空气动力发动机的探索性研究

随着21世纪人们对环境保护以及可持续发展要求的不断提高，使用对环境友好的清洁汽车替代消耗石油等不可再生矿物资源并对城市空气污染严重的内燃机动力汽车已成为当今社会的迫切需要。 空气动力发动机(气动发动机)将高压空气中存储的能量转化为扭矩形式的机械能输出，不消耗石油等燃料，作为汽车动力可以使汽车真正成为零排放的清洁汽车。本文的工作以国家自然科学基金委福特基金第三期项目“气动汽车发动机的探索性研究”(No.50122115)及“十五”国家科技攻关计划项目“压缩气动发动机汽车研究”(No.2003BA408814)为依托，以气动发动机在清洁汽车中的应用为背景，详细分析了气动发动机工作原理以及高压空气在气动发动机中能量释放的特点，通过系统的理论分析并结合细致的试验工作，创新性的建立并完善了单级膨胀及两级膨胀气动发动机数学模型，在此基础上，应用数学仿真分析方法深入地研究了起动发动机不同结构形式与工作参数下的工作特性，并研制了多台实验性气动发动机，进行了台架试验以及气动汽车整车试验，为气动发动机的优化设计并进一步推向实际应用提供了理论基础和实验数据，这对气动发动机的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。 论文主要研究内容如下： 第一章：论述了研究课题的来源和意义，以及与本课题研究相关的清洁汽车的种类和研究现状，分析了气动汽车的可行性，综述了气动发动机研究的历史和目前国内外研究的现状，并提出了本论文所要进行的主要研究工作。 第二章：研究了气动发动机工作原理以及高压空气在气动发动机中能量释放的特点，指出改善发动机在缸内气体膨胀做功过程中的热交换条件，使其尽量接近等温过程，是提高工作效率重要途径。研究了气动发动机的结构特点，借鉴气动马达的研究基础并结合汽车发动机的性能要求，指出具有密封性好，效率较高，输出扭矩较大，低速稳定性好的往复活塞式结构适合气动发动机工作要求。运用热力学和力学理论对最基础的气动发动机——单级膨胀气动发动机的工作过程进行了研究分析，建立了相应的数学模型，讨论了应用该模型对气动发动机进行理论分析的仿真计算方法， 浙江大学博士学位论文:气动发动机探索性研究 为后续理论研究打下基础。 第三章:运用数值仿真计算方法对单级膨胀气动发动机工作特性进行 了研究，并较全面地对转速、配气相位、进气压力、气缸容积以及气缸程 径比等主要参数对发动机性能的影响进行了分析，得到了发动机性能随以 上参数变化的基本规律。 第四章:在第二章的基础上，建立了两级膨胀气动发动机的数学模型， 并运用数值仿真计算方法对两级膨胀气动发动机工作特性进行了研究，分 析了转速、配气相位、进气压力、两级缸径比、级间热交换器以及环境温 度等主要参数对发动机性能的影响规律，并与单级膨胀气动发动机性能差 异进行了对比分析研究。 第五章:设计制造了试验型单级膨胀单缸及多缸气动发动机，并搭建 的气动发动机综合试验台架，完成了气动发动机的台架试验，同时开展了 气动汽车集成技术的研究，成功的将试制的实验型气动发动机及其配套气 源系统集成至整车上，完成了国内首台气动汽车的整车行驶试验。 第六章:对全文进行总结并对后续研究工作进行了展望。 关键词:空气动力汽车，气动发动机，数学模型，仿真，单级膨胀，两 级膨胀，试验台