液氮发动机理论与实验研究

【摘要】：汽车工业的可持续发展面临两大问题，能源与环境。为此，人们不断寻求高效、节能的清洁汽车动力。液氮发动机的储能介质有较高的能量密度；在其运行中不会引入重金属等二次污染；甚至可以成为城市净化器；其最具吸引力的特点是液氮发动机可以对工业副产品之一的液氮进行优化利用。 本文以液氮发动机为研究对象，其工作以国家自然科学基金委福特基金第三期项目“气动汽车发动机探索性研究”(No.50122115)、浙江省重大科技项目“压缩空气发动机研究”(No.021101759)、国家教育部博士点基金项目“液氮发动机理论与实验研究”(No.20020335079)为依托，在以下方面对液氮发动机进行了深入研究。 第一、循环优化分析：采用经典热力学研究了等压再热与等容再热对循环功的影响；采用有限时间热力学深入研究了恒温热源一恒温冷源和变温热源一恒温冷源液氮发动机朗肯循环、布雷顿循环和斯特林循环的优化和对比；着重研究了工质导热率与热机换热器总导热率之比对循环性能的影响、高温侧换热器导热率与低温侧换热器导热率之比对循环功率的影响等内容；得到了一些对循环和系统设计具有现实指导意义的结论。 第二、效率分析平台：首次建立了液氮发动机效率评价平台，其主要内容包括对实验用液氮发动机开式朗肯循环效率进行了分析，将换热器与发动机对效率的影响区分开来；对液氮发动机开式朗肯循环与液氮制取制冷循环复合循环的效率进行了分析，更加深入的探讨了液氮发动机的经济性；分析了液氮发动机循环的热力学第二定律效率，并进行了(火用)损失分析；整体上揭示了液氮发动机效率的影响因素。 第三、工作过程建模和优化：结合实验数据，首次建立了应用于液氮发动机的变质量过程热力学缸内进气、膨胀、排气过程数理模型。首次采用变质量系统热力学原理探讨了通过对进气温度与缸内残余质量温度的控制有助于实现准等温膨胀的可行性；首次采用有限时间热力学对具有压降不可逆液氮发动机开式朗肯循环进行了工作过程分析，研究了漏气和压降对液氮发动机效率和功率的影响关系。通过对液氮发动机进气道流动的仿真证明了液氮发动机进气道流动过程具备激波产生的条件。首次将激波理论应用于液氮发动机进气过程，理论上证明了通过激波理论稳定进气量和实现缸内进气稳定高压的可行性。 第四、实验研究：首次对液氮发动机速度特性、负荷特性进行了研究，为基于运行工况的液氮发动机控制策略提供实验依据；首次对进排气相位对液氮发动机经济性能和动力性能的影响进行了分析；通过实验验证了旋转阀进排气机构创新设计；通过实验数据验证了液氮发动机缸内膨胀变质量系统热力学模型的正确性。 浙江大学博士学位论文 摘要 本人在上述工作中的创新贡献在于: 1、建立了液氮发动机效率分析与评价平台。 2、建立并实验验证了液氮发动机缸内过程变质量系统热力学数理模型。 3、理论上证明了激波在液氮发动机进气道中应用的可行性。 4、基于有限时间热力学对液氮发动机循环进行优化，并对具有压降的不可逆开 式循环进行了分析优化。 本文研究成果证明，液氮发动机采用布雷顿循环更能实现工质与变温热源之 间的热力学匹配，可以实现更好的功率特性;准等温膨胀过程的实现是提高液氮 发动机朋效率的重要途径;液氮潜热可用能的利用将大大提高液氮发动机效率和 做功能力;基于有限时间热力学和变质量系统热力学的模型可以对液氮发动机循 环和结构设计提供更切合实际的理论指导。 关键词:液氮发动机，数理模型，有限时间热力学，变质量系统热力学，激波， 流场仿真，循环优化，性能实验