发动机压缩空气再生制动理想热力循环分析

王 雷，李道飞，徐焕祥，樊之鹏，俞小莉

(浙江大学动力机械及车辆工程研究所，杭州 310027)

发动机压缩空气再生制动理想热力循环分析

王 雷，李道飞，徐焕祥，樊之鹏，俞小莉

(浙江大学动力机械及车辆工程研究所，杭州 310027)

车辆制动能量的回收利用有利于改善整车的经济性，而基于传统内燃机的气动-内燃混合动力技术有望实现制动能量的高效、低成本回收利用．以城市路况运行车辆为应用对象，基于传统四冲程发动机提出了3种发动机压缩空气再生制动能量回收方案．通过建立3种方案共同的理想热力学循环，以可回收气体的最大压力、单位排量每循环回收气体质量、循环性能系数(COP)和循环平均指示压力为评价指标，对制动循环进行了分析．结果表明：增大压缩比、减小排气管缓冲腔容积与排量比或者减小排气门开启提前角均可以提高回收气体的最大压力，在机械结构允许的条件下，应尽可能减小排气管缓冲腔的容积；在制动过程中，减小排气门开启提前角可获得较高的循环平均指示压力和气体回收质量；随着气罐背压的增加，控制排气门开启提前角由大变小，可获得最佳的制动循环性能；理论上，二冲程制动循环COP与四冲程制动循环相同，但二冲程制动循环气体回收质量流量和制动功率为四冲程制动的2倍．

发动机制动；压缩空气；能量回收

车辆在市区工况行驶过程中，频繁起-停消耗了很大一部分的能量．根据某典型轿车的能量消耗分布计算，在FTP75(federal test procedure 75)城市工况下，因制动而消耗的能量占到了牵引能量的55%[1]．因此，实施制动能量回收是提高燃油经济性的重要技术途径．

目前常用的发动机制动方式是在排气门上加装一个执行机构，使排气门在发动机压缩行程后期小幅开启(升程约1～2,mm)，以释放缸内压缩气体，减少缸内气体在膨胀行程对活塞的做功量，产生发动机制动力[2]．但这种发动机制动仅起到车辆缓速的效果，没有能量回收功能．

气动-内燃混合动力车辆的一个主要优点就是能够实现制动能量回收．通过适当的改造，在车辆制动时，发动机以制动循环模式工作，将车辆动能转化为压缩空气储能；在车辆驱动时，回收的压缩空气可用于车辆起动、低速驱动以及发动机进气增压，同时可实现节能减排，因而具有较好的应用前景和实用价值[3-7]．

目前，大多数的研究人员采用无凸轮全可变气门机构对发动机进行改造，实现混合动力不同工作模式的切换[8-14]．但无凸轮全可变气门机构复杂、成本高，距离实际应用还需要一定的时间．此外，Zhao等[15-17]借助发动机制动执行机构提出了一种低成本的制动能量回收技术，该技术对发动机进气系统改动较大，可能会影响发动机正常进气．

笔者以传统的发动机排气辅助制动为基础，提出了从排气管回收压缩空气的方法，探讨了发动机二冲程制动和四冲程制动的技术方案，并对制动过程进行了理想热力循环分析．

1 压缩空气再生制动原理

笔者研究的发动机压缩空气再生制动基于传统四冲程发动机进行改造，适用于在城市路况中运行的车辆，如公交车、出租车等．如图1所示，按照工作循环的行程数区分，有四冲程循环制动和二冲程循环制动，其中，四冲程制动方式又因压缩空气回收行程的不同，可分为压缩行程回收和排气行程回收．不同制动循环的进排气门及充气阀开闭规律如图2所示．

基于排气行程回收的四冲程制动方案不需要对发动机缸盖进行改动，只需在排气管中安装蝶阀和气体回收管路，回收管路再通过充气阀及管路连接至储气罐．发动机正常工作时，排气管中蝶阀打开、充气阀关闭；发动机制动工作时，控制器切断燃油供给，同时关闭蝶阀，在排气行程某时刻开启充气阀，使缸内气体进入储气罐．

基于压缩行程回收的四冲程制动方案在安装排气蝶阀和气体回收管路的基础上，另外需要采用排气门执行机构．发动机在制动工作时，控制器切断燃油供给、关闭排气管蝶阀，并激活排气门执行机构，使排气门在发动机压缩行程后期小幅开启，并且保持开启状态至排气行程结束，同时在压缩行程某时刻开启充气阀，回收压缩空气．

