压缩空气燃油混合动力发动机工作过程建模及数值模拟

　　第25卷（2007）第6期压缩空气/燃油混合动力发动机工作过程建模及数值模拟方清华，刘昊，陈鹰，陶国良（浙江大学流体传动与控制国家重点，其缸体部分与传统内燃机相似，*显著的区别有两点：增加了压缩空气供给与喷射装置；2）压缩空气和燃油喷射采用电控管理系统。压缩空气供给与喷射装置由储气罐、减压阀、流量阀、电磁开关阀和压缩空气喷嘴组成。压缩空气的喷射时刻由电磁开关阀的开启时刻确定，而喷射量由流量阀开口位置以及高速电磁开关阀的启闭时间确定。燃油喷射时刻和喷射量则是电控燃油喷射系统根据发动机转速、负荷等信号，驱动电磁阀的启闭来控制。

　　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，分别以压缩空气和燃油作为动力源。两种工作模式的转换由发动机控制单元（中未画出）来管理，当发动机要切换到压缩空气动力模式时，发动机控制单元向电控喷油系统发出信号，切断燃油供应，然后根据转速、曲轴转角等信号发出信号控制电磁开关阀启闭，使发动机工作于压缩空气动力模式；当发动机要切换到内燃机模式时，由发动机控制单元发出电磁开关阀关闭信号，切断压缩空气供应，然后向电控喷油系统发出控制信号，由电控喷油系统控制燃油的喷射，使发动机工作于内燃机模式。

　　1压缩空气动力模式与4冲程往复活塞式内燃机19相似，压缩空气动力模式也是由4个冲程组成：吸气、压缩、充气膨胀和排气冲程，4个冲程完成一个做功循环，整个循环由两个曲轴旋转周期完成。与4冲程内燃机的区别在于，压缩空气动力模式是压缩行程上止点附近喷入压缩空气膨胀做功，而内燃机则是由喷入燃油燃烧后产生的高温、高压气体膨胀推动活塞做功。在起动和低速阶段，使发动机运行于压缩空气动力模式，能够发挥压缩空气动力发动机低速大转矩和零污染排放的特点。

　　2内燃机模式与4冲程往复活塞式内燃机相同，内燃机模式也是由4个冲程组成：吸气、压缩、喷油燃烧膨胀和排气冲程，一个做功循环由两个曲轴旋转周期完成。在混合动力发动机转速较高时电磁开关阀单缸混合动力发动机结构示意混合动力发动机数学模型以单个气缸作为一个热力学系统，系统边界由活塞顶、气缸盖及气缸套壁面组成（如中虚线包围部分）为简化计算过程，做如下假定：缸内气体状态均匀，各点温度、压力相同；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；气体流入或流出气缸为准稳定流动；（4避、出口气体的动能忽略不计。

　　1压缩空气动力模式数学模型21.1能量平衡方程压缩空气动力模式的缸内过程是气体热力学状态变化的过程，通过热力学分析可以建立其工作过程的数学模型。气体状态的变化应满足的能量守恒方程为为进、排气和压缩空气质量。

　　在一般情况下，气缸内气体的比内能U和质量m同时变化，故有实际气体的比内能是压力、温度和气体成分的函数。因为缸内气体为成分稳定的纯空气，而且压力对气体内能的影响非常小，所以比内能的变化可看作气体温度T的函数：21.2质量平衡方程系统内质量的变化应满足质量守恒方程，即通过系统边界交换的质量之和等于系统内质量的变化：dmdm，ddA，do%度；为流动函数，其值计算为P 2k（+1））1时，为亚临界流动，由于不存在燃烧过程，系统的热量来源主要来自气缸周壁与外界交换的热量，根据传热学中相关关系式，单位曲轴转角的换热量可写为当时，为趣临界流动，表面积；T为传热表面平均温度。

　　气体换热系数可借鉴内燃机的经验公式计算采均速度。

　　21.3气体状态方程系统内气体状态变化应满足状态方程为P/=mRT气缸传热表面积随曲轴转角的变化而变化，可按21.4摩擦模型平均摩擦压力P采用WneboneDE等人提出的经验公式111为下式计算则有喷油量；丨为燃烧品质指数；Acp为燃烧持续角；3为燃烧起始角。

