1 7 本章小结 本章概述了气动汽车动力系统相关技术的发展现状和趋势，介绍了气动汽车 研究现状，说明了论文研究的来源和意义，提出了本论文研究的主要内容。 浙江大学硕 二学位论文 第二章气动汽车动力系统 【摘要】论述了气动汽车动力系统组成，研究了气动发动机工作