栗波

摘要：针对压缩氮气活塞式发动机的排气蕴含大量冷量的突出优点，提出了利用压缩氮气活塞式发动机产生的排气冷量作为汽车空调制冷源使用的技术方案。基于潍柴某六缸柴油发动机改进后的压缩氮气发动机搭建GT-power仿真模型，基于原车空调换热系统搭建Star-ccm+仿真模型，通过发动机仿真模型计算出压缩氮气发动机的排气参数，使用Star-ccm+模拟冷气通入换热系统后对车厢的制冷效果。仿真结果显示，风机吸入的45℃空气经压缩氮气活塞式发动机所排出的冷气冷却后通入车厢，可将车厢内温度控制在22℃至26℃之间，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.

关键词：气动发动机;空调系统;数值模拟

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

中图分类号：U463.1                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0022-02

0  引言

发动机节能减排作为一个世界性课题，研究人员一直在寻找减少碳排放和提高燃烧效率的方法，另外，也在不断寻找替代能源，比如压缩空气[1]。文中提出的压缩氮气活塞式发动机具有零污染、可再生和可循环使用的优点，是解决能源危机和环境污染问题的又一突破口[2]。由于气动发动机在常温下工作，无需使用特殊的材料制造，在降低制造成本的同时，又实现了整车的轻量化[3]。但气动发动机输出功率小、能量利用效率低[4]。而废气中的能量损失是能量利用率低的主要原因之一，因此，通过合理的技术方案对工作过程中的大量冷量进行手机，借助换热系统将其通入客车的空调系统中重新利用，取缔原车空调系统，以实现降低功耗提高整车动力性的目标。

1  發动机模型建立

根据改进后的发动机采集发动机参数，使用GT-power软件建立发动机仿真模型，计算发动机排放冷气参数，发动机GT-Power模型见图1。

2  换热器及车内温度分布数值模拟

2.1 换热器流固耦合模拟

根据原车换热器三维模型建立热交换的CFD仿真模型，冷流参数由气动发动机GT-power仿真计算结果中获取。参数见表1。

为更好的捕捉空气流动特性，计算中流体域边界层取7层，边界层总厚度1.5mm，体网格总数为1600万。计算结果如图2所示。

换热器内空气以约3.5m/s的流速在载有冷流的换热管间穿叉流动，湍流强度较高且换热量大，能够在铜管附近快速完成换热。仿真计算的模拟环境温度为45℃，空气流速为0.583m/s，经过换热器换热后，换热器出口处的空气温度可降到18℃，制冷功率约30kW。

2.2 车厢温度分布数值模拟

车厢内部温度控制分为内循环和外循环两种模式。当关闭外循环时，30kW空调功率状态下车内温度分布如图3所示。

由图3可看出，车内温度处于22℃至26℃之间，计算结果表明，该空调系统利用排气冷量来降低车厢内部温度是可行的。

当打开外循环时，计算了两种不同通风流量下车内的温度分布，从图4-图5中可看出，通风流量0.0005m3/s时，车内温度最高为27℃左右;当通风流量0.002m3/s时，车内温度最高为32℃左右，因此，通风流量控制在不高于0.0005m3/s为宜。

3  结论

①结果表明，当环境温度为45℃时，空调出风口的空气温度可降低至18℃，该换热条件制冷功率约30kW。

②在45℃的环境温度下，关闭外循环时，利用冷却风机吸入的冷气通入车厢后，能将车内的温度控制在22℃至26℃之间，制冷效果良好。

③打开外循环时，通风流量应控制在不高于0.0005m3/s为宜，可将车内温度控制在22℃至28℃之间。

参考文献：

[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]杨靖，陶文祝，何联格，等.气动发动机配气机构设计及优化研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2019，33（07）：1-11.

[3]杨阳.气动发动机排气冷量利用方法研究[D].浙江大学，2013.

[4]杨阳，黄瑞，俞小莉.气动发动机排气冷量在内燃机冷却系统中的回收利用研究[J].机电工程，2013，30（11）：1306-1311.