自由活塞直线发电机输出性能试验研究

为了有效地回收车用内燃机排气余热,将自主研发的自由活塞膨胀机与直线电机耦合形成一种新型自由活塞直线发电机(FPLG),用于小规模的有机朗肯循环(ORC)余热回收系统。FPLG以压缩空气为工质,针对不同工况开展了大量试验研究,分析了进气压力、运行频率及外部负载电阻对FPLG输出功率和能量转换效率的影响。研究结果表明,适当提高进气压力,能够明显提高FPLG峰值输出功率和能量转化效率。然而,峰值输出功率随着运行频率的增大而迅速下降。当运行频率为2.0Hz、进气压力为0.26 MPa、外部负载电阻为20Ω时,FPLG的转换效率最大,可达到45.82%。随着外部负载电阻的增大,FPLG的峰值输出功率呈现出先增大后减小的趋势。当运行频率为2.5Hz、进气压力为0.26 MPa、外部负载电阻为20Ω时,峰值输出功率最大,为47.5 W。

自由活塞直线发电机换气品质影响因素研究

基于自由活塞直线发电机系统搭建零维Matlab/Simulink模型和三维AVL Fire模型相耦合的仿真体系,并验证其精确性。基于该仿真体系分析了自由活塞发动机的运动特性和换气过程,并研究气口高度和气道角度对换气品质的影响规律。结果表明,大扫排气口高度、65°主扫气道倾角和50°副扫气道仰角有利于提高扫气效率;小扫排气口高度、小主扫气道倾角和大副扫气道仰角有利于提高缸内湍动能。

自由活塞直线发电机换气品质影响因素与建议

气口高度及气道角度是自由活塞式直线发电机换气品质的两点影响因素,本文将简要介绍活塞式直线发电机的原理及工作过程,然后根据活塞式直线发电机系统搭建零维和三维仿真体系,并利用仿真系统分析自由活塞式发电机的运动特性及换气过程,最后给出改善发电机换气品质的结论与建议。

基于人工神经网络的自由活塞膨胀机-直线发电机输出性能敏感性分析

为了优化用于余热回收的自由活塞膨胀机–直线发电机的输出性能,提出了一种基于人工神经网络预测的方法。以输出性能为指标,对进气压力、进气温度、进气持续时间、膨胀持续时间和排气持续时间这5个输入参数进行敏感性分析,并利用正交试验的极差分析结果进行对比验证。研究表明,输入因素影响程度由大到小分别为进气压力、进气温度、进气持续时间、膨胀持续时间、排气持续时间;最佳的输入因素参数配置为,进气压力0.3 MPa,进气持续时间40 ms,膨胀持续时间70 ms,排气持续时间70 ms和进气温度30℃,峰值输出电压可达8.96 V,峰值输出功率可达33.74 W。该方法适用于研究参数的敏感性,可为后续的参数优化与系统改进工作提供有价值的参考依据。

自由活塞汽油直线发电机起动过程研究

为获得自由活塞汽油直线发电机起动过程主要工作特点,对自由活塞汽油直线发电机主要起动方式进行了研究。耦合动力学及热力学方程,建立了起动过程数学模型,理论分析了起动过程中能量的传递与转换关系,并结合试验样机对两种典型起动方式进行了试验研究。研究发现:采用恒定加速度起动模式和恒定推力起动模式均可实现自由活塞汽油直线发电机的起动燃烧,其中采用恒定加速模式有利于第一次压缩气缸实现起动燃烧,然而采用恒定推力起动模式更有利于对侧发动机气缸完成起动燃烧;起动过程中摩擦损失所消耗的能量较少,漏气损失所占的比例较大,在起动设计时不应被忽视。

单气缸自由活塞膨胀机-直线发电机试验研究

为了提高内燃机能量利用率,自主研发了1台可用于有机朗肯循环余热回收系统的单气缸自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)。在压缩空气试验平台上实现了FPE-LG的连续稳定运行,验证了单气缸FPE-LG工作原理的可行性。在大量试验基础上,分析了驱动压力、外接负载电阻对单气缸FPE-LG输出特性的影响机制。研究结果表明:FPE-LG输出功率呈现较为规律的正弦波动,对于该试验样机而言,当驱动压力为0. 6 MPa、外接负载电阻为50Ω时,峰值输出功率可达到58. 7 W;提高驱动压力可以明显提高均方根电压和峰值电流,但驱动压力的提高对FPE-LG自由活塞膨胀机膨胀功-直线发电机输出电能转换(简称功-电转换)效率影响很小;当外接负载电阻小于60Ω时,随着外接负载电阻的增大,FPE-LG的功-电转换效率从13. 4%上升到24. 7%;对于该FPE-LG而言,当外接负载电阻为60Ω时,单气缸FPE-LG的实际膨胀功最大,功-电转换效率最佳。

