氣動發(fā)動機(jī)工作過程和關(guān)鍵零部件優(yōu)化研究.pdf

1、以氣體儲能(壓縮空氣/液氮)為能量源的汽車動力系統(tǒng)是一種新型的汽車驅(qū)動方案。由于該系統(tǒng)的排放為純凈的空氣，不會對環(huán)境造成任何的污染以及具有能量可再生的特點(diǎn)，符合了“安全、舒適、環(huán)保，燃料來源多元化”的汽車設(shè)計(jì)理念。應(yīng)用氣動汽車將可以緩解數(shù)量巨大的內(nèi)燃機(jī)汽車給有限的資源與環(huán)境帶來的壓力。目前對氣動汽車的研究要么是純粹的改裝，要么是零碎的理論，形成實(shí)驗(yàn)過于直觀，理論不成體系這種局面。雖然同內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜的燃燒工作過程相比，氣動發(fā)動機(jī)的工作過程要

2、簡單的多，但是氣動汽車的開發(fā)與研究仍然是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要系統(tǒng)的項(xiàng)目規(guī)劃，科學(xué)可行的技術(shù)路線才能形成完整的氣動汽車?yán)碚摬⑿纬梢慌诵募夹g(shù)成果。 針對氣動發(fā)動機(jī)樣機(jī)的能量利用率低及目前還沒有關(guān)于氣動發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)理論與方法的現(xiàn)狀，在積累前人有益研究成果的基礎(chǔ)上，本文從系統(tǒng)熱力循環(huán)優(yōu)化與關(guān)鍵零部件優(yōu)化兩個(gè)層次進(jìn)行了研究，其主要工作與結(jié)論如下： 氣動汽車的研究進(jìn)展綜述介紹了當(dāng)前各單位研究氣動汽車的思路及所取得的成果，總結(jié)出

3、進(jìn)氣管理系統(tǒng)、整車氣動化與輕量化、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是氣動汽車開發(fā)的3大核心技術(shù)；分析說明氣動混合動力系統(tǒng)較其他形式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)越性；提出了氣動發(fā)動機(jī)的研究思路應(yīng)該是由機(jī)械固定進(jìn)排氣相位的配氣機(jī)構(gòu)向全可變進(jìn)氣時(shí)間的智能配氣機(jī)構(gòu)發(fā)展，由單級單組分熱力循環(huán)向多級多組分熱力循環(huán)轉(zhuǎn)變，由零部件級優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。 發(fā)展氣動汽車的可行性分析通過分析“燃料”(液氮/壓縮空氣)的實(shí)際儲能密度、總循環(huán)效率、氣動發(fā)動機(jī)的動力性能和

4、經(jīng)濟(jì)性能、氣動汽車的運(yùn)行成本與安全性能、“燃料”的來源、輔助配套設(shè)施的建設(shè)等因素，說明氣動汽車是一種實(shí)用的清潔燃料汽車，具有很好的發(fā)展前景。 氣動發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)研究通過自由度分析，說明氣動動力系統(tǒng)具有溫度、壓力和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3個(gè)自由度；建立了氣動發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架，測得了氣動發(fā)動機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能隨自由變量的變化規(guī)律曲線；利用熵分析方法進(jìn)行效率分析，得出儲能介質(zhì)的能量在系統(tǒng)中損耗與利用的分布情況，指出熱力循環(huán)優(yōu)化、降低內(nèi)部壓降、優(yōu)化

5、工作過程及防止工質(zhì)泄漏是影響系統(tǒng)效率的主要因素也是優(yōu)化工作的重點(diǎn)。 基于熱力學(xué)理論的氣動動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以確定系統(tǒng)的做功界限，為零部件的設(shè)計(jì)提供初始數(shù)據(jù)。針對液氮在單級朗肯循環(huán)下的能量利用效率低的問題，設(shè)計(jì)了基于等熵膨脹的多級多組分朗肯循環(huán)，計(jì)算結(jié)果表明液氮冷量的利用率由原來的24％提高到60％，該熱力循環(huán)方案在理論上還解決了以液氮為儲能介質(zhì)的動力系統(tǒng)換熱器結(jié)霜問題。在理論研究工作中，還設(shè)計(jì)了“收益函數(shù)”作為表征系統(tǒng)

