動(dòng)力系統(tǒng)導(dǎo)論

應(yīng)用有效能分析方法，對(duì)氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的有效能消耗進(jìn)行了分析，通過(guò)仿真計(jì)算，得到各環(huán)節(jié)的能耗值。分析結(jié)果表明：節(jié)流減壓有效 能損耗約占50%；吸熱量很小的情況下，動(dòng)力系統(tǒng)的輸出的機(jī)械能只占總能量的20%左右，而按理想等溫膨脹，輸出的機(jī)械能可以達(dá)到總能量的40%。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)有效能分析

有效能 (火用 ) 是在給定的環(huán)境條件下任何形態(tài)的能量最大限度能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰?，代表著能量中量和質(zhì)統(tǒng)一的部分。有效能分析法的本質(zhì)是結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律，從能量的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度出發(fā)，分析揭示能量中的有效能的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失的情況。采用有效能分析方法對(duì)氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以正確、全面地評(píng)價(jià)系統(tǒng)能源利用率，對(duì)節(jié)能潛力做出正確的判斷，根據(jù)有效能損失的原因找出節(jié)能的正確措施，提高動(dòng)力系統(tǒng)的能量利用率。

工作過(guò)程如下：氣源中的高壓空氣通過(guò)節(jié)流閥減壓至發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣，在發(fā)動(dòng)機(jī)中膨脹，壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對(duì)外輸出機(jī)械功，在工作循環(huán)結(jié)束時(shí)以一定殘余壓力排放至大氣。

從有效能的角度分析，氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的能量來(lái)自于車載儲(chǔ)氣瓶中高壓空氣的有效能。系統(tǒng)工作過(guò)程中，一部分通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹做功轉(zhuǎn)化為汽車的驅(qū)動(dòng)力得到有效利用，其余則在動(dòng)力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)損失掉。有效能損失的環(huán)節(jié)包括：高壓氣體通過(guò)氣動(dòng)管路時(shí)氣體與管壁摩擦引起的有效能損失；氣體通過(guò)減壓閥節(jié)流減壓過(guò)程中的有效能損失；氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)膨脹做功過(guò)程中的有效能損失，包括泄漏損失、熱力過(guò)程不可逆損失、尾氣排放損失等。其中，氣體與管壁摩擦引起的有效能損失很少，且與具體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)能效分析

氣動(dòng)汽車的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是高壓氣體的減壓過(guò)程：壓力為p₁的高壓空氣經(jīng)過(guò)減壓閥節(jié)流減壓到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力 (p₂ )，在氣缸內(nèi)膨脹對(duì)外輸出能量，最后以壓力為p_g的尾氣排放出去。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的有效能消耗

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中難免存在一定的泄漏，因此氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程屬于變質(zhì)量熱力過(guò)程，應(yīng)該用變質(zhì)量熱力學(xué)進(jìn)行分析：根據(jù)變質(zhì)量熱力過(guò)程熱力學(xué)基本關(guān)系式，推導(dǎo)出過(guò)程方程，引入過(guò)程多變指數(shù)，可以得到有漏氣膨脹過(guò)程中參數(shù)變化規(guī)律及輸出功量的表達(dá)式。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)能效分析計(jì)算示例

由的分析可以定量計(jì)算各環(huán)節(jié)有效能消耗的情況。例如，取p₁=30MPa，p₂=2.0MPa，p_a=0.2MPa，p₀=0.1MPa，T₀=300K，漏氣系數(shù)ξ=0.1，空氣絕熱指數(shù)k為1.4，空氣氣體常數(shù)R為0.287kJ/(kg K)，節(jié)流損失引起的有效能損失占很大一部分比重，約為48%。在吸熱量很小的情況下，動(dòng)力系統(tǒng)輸出的機(jī)械能只占總能量的20%左右。而按理想等溫膨脹 (T_g=T₀，n=1- k)，則可以達(dá)到40%左右。不同吸熱量的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功變化曲線。可以看到，隨著吸熱量的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功接近線性增加。因此，設(shè)計(jì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)膨脹過(guò)程中氣體的吸熱，使其盡可能接近等溫膨脹，增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功。

