壓縮空氣發(fā)動(dòng)機系統的數值模擬

　　基金項目：清華大學(xué)汽車(chē)安全與節能?chē)抑攸c(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(mén)開(kāi)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(mén)保持開(kāi)啟階段，由于有儲氣罐內高壓氣(Pressure)體的補充而進(jìn)行等壓充氣（23），當活塞下行到某合適位置3時(shí)，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉。于是氣缸中的高壓氣體開(kāi)始膨脹（34），此階段一般是一個(gè)多變過(guò)程，之后，排氣門(mén)開(kāi)啟，缸內氣體排出氣缸（4―1）。
　　壓縮空氣發(fā)動(dòng)機是通過(guò)高壓氣體膨脹做功以實(shí)現動(dòng)力輸出的，其總體結構形式可以借鑒傳統發(fā)動(dòng)機現有的結構模式(pattern)，主要是往復活塞式及旋轉活塞式等形式。高壓壓縮空氣經(jīng)減速壓閥減壓，通過(guò)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。為了能夠有針對性地改進(jìn)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機及管路系統的各項參數，提高發(fā)動(dòng)機的效率與能量利用率(availability)，對現有壓縮空氣發(fā)動(dòng)機及管路系統進(jìn)行數值模擬(定義:對真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬)是有必要的，這樣能夠摸清壓縮空氣系統動(dòng)力學(xué)特性，提高系統工作效率，縮短改進(jìn)工作周期，節約研制成本。
　　2系統建模壓縮空氣發(fā)動(dòng)機系統總體構成如所示。
　　建模目標(cause)分為配氣部分、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機部分和連接管路部分。配氣部分為壓縮空氣發(fā)動(dòng)機提供高壓氣體，由儲氣罐(gas container)、進(jìn)氣減壓閥和控制閥門(mén)組成。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機部分包括(bāo kuò)進(jìn)氣閥、排氣閥和氣缸組成，是系統的核心。連結管路部分則貫穿了整個(gè)系統，連接各個(gè)部件。
　　壓縮空氣由高壓儲氣瓶?jì)Υ?，壓力可達15MPa由于輸氣管道與閥門(mén)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(lái)降低出口壓力，一般出口壓力調為2.在進(jìn)氣減壓閥與發(fā)動(dòng)機之間設有一個(gè)控制閥門(mén)，用來(lái)調節壓縮空氣發(fā)動(dòng)機的輸出功率（指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少），相當于普通發(fā)動(dòng)機的油門(mén)。減壓閥、控制閥門(mén)和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機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。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。FLOWMASTER是一款專(zhuān)業(yè)的工程(Engineering)流體管路系統的分析軟件16，擅長(cháng)于對流體管路系統進(jìn)行整體分析。它的數據庫中包含豐富的通用工程流體部件的模塊，如閥門(mén)、管道等，而且可以運用C或Fortran語(yǔ)言自己編寫(xiě)部件模塊，構建系統方便快捷。它能計算系統中各節點(diǎn)的壓力、溫度、質(zhì)量流量和馬赫數等數據，分析結果能以直觀(guān)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)行精細的三維流體計算，但對閥門(mén)與發(fā)動(dòng)機的建模很難進(jìn)行或計算成本太高，并不適合于系統的綜合分析。
　　考慮到本文建模的主要對象是整個(gè)發(fā)動(dòng)機系統，所以采用FLOWMASTER作為建模工具軟件，并構建系統計算模型。
　　由于FLOWMASTER軟件中沒(méi)有發(fā)動(dòng)機特征化的模塊，所以對發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)和氣缸各部件進(jìn)行模型化時(shí)，必須(have to)表達為相應的閥門(mén)、可變壓力源、控制模塊和突變結等基本部件組成的程序，再與其它部件進(jìn)一步組合成系統的整體模型。Engine仿真計算模型如所示。
　　號復制器；0、24為閥門(mén)(功能：截止、導流、穩壓、分流等)；21為管道；22、23為突變結。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機（Engine）中沒(méi)有燃燒過(guò)程，缸內變化相對比較簡(jiǎn)單，而且FLOWMASTER軟件本身只是做一維的分析，作為系統(system)中的一個(gè)部件，進(jìn)行多維流動(dòng)分析是沒(méi)有意義的，所以Engine模型采用發(fā)動(dòng)機準維模型進(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)機缸內工作模型，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。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障?？刂破髦锌捎肰BScript編寫(xiě)程序，以實(shí)現對可變壓力源的控制，計算模型就是在此部件中編寫(xiě)代碼?？刂破骺梢杂凶疃?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(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，從而根據發(fā)動(dòng)機準維模型解出微分方程組，計算出缸內的壓力、溫度和工質(zhì)質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機準維模型微分方程組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)表面傳熱系數。
