四冲程气动发动机关键参数的仿真分析与试验研究

徐劲力，赵 睿，曾凡琮

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 引言

在世界汽车工业飞速发展的今天，传统燃油车带来的尾气污染和能源危机等问题越来越严重[1]，然而目前主流新能源车型仍存在造价昂贵、电池污染等问题，因此发展以压缩空气动力汽车（Compressed Air Vehicles，CAV）为代表的新型新能源汽车势在必行[2]。CAV由其核心部件压缩空气动力发动机（Compressed Air Engine，CAE）提供动力，近年来，国内外均对CAE进行过相关研究。法国MDI公司研发的“AirPod”概念车采用带有主动膨胀室的CAE[3]；美国华盛顿大学研究以液态氮为动力的CAE样机，液态氮经过减压受热，膨胀为高压氮气，将其储存的能量转化为机械能[4-5]；韩国ENERGINE公司设计了一种电-气混动发动机，汽车在起步时，利用高压空气能转化为机械能提供动力，当汽车时速达到20km/h，利用电能转化为机械能以提升发动机动力，该发动机可显著回收汽车刹车过程中的能量[6-7]；中国浙江大学主要研究单缸及多缸汽油机改造为试验型单级膨胀式CAE[8]。在CAE领域，直喷式四冲程CAE的相关研究较少，该机型具有动力足、造价低、运转稳定性好等优点。通过改型某自然吸气式汽油机，设计了一种四冲程直喷式CAE，运用GT-Power软件建立了包含进、排气系统的四冲程CAE仿真模型，对其不同工况下缸压、输出扭矩、输出功率、排气压力和排气温度等参数进行了研究，并通过台架试验验证了仿真模型的正确性及CAE的运转可行性。利用MATLAB软件对比分析仿真与试验结果，得出充气提前角、充气持续角、发动机转速等因素对CAE输出参数的影响规律，并探究出CAE最优充气提前角约为-70℃A，对未来CAE领域的深入研究具有一定的指导意义。

2 CAE原理

直喷式CAE改装自中国某著名主机厂1.2L自然吸气式四冲程汽油机。为最大限度的降低成本，保留原有汽油机的进排气系统、发动机机体及曲柄连杆机构，移除火花塞和进气管喷油嘴，设计减压阀控制储气瓶出口处的充气压力，利用高压电磁阀及喷气嘴将气体直喷四缸。

CAE的工作过程分为自然吸气、压缩、充气做功和排气四个冲程，其做功过程不可能是完全的等温过程，通常介于等温和绝热过程之间。是CAE工作过程示功图（也称p-v图），上曲线代表等温曲线，下曲线代表绝热曲线，实际的减压膨胀过程介于上下曲线之间，即A为起始点，B、C、D、E为相应的压力分级点，如图1所示。理论上来说，上曲线与坐标值V1、V2间所包含的面积表示压缩空气能量释放所能转化的气体膨胀功，这些膨胀功有一部分转化为CAV的机械能，另一部分被释放掉，压缩气体的转化效率取决于发动机气缸的工作效率以及整个进排气的工作过程效率。

图1 CAE示功图Fig.1 Indicator Diagram of CAE Working Process

CAE工作过程温-熵图（也称T-s图），表示气体在循环过程中经历不同热力过程的情况，如图2所示。其中上曲线代表充气压力，下曲线代表排气压力，随着熵值的不断增加，将存在等熵过程、多变过程、等温过程。等熵过程也叫可逆绝热过程，其气体在进行热力过程时与外界交换的热量dp=0，多变过程的工质状态参数会有一些变化，且无法完全绝热，等温过程开始和结束状态的温度相等且不变，其值等于环境温度。

