气动发动机能量转移系统分析

&" 引言
目前， 氢气、 醇类燃料、 天然气、 液化石油气、
收稿日期： %&&* —&’ —&) 基金项目： 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资 助项目 （ 7^%&&+ V &&+ ）
二甲醚、 太阳能和生物质能等代用燃料仍然存在 尾气排放污染等问题， 而且有些燃料本身还具有
［ ’， %］ 一定的毒性 。因此， 人们期待出现一种真正
&/ 分别为环境压力、 温度； ’# 为高压压缩空气压 式中， ’/ 、 力； $ 为压缩空气的质量； % 为气体常数。
试验中利用轴功率为 26 )78 的空气压缩机 ， 计算可得制备效率 制备高压压缩空气 （ #"+9: ） 即使按功耗 !# ; !"6 *0< 。从计算结果可以看出， 最小的可逆等温压缩过程来计算制备效率， 制备 用损失更 效率仍然很低， 这说明实际制备环节的火 高。因为， 实际压缩空气过程是一个多变过程， 相 比等温可逆压缩过程， 它在压缩过程中要多消耗 的一些火 用量。这些火 用量损失由外部火 用损失和内 用损失两部分组成。外部火 用损失是气体压缩 部火 用， 它的大小取决于 时温度升高向外放热的热量火 用损失是压缩机实 压缩过程的多变指数。内部火 际进行的不可逆压缩过程造成的不可逆火 用损失， 用损 主要是由压缩过程的不完善引起的。内部火 失主要取决于压缩机的压比和制造技术。压比越 用损失越大； 压缩机内部摩擦阻力越 大， 不可逆火 大， 不可逆火 用损失也越大。因此， 可以通过选择 合适的压缩机， 改进压缩机的部件设计来减小其 不可逆损失， 同时采用多级压缩中间冷却的方式 用损失， 这样可以减少 来减少空气压缩机的外部火 气动发动机能量转移系统中制备环节的可用能 损失。
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［!］ " 秦贵和， 葛安林， 雷雨龙# 智能交通系统及其车辆自 动控制技术 ［ $］ # 汽车工程， %&&’， %( （%） ： )%! )*# ［+］ " 吴超仲， 严新平# 自动公路系统横向控制研究 ［ $］ #交 通与计算机， %&&’， ’) （))） ： %(! %+# ［ *］ " ,-./ 0，0123456 $ 7，89/4:;6. <# =9/>4?12 @.A13.B .?2 @9?C4A;24?.B =9?A39B 9D E1-45B1F D93 GE0H ［ =］ II ,3951124?CF 9D A-1 J/1345.? =9?A39B =9?D131?51# K.BA4L /931 <M# ’))!： ’%&+! ’%&*# ［N］ " 0123456 $ 7，HO.399P M# MQ?./45 =9;PB4?C 4? E1-4L 5B1F R?213 J;A9/.A45 =9?A39B ［ $］ # E1-45B1 HQFA1/ MQL ?./45F， ’))!， %( （ H） ： %&)! %%&# ［S］ " ,-./ 0# G?A1C3.A12 <.?1;T134?C =9?A39B D93 J;A9/.A12 04C-O.Q HQFA1/F K.F12 9? . <.C?1A45 U1D131?51 I F1?FL
辆气动发动机汽车样车， ./// 年末， 在南非约翰 内斯堡市场上推出了气动汽车产品， 该产品可以 与天然气实现混合动力驱动。相比国外， 国内气 动汽车的研究严重滞后， 现在还处在实验Leabharlann Baidu研究
［ 0! $］ 阶段 。目前， 气动发动机面临的最大问题是气
动发动机的能量使用效率低， 限制了气动汽车的 续驶里程和推广应用。因此， 本文描述了一台由
［ #/ ］ 单缸柴油机 （ 1#2) ） 改装的气动发动机 能量转
用分析法对系统各环节的 移系统的组成， 并利用火 能量使用效率进行分析。
#3 气动发动机的能量转移系统
图 # 为气动发动机的能量转移流程图。电能 作为储能介质（ 高压气体） 的制备能源。高压 气体是空气压缩机生产而存入气瓶中的高压压缩 空气，它被用来作为气动发动机的动力源。减压 环节是高压压缩空气的能量传递和转换的控制环 节，其作用是将高压气体减压为驱动气动发动机 所需的中低压气体，并作为做功介质引入气动发 动机，然后由气动发动机对外做功。
中国机械工程第 ’S 卷第 N 期 %&&N 年 ! 月上半月
气动发动机能量转移系统分析
左承基’ " 钱叶剑’ " 欧阳明高% " 杨福源%
’# 合肥工业大学， 合肥， %(&&&) %# 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室， 北京， ’&&&S!
