PAGEPAGEI哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：壓縮空氣動(dòng)力的發(fā)展現(xiàn)狀及展望綜述院、系：電氣工程及其自動(dòng)化姓名：指導(dǎo)教師：系主任：2012哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文66-壓縮空氣動(dòng)力的發(fā)展現(xiàn)狀及展望綜述摘要本文介紹了空氣壓縮動(dòng)力的發(fā)展趨勢，作用和特點(diǎn)。并且建立了空氣壓縮動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程數(shù)學(xué)模型，分析了其主要性能指標(biāo)。同時(shí)也通過數(shù)學(xué)模型對壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力的工作過程進(jìn)行了仿真分析。分析表明，這種混合動(dòng)力能有效提高內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)化效率以及氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。壓縮空氣不僅可以作為工作介質(zhì)，而且可以儲存能量作為一種動(dòng)力源。壓縮空氣動(dòng)力在資源和環(huán)境問題日益突出的情況下，它與傳統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在車輛、發(fā)電裝置等方面得到了越來越多的應(yīng)用。在國外壓縮空氣動(dòng)力已經(jīng)成為節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的重要途徑之一。本文還對壓縮空氣儲能發(fā)電和壓縮空氣動(dòng)力汽車進(jìn)行了綜述。分別介紹了它們的原理、優(yōu)點(diǎn)和特性。認(rèn)為它們是一種真正“零污染”的、有廣闊市場的技術(shù)。指出了這兩種壓縮空氣動(dòng)力方面的應(yīng)用是未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。同時(shí)展望其良好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：壓縮空氣儲能發(fā)電；壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)；壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)；壓縮空氣動(dòng)力汽車ViewingonApplicationsandDevelopmentsoftheCompressedAirPowerAbstractThisarticledescribesthedevelopmenttrends,theeffectandcharacteristicsofcompressedairpower.Andestablishedthemathematicalmodelofacompressedairpoweredengineworkprocess,analysisofitskeyperformanceindicators.Alsoestablishedmathmodellingofcompressedair-fuelhybridworkingprocess,theenergysavingeffectwasanalyzed.Simulationresultsindicatedthehybridcanimproveenergytransformefficiencyofinternalcombustionenginefuelandair-powerengineoutputpower.Compressedairisnotonlyaworkmedium,butakindofpowersourcestoredpressureenergy.Whilefacingtheproblemofresourceshortageandenvironmentalpollution,thecompressedairpowerhasalotofadvantagescomparedwithtraditionalpower,whichhasbeenwidelyusedinvehicle,electricalmachineandotheraspects.Ithasbecomeanimportantwaytoconservationandpollutioncontrolatbroad.Thearticlealsomakereviewedforcompressedairenergystoragepowergenerationandcompressedairpoweredvehicle.Introducedtheprinciples,advantagesandfeatures.Thattheyareatechnologyofatrue"zeropollution"andabroadmarket.Boththeapplicationofcompressedairpowerisanimportantdirectionforfuturedevelopment.Outlookofitsgoodprospectsfordevelopment.Keywords:compressedairenergystoragepowergeneration;compressed-airengine;air-powerandfuelengine;compressedairpoweredvehicle目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1壓縮空氣動(dòng)力研究的意義 11.2壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的組成 21.3壓縮空氣的發(fā)展 2第二章壓縮空氣儲能發(fā)電 42.1壓縮空氣儲能（CAES）電站相關(guān)概念 42.1.1CAES電站工作原理 42.1.2壓縮空氣儲存空間的選取 52.2壓縮空氣儲能發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)換 52.2.1理想轉(zhuǎn)換過程 52.2.2實(shí)際轉(zhuǎn)化過程以及轉(zhuǎn)化率[5] 62.3各種能量存儲技術(shù)的性能對比 72.4壓縮空氣蓄能電站的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 82.4.1改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán) 82.4.2應(yīng)用聯(lián)合循環(huán)技術(shù) 82.4.3機(jī)組和電站的大型化、自動(dòng)化 92.4.4用于分布式能量系統(tǒng)及熱、電、冷聯(lián)供 92.4.5儲存空間方面發(fā)展 92.4.6各國CAES電站的研究和發(fā)展情況 102.5壓縮空氣蓄能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn) 102.6小結(jié) 11第三章壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 123.1往復(fù)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 123.2葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 153.3旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 153.4新型旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī) 163.5三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理 173.5.1三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)幾何原理 173.5.2三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和配氣系統(tǒng)特點(diǎn) 173.5.3三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理 183.5.4三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程 193.5.5配氣系統(tǒng)的特點(diǎn) 203.6三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程數(shù)學(xué)模型 213.7三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo) 243.8結(jié)語 25第四章壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī) 274.1混合動(dòng)力整體方案 274.1.1空氣利用的串聯(lián)方式 274.1.2空氣利用的并聯(lián)方式 284.1.3空氣利用的混聯(lián)方式 284.2熱力學(xué)模型 294.2.1壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力學(xué)模型 294.2.2內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)模型 314.3仿真結(jié)果【37】 334.4小結(jié) 34第五章壓縮空氣動(dòng)力汽車 355.1壓縮空氣動(dòng)力汽車的原理 355.2壓縮空氣儲存 375.3動(dòng)力系統(tǒng) 375.3.1壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng) 375.3.2動(dòng)力系統(tǒng) 385.4輔助設(shè)備 405.5壓縮空氣動(dòng)力汽車的特點(diǎn) 405.6國內(nèi)外研究工作綜述 415.7汽車特性對比分析 425.8能量分析 435.9小結(jié) 44結(jié)論 45致謝 46參考文獻(xiàn) 47附錄 50哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第一章緒論1.1壓縮空氣動(dòng)力研究的意義當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與資源環(huán)境約束的矛盾日益突出，環(huán)境保護(hù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。下大力氣解決危害人民群眾健康和影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的突出環(huán)境和能源問題，努力建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)成為“十一五”規(guī)劃的發(fā)展重要目標(biāo)之一。在現(xiàn)代文明的今天，科技的飛快發(fā)展給人們帶來了非常多的便利，人們從中得到了許多利益。但是當(dāng)人們享受著這些科技帶來好處的同時(shí)，我們周圍的環(huán)境卻遭受著不同程度的破壞。工廠排出的廢氣、汽車排放的尾氣無時(shí)無刻不在污染著環(huán)境。然而這些還不算最近可拍的，因?yàn)槿藗兿胍硎芸萍嫉谋憷仨氁拇罅康哪茉础５侨藗儸F(xiàn)在所使用的能源大多數(shù)是石油，煤炭等，而這些能源卻不是取之不盡的。