气动发动机范文（精选5篇）

气动发动机 第1篇

随着环境污染、能源危机等全球性问题的日益突出, 代用燃料汽车、电动汽车和混合动力汽车等低排放、节能经济型的汽车相继涌现。它们有各自突出的优点, 但同时也有相应的局限。而压缩空气动力汽车 (Air-powered Vehicle) 是利用高压压缩空气在发动机气缸内膨胀做功, 推动活塞做功对外输出动力, 驱动汽车行驶。不仅压缩空气来源方便, 而且它还具有结构简单、造价低廉、清洁环保等众多优点;可以实现零排放, 是真正的环保汽车[1]。

本课题将LF162MK改装成由电控系统控制电磁阀喷射压缩空气的气动发动机。本文进行了基于ATmega16的气动发动机电控系统设计, 该电控系统具有灵活、快速和准确等优点, 能够实现对气动发动机各传感器的实时测量和对执行器的控制以及PC机上的实时监控。

1 气动发动机电控系统设计总体方案

气动发动机电控系统设计包括硬件设计和软件设计两部分, 系统主要完成以下任务:实时采集发动机状态参数;实现对特征参数快速精确的计算;实时控制电磁阀喷气定时和喷气量;实现数据实时通讯[2]。

气动发动机电控系统的设计要从系统检测和控制功能的需求出发, 按以下要求进行设计:选择适当的信号采集方式, 选用合理的传感器, 准确地反映发动机各状态参数;选用合适的控制芯片, 采用低功耗高性能的元器件, 简化电路, 提高控制精度;采用模块化设计方法;系统具有抗振动和抗干扰性能;驱动模块具有良好的可靠性和负载能力;适应车载发动机实际工作环境。

2 气动发动机电控单元硬件设计

电控单元 (ECU) 是整个气动发动机电控系统的核心。它由微控制系统模块、输入信号处理模块、功率输出执行模块和通讯模块等部分组成。ECU要完成的主要任务有:实时处理传感器采集的数据, 并将采集的数据经A/D转换、滤波和整形放大, 转换成单片机可以读取的标准信号;通过数学计算和逻辑判断制定出控制命令驱动执行器 (高速电磁阀) 工作, 实现对喷气定时、喷气量的准确控制;实现CAN总线实时通讯任务, 从而使发动机保持最佳运行状态。气动发动机电控系统总体结构如图1所示, 包括ATmega16、信号处理电路、功率驱动电路、通讯电路及传感器和执行器等, 分别完成对气动发动机的实时检测、控制和监测的功能。

2.1 电控系统的核心微处理器

气动发动机电控系统具有多控制参数、控制算法复杂及实时控制等特点。ECU作为整个电控系统的核心, 它不但要对发动机各数据信号采集和实时控制, 还要处理各信号之间的关系以及喷气定时和喷气量的计算。另外, 气动发动机电控系统的工作环境恶劣, 要承受强烈的振动和强电磁干扰等。本课题选用ATMEL公司开发的ATmega16作为主芯片, 它是一款低能耗、低电压、高性能的AVR系列微处理器[3]。它具有强大的数据处理功能、丰富的外围接口和模块化的功能设计, 完全可以满足气动发动机电控系统数据采集、处理、控制和通讯的需求。

2.2 信号采集模块

为实现发动机实时检测和控制, 传感器必须能够准确地反映发动机的各状态参数, 传感器的选型和传感器信号处理电路的设计对电控系统是至关重要的。曲轴/凸轮轴位置传感器选用霍尔式传感器, 它具有对磁场敏感、输出电压变化大和使用寿命长等优点。油门位置传感器选用电位式传感器, 通过加速踏板绕转轴的转动, 带动电位器触点的移动, 使其输出电压在0.5~4.5V间发生变化。信号采集模块的设计必须保证信号的实时性和准确性, 所以在电路设计中要加入大量的滤波和抗干扰元件。

