發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)理想熱力循環(huán)分析王雷，李道飛，徐煥祥，樊之鵬，俞小莉（浙江大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及車(chē)輛工程研究所，杭州310027）制動(dòng)能量的高效、低成本回收利用。以城市路況運(yùn)行車(chē)輛為應(yīng)用對(duì)象，基于傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)提出了3種發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)能量回收方案。通過(guò)建立3種方案共同的理想熱力學(xué)循環(huán)，以可回收氣體的*大壓力、單位排量每循環(huán)回收氣體質(zhì)量、循環(huán)性能系數(shù)（COP）和循環(huán)平均指示壓力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)制動(dòng)循環(huán)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：增大壓縮比、減小排氣管緩沖腔容積與排量比或者減小排氣門(mén)開(kāi)啟提前角均可以提高回收氣體的*大壓力，在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)盡可能減小排氣管緩沖腔的容積；在制動(dòng)過(guò)程中，減小排氣門(mén)開(kāi)啟提前角可獲得較高的循環(huán)平均指示壓力和氣體回收質(zhì)量；隨著氣罐背壓的增加，控制排氣門(mén)開(kāi)啟提前角由大變小，可獲得*佳的制動(dòng)循環(huán)性能；理論上，二沖程制動(dòng)循環(huán)COP與四沖程制動(dòng)循環(huán)相同，但二沖程制動(dòng)循環(huán)氣體回收質(zhì)量流量和制動(dòng)功率為四沖程制動(dòng)的2倍。

　　車(chē)輛在市區(qū)工況行駛過(guò)程中，頻繁起-停消耗了布計(jì)算，在FTP75（federaltestprocedure 75）城市工況很大一部分的能量。根據(jù)某典型轎車(chē)的能量消耗分下，因制動(dòng)而消耗的能量占到了牽引能量的基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2011CB707205）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50976104）。

　　壓程的裎于行收沖動(dòng)基縮回四制55%.因此，實(shí)施制動(dòng)能量回收是提高燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)途徑。

　　目前常用的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)方式是在排氣門(mén)上加裝一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使排氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程后期小幅開(kāi)啟（升程約12mm），以釋放缸內(nèi)壓縮氣體，減少缸內(nèi)氣體在膨脹行程對(duì)活塞的做功量，產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力。但這種發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)僅起到車(chē)輛緩速的效果，沒(méi)有能量回收功能。

　　氣動(dòng)-內(nèi)燃混合動(dòng)力車(chē)輛的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回收。通過(guò)適當(dāng)?shù)母脑?，在?chē)輛制動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以制動(dòng)循環(huán)模式工作，將車(chē)輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣儲(chǔ)能；在車(chē)輛驅(qū)動(dòng)時(shí)，回收的壓縮空氣可用于車(chē)輛起動(dòng)、低速驅(qū)動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣增壓，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，因而具有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

　　目前，大多數(shù)的研究人員采用無(wú)凸輪全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力不同工作模式的切換。但無(wú)凸輪全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、成本高，距離實(shí)際應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。此外，Zhao等借助發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了一種低成本的制動(dòng)能量回收技術(shù)，該技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改動(dòng)較大，可能會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常進(jìn)氣。

　　筆者以傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣輔助制動(dòng)為基礎(chǔ)，提出了從排氣管回收壓縮空氣的方法，探討了發(fā)動(dòng)機(jī)二沖程制動(dòng)和四沖程制動(dòng)的技術(shù)方案，并對(duì)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了理想熱力循環(huán)分析。

　　1壓縮空氣再生制動(dòng)原理筆者研究的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)基于傳統(tǒng)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，適用于在城市路況中運(yùn)行的車(chē)輛，如公交車(chē)、出租車(chē)等。如所示，按照工作循環(huán)的行程數(shù)區(qū)分，有四沖程循環(huán)制動(dòng)和二沖程循環(huán)制動(dòng)，其中，四沖程制動(dòng)方式又因壓縮空氣回收行程的不同，可分為壓縮行程回收和排氣行程回收。不同制動(dòng)循環(huán)的進(jìn)排氣門(mén)及充氣閥開(kāi)閉規(guī)律如所示。