拿石油舉個(gè)例子，目前全球每日石油消耗量約為五千萬桶，但是世界石油總可采儲量僅為1434億噸，儲采比（是指年末剩余儲量除以當(dāng)年產(chǎn)量得出剩余儲量按當(dāng)前生產(chǎn)水平尚可開采的年數(shù)）為41年，中國則為38億噸和24年。另外，對于石油儲量相對偏少的國家而言，如中國、日本等，需要大量進(jìn)口石油。可想而知，當(dāng)石油等不可再生的能源耗盡時(shí)，科技的發(fā)展可能會(huì)出現(xiàn)斷層，經(jīng)濟(jì)會(huì)崩潰。因此，調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)使用清潔能源，已經(jīng)成為全世界包括我國節(jié)約寶貴不可再生能源、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。正是在“環(huán)境污染”與“能源危機(jī)”的雙重壓力下。多種代用能源相繼出現(xiàn)，如天然氣能源、醇類能源、氫燃料能源、電動(dòng)能源等。天然氣能源：它在治理大氣污染、緩解能源危機(jī)能方面具有一定優(yōu)勢，是一種很有前景的代替能源。但是天然氣能源成本高并且與汽油一樣，都是礦物燃料，都是不可再生資源，不是取之不盡的。醇類能源：主要分為甲醇燃料和乙醇燃料。甲醇燃料的使用對生態(tài)環(huán)境和人體健康具有較大的影響。乙醇燃料由于是從農(nóng)作物制取，屬于可再生能源，在生態(tài)循環(huán)中可減少大氣中的CO和溫室效應(yīng)，受到許多國家重視。但目前存在的問題是乙醇制取能耗較大、成本較高，約為汽油的兩倍，要在生產(chǎn)技術(shù)上尋求突破，降低能耗和成本。氫燃料能源：氫是一種無機(jī)燃料，燃燒發(fā)熱量大，為相同質(zhì)量石油的3倍，他可以用各種一次性能源，特別是核能和太陽能將水直接分解來獲得。因此氫是一種可以再生的、低污染的理想替代燃料。但是現(xiàn)在國際氫燃料實(shí)用化的關(guān)鍵仍面臨儲存、運(yùn)輸、生產(chǎn)成本昂貴、以及安全操作等難題。其一，燃料價(jià)格過高，按市場價(jià)氫比汽油高6-10倍，其二，設(shè)備復(fù)雜。直接燒氫需高壓或低溫，技術(shù)難度大，易泄漏，有嚴(yán)重的安全隱患。其三，燃料供應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜。直接燒氫需新建加氫站，不能利用現(xiàn)有石油網(wǎng)路組合或替代，必須新建投資巨大。電動(dòng)能源：目前電動(dòng)能源因?yàn)樾铍姵氐闹圃斐杀竞芨摺⒅芷趬勖?、使用成本高、電池充電時(shí)間長、本身的二次污染，一時(shí)難以達(dá)到大規(guī)模的使用程度。以上一些清潔能源仍然有污染和熱效應(yīng)，有些燃料還有毒性，于是人們期待一種沒有污染、用之不竭、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型能源。壓縮空氣動(dòng)力就是其中之一，它是以壓縮空氣為動(dòng)力。壓縮空氣是繼水力、電力、石油及天然氣之后的第四大資源。1.2壓縮空氣動(dòng)力系統(tǒng)的組成壓縮空氣是無污染的動(dòng)力源，以壓縮為動(dòng)力源的啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)可被稱為綠色氣動(dòng)力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是以壓縮空氣的生產(chǎn)到最終的排放，對環(huán)境都不產(chǎn)生污染。綠色氣動(dòng)力系統(tǒng)的組成和能量路線見圖（1-1），其中綠色能源可以是太陽能。風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿纫淮文茉矗蛴兴鼈儺a(chǎn)生的電能。轉(zhuǎn)換裝置主要包括將一次能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置和空氣壓縮機(jī)，通過它們生產(chǎn)潔凈的壓縮空氣。高壓氣體單元是空氣壓縮機(jī)生產(chǎn)的存入儲氣罐中的高壓壓縮空氣，作為氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的直接動(dòng)力源。減壓控制單元是設(shè)備上或系統(tǒng)中儲存的高壓壓縮空氣的能量傳遞和轉(zhuǎn)換的控制環(huán)節(jié)，其作用是將高壓氣體減低為驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所需的中低壓氣體。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力輸出裝置，以壓縮空氣為能源對外做功。輔助裝置包括系統(tǒng)監(jiān)控、能量補(bǔ)償和能量回收裝置，對系統(tǒng)能量的高效利用起到重要的作用。負(fù)載試制動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過程中所完成的各種工作和克服的各種阻力。圖1-1氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)組成與能量控制流程方框圖1.3壓縮空氣的發(fā)展壓縮空氣技術(shù)越來越多地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的自動(dòng)裝配和自動(dòng)加工小件、特殊物品的設(shè)備上，原有傳統(tǒng)的氣動(dòng)元件性能正在不斷提高，同時(shí)陸續(xù)開發(fā)出適應(yīng)市場要求的新產(chǎn)品，使其各品種日益增加。其發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面：（1）機(jī)電一體化、智能化與電子技術(shù)結(jié)合，大量使用傳感器，氣動(dòng)元件智能化帶開關(guān)的氣缸國內(nèi)已經(jīng)普遍使用，開關(guān)體積將更小，性能更高。隨著工業(yè)的發(fā)展，所需的各種高效、多功能、自動(dòng)化設(shè)備和生產(chǎn)線，都迫切需要配套氣電一體化產(chǎn)品。因此，氣動(dòng)機(jī)電一體化與智能化技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是國際氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展的一大趨勢。（2）精密化、高速化、小型化為了使氣缸的定位更準(zhǔn)確，使用了傳感器、比例閥等實(shí)現(xiàn)反饋控制。執(zhí)行元件的定位精度提高，剛度增加，使用更方便。為了提高生產(chǎn)率，自動(dòng)化的節(jié)拍正在加快，高速化是必然趨勢。有限的空間要求氣動(dòng)元件的外形尺寸盡量小，小型化是主要發(fā)展趨勢。（3）高壽命、高可靠性氣動(dòng)元件大多用于自動(dòng)生產(chǎn)線上，元件的故障往往會(huì)影響全線的運(yùn)行，為此，對氣動(dòng)元件的工作壽命和可靠性有了更高的指標(biāo)。（4）節(jié)能、環(huán)保、低功耗這是永久的課題，并將規(guī)定在建立ISO14000環(huán)保體系標(biāo)準(zhǔn)中。進(jìn)入21世紀(jì)以來，節(jié)能環(huán)保事業(yè)越開越得到重視，一系列的節(jié)能政策和節(jié)能措施不斷頒布實(shí)施。所以把握氣動(dòng)的節(jié)能策略，制定行之有效的氣動(dòng)節(jié)能措施，對今后深入發(fā)展氣動(dòng)活動(dòng)具有重要意義。壓縮空氣動(dòng)力的應(yīng)用其實(shí)離我們的生活并不遠(yuǎn)。往大了說，許多飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)就是運(yùn)用了壓縮空氣動(dòng)力。往小了說，我們裝修房子時(shí)所用的氣釘槍同樣運(yùn)用了壓縮空氣。往新穎了說，機(jī)器人身上的關(guān)節(jié)有些也是用了壓縮空氣動(dòng)力。還有電站、汽車等等方面都有用到壓縮空氣動(dòng)力。總而言之，我們的周圍總是可以看到它的身影。本文見著重介紹壓縮空氣動(dòng)力中的一些應(yīng)用：壓縮空氣儲能發(fā)電、壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮空氣汽車。第二章壓縮空氣儲能發(fā)電氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的范例之一是壓縮空氣儲能系統(tǒng)。壓縮空氣儲能（CAES）是一種新型電能儲存技術(shù)，其它的儲能技術(shù)還有抽水儲能、蓄電池、超導(dǎo)蓄能、儲熱蓄能等。CAES是50年代發(fā)展起來的，第一個(gè)壓縮空氣儲能電站1978年在德國建造，儲能容量為290MW。1991年，美國建成了儲能容量為110MW的壓縮空氣儲能裝置，其主要部分是一臺兩級汽輪機(jī)，一臺壓縮機(jī)，一臺發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺回收裝置，此外還有換熱系統(tǒng)、低壓膨脹器等，發(fā)電時(shí)可是燃料消耗降低30%[1]。日本能源廳和電源開發(fā)公司已研制出兩種壓縮空氣儲能系統(tǒng)：一種是變壓式，隨著壓縮空氣充入洞室和從洞室中釋放的過程，儲存的壓縮空氣壓力發(fā)生變化：另一種是定壓式，它選擇有色金屬廢礦洞，利用地下水的壓力對壓縮空氣進(jìn)行水封[2]。其它一些國家正在計(jì)劃建造壓縮空氣儲能系統(tǒng)。2.1壓縮空氣儲能（CAES）電站相關(guān)概念2.1.1CAES電站工作原理CAES電站是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的行星能量儲存系統(tǒng)，在20世紀(jì)90年代開始隨著相關(guān)科技的逐步完善，以及各國對能源電力質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)的更高要求，一些國家開始重視CAES的研究工作[3]。CAES電站包括壓氣機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、地下儲氣室、換熱器、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)等常用設(shè)備，可分為儲能子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。如圖（2-1）。壓氣機(jī)、電動(dòng)機(jī)、儲氣室等組成的儲能子系統(tǒng)中將電站低谷的低價(jià)電能通過壓縮空氣儲存在巖穴、廢棄礦井等儲存室中，儲能是通過聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和壓氣機(jī)耦合，與燃?xì)廨啓C(jī)解耦合；電力系統(tǒng)峰荷時(shí)，利用壓縮空氣燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)、燃燒室以及加熱器等即發(fā)電子系統(tǒng)，發(fā)電是電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)耦合，與壓氣機(jī)解耦合。圖2-1CESA系統(tǒng)概念圖2.1.2壓縮空氣儲存空間的選取由于氣體容易壓縮,因此存儲彈性能的存儲介質(zhì)首選氣體。壓縮空間的選取主要考慮空間體積以及所能承受的壓力。對于用壓縮空氣存儲少量能量,存儲空間可以選擇管道、大型罐子等壓力容器,這樣可以組合成小型壓縮空氣蓄能電站甚至微型壓縮空氣蓄能電站。