應(yīng)用熱力學(xué)理論和分析方法，對(duì)氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)在工作過(guò)程中能量損失情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，由于節(jié)流、泄漏和高壓尾氣排放等原因，在高壓減壓閥和氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)環(huán)節(jié)存在損失。運(yùn)用平衡方程對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)中的損失進(jìn)行計(jì)算，建立了系統(tǒng)的分析數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)一氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)例，應(yīng)用該模型仿真計(jì)算得到了系統(tǒng)的流圖，圖示結(jié)果表明，最終做功輸出的不到總有用能量的1/3，尾氣排放、節(jié)流減壓和泄漏等原因引起的 損失分別達(dá)43.2%、18.3%和7.8%，對(duì)系統(tǒng)整體效率有較大的影響。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)工作過(guò)程

氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由車載高壓儲(chǔ)氣罐組、高壓減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和串連這些部件的管道等組成，其工作過(guò)程中能量流動(dòng)的情況如。車載高壓儲(chǔ)氣罐組中的高壓空氣流出氣罐后通過(guò)節(jié)流閥減壓至設(shè)定的壓力，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣。隨后的流量調(diào)節(jié)閥用于控制進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的氣體流量，以此調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，適應(yīng)不同工況的要求。在氣缸中膨脹做功的氣體的壓力并不能最終降低到大氣壓力，而是以一定的殘余壓力在工作循環(huán)結(jié)束時(shí)通過(guò)排氣門排放至環(huán)境中。

氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的幾乎所有能量來(lái)源于車載氣罐組中高壓氣體的壓力能，還有部分能量來(lái)源于高壓氣體經(jīng)過(guò)熱交換器時(shí)從環(huán)境中吸收的熱量。氣體從氣罐出來(lái)后所經(jīng)過(guò)的各個(gè)環(huán)節(jié)均存在不同的能量損失情況，主要有流過(guò)管路和接頭等處時(shí)壁面摩擦引起的能量損失；高壓減壓閥減壓過(guò)程中氣體狀態(tài)不可逆變化過(guò)程引起的能量損失；氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的膨脹做功過(guò)程，存在泄漏、尾氣帶壓排放等情況，是不可逆過(guò)程，也將引起能量損失。以上環(huán)節(jié)是進(jìn)行分析的重點(diǎn)，考慮到氣體的黏性很小，且管道長(zhǎng)度較短，氣體與管壁摩擦引起的損失可以忽略，同時(shí)，流量調(diào)節(jié) 閥由于一般通 徑較大，對(duì)氣體狀態(tài)影響較小，引起的能量損失也較小。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的損失

以往復(fù)活塞式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在理想的工作過(guò)程中氣缸內(nèi)氣體壓力的變化，1點(diǎn)(上止點(diǎn))進(jìn)氣沖程開始，進(jìn)氣門開啟，缸內(nèi)壓力迅速上升到進(jìn)氣壓力pin，并繼續(xù)向氣缸內(nèi)進(jìn)氣，進(jìn)爾推動(dòng)活塞下行，對(duì)外做功。當(dāng)活塞運(yùn)行到由設(shè)定的膨脹比確定的位置3時(shí)，進(jìn)氣門關(guān)閉，封閉在氣缸中的高壓氣體開始膨脹，壓力能釋放，并繼續(xù)推動(dòng)活塞

下行對(duì)外做功。當(dāng)活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)4時(shí)，排氣門開啟，缸內(nèi)氣體向外排出，壓力降低到大氣壓p0，之后到達(dá)下止點(diǎn)5，活塞上行將缸內(nèi)殘余氣體排出回到上止點(diǎn)1，完成一個(gè)工作循環(huán)。在這個(gè)過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)和膨脹比有限等原因，不可避免地存在一定的泄漏、尾氣排放壓力較高等情況，氣體經(jīng)歷了一個(gè)不可逆熱力學(xué)過(guò)程，損失較大。以下對(duì)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)內(nèi) 損失情況進(jìn)行分析。