　　基于排氣行程回收的四沖程制動(dòng)方案不需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行改動(dòng)，只需在排氣管中安裝蝶閥和氣體回收管路，回收管路再通過(guò)充氣閥及管路連接至儲(chǔ)氣罐。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，排氣管中蝶閥打開(kāi)、充氣閥關(guān)閉；發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作時(shí)，控制器切斷燃油供給，同時(shí)關(guān)閉蝶閥，在排氣行程某時(shí)刻開(kāi)啟充氣閥，使缸內(nèi)氣體進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。

　　基于壓縮行程回收的四沖程制動(dòng)方案在安裝排氣蝶閥和氣體回收管路的基礎(chǔ)上，另外需要采用排氣門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)在制動(dòng)工作時(shí)，控制器切斷燃油供給、關(guān)閉排氣管蝶閥，并激活排氣門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使排氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮行程后期小幅開(kāi)啟，并且保持開(kāi)仍、乃，由變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)理論得啟狀態(tài)至排氣行程結(jié)束，同時(shí)在壓縮行程某時(shí)刻開(kāi)啟充氣閥，回收壓縮空氣。

　　二沖程制動(dòng)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原有配氣機(jī)構(gòu)改動(dòng)較大，筆者提出采用第2套凸輪實(shí)現(xiàn)制動(dòng)工作的方案。在發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)工作時(shí)，控制器切斷燃油供給，通過(guò)凸輪切換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)模式凸輪向制動(dòng)模式凸輪的切換，同時(shí)配合排氣管中的蝶閥和充氣閥，在排氣行程將氣體回收。

　　上述改造只針對(duì)制動(dòng)循環(huán)，原有工作循環(huán)保持不變。由工作循環(huán)切換為制動(dòng)循環(huán)時(shí)，控制器首先切斷燃油供給，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火狀態(tài)，之后切換配氣方案，*后關(guān)閉排氣蝶閥，整個(gè)動(dòng)作經(jīng)歷約2、3個(gè)循環(huán)的中間過(guò)渡狀態(tài)，可使原有工作循環(huán)中的高溫廢氣排出。

　　2熱力循環(huán)建模在分析發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)循環(huán)過(guò)程中，為了解氣體回收特性和循環(huán)指示特性，需要對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用典型的熱力過(guò)程來(lái)表示制動(dòng)工作過(guò)程，使其便于建立數(shù)學(xué)模型，因此做出如下假設(shè)：①工質(zhì)為理想氣體；②缸內(nèi)氣體和排氣管緩沖腔內(nèi)氣體各狀態(tài)參數(shù)分布均勻；③進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉瞬時(shí)完成，氣體進(jìn)出氣門(mén)無(wú)節(jié)流損失；④缸內(nèi)氣體以壓力能和熱能的形式存在，不考慮摩擦損失；⑤缸壁活塞都為絕熱壁面，同時(shí)不考慮漏氣損失。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為排量為Vd，排氣管緩沖腔容積為Fexh，F(xiàn)exh與Vd之比為r，進(jìn)氣壓力與氣罐壓力之比為p，p、r、m和V分別為工質(zhì)的壓力、溫度、質(zhì)量和體積，W為輸出功，cv、cp、k分別為理想氣體比定容熱容、比定壓熱容和比熱比。在上述假設(shè)之下，前文所提的3種制動(dòng)方案盡管具體的實(shí)現(xiàn)方法不同，但在理想情況下制動(dòng)過(guò)程都包含了同一種熱力循環(huán)。為所述理想熱力循環(huán)，V圖。

　　中1一2為進(jìn)氣過(guò)程，可視為理想的定壓絕熱過(guò)程，初始?jí)毫蜏囟扰c進(jìn)氣狀態(tài)相同，分別為5為壓縮過(guò)程：其中2―3過(guò)程缸內(nèi)氣體質(zhì)量不變，為絕熱壓縮過(guò)程，可得4為排氣門(mén)打開(kāi)瞬間缸內(nèi)氣體與排氣管緩沖腔內(nèi)氣體混合過(guò)程，假設(shè)混合前排氣緩沖腔內(nèi)氣體壓力、溫度與1點(diǎn)相同，由m3U3+mexhUexh=m4U4得如果4小于仍，則4一5為缸內(nèi)氣體與排氣管緩沖腔內(nèi)氣體共同壓縮過(guò)程，5點(diǎn)處缸內(nèi)氣體壓力等于氣罐壓力，可得5―6為充氣過(guò)程，視為定壓絕熱過(guò)程，可得1為等容過(guò)程，缸內(nèi)剩余氣體在進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟瞬間排至大氣。

