活塞排气式气动发动机排气损失分析.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 上顶 ， 使得弹簧被压缩 ， 进气 阀被打开 ， 高压气 体进入 气 缸 内 ， 推动活塞往下移动 ， 随着活塞 向下移动 ， 弹簧将产 生向下的回复力 ， 迫使进气道止气球阀向下运动 ， 从而关 闭进气道 。 当活塞 向下运动到接近下止点位置时 ， 下止点 顶柱将排气 阀往上顶 ， 迫使排气 阀被顶松打开 ， 气动发动 机开始排气 ，当活塞 向上运动到上止点顶柱将 排气 阀关 闭 ，气动发动机完成 了排气 过程 ，并开始执行下一个循 环 ， 这一个循环 中， 活塞 的上下运动通过曲柄与连杆转化 为曲轴的旋转运动 ，从而实现 了气体的压力能向机械能 的转化。 3 活塞排气式气动发动机理想循环过程及排气损失分析 3 ． J 活塞排 气式气动发动机理 想循环过程 活塞 排 气式 气 动 发 动机 的理 想热 力循 环 过 程如图 2 。4 1过程为高 压气体 引入气缸 ， 并 推动 活塞运动 ， 此时 P 。 为进气 压 力 ， 为 进 气 门 关 闭 时 ， 高压气体膨胀做功 的 初始体积 ； 1 2 为高压气 体 在气 缸 内进行 膨 胀做 功 ； 2 - 3 为气体排出气缸 ， 为排气门打开时气缸体积 ， P 为排气压力。3 4为排气结束后 ， 进气门关闭。 在循环过程 中 ， 4 1 和 2 3是气 体的移 动过程 ， 气 体没有膨胀或压缩 ，即气体状态参数不发生变化 。1 2 为气体膨胀做功 ，状态参数发生变化 ，膨胀功为过程线 1 2 、 2 3 、 l 一5 所包围的面积 ， 用 卯 表示 ， 则 f 2 f p 2 d v I 、 ， ” l 3 ． 2 活塞排 气式气动发动机 曲轴处于恒转速工作状态时 的排气损失分析 根据气动发动机理想循环过程 ， 如图 2 ， 设 P 为理想 进气压力 、 为理想进气体积 、 p 为理想排气压力 、 为理 想排气体积， 其中P 与气缸外的大气压力相等。因此， 在 p 1 ． v 为定值的情况下， 相对 于最理想 的膨胀做功 ， 也有相 应确定的 p 、 。 在 P 2 、 2 为定值 的 情况下 ， 如 图 3 、 图 4 ， 设 排气 阀打开时 ，气缸内气体 体积 为 气体压 力为 口 为气 缸在排气 阀打开时对应 的体 积 ， 称其为最大工作容积。 对 应于 ％在各 自p - 图 l 一2 的过程线上有一个点 ，将此 点命名 为 点 。通过这样 的 假设可知 ， 排气阀打开后 ， 可 以对应 出现两种情况 ，排气 阀提前打开时为 V x V 2 3 此类排气损失 的实质即为部分进气可用能被用于抵 消反 向扭矩作用 。影 响排气损失大小的因素为最大工作 容积 ％ 因此合理控制排气 时气缸 的最大工作容积 使 趋于 这对改善排气损失有较大的意义。活塞排气式 气动发动机一旦设计定型 ， 曲轴处于恒转速状态 ， 进气压 力和进气体积均处于定值 ，也不可能去改变最大工作容 积 ％ 要消除此类排气损失 ， 可采取修改活塞排气阀结构 方式的方法 ， 当气缸 内压力P 等于外界环境压力时 ， 活塞 排气阀 自动打开 ， 从而达到消除反 向扭矩的 目的。 3 ． 3 活塞排气式 气动发动机 曲轴处于变转速工作状 态时 的排 气损失分析 气动发动机的进排气相位一旦调整好 ，就会有确定 的最理想工作状态 ， 在此状态下 ， P 。 、 。 、 P 、 均为定值 。 根 据简化条件 ，对应理想进气体积 将有理想曲轴转速 n 。 设气动发动机处于非稳定工作状态时 ， 曲轴转速为 n ， 相对于理想 曲轴转速 可以分别出现 n r t 。 与 r t v 与 v n ， 进气体积减小 。 利用 Ma t l a b 软件， 模拟进气体积减小的做功过程 ， 绘 出做功过程 图， 如图 6 所示 ， 由于曲轴转速增加 ， 进气体 积减小到 0 ． 