氣動發(fā)動機工作過程和關(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，符合了“安全、舒適、環(huán)保，燃料來源多元化”的汽車設(shè)計理念。應(yīng)用氣動汽車將可以緩解數(shù)量巨大的內(nèi)燃機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，形成實驗過于直觀，理論不成體系這種局面。雖然同內(nèi)燃機復(fù)雜的燃燒工作過程相比，氣動發(fā)動機的工作過程要

2、簡單的多，但是氣動汽車的開發(fā)與研究仍然是一項龐大的系統(tǒng)工程，需要系統(tǒng)的項目規(guī)劃，科學(xué)可行的技術(shù)路線才能形成完整的氣動汽車理論并形成一批核心技術(shù)成果。 針對氣動發(fā)動機樣機的能量利用率低及目前還沒有關(guān)于氣動發(fā)動機的設(shè)計理論與方法的現(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)化兩個層次進行了研究，其主要工作與結(jié)論如下： 氣動汽車的研究進展綜述介紹了當(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、進氣管理系統(tǒng)、整車氣動化與輕量化、優(yōu)化設(shè)計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)動機的研究思路應(yīng)該是由機械固定進排氣相位的配氣機構(gòu)向全可變進氣時間的智能配氣機構(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)計逐漸轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)整體優(yōu)化設(shè)計。 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)的實際儲能密度、總循環(huán)效率、氣動發(fā)動機的動力性能和

4、經(jīng)濟性能、氣動汽車的運行成本與安全性能、“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用的清潔燃料汽車，具有很好的發(fā)展前景。 氣動發(fā)動機的試驗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)動機轉(zhuǎn)速3個自由度；建立了氣動發(fā)動機試驗臺架，測得了氣動發(fā)動機的動力性能、經(jīng)濟性能隨自由變量的變化規(guī)律曲線；利用熵分析方法進行效率分析，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。 基于熱力學(xué)理論的氣動動力系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計可以確定系統(tǒng)的做功界限，為零部件的設(shè)計提供初始數(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)計了基于等熵膨脹的多級多組分朗肯循環(huán)，計算結(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)”與另一個高效液氮熱力循環(huán)系統(tǒng)“布萊頓循環(huán)”進行了比較，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，本文所設(shè)計的多級朗肯循環(huán)的性能卻變化不大而優(yōu)于布萊頓循環(huán)。為了設(shè)計固定相位氣動發(fā)動機的余隙容積、進排氣相位與持續(xù)角等參數(shù)，對氣動發(fā)動機的實際示功圖進行簡化，建立了“氣動發(fā)動機理想工作過程的簡化模型”，采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法獲得

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

8、方法并獲得完整的氣動發(fā)動機性能設(shè)計曲線。氣動發(fā)動機關(guān)鍵零部件優(yōu)化方案的設(shè)計為了降低實際不可逆因素對系統(tǒng)工作過程的影響，使其性能達到設(shè)計目標(biāo)，針對氣動發(fā)動機的關(guān)鍵零部件進行了優(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)動機活塞運動軌跡的優(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％。并進一步分析得到進排氣門的啟閉規(guī)律與活塞運動規(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氣道對進氣過程中缸內(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。 可變相位配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與控制算法設(shè)計為實現(xiàn)進排氣相位與持續(xù)時間完全可調(diào)配氣機構(gòu)，設(shè)計了電磁直接驅(qū)動進排氣門。介紹了進排氣門的結(jié)構(gòu)與工作原理，并以進氣不出現(xiàn)超音速流的保守標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了進排氣門的幾何尺寸：根據(jù)氣門體的響應(yīng)時間要求設(shè)計了E型鐵

10、芯的電磁鐵參數(shù)；設(shè)計了PWM輸入電壓的驅(qū)動電路。在MATLAB/Simulink中建立了電磁驅(qū)動進氣門的工作模型，通過動態(tài)仿真修正了初始設(shè)計方案，并研究了電壓與進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。對電磁驅(qū)動進排氣控制系統(tǒng)進