压缩空气燃油混合动力发动机工作过程可用能分析

　　0引百为了应对由于内燃机污染排放、石油资源匮乏所带来的挑战，人们研发了多种具有低能耗、低污染特点的新型发动机，主要包括电动发动机、燃料电池发动机、空气动力发动机、混合动力发动机等，其中压缩空气/燃油混合动力发动机已成为研究热点之一。笔者在中提出了一种新型的压缩空气/燃油混合动力发动机概念，这种混合动力发动机能够在压缩空气动力模式和内燃机模式两种工作模式下运行，装备这种混合动力发动机的车辆较为适合城市交通。在启动和低速阶段，以压缩空气作为动力源，使发动机运行于压缩空气动力模式，能够发挥出压缩空气动力发动机低速大扭矩和零污染排放的特点。在较高的转速或负荷下采用内燃机模式，能够避开内燃机低速时能耗高、有害排放多的缺点，使发动机在低能耗、低污染的*佳工况附近运行。

　　1.储气罐2.减压阀3.热交换器4.流量阀5.电磁开关阀6.压缩空气喷嘴7.进气门8.喷油嘴9.电控喷油装置10.排气门11.气缸12.活塞13.曲柄连杆机构单缸混合动力发动机结构示意图本文在压缩空气/燃油混合动力发动机工作过程的热力学**定律数值模拟的基础上，应用热力学第二定律，对其两种工作模式的工作过程基金项目：国家自然基金一福特基金资助项目（50122115）（中虚线包围部分）为简化计算假定：①气缸内的气体状态是均匀的，气缸内各点的压力、温度完全相同；②工质为理想气体比热、内能、焓等参数仅与气体温度和气体成分有关；③气体流入或流出气缸为准稳定流动；④进出口气体的动能忽略不计。

　　1.1压缩空气动力模式可用能平衡方程压缩空气动力模式下，发动机的工作过程是气体热力学状态变化的过程。由热力学**定律可得到系统的能量守恒方程：界换热量；hi、hE、he分别为进气、排气和压缩空气进气比焓；mi、mE、m（：分别为进气、排气和压缩空气进气质量；9为曲轴转角。，T为缸内工质温度。

　　进入和排出气缸的气体瞬时质量按一维等熵绝热流动，则随曲轴转角的变化率为开口面积；pi为进排气口前气体压力；P为进排气口前气体瞬时密度；小为流动函数。

　　由热力学第二定律可得到压缩空气动力模式下系统的可用能平衡方程：流动：Aw，为活塞功可用能；Aq为缸壁传热可用能；A为系统内可用能；Ad为不可逆引起的可用能损失。

　　当<时，进排气为超临界流动：（1）压缩空气的可用能变化量。压缩空气进气口处单位质量的压缩空气具有的可用能为工质的内能按usti公式计算18，工质比熵的一变化由理想气体熵方程求得，即压力；列为环境压力。

　　储气罐内单位质量的压缩空气具有的可用能由下式计算：系统与缸壁的换热量可写成：压力。

　　（2）进气带入系统的可用能变化量为传热表面平均温度。

　　1.2内燃机模式可用能平衡方程与压缩空气动力模式相仿，由热力学**定律可得内燃机模式下系统的能量守恒方程：（4）活塞功可用能变化量为（7）燃油燃烧产生的可用能变化量由下式确定：（5）系统向缸壁传热的可用能变化量为比熵。

　　（3）排气从系统带走的可用能变化量为由热力学第二定律可得到内燃机模式下系统的可用能平衡方程：气缸直径（mm）62活塞行程（mm）66压缩比8.7吸气压力（MPa）0.10排气压力（MPa）0.11压缩空气进气压力（MPa）3.00环境压力（MPa）0.10环境温度（IO293料燃烧百分数。

　　燃料放热率dX/d可采用韦柏代用放热曲线进行模拟计算，计算精度足够，其经验公式如下：始角。

　　内燃机模式可用能平衡方程中其他可用能变化项的计算可参见压缩空气动力模式。

　　2工作过程可用能分析基于上述数学模型，在应用热力学**定律数值模拟得到缸内瞬时温度、压力和气体质量的基础上，应用热力学第二定律对混合动力发动机两种工作模式的工作过程进行能量可用性分析计算。在城市交通中，平均车速通常在40km/h左右，此时发动机转速一般在1500~1800r/min之间。仿真计算时两种工作模式的切换转速设为1500r/min，其他仿真计算初始参数见表1.表1混合动力发动机仿真初始参数2.1压缩空气动力模式可用能分析180°）作为计算始点，在355°（即压缩空气进气提前角为5°时，开启电磁开关阀向缸内喷入压缩空气，在，=445°时关闭电磁开关阀（即压缩空气进气持续角为90°）。仿真可得到转速为1500r/min时系统可用能随曲轴转角变化的曲线（、）。