摘要： 描述了一台单缸二冲程气动发动机的能量转移系统， 利用火 用分析法对该系统各个环节的能 量使用效率进行了分析。分析结果表明： 制备效率和气动发动机的指示效率是造成总能量效率偏低的 主要原因； 在气动发动机能量转移系统中， 应该选择合适的压缩机并采用多级压缩、 中间冷却的方式制 备压缩空气； 采用串联气缸等温膨胀方式多级利用压缩空气， 可以提高气动发动机的指示效率； 在能量 转移系统中， 应该采用容积膨胀减压方式减少减压环节的可用能损失； 合理利用低温排气的冷量火 用可 以提高气动发动机能量转移系统的总能量效率。 关键词： 气动发动机； 能量转移系统； 火 用分析； 总能量效率 中图分类号： 80’(S" " " 文章编号： ’&&! —’(%Y （ %&&N ） &N —&SN& —&! !"#$%&’& (" )"*+,% -+#"&.*+ /%&0*1 ’" !’+ V 2(3*+*4 )",’"* Z;9 =-1?CW4’ " [4.? \1W4.?’ " ];Q.?C <4?CC.9% " \.?C ^;Q;.?% ’# 01D14 R?4T13F4AQ 9D 815-?9B9CQ，01D14， %(&&&) ’&&&S! %# HA.A1 71Q @.>93.A93Q 9D J;A9/9A4T1 H.D1AQ .?2 X?13CQ ，8F4?C-;. R?4T13F4AQ，K14W4?C， !5&0+#60：8-4F P.P13 21F534>12 A-1 1?13CQ A3.?FD13 FQFA1/ 9D . F4?CB1 5QB4?213 ，AO9 V FA3961 .43 V P9O1312 1?C4?1# 8-1 1?13CQ 1DD4541?5Q .?2 1?13CQ B9FF 4? 1.5- 59/P9?1?A -.2 >11? .?.BQ:12 >Q /1.?F 9D 1?13CQ .?.BQF4F# 8-1 .?.BQA45.B 31F;BAF F-9O A-.A A-1 B9O P31P.3.A49? 1DD4541?5Q .?2 B9O 4?245.A12 1DD4L 541?5Q .31 A-1 /.4? 5.;F1F 31F;BA4?C 4? A-1 B9O A9A.B 1?13CQ 1DD4541?5Q# J29PA4?C .? .2T.?512 59/P31FL F93 .?2 /;BA4 V FA.C1 P9BQA39P45 59/P31FF49? P3951FF O4A- 4?A13 V FA.C1 599B4?C 4F . F;4A.>B1 1?13CQ F.TL 4?C /1A-92 A9 C1?13.A1 -4C- V P31FF;31 59/P31FF12 .43# 8-1 F1341F V O9;?2 5QB4?213 .?2 4F9A-13/.B 1_L P.?F49? 5.? 4/P39T1 4?245.A12 1DD4541?5Q 9D .43 V P9O1312 1?C4?1# 8-1 1_P.?213 5.? 312;51 1_13CQ B9FF 4? P31FF;31 312;54?C P3951FF ，.?2 A-1 ;A4B4:.A49? 9D 53Q9C1?45 1_13CQ 9D .43 V P9O1312 1?C4?1 1_-.;FA 4F ;F1D;B A9 4/P39T1 A-1 A9A.B 1?13CQ 1DD4541?5Q# 7*% 3(+4&：.43 V P9O1312 1?C4?1 ；1?13CQ A3.?FD13 FQFA1/；1_13CQ .?.BQF4F；A9A.B 1?13CQ 1DD4541?5Q