6、的性能指標(biāo)，并采用模糊綜合評判法對處于實(shí)際工作環(huán)境中的“基于等熵膨脹的多級多組分朗肯循環(huán)”與另一個(gè)高效液氮熱力循環(huán)系統(tǒng)“布萊頓循環(huán)”進(jìn)行了比較，得出雖然他們在理想狀況下的能量利用效率相同，但當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆因素時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的多級朗肯循環(huán)的性能卻變化不大而優(yōu)于布萊頓循環(huán)。為了設(shè)計(jì)固定相位氣動發(fā)動機(jī)的余隙容積、進(jìn)排氣相位與持續(xù)角等參數(shù)，對氣動發(fā)動機(jī)的實(shí)際示功圖進(jìn)行簡化，建立了“氣動發(fā)動機(jī)理想工作過程的簡化模型”，采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法獲得

7、了能讓氣動發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)第一效率、熱力學(xué)第二效率以及熱經(jīng)濟(jì)效率綜合最優(yōu)的一組參數(shù)。針對簡化模型沒有考慮進(jìn)氣對工作過程的影響，利用有限時(shí)間熱力學(xué)和變質(zhì)量熱力學(xué)理論對可變相位配氣機(jī)構(gòu)氣動發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作過程建模，通過仿真分析獲得了進(jìn)排氣相位、進(jìn)氣持續(xù)時(shí)間、進(jìn)氣壓力等變量與氣動發(fā)動機(jī)的動力性能、經(jīng)濟(jì)性能間的約束關(guān)系，并由此提出了可變配氣相位氣動發(fā)動機(jī)在線參數(shù)調(diào)節(jié)方法。編寫了非支配排序遺傳進(jìn)化算法，將其作為氣動發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)設(shè)計(jì)的基本

8、方法并獲得完整的氣動發(fā)動機(jī)性能設(shè)計(jì)曲線。氣動發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)為了降低實(shí)際不可逆因素對系統(tǒng)工作過程的影響，使其性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對氣動發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了優(yōu)化。其中包括：以應(yīng)用泛函優(yōu)化原理為基礎(chǔ)編制了氣動發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動軌跡的優(yōu)化程序，得到的優(yōu)化軌跡能使工質(zhì)的能量利用率較原系統(tǒng)提高100％。并進(jìn)一步分析得到進(jìn)排氣門的啟閉規(guī)律與活塞運(yùn)動規(guī)律間的匹配關(guān)系。通過比較不同形狀的活塞上頂面與進(jìn)氣道對進(jìn)氣過程中缸內(nèi)流場、缸內(nèi)平均壓力

9、及活塞上頂面的壓力的影響，說明采用流線型的進(jìn)氣道和半球型活塞上頂面的組合能顯著提高氣動發(fā)動機(jī)的比輸出功。文中還介紹了基于等溫膨脹器、可變相位配氣機(jī)構(gòu)、氣動動力系統(tǒng)中換熱器的優(yōu)化方案等豐富的內(nèi)容。 可變相位配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與控制算法設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣相位與持續(xù)時(shí)間完全可調(diào)配氣機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電磁直接驅(qū)動進(jìn)排氣門。介紹了進(jìn)排氣門的結(jié)構(gòu)與工作原理，并以進(jìn)氣不出現(xiàn)超音速流的保守標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了進(jìn)排氣門的幾何尺寸：根據(jù)氣門體的響應(yīng)時(shí)間要求設(shè)計(jì)了E型鐵

10、芯的電磁鐵參數(shù)；設(shè)計(jì)了PWM輸入電壓的驅(qū)動電路。在MATLAB/Simulink中建立了電磁驅(qū)動進(jìn)氣門的工作模型，通過動態(tài)仿真修正了初始設(shè)計(jì)方案，并研究了電壓與進(jìn)氣壓力等因素對氣門動態(tài)性能的影響。為了能在有干擾的情況下，可靠的控制氣門的運(yùn)動，建立了以LyapunovRedesign法與PID聯(lián)合控制為基礎(chǔ)的電磁驅(qū)動氣門閉環(huán)控制算法和以測量電流為基礎(chǔ)的開環(huán)控制算法；在仿真的基礎(chǔ)上比較了開環(huán)控制與閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)。對電磁驅(qū)動進(jìn)排氣控制系統(tǒng)進(jìn)