大型的壓縮空氣蓄能電站,大量的壓縮空氣貯存于地下,對于大量的壓縮空氣的存貯地點(diǎn)的研究,迄今為止集中在三種方式上[4],即地下鹽巖礦內(nèi)的巖洞、現(xiàn)存礦洞或挖掘成的巖石洞和地下含水的巖石層。鹽巖洞可以由水沖刷鹽巖石形成,沖刷形成的洞穴逐漸向地表擴(kuò)展,其深度一般是中等深度,其花費(fèi)的代價(jià)較小,但需具備一定地質(zhì)條件。巖石洞既有自然形成的,也可以人工挖掘而成,這種洞穴需要對洞穴四周的墻壁進(jìn)行密封保證氣密性。如果由人工挖掘而成則其花費(fèi)要比巖洞昂貴的多。含水的巖石層是地下水具有很高穿透率的巖石層,含水巖石層水位的高度可以變化,可以利用地下水位高度的變化存儲空氣,同時(shí)直接就由水起密封作用。2.2壓縮空氣儲能發(fā)電過程中的能量轉(zhuǎn)換2.2.1理想轉(zhuǎn)換過程壓氣機(jī)壓縮空氣蓄能過程若當(dāng)作絕熱過程,空氣當(dāng)作理想氣體,過程可逆,則過程遵循可逆絕熱過程關(guān)系式:(2-1)其中,為空氣壓縮后及壓縮前絕對壓力，為空氣壓縮后及壓縮前的體積，單位為為空氣的絕熱指數(shù)，環(huán)境溫度和壓力時(shí)，，其值隨溫度和壓力的增大而減小。但在壓縮空氣存儲過程中，其值變化不超過10%。則可計(jì)算出存儲能量為:（2-2）或上式實(shí)際上是絕對壓縮過稱消耗的功。因?yàn)槠潴w積是固定的,因此存儲能量數(shù)量由壓縮空氣的壓力和溫度決定,如果把氣體當(dāng)作理想氣體,則符合理想氣體狀態(tài)方程。和絕熱過程方程聯(lián)立,可得。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中,壓比高達(dá)一倍以上,因此,最大溫度高達(dá)1000V以上,這對于存儲空間來說是不可接受的,因此必須把進(jìn)入存儲空間之前的高壓、高溫氣體降溫,假設(shè)氣體被等壓冷卻到,所釋放的熱量為,所釋放熱量可以被熱能存儲設(shè)備保存起來,在利用壓縮空氣發(fā)電時(shí)用來加熱壓縮空氣。圖（2-2）是氣體在理想過程中的曲線。圖2-2壓縮空氣蓄能系統(tǒng)等熵過程曲線2.2.2實(shí)際轉(zhuǎn)化過程以及轉(zhuǎn)化率[5]實(shí)際上，壓縮機(jī)存在能量損失（約5%—10%），高溫氣體冷卻過程釋放熱量也不能完全被利用來加熱壓縮空氣，在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)膨脹做功是也有10%以上能量損失。因此，整個(gè)系統(tǒng)的儲存效率在65%左右，最高可到70%。因此考慮到壓縮機(jī)效率，實(shí)際上壓縮空氣所能存儲能量：（2-3）在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)做功為：（2-4）其中分別為壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)效率。綜合以上分析:如果壓縮空氣蓄能系統(tǒng)只包含一級壓縮,一級膨脹,則整個(gè)循環(huán)能量轉(zhuǎn)換系數(shù)為。德國CAES電站是41%,但是若用壓縮空氣消耗熱量來代替壓縮空氣耗功,則可以得到燃料利用效率:（2-5）如果，則德國CAES電站燃料利用效率為25%，也就意味著所存儲的能量有71%左右轉(zhuǎn)化率。2.3各種能量存儲技術(shù)的性能對比對于電能的存儲,可以采取以下方式,如抽水蓄能電站（PHS）、壓縮空氣蓄能（CompressedAirEnergyStorage’CAES）電站、高效電池蓄能(BES)電站、超導(dǎo)磁蓄能(SMES)、飛輪蓄能(Flywheels)、電磁蓄能(SMES)等方式。其中只有抽水蓄能電站和壓縮空氣蓄能(CAES)電站可以大量的存儲電能而其它蓄能電站則最大功率只能到幾個(gè)MW,CAES電站單機(jī)功率可達(dá)350MW以上,抽水蓄能電站則最大容量已到2.1GW,因此只有這兩者才可以真正起到調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷、提高供電質(zhì)量的作用。但抽水蓄能電站因?yàn)殡娬具x址、造價(jià)等問題受到限制,而壓縮空氣蓄能(CAES)電站則沒有上述限制,可以建在城市附近。表（2-1）是根據(jù)某研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)[6]整理的抽水蓄能,壓縮空氣蓄能,超導(dǎo)電磁蓄能,飛輪蓄能,高效電池蓄能,燃料電池蓄能等能量存儲技術(shù)的投資、容量和效率等的對比數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出,壓縮空氣蓄能電站具有投資少,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低,負(fù)荷范圍大等優(yōu)點(diǎn)。表2-1不同蓄能方式的性能對比投資（按能量）$/kWh投資（按功率）$/kW能量轉(zhuǎn)換效率%存儲容量MWh運(yùn)行維護(hù)費(fèi)$/kW/yr響應(yīng)時(shí)間功率MW壓縮空氣蓄能>3>705-1000001.351-10min0.5-27000抽水蓄能>10>70>20004.310s-4min300-1800飛輪蓄能300-2500090-930.0002-5007.5<1s0.001-1超導(dǎo)電磁蓄能500-72000950.0002-1001<1s0.001-2燃料電池蓄能1-15590.0002-2<1s0.01-3高效電池蓄能175-250850.0001-11.55<1s0.01-32.4壓縮空氣蓄能電站的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢世界上第一個(gè)CAES電站是在1978年的德國HuntdorfCAES電站,機(jī)組容量290MW,其冷態(tài)啟動(dòng)至滿負(fù)荷僅需6分鐘,在25%負(fù)荷時(shí)的熱耗僅比滿負(fù)荷高,211kJ其排放量僅是同容量燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的三分之一,自從世界上第一個(gè)CAES電站德國HuntdorfCAES電站投產(chǎn),CAES電站主要出現(xiàn)了以下一些發(fā)展趨勢。2.4.1改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)貯氣室出來的壓縮空氣壓力較高,一般發(fā)電子系統(tǒng)都應(yīng)用高壓膨脹機(jī)排氣進(jìn)行再熱循環(huán),可使功率大幅度提高。應(yīng)用回?zé)峒夹g(shù),美國阿拉巴瑪州的麥克莫扎什在1991年5月投入商業(yè)運(yùn)行的機(jī)組容量為110MW的CAES電站應(yīng)用了回?zé)?其經(jīng)濟(jì)性有很大程度的提高,熱效率相對于德國HuntdorfCAES電站熱效率提高了25%,以高位發(fā)熱量計(jì)算其發(fā)電熱耗僅為5565kJ/kWh,綜合投資費(fèi)用為450美元/kW。美國建設(shè)的300MW機(jī)組,其系統(tǒng)圖如圖4,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用Alstom11NM燃?xì)廨啓C(jī),若是常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)電站,其功率為87MW,若改為聯(lián)合循環(huán)則功率為130MW,圖（2-3）所示CAES電站,功率可達(dá)300MW。我國華北電力大學(xué)也在這方面進(jìn)行了系統(tǒng)集成及性能優(yōu)化[7]。圖2-33300MW壓縮空氣發(fā)電電站2.4.2應(yīng)用聯(lián)合循環(huán)技術(shù)利用燃機(jī)排氣余熱的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)技術(shù)及其動(dòng)力裝置,燃煤的燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，如IGCC（整體氣化聯(lián)合循環(huán)）和PFBC_CC(增壓流化床燃燒_聯(lián)合循環(huán))技術(shù),都在研究應(yīng)用于CAES機(jī)組的可行性[8]。一些裝置的熱效率已達(dá)到50%-60%。瑞士ABB公司(現(xiàn)已并入阿爾斯通公司)正在開發(fā)聯(lián)合循環(huán)壓縮空氣蓄能發(fā)電系統(tǒng),此時(shí)發(fā)電機(jī)用同軸的燃?xì)廨啓C(jī)—蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。蓄能發(fā)電功率為442MW,空氣壓力為33ata,壓氣運(yùn)行時(shí)間為8h,濕度60%,貯氣空洞為硬巖地質(zhì),采用水封方式,發(fā)電機(jī)輸出功率時(shí)貯氣效率高達(dá)95%。2.4.3機(jī)組和電站的大型化、自動(dòng)化隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的提高,CAES電站機(jī)組也出現(xiàn)了大型化趨勢,當(dāng)前在韓國、以色列等國所發(fā)展的機(jī)組等針對的是300MW以上機(jī)組,而Morocco在建400MW機(jī)組。最近美國GE公司開發(fā)的一種超高壓雙軸系、雙機(jī)式的聯(lián)合循環(huán)CAES系統(tǒng)。其高壓部分包括高壓壓氣機(jī)、高壓燃燒室、高壓燃?xì)廨啓C(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)軸系,機(jī)器之間還通過齒輪嚙合,而不限于采用聯(lián)軸器,其功率可達(dá)829MW。美國在建的Ohio州CAES電站則總?cè)萘窟_(dá)到2700MW,該電站由9臺300MW機(jī)組成。其壓縮空氣貯存于地下的地下巖鹽層洞穴內(nèi),存貯洞穴容積為9.57*,洞穴內(nèi)可保持氣體壓力103.42bar,其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):發(fā)電熱耗為4320Btu/(kWh).綜合投資費(fèi)用在275-600美元/kW。隨著機(jī)組容量的擴(kuò)大,自動(dòng)化程度也在提高,現(xiàn)在所建機(jī)組都已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。2.4.4用于分布式能量系統(tǒng)及熱、電、冷聯(lián)供分布式能量系統(tǒng)是是建立在自動(dòng)控制系統(tǒng)、先進(jìn)技術(shù)材料、靈活的制造工藝等新技術(shù)的基礎(chǔ)上,具有低污染排放、靈活方便、高可靠性和高效率的電能生產(chǎn)系統(tǒng)。其容量一般在15kW—10000kW左右,容量較小,靠近負(fù)荷中心。應(yīng)用微型、小型燃?xì)廨啓C(jī)組成的小型或微型CAES電站,可以在投入較少的情況下,調(diào)節(jié)峰谷差,保證供電質(zhì)量。應(yīng)用Allison501KM7航空燃?xì)廨啓C(jī)的小型CAES機(jī)組,可以提供5MW—15MW的發(fā)電功率。其包括存儲空氣系統(tǒng)的單位造價(jià)已經(jīng)低于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)電站的單位造價(jià),但是其調(diào)節(jié)峰谷差、提高供電質(zhì)量的能力卻相當(dāng)于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)電站的2壓縮空氣蓄能電站用于分布式能量系統(tǒng),往往存在發(fā)電時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)乏氣熱量以及壓縮空氣的熱量利用問題,而一般分布式能量系統(tǒng)又有對于熱量、冷量等的需求,因此如何利用余熱以及實(shí)現(xiàn)壓縮空氣蓄能電站的熱、電、冷聯(lián)供也成為一個(gè)研究方向。