活塞排气气动发动机建模与仿真分析

活塞排气气动发动机建模与仿真分析

随着能源和环境的双重压力，新能源汽车发动机的开发越来越紧迫。用高压空气驱动的动力器在国内外进行了积极研究。一些应用已经进入了使用之初。然而，国内外研究中的大多数动用车辆采用了发动机配气机构，并通过电机转向实现了对发动机的插入和气支持。或者用高压装置吹动方向盘，但其特点没有充分考虑动力压力汽车的独特特性。结构和效率无法达到预期。笔者研究的气动发动机利用活塞运动实现自动进排气的进排气系统,具有控制可靠,且能实现气体单向流动,减少废气排出气缸时流动阻力的优点。为进一步提高气动发动机的做功效率,合理组织进排气过程,有必要系统的研究进排气系统配气相位对发动机性能影响,为发动机的性能、结构优化提供参考依据。1a插装保护下止点,把发动机持续输出轴功考虑到进排气的协调工作及气动发动机工作特点,采用了电磁阀驱动进气门进气,同时用顶柱控制排气门的开关状态。高能气体贮存在气瓶中,打开气瓶单向球阀,高能气体经过节流阀门节流后进入发动机进气道,通过节流阀门控制气体流量。通过起动电机带动曲轴箱中的曲轴,使活塞运动到气缸的上止点,在上升的同时,活塞上的排气阀门与气缸顶上的上顶柱相碰撞,致使活塞运动到上止点时,排气阀门完全关闭,而排气阀门上的定位小球将排气阀门控制在关闭状态。与此同时,气缸顶上的进气门在电磁力和缸内压力的作用下打开,高能气体便迅速流进气缸内;当活塞向下止点运动时,高能气体在缸内膨胀做功,缸内压力下降,进气门在电磁力和压差的作用下保持一定进气持续角后关闭;当曲柄转动到接近下止点的某一角度时,活塞上的排气阀门与下顶柱接触,排气阀逐渐打开,当活塞运动到下止点时便使排气阀门完全打开,排气阀门中的定位小球将排气阀门有效控制在打开状态,气缸中做功完成的气体便通过上曲轴箱上的排气管排到外界。在活塞的运动过程中,连杆推动曲轴高速旋转,曲轴上的配重通过自身的惯性力来带动活塞向上止点运动,这样发动机就完成一个循环,如此往复运动使发动机持续输出轴功。图1所示为活塞排气气动发动机进排气系统工作原理图。2排气系统模型活塞行程随曲轴转角的函数方程为式中:r为曲轴半径,l为连杆长度,λ为曲轴连杆比。每瞬时的气缸容积随曲轴转角的函数方程为式中:D为气缸直径,Vc为气缸余隙容积。式中:hc为气缸余隙容积的高度。对式(1)求导,可得气缸容积变化的微分式进、出气缸气体质量随曲轴转角微分式为由瞬时质量流量方程得式中:μ为流量系数(为考虑流体流动特性、流道型式、进排气系统中的流动阻力等实际流动情况的修正系数;参考内燃机缸内系统,此活塞排气进排气系统的流量系数应较大);pi,e为气门进、排气处的气体压强;ρi,e为气门进、排气处的气体密度;f为气门瞬时开度截面积。式中:di为气门喉口直径;β为气门座锥角;xqm(α)为进排气门升程。图2所示为活塞排气气动机配气相位。由热力学知识可知,缸内纯空气的做功过程尽量接近于等温过程,则能在一定程度上有效提高气动发动机工作效率。又因进气门采用电磁驱动,进气量具有较好的精细控制,故可以专门设计进气截面积和电磁阀电源使空气膨胀时尽量接近等温。ψ为通流函数。式中:p1、p分别为流入配气阀前后的气体压强;k为绝热指数。3气体温度与系统热量纯空气可看作理想气体,故瞬时气体状态变化满足状态方程式中:气体的压强P、体积V、温度T、质量m都是变量;R为气体常数。以控制容积(气缸)为研究对象,由变质量系统热力学第一定律(能量守恒),得(迁移质量的动能、位能略去不计,控制容积贮存能只有内能)工质为成分稳定的纯空气,故比内能的变化只与气体压强、温度有关,即对其微分得压强p对气体比内能的影响很小,可忽略不计;把式(11)、式(10)代入式(9),得式中:cv为等容比热。由此可得,缸内气体温度随曲轴转角变化的微分方程由于气动发动机没有缸内的燃烧过程,根据气动发动机缸内气体流动的特点,系统热量的来源主要来自气缸周壁与外界交换的热量,即式中:αw是气体与气缸内壁间的瞬时换热系数;AW是气缸传热表面积;TW是控制容积边界的温度,它被假设为在整个循环过程中都保持不变并且与进入气缸以前的工作介质的温度相同。4理想气体及排气压力仿真基于上述数学模型,在初始条件已知的条件下,应用四阶龙格-库塔法通过数值积分仿真计算得到气动发动机工作过程中任意时刻缸内气体的状态,进而计算发动机的耗气率、功率等输出情况。笔者利用MATLAB强大的计算和绘图能力进行仿真,仿真时做了以下假设:(1)压缩空气视为理想气体。(2)使用恒压源为压缩空气发动机供气。(3)流量系数μ=1.2。(4)控制容积内部各点热力状态完全相同,气缸及配气机构在工作过程中无泄漏。仿真参数选取进气压力为1MPa,环境压力为0.101MPa,环境温度300K,气缸直径150mm,曲轴半径80mm,连杆长度235mm,余隙容积高度10mm,转速1000r/min;由于活塞排气的结构特征,排气阀门关闭角只能取在上止点,即0°CA(或360°CA)。取第二循环过程中的参数值作为性能仿真数据,能有效减少初值误差带来的影响。