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气动发动机能量转移系统分析— — —左承基3 钱叶剑3 欧阳明高等
机） 是利用高压压缩气体在气缸内膨胀推动活塞 做功而对外输出动力的
［ !， "］
众所周知， 在理想条件下， 压缩气体可以经历 不同的可逆过程， 其中以环境温度下可逆等温压 缩过程的功耗最小。 该压缩过程的制备效率为
!# ! （ ’# ( ’/ ） $%&/ 45 " ! # # （.）
!3 减压环节
气动发动机能量转移系统利用节流减压方法 将高压压缩气体 （ 储能介质） 降压为中低压气体
图 !" 气动发动机的能量系统转移流程图
（ 做功介质） 。节流是指在管道中流动的流体流 经截面突然缩小的阀门、 狭缝和孔口等设备时， 因 发生不可逆的压力损失而使流体压力降低的现 象。节流减压时， 流体与环境交换的热量很少， 可 以认为是绝热的， 因此节流前后的焓相等， 但介质 在通过节流口减压时， 技术功完全用于克服摩擦 阻力， 使得介质的可用能产生损失。因此， 可用减 压效率来表示高压压缩气体在减压环节 （ 节流前 后） 的可用能损失。 温度为 &# ， 节流减压 设储能介质压力为 ’# 、 温度为 &. ， 环境压力 之后的做功介质压力为 ’. 、 温度为 &/ ， 并设压缩空气为理想气体。 将压 为 ’/ 、 缩空气作为稳定流动物质并且不考虑宏观动能和 位能， 在其只可能跟环境交换热量的情况下， 从 ・ * 2 #・
作者简介： 李以农， 男， ’)*’ 年生。重庆大学机械传动国家重点实 验室教授、 博士研究生导师。研究方向为汽车系统动力学控制、 汽 车主动安全性、 振动控制等。发表论文 S& 余篇。杨" 柳， 女， ’)S& 年生。重庆大学机械传动国家重点实验室硕士研究生。郑" 玲， 女， ’)*( 年生。重庆大学机械工程学院副教授。卢少波， 男， ’)S& 年生。重庆大学机械传动国家重点实验室博士研究生。
.3 制备环节
利用空气压缩机制备压缩空气时， 压缩机将 电能转化为压缩空气的压力能， 但压缩空气 （储 能介质） 实际储存的能量要小于制备过程消耗的 能量， 这是因为实际压缩过程是不可逆的， 存在一 定的能量损失。本文用制备效率来表示压缩空气 用 制备过程中的能量损失， 该效率是储能介质的火 与制备储能介质功耗的比值， 即
!# ! " # （#）
式中， " 为压缩空气所含的压力火 用； # 为制备储能介质的 功耗， 是空气压缩机轴功率与充气时间的乘积。
。如果利用水力、 风
力和太阳能等可再生绿色能源作为压缩空气的制 备能源， 可使得气动发动机成为真正绿色零污染 的发动机。#$$# 年， 法国工程师 %&’(& 首次提出 了气动发动机的概念， 由于只用压缩空气作为做 功介质， 对大气环境没有污染， 所以立即受到了人
［ )］ 们的关注 。#$$* 年， 法国 +,- 公司推出了第一
零污染、 用之不竭、 经济实用的代用能源， 压缩空 气就具有这些优点。压缩空气发动机 （ 气动发动
4?C HQFA1/， R=K V G8H V ,UU V )+ V ’% ［ U］ # =.B4D93L ?4.： =.B4D93?4. ,J80 U1F1.35- U1P93A， ’))+# ［ )］ " ,.51W6. 0 K，K.6613 X# 8Q31 <921BB4?C D93 RF1 4? E1L -45B1 MQ?./45F HA;241F ［ =］ I I HJX ,.P13 SN&!%’， ’)SN# ［’&］ " 王丰尧# 滑模变结构控制 ［ <］ # 北京： 机械工业出版 社， ’))S# （编辑" 郭" 伟）