2.4.5儲存空間方面發(fā)展目前,國外對CAES部件和性能在做其它方面改進(jìn),如將蒸汽注入燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹室內(nèi),加大儲氣室空氣濕度和采用地面式壓縮空氣儲能罐等。對于地下鹽巖礦內(nèi)的巖洞(Saltdomes)、現(xiàn)存礦洞或挖掘成的巖石洞(rockcavities)和地下含水的巖石層(aquifers)三種壓縮空氣存儲空間的選擇是相當(dāng)復(fù)雜的程序,因此這也成了限制壓縮空氣蓄能電站發(fā)展的主要原因。但相關(guān)文獻(xiàn)表明美國有80%以上的州存在可以用做貯氣室的地質(zhì)。因此可以想象,我國也大量存在可以用做貯氣室的地質(zhì),尤其是煤礦、氣田比較多的地方,利用廢棄的煤礦或氣田必然可以大大減少投資。在存儲空間選擇上除上述三種方式之外,我國哈爾濱電力部門也在進(jìn)行利用現(xiàn)有的地道作為貯氣室的研究;還有在進(jìn)行海底式氣缸研究的,因?yàn)楹Ｋ缴?壓力越高,根據(jù)壓力要求,在相應(yīng)的壓力下設(shè)置氣缸,即可存貯壓縮空氣,缸殼體可以采用不銹鋼板等制成。2.4.6各國CAES電站的研究和發(fā)展情況世界上第一座CAES電站1978年始建于德國,目前仍在運(yùn)行中。繼德國之后,美國于1991年投運(yùn)了一座CAES電站,日本從90年代開始致力于一座35MW的試驗(yàn)電站開發(fā)計(jì)劃,以色列和芬蘭也在從事可行性研究。德國HuntorfCAES電站l978年投運(yùn)后至l991年的十多年運(yùn)行證明,CAES是一項(xiàng)靈活而可靠的技術(shù),可迅速滿足各種變負(fù)荷要求,具有快速啟動(dòng)能力,在緊急情況下僅需6min即可完成冷態(tài)啟動(dòng)到滿負(fù)荷過程,有良好的負(fù)荷跟蹤和頻率控制特性,能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。該電站在1979年1月1日至1991年12月31日期問共啟動(dòng)并網(wǎng)5000次(發(fā)電方式2342次,其它方式2684次),成功5026次,只有119次失敗,平均啟動(dòng)可靠性97.6%,美國第一座于1991年5月投入商業(yè)運(yùn)行的CAES電站位于阿拉巴瑪州的麥克莫扎什,機(jī)組凈功率11OMW,曾順利完成了26h發(fā)電和41h壓縮試驗(yàn),機(jī)組從緊急啟動(dòng)到滿負(fù)荷只需9min該電站由阿拉巴瑪州電力公司豹能源控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制,1992年儲能耗電46745MWh,凈發(fā)電量39255MWh,平均負(fù)荷因數(shù)4.l,以高位發(fā)熱量計(jì)的發(fā)電熱耗為5565kJ/(kW·h)[9]。在政府的資助下,日本國內(nèi)的新能源基金會(huì)和電力開發(fā)公司等單位從90年代開始,研究建造一座35MW試驗(yàn)電站.試驗(yàn)裝置規(guī)模是未來商業(yè)化設(shè)備的1/10,發(fā)電和儲能過程分別對應(yīng)于用戶峰荷需求和峰谷電耗。在電站設(shè)計(jì)時(shí),借鑒了德國和美國經(jīng)驗(yàn),采用變壓設(shè)計(jì),為提高教率和獲得最大空氣壓力,分別使用了再熱燃?xì)廨啓C(jī)及3級壓縮機(jī)。在當(dāng)?shù)厮慈狈Φ臈l件下,采用空氣冷卻系統(tǒng)。2.5壓縮空氣蓄能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)CAES的優(yōu)點(diǎn)有3個(gè)主要方面,即負(fù)荷平衡、戰(zhàn)略規(guī)劃及動(dòng)態(tài)運(yùn)行。其中負(fù)荷平衡優(yōu)點(diǎn)與抽水蓄能電站機(jī)相似,允許電力公司削峰填谷,增加基本負(fù)荷機(jī)組的負(fù)荷系數(shù),減少峰荷期間的燃油和燃?xì)饬?并允許增加大量電力銷售機(jī)會(huì);戰(zhàn)略規(guī)劃優(yōu)點(diǎn)是減少排放量,由于CAES只有同容量燃?xì)廨啓C(jī)排放量的1/3,排放量大大降低,CAES電站所儲能量由低污染的電力如水電、核電及天然氣發(fā)電來滿足,可減少系統(tǒng)總排放量,另外通過仔細(xì)選擇廠址,可靈活安排排放量分布,當(dāng)新的CAES投運(yùn)后,基本負(fù)荷機(jī)組利用率提高了,可推遲新容量機(jī)組投產(chǎn);動(dòng)態(tài)優(yōu)點(diǎn)包括通過減少隨負(fù)荷流動(dòng)產(chǎn)生的較大電力輸送波動(dòng),改善供電穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。由于在CAES中應(yīng)用了燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù),因而CAES還具有啟動(dòng)時(shí)間短和增減負(fù)荷速度快等優(yōu)點(diǎn),在25負(fù)荷時(shí)的熱耗僅比滿負(fù)荷時(shí)高211kJ,可作為旋轉(zhuǎn)備用容量,所以CAES是一種可承擔(dān)部分負(fù)荷運(yùn)行的理想電站該電站總基建投資與類似規(guī)模的簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)比略高,而其運(yùn)行成本、部分負(fù)荷熱耗及排放量等幾項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)[10]。在蓄能發(fā)電方式上也有一定優(yōu)勢,抽水蓄能電站造價(jià)較昂貴,需較長時(shí)間和合適的場地,且建設(shè)工程量較大,CAES可在較短時(shí)間內(nèi)以模塊方式建成,且成本較低。燃?xì)廨啓C(jī)需燃燒較貴的天然氣或石油,CAES則使用廉價(jià)的非峰荷電力壓縮空氣,僅使用少量的天然氣或石油加熱空氣,運(yùn)行成本比同容量燃?xì)廨啓C(jī)低1/3CAES投運(yùn)后,在非峰荷期間,燃煤機(jī)組可帶滿負(fù)荷而無需降負(fù)荷或停機(jī),可提高燃煤機(jī)組可靠性和效率,改善機(jī)組熱耗,減少運(yùn)行成本,同時(shí)可降低硫化物、氮氧化物及二氧化碳的排放量。2.6小結(jié)CAES是一種日趨成熟的新技術(shù)。組成CAES電站的設(shè)備都是常用的,并有幾十年的使用歷史,其中壓縮機(jī)在燃?xì)夤I(yè)中是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,透平膨脹機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)在電力公司中也屆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備;將這些設(shè)備組合到一起構(gòu)成了一種前所未有的蓄能方式,在德國和美國都是第一次采用。此外,地下儲氣室的建設(shè)需要一定的地質(zhì)結(jié)構(gòu),如能利用廢棄煤礦或氣田,就可節(jié)約基建費(fèi)用。德國和美國CAES電站的運(yùn)行證明,這項(xiàng)技術(shù)的概念設(shè)計(jì)和合理規(guī)模是可以接受的。壓縮空氣蓄能電站正在向大型化聯(lián)合循環(huán)和微型化方向發(fā)展,聯(lián)合循環(huán)以及熱、電、冷多聯(lián)供都可以大幅度提高能源利用效率,是未來研究的發(fā)展趨勢。隨著我國電網(wǎng)的不斷發(fā)展,我國主要電網(wǎng)峰谷差越來越大。2003年起,我國新的電力體制開始運(yùn)作,分時(shí)電價(jià)開始引入電力市場,這就為能量存儲系統(tǒng)的發(fā)展提供了需要和經(jīng)濟(jì)條件。由于我國火力發(fā)電中,過去不提倡用天然氣作為燃料,因此對于壓縮空氣蓄能系統(tǒng)的研究比較少,但是現(xiàn)在也逐漸被大學(xué)和一些科研機(jī)構(gòu)所重視。隨著CAES技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,預(yù)計(jì)它將在若干方面優(yōu)于抽水蓄能電站,成為另一種經(jīng)濟(jì)可行的儲能技術(shù)。第三章壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)在資源和環(huán)境問題日益突出的情況下,與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)相比具有諸多優(yōu)點(diǎn),在國外已成為節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的重要途徑。它是利用高壓壓縮空氣工作,將高壓空氣中儲存的壓縮能轉(zhuǎn)換其它的機(jī)械能的一種動(dòng)力裝置。此外,以液態(tài)氮?dú)狻⒁簯B(tài)空氣吸熱后膨脹做功為動(dòng)力的裝置也屬于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的范疇[9-11]。它不消耗燃料,以壓縮空氣做功為介質(zhì),通過工質(zhì)的膨脹過程對外輸出功率。排放出來的尾氣比大氣中的空氣還干凈,是真正意義上的“零排放的發(fā)動(dòng)機(jī)”，“綠色的發(fā)動(dòng)機(jī)”。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比,壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)沒有燃燒過程和大幅度的熱力工況變化,機(jī)體不承受高溫,結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,制造及使用維護(hù)成本低。它可廣泛的應(yīng)用在車輛、發(fā)電裝置、航空、航天等其它動(dòng)力裝置中以及易燃易爆的場合。以無污染、低噪音、無熱輻射等優(yōu)點(diǎn)的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有巨大的商業(yè)市場前景,目前多個(gè)國家均在進(jìn)行研究,并取得一定的成果。其中以壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置的氣動(dòng)汽車有了一定小規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng)。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而引起人們的廣泛關(guān)注和研究，主要有往復(fù)活塞式[12-16]、葉片式[17]和旋轉(zhuǎn)活塞式[18]等結(jié)構(gòu)形式。各種基于氣動(dòng)汽車探索性，概念性的新型壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也在積極的研究之中[19]。下面分別介紹這三類壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、現(xiàn)階段主要存在的問題以及將來研究重點(diǎn)。