传感器所产生的信号分两种:一种是数字信号, 如曲轴/凸轮轴信号, 经数字信号处理电路, 进行滤波、放大和整形, 转换成标准的方波信号, 分别输入到ATmega16的输入捕捉 (ICP1) 引脚和外部中断1 (INT1) 引脚。另一种是模拟信号, 如油门位置信号, 经模拟信号处理电路进行滤波后, 输入到ATmega16的AD转换输入通道0 (ADC0) 引脚。

2.3 信号处理模块

在ATmega16中集成了ADC功能模块, 它是8通道10位的逐次逼近A/D转换器, 0-VCC的ADC输入电压范围。通过AD转换器可以将模拟信号转换成单片机可以处理的数字量, 并保存在ADC数据寄存器中。

ATmega16的外部中断1, 通过引脚INT1触发。中断可以由下降沿、上升沿、低电平, 或任意逻辑电平变化触发中断。当外部中断使能并且配置为下降沿触发, 只要引脚电平为下降沿, 中断就会产生。

T/C1 (Timer/counter1) 是ATmega16的一个16位多功能定时计数器。它的输入捕捉单元可用来捕获外部事件, 并为其赋予时间标记以说明此事件的发生时刻, 外部事件发生的触发信号由引脚ICP1输入。当该引脚上的逻辑电平发生了变化, 输入捕捉被激发:16位的TCNT1数据将被拷贝到输入捕捉寄存器ICR1, 同时引发一个中断。

气动发动机电控系统中, 经处理电路处理过的曲轴位置和凸轮轴位置信号, 接到ICP1和INT1引脚。当相应电平变化时就会触发曲轴、凸轮轴中断。凸轮轴中断子程序主要是用来判断压缩上止点位置的。在曲轴中断函数中, 完成发动机转速计算, 确定喷气定时, 以及结合油门位置信号的AD转换值计算喷气量等, 并通过PA7引脚输出信号控制执行模块。

2.4 功率驱动模块

功率驱动模块就是将单片机输出的控制信号转换成电磁阀的控制量, 并实现对电磁阀执行相应操作的控制。高速电磁阀是整个气动发动机控制系统的执行器, 是整个系统的关键的部件之一。由于喷射高压空气, 而且要求在高速下完成电磁阀的开关动作。因此, 对它的响应时间要有特殊的要求。本课题选用贵州红林车用电控技术有限公司的SP021高速电磁阀。

图2所示的是电磁阀功率驱动模块。其中, P7插座连接高速电磁阀, 电磁阀线圈一端连接电源, 另一端连接场效应管漏极。Q1是场效应管IRF540, 起放大作用。U6是可控制的光电耦合器件TLP521-1, 它广泛应用于电路之间的信号传输, 将ECU与负载隔离, 可以增加电路的安全性, 减小电路干扰, 简化电路设计。当ECU发出驱动信号, 光耦导通, 稳压二极管D10将场效应管Q1的栅极电压稳定在12V, 漏极电流增大, 漏极电压被拉低。此时, 电磁阀线圈电流增大, 线圈产生强大的电动势, 电磁阀被打开。而当光耦截止时, 电磁阀关闭, 线圈中电路变化很大, 会产生反电动势。R20功率电阻和D11肖特基二极管1N5819与电磁阀并联, 防止场效应管被击穿。

2.5 通讯模块

气动发动机的控制系统是极其复杂的, 不仅包括转速、油门位置等信号的采集处理;还要对电磁阀的喷气定时和喷气量完成精确控制等等。另外, 气动汽车上还包括ABS、空调系统和车辆灯光等模块, 这些模块需要实时共享车辆的数据, 以达到整车的最优控制。传统的电气控制设计策略已经不能满足当今电气控制网络的需要, 而CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实用性和灵活性等特点。气动发动机电控系统通讯平台如图3所示。它具有布线成本低、通讯速率高和数据传输精度高等优势。

CAN节点原理框图如图4所示[4]。本文采用TJA1040高速CAN总线收发器作为CAN协议控制器和物理总线之间的接口, 选用Microchip公司推出的MCP2515作为CAN总线控制器, 它符合CAN2.0B技术规范并带有符合工业标准的SPI串行接口[5]。ATmega16通过同步串行接口SPI与MCP2515之间完成高速的全双工的同步数据传输, MCP2515通过CAN物理接口芯片TJA1040连接到CAN总线上, 完成气动发动机电控系统与PC机等的CAN通讯。

