设动与研究
基于高能量转换效率的旋转式气动发动机
动力学分析黄辉云，李礼夫
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640）
Dynamic Analysis of Rotational Air Powered Engine Based on High Energy Conversion Rate
HUANG Hui yun,LI Li fu
(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)
摘要：针对目前常用气动发动机能量转换效率
低的现状，提出一种新型旋转凸轮活塞式气动发动机结构。根据气动发动机工作原理，针对旋转式气动发动机膨胀容积大，缸内高压气体压力直接推动凸轮活塞旋转对外做功的结构特点，分析缸内气体压力与输出担矩之间的关系，建立动力学模型，并以此动力学模型为基础，利用Matlab/Simulink软件对该发动机单缸工作过程进行计算机仿真分析。仿真结果表明：旋转式气动发动机具有低速时有效担矩大，能量转换效率高的优点。
关键调：气动发动机；旋转凸轮活塞；能量转换效率；Matlab仿真
中图分类号：TH122；TK05 文献标识码：A
文章编号：1001-2257(2011)02-0015-06
Abstract:Since the energy conversion rate of air powered engine in common use is low,we pres-ent a new type piston air powered engine structure with rotational cam. According to principle of the air powered engine, and the rotational air powered engine's expanding volume is big,as well as the structure feature that the high pressure gas in cyl-inder force directly the piston cam to revolve and do work to the outside,we analyze the relation be tween gas pressure and output torque in cylinder and establish a dynamic model, Finally,we simulate the single cylinder's work process of the engine u-sing the Matlab/Simulink based on the established model,the simulation results demonstrate that ro
收稿日期；20100929《机械与电子》2011(2)
tational type air powered engine has the advantages of bigger effective torque in low speed and higher energy conversion rate.
Key words: air powered engine; rotational cam piston;energy conversion rate,Matlab simulation
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引言
随着能源和环保问题的日益突出[1]，清洁替代
能源的研究在世界各国快速展开，气动发动机就是其中的一种[}]。气动发动机是以高压空气或液氮储能，以空气或氮气作为工作介质，将高压空气或氮气的压力能转换为机械能的动力装置，能量转换效率是气动发动机的重要性能指标之一。气动发动机的主要结构形式有往复式[4}、叶片式S]和旋转活塞式等，当前往复活塞式气动发动机研究最为广泛("}。
研究表明，气动发动机在进排气门关闭时，气动发动机对外输出的机械功主要取决于其在做功时的
气体膨胀功W。，而W。=
pdV，其中V，为气缸
在进气门关闭时的容积；V：为气缸在排气门打开时的容积；力为缸内气体瞬时气体压力。可见，在相同的缸内压力变化情况下，V：越大，则膨胀容积越大，膨胀功越大[6]。但往复活塞式气动发动机工作过程由缸内气体压力推动活塞，活塞的往复运动推动曲轴连杆旋转对外做功，其膨胀容积受缸径及活塞行程限制，膨胀功会受到影响。此外，其曲柄连杆结构使得缸内气体压力转变到对外做功的输出扭矩时中间环节多，造成力的传递效率低。
为此，根据旋转凸轮式气缸结构特点，从理论与仿真实验两方面来研究基于高能量转换效率的旋转
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