液氮发动机试验及的效率分析Word下载.docx
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shouldbeabandonedandmultistagecycleshouldbeadoptedwereproposedtoachievehighefficiencyofliq—
uidnitrogenpropulsionsystem.
Keywords:
liquidnitrogenpoweredengine;
experimentalstudy;
entropyanalysis;
greencar
液氮动力汽车作为绿色汽车一种实现方案的概
念开发,虚拟设计及优化已有多篇文章发表.但
是液氮发动机的实际运行状况及性能,还未见有相
关的报道.本文介绍了本实验室的液氮发动机试验
收稿日期:
2006—10—18.浙江大学(工学版J网址:
WWW
基金项目:
国家教育部博士点专项基金资助项目(20020335079).
作者简介:
刘林(1977一),男,山东威海人,博士生,从事车辆动力能源多元化方向研究.E—mail:
meliulin@tom.COrn
通讯联系人:
俞小莉,女,教授,博导.E—mail:
Yuxl@
第5期刘林,等:
液氮发动机实验及效率分析
台架和所测试的液氮发动机的动力性能和经济性
能,并应用熵分析的方法讨论了液氮发动机性能提2试验结果
高的空间.
1系统介绍
液氮动力系统的功能是实现和控制常压的低温
液氮转变成常温高压的氮气,并通过气动发动机,将
高压氮气的压力能转变成机械能,实现动力输出.相
应的试验台架见图1.图中传感器”ZS”用于测量发动
机正时信号;
”n-1”为发动机转速传感器;
标识”T”和
“P”为温度和压力传感器.表l为所用仪器说明.
试验用气动发动机由S185柴油机改造而成.鉴
于气动发动机二冲程的工作方式,同时为了避免高压
气体在发动机运行过程中直接通过排气门进人大气,
对发动机的配气机构和气缸盖进行了特别的设计].
卜液氮储罐及升压换热器;
2-蒸发换热器;
3-稳压箱;
4一气动发动机;
5-测功机;
6-计算机数据采集与处理系统
图1气动发动机试验台架组成示意图
Fig.1Layoutofenginetestbenchandmeasurementlo—
cations
表1试验设备列表
Tab.】I,istoftestdevices
试验设备名称具体型号
温度传感器T1
温度传感器T2,3
温湿度传感器Tw1
压力传感器P一1
压力传感器P~2
质量流量传感器M1
齿盘信号传感器n一1
气门正时信号ZS一1
数据采集卡
空温汽化器
液氮储罐
北京威斯特中航SBWZ(一200~150C)
北京威斯特中航SBWZ(一50~30℃)
余姚长江仪表CWH—Dz一03
上海奇正PT110—3—16(0~1.6MPa)
江苏联能CY—YD一205A(&
lt;
4.5MPa)
上海华强HQ981—50—212112
重庆高通HE16
光电式传感器
北京阿尔泰科技USB2013
宁波明欣QQ160—16—00
宁波明欣DP160
单相流体在换热器及管路中流动时,需要3个
变量即温度,压力,质量流量以决定其状态.对于气
动发动机而言,确定其状态也需要3个变量,即进气
温度,压力和发动机转速.进入气缸气体的质量可以
表示为
—
f3(户,T,).
式中:
户,T.是压缩空气的压力和热力学温度,为
发动机转速.
管路和发动机连接起来的系统只需要3个自由
变量,即压力,温度和发动机的转速这3个变量就可
以确定表征系统运行状态与性能的其他指标.对于
本系统,由于换热器的过余设计,稳压箱内气体的温
度基本不随发动机工况的改变而改变,因此试验数
据的处理以进气压力和转速作为基本变量,来研究
其对发动机动力性和经济性的影响规律.试验先保
持进气压力不变,调节发动机的转速由低到高变化;
然后保持发动机转速不变,调节进气压力由低到高
变化,通过图l中的传感器测试相关量,计算出所需
要的量并进行分析.由于气液两相系统的复杂性以
及各种干扰因素,很难保证多次试验的进气压力或
者转速完全相同.以下所说的压力相同的误差为±
0.05MPa,相同转速的误差为±
10r/min.
