活塞式壓縮氮氣發動機空調系統仿真分析

栗波

摘要：針對壓縮氮氣活塞式發動機的排氣蘊含大量冷量的突出優點，提出了利用壓縮氮氣活塞式發動機產生的排氣冷量作為汽車空調制冷源使用的技術方案。基于濰柴某六缸柴油發動機改進后的壓縮氮氣發動機搭建GT-power仿真模型，基于原車空調換熱系統搭建Star-ccm+仿真模型，通過發動機仿真模型計算出壓縮氮氣發動機的排氣參數，使用Star-ccm+模擬冷氣通入換熱系統后對車廂的制冷效果。仿真結果顯示，風機吸入的45℃空氣經壓縮氮氣活塞式發動機所排出的冷氣冷卻后通入車廂，可將車廂內溫度控制在22℃至26℃之間，制冷效果良好。

Abstract： Aiming at the outstanding advantage that the exhaust gas of a compressed nitrogen piston engine contains a large amount of cold energy， a technical solution is proposed to use the exhaust cold energy produced by the compressed nitrogen piston engine as a refrigeration source for automobile air conditioning. Build a GT-power simulation model based on the improved compressed nitrogen engine of a six-cylinder diesel engine from Weichai， build a Star-ccm+ simulation model based on the original car’s air conditioning heat exchange system， and calculate the exhaust parameters of the compressed nitrogen engine through the engine simulation model. Star-ccm+ simulates the cooling effect of the car compartment after the cold air is fed into the heat exchange system. The simulation results show that the 45°C air drawn in by the fan is cooled by the cold air discharged from the compressed nitrogen piston engine and then passed into the cabin. The temperature in the cabin can be controlled between 22°C and 26°C， and the cooling effect is good.

關鍵詞：氣動發動機;空調系統;數值模擬

Key words： air powered engine;air conditioning system;numerical simulation

中圖分類號：U463.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0022-02

0? 引言

發動機節能減排作為一個世界性課題，研究人員一直在尋找減少碳排放和提高燃燒效率的方法，另外，也在不斷尋找替代能源，比如壓縮空氣[1]。文中提出的壓縮氮氣活塞式發動機具有零污染、可再生和可循環使用的優點，是解決能源危機和環境污染問題的又一突破口[2]。由于氣動發動機在常溫下工作，無需使用特殊的材料制造，在降低制造成本的同時，又實現了整車的輕量化[3]。但氣動發動機輸出功率小、能量利用效率低[4]。而廢氣中的能量損失是能量利用率低的主要原因之一，因此，通過合理的技術方案對工作過程中的大量冷量進行手機，借助換熱系統將其通入客車的空調系統中重新利用，取締原車空調系統，以實現降低功耗提高整車動力性的目標。

1? 發動機模型建立

根據改進后的發動機采集發動機參數，使用GT-power軟件建立發動機仿真模型，計算發動機排放冷氣參數，發動機GT-Power模型見圖1。

2? 換熱器及車內溫度分布數值模擬

2.1 換熱器流固耦合模擬

根據原車換熱器三維模型建立熱交換的CFD仿真模型，冷流參數由氣動發動機GT-power仿真計算結果中獲取。參數見表1。

為更好的捕捉空氣流動特性，計算中流體域邊界層取7層，邊界層總厚度1.5mm，體網格總數為1600萬。計算結果如圖2所示。

換熱器內空氣以約3.5m/s的流速在載有冷流的換熱管間穿叉流動，湍流強度較高且換熱量大，能夠在銅管附近快速完成換熱。仿真計算的模擬環境溫度為45℃，空氣流速為0.583m/s，經過換熱器換熱后，換熱器出口處的空氣溫度可降到18℃，制冷功率約30kW。

2.2 車廂溫度分布數值模擬

車廂內部溫度控制分為內循環和外循環兩種模式。當關閉外循環時，30kW空調功率狀態下車內溫度分布如圖3所示。

由圖3可看出，車內溫度處于22℃至26℃之間，計算結果表明，該空調系統利用排氣冷量來降低車廂內部溫度是可行的。

當打開外循環時，計算了兩種不同通風流量下車內的溫度分布，從圖4-圖5中可看出，通風流量0.0005m3/s時，車內溫度最高為27℃左右;當通風流量0.002m3/s時，車內溫度最高為32℃左右，因此，通風流量控制在不高于0.0005m3/s為宜。

3? 結論

①結果表明，當環境溫度為45℃時，空調出風口的空氣溫度可降低至18℃，該換熱條件制冷功率約30kW。

②在45℃的環境溫度下，關閉外循環時，利用冷卻風機吸入的冷氣通入車廂后，能將車內的溫度控制在22℃至26℃之間，制冷效果良好。

③打開外循環時，通風流量應控制在不高于0.0005m3/s為宜，可將車內溫度控制在22℃至28℃之間。

參考文獻：

[1]Wang YW，You JJ，Sung CK， et. The applicati-ons of piston type compressed air engines on m-otor vehicles. Procedia Eng 2014;79：61-5.

[2]楊靖，陶文祝，何聯格，等.氣動發動機配氣機構設計及優化研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2019，33（07）：1-11.

[3]楊陽.氣動發動機排氣冷量利用方法研究[D].浙江大學，2013.

[4]楊陽，黃瑞，俞小莉.氣動發動機排氣冷量在內燃機冷卻系統中的回收利用研究[J].機電工程，2013，30（11）：1306-1311.