壓縮空氣-燃油混合動力循環(huán)優(yōu)化理論研究.pdf

1、壓縮空氣發(fā)動機(jī)是一種以壓縮空氣為儲能介質(zhì)的新型動力機(jī)械。由于工作過程無燃燒、無污染物排放、不依賴礦物燃料等特點(diǎn)，壓縮空氣發(fā)動機(jī)在新能源動力領(lǐng)域正受到越來越多的關(guān)注。然而，壓縮空氣發(fā)動機(jī)的工作過程中需要環(huán)境對其輸入能量，以解決其單獨(dú)工作時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率較低的問題。另一方面，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)工作過程中，大量的燃料可用能被高溫排氣及冷卻水帶走。如果將內(nèi)燃機(jī)與壓縮空氣發(fā)動機(jī)結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)兩種動力系統(tǒng)的優(yōu)勢互補(bǔ)。這種壓縮空氣/燃油混合動力系統(tǒng)可以通過回

2、收內(nèi)燃機(jī)余熱，優(yōu)化壓縮空氣發(fā)動機(jī)工作過程，同時(shí)還具備優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)節(jié)能潛力開發(fā)、提升內(nèi)燃機(jī)效率等特點(diǎn)。
　　本課題以壓縮空氣發(fā)動機(jī)及壓縮空氣/燃油混合動力系統(tǒng)為研究對象，以優(yōu)化壓縮空氣動力循環(huán)為研究目標(biāo)，開展的研究工作與主要結(jié)論如下:
　　(1)分別采用經(jīng)典熱力學(xué)及變質(zhì)量熱力學(xué)理論，建立壓縮空氣發(fā)動機(jī)理想循環(huán)與實(shí)際工作過程模型。通過對比理想循環(huán)與實(shí)際過程，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣進(jìn)氣過程流動損失及不完全膨脹是能量損失的主要組成

3、部分。
　　(2)根據(jù)壓縮空氣動力循環(huán)能量損失分布，對壓縮空氣動力循環(huán)的優(yōu)化方法進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)通過進(jìn)氣預(yù)熱、膨脹補(bǔ)熱及組織兩級膨脹均可以提升壓縮空氣動力循環(huán)指示功，減少能量損失。
　　(3)對基于壓縮空氣動力循環(huán)膨脹補(bǔ)熱的優(yōu)化方法進(jìn)行了深入研究。采用有限體積法，建立了壓縮空氣—冷卻水耦合傳熱模型，對采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機(jī)缸壁的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機(jī)缸壁，可以提升壓縮空氣發(fā)

4、動機(jī)循環(huán)指示功。
　　(4)通過模擬試驗(yàn)方法，對采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機(jī)缸壁的方案進(jìn)行了原理性試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在采用熱水加熱缸壁的條件下，壓縮空氣發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性均有明顯改善，其能量轉(zhuǎn)化效率也有明顯提升。
　　(5)將內(nèi)燃機(jī)模型、壓縮空氣發(fā)動機(jī)模型及壓縮空氣/冷卻水換熱模型耦合，對不同混合動力耦合方案下壓縮空氣發(fā)動機(jī)性能變化及內(nèi)燃機(jī)冷卻水溫度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機(jī)缸壁的混

5、合動力模式可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:一是通過冷卻水加熱缸壁，壓縮空氣發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性比其單獨(dú)工作時(shí)有明顯改善;二是通過壓縮空氣發(fā)動機(jī)回收冷卻水余熱，可以降低內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)換熱量，從而節(jié)省冷卻風(fēng)扇等部件的功耗。
　　(6)搭建試驗(yàn)臺架，對采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機(jī)缸壁的混合動力模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機(jī)缸壁的混合動力模式是可行的，壓縮空氣發(fā)動機(jī)性能比其單獨(dú)工作時(shí)有所改善，同時(shí)冷卻水在流經(jīng)壓縮空氣