自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

在分析活塞运动规律基础上,针对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程,建立了耦合柴油详细化学反应机理的CFD模型,搭建了对置二冲程自由活塞柴油直线发电机实验样机系统,并通过实验测试结果验证了该CFD模型的有效性.仿真分析了初始温度、初始压力、当量比和压缩比等工况变化对HCCI燃烧的影响.仿真结果表明:自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧具有典型的两阶段特征,先进行低温反应放热阶段,后进行高温反应放热阶段;随初始温度、初始压力、当量比和压缩比的增大,燃烧相位提前,燃烧放热率峰值、缸内最高温度和最大压力随之增大.

自由活塞膨胀机-直线发电机的性能研究

开发了一款用于小型车用有机朗肯循环(ORC)余热回收系统的新型自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG),并设计了一种新型配气机构来控制工质的进排气过程;基于压缩空气试验平台,对FPE-LG的运动特性、输出性能和指示效率进行了试验研究.结果表明:配气正时对FPE-LG的运动特性和输出性能具有重要影响;活塞组件的行程和速度随着进气角的增加而增大,随着排气角的减小而减小;优化配气正时可以明显改善直线发电机的输出性能,在进气角为60°、排气角为180°的条件下,当进气压力为1.9×10~5 Pa、工作频率为2 Hz、外接负载电阻为9Ω时,FPE-LG的峰值电压的最大值为13 V、峰值功率的最大值为18.6 W;随着外接负载电阻的增加,活塞组件的行程和速度呈现增加的趋势,FPE-LG的峰值电压和峰值功率增大;FPE-LG的指示效率随着外接负载电阻的增加而减小,当进气压力为1.9×10~5 Pa、工作频率为3 Hz、外接负载电阻为3Ω时,FPE-LG的指示效率为66.2%.

直线发电机的方案设计——自由活塞式内燃直线发电机研究进展(二)

自由活塞式内燃直线发电机是近年来正在研究的发电机种类 ,具有结构简单、效率高和单位质量功率大等特点。介绍了感应发电机、永磁直线发电机和同步磁阻直线发电机的结构及特点 ,这些种类的发电机应力都较低 ,不会对设计产生多大影响。对方案影响较大的是发电机的效率、功率因数和比功率。 3种类型直线发电机中 ,永磁直线发电机综合性能最好 ,其中的扁平式永磁直线发电机性能最佳 ,是自由活塞式内燃发电机组的最佳选择。

自由活塞式内燃直线发电机的燃烧性能研究

对一台二冲程汽油自由活塞式内燃直线发电机(FPLG)的活塞动态特性、缸内压强、缸内温度和NO_x排放进行了数值分析。针对FPLG特点,具体分析了其NO_x污染物的来源及形成机理。借助于数值分析软件Matlab/Simulink,计算并分析了点火提前时间和燃烧持续时间对FPLG缸内压力、缸内温度和NO_x排放的作用。计算结果表明:点火时刻在上止点前171°~126°而燃烧持续时间为36°~108°曲轴转角(点火提前时间相对上止点前为0 6ms,燃烧持续时间在412ms)时,增大提前点火时间和缩短燃烧持续时间都会使缸内的压力和温度上升,相应的NO_x的排放量也会急剧增大。

自由活塞膨胀机–直线发电机试验与仿真研究

将自由活塞膨胀机和直线发电机耦合成新型自由活塞膨胀机-直线发电机(free piston expander-linear generator,FPE-LG),用于小型车用有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)余热回收系统;基于压缩空气试验平台和Matlab/Simulink软件对FPE-LG进行试验和仿真研究。在相对低的进气压力和工作频率下,FPE-LG的运动特性和输出特性的试验与仿真结果吻合性较好,有效验证了仿真模型的正确性。进而利用FPE-LG仿真模型进行相对高压和高频的仿真研究,结果表明:进气压力和工作频率对FPE-LG的运动特性、输出特性和指示效率具有重要影响。当进气压力为1MPa,工作频率为15Hz,外接电阻阻值为9Ω时,FPE-LG的峰值功率约为676W。

