33內(nèi)燃機(jī)模式發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬及試驗(yàn)331內(nèi)燃機(jī)模式性能數(shù)值模擬仿真可得到內(nèi)燃機(jī)模式轉(zhuǎn)速為1 500rmn噴油提前角為10°CA燃燒持續(xù)角為70°CA過(guò)量空氣系數(shù)為1.1時(shí)，缸內(nèi)溫度、壓力以及輸出轉(zhuǎn)矩隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線。內(nèi)燃機(jī)模式缸內(nèi)最高溫度遠(yuǎn)高于壓縮空氣動(dòng)力模式，達(dá)到了2350K內(nèi)燃機(jī)模式缸內(nèi)壓力遠(yuǎn)高于壓縮空氣動(dòng)力模式，最高壓力達(dá)到了52MPa較高的缸內(nèi)壓力也使得最大輸出轉(zhuǎn)矩高達(dá)210N°m曲軸轉(zhuǎn)角0/°CA內(nèi)燃機(jī)模式缸內(nèi)壓力和溫度變化氣動(dòng)力模式，其主要性能指標(biāo)與非增壓4沖程內(nèi)燃機(jī)相比，并沒(méi)有明顯的降低；由于不消耗燃油而且排放的是純空氣，無(wú)有害排放，因此也能夠達(dá)到減少燃油消耗和尾氣污染排放的目的。
?。?）內(nèi)燃機(jī)模式的各主要性能指標(biāo)與非增壓4沖程內(nèi)燃機(jī)相近，而且內(nèi)燃機(jī)模式通常是在較高的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)低速或低負(fù)荷時(shí)經(jīng)濟(jì)性差、有害排放高的缺點(diǎn)。）兩種工作模式的性能指標(biāo)均能滿足小型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需要，而發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的日益成熟也為兩種工作模式的切換提供了技術(shù)支持，這說(shuō)明壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是可行的。
第6期壓縮空氣/燃油混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程建模及數(shù)值模擬方清華，劉昊，陳鷹，陶國(guó)良（浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)，其缸體部分與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相似，最顯著的區(qū)別有兩點(diǎn)：增加了壓縮空氣供給與噴射裝置；2）壓縮空氣和燃油噴射采用電控管理系統(tǒng)。壓縮空氣供給與噴射裝置由儲(chǔ)氣罐、減壓閥、流量閥、電磁開(kāi)關(guān)閥和壓縮空氣噴嘴組成。壓縮空氣的噴射時(shí)刻由電磁開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟時(shí)刻確定，而噴射量由流量閥開(kāi)口位置以及高速電磁開(kāi)關(guān)閥的啟閉時(shí)間確定。燃油噴射時(shí)刻和噴射量則是電控燃油噴射系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥的啟閉來(lái)控制。
混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在壓縮空氣動(dòng)力模式和內(nèi)燃機(jī)模式兩種工作模式下運(yùn)行，分別以壓縮空氣和燃油作為動(dòng)力源。兩種工作模式的轉(zhuǎn)換由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（中未畫(huà)出）來(lái)管理，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要切換到壓縮空氣動(dòng)力模式時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元向電控噴油系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，切斷燃油供應(yīng)，然后根據(jù)轉(zhuǎn)速、曲軸轉(zhuǎn)角等信號(hào)發(fā)出信號(hào)控制電磁開(kāi)關(guān)閥啟閉，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于壓縮空氣動(dòng)力模式；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要切換到內(nèi)燃機(jī)模式時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)出電磁開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉信號(hào)，切斷壓縮空氣供應(yīng)，然后向電控噴油系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，由電控噴油系統(tǒng)控制燃油的噴射，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作于內(nèi)燃機(jī)模式。