3.1往復(fù)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)為了解決日益嚴(yán)重的汽車污染，往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)在氣動(dòng)汽車上得到了快熟的發(fā)展，除了動(dòng)力來源不同，氣動(dòng)汽車工作原理與普通的汽車基本相同，工作循環(huán)過程有三個(gè)過程組成，即：進(jìn)氣過程、膨脹做功過程和排氣過程。同時(shí)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)還是兩沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，即在曾哥工作過程由軸旋轉(zhuǎn)一周完成，它在活塞下行時(shí)完成進(jìn)氣和做功，活塞上行時(shí)排除缸內(nèi)氣體。高壓的空氣在氣缸里膨脹推動(dòng)活塞移動(dòng)，再經(jīng)過連桿傳遞到曲軸使其旋轉(zhuǎn)做功，和傳統(tǒng)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)工作比較相似，因此往復(fù)式空氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以借鑒現(xiàn)有的成熟的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，在原有內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)上和汽車傳動(dòng)裝置上不需要太大的改動(dòng)，所以現(xiàn)在研制的氣動(dòng)汽車上的發(fā)動(dòng)機(jī)上大部分采用這種往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。國外，往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)這方面的研究法國處于世界領(lǐng)先水平，如法國的MDI(MoteurDevelopmentInternational)公司已經(jīng)生產(chǎn)了多款純氣動(dòng)汽車并在此基礎(chǔ)上研制開發(fā)了其它燃料、壓縮空氣復(fù)合型汽車，并獲得相關(guān)專利20多項(xiàng)，其中圖（3-1）為他們設(shè)計(jì)的四缸單軸壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。到2007年底，已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出Family,Van，Taxi,Pick-Up,MiniCat's等多種型號的氣動(dòng)汽車，主要用于出租車、家庭用車、小型貨車、公交車等。其中一款安裝有GuyNegre的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)汽車以一罐300L,300bar壓力的壓縮空氣可以行200-300km，最高時(shí)速110km/h，接電自充氣時(shí)間在4個(gè)小時(shí)左右，而在加氣站充氣時(shí)間只需3受到MDI公司的啟發(fā)，在能源部的資助下，美國多個(gè)大學(xué)開展了以液態(tài)氮?dú)庠谑軣崤蛎泴ν庾龉Φ膲嚎s空氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究，取得了一定的成果，如圖（3-2）所示。它是由一臺舊五缸直列式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的，并且對壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)過程進(jìn)行了仿真分析，指出高壓氣體在缸內(nèi)等溫膨脹是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的有效途徑，小缸徑大沖程以及低轉(zhuǎn)速有利于使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程接近準(zhǔn)等溫膨脹過程。圖3-1MD工公司生產(chǎn)的往復(fù)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)圖3-2華盛頓大學(xué)研制的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)國內(nèi)，浙江大學(xué)在國家自然科學(xué)、“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)基金的資助下，開展了對氣動(dòng)汽車相關(guān)研究。浙江大學(xué)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用往復(fù)活塞式四沖程汽油型內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，如圖(3-3)所示，其中把改裝后的462A壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在某微型汽車上，進(jìn)行了國內(nèi)首次氣動(dòng)汽車試驗(yàn)，如圖(3-4)所示。試驗(yàn)表明，以200L,12MPa的壓縮空氣可以行駛1.87km，最高時(shí)速達(dá)到35km/h，最大爬坡度20%。試驗(yàn)驗(yàn)證了氣動(dòng)汽車是可行的，無污染的，低速性能比較好，但是高速勝能較差，整體效率較低，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離，還需要找出影響效率的一些關(guān)鍵因素，并對其改進(jìn)。此外浙江大學(xué)也在進(jìn)行液氮發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力方面的研究[20-23]。在清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放的基金資助下，合肥工業(yè)大學(xué)以R175型柴油機(jī)為母機(jī)，對其設(shè)計(jì)改裝制作成壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，并對其臺架試驗(yàn)[24-25]。試驗(yàn)包括氣瓶連接方式試驗(yàn)、潤滑油試驗(yàn)、換熱試驗(yàn)、配氣相位對比試驗(yàn)、缸內(nèi)壓力曲線與供氣管壓力曲線測定、發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)波動(dòng)測定及轉(zhuǎn)速維持試驗(yàn)。試驗(yàn)以45L及15MPa的為氣源,在轉(zhuǎn)速700r/min情況下，輸出功率2.205kW，機(jī)械效率為74.31%，發(fā)動(dòng)機(jī)能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為10min左右。結(jié)果表明:改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)管路中的部件(如接頭、排氣管)圖3-3462A壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)圖3-4浙江大學(xué)研制的氣動(dòng)汽車雖然往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以從成熟的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)中移植過來，研發(fā)周期短，設(shè)計(jì)和制造容易，得到更快的發(fā)展，但目前往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)還存在一些問題:(1)由于往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力直接來自于物理方法儲存的高壓空氣能量，對氣缸的密封性要求高，活塞與汽缸之間的摩擦屬于動(dòng)摩擦，不利于兩者之間的密封，在實(shí)際應(yīng)用中，氣缸漏氣比較嚴(yán)重，造成發(fā)動(dòng)機(jī)效率低;(2)往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)低速性好，但隨著轉(zhuǎn)速升高輸出扭矩減小、功率減小、耗氣量增大、能量利用率下降;(3)由于往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸容積以及車上有限能量的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)功率小;(4)往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)和減壓控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步完善，減少在輸送過程中高壓空氣能量的的損失。往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)只適用于小功率，低轉(zhuǎn)速的環(huán)保型機(jī)器動(dòng)力裝置。未來在大功率，高轉(zhuǎn)速的環(huán)保型機(jī)器領(lǐng)域內(nèi)尤其是汽車領(lǐng)域，對往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的需求必將擴(kuò)大，而增大功率，提高效率，減輕重量，將成為往復(fù)活塞式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢。3.2葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的前身是葉片氣動(dòng)式馬達(dá)，利用壓力作用在不等高的葉片上，產(chǎn)生大小方向不同的轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)矩差的作用下驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出機(jī)械動(dòng)力。但馬達(dá)工作壓力較低，輸出功率小，滿足不了氣動(dòng)汽車上的動(dòng)力裝置，需要對其重新設(shè)計(jì)。英國倫敦威斯敏斯特大學(xué)(UniversityofWestm-roster)的c.j.marquand教授設(shè)計(jì)了一臺試驗(yàn)型的兩級偏心葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖(3-5)所示。并進(jìn)行了臺架試驗(yàn)，采用兩級各12個(gè)葉片的偏心轉(zhuǎn)子，工作壓力為4.5MPa，在1000r/min時(shí)可以輸出25kw的功率。該發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)是:回收了制動(dòng)系統(tǒng)在剎車時(shí)產(chǎn)生的熱能，利用流動(dòng)的空氣在冷卻剎車片的同時(shí)將熱量引導(dǎo)熱交換器中去，熱交換面積大，吸熱效率高。葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的起動(dòng)力矩，可以直接帶載荷起動(dòng)，起動(dòng)、停止均迅速，結(jié)構(gòu)簡單，操縱方便，維護(hù)較容易，但也存在一些缺點(diǎn):(1)轉(zhuǎn)子、定子、葉片之間的接觸面積大，密封起來比較困難，所以氣體泄露大，造成效率低;(2)在工作過程中，葉片在彈簧力和離心力的作用下，把高壓氣體封閉在工作腔，隨著轉(zhuǎn)速升高，葉片與定子之間的摩擦越大，所以葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片磨損較快;(3)葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲大且潤滑材料消耗量大。