3 气动发动机电控单元软件设计

软件设计是气动发动机ECU开发的核心。软件设计应遵循模块化和标准化的原则, 具有可扩展性;还要具有良好的抗干扰能力, 可以实现自我诊断和保护, 保证发动机稳定运行。气动发动机电控系统是对时间要求很严格的系统, 它对喷气有很强的实时和精确的要求, 主要通过中断程序的触发和嵌套来实现。系统的软件设计流程图如图5所示。控制软件由初始化模块、中断模块和主控模块组成。初始化模块主要完成对电控系统状态参数的设置和配置寄存器等任务;中断模块执行计算转速和判断压缩上止点及控制电磁阀喷气等任务;主控模块完成信号处理、确定喷气定时和喷气量以及CAN通讯等。

图5软件设计流程图 (参见下页)

4 电控系统调试及总结

多次调试和试验证明, 本文设计的气动发动机电控系统的ECU软硬件能够准确检测出发动机的不同转速等各参数;功率驱动模块工作可靠, 具有良好负载能力;基于CAN总线建立的通讯平台能够实时监控发动机参数与状态, 完成数据传输。试验还表明喷气压力对气动发动机转速有很大影响, 在对气动发动机电控系统进行完善时, 需要扩展喷气压力控制模块, 以保证喷气压力稳定在合适的值, 减少由于压力波动对发动机运行造成的不良影响。冷却水温、喷气温度和缸内压力等参数也对发动机运行具有一定影响, 需要对这些参数进行实时检测, 以便对喷气定时和喷气量等控制参数修正, 使发动机运行得更加稳定和优化。

摘要：文章介绍了基于ATmega16的气动发动机电控系统设计, 经试验证明该电控系统可以实现对气动发动机的有效控制。文章设计了信号采集处理模块、电磁阀驱动模块和CAN通讯模块等的硬件电路, 采用模块化方式的控制软件设计, 并建立了基于CAN总线的网络通信平台以便系统扩展, 还提出了完善电控系统的建议。

关键词：气动发动机,电磁阀,电控系统,CAN总线,ATmega16

参考文献

[1]陈鹰, 许宏, 陶国良, 等.压缩空气动力汽车的研究与发展[J].机械工程学报, 2002, 38 (11) :7-11.

[2]周文华.柴油机高压共轨燃油喷射--电控系统开发研究[J].内燃机工程, 2001, 22 (3) :44-47.

[3]ATMEL公司.具有16KB系统内可编程Flash的8位AVR控制器[DB/OL].http://www.docin.com/p-62193846.html

[4]杨如峰, 赵国军, 郑尚透.CAN控制器MCP2515在电梯召唤系统中的应用[J].机械设备, 2005, 26 (6) :38-40.

气动发动机 第2篇

双喷管发动机喷流对飞行器气动特性的影响

从三维薄层近似N-S方程出发,采用高效ENO差分格式,对位于弹体中部两侧的双喷管发动机喷流与马赫数Ma∞＝0.7～0.9、攻角α＝0°～10°飞行条件下弹体绕流形成的干扰流场进行了数值模拟.研究发现与无喷流情况相比较,引入喷流使升力和俯仰力矩增加,压心后移;在飞行攻角一定时,马赫数对飞行器气动力特性影响较小;有侧风干扰时,喷流增强了航向稳定性.对零攻角情况喷管安装和喷管出口不对称带来侧向力和偏航力矩也进行了研究.计算结果与飞行实验观测现象定性一致.