1 L ， 而理想状态下的进气体积为 0 ． 2 L ， 由于活 塞排气 的特点 ，排气阀打开时，活塞的最大工作容积为 O ． 8 6 L ， 而当活塞内气缸体积增加到 0 ． 4 4 L时， 气缸 内的压 力 已与外界压力相等 ， 活塞的继续移动 ， 将会产生反 向扭 矩 ， 使得活塞做负功 ， 那么必须将原来做功的部分能量用 于抵消此负功 ， 才能维持气动发动机的继续运转 ， 因此 ， 负功的存在 ， 降低了气动发动机 的性能 ， 图中阴影部分表 示做负功的量。 要消除此类排气损失， 可采取修改活塞排 2 0 l 机械工程师 2 0 1 1 年第1 期 气阀结构方式的方法 ，当气缸 内压力等于外界环境压力 时 ， 气缸体积为 0 ． 4 4 L ， 此时活塞排气 阀 自动打开进行排 气 ， 可以消除气动发动机做负功。 4 活塞排气式气动发动机的改进 针 对 排 气 损 失 原 因 ，对活塞排气阀进行 改进 ， 如 图 7 ， 在排气 阀 的阀杆上加装排气 阀弹 簧 ，活塞运行到上止点 关闭时 ，排气阀弹簧被 拉伸 ，由于气缸内气体 压力大于排气阀弹簧回 复力，排气阀处于关闭 状态。随着活塞的向下 移动，气缸内气体压力 将逐步降低。若活塞运 动到下止点时，该气缸 压力仍大于排气阀弹簧的回复力，此时排气阀被下止点 顶柱打开， 从而排气， 只不过此时进气可用能有一部分被 排除气缸外 ， 因此要避免这种情况 的发生 ， 需限制发动机 的最低转速 ； 若活塞未运行到下止点 ， 气缸 内压力小于排 气阀弹簧 的回复力 ，排气阀将 由于弹簧 回复力 的作用被 打开 ， 气缸 内的气体与外界连通 ， 气缸内气体压力小于外 界气体压力的情况就不会出现 ，从而消除了因为反向扭 矩， 避免 了发动机做负功。 5 结语 对于活塞排气式气动发动机 ， 当气缸内工质压力高于 外界环境压力时， 打开排气 阀， 将使得部分进气可用能直 接排出， 没有参与膨胀做功， 要尽量避免此类损失的产生 ， 通过限制发动机的最低转速可消除此类排气损失 ； 当气缸 内工质压力低于外界环境压力时 ， 排气阀没有打开 ， 将产 生反向扭矩 ， 使得气动发动机做负功 ， 负功的存在 ， 将抵消 部分气动发动机的做功功率，降低 了气动发动机的性能， 要消除此类排气损失 ， 需修改活塞排气阀的结构方式。 [ 参考文献 ] [ 1 ] 刘林 ， 俞小莉． 气动发动机理想循环 的优化设 计E J 1 ． 浙江大学学 报 工学版 ， 2 0 0 6 ， 4 0 1 O 1 8 1 5 1 8 1 8 ． [ 2 ] 刘方 ， 等． 转速及活塞行程对气 动发 动机性能的影响[ J ] ． 工矿 自 动化 ， 2 0 0 9 9 3 8 4 0 ． [ 3 ] 胡军强 ， 俞小莉 ， 刘林 ， 聂相 虹． 气动发 动机缸 内流场 的动 态特 征 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 7 ， 4 1 1 1 1 9 1 2 1 9 1 5 ． [ 4 ] 沈维道 ， 蒋智 敏 ， 童钧耕 ． 工程热力学 [ M] ． 北京 高等教育 出版 社 ， 2 0 0 1 1 2 0 1 2 4 ． [ 5 ] 王云，陈红彦， 谢胡凌． 一种自动进排气气动发动机 中国， C N1 0 1 4 3 5 3 4 3 『 P ] ． 2 0 0 9 0 5 2 0 ． 编辑 黄获 作者 简介 谢胡凌 1 9 8 2 一 ， 男， 硕 士研 究生 ， 研究方 向为新型动力机 械设计 与分析 ； 王云 1 9 6 6 一 ， 男， 教授 ， 博士 ， 研 究方向为动 力机械技术方 向的教 学与研 究。 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m