0引百為了應(yīng)對(duì)由于內(nèi)燃機(jī)污染排放、石油資源匱乏所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，人們研發(fā)了多種具有低能耗、低污染特點(diǎn)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，主要包括電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)等，其中壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)已成為研究熱點(diǎn)之一。筆者在中提出了一種新型的壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)概念，這種混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在壓縮空氣動(dòng)力模式和內(nèi)燃機(jī)模式兩種工作模式下運(yùn)行，裝備這種混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛較為適合城市交通。在啟動(dòng)和低速階段，以壓縮空氣作為動(dòng)力源，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于壓縮空氣動(dòng)力模式，能夠發(fā)揮出壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)低速大扭矩和零污染排放的特點(diǎn)。在較高的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷下采用內(nèi)燃機(jī)模式，能夠避開(kāi)內(nèi)燃機(jī)低速時(shí)能耗高、有害排放多的缺點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在低能耗、低污染的*佳工況附近運(yùn)行。

　　1.儲(chǔ)氣罐2.減壓閥3.熱交換器4.流量閥5.電磁開(kāi)關(guān)閥6.壓縮空氣噴嘴7.進(jìn)氣門8.噴油嘴9.電控噴油裝置10.排氣門11.氣缸12.活塞13.曲柄連桿機(jī)構(gòu)單缸混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖本文在壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)**定律數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱力學(xué)第二定律，對(duì)其兩種工作模式的工作過(guò)程基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金一福特基金資助項(xiàng)目（50122115）（中虛線包圍部分）為簡(jiǎn)化計(jì)算假定：①氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)是均勻的，氣缸內(nèi)各點(diǎn)的壓力、溫度完全相同；②工質(zhì)為理想氣體比熱、內(nèi)能、焓等參數(shù)僅與氣體溫度和氣體成分有關(guān)；③氣體流入或流出氣缸為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)；④進(jìn)出口氣體的動(dòng)能忽略不計(jì)。

　　1.1壓縮空氣動(dòng)力模式可用能平衡方程壓縮空氣動(dòng)力模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是氣體熱力學(xué)狀態(tài)變化的過(guò)程。由熱力學(xué)**定律可得到系統(tǒng)的能量守恒方程：界換熱量；hi、hE、he分別為進(jìn)氣、排氣和壓縮空氣進(jìn)氣比焓；mi、mE、m（：分別為進(jìn)氣、排氣和壓縮空氣進(jìn)氣質(zhì)量；9為曲軸轉(zhuǎn)角。，T為缸內(nèi)工質(zhì)溫度。

　　進(jìn)入和排出氣缸的氣體瞬時(shí)質(zhì)量按一維等熵絕熱流動(dòng)，則隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為開(kāi)口面積；pi為進(jìn)排氣口前氣體壓力；P為進(jìn)排氣口前氣體瞬時(shí)密度；小為流動(dòng)函數(shù)。

　　由熱力學(xué)第二定律可得到壓縮空氣動(dòng)力模式下系統(tǒng)的可用能平衡方程：流動(dòng)：Aw，為活塞功可用能；Aq為缸壁傳熱可用能；A為系統(tǒng)內(nèi)可用能；Ad為不可逆引起的可用能損失。

　　當(dāng)<時(shí)，進(jìn)排氣為超臨界流動(dòng)：（1）壓縮空氣的可用能變化量。壓縮空氣進(jìn)氣口處單位質(zhì)量的壓縮空氣具有的可用能為工質(zhì)的內(nèi)能按usti公式計(jì)算18，工質(zhì)比熵的一變化由理想氣體熵方程求得，即壓力；列為環(huán)境壓力。

　　儲(chǔ)氣罐內(nèi)單位質(zhì)量的壓縮空氣具有的可用能由下式計(jì)算：系統(tǒng)與缸壁的換熱量可寫成：壓力。

　?。?）進(jìn)氣帶入系統(tǒng)的可用能變化量為傳熱表面平均溫度。

　　1.2內(nèi)燃機(jī)模式可用能平衡方程與壓縮空氣動(dòng)力模式相仿，由熱力學(xué)**定律可得內(nèi)燃機(jī)模式下系統(tǒng)的能量守恒方程：（4）活塞功可用能變化量為（7）燃油燃燒產(chǎn)生的可用能變化量由下式確定：（5）系統(tǒng)向缸壁傳熱的可用能變化量為比熵。

