论文摘要：气动发动机机构关键技术研究及试验验证

利用高压的压缩空气代替燃油和空气混合物作为能量源驱动发动机是一种新的发动机技术。由于其工作过程中不存在燃烧过程，因此对环境不会造成污染。同时压缩空气可以通过风能、水能、太阳能产生的电能驱动空压机制备产生，因此这种新型的发动机符合“环保，燃料来源多元化”的汽车发动机设计理念, 其应用可极大缓解数量巨大的城市车辆对环境以及有限资源的压力。然而目前气动发动机的研究存在如下几个问题：

影响气动发动机性能的关键因素及其影响规律不明确，导致气动发动机的改进难以形成体系；

传统气门机构的开启和关闭阻力比较大，导致目前试验用的气动发动机进气压力都在1MPa以下；

对气动发动机效率、功率同时进行优化的研究较少，导致在实际应用过程中气动发动机功率和效率难以同时达到理想效果。

本文针对上述存在的问题，综合前人研究的成果，从理论优化设计和样机试验两个方面进行了研究，其工作的主要内容与结论如下：

通过分析气动发动机的工作原理和特性，建立了涉及传热、流体传动以及机械动力学的气动发动机工作过程数学模型。利用合适的基准量将所建立的模型转化为无因次数学模型，并利用MATLAB进行仿真，从而得到气动发动机的基本工作特性。为了验证所建立的数学模型，制作了简单的气动发动机样机进行试验，并得出：所建立的气动发动机数学模型能够准确地反映气动发动机缸内气体状态变化规律；在输出扭矩一定的情况下，可以通过提高进气压力的方式提高气动发动机的输出速度；在给定进气压力的情况下，转速越低其输出扭矩越高。

引入气动功率的概念，建立了气动发动机的能量利用效率评价标准，并分析了各无因次参数对气动发动机输出功率和能量利用效率的影响程度，并得出：无因次排气阀面积比例系数、进气持续角、无因次排气压力以及无因次转动惯量参数对气动发动机输出功率的影响较大；无因次排气压力、进气持续角以及排气持续角对气动发动机能量利用效率的影响较大。从而为气动发动机参数优化设计提供理论依据。

基于气动发动机的工作特性，建立了配气机构的设计准则，提出了针对气动发动机高压进气的压力平衡气门机构，减小了气门开启以及关闭的气动阻力。在此基础上对影响气动发动机进气、排气的凸轮型线进行设计，为设计气动发动机配气系统提供理论基础。

为了优化气动发动机的性能，将发动机的参数分为机构参数和运行参数，分别提出了结合正交设计的灰色关联分析方法以及NSGA-II改进算法。以输出功率、缸内平均温度、能量利用效率目标，利用灰色关联分析方法得到在最优的结构参数组合下气动发动机的输出功率为2.93kW、缸内平均温度为209K、能量利用效率为50.36%。在结构参数固定的情况下，利用NSGA-II改进算法可以得到不同功率情况下进气压力和传动比运行参数组合使能量利用效率最高，该算法相对于传统的NSGA-II算法其收敛性提高了0.7%，分布性提高了13.9%。

根据结构参数优化的结果，研制了气动发动机的样机。基于所研制的气动发动机样机搭建试验平台研究气动发动机的速度特性、负荷特性，并得出：气动发动机工作转速在300rpm左右时，能够获得较好的气动发动机性能；在1kW的输出功率情况下，185L，30MPa的压缩空气能够维持气动发动机运行124.1min，因此针对小型代步车辆，气动发动机具有良好的应用前景。

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