王 哲, 林煉煉, 臧鵬飛, 孫晨樂
(同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心, 上海 201804)
近年來,由于環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)苛以及化石能源危機(jī),直線増程器(又稱自由活塞直線發(fā)電機(jī))的高效、環(huán)保、高能量密度以及燃料適用性等優(yōu)勢逐漸得到眾多科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注.美國西弗吉尼亞大學(xué)、德國宇航中心、豐田汽車研發(fā)中心、紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)都對直線増程器進(jìn)行了深入研究.多數(shù)機(jī)構(gòu)通過數(shù)值仿真和試驗方法來驗證直線増程器動力學(xué)模型極限環(huán)的存在性,研究系統(tǒng)的運行狀況與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系[1-6],以及利用經(jīng)驗公式或者偏微分方程對進(jìn)排氣流動特性、燃燒特性、電磁特性等進(jìn)行探究[7-9].少數(shù)機(jī)構(gòu)通過能量平衡原理對直線増程器動力學(xué)模型的極限環(huán)進(jìn)行分析[10].但是,數(shù)值仿真方法和能量平衡原理都無法在理論上對極限環(huán)的存在性和數(shù)量進(jìn)行判斷[11],而且由于這兩種方法都是時域分析方法,對系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析略顯不足.此外,能量平衡原理等解析方法具有較大局限性.
極限環(huán)為系統(tǒng)方程的相平面中閉合的孤立曲線,是非線性系統(tǒng)的特有性態(tài).直線増程器的動力學(xué)方程為復(fù)雜的非線性方程,正是由于該方程具有極限環(huán)[10],所以直線増程器的活塞組件能夠持續(xù)振蕩進(jìn)而帶動直線發(fā)電機(jī)發(fā)電.復(fù)雜的非線性方程可能存在多個極限環(huán).極限環(huán)分為3類:穩(wěn)定極限環(huán),不穩(wěn)定極限環(huán)和半穩(wěn)定極限環(huán),其特性相當(dāng)復(fù)雜[12].所以,深入分析直線増程器動力學(xué)系統(tǒng)極限環(huán)的特性至關(guān)重要.然而,到目前為止,相關(guān)的研究還較少.
本文采用描述函數(shù)法[12],在頻域?qū)ο到y(tǒng)的簡化模型進(jìn)行描述,并基于一試驗樣機(jī)參數(shù),在復(fù)平面分析其極限環(huán)的存在性、數(shù)量以及穩(wěn)定性,進(jìn)而研究系統(tǒng)關(guān)鍵運行參數(shù)對極限環(huán)頻率、幅值和相對穩(wěn)定性的影響.分析結(jié)果能夠為直線増程器的實際設(shè)計提供理論參考.
直線増程器取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu),將活塞連桿與電機(jī)動子同軸剛性固連.本文研究的直線増程器為點燃式的,其結(jié)構(gòu)形式為雙活塞式,如圖1所示.其工作原理是通過左右兩個燃燒室交替燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動活塞組件往復(fù)運動,進(jìn)而帶動直線發(fā)電機(jī)的動子切割磁感線輸出電能.
圖1 直線増程器結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of linear range extender
將活塞組件視為質(zhì)點P,取活塞組件在行程中點時其幾何中心的位置為原點,將活塞組件的軸向視為x軸方向,令圖1中的右方向為正方向,建立如圖2所示的一維坐標(biāo)系.質(zhì)點P在x軸坐標(biāo)系中的位置用坐標(biāo)x表示.
圖2直線増程器動力學(xué)模型坐標(biāo)系
Fig.2Coordinateofdynamicmodeloflinear
rangeextender
根據(jù)直線増程器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理[1],忽略兩端掃氣箱的壓力差,系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)發(fā)電時的動力學(xué)微分方程為
(1)
式中:m為活塞組件質(zhì)量;Fs為庫倫摩擦力;Fc為黏性摩擦力;Fp為左右兩端氣缸壓力差;Fm為電磁力負(fù)載.
由直線増程器的結(jié)構(gòu)和工作原理可知
Fp=S(pl-pr)
(2)
式中:pl為左缸缸壓;pr為右缸缸壓;S為活塞橫截面積.
當(dāng)直線増程器處于穩(wěn)態(tài)發(fā)電狀態(tài)時,左右兩缸的缸壓pl和pr的模型是分段的.為了方便分析左右兩端的缸壓,做如下假設(shè):
(1)左右兩側(cè)氣缸燃燒室內(nèi)的工質(zhì)為理想氣體,在整個熱力學(xué)過程中工質(zhì)的比熱容為常數(shù),不隨溫度變化,且無工質(zhì)泄漏.