　　（3）排氣從系統(tǒng)帶走的可用能變化量為由熱力學(xué)第二定律可得到內(nèi)燃機(jī)模式下系統(tǒng)的可用能平衡方程：氣缸直徑（mm）62活塞行程（mm）66壓縮比8.7吸氣壓力（MPa）0.10排氣壓力（MPa）0.11壓縮空氣進(jìn)氣壓力（MPa）3.00環(huán)境壓力（MPa）0.10環(huán)境溫度（IO293料燃燒百分?jǐn)?shù)。

　　燃料放熱率dX/d可采用韋柏代用放熱曲線進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算精度足夠，其經(jīng)驗(yàn)公式如下：始角。

　　內(nèi)燃機(jī)模式可用能平衡方程中其他可用能變化項(xiàng)的計(jì)算可參見(jiàn)壓縮空氣動(dòng)力模式。

　　2工作過(guò)程可用能分析基于上述數(shù)學(xué)模型，在應(yīng)用熱力學(xué)**定律數(shù)值模擬得到缸內(nèi)瞬時(shí)溫度、壓力和氣體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱力學(xué)第二定律對(duì)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)兩種工作模式的工作過(guò)程進(jìn)行能量可用性分析計(jì)算。在城市交通中，平均車速通常在40km/h左右，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般在1500~1800r/min之間。仿真計(jì)算時(shí)兩種工作模式的切換轉(zhuǎn)速設(shè)為1500r/min，其他仿真計(jì)算初始參數(shù)見(jiàn)表1.表1混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)仿真初始參數(shù)2.1壓縮空氣動(dòng)力模式可用能分析180°）作為計(jì)算始點(diǎn)，在355°（即壓縮空氣進(jìn)氣提前角為5°時(shí)，開(kāi)啟電磁開(kāi)關(guān)閥向缸內(nèi)噴入壓縮空氣，在，=445°時(shí)關(guān)閉電磁開(kāi)關(guān)閥（即壓縮空氣進(jìn)氣持續(xù)角為90°）。仿真可得到轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)系統(tǒng)可用能隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線（、）。

　　所示為氣門關(guān)閉期缸內(nèi)可用能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。由于壓縮空氣進(jìn)氣壓力與缸內(nèi)壓力壓差較大，隨著電磁開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)，進(jìn)入氣缸的壓縮空氣可用能迅速增加。壓縮行程時(shí)活塞向系統(tǒng)做功，系統(tǒng)內(nèi)可用能增加，隨著壓縮空氣噴入氣缸而逐漸增加到峰值，繼而隨著膨脹行程進(jìn)行逐漸減少。壓縮行程時(shí)活塞功為負(fù)值，膨脹行程時(shí)活塞功增加到正值，并隨著缸內(nèi)氣體膨脹逐漸增大。在氣門閉合期，傳熱可用能由負(fù)值逐漸增加到正值，這說(shuō)明缸內(nèi)氣體從環(huán)境吸收了熱量，但傳熱可用能很小。不可逆性在壓縮行程時(shí)近似為零，在壓縮空氣進(jìn)氣和膨脹行程時(shí)逐漸增大。

　　3.不可逆過(guò)程可用能損失4.活塞功可用能5.缸壁傳熱可用能壓縮空氣動(dòng)力模式瞬時(shí)可用能（氣門關(guān)閉期）所示為氣門開(kāi)啟期缸內(nèi)可用能變化曲線?；钊﹄S排氣行程進(jìn)行略有減少，隨進(jìn)氣行程進(jìn)行又略有增加。排氣可用能則隨排氣行程進(jìn)行逐漸增加并達(dá)到峰值。系統(tǒng)內(nèi)可用能在排氣門開(kāi)啟后迅速減少，隨著排氣進(jìn)行逐漸減小為負(fù)值，這是因?yàn)楦變?nèi)溫度低于環(huán)境溫度，具有一定的冷量，在進(jìn)氣行程時(shí)環(huán)境空氣進(jìn)入氣缸，缸內(nèi)溫度回升，系統(tǒng)內(nèi)可用能略有增加。不可逆過(guò)程引起的可用能損失在排氣過(guò)程中稍有增加，在進(jìn)氣過(guò)程中則稍有減少。