作 者：刘君 刘伟  作者单位：国防科技大学,航天与材料工程学院,湖南,长沙,410073 刊 名：推进技术  ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY 年，卷(期)：2002 23(1) 分类号：V430 关键词：导弹推进   气动特性   双喷管发动机   射流   数值仿真  

气动发动机 第3篇

压缩空气动力发动机(简称气动发动机)是工业节能和环保领域的新课题,若能够解决好现存的一些技术问题,即可极大限度地替代燃油、燃气、电能在车辆和航空上的应用,既可以实现能量的循环利用、节能减排,也能减轻环境污染、减少温室效应。目前,对气动发动机的研究主要是集中在发动机的结构设计和电气控制方面[1]。在机械结构的设计上,已有机械式可变气门、气电一体化可变气门、电磁直接驱动气门等三种方式来控制发动机的动力性能。电气控制则主要是控制方法和算法的研究。传统的汽车速度控制,一般是将速度、踏板位置等信息划分若干等级,构成不同的工况条件,并将不同工况下的经验控制量输入电子控制单元(ECU,即汽车专用微机控制器)控制表中,然后,通过检测实际运行速度和踏板位置等信息,查表得到相应的控制量,再利用这个控制量来实现对发动机速度的控制[2,3]。本设计中采用的是电磁直接驱动控制进、排气门的方式,具有进、排气流量大和响应速度快的特点[4]。

1 气动发动机工作原理

在单级膨胀气动发动机内部,经过减压器减压后的压缩空气,流经稳压器,将气压稳定,再经热交换器吸收热量,到达作用缸,进行膨胀做功。气动发动机作用缸结构示意图和理想的气动发动机示功图分别如图1、图2所示。当活塞运行到上止点(图2中1点处)也就是活塞以上气缸的容积为V1时,打开进气阀进气,这时随着气体的增加,体积不变,压强增大,当压强增大到一定程度时,就会推动活塞下行,对外做功,到达3点处,进气阀关闭,作用缸内气体吸收外界热量进行膨胀,再次推动活塞向下,对外做功,直到活塞运动到下止点(图2中4点处)也就是活塞以上气缸的容积为V5时,开启排气阀放气,随着气体的减少,活塞上行,到达6点处后,由于曲轴连杆的惯性作用,继续推动活塞向上运动,压缩气体,对系统做负功,回收一部分能量[5,6]。

2 控制策略

浙江大学刘昊、刘林博士等的研究表明,进、排气量和进气压力等,能很大程度影响发动机的动态特性。为了分析方便,这里提出几个假设:1)气体进出作用缸时的温度和压力一定;2)气缸内的气体状态均匀,气缸内各点的压力、温度完全相同;3)气体在作用缸内的膨胀和压缩过程均为等温过程。如果压缩气体进气压力一定,那么气体的进排气量就是控制发动机特性的关键,而进排气量可以通过控制进排气阀门的开启时间来调整。用F1、F2分别代表进气阀和排气阀,F1、F2交替导通来对进、排气门控制策略进行分析。

2.1 常规策略

如图3(a)所示,t1为进气阀的导通时间,t2为排气阀的导通时间,T为一个进排气周期。则可知t3为气体膨胀做功的时间,t4为气体被压缩做负功的时间。假使检测到的速度大于给定速度(由踏板位置等参数确定的设定速度,下同),可以减小t1或增大t4,即减小进气阀导通时间,或增大气体做负功的时间来减小速度。反之检测到的速度小于给定速度时,可以增大t3,或减小t2,即增大气体膨胀做功时间,减小气体排气时间来增加速度。而实时速度在设定值范围之内时,则维持各个参数不变[7,8,9]。

2.2 优化策略

在只考虑进排气电磁阀对空气动力发动机速度的控制情况下,必须考虑四个参数值,为了简化控制算法,提出一种新的优化控制思路。如图3(b)所示,将t1、t2用同一个控制量T1进行表示,F1,F2交替导通的时间间隔为T0,并以T0作为一个控制单元,将t1、t3部分称为进气单元;t2、t4部分称为排气单元。通过当前速度与设定值的比较来决定下一个单元的T0,T1值。下面则进行此策略可行性的验证分析:

当检测速度值大于给定速度值时,分两种情况:1)当前为进气单元,则减小下个排气单元的排气时间T1,增加T0,即增加负功时间,回收一部分能量。2)当前为排气单元,则减小下个进气单元的进气量,即减小进气时间T1,增加T0。如此,在这两种情况下,都能用减小T1,增大T0来降低速度;同理,可推出当检测速度值小于给定速度值时,增加下一个单元的T1,减小T0来增加速度。理论验证可行。即可以通过加减一个时间△T,作为下一个单元控制量的变化。即

