摘 要：为优化气动发动机设计，提高气动发动机的工作性能,在一台由四冲程汽油机改装的二冲程气动发动机上进行了详细的台架试验。提出一个评价气动发动机性能的新指标——气动发动机平均有效压力和缸内平均压力的比值。采用钢、铝和尼龙三种材料制作相同尺寸的配气滑块进行试验，结果表明配气滑块的质量，对气动发动机动力性有影响。对进气持续角为128 °、143 °和156 °的尼龙材料配气滑块进行试验，试验结果表明增大进气持续角可以提高压缩空气的膨胀效率。在三种不同压缩比的状况下进行了气动发动机试验。试验证明在传统内燃机的基础上改装气动发动机时，增大发动机压缩比，会降低压缩空气的膨胀效率。
关键词：气动发动机；滑阀；平均压力；平均有效压力
引言
随着环境污染的日益严重，为降低汽车尾气发排放，高效率清洁能源发动机成为世界的研究热点。气动发动机具有结构紧凑、对材料要求低、零排放无污染等优点因而特别适合用作城市内短途代步交通工具的动力源。压缩空气发动机是利用高压压缩气体在气缸内膨胀推动活塞做功。压缩空气的能量源可由太阳能、风能等可再生能源发电产生，所以在一定程度上压缩空气的获取和直接利用的工作过程是完全清洁无污染的[1-6]。
气动发动机的配气机构控制气动发动机的进排气，是决定气动发动机性能的关键环节之一[7,8]。国内的学者在气动发动机理论分析、数学建模等方面做了大量的工作[9,10]。此外在配气结构方面,学者们提出了气门式、旋转阀式、旋转活塞式、电控式等配气机构的气动发动机，并在配气结构的设计，仿真和搭建实验台进行数据采集等方面做了大量研究[11-16]。
本研究采用滑阀式进排气配气机构改装了一台单缸汽油机，滑阀式压缩空气发动机是一种采用配气滑块作往复运动，通过发动机缸头的一个进气孔实现进排气功能的发动机，配气机构更加简单，发动机工作更为可靠。滑阀式配气机构尤其适合在传统单缸发动机上安装，可以实现一种短途，无尾气排放的新型交通工具。本研究在改装发动机的实验平台上获得了发动机在不同压力、配气相位、压缩比下的示功图，来分析滑阀式发动机的性能，为滑阀式压缩空气发动机的设计打下了坚实的基础。
1 试验装置和方法
试验用滑阀式压缩空气发动机是在一台型号为SD110的单缸汽油机上改装的。改装方法为：关闭汽油机原机进排气气门，在缸头侧面开一个缸头孔，在缸头孔上安装滑阀式配气机构，通过缸头孔实现气动发动机的进气和排气，如图1所示，转盘和发动机曲轴以相同转速旋转，转盘旋转带动连杆，连杆拉动配气滑块作直线往复运动，当发动机活塞运动到上止点附近时，滑块进气孔和缸头孔接通，发动机进气，当发动机活塞运动到下止点附近时滑块排气槽和缸头孔接通，发动机排气。具体改装方法参见专利[17]。
图1 气动发动机滑阀配气机构示意图
改装滑阀式压缩空气发动机通过一台容积为170 L 的空压机供气，调节供气压力为0.8 MPa,发动机进气管口和空压机之间采用内径为12 mm的透明气动软管连接，在进气管口前1 m位置安装了一个最大通径为12 mm的球阀作为进气阀。试验采用5060液压测试仪，设定压力传感器采样周期为1 ms,通过在原机火花塞螺纹孔上安装压力传感器，测取气动发动机缸内压力曲线，如图2所示。
图2 改装气动发动机及测试仪器
为优化气动发动机的设计，提高气动发动机的工作效率，研究滑块质量、配气相位和发动机压缩比对气动发动机性能的影响。提出了利用发动机平均有效压力和缸内平均压力的比值来比较发动机在不同压力，不同转速下压缩空气的使用效率。
发动机平均有效压力pme是发动机单位汽缸工作容积输出的有效功,它与有效功率pe的关系是[18]：
(1)
式中， pme为平均有效压力， MPa；Vs为汽缸工作容积， m3；n为发动机转速， r/min；τ位冲程数；i为缸数。
缸内平均压力
是发动机一个工作周期内的缸内压力平均值。通过平均压力可以计算出输入汽缸内的压缩空气的功率p0为:
(2)
式中,为平均压力，MPa；Vs为汽缸工作容积， m3；n为发动机转速，r/min；i为缸数，由式(1)、式(2)可得：
(3)
上述公式表明，气动发动机有效功率和进入汽缸的压缩空气的功率的比值就是平均有效压力和平均压力的比值，通过该比值可以衡量压缩空气的使用效率。
2 实验结果及分析
2.1 配气滑块质量的影响
滑阀式压缩空气发动机，其配气滑块在工作过程中一直作高速的往复运动，消耗能量。为研究配气滑块质量大小对发动机的影响，设计了3种不同材质的配气滑块，其基本尺寸完全一致。调节3次实验的配气相位相同。三种配气滑块体积以及质量如表1所示。
表1 三种配气滑块体积以及质量