圖3-5葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)未來大功率、密封性能良好、高效率是葉片式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究的重點(diǎn)。3.3旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。高壓的氣體直接或者間接的膨脹推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出動(dòng)力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、效率高。澳洲的Engineair公司發(fā)明的偏心旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)如圖(3-6)所示，只有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)件驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，取締了傳統(tǒng)的活塞裝置。重量只有13kg,功率卻相當(dāng)于5LV8汽油機(jī)。它工作是靠6個(gè)氣室依次輪流膨脹推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，輸出連續(xù)的扭矩。特點(diǎn)是摩擦力小，漏氣比較嚴(yán)重。裝備這種發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)車在墨爾本進(jìn)行試駕時(shí)如圖(3-7)所示，最高時(shí)速達(dá)50公里圖3-6旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖圖3-7Engineair公司生產(chǎn)的氣動(dòng)汽車3.4新型旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)裝置具有零件數(shù)少、結(jié)構(gòu)緊湊、噪音和振動(dòng)小、比功率大、比體積小和高速性能好等優(yōu)點(diǎn)，新的旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，出現(xiàn)了許多相關(guān)的研究，三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)就是其中的一種[26,27]。三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要由前后端蓋、轉(zhuǎn)子、主軸、缸體、內(nèi)外齒輪等組成，缸體內(nèi)表面是雙弧圓外旋輪線，轉(zhuǎn)子的三邊是圓外旋輪線的內(nèi)包絡(luò)線，氣缸中心與轉(zhuǎn)子中心之間存在偏心距e，氣缸靜止不動(dòng)，沿其內(nèi)表面滑動(dòng)的轉(zhuǎn)子，一邊繞自身中心自轉(zhuǎn)，又一邊繞氣缸中心公轉(zhuǎn)。外齒輪固定在氣缸端蓋上，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主軸頸穿過外齒輪并與之同心，內(nèi)齒輪固定在轉(zhuǎn)子上，主軸的偏心軸頸穿在轉(zhuǎn)子的軸承孔內(nèi)。內(nèi)、外齒輪始終保持嚙合，其齒數(shù)比為3：2。工作時(shí)，主軸帶動(dòng)偏心軸頸來推動(dòng)轉(zhuǎn)子沿氣缸內(nèi)表面滑動(dòng)，從而完成了進(jìn)氣、膨脹、排氣工作過程[28]，工作原理簡圖如圖(3-8)所示。圖3-8三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)原理新型旋轉(zhuǎn)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)問題有；(1)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的數(shù)學(xué)模型的建立；(2)轉(zhuǎn)子腔體設(shè)計(jì)以及優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳狀態(tài)；(3)配氣系統(tǒng)的研究，使高壓氣體能充分膨脹并獲得最大的效率，捉高能量利用率。由于三角轉(zhuǎn)子特殊結(jié)構(gòu)，決定了它具有某些特殊的優(yōu)點(diǎn)。代表著未來高速、安靜、環(huán)保的動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展方向。3.5三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.5.1三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)幾何原理缸體內(nèi)表面型線即圓外旋輪線可用下列方程表示：(3-1)式中：R圓外旋輪線的創(chuàng)成半徑e氣缸中心與轉(zhuǎn)子中心之間的距離，即偏心距a主軸轉(zhuǎn)角三角轉(zhuǎn)子的型線是氣缸內(nèi)壁圓外旋輪線的內(nèi)包絡(luò)線，其型線的方程可解析如下：(3-2)式中u和v是兩個(gè)不獨(dú)立的變量，其關(guān)系為：(3-3)3.5.2三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和配氣系統(tǒng)特點(diǎn)如圖(3-9)所示為三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)構(gòu)（行星齒輪機(jī)構(gòu)）的傳動(dòng)簡圖。三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的主機(jī)構(gòu)是一個(gè)行星齒輪機(jī)構(gòu)。偏心軸簡化為一系桿，其中心線O即為主軸頸的中心線，即相位外齒輪的中心線：中心線Or即為偏心盤的中心線，即相位內(nèi)齒輪的中心線。這兩中心線的距離為偏心軸的偏心距e。相位外齒輪固定不動(dòng)，其節(jié)圓半徑為k，系桿（偏心軸）繞中心線O轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)齒輪繞中心線Or轉(zhuǎn)動(dòng)并繞中心線O作周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其節(jié)圓半徑為r。圖3-9三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主結(jié)構(gòu)內(nèi)齒輪的節(jié)圓半徑為3e，外齒輪的節(jié)圓半徑為2e。由此可知，內(nèi)齒輪和外齒輪的齒數(shù)比決定了轉(zhuǎn)子公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的角速度之比，而其節(jié)圓半徑均為偏心距e的倍數(shù)。3.5.3三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)是利用高壓壓縮空氣為動(dòng)力源，將壓縮空氣存儲的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置。在運(yùn)動(dòng)過程中三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡始終與氣缸內(nèi)壁相重合，缸體內(nèi)部空間被轉(zhuǎn)子分成三個(gè)獨(dú)立工作室，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)工作室的容積不斷的變化，其中轉(zhuǎn)子AB型面和缸體封閉的工作容積變化曲線,如圖(3-10)所示，工作室的容積由小變大過程中,高壓氣體進(jìn)入工作室膨脹對外做功輸出動(dòng)力，當(dāng)工作室的容積由大變小的過程中，膨脹后的氣體開始向外排氣直到工作室容積最小，從而完成一個(gè)循環(huán)周期。另外其它兩個(gè)工作室同時(shí)在進(jìn)行工作，容積變化規(guī)律與其相同，只是存在一個(gè)時(shí)間位置差。因此三角轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)一周，輸出軸旋轉(zhuǎn)了三周,三個(gè)工作室分別完成了兩次循環(huán)，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)共做功六次。當(dāng)三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)工作室容積與往復(fù)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)相同時(shí)，功率相當(dāng)于它兩倍。圖3-10單個(gè)工作容積隨主軸轉(zhuǎn)角變化情況3.5.4三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程由進(jìn)氣、膨脹和排氣三個(gè)沖程組成，當(dāng)轉(zhuǎn)子頂角轉(zhuǎn)過進(jìn)氣口時(shí)，腔體開始吸入高壓氣體并開始膨脹做功，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，接著下一個(gè)轉(zhuǎn)子頂角關(guān)掉進(jìn)氣口，然后由排氣口把氣體排出。三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程是高壓空氣體積膨脹對外做功的熱力過程。圖(3-11)所示為三角轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周的工作過程示意圖。圖中A.B和C表示轉(zhuǎn)子三個(gè)頂角的徑向密封片。以轉(zhuǎn)子AB面，BC面、CA面與氣缸形成封閉的工作容積分別作為第一、第二、第三個(gè)工作腔(工作室)?，F(xiàn)在就三角轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周說明工作情況。圖3-11三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程當(dāng)曲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角從00轉(zhuǎn)到900。進(jìn)氣口1打開，高壓氣體開始進(jìn)入第一個(gè)工作腔，第一個(gè)工作腔的容積從最小的狀態(tài)圖(3-11a)所處的位置)開始進(jìn)氣膨脹做功，排氣口1一直處在關(guān)閉狀態(tài)，隔斷進(jìn)氣口1與外界大氣相通，防止進(jìn)氣與排氣一直重疊。在這個(gè)轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)第二個(gè)工作腔容積不斷減小處于排氣沖程的狀態(tài)，所以排氣口2打開，排出殘余的高壓氣體。第三當(dāng)轉(zhuǎn)角達(dá)到900曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)(圖(3-11b)所處的位置)，第二個(gè)工作腔容積處于最大狀態(tài)，停止膨脹做功沖程，進(jìn)入排氣沖程階段，所以進(jìn)氣口2關(guān)閉，排氣口1打開。