(2)直線増程器的壓縮及膨脹過程均忽略傳熱損失,且將其簡化為多變指數(shù)恒定的多變過程.
(3)直線増程器的燃燒過程忽略點火延遲,由于左右兩缸的可燃混合氣是使用火花塞點燃的,所以將燃燒過程視為瞬時的定容加熱.
(4)直線増程器的掃氣和排氣過程為一個理想過程,忽略發(fā)動機(jī)的掃氣和排氣過程能量損失,認(rèn)為氣缸的壓力始終與掃氣壓力相等.
(5)考慮了熱量損失后,熱量轉(zhuǎn)化為有效功的過程視為可逆過程.
直線増程器的熱力學(xué)過程可分為掃氣過程、壓縮過程、燃燒過程以及膨脹過程.根據(jù)發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)原理,現(xiàn)對每一過程的缸壓模型進(jìn)行詳細(xì)分析.
1.1.1壓縮過程缸壓模型
由熱力學(xué)的多變過程方程可得壓縮過程的缸壓計算公式為
(3)
式中:Vsc為壓縮過程開始時刻氣缸的容積;V為氣缸的瞬時容積;n1為壓縮過程的平均多變指數(shù);pa為掃氣壓力.
Vsc=Vs+S(Xe+Xexh)
(4)
V=Vs+S(Xe+x)
(5)
式中:Vs為質(zhì)點P的坐標(biāo)x=-Xe時,左端活塞頂部與左缸頂部之間的間隙的體積;當(dāng)x=Xe時,右端活塞頂部與右缸頂部之間的間隙的體積也為Vs.
將式(4)和式(5)代入式(3)可得,左缸在壓縮過程的缸壓為
(6)
(7)
1.1.2燃燒過程缸壓模型
由式(6)可得
(8)
由熱力學(xué)相關(guān)理論,最終可以得到prf的計算公式如下[13]:
(9)
式中:γ為可燃混合氣的比熱容比;Vi為燃燒時刻的左缸體積,可表示為
Vi=Vs+S(Xe-Xign)
(10)
Qin為燃燒的燃油釋放的熱量,可表示為
Qin=ξHμmf
(11)
式中:mf為噴油量;ξ為有效燃燒系數(shù);Hμ為燃油的低熱值.
由于直線増程器的結(jié)構(gòu)左右對稱,且左右兩缸的噴油量相同,故可得
pl0=pr0
(12)
plf=prf
(13)
1.1.3膨脹過程缸壓模型
由熱力學(xué)的多變過程方程可得膨脹過程缸壓的計算公式為
(14)
式中:Vse為膨脹過程開始時刻氣缸的容積;V為氣缸的瞬時容積;n2為壓縮過程的平均多變指數(shù).
Vse=Vs+S(Xe-Xign)
(15)
V=Vs+S(Xe+x)
(16)
將式(15)和式(16)代入式(14)可得,左缸處于膨脹過程的缸壓為
(17)
(18)
1.1.4掃氣過程缸壓模型
當(dāng)x>Xexh時,左缸排氣口開啟,處于掃氣和排氣過程,這時左缸的缸壓為
pl=pa
(19)
當(dāng)x<-Xexh時,右缸排氣口開啟,處于掃氣和排氣過程,這時右缸的缸壓為
pr=pa
(20)
綜上,由式(2)~(20)可知,左右兩端氣缸壓力差的公式是分段的,其圖像大致如圖3所示.由圖3可判斷其圖像是關(guān)于原點對稱的,所以只需列出圖3
圖3 Fp的圖像Fig.3 Image of Fp
中實線部分的公式即可表示左右兩端氣缸壓力差的總公式.圖3中實線部分的公式如下:
(21)
其中
(22)
(23)
(24)
由摩擦學(xué)相關(guān)理論可知[14],庫倫摩擦力的方向與速度方向相反,大小為恒定值Fs0,即
(25)
黏性摩擦力的表達(dá)式為
(26)
式中:k為黏性摩擦力系數(shù).
直線増程器的電磁力負(fù)載的可能形式有很多種,不失一般性,假設(shè)電磁力負(fù)載方向與速度相反,大小為恒定值Fm0[10,15],其表達(dá)式為
(27)
(28)
根據(jù)式(28),可以用圖4表示系統(tǒng)的動力學(xué)模型.其中β為非線性單元的輸出,線性單元傳遞函數(shù)G(jω)的表達(dá)式為
(29)
圖4 動力學(xué)模型的反饋解釋Fig.4 Feedback interpretation of dynamic model
由文獻(xiàn)[12]可知,應(yīng)用描述函數(shù)方法需要滿足以下4個條件:
(1)非線性元件唯一.