　　綜合上述公式，循環(huán)指示功可表示為量vd之比，其與排氣門(mén)開(kāi)啟角之間的關(guān)系為爐為排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)曲軸轉(zhuǎn)角（上止點(diǎn)前0180）；t為發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿比。

　　經(jīng)推導(dǎo)得么爪'=厶爪。

　　3循環(huán)性能計(jì)算bookmark11發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)理想熱力循環(huán)類似于回收氣體的*大壓力（排氣門(mén)在上止點(diǎn)前90°開(kāi)啟）Fig.5Maximumpressureof在固定壓縮比（19）條件下，如所示，隨著排氣門(mén)開(kāi)啟提前角的減小，回收氣體的*大壓力逐漸上升；并且存在一個(gè)角度（圖中約70，當(dāng)排氣門(mén)開(kāi)啟提前角大于這個(gè)角度（70）時(shí)，開(kāi)啟角對(duì)回收氣體的*大壓力影響微弱；而當(dāng)小于70時(shí)，開(kāi)啟角對(duì)回收氣體的*大壓力影響逐步強(qiáng)（表現(xiàn)為曲線斜率的加）由此可見(jiàn)，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)，壓縮比、排氣管緩沖腔容積的大小和排氣門(mén)開(kāi)啟提前角共同影響著回收氣體的*大壓力。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)排量、壓縮比等參數(shù)固定，需要結(jié)合具體結(jié)構(gòu)并根據(jù)上述關(guān)系合理選擇排氣管緩沖腔容積與排量比值和排氣門(mén)開(kāi)啟提前角。綜合和，r值選為0.2較為合適。

　　3.2每循環(huán)回收的氣體質(zhì)量在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣再生制動(dòng)過(guò)程中，氣罐內(nèi)壓力不斷累積，如果考慮氣罐內(nèi)氣體等溫變化，則回收的能量取決于回收的氣體質(zhì)量。根據(jù)第2節(jié)推導(dǎo)結(jié)果可求出每循環(huán)回收的氣體質(zhì)量。假設(shè)大氣溫度為300K，理想氣體常數(shù)為287V（kgK）為使每循環(huán)的氣體回收質(zhì)量更具普遍性，計(jì)算時(shí)將其除以發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，得到單位排量的氣體回收質(zhì)量。所示為發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比19、排氣管緩沖腔容積與排量比為0.2時(shí)，單位排量每循環(huán)回收的氣體質(zhì)量變化情況。隨著氣罐背壓的加，循環(huán)回收的氣體質(zhì)量減小，減小排氣門(mén)開(kāi)啟提前角則有利于氣體的回收。在相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，由于二沖程制動(dòng)每循環(huán)時(shí)間為四沖程制動(dòng)的1/2，因此，二沖程制動(dòng)氣體回收的質(zhì)量流量理論上為四沖程制動(dòng)的2倍。

　　循環(huán)COP根據(jù)式（20）對(duì)COP的定義，計(jì)算得到不同氣罐背壓和排氣門(mén)開(kāi)啟提前角下的循環(huán)性能系數(shù)。如所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為19、排氣管緩沖腔容積與排量比為0.2條件下，隨著氣罐背壓的加，COP逐漸減小。在低氣罐背壓下，大排氣門(mén)開(kāi)啟提前角有利于能量回收，而在較高氣罐背壓條件下，減小排氣門(mén)開(kāi)啟提前角有利于能量回收。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣制動(dòng)過(guò)程中，需要控制排氣門(mén)開(kāi)啟提前角由大變小，才能獲得*佳的COP.由可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比選為19、排氣管緩沖腔容積與排量比選為0.2的條件下，制動(dòng)循環(huán)平均指示壓力隨著氣罐背壓的加而加，同時(shí)隨著排氣門(mén)開(kāi)啟提前角的減小而大。如果在低氣罐背壓條件下期望獲得較高的制動(dòng)功率，則要控制排氣門(mén)開(kāi)啟提前角靠近壓縮上止點(diǎn)。在相同的循環(huán)平均指示壓力條件下，由于二沖程制動(dòng)循環(huán)時(shí)間為四沖程制動(dòng)的1/2，因此二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的功率為四沖程制動(dòng)的2倍。