式中n为当前转速,ns为给定转速,△n为转速误差,T0′为下一个单元的T0,△T0为T0的增量,T1′为下一个单元的T1,△T1为T1的增量。

(b) 优化策略 (参见下页)

(b) 优化策略

3 实验方案

采用西门子S7-200的PLC作为控制器,来对只考虑进排气电磁阀对空气动力发动机在速度方面进行控制的情况下,文中所提出的改变进排气门开关时间的控制策略进行简易实验。发动机采用的是一台由四冲程单缸汽油机改装的空气动力发动机,进气压力为0.3MPa,初始温度为300K。

3.1 硬件设计

用按键开关1和2简易模拟踏板位置信息,并将其转化为速度模式,位置和速度(设定速度)相对应,如按下开关1是速度1,按下开关2是速度2,同时按下开关1和2则是速度3;变阻器接入模拟量来给电机的实际转速添加扰动,而按键开关3则用来控制模拟量的接入。行程开关1和2分别表示活塞在上止点和下止点的位置信号;电磁阀1和2分别表示进气阀和排气阀;只有行程开关1到达上止点后才允许电磁阀1导通,同样只有行程开关2到达下止点后才允许电磁阀2导通。I0.0则接收电磁式齿轮传感器的速度脉冲信号,测量当前的转速;Q0.0则用来控制旋转电机,其电气原理接线图如图4所示。

图5程序控制流程图 (参见下页)

3.2 软件设计

根据上式所提出的控制策略,采用PLC进行编程,编写的主程序流程图如图5所示。程序运行时先进入初始化子程序,将T0、T1进行初始化,并启动高速计数器,进行实际转速脉冲计数。然后将几种转速的设定值存储在寄存器中,检测模拟量是否接入电路,如果“否”,则直接进入控制环节,将检测值和设定值进行对比,进行相应的控制;如果“是”,则在此环节前加一个模拟量信号处理和模拟量控制转速环节。

4 实验结果分析

气动发动机转速控制效果时序图如图6所示。实验时,先接入模拟量转速扰动,检测到的实际转速脉冲周期要大于设定转速脉冲周期,即实际转速小于设定转速,经过两个单元的脉宽增大,使得实际转速达到设定转速,至此,F1、F2的T0、T1值不再改变;当突然减小设定转速(图中虚线后)时,也能使实际转速达到设定转速。当设定转速和实际转速相差较大时,由于电磁阀时延的动态特性,则需要经过越多个控制单元的调整,在控制过程中,达不到期望的效果,这与进气压力、温度和配气机构造成的能量损失有关。

图6控制效果时序图(参见下页)

5 结论

气动发动机在热发电中的功率问题 第4篇

气动发动机技术是利用高压压缩空气或者液氮在气缸内膨胀做功,将能量转化为机械能输出,其无污染、不消耗燃料的优点,使其具有较广阔的应用前景[1,7]。

将气动发动机技术与太阳能热发电技术相结合,为能源电力发展的一个方向。太阳能聚焦集热装置将一定压力的气体加热,使其具有更高的能量,经过换热站或者储能系统提供给气动发动机;高压气体在气缸内膨胀做功,输出旋转的机械能,带动发电机,实现电力输出。传统的碟式太阳能热发电的核心部分是斯特林发动机[2],其技术难度较大,成本较高,这使气动发动机替代斯特林发动机作为热能-机械能转换装置成为一种可能。

提高热发电系统的发电效率的一个重要因素是压缩气体的利用率。为使压缩气体的能量被充分转化,应尽量减小排出乏气的能量[3]。本文着重讨论了气动发动机在无负压情况下的功率问题。

1 气动发动机的工作循环

气动发动机一般为二冲程发动机,其工作循环分为进气冲程(做功冲程)和排气冲程,如图1所示。图中,p为气缸压力,V为气缸控制体积,V0为气缸的余隙容积,V1为进气容积,V2为气缸总容积。