图2 不同热力过程的温-熵图Fig.2 Temperature-Entropy Diagram of Different Thermal Processes

CAE的工作依靠储气罐供气，储气罐中压缩空气的最大能量利用率可表示，如式（1）所示。

式中：ζrel—减压效率；ζisoth—等温膨胀效率；ζtrans—压缩空气传输效率。减压效率ζrel可表示，如式（2）所示。

式中：Ωaf_th—减压后压缩空气的能量密度；Ωst—储气罐中压缩空气的能量密度。

等温膨胀效率ζisoth可表示，如式（3）所示。

式中：Wd—气动发动机输出的指示功。

综上所述，CAE采用高压空气在气缸内膨胀做功代替传统内燃机燃烧膨胀做功，将压缩空气能通过膨胀转化为机械能以驱动汽车行驶。在整个CAE运转过程中没有燃烧，汽车尾气排放纯净的空气，可以实现真正意义上的“零污染”。

3 仿真建模

3.1 GT-Power基本控制方程

采用GT-Power软件建立四冲程CAE仿真模型。CAE气缸内气体流动的基本特征可理解为可压缩湍流运动，GT-Power采用一维交错网格，将管路系统分为若干个控制体积，应用有限体积法进行数值计算。GT-Power的计算求解过程，可视为求解一维气体动力学基本控制方程，工质的流动模型可看作是湍流模型，其遵循基本的流体动力学控制方程，故GT-Power仿真计算依据式（4）、式（5）、式（7），其中式（6）为焓值H方程[9]：

式中：mflx—体积中通过边界的质量流量；e—每质量的总内能（内能+动能）；p—压力；V—体积；H—总焓值；hg—热传递系数；As—热传递表面面积；Tfluid、Twall—流体、壁面的温度；ρ—密度；A—流通面积；u—经过边界时刻的速度；V—体积的中心速度；D—等效直径；dx—在流动方向上的离散长度；Cf—表面摩擦系数；Cp—压力损失系数。

3.2 GT-Power仿真模型的建立

建模的第一步是采集CAE关键参数，同时需要对CAE各部件进行合理的简化，以满足仿真建模的基本要求[10]。除此之外，还需做出四点假设：

（1）仿真模型中CAE 工作环境稳定不变，恒温290K，恒压0.101MPa。

（2）整机循环回路及喷气嘴充入气缸的气体均为理想气体，满足理想气体定律（pV=nRT），且在充气过程中，气压损失忽略不计。

（3）整机各部件在模拟运行的过程中均无损耗、形变等现象，系统中的气体均无泄露现象。

（4）对于某些关键参数，需在合理范围内选取一个近似度最高的值，此值即为最终设定值。

选定直喷式CAE关键参数，如表1所示。

表1 CAE关键参数表Tab.1 Key Parameter Table of CAE

根据参数表，建立四冲程CAE单缸仿真模型并试运行无误，再建立四缸整机模型。完整的模型，如图3所示。由工作环境、进排气系统、四缸及其喷嘴、曲轴系统等结构组成。

图3 GT-Power仿真模型Fig.3 GT-Power Simulation Model

4 台架试验

4.1 供气试验平台

设计气压控制分配台，搭建以分配台为核心的CAE供气试验平台，其目的是找到基于实际工况下合适的CAE初始参数设定范围，调试出最优供气系统，为台架试验做准备。完整的供气试验平台，如图4所示。

图4 CAE供气试验平台Fig.4 Gas Supply Test Platform of CAE

试验平台的工作原理是空压机压缩纯净空气储存在储气罐中，储气罐再将高压气充入分配台，分配台将设定好参数的气体通过电磁阀和喷气嘴喷入四缸进行试验。

4.2 台架试验

确定所需设备及台架搭建方案，选型采购相关传感器，包括排气温度、排气压力、功率、扭矩、缸压传感器等，在有安全防护保障的实验室内搭建试验台架，完成后，如图5所示。

图5 CAE试验台架Fig.5 Test-Bed of CAE

试验采用电机工作提供动力的方式驱动CAE在不同转速下运转，并在其运转过程中施加一定的2N·m负载，以满足不同工况的需求。试验进行时，研究人员在台架外部即可完成试验的实时监控和参数调试，充分保障了研究人员的安全。

