压缩空气发动机系统的数值模拟

　　基金项目：清华大学汽车安全与节能国家重点。中Vo表示余隙容积；1表示进气容积；V2表示气缸容积。

　　进气门开启后，气缸压力迅速由上一循环的残余压力升到进气压力（12）。在进气门保持开启阶段，由于有储气罐内高压气体的补充而进行等压充气（23），当活塞下行到某合适位置3时，进气门关闭。于是气缸中的高压气体开始膨胀（34），此阶段一般是一个多变过程，之后，排气门开启，缸内气体排出气缸（4―1）。

　　压缩空气发动机是通过高压气体膨胀做功以实现动力输出的，其总体结构形式可以借鉴传统发动机现有的结构模式，主要是往复活塞式及旋转活塞式等形式。高压压缩空气经减速压阀减压，通过热交换器吸热膨胀，进入气缸后进一步膨胀，推动活塞输出动力。为了能够有针对性地改进压缩空气发动机及管路系统的各项参数，提高发动机的效率与能量利用率，对现有压缩空气发动机及管路系统进行数值模拟是有必要的，这样能够摸清压缩空气系统动力学特性，提高系统工作效率，缩短改进工作周期，节约研制成本。

　　2系统建模压缩空气发动机系统总体构成如所示。

　　建模目标分为配气部分、压缩空气发动机部分和连接管路部分。配气部分为压缩空气发动机提供高压气体，由储气罐、进气减压阀和控制阀门组成。压缩空气发动机部分包括进气阀、排气阀和气缸组成，是系统的核心。连结管路部分则贯穿了整个系统，连接各个部件。

　　压缩空气由高压储气瓶储存，压力可达15MPa由于输气管道与阀门以及各个部件的承压能力有限，从安全角度考虑，使用减压阀来降低出口压力，一般出口压力调为2.在进气减压阀与发动机之间设有一个控制阀门，用来调节压缩空气发动机的输出功率，相当于普通发动机的油门。减压阀、控制阀门和压缩空气发动机之间使用承压能力很高的钢丝编织软管相连接，高压气体在发动机气缸中膨胀做功后经排气管排入大气。

　　目前流行的流体分析软件较多，例如一维分析的FLOWMASTER、三维分析的Fluent及Ansys等。FLOWMASTER是一款专业的工程流体管路系统的分析软件16，擅长于对流体管路系统进行整体分析。它的数据库中包含丰富的通用工程流体部件的模块，如阀门、管道等，而且能够运用C或Fortran语言自己编写部件模块，构建系统方便快捷。它能计算系统中各节点的压力、温度、质量流量和马赫数等数据，分析结果能以直观图形输出或以Excel文件格式输出。其它软件，例如Fluent与Ansys，它们与FLOWMASTER相比更关注局部，虽然能够进行精细的三维流体计算，但对阀门与发动机的建模很难进行或计算成本太高，并不适合于系统的综合分析。

　　考虑到本文建模的主要对象是整个发动机系统，所以采用FLOWMASTER作为建模工具软件，并构建系统计算模型。

　　由于FLOWMASTER软件中没有发动机特征化的模块，所以对发动机进气门、排气门和气缸各部件进行模型化时，必须表达为相应的阀门、可变压力源、控制模块和突变结等基本部件组成的程序，再与其它部件进一步组合成系统的整体模型。Engine仿真计算模型如所示。

　　号复制器；0、24为阀门；21为管道；22、23为突变结。压缩空气发动机中没有燃烧过程，缸内变化相对比较简单，而且FLOWMASTER软件本身只是做一维的分析，作为系统中的一个部件，进行多维流动分析是没有意义的，所以Engine模型采用发动机准维模型进行建模。

