配气相位对活塞排气气动发动机性能影响分析

图1
活塞排气气动发动机进排气系统工作原理
2
进排气系统数学模型的建立 活塞行程
［7 ］
随曲轴转角的函数方程为
x（ α） = r × （ 1 － cosα） + l × （ 1 － 槡 1 － λ2 sin2 α） l 为连杆长度， 式中： r 为曲轴半径， 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 π V （ α ） = V c + D2 · x （ α ） 4 V c 为气缸余隙容积。 式中： D 为气缸直径， Vc = πD × hc 4 × 10 6
Influence of Pistonexhausting Airpowered Engine Distribution Phase on the Engine Performance
Wang Yun，Zhang Wenlong ，Xie Huling ，Jiao Zhibin
（ College of Aircraft Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063 ）
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
收稿日期： 2009 － 10 － 20 基金项目： 航空科学基金项目（ 2006ZB56001 ） 资助 作者简介： 王 云（ 1966 － ） ， 教授， 博士， 研究方向为动力工程与动 wangyun66@ 126． com 力机械，
之中
［ 1 ～3 ］
， 有些已进入应用初期， 但现在国内外研究
［8 ］
(
)
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 即 要来自气缸周壁与外界交换的热量 ， dQ 1 = α w A W （ T W － T） （ 14 ） dα ω 式中： α w 是气体与气缸内壁间的瞬时换热系数； A W
。
2 p ＞ k +1 p1 ψ =
p T
（ 11 ）
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 dT = 1 （ dQ + h i dm i － h e dm e － pdV － udm） m·c v u 。 ( T) （ 12 ）
式中： c v 为等容比热 c v =
［ 4 ］
中的气动发动机大都沿用了内燃机的配气机构 气体吹动叶轮做功 动发动机
［ 6 ］ ［ 5 ］
， 借
助凸轮轴的旋转来实现发动机的进、 排气； 或用高能 ， 并没有充分发挥高压气动发动 机独有的特点， 结构、 效率不尽理想。笔者研究的气 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
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λ sin2 α dV π = D2 rsinα + l （ 2） dα 4 2 槡 1 － λ2 sin2 α 进、 出气缸气体质量随曲轴转角微分式为 dm 1 dm = （ 3） dα ω dt 由瞬时质量流量方程得 dm = μ ·f ·ψ· 槡 p i， （ 4） e ρ i， e dt 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 ） ； p i， 为气门进 排气处的气 e 体压强； ρ i， 排气处的气体密度； f 为气门 e 为气门进 、
2011 年 第 30 卷
2月 第2 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
February Vol． 30
2011 No． 2
配气相位对活塞排气气动发动机性能影响分析
王
王 云
云， 张文龙， 谢胡凌， 焦志斌
图2 活塞排气气动机配气相位
由此可得， 缸内气体温度随曲轴转角变化的微 分方程 dT 1 dQ dm i dm e dV dm = + h － h －p －u i e dα mc v dα dα dα dα dα （ 13 ）
由热力学知识可知， 缸内纯空气的做功过程尽 则能在一定程度上有效提高气 量接近于等温过程， 进 动发动机工作效率。 又因进气门采用电磁驱动， 故可以专门设计进气截 气量具有较好的精细控制， 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 当
第2 期
王
云等： 配气相位对活塞排气气动发动机性力的优点。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。 1 活塞排气气动发动机进排气系统的原理
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。
（ 南昌航空大学 飞行器工程学院， 南昌 330063 ）
要： 为了提高活塞的做功能力、 提高气动发动机的动力性能和经济性能， 对活塞排气气动发动 机进排气系统进行了建模分析， 并基于变质量热力学理论建立了气动发动机的热力循环模型 。 通 摘 持续角， 转速对发动机各个性能影响， 分析得出： 适当的开启角有 过计算仿真不同的进排气开启角 、 利于动力性和经济性的提高， 而延迟角使其性能急剧下降； 进气持续角过小或过大， 发动机动力性 和经济性都急剧下降； 已定的进、 排气开启角和持续角， 对应有最佳的转速。因此， 在发动机设计过 程中， 在额定的工作转速下， 寻找最佳的进排气开启角和持续角。 活塞排气气动发动机低速运转 时， 性能为佳； 当转速为 1000 r / min 时， 进气开启角选用 － 10°CA、 排气开启角选用 － 16°CA、 进气持 续角选用 150°CA 时， 发动机性能最佳。 词： 活塞排气； 气动发动机； 配气相位 8728 （ 2011 ） 02020005 中图分类号： TH138 文献标识码： A 文章编号： 1003关 键
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（ 1）
式中： h c 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
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机械科学与技术
第 30 卷
瞬时开度截面积。 f = πx qm （ α） cosβ［ d i + 0. 5 x qm （ α） sin（ 2 β） ］ （ 5） 式中： d i 为气门喉口直径； β 为气门座锥角； x qm （ α ） 为进排气门升程。图 2 所示为活塞排气气动机配气 相位。
PV = mRT
（ 8）
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 ［8 ］ 热力学第一定律 （ 能量守恒） ， 得 dQ = dU + h e dm e － h i dm i + dW cv （ 9） （ 迁移质量的动能、 位能略去不计， 控制容积贮存能 只有内能） d U = d （ m·u ） = u d m + md u （ 10 ） 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 u = u （ T， p） 对其微分得 du = u d T + u d p ( ( p ) T)
( (
) )
k k －1
时， 为亚临界流动 p p1
2 k
槡 [( )
2k k －1
k k －1 k k －1
－
( ) ]
p p1
k +1 k
（ 6）
是气缸传热表面积； T W 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 数值计算与仿真分析 基于上述数学模型， 在初始条件已知的条件下，
Abstract： In order to improve the capacity of the piston doing work，dynamics performance and economic performance of a pneumatic engine， an inlet and exhaust system of pistonexhausting airpowered engine is modeled， and the model of pneumatic engine thermodynamic cycle was established based on thermodynamic theory of variable mass． By simulating the influence of the different inlet and exhaust opening angle， duration angle and speed on various properties of the engine，it is concluded that： （ 1） proper opening angle is conducive to dynamic and economic performance improvement ， while the delay angle result in sharp decline in its performance； （ 2） if the intake duration angle was too small or too large， the engine dynamics and economic performance would decline rapidly； （ 3） specified opening and duration angle correspond to the best possible speed． Therefore， in the engine design process， at a rated speed， there are the best intake and exhaust opening angle and duration angle． The performance of pistonexhausting airpowered engine is better when running in low speed； the engine has the best performance at the speed of 1000 r / min with inlet opening angle of － 10°CA，exhaust opening angle of － 16°CA and inlet duration angle of 150°CA． Key words： pistonexhausting； airpowered engine； distribution phase 随着能源与环境双重压力的日益加剧， 研发基于 清洁新能源的汽车发动机的要求日益迫切， 利用高压 空气驱动的气动发动机在国内外都正处于积极研究