1壓縮空氣動(dòng)力模式與4沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)19相似，壓縮空氣動(dòng)力模式也是由4個(gè)沖程組成：吸氣、壓縮、充氣膨脹和排氣沖程，4個(gè)沖程完成一個(gè)做功循環(huán)，整個(gè)循環(huán)由兩個(gè)曲軸旋轉(zhuǎn)周期完成。與4沖程內(nèi)燃機(jī)的區(qū)別在于，壓縮空氣動(dòng)力模式是壓縮行程上止點(diǎn)附近噴入壓縮空氣膨脹做功，而內(nèi)燃機(jī)則是由噴入燃油燃燒后產(chǎn)生的高溫、高壓氣體膨脹推動(dòng)活塞做功。在起動(dòng)和低速階段，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于壓縮空氣動(dòng)力模式，能夠發(fā)揮壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩和零污染排放的特點(diǎn)。
2內(nèi)燃機(jī)模式與4沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)相同，內(nèi)燃機(jī)模式也是由4個(gè)沖程組成：吸氣、壓縮、噴油燃燒膨脹和排氣沖程，一個(gè)做功循環(huán)由兩個(gè)曲軸旋轉(zhuǎn)周期完成。在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)電磁開(kāi)關(guān)閥單缸混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型以單個(gè)氣缸作為一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)邊界由活塞頂、氣缸蓋及氣缸套壁面組成（如中虛線包圍部分）為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，做如下假定：缸內(nèi)氣體狀態(tài)均勻，各點(diǎn)溫度、壓力相同；工質(zhì)為理想氣體，比熱、內(nèi)能、焓等參數(shù)僅與氣體溫度和氣體成分有關(guān)；氣體流入或流出氣缸為準(zhǔn)穩(wěn)定流動(dòng)；（4避、出口氣體的動(dòng)能忽略不計(jì)。
1壓縮空氣動(dòng)力模式數(shù)學(xué)模型21.1能量平衡方程壓縮空氣動(dòng)力模式的缸內(nèi)過(guò)程是氣體熱力學(xué)狀態(tài)變化的過(guò)程，通過(guò)熱力學(xué)分析可以建立其工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。氣體狀態(tài)的變化應(yīng)滿足的能量守恒方程為為進(jìn)、排氣和壓縮空氣質(zhì)量。
在一般情況下，氣缸內(nèi)氣體的比內(nèi)能U和質(zhì)量m同時(shí)變化，故有實(shí)際氣體的比內(nèi)能是壓力、溫度和氣體成分的函數(shù)。因?yàn)楦變?nèi)氣體為成分穩(wěn)定的純空氣，而且壓力對(duì)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)：21.2質(zhì)量平衡方程系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的變化應(yīng)滿足質(zhì)量守恒方程，即通過(guò)系統(tǒng)邊界交換的質(zhì)量之和等于系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的變化：dmdm，ddA，do%度；為流動(dòng)函數(shù)，其值計(jì)算為P 2k（+1））1時(shí)，為亞臨界流動(dòng)，由于不存在燃燒過(guò)程，系統(tǒng)的熱量來(lái)源主要來(lái)自氣缸周壁與外界交換的熱量，根據(jù)傳熱學(xué)中相關(guān)關(guān)系式，單位曲軸轉(zhuǎn)角的換熱量可寫(xiě)為當(dāng)時(shí)，為趣臨界流動(dòng)，表面積；T為傳熱表面平均溫度。
氣體換熱系數(shù)可借鑒內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算采均速度。
21.3氣體狀態(tài)方程系統(tǒng)內(nèi)氣體狀態(tài)變化應(yīng)滿足狀態(tài)方程為P/=mRT氣缸傳熱表面積隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化而變化，可按21.4摩擦模型平均摩擦壓力P采用WneboneDE等人提出的經(jīng)驗(yàn)公式111為下式計(jì)算則有噴油量；丨為燃燒品質(zhì)指數(shù)；Acp為燃燒持續(xù)角；3為燃燒起始角。