基于准比例谐振控制的自由活塞内燃直线发电机发电策略

针对自由活塞内燃直线发电机稳定运行时产生的三相感应电动势难以直接应用到负载或动力电池的问题,提出了基于电压外环比例积分(proportion integration,PI)、电流内环准比例谐振(quasi proportional resonance,QPR)的双闭环交流/直流(alternating current/direct current,AC/DC)控制策略加上基于PI的双向直流/直流(direct current/direct current,DC/DC)控制策略,将直线发电机产生的三相感应电动势转换为稳定可控的直流电压。首先根据双闭环AC/DC控制策略生成控制三相电压源型整流器开关管通断的信号,将三相感应电动势整流为波动较小的直流电压,然后通过双向DC/DC控制策略将波动的直流电压转换为稳定可控的电压,最后在MATLAB/Simulink环境下搭建了相应的控制模型进行验证。仿真结果表明,双闭环AC/DC控制策略中电流内环采用QPR控制相比于PI和比例谐振(proportional resonance,PR)控制直流侧电压具有更快的响应速度和更小的电压纹波,可以在0.3 s稳定在400 V,电压纹波为48.9 V。在加入DC/DC转换器后直流侧电压可以在0.2 s稳定在300 V。

自由活塞膨胀机-直线发电机流体仿真与运动分析

为提高自由活塞膨胀机-直线发电机装置的集成度,使用计算流体力学方法,运用动网格技术,分析了气缸内气体的运动情况和活塞的运动特性,并利用正交试验分析了气缸结构参数对活塞运动特性的影响程度。结果表明:气体流经进、排气通口处,气体压力和流速的变化较为明显;气缸通口孔径对活塞速度、位移的影响最大;进气时间、活塞质量、气缸直径对活塞的位移、速度也存在不同程度的影响。

自由活塞膨胀机-直线发电机平稳性研究

系统平稳性对于自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)寿命和性能具有重要影响,将振动特性和输出电压变化作为平稳性评价指标,研究了不同进气压力和膨胀时间对FPE-LG系统平稳性的影响规律。试验结果表明:FPE-LG系统的振动频率不受进气压力和膨胀时间的影响;在膨胀时间不超过15 ms时,随着进气压力的提高,系统的振动幅值和输出电压峰值增大,相同进气压力下,系统平稳性随膨胀时间缩短而减弱;膨胀时间大于15 ms时,振动幅值的变化趋势平稳,系统平稳性增强,输出电压峰值随着膨胀时间的延长而变小并趋于平稳,随进气压力的提高而增大。

自由活塞式直线发电机起动控制分析

根据自由活塞式直线发电机的工作原理,本文建立了基于矢量控制的永磁直线发电机的数学模型,通过对数学模型的数值分析,获得了系统的起动特性.并进一步分析了直线发电机功率控制的决定因素,研究了电机起动控制时的控制方案,在起动阶段系统采用位置环、电流环、速度环结构进行控制,并确立系统采用矢量控制方法以及空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制算法,同时在MATLAB/Simulink中建立了起动阶段的系统仿真模型并进行了系统仿真.其结果证明了该设计方案的可靠性和可行性.

基于热网络法的FPLG长次级直线发电机温度场分析与热设计研究

自由活塞式内燃直线发电系统(FPLG)是一种新型动力装置,具有效率高、结构紧凑等优点。为了快速准确预估该系统中长次级直线发电机温升,本文建立了考虑绝缘材料属性下的双边扁平式永磁直线发电机(LDF-PMLG)的稳态热网络模型,评估了LDF-PMLG在额定负载工况下的温度分布及不同工况下的稳态温升,以2.5 kW双边扁平式永磁直线发电机为例,分析了其在不同负载下的温升分布规律,与有限元方法和实验结果相比表明,最大误差均不超过5.5%,验证了所提方法的有效性。同时,基于所建热网络模型,修正了电机全工况下能承受的最大电流曲线,提出了绕组、磁钢关键材料的选型方法,为LDF-PMLG的热设计提供参考依据。

“工”型永磁体圆筒型直线发电机性能研究

设计了一种“工”型永磁体圆筒式直线发电机,确定了基本结构及参数。采用有限元分析对三种充磁方式下的“矩”型、“工”型永磁体圆筒式直线发电机的空载发电动势、定位力、输出功率进行了对比分析;并单独对径向充磁下的“工”型永磁体直线发电机进行了不同结构参数下的性能分析。得到了以下结论:在使用径向充磁时,“工”型永磁体可以小幅提升反电势和输出功率,并有效降低定位力;在使用轴向充磁时,“工”型永磁体同样可以有效降低定位力;但在使用Halbach充磁时,“工”型永磁体相反会提升定位力;同时确定了径向充磁下“工”型永磁体直线发电机随着永磁体厚度变化的性能变化曲线,以及其独特结构下随其特征结构参数的性能变化曲线。