第25卷（2007）第6期壓縮空氣/燃油混合動力發(fā)動機工作過程建模及數(shù)值模擬方清華，劉昊，陳鷹，陶國良（浙江大學流體傳動與控制國家重點，其缸體部分與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相似，*顯著的區(qū)別有兩點：增加了壓縮空氣供給與噴射裝置；2）壓縮空氣和燃油噴射采用電控管理系統(tǒng)。壓縮空氣供給與噴射裝置由儲氣罐、減壓閥、流量閥、電磁開關(guān)閥和壓縮空氣噴嘴組成。壓縮空氣的噴射時刻由電磁開關(guān)閥的開啟時刻確定，而噴射量由流量閥開口位置以及高速電磁開關(guān)閥的啟閉時間確定。燃油噴射時刻和噴射量則是電控燃油噴射系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷等信號，驅(qū)動電磁閥的啟閉來控制。

　　混合動力發(fā)動機能夠在壓縮空氣動力模式和內(nèi)燃機模式兩種工作模式下運行，分別以壓縮空氣和燃油作為動力源。兩種工作模式的轉(zhuǎn)換由發(fā)動機控制單元（中未畫出）來管理，當發(fā)動機要切換到壓縮空氣動力模式時，發(fā)動機控制單元向電控噴油系統(tǒng)發(fā)出信號，切斷燃油供應(yīng)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)角等信號發(fā)出信號控制電磁開關(guān)閥啟閉，使發(fā)動機工作于壓縮空氣動力模式；當發(fā)動機要切換到內(nèi)燃機模式時，由發(fā)動機控制單元發(fā)出電磁開關(guān)閥關(guān)閉信號，切斷壓縮空氣供應(yīng)，然后向電控噴油系統(tǒng)發(fā)出控制信號，由電控噴油系統(tǒng)控制燃油的噴射，使發(fā)動機工作于內(nèi)燃機模式。

　　1壓縮空氣動力模式與4沖程往復活塞式內(nèi)燃機19相似，壓縮空氣動力模式也是由4個沖程組成：吸氣、壓縮、充氣膨脹和排氣沖程，4個沖程完成一個做功循環(huán)，整個循環(huán)由兩個曲軸旋轉(zhuǎn)周期完成。與4沖程內(nèi)燃機的區(qū)別在于，壓縮空氣動力模式是壓縮行程上止點附近噴入壓縮空氣膨脹做功，而內(nèi)燃機則是由噴入燃油燃燒后產(chǎn)生的高溫、高壓氣體膨脹推動活塞做功。在起動和低速階段，使發(fā)動機運行于壓縮空氣動力模式，能夠發(fā)揮壓縮空氣動力發(fā)動機低速大轉(zhuǎn)矩和零污染排放的特點。

　　2內(nèi)燃機模式與4沖程往復活塞式內(nèi)燃機相同，內(nèi)燃機模式也是由4個沖程組成：吸氣、壓縮、噴油燃燒膨脹和排氣沖程，一個做功循環(huán)由兩個曲軸旋轉(zhuǎn)周期完成。在混合動力發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時電磁開關(guān)閥單缸混合動力發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意混合動力發(fā)動機數(shù)學模型以單個氣缸作為一個熱力學系統(tǒng)，系統(tǒng)邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套壁面組成（如中虛線包圍部分）為簡化計算過程，做如下假定：缸內(nèi)氣體狀態(tài)均勻，各點溫度、壓力相同；工質(zhì)為理想氣體，比熱、內(nèi)能、焓等參數(shù)僅與氣體溫度和氣體成分有關(guān)；氣體流入或流出氣缸為準穩(wěn)定流動；（4避、出口氣體的動能忽略不計。

　　1壓縮空氣動力模式數(shù)學模型21.1能量平衡方程壓縮空氣動力模式的缸內(nèi)過程是氣體熱力學狀態(tài)變化的過程，通過熱力學分析可以建立其工作過程的數(shù)學模型。氣體狀態(tài)的變化應(yīng)滿足的能量守恒方程為為進、排氣和壓縮空氣質(zhì)量。

　　在一般情況下，氣缸內(nèi)氣體的比內(nèi)能U和質(zhì)量m同時變化，故有實際氣體的比內(nèi)能是壓力、溫度和氣體成分的函數(shù)。因為缸內(nèi)氣體為成分穩(wěn)定的純空氣，而且壓力對氣體內(nèi)能的影響非常小，所以比內(nèi)能的變化可看作氣體溫度T的函數(shù)：21.2質(zhì)量平衡方程系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的變化應(yīng)滿足質(zhì)量守恒方程，即通過系統(tǒng)邊界交換的質(zhì)量之和等于系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的變化：dmdm，ddA，do%度；為流動函數(shù)，其值計算為P 2k（+1））1時，為亞臨界流動，由于不存在燃燒過程，系統(tǒng)的熱量來源主要來自氣缸周壁與外界交換的熱量，根據(jù)傳熱學中相關(guān)關(guān)系式，單位曲軸轉(zhuǎn)角的換熱量可寫為當時，為趣臨界流動，表面積；T為傳熱表面平均溫度。

　　氣體換熱系數(shù)可借鑒內(nèi)燃機的經(jīng)驗公式計算采均速度。

　　21.3氣體狀態(tài)方程系統(tǒng)內(nèi)氣體狀態(tài)變化應(yīng)滿足狀態(tài)方程為P/=mRT氣缸傳熱表面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變化，可按21.4摩擦模型平均摩擦壓力P采用WneboneDE等人提出的經(jīng)驗公式111為下式計算則有噴油量；丨為燃燒品質(zhì)指數(shù)；Acp為燃燒持續(xù)角；3為燃燒起始角。

