一种气动发动机曲柄连杆机构的仿真性能研究

周晶晶 李振兴 李晶华

摘要：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。

关键词：曲轴；连杆；气动发动机；运动学仿真；发动机性能

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.19.094

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：

x=R+L-Rcosα-Lcosβ=R[1-cosα+1λ（1-cosβ）]（1）

由公式可知，活塞的运动特性是由曲轴转角、曲轴长度、连杆长度和转速组成的函数。将位移对时间求导可以得到活塞的运动速度，活塞运动的加速度可由活塞速度对时间求导求得。利用MATLAB/Simulink中的微分模块，分别对位移和速度进行微分即可求解出活塞的运动规律。仿真时，给定曲柄半径为47mm，初始曲柄连杆比为1/3.5，初始转速为1000r/min，最终得出的活塞运动结果。

1.2新型曲柄连杆机构的结构介绍

新型曲柄连杆机构运动学分析简图传统曲柄连杆机构由曲柄OB、连杆AB以及活塞组件构成，将活塞的往复运动通过作连杆转变为曲柄的旋转运动，从而输出动力。与传统机构相比，新型双连杆机构气动发动机的结构如图2所示，该机构仅在原来的曲柄连杆机构基础上增加了一套曲柄连杆，传统曲柄连杆机构中连杆直接与曲柄相连，这种双连杆结构则是活塞连杆AE与另一连杆DE相连，而与曲柄相连的连杆BC抵押在连杆DE上，连杆DE的底端可通过键连接固定在固定轴上。在双连杆机构中，活塞的往复运动通过连杆AE将力传递给连杆BC，再经连杆BC将力传递给曲柄OC，进而转变为曲柄的旋转运动，输出动力。

1.3新型曲柄连杆机构的数学模型及求解

设活塞行程为x，连杆CB=L1，DE=L2，AE=L3，假设连杆BC在曲轴运转过程中，B点始终沿x轴水平运动，不存在左右摆动现象，且B点为连杆DE的中点。根据图2对该结构进行分析得到活塞的位移为：

为方便对比分析，将该结构和传统结构分别进行运动学分析，设定的曲柄半径及气缸工作容积相同，利用MATLAB/Simulink进行仿真求解，对活塞位移和速度微分即可求出活塞的运动规律如图3～图5。

1.4新型曲柄连杆机构的结构介绍

活塞行程变化规律曲线图4活塞速度变化规律曲线图5活塞加速度变化规律曲线由仿真结果可以看出，该双连杆结构在一定的曲轴转角内活塞位置基本保持不变，该阶段曲轴转角持续进100°，分别位于起始阶段及结束阶段，可根据该阶段的特性，设置为进气行程。此后，随曲轴转角的增加，活塞运动速度迅速上升，促使缸内气体迅速膨胀。

2新型曲柄连杆机构对气动发动机的性能影响

将该结构应用到气动发动机上，通过模拟计算，可以得到该结构下缸内压力、温度以及瞬时输出扭矩的变化规律。假定曲轴转角0-90°为进气阶段，90°-180°为膨胀阶段，180°-360°为排气阶段，进气初始压力为1MPa，转速为1000r/min，两种结构的曲柄半径及气缸工作容积相同。为方便直观的评价该结构对发动机性能的影响，仿真时将该结构与传统结构进行对比，得到结果如图6所示。

图6缸内气体压力变化规律对比图图7缸内气体温度变化规律对比图由仿真结果可知，应用该种曲柄连杆结构的气动发动机，在进气初始阶段，缸内压力快速上升到最大压力，且基本持续在进气压力值内，而应用传统曲柄连杆机构的气动发动机，随着曲轴转角的增大，缸内压力逐渐降低，且最大压力的值低于应用该种双连杆结构的缸内最大压力值。此外，应用该种双连杆结构的气动发动机，其缸内温度、瞬时扭矩的最大值均高于传统结构的发动机，这是因为其最高压力增大的缘故。

3结论与展望

曲柄连杆机构的机构对气动发动机的性能有一定影响，笔者提出的机构有效的使得高压气体的膨胀过程接近等温膨胀，有效的提高了发动机的最大扭矩，发动机工作的最低温度有明显上升，能够有效的避免结霜显现。但曲柄连杆机构在工作过程中，受到周期性变化的激励力作用，有可能在工作转速范围内发生强烈的共振，使得动应力急剧增大，在曲轴的内部产生疲劳裂纹而导致曲轴过早的出现弯曲疲劳和扭转疲劳破坏，因此研究其受力的变化及影响有重要意，因此，下一步有必要对该结构进行静力学分析，针对气动发动机的工作特点，对该结构进行疲劳极限分析，并对曲柄连杆的各项参数、尺寸进行优化设计，得到稳定性更好地产品。