图1 发动机压缩空气再生制动系统示意Fig.1Schematic diagram of engine air compression regenerative braking system

图2 不同制动循环进排气门及充气阀开闭规律Fig.2 Valve strategies of different braking cycle schemes

二冲程制动方案对发动机原有配气机构改动较大，笔者提出采用第2套凸轮实现制动工作的方案．在发动机制动工作时，控制器切断燃油供给，通过凸轮切换机构实现发动机模式凸轮向制动模式凸轮的切换，同时配合排气管中的蝶阀和充气阀，在排气行程将气体回收．

上述改造只针对制动循环，原有工作循环保持不变．由工作循环切换为制动循环时，控制器首先切断燃油供给，使发动机处于熄火状态，之后切换配气方案，最后关闭排气蝶阀，整个动作经历约2、3个循环的中间过渡状态，可使原有工作循环中的高温废气排出．

2 热力循环建模

在分析发动机压缩空气再生制动循环过程中，为了解气体回收特性和循环指示特性，需要对实际循环进行简化，采用典型的热力过程来表示制动工作过程，使其便于建立数学模型，因此做出如下假设：①工质为理想气体；②缸内气体和排气管缓冲腔内气体各状态参数分布均匀；③进排气门的开启和关闭瞬时完成，气体进出气门无节流损失；④缸内气体以压力能和热能的形式存在，不考虑摩擦损失；⑤缸壁活塞都为绝热壁面，同时不考虑漏气损失．设发动机压缩比为ε，排量为Vd，排气管缓冲腔容积为Vexh，Vexh与Vd之比为γ，进气压力与气罐压力之比为ρ，p、T、m和V分别为工质的压力、温度、质量和体积，W为输出功，cV、cp、k分别为理想气体比定容热容、比定压热容和比热比．在上述假设之下，前文所提的3种制动方案尽管具体的实现方法不同，但在理想情况下制动过程都包含了同一种热力循环．图3为所述理想热力循环p-V图．

图3中1—2为进气过程，可视为理想的定压绝热过程，初始压力和温度与进气状态相同，分别为p1、T1，由变质量系统热力学理论[18]得

图3 发动机压缩空气制动缸内示功图Fig.3 Indicator diagram of engine air compression braking

2—5为压缩过程：其中2—3过程缸内气体质量不变，为绝热压缩过程，可得

3—4为排气门打开瞬间缸内气体与排气管缓冲腔内气体混合过程，假设混合前排气缓冲腔内气体压力、温度与1点相同，由m3,u3+mexhuexh=m4,u4得

如果p4小于p5，则4—5为缸内气体与排气管缓冲腔内气体共同压缩过程，5点处缸内气体压力等于气罐压力，可得

5—6为充气过程，视为定压绝热过程，可得

6—1为等容过程，缸内剩余气体在进气门开启瞬间排至大气．

综合上述公式，循环指示功可表示为

式中：λ为排气门开启时刻对应的缸内容积(V3)与排量Vd之比，其与排气门开启角之间的关系为

φ为排气门开启时曲轴转角(上止点前0°～180°)；τ为发动机曲柄连杆比．

每循环回收的气体质量为

回收至气罐的能量可表示为

当混合后缸内气体压力p4超过气罐压力(p5)时，压缩过程4—5不存在，此时可用一个定容放气过程来代替，如图4所示．

图4 低气罐背压下缸内示功图Fig.4 Indicator diagram at low tank pressure

由绝热放气过程热力学关系式，可得

相应地，可计算得到循环指示功W′、回收质量Δm′和回收能量H′为

经推导得Δm’=Δm．

3 循环性能计算

发动机压缩空气再生制动理想热力循环类似于热泵循环，本文借用热泵循环性能系数(coefficient of performance，COP)定义制动循环热力学性能，即

除此之外，以回收气体的最大压力和每循环回收的气体质量来评价压缩空气回收能力，以平均指示压力来评价循环吸收功的能力．计算过程中以290F发动机为原型机，其压缩比为19，单缸排量为477,cm3，曲柄连杆比为0.333．