5 结果分析

仿真与试验结果均为实时数据，需利用微积分学相关数学公式计算出各输出参数在不同工况下的平均值，再利用MATLAB软件绘制相应的规律曲线，以直观的进行对比分析。

（1）研究缸压曲线，设定持续角为60℃A，提前角为-70℃A，充气压力分别为2MPa和3MPa，在CAE转速为500r/min时，仿真与试验缸压对比，如图6所示。

图6 缸压对比图Fig.6 Comparison Diagram of Cylinder Pressure

由图可得，缸压峰值随充气压力的增大而增大，缸压曲线符合自然吸气、压缩、充气做功、排气四个冲程，且在2MPa和3MPa的充气压力下，仿真与试验曲线基本吻合，缸压峰值基本一致，存在一定相位误差在允许的范围内，由此可验证CAE仿真模型的正确性。

（2）当充气持续角（试验范围（40～80）℃A）作为自变量时，设定充气压力为3MPa，充气提前角为-70℃A，在CAE处在500r/min稳定转速时，记录并后处理的因变量参数值（输出扭矩、输出功率、排气压力和排气温度），仿真试验结果对比曲线，如图7所示。

图7 不同充气持续角下的仿真试验对比Fig.7 Emulational and Experimental Comparison under Different Inflating Duration Angles

分析仿真与试验结果可得，在其他影响参数相同时，功率、扭矩、排气压力与充气持续角成正比，排气温度与持续角成反比。在一定范围内，增大充气持续角有利于CAE输出更足的动力。

（3）当充气提前角（试验范围（-90～10）℃A，负值即为滞后角）作为自变量时，设定充气压力为3MPa，充气持续角为60℃A，在CAE处在500r/min稳定转速时，仿真试验结果对比曲线，如图8所示。

图8 不同充气提前角下的仿真试验对比Fig.8 Emulational and Experimental Comparison under Different Inflating Advance Angles

分析可得，其他条件相同时，随充气提前角的增加，排气压力逐渐降低，排气温度逐渐升高，输出扭矩和输出功率先增加再减少。当提前角在-70℃A左右，输出扭矩和功率出现峰值，此时CAE整体性能最佳。

（4）当CAE 转速（试验范围400r/min～700r/min）作为自变量时，设定持续角为60℃A，提前角为-70℃A，充气压力为3MPa，仿真与试验结果，如图9所示。

图9 不同CAE转速下的仿真试验对比Fig.9 Emulational and Experimental Comparison under Different CAE Speed

分析可得，输出功率、排气压力、排气温度与CAE转速成正比，输出扭矩与CAE转速成反比，且当转速在（500～600）r/min增加时，扭矩降速加快，功率和排气压力增速减缓。

6 结论

设计了CAE 样机，利用GT-Power 建立了四冲程CAE 仿真模型，搭建试验台架对不同工况下CAE 的工作情况进行了研究，利用MATLAB 综合分析仿真与试验结果，得出了以下几点结论：

（1）缸压仿真与试验结果验证了仿真模型的可靠性，且充气压力越大，峰值缸压越大，提高充气压力有利于提高CAE的动力输出。

（2）在试验范围内，输出扭矩、输出功率、排气压力与充气持续角成正比，排气温度与充气持续角成反比；排气温度与充气提前角成正比，排气压力与提前角成反比，且试验表明当提前角为-70℃A 时，CAE 整机拥有较好性能；输出功率、排气压力、排气温度与CAE 转速成正比，输出扭矩与CAE 转速成反比。这些规律性结论对未来CAE 的深入研究具有一定的指导意义。

（3）CAE台架试验，验证了纯气动发动机的运转可行性，在新能源汽车研究领域具有一定的意义。由于电磁阀、喷气嘴等部件的承压能力有限，CAE 动力输出不足，整机最高转速低于1000r/min，未来对CAE的结构优化和动力提升将成为实现样机产业化的重要研究方向。