這個(gè)時(shí)候排氣口1與進(jìn)氣口1被轉(zhuǎn)子頂角A隔開，但進(jìn)氣口2與排氣口1處于同一個(gè)工作容積中，由于進(jìn)氣口2的關(guān)閉，防止了在第三個(gè)工作腔的進(jìn)氣與排氣重疊。當(dāng)曲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到1800時(shí)(圖(3-11c)所處的位置)，第二個(gè)工作腔排氣沖程結(jié)束，排氣口2關(guān)閉，容積達(dá)到最小狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)進(jìn)氣膨脹過程，進(jìn)氣口2打開，而這個(gè)時(shí)候排氣口1與進(jìn)氣口2被轉(zhuǎn)子頂角C隔開，但進(jìn)氣口2與排氣口2處于同一個(gè)工作容積中，由于當(dāng)曲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到2700時(shí)(圖(3-11d)所處的位置)，第一個(gè)工作腔容積達(dá)到最大狀態(tài)，完成了一個(gè)循環(huán)中的進(jìn)氣膨脹做功沖程，進(jìn)氣口1關(guān)閉，準(zhǔn)備進(jìn)入排氣過程，排氣口2打開，而這個(gè)時(shí)候排氣口2與進(jìn)氣口2被轉(zhuǎn)子頂角B隔開，但排氣口2與進(jìn)氣口1處于同第三個(gè)工作腔中，由于進(jìn)氣口1的關(guān)閉，防止了在第一個(gè)工作腔的進(jìn)氣與排氣重疊。當(dāng)曲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到3600時(shí)，第一個(gè)、第二個(gè)、第三個(gè)腔的位置剛好處在曲軸轉(zhuǎn)子在00時(shí)的第二個(gè)，第三個(gè)、第一個(gè)腔的位置。容積的變化與配氣相位的變化上面敘述的變化規(guī)律一樣。從討論兩套配氣系統(tǒng)進(jìn)出氣口相位隨主軸轉(zhuǎn)角變化時(shí)的關(guān)系中，可以看出三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作容積的循環(huán)的周期是5400曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)氣和排氣沖程的時(shí)間各占2700曲軸轉(zhuǎn)角，這比往復(fù)式壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)角1800的曲軸轉(zhuǎn)角大。進(jìn)排氣都充分，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率。3.5.5配氣系統(tǒng)的特點(diǎn)三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)無論是在結(jié)構(gòu)上和換氣過程都和往復(fù)機(jī)有很大的差別。三角轉(zhuǎn)子內(nèi)燃機(jī)采用的進(jìn)氣方式有周邊進(jìn)氣、端面進(jìn)氣和混合進(jìn)氣三種。由于采用周邊進(jìn)氣方式，它的進(jìn)氣和排氣方向與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)的方向基本一致，具有進(jìn)氣阻力較小，尤其適應(yīng)于高速工況。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的一個(gè)頂角轉(zhuǎn)到進(jìn)氣口時(shí)，轉(zhuǎn)子先行的工作面所對應(yīng)的工作室進(jìn)氣尚未結(jié)束，而相鄰的工作室已開始進(jìn)氣。因此，轉(zhuǎn)子兩相鄰的工作室的進(jìn)氣過程有一段重疊時(shí)間(轉(zhuǎn)子徑向密封片從氣口的內(nèi)緣移到氣口外緣的時(shí)間)，因此，對進(jìn)氣管來說，氣體的流動(dòng)是連續(xù)的，氣流沒有滯止現(xiàn)象。故進(jìn)氣壓力波變化的影響小?？沙浞掷眠M(jìn)氣慣性，充氣系數(shù)較大，尤其對高速工況有利?？梢垣@得較高的充氣系數(shù)，同時(shí)排氣也很通暢等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛的采用。本文壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)也采用周邊進(jìn)氣方式進(jìn)行以下討論。三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用周邊進(jìn)氣的方式，它的進(jìn)、排氣氣口均設(shè)在缸體型面上，氣口的關(guān)閉是由配氣機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)子頂端的密封片聯(lián)合共同控制的。例如當(dāng)配氣機(jī)構(gòu)的開關(guān)閥處于全開的狀態(tài)下，密封片掃過進(jìn)氣口時(shí)，切斷了進(jìn)氣口和前面一個(gè)工作室的連通，同時(shí)進(jìn)氣口又和后面一個(gè)工作室相連通，工作室一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行著進(jìn)氣和排氣，氣道中的氣體是不斷地流動(dòng)。并且它的進(jìn)氣和排氣的方向是與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)方向基本一致，當(dāng)配氣機(jī)構(gòu)開關(guān)閥處于全關(guān)閉的狀態(tài)，即使密封片掃過進(jìn)氣口時(shí)，也隔斷了與外界的氣體交換。因此影響進(jìn)氣和排氣沖程是轉(zhuǎn)子頂角與缸體型面上的氣口位置和配氣機(jī)構(gòu)的相位共同決定的。從圖（3-10）中可以看出轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周，三個(gè)工作容積分別變化了兩次，經(jīng)歷了兩個(gè)循環(huán)，因此三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)需要兩套配氣系統(tǒng)控制氣體的進(jìn)出。三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有三個(gè)工作容積，而現(xiàn)在有兩套配氣系統(tǒng)即四個(gè)與外界氣體交換的通道，因此在工作過程中必然始終會(huì)有一個(gè)工作容積具有兩個(gè)通道，既一對進(jìn)出口相通，進(jìn)氣與排氣一直重疊，高壓氣體在氣缸內(nèi)沒經(jīng)過膨脹，直接就排到大氣中。能量沒有得到充分利用，造成效率低。因此需要設(shè)置合理的能配氣相位，確定兩套配氣系統(tǒng)在三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)上協(xié)調(diào)工作，使其達(dá)到最佳工作狀態(tài)。3.6三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程數(shù)學(xué)模型三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)為簡單兩沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，即高壓氣體進(jìn)入工作室膨脹做功沖程和膨脹后的低壓氣體排出工作室的排氣沖程，整個(gè)工作過程由轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)1800，曲軸旋轉(zhuǎn)5400完成。工作室的壓力通過三角轉(zhuǎn)子傳遞到曲軸轉(zhuǎn)化為扭矩輸出動(dòng)力，因此工作室內(nèi)的氣體熱力學(xué)變化規(guī)律決定了三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性。三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)過程的熱力學(xué)模型，以氣缸內(nèi)的控制容積體積為研究對象，認(rèn)為缸內(nèi)的氣體狀態(tài)只沿著平面內(nèi)變化，在立體空間狀態(tài)一致，只隨著時(shí)間改變，因此得到的似一維的基于時(shí)間的理論模型。如圖(3-12)所示為三角轉(zhuǎn)子和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為邊界的控制體積的示意圖。圖3-12體積控制示意圖假設(shè)缸內(nèi)工質(zhì)遵循理想氣體性質(zhì)，以控制容積為研究對象，根據(jù)控制容積的能量守恒方程和理想氣體狀態(tài)方程的若干推論，可以得出，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力變化的微分方程為：（1）基本方程理想氣體狀態(tài)方程（3-4）式中P為氣體的壓力;V為氣體的體積;T為氣體的溫度；m為氣體的質(zhì)量；R為壓縮空氣氣體常數(shù)。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程可以得出溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的微分形式：（3-5）（2）能量守恒方程如圖(3-12)所示的系統(tǒng)中，有熱力學(xué)第一定律能量守恒方程可以寫成如下通用的形式：（3-6）式中U為系統(tǒng)內(nèi)能，W為作用在三角轉(zhuǎn)子上的機(jī)械功；Q為通過系統(tǒng)邊界所交換的熱量；hi、o、s分別為進(jìn)、排氣和壓縮空氣工質(zhì)的比焓；mi、o、s分別為進(jìn)、排氣和壓縮空氣質(zhì)量。在一般情況下氣缸氣體的比內(nèi)能u和質(zhì)量m同時(shí)變化，故有：（3-7）式中m為系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量；u為工質(zhì)的比內(nèi)能。實(shí)際氣體的比內(nèi)能U是壓力、溫度T和氣體成分的函數(shù)，因?yàn)闅飧變?nèi)的氣體為成分穩(wěn)定的純空氣，而且壓力對氣體內(nèi)能的影響非常小，所以比內(nèi)能的變化可看作氣體溫度T的函數(shù):（3-8）對式（3-8）微分得：(3-9）其中，為等容比熱。公開的文獻(xiàn)中對于內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)傳熱的研究得出了很多的經(jīng)驗(yàn)公式，但是這些經(jīng)驗(yàn)公式都受到缸內(nèi)的燃燒過程及輻射散熱的影響。由于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)沒有缸內(nèi)的燃燒過程，根據(jù)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)的熱量的來源主要來自通過氣缸周壁與外界交換的熱量，有下式確定:(3-10)式中是氣體與氣缸內(nèi)壁間的瞬時(shí)換熱系數(shù)。是所有暴露的換熱表面積。是控制容積邊界的溫度，它被假設(shè)為在整個(gè)循環(huán)過程中都保持不變并且與進(jìn)入氣缸以前的工作介質(zhì)的溫度相同。