　　基于不同的發(fā)動(dòng)機機型，hc表達式也是不同的。昆山空壓機保養是回轉式連續氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過(guò)它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。
　　和Ts由FOWMATER分析算出，經(jīng)過(guò)控制（control)器變量輸入接口傳遞入計算模型。聯(lián)立⑴（7）式，進(jìn)行數值計算，即可得到p
　　T、m的數值解FLOWMASTER的計算過(guò)程(guò chéng)是一個(gè)特殊的迭代(更替)計算過(guò)程，以設定的分析時(shí)間和步長(cháng)為迭代計算的過(guò)程參數。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。分析從零秒開(kāi)始，每個(gè)分析時(shí)刻計算完畢后增加一個(gè)時(shí)間步長(cháng)，直至達到設定的分析時(shí)間值停止。
　　界傳入或傳出的熱量；W為作用在活塞上的機械(machinery)功；為工質(zhì)的比焓；9為曲軸轉角。
　　機械功的計算公式為其中，V為氣缸容積；為缸內壓力。
　　對于確定的發(fā)動(dòng)機，V是曲軸轉角的函數，其表達式為一程序計算始點(diǎn)選擇氣體膨脹做功的始點(diǎn)，即進(jìn)氣門(mén)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(guò)程中缸內工質(zhì)質(zhì)量不變，而其它過(guò)程缸內質(zhì)量均有變化，以此點(diǎn)為計算始點(diǎn)，初值計算比其它過(guò)程更容易確定，所以取它作為計算始點(diǎn)最為合適。系統模型計算流程如所示。
　　N為計算步數；TotalN為總計算步數；
　　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。計算基于以下條件(tiáo jiàn)和假設：由于氣瓶經(jīng)減壓閥減壓后的壓力隨發(fā)動(dòng)機（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)。
　　荷運行，控制閥門(mén)開(kāi)度設為最大1.包括3個(gè)工作循環(huán)（continue)，時(shí)間步長(cháng)為10-5s大約為0.0022曲軸轉角，稍大點(diǎn)的時(shí)間步長(cháng)可能會(huì )導致(cause)計算沒(méi)有辦法收斂。
　　3計算結果(result)及對比分析上止點(diǎn)前10CA進(jìn)氣閥開(kāi)啟，此時(shí)缸內外壓比較小，氣缸容積較小，活塞仍在上行，盡管閥門(mén)(功能：截止、導流、穩壓、分流等)開(kāi)度很小進(jìn)氣量不大，壓力快速升高隨著(zhù)活塞下行，氣缸容積增加速率逐步提高(，缸內外壓比增大進(jìn)氣速率降低（reduce)，壓力上升緩慢，出現了一個(gè)平臺區。在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉前10CA開(kāi)始，由于進(jìn)氣閥開(kāi)度減小導致進(jìn)氣流量減小，氣缸容積增加速率不斷增加，壓力開(kāi)始下降。上止點(diǎn)后90CA進(jìn)氣閥關(guān)閉，氣體繼續膨脹(inflate)，壓力持續降低。在上止點(diǎn)后155CA排氣(Exhaust)門(mén)打開(kāi)，開(kāi)始排氣，缸內工質(zhì)質(zhì)量減少，壓力下降速率稍許加快，隨著(zhù)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，近似認為此過(guò)程為定容充氣過(guò)程。壓力升高速率比質(zhì)量升高速率大，由（6）式知，溫度上升對膨脹過(guò)程有利，整體抬升了膨脹過(guò)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。
　　試驗在一臺經(jīng)過(guò)改造的R175單缸柴油機上進(jìn)行陳鷹，許宏。壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車(chē)的研究與發(fā)展。機械許宏。壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)。汽車(chē)技術(shù)，2⑴2許宏。壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的可行性研究。中國機械工俞小莉，元廣杰，沈瑜銘，等。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機工作(gōng zuò)循環(huán)的理論分析。機械工程學(xué)報，2002安達，談建，左承基。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機的設計及初步實(shí)驗（experiment)。合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2⑴5，左承基李寧。國產(chǎn)4125柴油機改制成天然氣發(fā)動(dòng)機。
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