在理想的工作状态下,当活塞出在上止点(图1中位置1处),迅速打开电磁阀,压力上升至p1,进气阀保持开启状态,等压推动活塞下行,到达状态3时关闭进气阀;然后高压气体继续膨胀做功推动活塞继续运行,当气缸内压力下降到p2(图1中4位置,p2>p0)时,打开排气阀,气缸内压力迅速下降到大气压p0(图1中5位置);过程5-1为排气冲程,此时活塞上行。至此,完成一个工作循环。图中4-5-1气体排出气缸,浪费掉部分能量,使其气体的利用率较低。打开电磁阀时,气缸内压力p2越接近大气压p0,膨胀过程越充分,其循环功也越大[4,5]。

另外,若到达位置4时,p2< p0,气缸内则会出现负压的情况,如图2所示,气动发动机对外做负功,导致缸内温度降低,不利于发动机的运行,应尽量避免这种情况。

对图1进行修正,如图3所示,当气缸内压力接近大气压p0时,打开排气阀,可以较少气体浪费,并防止出现负压的情况。

此时压缩气体的利用率较高,耗气量较少。但是由于高压气体释放比较充分,缸内平均压力较低,发动机的输出功率和扭矩减小,动力性较差。这里我们较多考虑的是其太阳能发电系统的整体效率,动力性暂不考虑,首先研究其经济性较好的情况下的功率大小问题。

2 活塞位移的计算

为了能对气动发动机的工作过程进行分析,建立数学模型,并预测气动发动机的基本性能,提高气动发动机运行的经济性。从热力学的基本概念出发,进行如下假设:

1)工质为理想气体,其状态变化完全遵循理想气体状态方程;

2)进排气门的开启和关闭在瞬间完成;

3 ) 缸内气体只以压力能和热能的形式存在,不计气体流入和流出时的动能,不考虑摩擦损失;

4)不考虑气缸内各点的压力、温度和浓度的差异,认为缸内状态是均匀的;

5)气缸壁和活塞均绝热;

6)不考虑活塞环组和进排气门等处的漏气损失。

2.1 活塞位移的数学分析

在常用的中心曲柄连杆机构ABO(如图4所示)中,活塞A作往复直线运动,曲柄OB作旋转运动,而连杆AB作平面运动。假设活塞从上止点A′算起运动到A的位移为x,可得到活塞的位移方程[6]:

式中,r为曲柄半径;l为连杆长度,β为连杆摆角,φ为曲柄转角,β与φ有如下关系:

式中,是曲柄连杆比,由式(1)、式(2)可得:

式(3)为活塞位移的曲柄转角表达式。式(3)是非线性函数,为方便后面对于活塞做功的计算,需对式(3)进行简化,由于(3)式中活塞位移x是曲柄转角φ的周期函数,我们可以应用傅里叶级数对式(3)进行简化。

2.2 傅里叶展开

式(3)中,活塞位移x是曲柄转角φ的2π周期连续函数,并满足收敛定理,可以对x进行傅里叶展开,又因为活塞位移x是曲柄转角φ的偶函数,所以展开的傅里叶级数为余弦级数,即:

活塞位移傅里叶级数展开式(4)的直观表达式为:

如果不考虑二次谐波和二次以上谐波,只考虑含有基波分量和平均值,此时式(5)可表达为:

2.3 活塞位移的实例计算

本次实验采用QC490Q型柴油机的机体,其曲柄半径r=52.5mm;连杆长度l =160.6mm,根据以上数据代入式(3)求得其活塞位移:

根据式 ( 4 ) 和上式求 得傅里叶 系数a0=113.9mm;a1=-52.5mm;

把上面a 0和a1 的值带入式(6)得活塞位移近似值x1 :

活塞的实际位移x与通过傅里叶展开化简得到的活塞位移x1之间的误差Δx1 为:

活塞位移误差值Δx1 在MATLAB中仿真结果如图5所示。

根据式(9)求得Δx1 的最大值为4.38mm,最小值为 - 4 . 4 5 m m , 取他们绝 对值的最 大值 :, , 得||x1|| 的最大误 差仅为4.45mm,对整个系统的影响很小,可以近似忽略,x几乎可以由x1代替。

3 气动发动机的功率计算

Q C 4 9 0 Q型柴油机的机体有4个气缸 , 每个气缸尺寸相同,其直径d=90mm、最大行程x0=105mm。发动机功率为单个气缸的4倍,所以首先需计算单个气缸的功率。

气缸活塞的面积S为:

由图3可知气体做功主要有两个过程:2-3为等压推动过程;3-4可以近似看作是绝热膨胀过程。

3.1 等压推动过程功的计算

定义进气阀在0°时开通,开通截止时的角度为ε。根据式(8)对应的活塞行程xε 为:

设气缸的进口气体表压为p1,活塞上承受的压力为:

本过程是等压推动过程,在过程中气缸压强始终为表压p1,则在该过程中气体对活塞做的功为:

3.2 绝热膨胀过程功的计算

3.2.1 临界点定义

当气缸内气体压强大于大气压,活塞对外做正功。当气缸内气体压强小于大气压时,气缸内将有真空度,活塞对外做负功。当气缸内气体压强等于大气压时,活塞对外做功为0,此时的气缸状态定义为临界状态,临界状态时的参数定义成临界点,如此时的气缸曲柄连杆的转角为临界角度φL 。

为了防止活塞对外产生负功,所以要在气缸临界点时刻打开排气阀,定义打开排气阀的角度为ζK ,即:

设大气压为0.1Mpa,根据绝热过程方程有:

得:

;代入式(15),整理得:

由式(17)可见,排气阀开通角度ζK 与气缸截面积s和总行程x0没有关系,而与进气阀的开通角度ε和进气压强p1两个参数有关。

根据式(17)在MATLAB环境下仿真,仿真结果如图6所示。横坐标为进气阀关闭角度ε,纵坐标为出气阀打开的角度ζK ,3条曲线是不同压力下ε与ζK 之间的关系。

3.2.2 临界点为活塞到气缸下止点情况

当临界点在气缸的下止点时候,即ζ K==118800°o时,代入式(17)得:

该式为ε和p1的对应关系。

根据上式ε和p1的对应关系仿真,仿真结果如图7所示,横坐标为进气阀关闭角度ε,纵坐标为气体压力(表压)。

由图7可知当下止点一定的时候, ε越大,所对应的p1值就越小。

3.2.3 绝热膨胀功的计算

当活塞运动到排气阀打开时的角度为ζK ,根据式(8)所对应的的活塞行程xζK表示为:

其中:

当连杆曲柄转角φ到180 °时,即ζ K==118800o°时,气缸压强仍大于大气压时,这时也必须打开排气阀,这样就会造成气体能量的浪费,应避免这种情况的发生。

活塞从进气阀关闭点xε 运动到排气阀打开点xζK(xζK≤105mm)为绝热膨胀过程,绝热膨胀过程功的公式为:

其中P1为初始压强,V1为初始体积,P2为膨胀后压强,V2为膨胀后体积。

则绝热膨胀过程阶段的功为:

当ζ K=φL时,p2=0.1Mpa,代入式(23)得 :

由于κ=1.4 ,由式(10)、式(11)、式(16)、式(20)代入化简得:

3.3 总功率计算

单个气缸一个循环的总功W为:

设发电机的转速为nr/min,得4个气缸的总P为:

当ζ K=φL时功率仿真如图8所示,其中分别选择和°四种情况下的功率随着速度变化曲线。

4 结论

活塞位移是曲柄转角的非线性函数,在DSP控制器中不易计算,由于其为周期性偶函数,它可展开为傅里叶余弦级数,由于高次谐波的傅里叶系数很小,可以忽略,活塞位移可以用曲柄转角的几个低次谐波、基波以及平均值的叠加来近似计算,经MATLAB对误差的分析,误差可以控制在要求的范围内。排气阀开通角度与气缸截面积、总行程都没有关系,而与进气阀的开通角度和进气压强两个参数有关。进气阀的开通角度越大,进气压强越大,所产生的总功率就会越高,但是进气压强越大,对气缸的磨损就会增加,进气阀的开通角度如果过大,会造成气体能量的浪费。所以对气动发动机活塞做功的研究在热发电的应用提供了可靠的、有效的依据。

参考文献

[1]张文龙.活塞排气气动发动机仿真分析研究[D].南昌航空大学,2010.

