壓縮空氣發動機系統的數值模擬

　　基金項目：清華大學汽車安全與節能國家重點(zhòng diǎn)。中Vo表示余隙容積；1表示進氣容積；V2表示氣缸容積。
　　進氣門開啟后，氣缸壓力迅速由上一循環的殘余壓力升到進氣壓力（12）。在進氣門保持開啟階段，由于有儲氣罐內高壓氣(Pressure)體的補充而進行等壓充氣（23），當活塞下行到某合適位置3時，進氣門關閉。于是氣缸中的高壓氣體開始膨脹（34），此階段一般是一個多變過程，之后，排氣門開啟，缸內氣體排出氣缸（4―1）。
　　壓縮空氣發動機是通過高壓氣體膨脹做功以實現動力輸出的，其總體結構形式可以借鑒傳統發動機現有的結構模式(pattern)，主要是往復活塞式及旋轉活塞式等形式。高壓壓縮空氣經減速壓閥減壓，通過熱交換器吸熱膨脹，進入氣缸后進一步膨脹，推動活塞輸出動力。為了能夠有針對性地改進壓縮空氣發動機及管路系統的各項參數，提高發動機的效率與能量利用率(availability)，對現有壓縮空氣發動機及管路系統進行數值模擬(定義:對真實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動力學特性，提高系統工作效率，縮短改進工作周期，節約研制成本。
　　2系統建模壓縮空氣發動機系統總體構成如所示。
　　建模目標(cause)分為配氣部分、壓縮空氣發動機部分和連接管路部分。配氣部分為壓縮空氣發動機提供高壓氣體，由儲氣罐(gas container)、進氣減壓閥和控制閥門組成。壓縮空氣發動機部分包括(bāo kuò)進氣閥、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系統，連接各個部件。
　　壓縮空氣由高壓儲氣瓶儲存，壓力可達15MPa由于輸氣管道與閥門以及各個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，一般出口壓力調為2.在進氣減壓閥與發動機之間設有一個控制閥門，用來調節壓縮空氣發動機的輸出功率（指物體在單位時間內所做的功的多少），相當于普通發動機的油門。減壓閥、控制閥門和壓縮空氣發動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)在發動機氣缸中膨脹做功后經排氣(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。空氣壓縮機與水泵構造類似。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是一款專業的工程(Engineering)流體管路系統的分析軟件16，擅長于對流體管路系統進行整體分析。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、管道等，而且可以運用C或Fortran語言自己編寫部件模塊，構建系統方便快捷。它能計算系統中各節點的壓力、溫度、質量流量和馬赫數等數據，分析結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相比更關注局部（part)，雖然能夠進行精細的三維流體計算，但對閥門與發動機的建模很難進行或計算成本太高，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發動機系統，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軟件中沒有發動機特征化的模塊，所以對發動機進氣門、排氣門和氣缸各部件進行模型化時，必須(have to)表達為相應的閥門、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(功能：截止、導流、穩壓、分流等)；21為管道；22、23為突變結。壓縮空氣發動機（Engine）中沒有燃燒過程，缸內變化相對比較簡單，而且FLOWMASTER軟件本身只是做一維的分析，作為系統(system)中的一個部件，進行多維流動分析是沒有意義的，所以Engine模型采用發動機準維模型進行建模。
　　出壓力與溫度完全一樣的可變壓力源，它們組成發動機缸內工作模型，其輸出值由2個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時間進行，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個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。控制器中可用VBScript編寫程序，以實現對可變壓力源的控制，計算模型就是在此部件中編寫代碼。控制器可以有最多5個輸入變量，它們可以是其它部件的瞬時狀態(status)參數(parameter)，例如質量流量、溫度和壓力等。在此使用了3個變量，分別是進氣溫度、進氣質量流量和排氣(Exhaust)質量流量，從而根據發動機準維模型解出微分方程組，計算出缸內的壓力、溫度和工質質量。發動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表面傳熱系數。
　　基于不同的發動機機型，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它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發生在旋轉葉片上，部分發生在固定的擴壓器或回流器擋板上。
　　和Ts由FOWMATER分析算出，經過控制（control)器變量輸入接口傳遞入計算模型。聯立⑴（7）式，進行數值計算，即可得到p
　　T、m的數值解FLOWMASTER的計算過程(guò chéng)是一個特殊的迭代(更替)計算過程，以設定的分析時間和步長為迭代計算的過程參數。昆山空壓機保養冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫，再進入后冷器對排氣進行冷卻，另一路冷卻水進水管道經過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行冷卻。分析從零秒開始，每個分析時刻計算完畢后增加一個時間步長，直至達到設定的分析時間值停止。
　　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。
　　對于確定的發動機，V是曲軸轉角的函數，其表達式為一程序計算始點選擇氣體膨脹做功的始點，即進氣門均關閉時刻。此時進排氣質量流量(單位:立方米每秒)均為0，在整個膨脹過程中缸內工質質量不變，而其它過程缸內質量均有變化，以此點為計算始點，初值計算比其它過程更容易確定，所以取它作為計算始點最為合適。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為進排氣(Exhaust)溫度；qm
　　S、qml，分別為進排氣質量流量。計算基于以下條件(tiáo jiàn)和假設：由于氣瓶經減壓閥減壓后的壓力隨發動機（Engine）工作循環（continue)波動很小，可簡化為一個定壓力源，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，控制閥門開度設為最大1.包括3個工作循環（continue)，時間步長為10-5s大約為0.0022曲軸轉角，稍大點的時間步長可能會導致(cause)計算沒有辦法收斂。
　　3計算結果(result)及對比分析上止點前10CA進氣閥開啟，此時缸內外壓比較小，氣缸容積較小，活塞仍在上行，盡管閥門(功能：截止、導流、穩壓、分流等)開度很小進氣量不大，壓力快速升高隨著活塞下行，氣缸容積增加速率逐步提高(，缸內外壓比增大進氣速率降低（reduce)，壓力上升緩慢，出現了一個平臺區。在進氣門關閉前10CA開始，由于進氣閥開度減小導致進氣流量減小，氣缸容積增加速率不斷增加，壓力開始下降。上止點后90CA進氣閥關閉，氣體繼續膨脹(inflate)，壓力持續降低。在上止點后155CA排氣(Exhaust)門打開，開始排氣，缸內工質質量減少，壓力下降速率稍許加快，隨著壓力不斷降低，接近一個大氣壓時壓力降低趨于平緩，最低壓(Low pressure)力基本與一個大氣壓相等。在進氣初期容積變化較小，近似認為此過程為定容充氣過程。壓力升高速率比質量升高速率大，由（6）式知，溫度上升對膨脹過程有利，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束前氣體壓力接近一個大氣壓，活塞上行做功，氣體溫度有小幅回升。
　　試驗在一臺經過改造的R175單缸柴油機上進行陳鷹，許宏。壓縮空氣動力(dòng lì)汽車的研究與發展。機械許宏。壓縮空氣動力汽車。汽車技術，2⑴2許宏。壓縮空氣動力汽車的可行性研究。中國機械工俞小莉，元廣杰，沈瑜銘，等。氣動發動機工作(gōng zuò)循環的理論分析。機械工程學報，2002安達，談建，左承基。壓縮空氣發動機的設計及初步實驗（experiment)。合肥工業大學學報（自然科學版）2⑴5，左承基李寧。國產4125柴油機改制成天然氣發動機。
　　蔣德明。高等內燃機原理(yuán lǐ)。西安：西安交通大學出版社，沈恒榮，劉急，高政冠，等。內燃機性能研究。北京：機械工業出版社，1981.1370（責任編輯呂杰）