　　缸壁换热、机械功、进排气流量和摩擦损失等的计算均与压缩空气动力模式相同。联立；随着压缩空气喷入气缸，缸内气体质量急剧上升，喷入的冷空气与缸内压缩后的热空气混合，导致缸内温度迅速降低，在压缩冲程上止点过后压力继续升高，缸内气体推动活塞对外输出转矩，输出转矩迅速升高；压缩空气进气结束后，缸内气体质量保持不变，缸内气体继续膨胀，温度、压力和输出转矩急剧下降；膨胀做功结束后，进入排气冲程和吸气冲程，过程与4冲程内燃机相似（见）。

　　压缩空气动力模式输出转矩变化平均指示压力是衡量发动机实际工作循环动力性能的一个极为重要的指标，根据平均指示压力可计算指示功率、转矩等其它重要性能指标。保持流量阀开口位置不变，通过改变压缩空气进气持续角可得平均指示压力的变化曲线可以看出，平均指示压力和平均有效转矩随着压缩空气进气持续角增大而提在压缩空气进气持续角为50°CA时，压缩空气进气量约为087R/cyce*大输出转矩为139N.m平均有效转矩为9. 1N.m有效功率为0 95kW平均指示压力也达到了615kP而4冲程非增压柴油机在标定工况下平均指示压力一般在0 95MPa压缩空气动力模式平均指示压力与内燃机相比并没有明显降低，说明低速时采用压缩空气动力模式在性能上和内燃机相比并没有大的降低。

　　322压缩空气动力模式模拟结果试验评估由于试验条件限制，我们将一台462型4冲程汽油发动机改造为使用压缩空气工作的2冲程气动发动机根据2冲程：气动发动机的试验来评估压缩空气动力模式的仿真结果。改造后的发动机为4缸、2冲程、8气门顶置凸轮轴配气，缸径为62m活塞行程为66mm总排量为0 8L压缩比为8 7.试验时只要保持2冲程气动发动机压缩空气进气可用能与压缩空气动力模式压缩空气进气可用能相等，那么根据发动机相关理论，相同转速下2冲程气动发动机功率和转矩等指标应为4冲程气动发动机（压缩空气动力模式）的两倍压缩空气的可用能E为气压力。

　　试验测得压缩空气进气压力为1.2MPa转速为1rmn寸每循环单缸进气质量为1.2g压缩空气可用能为251有效功率为1.75kW平均有效转矩为167Nm而仿真所得压缩空气动力模式压缩空气进气压力为3MPa转速为1000r/mn进气持续角为50°A寸，每循环进气质量为087g压缩空气可用能为249有效功率和平均有效转矩的两倍分别2Nm可以看出，在压缩空气进气可用能相当的情况下，压缩空气动力模式有效功率和平均有效转矩的两倍值均稍高于2冲程气动发动机试验结果，仿真结果足够准确。

　　33内燃机模式发动机数值模拟及试验331内燃机模式性能数值模拟仿真可得到内燃机模式转速为1 500rmn喷油提前角为10°CA燃烧持续角为70°CA过量空气系数为1.1时，缸内温度、压力以及输出转矩随曲轴转角变化曲线。内燃机模式缸内*高温度远高于压缩空气动力模式，达到了2350K内燃机模式缸内压力远高于压缩空气动力模式，*高压力达到了52MPa较高的缸内压力也使得*大输出转矩高达210N°m曲轴转角0/°CA内燃机模式缸内压力和温度变化气动力模式，其主要性能指标与非增压4冲程内燃机相比，并没有明显的降低；由于不消耗燃油而且排放的是纯空气，无有害排放，因此也能够达到减少燃油消耗和尾气污染排放的目的。

　　（2）内燃机模式的各主要性能指标与非增压4冲程内燃机相近，而且内燃机模式通常是在较高的转速或负荷下运转，因此避开了发动机低速或低负荷时经济性差、有害排放高的缺点。）两种工作模式的性能指标均能满足小型汽车发动机需要，而发动机电控技术的日益成熟也为两种工作模式的切换提供了技术支持，这说明压缩空气/燃油混合动力发动机是可行的。