在進(jìn)氣過(guò)程中，由于氣缸內(nèi)氣體壓力和溫度保持不變，泄漏引起的 損失是泄漏氣體自身具有的，為了研究泄漏的影響，

進(jìn)氣門關(guān)閉后氣體在膨脹階段膨脹做功，由于一般發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，一個(gè)工作循環(huán)中吸熱量相對(duì)很小，對(duì)輸出功的影響可以忽略，因此膨脹過(guò)程可視為絕熱膨脹。由于有泄漏的存在，氣缸內(nèi)氣體的狀態(tài)變化并不等同于定質(zhì)量系統(tǒng)絕熱變化過(guò)程，是一個(gè)變質(zhì)量熱力過(guò)程。變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)研究表明，引入過(guò)程多變指數(shù)，可以推導(dǎo)得到有泄漏存在時(shí)絕熱變化過(guò)程中氣體狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。

氣動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)分析仿真計(jì)算

由分析建立的氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)分析模型可知，由于氣罐中氣體的溫度在系統(tǒng)工作過(guò)程中不保持恒定，將會(huì)影響到后續(xù)環(huán)節(jié)損失的計(jì)算，需要在整個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行積分計(jì)算?；谝陨夏Ｐ途帉懥藬?shù)值計(jì)算程序，對(duì)不同工作情況下系統(tǒng)的損失進(jìn)行了仿真計(jì)算。

選取如下氣動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)：初始?jí)毫?0MPa，總?cè)莘e為300L，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力為1.5MPa，發(fā)動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，總排量為0.8L，膨脹比為1.7，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣階段泄漏系數(shù)為0.08，膨脹階段泄漏系數(shù)為0.05，空氣絕熱指數(shù)為1.4，空氣氣體常數(shù)為0.287kJ/(kgK)，計(jì)算得到系統(tǒng)流程圖。

由計(jì)算結(jié)果可以看到，由于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)膨脹比較小，尾氣壓力排放較高，損失了大量的，同時(shí)經(jīng)歷過(guò)程為絕熱過(guò)程。溫度低于環(huán)境壓力的進(jìn)氣所具有的冷量 也隨之損失，因此尾氣排放時(shí)的損失最多，占到接近總量的一半。其次是高壓減壓閥節(jié)流產(chǎn)生的損失，占到接近總量的1/5，且隨減壓比的提高而增大。泄漏損失在 損失的總量中雖然較小，但隨泄漏系數(shù)的增大將迅速增大。因此，由以上多方面原因造成的 損失，最后可用于做功輸出的不到總量的1/3。

材料導(dǎo)論課程背景

材料學(xué)科發(fā)展迅速，為材料類專業(yè)教育適應(yīng)國(guó)際化帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。材料科學(xué)與工程是科技發(fā)展的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，材料已用于各領(lǐng)域。 為了解決材料類型、材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能、材料的制備、討論材料的前沿發(fā)展等一系列問(wèn)題，北京化工大學(xué)開設(shè)了材料導(dǎo)論課程。

材料導(dǎo)論課程定位

材料導(dǎo)論課程采用中英雙語(yǔ)講授，使學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)材料科學(xué)與工程的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)積累材料學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)英語(yǔ)知識(shí)，培養(yǎng)、提高學(xué)習(xí)者在材料科學(xué)與工程專業(yè)領(lǐng)域的國(guó)際交流能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)知識(shí)、了解材料科學(xué)前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)、在中國(guó)國(guó)內(nèi)外進(jìn)行進(jìn)一步的深造和科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。課程設(shè)置和學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的材料領(lǐng)域高素質(zhì)創(chuàng)新人才。

材料導(dǎo)論適應(yīng)對(duì)象

材料導(dǎo)論課程適用于材料相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生，作為專業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行學(xué)習(xí)；適用于機(jī)械、電子、環(huán)境、生物工程等其他相關(guān)專業(yè)方向的本科生，作為選修課進(jìn)行學(xué)習(xí)；也適用于具有一定材料科學(xué)基礎(chǔ)及材料性能相關(guān)知識(shí)的社會(huì)人士進(jìn)行學(xué)習(xí)。