壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力循環(huán)優(yōu)化理論研究.pdf

1、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一種以壓縮空氣為儲(chǔ)能介質(zhì)的新型動(dòng)力機(jī)械。由于工作過(guò)程無(wú)燃燒、無(wú)污染物排放、不依賴(lài)礦物燃料等特點(diǎn)，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)在新能源動(dòng)力領(lǐng)域正受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中需要環(huán)境對(duì)其輸入能量，以解決其單獨(dú)工作時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率較低的問(wèn)題。另一方面，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程中，大量的燃料可用能被高溫排氣及冷卻水帶走。如果將內(nèi)燃機(jī)與壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。這種壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力系統(tǒng)可以通過(guò)回

2、收內(nèi)燃機(jī)余熱，優(yōu)化壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程，同時(shí)還具備優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工作區(qū)域，實(shí)現(xiàn)節(jié)能潛力開(kāi)發(fā)、提升內(nèi)燃機(jī)效率等特點(diǎn)。
　　本課題以壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力系統(tǒng)為研究對(duì)象，以?xún)?yōu)化壓縮空氣動(dòng)力循環(huán)為研究目標(biāo)，開(kāi)展的研究工作與主要結(jié)論如下:
　　(1)分別采用經(jīng)典熱力學(xué)及變質(zhì)量熱力學(xué)理論，建立壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)理想循環(huán)與實(shí)際工作過(guò)程模型。通過(guò)對(duì)比理想循環(huán)與實(shí)際過(guò)程，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣進(jìn)氣過(guò)程流動(dòng)損失及不完全膨脹是能量損失的主要組成

3、部分。
　　(2)根據(jù)壓縮空氣動(dòng)力循環(huán)能量損失分布，對(duì)壓縮空氣動(dòng)力循環(huán)的優(yōu)化方法進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)通過(guò)進(jìn)氣預(yù)熱、膨脹補(bǔ)熱及組織兩級(jí)膨脹均可以提升壓縮空氣動(dòng)力循環(huán)指示功，減少能量損失。
　　(3)對(duì)基于壓縮空氣動(dòng)力循環(huán)膨脹補(bǔ)熱的優(yōu)化方法進(jìn)行了深入研究。采用有限體積法，建立了壓縮空氣—冷卻水耦合傳熱模型，對(duì)采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁，可以提升壓縮空氣發(fā)

4、動(dòng)機(jī)循環(huán)指示功。
　　(4)通過(guò)模擬試驗(yàn)方法，對(duì)采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的方案進(jìn)行了原理性試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在采用熱水加熱缸壁的條件下，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性均有明顯改善，其能量轉(zhuǎn)化效率也有明顯提升。
　　(5)將內(nèi)燃機(jī)模型、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)模型及壓縮空氣/冷卻水換熱模型耦合，對(duì)不同混合動(dòng)力耦合方案下壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能變化及內(nèi)燃機(jī)冷卻水溫度進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的混

5、合動(dòng)力模式可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:一是通過(guò)冷卻水加熱缸壁，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性比其單獨(dú)工作時(shí)有明顯改善;二是通過(guò)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)回收冷卻水余熱，可以降低內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)換熱量，從而節(jié)省冷卻風(fēng)扇等部件的功耗。
　　(6)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)采用內(nèi)燃機(jī)冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的混合動(dòng)力模式進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的混合動(dòng)力模式是可行的，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能比其單獨(dú)工作時(shí)有所改善，同時(shí)冷卻水在流經(jīng)壓縮空氣