[2]杨征.斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化[D].北京:北京工业大学环境与能源工程学院,2008.

[3]刘林,俞小莉,胡军强,等.基于Pareto Frontier方法的气动发动机设计[J].浙江大学学报:工学版,2009,43(1):123-127.

[4]安达,谈建,左丞基.压缩空气发动机的设计及初步试验[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(6):612-615.

[5]刘昊,陈鹰,陶国良.压缩空气动力发动机配气机构的研究[J].中国机械工程,2005,15(18):1668-1671.

[6]周龙保.内燃机学(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2010.8:271.

气动发动机 第5篇

气动模型的建模用于载荷、颤振等气动弹性问题的计算。飞机的气动力有限元模型是用来模拟飞机气动外形,计算非定常气动力的,它由升力面、细长体和干扰体组成。在MSC/NASTRAN中,气动力面元用“CAERO1”卡定义,细长体和干扰体用“CAERO2”卡定义。MSC/NASTRAN采用偶极子格网法计算非定常气动力。本文通过升力面和升力体两种建模方法对发动机短舱气动模型进行建模,比较两种建模方法的对气动力的影响。

1 发动机短舱的气动模型建模方法

1.1 细长体气动模型

在MSC.Patran中,提供CAERO2与Paero2卡片即“slender body”(细长体模型)与“interference element”(干扰体单元)的组合来模拟升力体如机身、发房等部件的气动力。细长体单元的作用是来模拟体单元的升力,干扰体单元是用来模拟该体单元与其他气动升力面或升力体单元之间的干扰,如翼吊发动机短舱对机翼升力的影响。本文对发动机短舱的建模如图1-2所示。

1.2 升力面模型

在对发动机短舱进行建模时,除了使用升力体模型模拟短舱的气动力之外,还可以使用MSC.Patran提供的CAERO1卡片,即升力面模型来进行短舱的建模。通过一组8个升力面来模拟发房的外形。升力面模型如图3所示。

升力面与升力体模型相比,最大的不同点就在于升力面模型建立的短舱气动模型在分析时,气流可以通过,而用升力体模型做分析时,气流是不通过发动机的。

1.3 静气弹气动载荷分析方法

MSC/NASTRAN采用偶极子格网法计算非定常气动力[1]。在偶极子格网法中,升力面被理想化为平行于气流的平面元,一个升力面(如机翼和尾翼)根据情况可以划分为若干个子面。每个子面又细分为若干个小面元,位于每个小面元上的气动力网点与结构节点之间的转换,用“SPLINE”卡片定义后,由MSC/NASTRAN自动实现。

2 不同建模方法对全机气动载荷影响的实例分析

为了比较两种建模方法对全机气动特性的影响,进行了全机的气动力分析。从发动机短舱对全机升力系数的影响以及发动机短舱对机翼气动力干扰分布的影响两方面,对升力体和升力面两种建模方法的差异进行了比较分析。

2.1 发动机短舱对全机升力系数的影响分析

在1度的侧滑角,两种模型的侧向气动力增量比较,气动力以CFD的计算结果为基础,进行了归一化的处理,比较结果如表1所示。

从表1的比较中,可以看出,两种气动模型产生的侧向气动力有较大差别,用升力面建的发动机短舱气动模型与CFD的计算结果更接近。

2.2 发动机短舱对机翼气动力干扰的影响分析

翼吊发动机短舱的气动模型不但决定了发动机短舱本身的气动力特性,还会影响机翼的局部气动力分布。两种建模对机翼的气动力模型影响如图4所示。从图4可见,用升力体模型建立的短舱气动模型对机翼的升力干扰产生的影响与风洞试验的结果更加接近。

3 结语