　　出压力与温度完全一样的可变压力源，它们组成发动机缸内工作模型，其输出值由2个控制器分别控制它们的输出压力与温度。控制器中可用VBScript编写程序，以实现对可变压力源的控制，计算模型就是在此部件中编写代码。控制器可以有*多5个输入变量，它们可以是其它部件的瞬时状态参数，例如质量流量、温度和压力等。在此使用了3个变量，分别是进气温度、进气质量流量和排气质量流量，从而根据发动机准维模型解出微分方程组，计算出缸内的压力、温度和工质质量。发动机准维模型微分方程组ThcF/〔Tv/-其中，为传热面积；Twi为传热表面的平均温度；c按传热面位置平均的瞬时表面传热系数。

　　基于不同的发动机机型，hc表达式也是不同的。

　　和Ts由FOWMATER分析算出，经过控制器变量输入接口传递入计算模型。联立⑴（7）式，进行数值计算，即可得到pT、m的数值解。FLOWMASTER的计算过程是一个特殊的迭代计算过程，以设定的分析时间和步长为迭代计算的过程参数。分析从零秒开始，每个分析时刻计算完毕后增加一个时间步长，直至达到设定的分析时间值停止。

　　界传入或传出的热量；W为作用在活塞上的机械功；为工质的比焓；9为曲轴转角。

　　机械功的计算公式为其中，V为气缸容积；为缸内压力。

　　对于确定的发动机，V是曲轴转角的函数，其表达式为一程序计算始点选择气体膨胀做功的始点，即进气门均关闭时刻。此时进排气质量流量均为0，在整个膨胀过程中缸内工质质量不变，而其它过程缸内质量均有变化，以此点为计算始点，初值计算比其它过程更容易确定，所以取它作为计算始点*为合适。系统模型计算流程如所示。

　　N为计算步数；TotalN为总计算步数；s、Th为进排气温度；qms、qml，分别为进排气质量流量。计算基于以下条件和假设：由于气瓶经减压阀减压后的压力随发动机工作循环波动很小，可简化为一个定压力源，输出压力为定值，温度恒定为室温，假设排气管出口压力与温度分别与大气压力与室温相同。

　　编织软管部件，以同管径的一般钢管代替使用。

　　荷运行，控制阀门开度设为*大1.包括3个工作循环，时间步长为10-5s大约为0.0022曲轴转角，稍大点的时间步长可能会导致计算无法收敛。

　　3计算结果及对比分析上止点前10CA进气阀开启，此时缸内外压比较小，气缸容积较小，活塞仍在上行，尽管阀门开度很小进气量不大，压力快速升高。随着活塞下行，气缸容积增加速率逐步提高，缸内外压比增大进气速率降低，压力上升缓慢，出现了一个平台区。在进气门关闭前10CA开始，由于进气阀开度减小导致进气流量减小，气缸容积增加速率不断增加，压力开始下降。上止点后90CA进气阀关闭，气体继续膨胀，压力持续降低。在上止点后155CA排气门打开，开始排气，缸内工质质量减少，压力下降速率稍许加快，随着压力不断降低，接近一个大气压时压力降低趋于平缓，*低压力基本与一个大气压相等。在进气初期容积变化较小，近似认为此过程为定容充气过程。压力升高速率比质量升高速率大，由（6）式知，温度上升对膨胀过程有利，整体抬升了膨胀过程的气体温度。

　　活塞下行，由于压力升高速率降低，气体膨胀，温度降低。在排气接近结束前气体压力接近一个大气压，活塞上行做功，气体温度有小幅回升。

　　试验在一台经过改造的R175单缸柴油机上进行陈鹰，许宏。压缩空气动力汽车的研究与发展。机械许宏。压缩空气动力汽车。汽车技术，2⑴2许宏。压缩空气动力汽车的可行性研究。中国机械工俞小莉，元广杰，沈瑜铭，等。气动发动机工作循环的理论分析。机械工程学报，2002安达，谈建，左承基。压缩空气发动机的设计及初步实验。合肥工业大学学报（自然科学版）2⑴5，左承基李宁。国产4125柴油机改制成天然气发动机。

　　蒋德明。高等内燃机原理。西安：西安交通大学出版社，沈恒荣，刘急，高政冠，等。内燃机性能研究。北京：机械工业出版社，1981.1370（责任编辑吕杰）