图3显示了气动发动机使用不同质量配气滑块时的转速特性曲线，由图3可见，随着供气压力不断上升，发动机转速提高。尼龙材料的配气滑块质量小，在不同压力下都能达到最高转速。45钢材料的配气滑块质量最大，在低压时，其转速稍低于尼龙材料，但随着转速的升高，其转速和尼龙材料的转速差值变大。铝材质的配气滑块在不同压力下的转速特性居中。实验结果表明，滑阀式压缩空气发动机的配气滑块在工作过程中作直线往复运动，配气滑块的质量大小对发动机动力性能有影响。尤其在发动机高转速工况下对配气滑块的质量影响更加明显。通过降低配气滑块的质量可以减少这一部分的能量损失。
图3 气动发动机使用不同质量配气滑块时的转速特性曲线
2.2 进气持续角的影响
为了研究滑阀式压缩空气发动机进气持续角的影响，首先要确定发动机的最佳进气提前角。为寻找最合适的进气提前角，实验通过多次调节气动发动机进气提前角，进行发动机试验。实验结果表明，进气提前角为10 °时，发动机可以平稳启动并且连续的工作。在进气提前角5 °时，发动机启动困难。在进气提前角为15 °时，发动机启动后有明显的漏气现象，并且在工作过程中会出现卡死现象。所以以下试验均选择进气提前角为上止点前10 °。
为研究进气持续角对发动机性能的影响，设计3种尼龙材料的配气滑块，其配气相位如表2所示。
表2 三种配气滑块的配气相位
如表2所示，三个配气滑块的进气提前角和排气持续角均相同，排气滞后角有微小的变化，而进气持续角有明显差别。具体设计方法，参考图1，不改变滑块排气槽和滑块进气孔的尺寸，保持滑块排气槽的位置不变，沿中心线方向减小滑块排气槽和滑块进气孔的距离即可实现表2中的配气滑块设计。
图4为三种进气持续角下的
值,图中低压表示气动发动机缸内最高压力为0.2～0.25 MPa,发动机转速为840 r/min。中压表示气动发动机缸内最高压力为0.3～0.35 MPa，发动机转速为1000 r/min。高压表示气动发动机缸内最高压力为0.4～0.5 MPa,发动机转速为1500 r/min(下同)。如图4所示，通过测取发动机缸内压力值计算得到的值随着进气压力的升高而升高。并且在进气提前角和进气持续角均相同时，进气持续角在最大值为156°时，发动机的值在不同工况下均为最大。实验表明，增大进气持续角可以提高压缩空气的利用率。
图4 三种进气持续角对应的
值
2.3 压缩比的影响
实验通过在发动机活塞面上粘贴阶梯式圆柱体的方法来增大发动机压缩比，阶梯式圆柱可以增大发动机压缩比，但是不会改变活塞表面积。实验选择的配气滑块其配气相位为：进气提前角10°，进气持续角143°，排气持续角122°，排气滞后角0°。测试过程为：首先打开5060液压测试仪开始测试，然后打开进气阀，快速启动发动机，调节阀门使发动机转速维持在850 r/min,然后增大阀门开度，使发动机转速维持在1000 r/min,接着将阀门全开，此时发动机转速约为1500 r/min,最后关闭阀门，停止测试。
图5a～图5c分别为压缩比为8.5、9.9、12.8的缸内压力曲线，从图5中可以看出发动机缸内压力曲线的峰值变化和测试过程的操作动作可以完全对应，从图5a中可以看出，改装气动发动机的进排气效果良好，随着进气压力的升高，发动机缸内压力的峰值在增大,但是缸内压力的谷值一直维持在0线附近。在此基础上增大发动机压缩比，如图5b、图5c，可以看出，增大压缩比后滑阀式压缩空气发动机的进气效果良好，随着进气压力的升高，缸内压力峰值增大，但是随着进气压力的升高，缸内压力谷值也随之提高，不能再维持在0线附近，而且缸内压力峰值越高，其谷值也越高，这是由于通过填充发动机燃烧室，增大了发动机的压缩比，同时也减小了缸内压缩空气可自由膨胀的体积，使发动机在排气终了时的压力提高，发动机排气恶化。并且随着进气压力的提高，该现象更加明显。
图5 三种压缩比下的缸内压力曲线
图6为三种压缩比下的
值，从图6可以看出，在低压、中压、高压工况，配气相位不变的情况下，增大发动机的压缩比会提高发动机排气压力，降低压缩空气的使用效率。
图6 三种压缩比下的
值
3 结论
(1) 使用气动发动机平均有效压力pme和缸内平均压力的比值可以作为压缩空气膨胀效率的评价指标；
(2) 采用45钢、6061铝、MC901尼龙等三种不同的材料加工尺寸相同的配气滑块进行气动发动机试验，试验结果表明配气滑块的质量不同，对气动发动机动力性有影响，质量大的滑块在高速运动过程中产生的惯性阻力大，通过降低配气滑块的质量可以减少这一部分的能量损失；
(3) 设计了进气持续角分别为128°、143°、156°，排气持续角和进气提前角均相同的尼龙材质的配气滑块进行气动发动机试验，试验结果表明增大进气持续角可以提高压缩空气的膨胀效率；
(4) 利用三种不同压缩比进行了气动发动机试验，结果表明较低的气动发动机压缩比，可以提高压缩空气的膨胀效率。