通過系統(tǒng)的邊界交換機(jī)械功隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率為：(3-11)由于壓縮的時(shí)候向系統(tǒng)加入的功取正值，而此時(shí)容積是減小的，dV為負(fù)值，因此容積變化所做的功必須加上負(fù)號。轉(zhuǎn)子把氣缸分為三個(gè)密封的容積，三個(gè)容積分別隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律為(3-12)(3-13)(3-14)其中，為三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角。（3）質(zhì)量平衡方程系統(tǒng)內(nèi)置量的變化應(yīng)滿足質(zhì)量守恒方程，即通過系統(tǒng)邊界交換之和等于系統(tǒng)內(nèi)置量的變化：(3-15)在系統(tǒng)內(nèi)外壓差以及進(jìn)、排氣閥和流量閥的開口截面確定時(shí)，流入和流出氣缸的質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化率按瞬時(shí)質(zhì)量流量計(jì)算為(3-16)設(shè)流量系數(shù)為，則dt時(shí)間內(nèi)流過氣閥流量為(3-17)由配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)得到配氣閥的角面值關(guān)系為：當(dāng)(3-18)當(dāng)時(shí)(3-19)式中：為配氣閥結(jié)構(gòu)角，f為配氣閥的面積，r與l分別為配氣閥的半徑和開口長度。由于曲軸轉(zhuǎn)角的增量為進(jìn)排氣閥增量的兩倍，所以曲軸轉(zhuǎn)角位進(jìn)排氣閥轉(zhuǎn)角的兩倍。式中為流函數(shù)。當(dāng)時(shí)，(3-20)當(dāng)時(shí)，(3-21)式中：p1、p分別為配氣閥前后的氣體壓力、為進(jìn)入配氣閥前的氣體密度，k為絕熱指數(shù)。（4）三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)受力分析由發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)模型求出氣缸內(nèi)氣體壓力的變化規(guī)律后，可以通過對發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析推導(dǎo)出發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的變化規(guī)律。氣缸內(nèi)氣體壓力作用在三角轉(zhuǎn)子上，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的推力，通過三角轉(zhuǎn)子到曲軸，產(chǎn)生扭矩驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，由曲軸對外輸出功率。以三角轉(zhuǎn)子作為研究對象進(jìn)行受力分析，可得發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)缸內(nèi)輸出的扭矩為:（3-22)3.7三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)(1)三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率指的是發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)輸出的有效功，即發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率Pe，單位kw。功率反映三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的重要指標(biāo)。功率與轉(zhuǎn)速之間有如下關(guān)系式:（3-23）式中M為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，單位為NM；n為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為rpm。當(dāng)三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，它發(fā)出的驅(qū)動(dòng)力矩等于阻力矩。因此，可以用M來說明負(fù)荷大小，而n表示發(fā)動(dòng)機(jī)所處工作轉(zhuǎn)速的高低，由此可以用M和n來說明發(fā)動(dòng)機(jī)所處的工況。由公式(3-23)可知，Ne,M和n三個(gè)參數(shù)只有兩個(gè)獨(dú)立變量，因此也可以用Ne和n來表征發(fā)動(dòng)機(jī)的工況。同時(shí)，參考內(nèi)燃機(jī)的有效功率定義，三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率可以表示為:（3-24）式中：為三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的平均有效壓力，單位為Mpa。為發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作室的工作容積，單位為L。I為發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，iVh就表示發(fā)動(dòng)機(jī)的總工作容積。（2）三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩將式(3-24)帶入式(3-23)即可得出發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩與平均有效壓力之間的關(guān)系，如下式：（3-25）從上是可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的平均有效壓力成正比關(guān)系。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣率三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣率是指發(fā)動(dòng)機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)單位功輸出的耗氣量，用公式(3-25)表示。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣耗率是發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)。國內(nèi)外研究表明，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是影響其實(shí)用化的關(guān)鍵問題。三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的耗氣率是用流量Ma與三角轉(zhuǎn)子壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況下的有效功率，用以下公式求得:（3-26）3.8結(jié)語由于壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，受到各國的關(guān)注和注視，并且壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)在氣動(dòng)汽車上得到廣泛應(yīng)用。國外對這一技術(shù)的應(yīng)用早已作為節(jié)約能源和治理環(huán)境污染的主要途徑之一，且研究和應(yīng)用具有一定的深度和廣度，其相應(yīng)的新型壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也必將會(huì)得到越來越多的研究和發(fā)展。目前，我國能源危機(jī)和環(huán)境問題日益突出，汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。研究壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)解決上述問題是我們的當(dāng)務(wù)之急，鑒于我國還處于研究階段，我們可以從以下幾個(gè)方面提高壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性這兩個(gè)重要的指標(biāo):(1)加大對降壓節(jié)流的研究，減少能量在輸送過程的損失，提高能量利用率;(2)開展高效熱力循環(huán)研究，尋找使壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)接近理想狀態(tài)條件下工作的路徑，使做功量增大;(3)采用多級膨脹中間吸熱，提高膨脹初始溫度，使其能量充分釋放出來;(4)研究新型的壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，使其結(jié)構(gòu)簡單緊湊、性能優(yōu)良，提高做功能力和換能效率;(5)開發(fā)復(fù)合型壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在不要求絕對零排放的情況下。采用混合動(dòng)力可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，從而使得壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)更具實(shí)用性。第四章壓縮空氣-燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)近年來隨著石油資源短缺和環(huán)境污染問題的日益突出，車用動(dòng)力能源多元化的研究倍受關(guān)注。各種車用替代能源不斷出現(xiàn)。如電動(dòng)、代用燃料、氣動(dòng)等等。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于其零排放等優(yōu)點(diǎn)正日益得到人們的重視[30-31]，但其也存在儲能密度較低和續(xù)駛里程較短的缺陷。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)雖然熱效率較高，但是其燃料燃燒產(chǎn)生的能量大部分散入環(huán)境，真正轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的只占30%-40%造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。如何回收利用內(nèi)燃機(jī)廢熱正逐步成為人們研究的熱點(diǎn)[32-33]。將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合形成新型的混合動(dòng)力能使兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到節(jié)能的目的。本章論述了這種混合動(dòng)力的各種形式,并通過熱力學(xué)模型對混合動(dòng)力的各種形式進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)測各種形式混合動(dòng)力的節(jié)能效果。4.1混合動(dòng)力整體方案本文根據(jù)混合動(dòng)力中氣體的利用形式將混合動(dòng)力分為空氣利用的串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和混聯(lián)方式，下面對不同方式分別加以說明和分析。4.