0引百為了應(yīng)對由于內(nèi)燃機污染排放、石油資源匱乏所帶來的挑戰(zhàn)，人們研發(fā)了多種具有低能耗、低污染特點的新型發(fā)動機，主要包括電動發(fā)動機、燃料電池發(fā)動機、空氣動力發(fā)動機、混合動力發(fā)動機等，其中壓縮空氣/燃油混合動力發(fā)動機已成為研究熱點之一。筆者在中提出了一種新型的壓縮空氣/燃油混合動力發(fā)動機概念，這種混合動力發(fā)動機能夠在壓縮空氣動力模式和內(nèi)燃機模式兩種工作模式下運行，裝備這種混合動力發(fā)動機的車輛較為適合城市交通。在啟動和低速階段，以壓縮空氣作為動力源，使發(fā)動機運行于壓縮空氣動力模式，能夠發(fā)揮出壓縮空氣動力發(fā)動機低速大扭矩和零污染排放的特點。在較高的轉(zhuǎn)速或負荷下采用內(nèi)燃機模式，能夠避開內(nèi)燃機低速時能耗高、有害排放多的缺點，使發(fā)動機在低能耗、低污染的最佳工況附近運行。

　　1.儲氣罐2.減壓閥3.熱交換器4.流量閥5.電磁開關(guān)閥6.壓縮空氣噴嘴7.進氣門8.噴油嘴9.電控噴油裝置10.排氣門11.氣缸12.活塞13.曲柄連桿機構(gòu)單缸混合動力發(fā)動機結(jié)構(gòu)示意圖本文在壓縮空氣/燃油混合動力發(fā)動機工作過程的熱力學(xué)第一定律數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱力學(xué)第二定律，對其兩種工作模式的工作過程基金項目：國家自然基金一福特基金資助項目（50122115）（中虛線包圍部分）為簡化計算假定：①氣缸內(nèi)的氣體狀態(tài)是均勻的，氣缸內(nèi)各點的壓力、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；④進出口氣體的動能忽略不計。

　　1.1壓縮空氣動力模式可用能平衡方程壓縮空氣動力模式下，發(fā)動機的工作過程是氣體熱力學(xué)狀態(tài)變化的過程。由熱力學(xué)第一定律可得到系統(tǒng)的能量守恒方程：界換熱量；hi、hE、he分別為進氣、排氣和壓縮空氣進氣比焓；mi、mE、m（：分別為進氣、排氣和壓縮空氣進氣質(zhì)量；9為曲軸轉(zhuǎn)角。，T為缸內(nèi)工質(zhì)溫度。

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

　　由熱力學(xué)第二定律可得到壓縮空氣動力模式下系統(tǒng)的可用能平衡方程：流動：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，進排氣為超臨界流動：（1）壓縮空氣的可用能變化量。壓縮空氣進氣口處單位質(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。

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

　　（2）進氣帶入系統(tǒng)的可用能變化量為傳熱表面平均溫度。

　　1.2內(nèi)燃機模式可用能平衡方程與壓縮空氣動力模式相仿，由熱力學(xué)第一定律可得內(nèi)燃機模式下系統(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。

　?。?）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行模擬計算，計算精度足夠，其經(jīng)驗公式如下：始角。

　　內(nèi)燃機模式可用能平衡方程中其他可用能變化項的計算可參見壓縮空氣動力模式。

　　2工作過程可用能分析基于上述數(shù)學(xué)模型，在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律數(shù)值模擬得到缸內(nèi)瞬時溫度、壓力和氣體質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱力學(xué)第二定律對混合動力發(fā)動機兩種工作模式的工作過程進行能量可用性分析計算。在城市交通中，平均車速通常在40km/h左右，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般在1500~1800r/min之間。仿真計算時兩種工作模式的切換轉(zhuǎn)速設(shè)為1500r/min，其他仿真計算初始參數(shù)見表1.表1混合動力發(fā)動機仿真初始參數(shù)2.1壓縮空氣動力模式可用能分析180°）作為計算始點，在355°（即壓縮空氣進氣提前角為5°時，開啟電磁開關(guān)閥向缸內(nèi)噴入壓縮空氣，在，=445°時關(guān)閉電磁開關(guān)閥（即壓縮空氣進氣持續(xù)角為90°）。仿真可得到轉(zhuǎn)速為1500r/min時系統(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。由于壓縮空氣進氣壓力與缸內(nèi)壓力壓差較大，隨著電磁開關(guān)閥打開，進入氣缸的壓縮空氣可用能迅速增加。壓縮行程時活塞向系統(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行逐漸減少。壓縮行程時活塞功為負值，膨脹行程時活塞功增加到正值，并隨著缸內(nèi)氣體膨脹逐漸增大。在氣門閉合期，傳熱可用能由負值逐漸增加到正值，這說明缸內(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近似為零，在壓縮空氣進氣和膨脹行程時逐漸增大。

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

　　表2給出了壓縮空氣動力模式發(fā)動機一個做功循環(huán)可用能分布狀況。系統(tǒng)通過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)法降低減壓過程可用能損失是一個重要方面。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壓縮空氣可用能的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)動機的能量利用率。

　　可用能類別ATAcaQAwAeAd各項可用能可用能類別afAWaqaiAEAD各項可用能表2壓縮空氣動力模式每個做功循環(huán)可用能分布2.2內(nèi)燃機模式可用能分析、所示為內(nèi)燃機模式下轉(zhuǎn)速為1500r/min、過量空氣系數(shù)為1 1時缸內(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與壓縮空氣動力模式基本相同。缸壁換熱可用能與壓力空氣動力模式差異較大，是因為系統(tǒng)內(nèi)溫度遠高于缸壁溫度，系統(tǒng)通過缸壁向環(huán)境放熱，且放熱量遠大于壓縮空氣動力模式下的吸熱量。

　　5.缸壁傳熱可用能內(nèi)燃機模式瞬時可用能（氣門關(guān)閉期）如所示，氣門開啟期排氣可用能、活塞功可用能變化趨勢也與壓縮空氣動力模式相仿。系統(tǒng)內(nèi)可用能隨排氣門開啟后快速下降，排氣結(jié)束前接近于零，在進氣過程中基本不變，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啟期呈小幅增加趨勢。

　　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)燃機模式瞬時可用能（氣門開啟期）表3為內(nèi)燃機模式下發(fā)動機一個做功循環(huán)可用能分布狀況?？捎媚艿膿p失主要由于缸壁換熱、排氣過程以及不可逆性引起的。其中，排氣可用能損失達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)動機能量利用率，目前普遍采用的發(fā)動機增壓技術(shù)就是利用了排氣可用能。

　　內(nèi)燃機模式每個做功循環(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壓縮空氣可用能的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力模式效率的關(guān)鍵。

　　內(nèi)燃機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)燃機模式的效率。