壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值模擬

　　基金項(xiàng)目：清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)(zhòng diǎn)。中Vo表示余隙容積；1表示進(jìn)氣容積；V2表示氣缸容積。
　　進(jìn)氣門開啟后，氣缸壓力迅速由上一循環(huán)的殘余壓力升到進(jìn)氣壓力（12）。在進(jìn)氣門保持開啟階段，由于有儲(chǔ)氣罐內(nèi)高壓氣(Pressure)體的補(bǔ)充而進(jìn)行等壓充氣（23），當(dāng)活塞下行到某合適位置3時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉。于是氣缸中的高壓氣體開始膨脹（34），此階段一般是一個(gè)多變過程，之后，排氣門開啟，缸內(nèi)氣體排出氣缸（4―1）。
　　壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)是通過高壓氣體膨脹做功以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出的，其總體結(jié)構(gòu)形式可以借鑒傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模式(pattern)，主要是往復(fù)活塞式及旋轉(zhuǎn)活塞式等形式。高壓壓縮空氣經(jīng)減速壓閥減壓，通過熱交換器吸熱膨脹，進(jìn)入氣缸后進(jìn)一步膨脹，推動(dòng)活塞輸出動(dòng)力。為了能夠有針對(duì)性地改進(jìn)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)及管路系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率與能量利用率(availability)，對(duì)現(xiàn)有壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)及管路系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬(定義:對(duì)真實(shí)事物或者過程的虛擬)是有必要的，這樣能夠摸清壓縮空氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，提高系統(tǒng)工作效率，縮短改進(jìn)工作周期，節(jié)約研制成本。
　　2系統(tǒng)建模壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)總體構(gòu)成如所示。
　　建模目標(biāo)(cause)分為配氣部分、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)部分和連接管路部分。配氣部分為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供高壓氣體，由儲(chǔ)氣罐(gas container)、進(jìn)氣減壓閥和控制閥門組成。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)部分包括(bāo kuò)進(jìn)氣閥、排氣閥和氣缸組成，是系統(tǒng)的核心。連結(jié)管路部分則貫穿了整個(gè)系統(tǒng)，連接各個(gè)部件。
　　壓縮空氣由高壓儲(chǔ)氣瓶?jī)?chǔ)存，壓力可達(dá)15MPa由于輸氣管道與閥門以及各個(gè)部件的承壓能力有限，從安全角度考慮，使用減壓閥來降低出口壓力，一般出口壓力調(diào)為2.在進(jìn)氣減壓閥與發(fā)動(dòng)機(jī)之間設(shè)有一個(gè)控制閥門，用來調(diào)節(jié)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少），相當(dāng)于普通發(fā)動(dòng)機(jī)的油門。減壓閥、控制閥門和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)之間使用承壓能力很高的鋼絲編織（to braid）軟管相連接，高壓氣體(gas)在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中膨脹做功后經(jīng)排氣(Exhaust)管排入大氣。
　　目前流行的流體分析軟件較多，例如一維分析的FLOWMASTE
　　R、三維分析(Analyse)的Fluent及Ansys等。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。FLOWMASTER是一款專業(yè)的工程(Engineering)流體管路系統(tǒng)的分析軟件16，擅長于對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。它的數(shù)據(jù)庫中包含豐富的通用工程流體部件的模塊，如閥門、管道等，而且可以運(yùn)用C或Fortran語言自己編寫部件模塊，構(gòu)建系統(tǒng)方便快捷。它能計(jì)算系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的壓力、溫度、質(zhì)量流量和馬赫數(shù)等數(shù)據(jù)，分析結(jié)果能以直觀圖形輸出(Output)或以Excel文件格式輸出。其它軟件，例如Fluent與Ansys，它們與FLOWMASTER相比更關(guān)注局部（part)，雖然能夠進(jìn)行精細(xì)的三維流體計(jì)算，但對(duì)閥門與發(fā)動(dòng)機(jī)的建模很難進(jìn)行或計(jì)算成本太高，并不適合于系統(tǒng)的綜合分析。