(2)非線性元件為時不變.
(3)線性單元具有低通特性.
(4)非線性部分的輸入和輸出之間的函數(shù)的圖像是關(guān)于原點對稱的.
如圖4所示,直線増程器動力學(xué)系統(tǒng)中雖然有多個非線性單元,但是,它們能夠集成為單個非線性函數(shù),因此滿足條件(1).由式(21)、式(25)和式(27)可知,左右兩端氣缸壓力差、庫倫摩擦力和電磁力負(fù)載均為時不變的關(guān)于原點對稱的函數(shù),因此滿足條件(2)和(4).由于實際系統(tǒng)中m>0且k>0,這使得線性單元G(jω)具有低通濾波的特性,而且其頻率響應(yīng)函數(shù)不存在共振峰值,因此滿足條件(3).
綜上,可以用圖5中的非線性單元的描述函數(shù)N(A,ω)(A為幅值,ω為角頻率)來替換該非線性單元,最終可以得到直線増程器動力學(xué)系統(tǒng)的擬線性近似,如圖5所示.
圖5 動力學(xué)模型的擬線性近似Fig.5 Quasi-linear approximation of dynamic model
由式(25)和式(27)可知,F(xiàn)s和Fm結(jié)構(gòu)相似,可以合并為一項
(30)
β(t)=βsm(t)+βp(t)
(31)
其中
βsm(t)=Fsm(Aωcos(ωt))
(32)
βp(t)=Fp(Asin(ωt),Aωcos(ωt))
(33)
根據(jù)描述函數(shù)的定義[12],圖4中非線性單元描述函數(shù)N(A,ω)的表達(dá)式為
(34)
式中:a1和b1為β(t)的傅里葉級數(shù)中cos(ωt)項和sin(ωt)項的系數(shù),其表達(dá)式為
t)d(ωt)
(35)
(36)
由式(31)可知,a1和b1都由兩個分量的和組成
a1=asm1+ap1
(37)
b1=bsm1+bp1
(38)
其中
t)d(ωt)
(39)
(40)
(41)
(42)
由式(30)、式(32)、式(39)和式(40)可以算出,bsm1=0,asm1的計算公式為
(43)
在實際系統(tǒng)中,若A≤Xign,則左右兩氣缸中的可燃?xì)怏w都無法點燃;若A≥Xe,則活塞將同氣缸蓋發(fā)生碰撞.因此,A≤Xign和A≥Xe都會使系統(tǒng)無法正常運行,后面的討論中只考慮Xign 由式(21)和式(33)可知,左右缸壓差的輸入輸出函數(shù)圖像如圖6所示,βp(t)的表達(dá)式為 βp(t)= (44) 式中:γ1=arcsin(Xexh/A);γ2=arcsin(Xign/A). 圖6 左右缸壓差的輸入輸出函數(shù)Fig.6 Input/output function of pressure differencebetween left and right cylinders 將式(44)代入式(41)和式(42)并化簡,可得ap1和bp1的計算公式如下: 由式(34)~(40)以及式(45)和式(46)可知,N(A,ω)的解析表達(dá)過于復(fù)雜,所以,后文將通過G(jω)和N(A,ω)的圖像對直線増程器動力學(xué)模型的極限環(huán)進(jìn)行分析.此外,由式(43)、式(45)和式(46)可看出,描述函數(shù)N(A,ω)只是幅值A(chǔ)的函數(shù),即N(A,ω)=N(A),這為后面分析系統(tǒng)極限環(huán)帶來了極大的便利. 假設(shè)圖5所示的系統(tǒng)存在一個幅值為A且頻率為ω的正弦振蕩,則回路中的變量必須滿足以下關(guān)系 N(A)G(jω)x=x (47) 等價于 (48) 再考慮實際系統(tǒng)的約束Xign 由文獻(xiàn)[13]中的臺架參數(shù)和試驗結(jié)果可以得到系統(tǒng)各個固有參數(shù)的值如表1所示. 表1 樣機(jī)參數(shù)Tab.1 Prototype parameters 設(shè)定Xign=24.7 mm,mf=2.53 mg,F(xiàn)m0=300 N.根據(jù)式(29)和式(34),利用數(shù)值計算的方法畫出G(jω)和1/N(A)的圖像,如圖7所示.其中兩個箭頭分別表示A和ω的增長方向. 圖7 極限環(huán)的判斷Fig.7 Detection of limit cycles3 直線増程器系統(tǒng)極限環(huán)分析
3.1 直線增程器極限環(huán)的存在性和穩(wěn)定性