單缸電力約束活塞發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性仿真

緱亞楠

(棗莊學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

傳統(tǒng)的活塞式內(nèi)燃機－發(fā)電機組合系統(tǒng)實現(xiàn)了熱能向電能的轉(zhuǎn)換，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低等缺點．自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)(Electric Power Free Piston Engine，簡稱EFPE)是自由活塞式內(nèi)燃機與直線發(fā)電機直接耦合的產(chǎn)物，但因沒有曲柄連桿機構(gòu)，活塞沒有固定行程．單缸電力約束活塞發(fā)動機(Electric Power Con fined Piston Engine，簡稱ECPE)將傳統(tǒng)的活塞式內(nèi)燃機和發(fā)電機結(jié)構(gòu)及技術(shù)集成為一體，且結(jié)合了二者的優(yōu)點:機械效率、熱效率高，燃料適用性廣，能量轉(zhuǎn)換率高［1］．

1 單缸電力約束活塞發(fā)動機的工作原理

圖1 ECPE典型結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

如圖1所示，單缸ECPE主要有三個工作室和相關(guān)輔助系統(tǒng)組成．缸蓋、汽缸體、定子殼體和曲軸箱組成裝置的主體固定不動;活塞－動子組件在缸體中可以往復(fù)運動，活塞－動子組件是第一工作室和第二工作室的主要部分，通過該組件實現(xiàn)熱能向機械能、機械能向電能的轉(zhuǎn)換及分流．它的平板部分由永磁材料釹鐵硼和不導(dǎo)磁材料制成，下端經(jīng)滑塊與連桿相連，并與曲軸箱體構(gòu)成移動副，形成滑動軸承支撐方式;活塞－動子組件與連桿、曲軸－飛輪組組件構(gòu)成一個可以轉(zhuǎn)換直線運動與旋轉(zhuǎn)運動的曲軸滑塊機構(gòu)．第三工作室即輔助工作室，助系統(tǒng)包括配氣、燃料供給、潤滑、冷卻、啟動(點火)、穩(wěn)壓及控制系統(tǒng)，用于輔助、保證主機系統(tǒng)的工作，對外提供有效、適用的功率流．其結(jié)構(gòu)組成及工作機理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機輔助系統(tǒng)類同．單缸ECPE樣機是在JF340型汽油機的基礎(chǔ)上開發(fā)而成的，動力模型中有關(guān)的數(shù)據(jù)來源于JF340型汽油機及有關(guān)技術(shù)手冊［2］．

2 單缸電力約束活塞發(fā)動機的運動學(xué)和動力學(xué)分析

2．1 單缸電力約束活塞發(fā)動機運動學(xué)分析

如圖3所示為ECPE的的受力分析圖．在ECPE中，活塞作往復(fù)直線運動，曲柄作旋轉(zhuǎn)運動，連桿作平面運動．曲柄角速度(rad/s)為:

活塞的位移為:

則活塞的速度為:

加速度為:

式中參數(shù)的含義如下:

n-曲軸轉(zhuǎn)速，r/m in;v-活塞的速度，m/s;φ-曲柄轉(zhuǎn)角;λ=r/l-曲柄連桿比;r-曲柄半徑;l-連桿長度;a-活塞的加速度，m/s2;l-連桿長度，m;r-曲柄半徑，m;φ-曲軸轉(zhuǎn)角，rad，起始位置為做工沖程的上止點;β-連桿擺角，rad;ω-曲軸角速度，rad/s;˙ω-曲軸轉(zhuǎn)動角加速度，rad/s2;λ-連桿半徑曲柄長度比，λ=r/l．

2．2 單缸電力約束活塞發(fā)動機動力學(xué)分析

對活塞-動子組件，建立受力平衡方程如下:

其中:Fg為活塞上表面的作用力，pg為工質(zhì)壓力，通過AVL/boost軟件求解缸內(nèi)熱力學(xué)過程得到pg的氣體壓力曲線，并將其代入到動力學(xué)方程當(dāng)中．在油門開度30%、發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000 r/m in工況下，得到的氣體壓力曲線如圖4所示．