　　參數(shù)數(shù)值發(fā)動(dòng)機(jī)290F壓縮比19單缸排量/cm3477缸徑/mm90行程/mm75曲柄連桿比0.333排氣管緩沖腔容積/cm3110（大），80（小）進(jìn)氣持續(xù)范圍/（CA）0 180排氣持續(xù)范圍/（CA）180360充氣閥單向閥氣罐容積/L18 4二沖程制動(dòng)初步試驗(yàn)針對(duì)二沖程制動(dòng)，設(shè)計(jì)了制動(dòng)模式凸輪，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其中一缸進(jìn)行改造，開(kāi)展了單缸發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣制動(dòng)初步試驗(yàn)。試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

　　表1試驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)0為2組不同大小排氣管緩沖腔容積下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣制動(dòng)氣體質(zhì)量回收特性，720.曲軸轉(zhuǎn)角記為一個(gè)循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200r/min，由0可見(jiàn)，單位排量每循環(huán)的氣體回收質(zhì)量隨著氣罐背壓的增加而減小，證實(shí)排氣管緩沖腔容積較小時(shí)的回收情況優(yōu)于較大時(shí)的情況。由1可見(jiàn)，大、小2種排氣管緩沖腔容積下的*大回收氣體壓力分別約為0.6MPa和0.7MPa.2為排氣管緩沖腔容積為80cm3、排氣門(mén)開(kāi)啟提前角180時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣制動(dòng)實(shí)測(cè)與理想的缸內(nèi)示功圖，圖中實(shí)測(cè)壓縮過(guò)程曲線與理想循環(huán)趨勢(shì)相符合。經(jīng)過(guò)擬合，實(shí)測(cè)壓縮過(guò)程線的多變指數(shù)約為1.39，接近絕熱指數(shù)1.4，表明實(shí)際壓縮過(guò)程接近絕熱壓縮。

　　5結(jié)論壓縮比、排氣管緩沖腔容積與排量比和排氣門(mén)開(kāi)啟提前角3個(gè)因素共同影響著回收氣體的*大壓力。增大壓縮比、減小排氣管緩沖腔容積與排量比或者減小排氣門(mén)開(kāi)啟提前角均可以提高回收氣體的*大壓力。實(shí)際設(shè)計(jì)中，在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)盡可能減小排氣管緩沖腔的容積。

　　在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)（壓縮比、排氣管緩沖腔容積）后，減小排氣門(mén)開(kāi)啟提前角可獲得較高的循環(huán)平均指示壓力和氣體回收質(zhì)量。

　　在低氣罐背壓條件下，排氣門(mén)開(kāi)啟提前角越小，循環(huán)性能系數(shù)COP越小；在高氣罐背壓條件下，排氣門(mén)開(kāi)啟提前角越小，循環(huán)性能系數(shù)COP越大。因此，隨著氣罐背壓的不斷上升，控制排氣門(mén)開(kāi)啟提前角由大變小，可獲得*佳的制動(dòng)循環(huán)性能（COP）。

　　二沖程制動(dòng)循環(huán)性能系數(shù)（COP）與四沖程制動(dòng)循環(huán)相同，但二沖程制動(dòng)循環(huán)氣體回收質(zhì)量流量和制動(dòng)功率在理論上是四沖程制動(dòng)循環(huán)的2倍。

　　3種制動(dòng)方案中，二沖程制動(dòng)方案改造成本*高，基于排氣沖程回收的四沖程制動(dòng)方案改造成本*小。實(shí)際應(yīng)用中，需要同時(shí)考慮制動(dòng)需求和改造成本來(lái)選擇具體的制動(dòng)方案。