壓縮空氣-燃油混合動力循環(huán)優(yōu)化理論研究.pdf

1、壓縮空氣發(fā)動機是一種以壓縮空氣為儲能介質(zhì)的新型動力機械。由于工作過程無燃燒、無污染物排放、不依賴礦物燃料等特點，壓縮空氣發(fā)動機在新能源動力領(lǐng)域正受到越來越多的關(guān)注。然而，壓縮空氣發(fā)動機的工作過程中需要環(huán)境對其輸入能量，以解決其單獨工作時能量轉(zhuǎn)換效率較低的問題。另一方面，傳統(tǒng)內(nèi)燃機工作過程中，大量的燃料可用能被高溫排氣及冷卻水帶走。如果將內(nèi)燃機與壓縮空氣發(fā)動機結(jié)合，則可以實現(xiàn)兩種動力系統(tǒng)的優(yōu)勢互補。這種壓縮空氣/燃油混合動力系統(tǒng)可以通過回

2、收內(nèi)燃機余熱，優(yōu)化壓縮空氣發(fā)動機工作過程，同時還具備優(yōu)化內(nèi)燃機工作區(qū)域，實現(xiàn)節(jié)能潛力開發(fā)、提升內(nèi)燃機效率等特點。
　　本課題以壓縮空氣發(fā)動機及壓縮空氣/燃油混合動力系統(tǒng)為研究對象，以優(yōu)化壓縮空氣動力循環(huán)為研究目標，開展的研究工作與主要結(jié)論如下:
　　(1)分別采用經(jīng)典熱力學及變質(zhì)量熱力學理論，建立壓縮空氣發(fā)動機理想循環(huán)與實際工作過程模型。通過對比理想循環(huán)與實際過程，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣進氣過程流動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)壓縮空氣動力循環(huán)能量損失分布，對壓縮空氣動力循環(huán)的優(yōu)化方法進行探索，發(fā)現(xiàn)通過進氣預熱、膨脹補熱及組織兩級膨脹均可以提升壓縮空氣動力循環(huán)指示功，減少能量損失。
　　(3)對基于壓縮空氣動力循環(huán)膨脹補熱的優(yōu)化方法進行了深入研究。采用有限體積法，建立了壓縮空氣—冷卻水耦合傳熱模型，對采用內(nèi)燃機冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機缸壁的方案進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，采用內(nèi)燃機冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機缸壁，可以提升壓縮空氣發(fā)

4、動機循環(huán)指示功。
　　(4)通過模擬試驗方法，對采用內(nèi)燃機冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機缸壁的方案進行了原理性試驗驗證。結(jié)果表明，在采用熱水加熱缸壁的條件下，壓縮空氣發(fā)動機動力性及經(jīng)濟性均有明顯改善，其能量轉(zhuǎn)化效率也有明顯提升。
　　(5)將內(nèi)燃機模型、壓縮空氣發(fā)動機模型及壓縮空氣/冷卻水換熱模型耦合，對不同混合動力耦合方案下壓縮空氣發(fā)動機性能變化及內(nèi)燃機冷卻水溫度進行數(shù)值計算。結(jié)果表明，采用內(nèi)燃機冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機缸壁的混

5、合動力模式可實現(xiàn)兩個功能:一是通過冷卻水加熱缸壁，壓縮空氣發(fā)動機動力性及經(jīng)濟性比其單獨工作時有明顯改善;二是通過壓縮空氣發(fā)動機回收冷卻水余熱，可以降低內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)換熱量，從而節(jié)省冷卻風扇等部件的功耗。
　　(6)搭建試驗臺架，對采用內(nèi)燃機冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機缸壁的混合動力模式進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，采用冷卻水加熱壓縮空氣發(fā)動機缸壁的混合動力模式是可行的，壓縮空氣發(fā)動機性能比其單獨工作時有所改善，同時冷卻水在流經(jīng)壓縮空氣