3.1 回收气体的最大压力

当气罐压力超过缸内所能达到的最大压缩压力时，制动过程停止回收压缩气体．缸内最大压缩压力的极限在V5到达V6时实现．由此计算得到不同压缩比ε、排气管缓冲腔容积与排量比γ和排气门开启提前角下回收气体的最大压力

图5所示为排气门开启角度固定(上止点前90°)时回收气体的最大压力，显而易见：压缩比越大，排气管缓冲腔容积与排量比γ越小，则回收的气体最大压力越大．随着γ值的增加，压缩比对最大回收压力影响减弱．

图5 回收气体的最大压力(排气门在上止点前90°开启)Fig.5Maximum pressure of regenerated compressed air(EVO at 90° before TDC)

在固定压缩比(19)条件下，如图6所示，随着排气门开启提前角的减小，回收气体的最大压力逐渐上升；并且存在一个角度(图中约70°)，当排气门开启提前角大于这个角度(70°)时，开启角对回收气体的最大压力影响微弱；而当小于70°时，开启角对回收气体的最大压力影响逐步增强(表现为曲线斜率的增加)．

由此可见，对于发动机压缩空气再生制动，压缩比、排气管缓冲腔容积的大小和排气门开启提前角共同影响着回收气体的最大压力．实际设计过程中，发动机排量、压缩比等参数固定，需要结合具体结构并根据上述关系合理选择排气管缓冲腔容积与排量比γ值和排气门开启提前角．综合图5和图6，γ值选为0.2较为合适．

图6 回收气体的最大压力(ε=19)Fig.6 Maximum pressure of regenerated compressed air (ε=19)

3.2 每循环回收的气体质量

在发动机压缩空气再生制动过程中，气罐内压力不断累积，如果考虑气罐内气体等温变化，则回收的能量取决于回收的气体质量．根据第2节推导结果可求出每循环回收的气体质量．假设大气温度为300,K，理想气体常数为287,J/(kg·K)．为使每循环的气体回收质量更具普遍性，计算时将其除以发动机的排量，得到单位排量的气体回收质量．图7所示为发动机压缩比19、排气管缓冲腔容积与排量比为0.2时，单位排量每循环回收的气体质量变化情况．随着气罐背压的增加，循环回收的气体质量减小，减小排气门开启提前角则有利于气体的回收．在相同发动机转速下，由于二冲程制动每循环时间为四冲程制动的1/2，因此，二冲程制动气体回收的质量流量理论上为四冲程制动的2倍．

图7 单位排量每循环回收的气体质量(ε=19，γ=0.2)Fig.7 Regenerated compressed air mass per cycle/displacement(ε=19，γ=0.2)

3.3 循环COP

根据式(20)对COP的定义，计算得到不同气罐背压和排气门开启提前角下的循环性能系数．如图8所示，在发动机压缩比为19、排气管缓冲腔容积与排量比为0.2条件下，随着气罐背压的增加，COP逐渐减小．在低气罐背压下，增大排气门开启提前角有利于能量回收，而在较高气罐背压条件下，减小排气门开启提前角有利于能量回收．因此，在发动机压缩空气制动过程中，需要控制排气门开启提前角由大变小，才能获得最佳的COP．

图8 循环性能系数对比(ε=19，γ=0.2)Fig.8 Cycle coefficient of performance(ε=19，γ=0.2)

3.4 循环平均指示压力

平均指示压力可表示为

由图9可见，发动机压缩比选为19、排气管缓冲腔容积与排量比选为0.2的条件下，制动循环平均指示压力随着气罐背压的增加而增加，同时随着排气门开启提前角的减小而增大．如果在低气罐背压条件下期望获得较高的制动功率，则要控制排气门开启提前角靠近压缩上止点．在相同的循环平均指示压力条件下，由于二冲程制动循环时间为四冲程制动的1/2，因此二冲程发动机制动的功率为四冲程制动的2倍．

图9 平均指示压力变化(ε=19，γ=0.2)Fig.9 Indicated mean effective pressure(ε=19，γ=0.2)