2.1气动发动机的输出功率与基本变量的关系
图2和3表征了进气压力.发动机的转速和输
出功率三者之间的关系.从图2中可以看出,在相
同的进气压力下,发动机的输出功率随转速的增加
呈现先增加后减小的趋势,即一定的进气压力下,存
在一个对应输出功率最大的转速.图3中各转速下
的曲线相互黏合在一起,说明转速对功率的影响远
小于进气压力对输出功率的影响.进气压力与发动
机的输出功率基本呈正比关系,说明控制进气压力
200400600800l000l200l400
n/(r?
min..1
图2相同进气压力下,发动机转速同输出功率间的关系
Fig.2Variationsofengineefficiencywithenginespeed
insameinletpressure
如∞如加m∞鲫加鲫如
}}
—童
浙江大学(工学版)第41卷
图3相同转速下.进气压力同输出功率间的关系
Fig.3Relationshipbetweenpowerandinletpressure
withconstantenginespeed
即可控制发动机的输出功率.对于本系统的发动机,
将所测得的数据进行线性拟合,得出进气压力每增
加1MPa输出功率增加1700W.
2.2气动发动机的热力学第二效率随基本变量
的变化规律
提高液氮可用能的利用率依赖于换热器管路和
气动发动机两部分的效率.气动发动机部分的能量
利用完善程度是通过发动机的热力学第二效律表示
出来的,它定义为
一发动机的输出功
』输人发动机的总可用能.
气动发动机的热力学第二效率随发动机的转速
和进气压力的变化如图4和5所示.从图中可以得
出4点结论:
(1)发动机存在一个最佳转速600r/
min,该转速下的效率远高于其他转速下的效率,当
0.2MPa时该效率可以达到80,压力升高后可以
达到50;
(2)在最佳转速600r/min下,效率随着
压力的增加而逐渐降低,其他转速下的效率基本不
随进气压力的改变而改变;
(3)发动机在压力低于
0.2MPa时的效率远高于其他压力下的效率,当进
气压力超过0.2MPa后,压力对效率的影响不明
显,几条效率曲线相互黏合在一起;
(4)随着转速的
升高,发动机的效率先增加后降低,当转速超过900
r/min时,效率停止下降并逐渐升高.
气动发动机主要有几下几部分的能量损失:
(1)
漏气损失;
(2)压缩气体没有完全膨胀做功而排出机
体的排气损失;
(3)进气压力与缸内压力之比超过极
限压比时产生的气阻现象而导致的进气损失;
(4)活
塞与缸壁及曲轴与轴瓦间的摩擦损失与传动损失.
由于上述损失受进气压力与转速的影响不同,形成
了如图4,5所示的规律.当进气压力小于0.2MPa
时,进气门处不会产生气阻现象,进气损失仅为气体
流动时的摩擦损失,此时发动机的功率低,摩擦损失
图4相同转速下.压力同气动发动机的效率关系
Fig.4Variationsofengineefficiencywithsystempres~
sureinthesameenginespeed
图5相同进气压力下.气动发动机效率随转速的变化
Fig.5Variationsofengineefficiencywithenginespeed
withinletpressureconstant
和漏气损失均很小,导致了其效率远高于其他进气
压力下的效率.
进气压力高于临界压比情况下的进气过程包含
两个阶段:
第一阶段为有气阻损失的进气,此时进入
气缸气体的质量并不随着进气压力的升高而增加;
第二阶段为可以忽略进气损失的进气阶段.由于第
二阶段的进气,使得高的进气压力可以获得较高的
进气质量和缸内压力,表现为发动机的功率升高.缸
内压力的提高同时增加了漏气损失和排气损失.因
此,高进气压力下的效率要小于低压下的效率,由于
进气损失的钳制,这种减小的趋势并不明显.在4种
主要的损失中,与时间相关的损失为漏气损失和摩
擦损失,如果过程持续的时间短,则漏气损失减小,
摩擦损失增大.排气损失并不直接与时间相关,但是
漏气损失较大则缸内压力降低,排气损失降低;
进气
损失增大,进入气缸的气体的质量降低,也降低了排
气损失.因此,图5中所展现的发动机效率与转速的
关系也就是其随时间的变化.低速时进入气缸的气
体增多,漏气损失和排气损失增大,当转速增加时,
以上两个损失降低,效率增加;
当转速增至600r/
rain时,漏气损失和排气损失都比较小,并且摩擦损
失增加也不多,发动机的效率最高.超过这一转速
后,漏气损失和排气损失下降的幅度不大,但摩擦损
失又进一步表现出来,导致效率从最高点开始下降.
