一种气动发动机曲柄连杆机构的仿真性能研究

一种气动发动机曲柄连杆机构的仿真性能研究

气动发动机是以高压空气作为“燃料”，来提供动力。由于高压空气能力密度较低，且气动发动机的能量利用率低，因此，改善其能量利用率，提高其机械效率至关重要。曲柄连杆机构是发动机动力传输的核心机构，对发动机的整体工作及汽车的动力传递起到至关重要的作用。通过研究一种新型气动发动机的曲柄连杆机构，利用MATLAB/Simulink对其运动特性进行仿真分析，分析其对气动发动机性能的影响，研究结果为今后进一步提高气动发动机的效率提供了指导方向。

标签：曲轴；连杆；气动发动机；运动学仿真；发动机性能

0引言

气动发动机以压缩空气作为工质，将高压空气直接输入气缸膨胀以推动活塞做功，实现了将高压空气的压力能转化为转动形式的机械能输出。与传统内燃机相比，气动发动机的做功原理比较简单，通过气体膨胀推动活塞做功，进而对外输出功率，实现了无燃烧、零污染物，是真正意义上的绿色动力汽车。气动发动机具有突出的特点和很好的应用前景，但其能量利用效率低是最为突出的和最需要迫切解决的问题。

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的关键部件，它将活塞的周期往复运动转变为曲轴的旋转运动，从而对外输出转矩，为汽车提供行驶所需的动力，对发动机的可靠性、动力性影响很大。一直以来，以曲柄连杆机构为基础的往复活塞式发动机的研究及进展对汽车行业乃至整个工业的发展起着较大的推动作用。当活塞在作往复运动时，其速度和加速度的数值及变化规律对曲柄连杆机构以及内燃机整体的工作有很大影响，研究曲柄连杆机构运动学的主要任务实际上就是研究活塞的运动规律。为了进一步提高循环热效率和燃烧效率以及机械效率，优化内燃机的性能，众多国内外的专家学者都对传统往复式活塞所用的曲柄连杆机构（图1）进行改进，试图通过对内燃机曲柄连杆机构的改进提高其性能。笔者对一种新的双连杆往复机构进行仿真研究，这种曲柄连杆机构的结构特点，使得其在运动过程中，活塞在上止点附近停留时间较长。本文对应用这种机构的气动发动机建立了数学模型，利用Matlab/simulink进行仿真，并与传统往复活塞式曲柄连杆机构进行对比，得出仿真结果。此外，对这种新型曲柄连杆机构的活塞运动规律以及有可能对气功发动机工作过程产生的影响作了简要分析。

1.1传统曲柄连杆机构数学模型及求解

根据图1所示，设OB=R为曲拐中心到曲轴旋转中心的距离（即曲柄），AB=L 为连杆长度，λ=R/L。活塞在上止点时（A1位置）曲轴转角为0，活塞在下止点时（A2位置）曲轴转角为180°。由此可推导出活塞的位移为：