4 二冲程制动初步试验

针对二冲程制动，设计了制动模式凸轮，对发动机其中一缸进行改造，开展了单缸发动机压缩空气制动初步试验．试验样机参数如表1所示．

表1 试验样机参数Tab.1 Parameters of the tested engine

图10为2组不同大小排气管缓冲腔容积下的发动机压缩空气制动气体质量回收特性，720°曲轴转角记为一个循环．发动机转速为1,200,r/min，由图10可见，单位排量每循环的气体回收质量随着气罐背压的增加而减小，证实排气管缓冲腔容积较小时的回收情况优于较大时的情况．由图11可见，大、小2种排气管缓冲腔容积下的最大回收气体压力分别约为0.6,MPa和0.7,MPa．图12为排气管缓冲腔容积为80,cm3、排气门开启提前角180°时的发动机压缩空气制动实测与理想的缸内示功图，图中实测压缩过程曲线与理想循环趋势相符合．经过拟合，实测压缩过程线的多变指数约为1.39，接近绝热指数1.4，表明实际压缩过程接近绝热压缩．

图10 气体质量回收特性实测值(1,200,r/min)Fig.10 Compressed air recycling characteristics at 1,200,r/min

图11 气罐内气体压力累积实测值(1,200,r/min)Fig.11 Air accumulation pressure in the tank at 1,200,r/min

图12 缸内实测示功图(1,200,r/min，pt=0.7,MPa)Fig.12 Tested indicator diagram in the tank at 1,200,r/min，pt=0.7,MPa

5 结 论

(1) 压缩比、排气管缓冲腔容积与排量比和排气门开启提前角3个因素共同影响着回收气体的最大压力．增大压缩比、减小排气管缓冲腔容积与排量比或者减小排气门开启提前角均可以提高回收气体的最大压力．实际设计中，在机械结构允许的条件下，应尽可能减小排气管缓冲腔的容积．

(2) 在确定结构参数(压缩比、排气管缓冲腔容积)后，减小排气门开启提前角可获得较高的循环平均指示压力和气体回收质量．

(3) 在低气罐背压条件下，排气门开启提前角越小，循环性能系数COP越小；在高气罐背压条件下，排气门开启提前角越小，循环性能系数COP越大．因此，随着气罐背压的不断上升，控制排气门开启提前角由大变小，可获得最佳的制动循环性能(COP)．

(4) 二冲程制动循环性能系数(COP)与四冲程制动循环相同，但二冲程制动循环气体回收质量流量和制动功率在理论上是四冲程制动循环的2倍．

3种制动方案中，二冲程制动方案改造成本最高，基于排气冲程回收的四冲程制动方案改造成本最小．实际应用中，需要同时考虑制动需求和改造成本来选择具体的制动方案．

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(责任编辑：金顺爱)

Thermodynamic Analysis of Engine Air Compression Cycle for Regenerative Braking

Wang Lei，Li Daofei，Xu Huanxiang，Fan Zhipeng，Yu Xiaoli
(Power Machinery and Vehicular Engineering Institute，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Braking energy regeneration is beneficial to the improvement of vehicle fuel economy. Among many regenerative braking approaches，air hybrid engine, which is based on conventional internal combustion engine，could realize braking energy recovery with high efficiency and low cost. Based on the conventional 4-stroke internal combustion engine，three engine compression regenerative braking approaches were proposed for air hybrid engines aiming to be applied to urban driving situations. The common ideal thermodynamic cycle was established，and the maximum regenerated air pressure，indicated mean effective pressure(IMEP)，coefficient of performance(COP)，and regenerated air mass per displacement were selected to analyze the cycle characteristics. The results show that higher compression ratio，smaller ratio of exhaust chamber to engine displacement or closer exhaust valve opening(EVO)angle before TDC(BTDC)could enhance the maximum regenerated air pressure. Considering the limitation of mechanical structure，the exhaust chamber volume should be designed as small as possible. During the process of regenerative braking，reducing the exhaust valve opening angle could obtain higher IMEP and larger compressed air quantity. With the increase of tank pressure，the EVO BTDC should be controlled from a big magnitude to a small one if the optimal COP is considered. 2-stroke regenerative braking has the same COP as 4-stroke case theoretically，while the regenerated air mass flow rate and the indicated power are twice as much as those of 4-stroke case.

engine braking；air compression；energy recovery

TK401

A

0493-2137(2014)01-0021-07

10.11784/tdxbz201305073

2013-05-31；

2013-06-28．

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2011CB707205)；国家自然科学基金资助项目(50976104).

王 雷（1987— ），男，博士研究生，zjuwl@zju.edu.cn.

李道飞，dfli@zju.edu.cn.