　　缸壁換熱、機械功、進排氣流量和摩擦損失等的計算均與壓縮空氣動力模式相同。聯(lián)立；隨著壓縮空氣噴入氣缸，缸內(nèi)氣體質(zhì)量急劇上升，噴入的冷空氣與缸內(nèi)壓縮后的熱空氣混合，導致缸內(nèi)溫度迅速降低，在壓縮沖程上止點過后壓力繼續(xù)升高，缸內(nèi)氣體推動活塞對外輸出轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩迅速升高；壓縮空氣進氣結(jié)束后，缸內(nèi)氣體質(zhì)量保持不變，缸內(nèi)氣體繼續(xù)膨脹，溫度、壓力和輸出轉(zhuǎn)矩急劇下降；膨脹做功結(jié)束后，進入排氣沖程和吸氣沖程，過程與4沖程內(nèi)燃機相似（見）。

　　壓縮空氣動力模式輸出轉(zhuǎn)矩變化平均指示壓力是衡量發(fā)動機實際工作循環(huán)動力性能的一個極為重要的指標，根據(jù)平均指示壓力可計算指示功率、轉(zhuǎn)矩等其它重要性能指標。保持流量閥開口位置不變，通過改變壓縮空氣進氣持續(xù)角可得平均指示壓力的變化曲線可以看出，平均指示壓力和平均有效轉(zhuǎn)矩隨著壓縮空氣進氣持續(xù)角增大而提在壓縮空氣進氣持續(xù)角為50°CA時，壓縮空氣進氣量約為087R/cyce*大輸出轉(zhuǎn)矩為139N.m平均有效轉(zhuǎn)矩為9. 1N.m有效功率為0 95kW平均指示壓力也達到了615kP而4沖程非增壓柴油機在標定工況下平均指示壓力一般在0 95MPa壓縮空氣動力模式平均指示壓力與內(nèi)燃機相比并沒有明顯降低，說明低速時采用壓縮空氣動力模式在性能上和內(nèi)燃機相比并沒有大的降低。

　　322壓縮空氣動力模式模擬結(jié)果試驗評估由于試驗條件限制，我們將一臺462型4沖程汽油發(fā)動機改造為使用壓縮空氣工作的2沖程氣動發(fā)動機根據(jù)2沖程：氣動發(fā)動機的試驗來評估壓縮空氣動力模式的仿真結(jié)果。改造后的發(fā)動機為4缸、2沖程、8氣門頂置凸輪軸配氣，缸徑為62m活塞行程為66mm總排量為0 8L壓縮比為8 7.試驗時只要保持2沖程氣動發(fā)動機壓縮空氣進氣可用能與壓縮空氣動力模式壓縮空氣進氣可用能相等，那么根據(jù)發(fā)動機相關(guān)理論，相同轉(zhuǎn)速下2沖程氣動發(fā)動機功率和轉(zhuǎn)矩等指標應(yīng)為4沖程氣動發(fā)動機（壓縮空氣動力模式）的兩倍壓縮空氣的可用能E為氣壓力。

　　試驗測得壓縮空氣進氣壓力為1.2MPa轉(zhuǎn)速為1rmn寸每循環(huán)單缸進氣質(zhì)量為1.2g壓縮空氣可用能為251有效功率為1.75kW平均有效轉(zhuǎn)矩為167Nm而仿真所得壓縮空氣動力模式壓縮空氣進氣壓力為3MPa轉(zhuǎn)速為1000r/mn進氣持續(xù)角為50°A寸，每循環(huán)進氣質(zhì)量為087g壓縮空氣可用能為249有效功率和平均有效轉(zhuǎn)矩的兩倍分別2Nm可以看出，在壓縮空氣進氣可用能相當?shù)那闆r下，壓縮空氣動力模式有效功率和平均有效轉(zhuǎn)矩的兩倍值均稍高于2沖程氣動發(fā)動機試驗結(jié)果，仿真結(jié)果足夠準確。

　　33內(nèi)燃機模式發(fā)動機數(shù)值模擬及試驗331內(nèi)燃機模式性能數(shù)值模擬仿真可得到內(nèi)燃機模式轉(zhuǎn)速為1 500rmn噴油提前角為10°CA燃燒持續(xù)角為70°CA過量空氣系數(shù)為1.1時，缸內(nèi)溫度、壓力以及輸出轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線。內(nèi)燃機模式缸內(nèi)*高溫度遠高于壓縮空氣動力模式，達到了2350K內(nèi)燃機模式缸內(nèi)壓力遠高于壓縮空氣動力模式，*高壓力達到了52MPa較高的缸內(nèi)壓力也使得*大輸出轉(zhuǎn)矩高達210N°m曲軸轉(zhuǎn)角0/°CA內(nèi)燃機模式缸內(nèi)壓力和溫度變化氣動力模式，其主要性能指標與非增壓4沖程內(nèi)燃機相比，并沒有明顯的降低；由于不消耗燃油而且排放的是純空氣，無有害排放，因此也能夠達到減少燃油消耗和尾氣污染排放的目的。

　?。?）內(nèi)燃機模式的各主要性能指標與非增壓4沖程內(nèi)燃機相近，而且內(nèi)燃機模式通常是在較高的轉(zhuǎn)速或負荷下運轉(zhuǎn)，因此避開了發(fā)動機低速或低負荷時經(jīng)濟性差、有害排放高的缺點。）兩種工作模式的性能指標均能滿足小型汽車發(fā)動機需要，而發(fā)動機電控技術(shù)的日益成熟也為兩種工作模式的切換提供了技術(shù)支持，這說明壓縮空氣/燃油混合動力發(fā)動機是可行的。