圖4 燃燒室氣體力曲

Fw為負(fù)載作用下的電磁力．利用電磁場有限元法可以求解出發(fā)電機電磁力．本文采用解析法求得負(fù)載電磁力的函數(shù)表達式為

其中:Fw為電磁力，U為直線電機的電動勢;R為負(fù)載電阻;p為極對數(shù);N為線圈的匝數(shù);L為線圈的有效長度;Bc為鐵心的磁通密度;根據(jù)公式，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1600 r/m in時，ECPE試驗樣機負(fù)載電磁力仿真曲線如圖5所示．

取狀態(tài)變量 x1，x2，x3，x4，x5，其中:x1為活塞位移;x2為活塞速度;x3為曲軸轉(zhuǎn)角;x4為飛輪角速度;x5為電磁力，β=a rcsin[λsin( x3)]，根據(jù)已知條件列出系統(tǒng)的動力學(xué)模型．系統(tǒng)工作過程動力學(xué)微分方程為［3］:

3 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性評價指標(biāo)

運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性是電力約束活塞發(fā)動機性能分析和性能評價的重要依據(jù)．運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性差，則系統(tǒng)難以正常啟動;即使勉強啟動，則振動劇烈，噪音大，壽命低．此處借用內(nèi)燃機學(xué)中“運轉(zhuǎn)不均勻度”這一概念來描述單缸電力約束活塞發(fā)動機的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性．

在活塞式內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)不均勻度δ計算中，假定曲軸等角速度轉(zhuǎn)動，由于汽缸內(nèi)工況的變化，曲軸所受轉(zhuǎn)矩周期性變化，由扭矩變化情況得出一個工作循環(huán)中的盈虧功ΔE，則盈虧功ΔE、運轉(zhuǎn)不均勻度δ、運轉(zhuǎn)角速度ωm和內(nèi)燃機總轉(zhuǎn)動慣量I0之間關(guān)系為

δ越大，則系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性越差，反之亦然．

由曲軸各工況下角速度時間歷程，提取最大角速度ωmax、最小角速度ωmin和平均角速度ωm等數(shù)據(jù)，則電力約束活塞發(fā)動機運轉(zhuǎn)不均勻度δ參照活塞式內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)不均勻度的定義表示為

無須計算盈虧功，直接通過動力學(xué)微分方程求解，有利于相關(guān)研究的進一步深化．

4 運轉(zhuǎn)不均勻度特性

本文采用AVL Boost軟件建立模型對單缸電力約束活塞發(fā)動機燃燒室內(nèi)熱力學(xué)過程進行了模擬，用MATLAB語言對系統(tǒng)建立動力學(xué)模型，對單缸電力約束活塞發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性進行仿真，得到轉(zhuǎn)速n為1000 r/m in—2400 r/m in、油門開度α為30%—100% 時單缸電力約束活塞發(fā)動機的運轉(zhuǎn)不均勻度特性曲線，如圖6所示．運轉(zhuǎn)不均勻度隨轉(zhuǎn)速升高明顯下降，受油門開度影響不大［4］［5］．

5 結(jié)論

闡述了單缸電力約束活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了其工作過程的微分方程，給出求解的初始條件，通過實驗及實測得到有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對其運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性進行了性能仿真．得到了轉(zhuǎn)速n為1000 r/m in—2400 r/m in、油門開度α為30%—100% 時的運轉(zhuǎn)不均勻度特性曲線，有利于進一步的優(yōu)化設(shè)計．

［1］張鐵柱，張繼忠，張洪信等．直線內(nèi)燃式發(fā)電裝置［P］．中國專利:CN2749172，2005－12－18．

［2］緱亞楠，張鐵柱，王曉靜，霍煒．單缸電力約束活塞發(fā)動機的工作原理及其建模分析［J］．新技術(shù)新工藝，2008(02):13－15．

［3］緱亞楠．單缸電力約束活塞發(fā)動機性能仿真研究［D］．青島大學(xué)，2007．

［4］杜慧勇，李民，劉建新等．MATLAB語言在內(nèi)燃機萬有特性研究中的應(yīng)用［J］．洛陽工學(xué)院學(xué)報，2001，22(4):32－34．

［5］霍煒，張鐵柱，趙紅．單缸軸向液壓約束活塞發(fā)動機的輸出特性仿真［J］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2006(9):32－35．