环境保护问题和非再生能源消耗问题是当今社会日趋严重并急待解决的两个问题,而燃油汽车的数量与日剧增却使得这两个问题变得更加严重,因此开发并推广不对环境造成污染并且不消耗非再生能源的环保节能汽车就具有十分重要的现实意义。气动发动机将高压气体中存储的能量转化为扭矩形式的机械能输出,排出的气体是洁净低温的空气或氮气,不会污染环境;压缩气体所需要的电能可以由可再生的太阳能、风能、水力能、生物质能、潮汐能等转换得到,可以不依赖石油、煤炭等非再生能源,因此以气动发动机为动力部件的气动汽车具有环保节能的特征,研究并推广这种汽车对解决环境保护和非再生能源消耗问题具有重要作用。本课题研究车用气动发动机的工作原理、速度特性、能量转换规律和影响因素、以及提高其能量转换效率的途径和实现方法,以提高国产车用气动发动机的实用性。研究思路为:总结已有的气动发动机的研究成果、提出自己的研究方向;研究相关基础理论,提出对原有气动发动机的改进方案;建立改进后的气动力发动机的数学模型;利用数学模型对改进后的气动发动机的缸内气体压力的变化规律、能量转换效率及其影响因素、速度特性等进行仿真研究,初步验证改进方案的有效性;根据理论研究的结果和改进方案设计加工一台气动发动机的样机;利用气动发动机的样机,对仿真研究的内容进行实验研究,进一步验证改进方案的有效性。本研究的主要内容、成果和结论:1.在总结已有的气动发动机研究的基础之上,提出了本文的研究方向:减少气动发动机机运转过程中的能量损失,并制定了研究的框架:对气动发动机进行理论研究,建立气动发动机的数学模型,利用数学模型进行仿真研究,设计并实现气动发动机样机和利用样机对气动发动机进行实验研究。2.研究了气动发动机的能量转换效率的相关理论,包括压缩气体的热力?、减压环节和带压排气导致的能量损失、气动发动机的膨胀比等。在此基础上,提出了在气动发动机工作过程中调整膨胀比以去除减压环节和控制排气压力的思路,并提出了调整气动发动机膨胀比的方法。3.研究了可调膨胀比气动发动机系统中气体的热力过程、气体流动过程和气体与环境之间的传热过程等气动发动机的相关理论。在此基础上,根据活塞往复式气动发动机、飞轮和压缩气体储气罐之间的关系,将三者联合起来建立了气动发动机的数学模型。在Matlab软件平台上,针对气动发动机系统的数学模型,编写了气动发动机系统的仿真程序。4.利用所建立的数学模型,对气动发动机进行了仿真研究。通过仿真的途径,研究了气动发动机中压缩气体各状态量的变化规律,并根据这些规律提出了气动发动机设计和工作时应采取的有益的措施。比较了可调膨胀比和固定膨胀比两种气动发动机的排气压力、速度特性和能量转换效率,仿真得到的结论是前者的排气压力低于后者,前者的能量转换效率高于后者,两者的扭矩特性和功率特性有相似之处,但两者的耗气率特性具有明显的差异。研究了环境温度、进排气阀的通径、负载和飞轮转动惯量等因素对气动发动机的能量转换效率的影响,并提出了改进的措施。5.研究了可调膨胀比气动发动机系统的最简单的构成;根据最简单的气动发动机系统的构成,选购和加工了可调膨胀比气动发动机系统的硬件;在Visual C++软件集成开发环境下编程实现了在适宜时刻关闭进气电磁阀的算法,进而编制了可调膨胀比气动发动机的监控程序;最终设计并实现了一台可调膨胀比气动发动机的样机。6.利用所实现的气动发动机样机对可调膨胀比气动发动机进行了实验研究,内容包括:比较了可调膨胀比和固定膨胀比两种气动发动机的排气压力和能量转换效率,结果是前者的排气压力低于后者,前者的能量转换效率高于后者。比较了两者的速度特性,结果是前者的扭矩、功率和耗气率都小于后者。研究了如何在相位上补偿电磁阀的反应时间,对电磁阀的反应时间的相位补偿具有明显的效果。研究了如何调整预测排气压力的判断阈值,调整该阈值对提高气动发动机的能量转换效率也取得了明显的效果。研究了环境温度对气动发动机的能量转换效率的影响,环境温度越高,气动发动机的能量转换效率越高。实验结论与前面的理论研究和仿真研究的结论一致。本研究提出了在气动发动机的工作过程中调整其膨胀比,以去除现有的气动发动机的减压环节和控制气动发动机的排气压力的新思路;建立了发动机、储气罐和飞轮三者联合的可调膨胀比气动发动机的数学模型;设计并实现了一台可调膨胀比气动发动机样机;在该样机上的实验结果验证了理论研究和仿真研究的结论。这些研究工作可为后续的气动发动机研究提供新的起点。