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气动发动机工作过程和关键零部件优化研究

刘林  
【摘要】: 以气体储能(压缩空气/液氮)为能量源的汽车动力系统是一种新型的汽车驱动方案。由于该系统的排放为纯净的空气,不会对环境造成任何的污染以及具有能量可再生的特点,符合了“安全、舒适、环保,燃料来源多元化”的汽车设计理念。应用气动汽车将可以缓解数量巨大的内燃机汽车给有限的资源与环境带来的压力。目前对气动汽车的研究要么是纯粹的改装,要么是零碎的理论,形成实验过于直观,理论不成体系这种局面。虽然同内燃机复杂的燃烧工作过程相比,气动发动机的工作过程要简单的多,但是气动汽车的开发与研究仍然是一项庞大的系统工程,需要系统的项目规划,科学可行的技术路线才能形成完整的气动汽车理论并形成一批核心技术成果。 针对气动发动机样机的能量利用率低及目前还没有关于气动发动机的设计理论与方法的现状,在积累前人有益研究成果的基础上,本文从系统热力循环优化与关键零部件优化两个层次进行了研究,其主要工作与结论如下: 气动汽车的研究进展综述介绍了当前各单位研究气动汽车的思路及所取得的成果,总结出进气管理系统、整车气动化与轻量化、优化设计方法是气动汽车开发的3大核心技术;分析说明气动混合动力系统较其他形式混合动力系统的优越性;提出了气动发动机的研究思路应该是由机械固定进排气相位的配气机构向全可变进气时间的智能配气机构发展,由单级单组分热力循环向多级多组分热力循环转变,由零部件级优化设计逐渐转变成系统整体优化设计。 发展气动汽车的可行性分析通过分析“燃料”(液氮/压缩空气)的实际储能密度、总循环效率、气动发动机的动力性能和经济性能、气动汽车的运行成本与安全性能、“燃料”的来源、辅助配套设施的建设等因素,说明气动汽车是一种实用的清洁燃料汽车,具有很好的发展前景。 气动发动机的试验研究通过自由度分析,说明气动动力系统具有温度、压力和发动机转速3个自由度;建立了气动发动机试验台架,测得了气动发动机的动力性能、经济性能随自由变量的变化规律曲线;利用熵分析方法进行效率分析,得出储能介质的能量在系统中损耗与利用的分布情况,指出热力循环优化、降低内部压降、优化工作过程及防止工质泄漏是影响系统效率的主要因素也是优化工作的重点。 基于热力学理论的气动动力系统设计与优化系统设计可以确定系统的做功界限,为零部件的设计提供初始数据。针对液氮在单级朗肯循环下的能量利用效率低的问题,设计了基于等熵膨胀的多级多组分朗肯循环,计算结果表明液氮冷量的利用率由原来的24%提高到60%,该热力循环方案在理论上还解决了以液氮为储能介质的动力系统换热器结霜问题。在理论研究工作中,还设计了“收益函数”作为表征系统的性能指标,并采用模糊综合评判法对处于实际工作环境中的“基于等熵膨胀的多级多组分朗肯循环”与另一个高效液氮热力循环系统“布莱顿循环”进行了比较,得出虽然他们在理想状况下的能量利用效率相同,但当系统出现不可逆因素时,本文所设计的多级朗肯循环的性能却变化不大而优于布莱顿循环。为了设计固定相位气动发动机的余隙容积、进排气相位与持续角等参数,对气动发动机的实际示功图进行简化,建立了“气动发动机理想工作过程的简化模型”,采用多目标优化设计方法获得了能让气动发动机的热力学第一效率、热力学第二效率以及热经济效率综合最优的一组参数。针对简化模型没有考虑进气对工作过程的影响,利用有限时间热力学和变质量热力学理论对可变相位配气机构气动发动机的实际工作过程建模,通过仿真分析获得了进排气相位、进气持续时间、进气压力等变量与气动发动机的动力性能、经济性能间的约束关系,并由此提出了可变配气相位气动发动机在线参数调节方法。编写了非支配排序遗传进化算法,将其作为气动发动机结构参数和工作参数设计的基本方法并获得完整的气动发动机性能设计曲线。 气动发动机关键零部件优化方案的设计为了降低实际不可逆因素对系统工作过程的影响,使其性能达到设计目标,针对气动发动机的关键零部件进行了优化。其中包括:以应用泛函优化原理为基础编制了气动发动机活塞运动轨迹的优化程序,得到的优化轨迹能使工质的能量利用率较原系统提高100%。并进一步分析得到进排气门的启闭规律与活塞运动规律间的匹配关系。通过比较不同形状的活塞上顶面与进气道对进气过程中缸内流场、缸内平均压力及活塞上顶面的压力的影响,说明采用流线型的进气道和半球型活塞上顶面的组合能显著提高气动发动机的比输出功。文中还介绍了基于等温膨胀器、可变相位配气机构、气动动力系统中换热器的优化方案等丰富的内容。 可变相位配气机构的结构与控制算法设计为实现进排气相位与持续时间完全可调配气机构,设计了电磁直接驱动进排气门。介绍了进排气门的结构与工作原理,并以进气不出现超音速流的保守标准,设计了进排气门的几何尺寸;根据气门体的响应时间要求设计了E型铁芯的电磁铁参数;设计了PWM输入电压的驱动电路。在MATLAB/Simulink中建立了电磁驱动进气门的工作模型,通过动态仿真修正了初始设计方案,并研究了电压与进气压力等因素对气门动态性能的影响。为了能在有干扰的情况下,可靠的控制气门的运动,建立了以LyapunovRedesign法与PID联合控制为基础的电磁驱动气门闭环控制算法和以测量电流为基础的开环控制算法;在仿真的基础上比较了开环控制与闭环控制的优缺点。对电磁驱动进排气控制系统进行了可观测性分析,证明了以电流为输出的系统具有可观测性,可以通过测量系统电流实现闭环控制,为以后的观测器设计提供了理论基础。 本文深入探讨了气动汽车的发展前景,理清了气动发动机的研究思路,将气动发动机技术进行分解并对部分内容进行了深入的研究,既发展了前人的研究成果,又为后人创建了一个研究平台。


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