　　考慮到本文建模的主要對(duì)象是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，所以采用FLOWMASTER作為建模工具軟件，并構(gòu)建系統(tǒng)計(jì)算模型。
　　由于FLOWMASTER軟件中沒有發(fā)動(dòng)機(jī)特征化的模塊，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門、排氣門和氣缸各部件進(jìn)行模型化時(shí)，必須(have to)表達(dá)為相應(yīng)的閥門、可變壓力源、控制模塊和突變結(jié)等基本部件組成的程序，再與其它部件進(jìn)一步組合成系統(tǒng)的整體模型。Engine仿真計(jì)算模型如所示。
　　號(hào)復(fù)制器；0、24為閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)；21為管道；22、23為突變結(jié)。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)（Engine）中沒有燃燒過程，缸內(nèi)變化相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且FLOWMASTER軟件本身只是做一維的分析，作為系統(tǒng)(system)中的一個(gè)部件，進(jìn)行多維流動(dòng)分析是沒有意義的，所以Engine模型采用發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)維模型進(jìn)行建模。
　　出壓力與溫度完全一樣的可變壓力源，它們組成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作模型，其輸出值由2個(gè)控制器分別控制它們的輸出壓力與溫度。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件，空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機(jī)，檢查壓縮機(jī)所有部件，排除壓縮機(jī)所有故障。控制器中可用VBScript編寫程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)可變壓力源的控制，計(jì)算模型就是在此部件中編寫代碼。控制器可以有最多5個(gè)輸入變量，它們可以是其它部件的瞬時(shí)狀態(tài)(status)參數(shù)(parameter)，例如質(zhì)量流量、溫度和壓力等。在此使用了3個(gè)變量，分別是進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣質(zhì)量流量和排氣(Exhaust)質(zhì)量流量，從而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)維模型解出微分方程組，計(jì)算出缸內(nèi)的壓力、溫度和工質(zhì)質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)維模型微分方程組ThcF/〔Tv/-其中，為傳熱面積；Twi為傳熱表面的平均溫度；c按傳熱面位置平均的瞬時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
　　基于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，hc表達(dá)式也是不同的。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)是回轉(zhuǎn)式連續(xù)氣流壓縮機(jī)，在其中高速旋轉(zhuǎn)的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉(zhuǎn)化為壓力。這種轉(zhuǎn)化部分發(fā)生在旋轉(zhuǎn)葉片上，部分發(fā)生在固定的擴(kuò)壓器或回流器擋板上。
　　和Ts由FOWMATER分析算出，經(jīng)過控制（control)器變量輸入接口傳遞入計(jì)算模型。聯(lián)立⑴（7）式，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，即可得到p
　　T、m的數(shù)值解FLOWMASTER的計(jì)算過程(guò chéng)是一個(gè)特殊的迭代(更替)計(jì)算過程，以設(shè)定的分析時(shí)間和步長為迭代計(jì)算的過程參數(shù)。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對(duì)一級(jí)壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組，還有一路對(duì)油冷卻器進(jìn)行冷卻。分析從零秒開始，每個(gè)分析時(shí)刻計(jì)算完畢后增加一個(gè)時(shí)間步長，直至達(dá)到設(shè)定的分析時(shí)間值停止。