当转速在900r/rain左右时,摩擦损失基本不随转
速的增加而升高,但漏气和排气损失却继续下降,使
得发动机效率又随转速逐渐升高.
上述的试验结果对气动发动机的设计与控制策
略有以下指导意义:
在发动机的排气过程中,增加一
个压缩阶段,使活塞在上止点时,缸内压力与进气压
力之比高于临界压比以降低进气损失;
根据功率需
求,合理控制进气压力以使发动机以最佳转速工作.
2.3液氦动力系统的热力学第二效率与发动机
转速的关系
液氮动力系统的热力学第一效率为系统对外所
做的有用功与输入系统能量的比值,因为常压下单
位质量液氮所具有的可用能为定值,因此它与系统
热力学第二效率及表征发动机经济性能的气耗率之
比为常数,这3个指标随基本变量的变化规律可以
由图6所示.
系统的整体效率由两部分组成:
管路和发动机.
管路部分的摩擦阻力很小,这部分的损失主要表现
为连接部分的漏气损失,该损失随发动机工况改变
的变化不明显,因此系统的整体效率随发动机转速
变化的趋势也就同气动发动机部分相类似.随着转
速的增加,系统的效率先增加后减小.当系统压力处
于0.42MPa以上时,转速从500r/rain上升至
1000r/rain,系统效率从6.9下降至3.由此可
见,合理控制气动发动机的转速可以提高液氮的能
量利用效率,在实际中可以采用变速器或者调节系
统压力等方法实现.
3静态熵分析
从图6可以看出,液氮单位质量可用能的利用
率很低(&
8).液氮可用能的损失可以分为外部损
失,内部损失和可用而未用的可用能损失.外部损失
为系统所采用的热力循环本身的局限所导致的能量
损失,对应图7中的区域1可以表达为
下rr2]
一
fTo(s一S】)~fTd5f.
(1)
mLJlJ
T.为环境热力学温度;
s为液氮进入换热器
时的熵,s为不计换热器阻力时,流体在换热器出口
时的熵.
可以利用而没有利用的能量为图7中第7点
所具有的可用能.由于气动发动机的工作过程可以
rain1
图6不同压力下转速与系统效率的关系
Fig.6Variationsofsystemefficiencywithenginespeed
inconstantsystempressure
图7系统不司逆损失的分配不慝图
Fig.7Distributionofexergylosesofliquid-nitrogen熵指数,c.为工质的等压比热容.由此
可见,这部分损失同系统的工作压力有关.当环境温
度为293K时,外部损失和未利用损失随系统压力
的变化如图8所示.随系统压力的增加,外部损失逐
渐下降,未利用损失不断地增加,它们的总和随系统
压力的增加却不断降低.从图中还可以看出,进一步
增加压力,这两部分损失的变化速度下降.
系统的内部不可逆损失包括换热器的压降损
失,气流经过发动机的摩擦等因素造成的压缩气体做
功能力的下降.其中,换热器的压降损失可以表示为
1’0~
go.一T.(s3一s2)一q,
778浙江大学(工学版)第41卷
700
600
500
‘
.D
?
400
300
200
100
0.40.81.21.62024
p/MPa
图8外部损失和可用能未用损失随系统压力的变化
Fig.8Variationoflossesduetoheattransferandun—
usedexergywithsystempressure
它等于系统在等焓过程2~2和等压过程2~3的
对外输出功之和,为在等压过程243时系统所吸
收的热量,其值为舀一C(T.一T,),由于T.,T,间
的温差很小,同其他量相比可以忽略不计,这部分损
失的做功能力为Tc(s.一S),在图7中由[区域3]表
示,其大小可通过测量压力和温度计算得出,见下式:
T0(S3一S2)一一ToRIn(P3/P2).