　　所示为气门关闭期缸内可用能随曲轴转角的变化曲线。由于压缩空气进气压力与缸内压力压差较大，随着电磁开关阀打开，进入气缸的压缩空气可用能迅速增加。压缩行程时活塞向系统做功，系统内可用能增加，随着压缩空气喷入气缸而逐渐增加到峰值，继而随着膨胀行程进行逐渐减少。压缩行程时活塞功为负值，膨胀行程时活塞功增加到正值，并随着缸内气体膨胀逐渐增大。在气门闭合期，传热可用能由负值逐渐增加到正值，这说明缸内气体从环境吸收了热量，但传热可用能很小。不可逆性在压缩行程时近似为零，在压缩空气进气和膨胀行程时逐渐增大。

　　3.不可逆过程可用能损失4.活塞功可用能5.缸壁传热可用能压缩空气动力模式瞬时可用能（气门关闭期）所示为气门开启期缸内可用能变化曲线。活塞功随排气行程进行略有减少，随进气行程进行又略有增加。排气可用能则随排气行程进行逐渐增加并达到峰值。系统内可用能在排气门开启后迅速减少，随着排气进行逐渐减小为负值，这是因为缸内温度低于环境温度，具有一定的冷量，在进气行程时环境空气进入气缸，缸内温度回升，系统内可用能略有增加。不可逆过程引起的可用能损失在排气过程中稍有增加，在进气过程中则稍有减少。

　　表2给出了压缩空气动力模式发动机一个做功循环可用能分布状况。系统通过缸壁换热得到的可用能很少，可用能的损失主要由压缩空气减压损失、排气可用能损失以及不可逆性引起的。每循环仅有64 2%的压缩空气可用能可以利用，也就是说由节流减压造成的可用能损失占358%，要提高压缩空气可用能利用率，设法降低减压过程可用能损失是一个重要方面。研究表明，减小节流前后压差和采用容积减压方式101，能够大为减小节流可用能损失。由排气造成的可用能损失占压缩空气可用能的19. 3%左右，而排气为具有一定压力的冷空气，这一部分可用能是可以回收利用的，比如可作为车辆的空调冷源，从而提高发动机的能量利用率。

　　可用能类别ATAcaQAwAeAd各项可用能可用能类别afAWaqaiAEAD各项可用能表2压缩空气动力模式每个做功循环可用能分布2.2内燃机模式可用能分析、所示为内燃机模式下转速为1500r/min、过量空气系数为1 1时缸内可用能随曲轴转角变化的曲线。如所示，气门关闭期燃料燃烧产生的可用能、活塞功可用能、系统可用能、不可逆性的变化趋势与压缩空气动力模式基本相同。缸壁换热可用能与压力空气动力模式差异较大，是因为系统内温度远高于缸壁温度，系统通过缸壁向环境放热，且放热量远大于压缩空气动力模式下的吸热量。

　　5.缸壁传热可用能内燃机模式瞬时可用能（气门关闭期）如所示，气门开启期排气可用能、活塞功可用能变化趋势也与压缩空气动力模式相仿。系统内可用能随排气门开启后快速下降，排气结束前接近于零，在进气过程中基本不变，近似为零。缸壁换热的可用能变化较小，而不可逆性在气门开启期呈小幅增加趋势。

　　3.排气可用能4.系统内可用能5.缸壁传热可用能内燃机模式瞬时可用能（气门开启期）表3为内燃机模式下发动机一个做功循环可用能分布状况。可用能的损失主要由于缸壁换热、排气过程以及不可逆性引起的。其中，排气可用能损失达到了燃油燃烧可用能的20%左右，采用排气可用能回收措施，能显著提高发动机能量利用率，目前普遍采用的发动机增压技术就是利用了排气可用能。

　　内燃机模式每个做功循环可用能分布3结论压缩空气减压损失、排气可用能损失分别占压缩空气可用能的358%和19.3%，因此如何降低减压损失以及利用排气可用能是提高压缩空气动力模式效率的关键。

　　内燃机模式下排气可用能损失占燃油燃烧可用能的202%，因此充分利用排气可用能可以显著提高内燃机模式的效率。