　　界傳入或傳出的熱量；W為作用在活塞上的機(jī)械(machinery)功；為工質(zhì)的比焓；9為曲軸轉(zhuǎn)角。
　　機(jī)械功的計(jì)算公式為其中，V為氣缸容積；為缸內(nèi)壓力。
　　對(duì)于確定的發(fā)動(dòng)機(jī)，V是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，其表達(dá)式為一程序計(jì)算始點(diǎn)選擇氣體膨脹做功的始點(diǎn)，即進(jìn)氣門均關(guān)閉時(shí)刻。此時(shí)進(jìn)排氣質(zhì)量流量(單位:立方米每秒)均為0，在整個(gè)膨脹過程中缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量不變，而其它過程缸內(nèi)質(zhì)量均有變化，以此點(diǎn)為計(jì)算始點(diǎn)，初值計(jì)算比其它過程更容易確定，所以取它作為計(jì)算始點(diǎn)最為合適。系統(tǒng)模型計(jì)算流程如所示。
　　N為計(jì)算步數(shù)；TotalN為總計(jì)算步數(shù)；
　　S、Th為進(jìn)排氣(Exhaust)溫度；qm
　　S、qml，分別為進(jìn)排氣質(zhì)量流量。計(jì)算基于以下條件(tiáo jiàn)和假設(shè)：由于氣瓶經(jīng)減壓閥減壓后的壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)（Engine）工作循環(huán)（continue)波動(dòng)很小，可簡(jiǎn)化為一個(gè)定壓力源，輸出壓力為定值，溫度恒定為室溫，假設(shè)排氣管出口壓力與溫度分別與大氣壓力與室溫相同。
　　編織軟管部件，以同管徑的一般鋼管代替使用(use)。
　　荷運(yùn)行，控制閥門開度設(shè)為最大1.包括3個(gè)工作循環(huán)（continue)，時(shí)間步長為10-5s大約為0.0022曲軸轉(zhuǎn)角，稍大點(diǎn)的時(shí)間步長可能會(huì)導(dǎo)致(cause)計(jì)算沒有辦法收斂。
　　3計(jì)算結(jié)果(result)及對(duì)比分析上止點(diǎn)前10CA進(jìn)氣閥開啟，此時(shí)缸內(nèi)外壓比較小，氣缸容積較小，活塞仍在上行，盡管閥門(功能：截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、分流等)開度很小進(jìn)氣量不大，壓力快速升高隨著活塞下行，氣缸容積增加速率逐步提高(，缸內(nèi)外壓比增大進(jìn)氣速率降低（reduce)，壓力上升緩慢，出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)區(qū)。在進(jìn)氣門關(guān)閉前10CA開始，由于進(jìn)氣閥開度減小導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小，氣缸容積增加速率不斷增加，壓力開始下降。上止點(diǎn)后90CA進(jìn)氣閥關(guān)閉，氣體繼續(xù)膨脹(inflate)，壓力持續(xù)降低。在上止點(diǎn)后155CA排氣(Exhaust)門打開，開始排氣，缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量減少，壓力下降速率稍許加快，隨著壓力不斷降低，接近一個(gè)大氣壓時(shí)壓力降低趨于平緩，最低壓(Low pressure)力基本與一個(gè)大氣壓相等。在進(jìn)氣初期容積變化較小，近似認(rèn)為此過程為定容充氣過程。壓力升高速率比質(zhì)量升高速率大，由（6）式知，溫度上升對(duì)膨脹過程有利，整體抬升了膨脹過程的氣體溫度。
　　活塞(piston)下行，由于壓力升高速率降低，氣體膨脹，溫度降低在排氣接近結(jié)束前氣體壓力接近一個(gè)大氣壓，活塞上行做功，氣體溫度有小幅回升。
　　試驗(yàn)在一臺(tái)經(jīng)過改造的R175單缸柴油機(jī)上進(jìn)行陳鷹，許宏。壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車的研究與發(fā)展。機(jī)械許宏。壓縮空氣動(dòng)力汽車。汽車技術(shù)，2⑴2許宏。壓縮空氣動(dòng)力汽車的可行性研究。中國機(jī)械工俞小莉，元廣杰，沈瑜銘，等。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作(gōng zuò)循環(huán)的理論分析。機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002安達(dá)，談建，左承基。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及初步實(shí)驗(yàn)（experiment)。合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2⑴5，左承基李寧。國產(chǎn)4125柴油機(jī)改制成天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
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