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往复式压缩空气发动机工作循环过程由三个过程组成，即进气过程、膨胀做功过程和排气过程，与传统的内燃机做功方式相同，只是能量来源不同。文献[3]在热力学方面对气动发动机做功过程进行了理论分析。25726
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往复活塞式压缩空气发动机与传统内燃机做功方式基本相同,高压空气进入气缸后膨胀做功将活塞的往复运动转变成旋转运动。活塞上行时排气阀打开排出低压气体。工作过程可以采用4冲程或者•的机械结构上稍加改动，再加装相应的压缩空气输入设备便可。因此目前很多对气动发动机的布置都是基于往复活塞式的。论文网
对此种结构的发动机研究起步较早的是法国的MDI公司。该公司在气动发动机方面取得了许多专利。目前，由MDI公司设计的许多款空气动力汽车己经实现商业化生产并投入使用。需要指出的是，MDI公司的压缩空气发动机使用了特殊的曲柄连杆机构,这种结构的活塞行程与曲轴转角的变化规律与一般的曲柄摇杆机构有不同之处:活塞可在上止点停留很长一段时间。虽然在低速时,该结构与普通的曲柄连杆机构的气动发动机相比并无优势,但在高转速时,假设进气压力不变的情况下,该结构使气动发动机有更长的进气时间,因而每次循环的进气量更多,扭矩下降少。图1.1是该结构。
图1.1 MDI设计的曲柄连杆机构
美国华盛顿大学在1997年研制了一台发动机。该发动机以一台5缸发动机为基础,使用液氮作为动力,分析发现,发动机工作时膨胀过程如果按等温膨胀,效率最高。同时指出,降低发动机转速,增加活塞行程有利于膨胀过程接近等温过程[4-7]。
美国加州大学洛杉矶分校开展了压缩空气+燃油混和动力发动机的研制,此发动机利用高压压缩空气直接起动,而当汽车起步后,则改用原来汽油燃烧的方式做功驱动汽车持续行驶。在汽车下坡以及刹车减速时,发动机又可以充当压缩机来进行能量的回收。据估计,该混和动力系统在市区行驶时可以比纯内燃机汽车节能64%[8]。图1.2是该发动机外形。
图1.2 压缩空气燃油混合动力发动机
美国Scuderi公司则采用另外一种混合动力设计概念,如图1.3所示。他们将发动机的四个冲程由一个气缸换成两个气缸来完成。一个气缸实现吸气和压缩冲程来产生压缩空气,然后存储在中间储罐中。而另外一个气缸进行做功和排气冲程。由于冲程的解偶,同样可以实现刹车能量的回收[9]。
图1.3 scuderi公司设计的发动机
韩国ENERGINE公司研发了电气混合动力形式的汽车。其发动起采用压缩空气启动，当车速达到20-25km/h时,则由电动机驱动汽车。在加速、爬坡等需要大电流的场合时,气动发动机可以提供辅助动力来减轻电动机的负担。同样，气动发动机也可以作为空气压缩机来存储压缩空气实现能量的回收。
我国对空气发动机的研究起步较晚，还处在比较初级的阶段，许多地方借鉴国外的研究经验。浙江大学将一台微型车的发动机改装成为滑阀式进气机构的压缩空气发动机,并进行了实际试验。同时对气动发动机能量问题，参数优化问题上做了一些理论性研究。试验表明,当初气瓶容积为20L,储存压力为12MPa时,该车能在平坦路面行驶约2km,最高时速约为30km/h[10-13]。
合肥工业大学以R175柴油机为基础,首先将其从4冲程模式改成了一台2冲程模式的压缩空气发动机,并进行了润滑油试验、换热试验，研究了配气相位对发动机性能影响，并进行了试验。随后又将此发动机改为电控喷射式的4冲程发动机。最新的研究为将一台起亚的1.3L发动机改为气动发动机并做了一些相关试验,对一些工况做了标定[14-16]。