4.1气动发动机气动工况气动发动机是由高压气体直接膨胀做功产生的动力,缸内高压气体的瞬时压力直接影响到发动机的性能、效率;配气相位的不同设定,决定了发动机工作循环中气门开启规律,影响进排气过程中各个时刻气体的状态,进一步影响到气缸内气体压力的变化规律,使发动机的动力性发生改变,因此发动机配气相位是决定气动发动机性能的关键因素之一。配气相位中的进气门开启相位决定了进气气门开启的时刻,是一个工作循环中气缸内气体状态变化的起始点,决定了做功过程的初始压力。本文中进气门采用电磁阀控制,进气开启角可以任意调节。仿真时,当转速n=1000r/min,其他结构参数保持不变,进、排气持续角保持不变分别为150°CA和180°CA,排气提前角为-10°CA。在以上配气参数保持不变的情况下,改变发动机的进气相位,计算得到气动发动机的经济性指标——耗气率、动力性指标——有效功率以及负载能力——有效扭矩随进气门开启角的变化,如图3所示。图3中横坐标的负号表示进气门在上止点之前开启即进气提前角,正号表示进气门在上止点之后开启即进气延迟角。在进气持续角一定时,随着进气提前角的减少(即进气开启角从-40°CA到-10°CA),高压气体进入缸内做功的持续时间增加,气体在做功过程中,渐近于等温过程(等温过程效率最高),压强也接近于进气道压强,故气体的做功能力提高,进气角为-10°CA有效功率达到最大;另一方面随着进气提前角的减少,进气道中流入排气冲程中的高压气体减少,表现为负向扭矩、排出缸外能量的减少,故在图中扭矩和功率表现为上升。而耗气率平稳上升,主要原因:由于进气持续角一定,进气提前角的存在使进气过程在气体做功过程中关闭,做功过程的前半段缸内压力减少不剧烈,故耗气率曲线平稳;另一方面进气持续角一定,进气提前角越小,进气后期进气口压差越大,增加了进气速度,故而气体消耗量增加。进气开启角从-10°CA开始出现有效功率急剧下降,0°CA开始耗气率急剧上升的现象,主要原因是随着进气提前角的减小,高压气体进入排气冲程过程中的流量减少,导致排气冲程末端的压力降低,而排气冲程末端的气体状态正是下一进气膨胀做功过程的起点,从而使得在做功开始时,缸内的压力起点低,平均压力下降,导致动力性能迅速下降;进气持续角一定,随着进气角的推后,当缸内容积变化率大于进气率时,缸内无法形成高压,动力性能难于提高,且做功后期膨胀比减小,高能气体在紧接排气冲程中排出,经济性下降。有效扭矩的变化曲线类似于有效功率,有效扭矩先于有效功率达到最大值。4.2排气门开启角排气门开启相位决定了排气气门开启的时刻,是排气冲程的起始点。同时,由于活塞排气的结构性,排气开启门只能在下至点之前开启,排气门开启相位还决定了排气气门升程,控制着排气截面积,对发动机性能的影响至关重要。仿真时,进气持续角为150°CA,进气角为-10°CA。在保持上述配气参数不变的情况下,改变发动机的排气门开启角,分析发动机动力性和经济性的变化(如图4所示),图中横坐标的负号表示排气门在下止点之前开启即排气提前角。随着排气提前角的减小,有效功率先升高后急剧下降,主要因为排气太早不利于高压气体做功,排气门开启太晚,则排气最大截面积太小,做功完成的气体不能及时排到外界,排气冲程负压太大,导致负功做多;耗气率曲线先微微降低后急剧升高;从图中可以看出,排气角为-16°CA时发动机的功率最大、耗气率最小,具有较好的经济性能和动力性能。从图中还看出,有效扭矩的曲线先平稳降低后急剧下降。4.3进气持续角对发动机性能的影响进气持续角决定一个工作循环中实际高压气体进气时间持续的长短,决定了外界输入到缸内能量的多少。在进气角为-10°CA,排气角为-16°CA,排气持续角为180°CA,转速为1000r/min时,在不同的进气持续角下对发动机的性能进行仿真,如图5所示。从图5中可以看出:(1)持续角从60°CA到160°CA的变化过程中,有效功率和有效扭矩的曲线一直处于上升趋势,耗气率先降低(100°CA时耗气率最低)后增加。(2)持续角从160°CA到180°CA的变化过程中,耗气率急剧上升,有效功率和有效扭矩急剧下降。4.4转速下仿真在进气角为-10°CA,排气角为-16°CA,进气持续角为150°CA时,在不同的转速下对发动机的性能进行仿真。如图6所示。从图6中可以看出:(1)随着转速的增加,有效扭矩一直减小,有效功率先增大后降低,耗气率先微微降低后急剧增大。(2)不同的转速对发动机的各个性能影响很大:已定的进、排气开启角和持续角,对应有最佳的转速。5转速对发动机性能的影响(1)适当的进、排气提前开启角可以同时提高发动机的动力性能和经济性能;而延迟角十分不利于气动发动机的动力性能和经济性能。(2)进气持续角过大或过小,则耗气率过大,不利于经济性,同时动力性也不好。(3)进排气开启角、持续角为定值,转速不同时,发动机的性能也各不相同:转速低、扭矩大,转速高、扭矩小;随转速的增加,耗气率先微微减小后急剧增大;随转速增加,有效功率先增大后减小;对于开