缸壁換熱、機(jī)械功、進(jìn)排氣流量和摩擦損失等的計(jì)算均與壓縮空氣動(dòng)力模式相同。聯(lián)立；隨著壓縮空氣噴入氣缸，缸內(nèi)氣體質(zhì)量急劇上升，噴入的冷空氣與缸內(nèi)壓縮后的熱空氣混合，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度迅速降低，在壓縮沖程上止點(diǎn)過(guò)后壓力繼續(xù)升高，缸內(nèi)氣體推動(dòng)活塞對(duì)外輸出轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩迅速升高；壓縮空氣進(jìn)氣結(jié)束后，缸內(nèi)氣體質(zhì)量保持不變，缸內(nèi)氣體繼續(xù)膨脹，溫度、壓力和輸出轉(zhuǎn)矩急劇下降；膨脹做功結(jié)束后，進(jìn)入排氣沖程和吸氣沖程，過(guò)程與4沖程內(nèi)燃機(jī)相似（見(jiàn)）。
壓縮空氣動(dòng)力模式輸出轉(zhuǎn)矩變化平均指示壓力是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作循環(huán)動(dòng)力性能的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，根據(jù)平均指示壓力可計(jì)算指示功率、轉(zhuǎn)矩等其它重要性能指標(biāo)。保持流量閥開(kāi)口位置不變，通過(guò)改變壓縮空氣進(jìn)氣持續(xù)角可得平均指示壓力的變化曲線可以看出，平均指示壓力和平均有效轉(zhuǎn)矩隨著壓縮空氣進(jìn)氣持續(xù)角增大而提在壓縮空氣進(jìn)氣持續(xù)角為50°CA時(shí)，壓縮空氣進(jìn)氣量約為087R/cyce最大輸出轉(zhuǎn)矩為139N.m平均有效轉(zhuǎn)矩為9. 1N.m有效功率為0 95kW平均指示壓力也達(dá)到了615kP而4沖程非增壓柴油機(jī)在標(biāo)定工況下平均指示壓力一般在0 95MPa壓縮空氣動(dòng)力模式平均指示壓力與內(nèi)燃機(jī)相比并沒(méi)有明顯降低，說(shuō)明低速時(shí)采用壓縮空氣動(dòng)力模式在性能上和內(nèi)燃機(jī)相比并沒(méi)有大的降低。
322壓縮空氣動(dòng)力模式模擬結(jié)果試驗(yàn)評(píng)估由于試驗(yàn)條件限制，我們將一臺(tái)462型4沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改造為使用壓縮空氣工作的2沖程氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)2沖程：氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)來(lái)評(píng)估壓縮空氣動(dòng)力模式的仿真結(jié)果。改造后的發(fā)動(dòng)機(jī)為4缸、2沖程、8氣門頂置凸輪軸配氣，缸徑為62m活塞行程為66mm總排量為0 8L壓縮比為8 7.試驗(yàn)時(shí)只要保持2沖程氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮空氣進(jìn)氣可用能與壓縮空氣動(dòng)力模式壓縮空氣進(jìn)氣可用能相等，那么根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)理論，相同轉(zhuǎn)速下2沖程氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)應(yīng)為4沖程氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（壓縮空氣動(dòng)力模式）的兩倍壓縮空氣的可用能E為氣壓力。
試驗(yàn)測(cè)得壓縮空氣進(jìn)氣壓力為1.2MPa轉(zhuǎn)速為1rmn寸每循環(huán)單缸進(jìn)氣質(zhì)量為1.2g壓縮空氣可用能為251有效功率為1.75kW平均有效轉(zhuǎn)矩為167Nm而仿真所得壓縮空氣動(dòng)力模式壓縮空氣進(jìn)氣壓力為3MPa轉(zhuǎn)速為1000r/mn進(jìn)氣持續(xù)角為50°A寸，每循環(huán)進(jìn)氣質(zhì)量為087g壓縮空氣可用能為249有效功率和平均有效轉(zhuǎn)矩的兩倍分別2Nm可以看出，在壓縮空氣進(jìn)氣可用能相當(dāng)?shù)那闆r下，壓縮空氣動(dòng)力模式有效功率和平均有效轉(zhuǎn)矩的兩倍值均稍高于2沖程氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，仿真結(jié)果足夠準(zhǔn)確。