空气动力发动机的设计与计算

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参考文献 ［１］刘小勇，王云《． 压缩空气发动机发展综述》．机械，２００８ 年第 ９ 期 ［２］安达，谈建，左承基《． 压缩空气动力发动机的设计及初步试验》． 合肥工业大学学报（自然科学版）第 ６ 期 ［３］王万昌《． 压缩空气动力发动机》（专利号：９７２４８３４１．１） ［４］陈平录等《． 压缩空气发动机电气驱动全可变气门驱动系统》（申 请号：２００７１０１５６６２８．０）．浙江大学
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空气动力发动机的设计与计算
淮阴工学院数理学院 颜照明 洪凌宇 胡 光
［摘 要］本文设计一款空气动力发动机，并对该装置的效能进行了计算，同时给出利用风能生产高压气体的一种方法。 ［关键词］风力动力 发动机 设计 计算
一、项目来源 现今社会，随着经济和科技的迅猛发展，人们的生活水平日益提 高，就在人们享受丰富的物质文明的同时，人类消耗自然资源的数量正 在以惊人的速度增长，当今社会资源紧缺、环境污染的问题也日益凸 显。 我国作为新兴发展中国家，近 ３０ 年国民经济以年均约 １０％ 的增长 率高速发展，加之工业粗放式发展，能源消耗量位列世界前列，环境污 染状况加剧，严重制约了我国经济的可持续发展；开辟新能源，保护自 然环境成为我国亟待解决的大问题。 在本世纪二三十年代，就有人提出并且试制利用压缩空气为动力 的发动机，这种动力机需要一个高压储气罐，受当时科技水平限制，做 出的动力机重量比较大而且它所产生的功率比使用燃料的动力机要小 得多，因而几十年都没有得到发展。随着科学技术的不断进步，新材料 的层出不穷，利用压缩空气为动力的微型动力机有了巨大的进展，如意 大利人制造的“乔纳森”压缩空气动力动力机，动力机各部分都用塑料 做成，整机重 ４２ 克，压力达 ５．６ 公斤 ／平方公分，转速达 ４０００ 转 ／分，但 是由于连杆与活塞不连接，易出现反转，不稳定，使得动力机易出现故 障。我们经过研究与探索，认为压缩空气动力机在原理上是可行的，技 术上可实现，是一种无污染、结构简单、制造和使用方便，并有广阔应用 前景的新型动力发动机。 二、空气动力发动机装置的设计 经过对相关文献和专利技术分析与研究，本课题组设计的压缩空 气动力发动机如图 １：
图 ３ 利用风能装置生产高压气体过程 五、结束语 本项目是淮阴工学院本科学生参加 ２０１０ 年江苏省大学生科技实 践计划项目，项目研究的出发点是寻找无污染、可持续的绿色环保新能 源。在项目研究过程中，项目组成员查阅了大量文献资料和专利技术， 并学会用计算机进行辅助设计，动画演示出压缩空气动力发动机装置 的工作过程，将课堂知识与实际需求结合起来，为以后的学习、工作和 研究积累了相关经验。
图 ２ 等温膨胀过程 实例：一个常见的储气罐体积 Ｖ １＝７０Ｌ，压强 Ｐ１＝１．８Ｍ Ｐａ，温度（室 温）Ｔ１＝３００Ｋ ；活塞打开时的体积 Ｖ ２＝０．８Ｌ，压强 Ｐ２＝０．２Ｍ Ｐａ，温度（室 温）Ｔ２＝３００Ｋ ；工作时间为 １ｈ，该空气动力发动机的工作效率则为：ｐ＝ Ｐ１Ｖ １ｌｎ（Ｖ ２／Ｖ １）／ｔ＝１５６．５ｗ 。 四、高压气体的产生 由于利用压缩空气作为动力的发动机工作效率相对较低，因此生 产高压气体的成本就将决定着空气动力发动机的应用价值。借鉴我院 严焱、刘成主持的江苏省大学生实践训练计划项目“风力提水灌溉农田 装置的设计和实现”（该项目还获的 ２００９ 年江苏省高校第六届大学生 物理实验及实验科技作品创新竞赛一等奖）的设计思路，我们采用风能 装置生产高压气体，生产过程如图 ３ 所示。
设高压空气储气罐的体积为 Ｖ １，压强为 Ｐ１，温度为 Ｔ１（室温），活 塞打开时的体积为 Ｖ ２，压强（排气）为 Ｐ２，温度为 Ｔ２（室温）。将空气近 似看成理想气体有：ＰＶ ＝ｖＲ Ｔ，在工作过程中近似于等温膨胀如图 ２，空 气做功为 Ｗ ＝ｖＲ Ｔ１ ｌｎ（Ｖ ２／Ｖ １），其中 ｖ 为高压空气储气罐中的空气的量， Ｒ 为普适气体常数 ８．３１Ｊ／ｍ ｏｌ·Ｋ 。如果工作时间为 ｔ的话，该空气动力发 动机的工作效率则为：ｐ＝Ｗ ／ｔ。
图 １ 压缩空气动力发动机 压缩空气动力发动机主要是由高压储气罐、电磁阀、位置传感器、 活塞、曲轴传动轮等部件组成。 当活塞运行到位置传感器处，位置传感器给出一个信号，电磁阀通 电，打开进气口，高压气体进入活塞腔体。在高压气体的作用下活塞运 动，当活塞运动离开位置传感器时，电磁阀断电，进气口关闭。活塞运动 到特定的位置时，排气口（出气口 １）打开，气体从排气口排出，活塞在弹 簧力的作用下，反向运动，进入下一个循环。活塞的运动可以通过带动 曲轴传动轮，从而输出功率。 位置传感器可以采用霍尔元件做为传感器，当活塞到达位置传感 器时，传感器给出接通电磁阀的信号，当活塞离开位置传感器时，传感 器给出关闭电磁阀的信号。整个装置的工作过程可以通过控制电磁阀 的电源接通与断开，控制工作与否。 三、压缩空气发动机的效能计算