　　表2給出了壓縮空氣動(dòng)力模式發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)做功循環(huán)可用能分布狀況。系統(tǒng)通過(guò)缸壁換熱得到的可用能很少，可用能的損失主要由壓縮空氣減壓損失、排氣可用能損失以及不可逆性引起的。每循環(huán)僅有64 2%的壓縮空氣可用能可以利用，也就是說(shuō)由節(jié)流減壓造成的可用能損失占358%，要提高壓縮空氣可用能利用率，設(shè)法降低減壓過(guò)程可用能損失是一個(gè)重要方面。研究表明，減小節(jié)流前后壓差和采用容積減壓方式101，能夠大為減小節(jié)流可用能損失。由排氣造成的可用能損失占?jí)嚎s空氣可用能的19. 3%左右，而排氣為具有一定壓力的冷空氣，這一部分可用能是可以回收利用的，比如可作為車輛的空調(diào)冷源，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用率。

　　可用能類別ATAcaQAwAeAd各項(xiàng)可用能可用能類別afAWaqaiAEAD各項(xiàng)可用能表2壓縮空氣動(dòng)力模式每個(gè)做功循環(huán)可用能分布2.2內(nèi)燃機(jī)模式可用能分析、所示為內(nèi)燃機(jī)模式下轉(zhuǎn)速為1500r/min、過(guò)量空氣系數(shù)為1 1時(shí)缸內(nèi)可用能隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。如所示，氣門關(guān)閉期燃料燃燒產(chǎn)生的可用能、活塞功可用能、系統(tǒng)可用能、不可逆性的變化趨勢(shì)與壓縮空氣動(dòng)力模式基本相同。缸壁換熱可用能與壓力空氣動(dòng)力模式差異較大，是因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于缸壁溫度，系統(tǒng)通過(guò)缸壁向環(huán)境放熱，且放熱量遠(yuǎn)大于壓縮空氣動(dòng)力模式下的吸熱量。

　　5.缸壁傳熱可用能內(nèi)燃機(jī)模式瞬時(shí)可用能（氣門關(guān)閉期）如所示，氣門開(kāi)啟期排氣可用能、活塞功可用能變化趨勢(shì)也與壓縮空氣動(dòng)力模式相仿。系統(tǒng)內(nèi)可用能隨排氣門開(kāi)啟后快速下降，排氣結(jié)束前接近于零，在進(jìn)氣過(guò)程中基本不變，近似為零。缸壁換熱的可用能變化較小，而不可逆性在氣門開(kāi)啟期呈小幅增加趨勢(shì)。

　　3.排氣可用能4.系統(tǒng)內(nèi)可用能5.缸壁傳熱可用能內(nèi)燃機(jī)模式瞬時(shí)可用能（氣門開(kāi)啟期）表3為內(nèi)燃機(jī)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)做功循環(huán)可用能分布狀況。可用能的損失主要由于缸壁換熱、排氣過(guò)程以及不可逆性引起的。其中，排氣可用能損失達(dá)到了燃油燃燒可用能的20%左右，采用排氣可用能回收措施，能顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)能量利用率，目前普遍采用的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓技術(shù)就是利用了排氣可用能。

　　內(nèi)燃機(jī)模式每個(gè)做功循環(huán)可用能分布3結(jié)論壓縮空氣減壓損失、排氣可用能損失分別占?jí)嚎s空氣可用能的358%和19.3%，因此如何降低減壓損失以及利用排氣可用能是提高壓縮空氣動(dòng)力模式效率的關(guān)鍵。

　　內(nèi)燃機(jī)模式下排氣可用能損失占燃油燃燒可用能的202%，因此充分利用排氣可用能可以顯著提高內(nèi)燃機(jī)模式的效率。