R为气体常数.
气动发动机的不可逆损失为
c$5--$6,ccpln()n(安)..\』/\口/
这部分损失以[区域4]标出.另外,不可逆损失
还包括压缩机部分的等熵损失,但是这部分损失的
可用能极小],可以忽略不计.因此,液氮动力系统
的内部不可逆损失的总和为
//一[区域3]+[区域4]一
To(CIn(/T6)一尺ln(夕3/Pz))一
TOCIn(T5/T2)一T.Rln(o/P2).
通过测量排气温度T和液氮储罐的压力P,
就可以得到系统内部的不可逆损失.
图9和10为各部分损失和指示功随发动机转
速和系统压力的变化.试验时的环境温度为304K,
此时液氮的单位质量可用能以横线在图中标出.可
以看出,液氮的单位质量可用能大部分都浪费在外
部损失和可用能未用损失,发动机的指示功以及系
统内部损失所占的比例很小,因此,开发这部分可用
能可以迅速提高系统的总体效率,其中一个方案是
采用多级循环.对比系统的内部损失和发动机的指
示功可以看出,压降损失为最主要的损失,它具有与
输出功相当的量级,当优化整个系统时,主要通过采
取措施来降低换热系统的压降.
图中还有一部分空白的区域,是一些没有考虑
在内的损失,包括管路及发动机的漏气损失,发动机
750
—650
550
450
4294564885l5523539759968990
min1
图9在相同的压力下.可用能的分配损失随转速的变化
Fig.9Variationofexergyallocationwithenginespeed
insamesystempressure
800
.400
lOO
2.93.04.07.8
一指示功一未用损失一发动机摩擦损失
一对外传热损失.内部压降损失一液氮的单位质量可用能
图1O在相同的转速下.可用能的分配随系统压力的变化
Fig.10Variationofexergyallocationwithsystempres—
sureinsameenginespeed
中气体未完全膨胀而排出机体的压力能损失以及由
于测试误差所造成的能量不守恒等因素,这些损失
远超过了发动机的输出功.从图10中可以看出,虽
然系统压力增大,内外不可逆损失下降,但发动机的
指示功增加不多,漏气等损失却迅速增加.因此,对
这部分损失进行优化,将迅速提高系统的效率,可以
采取的措施有加强管路接头处的密封,选择合理的
发动机冲程直径比,等等.
4结论
(1)发动机的输出功率同进气压力成正比关系,
控制系统的压力就可以控制发动机的输出功率.
(2)进气过程中的气阻现象,决定了气动发动机
的效率并不随着进气压力的升高而增加.在开发新
的气动发动机时,应控制上止点时的缸内压力以消
除气阻现象,提高发动机的效率.
(3)气动发动机存在一个最佳转速,在该转速
下,发动机以及液氮动力系统的功率最大,效率最
高.在开发液氮动力系统时,应保证发动机在该转速
液氮发动机实验及效率分析779
下运行,通过变速箱来调节汽车的转速.
(4)开发基于多级循环的液氮动力系统可以极大
地提高液氮可用能的利用率.对于单级液氮循环而[.]
言,减少系统的漏气是提高系统效率最经济的方法.
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●●,11●●●,ll●●II●II●●,ll●I●II●●●●I●II●●●II●I●●,hi●●I●II●III●●●
下期论文摘要预登
基于效益度的高效关联规则挖掘算法
刘渊,吴以才
(1.浙江大学管理学院,浙江杭州310058;
2.浙江大学计财处,浙江杭州310027)
关联规则挖掘算法中常用的支持度和可信度是对关联规则在统计意义上的有效性度量,在挖掘结果的有
用度上缺乏指导作用,它们不能作为有用性的指标.从数据挖掘的最终目的出发定义了基于最终用户实际目标的
效益度指标,并对最小效益度筛选性质进行了论证,提出了一种快速有效的关联规则挖掘算法.讨论了从关联规则
的兴趣模板和限制模板转换到效益度的方法.实验结果表明,效益度指标具有支持度与可信度不可替代的作用
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