特种发动机技术特点研究及其在车用动力装置领域的应用前景分析

以发动机的定义作为切入点,概要介绍了车用发动机的技术特点,并由现阶段在车辆上得以广泛应用的汽油机及柴油机等内燃机作为基础,对汪克尔发动机(又称“转子发动机”)、斯特林发动机、燃气轮机、自由活塞发动机及陶瓷发动机等几类特种发动机的技术特点进行了研究,并对上述几类发动机在车辆动力装置领域的应用前景进行了详尽分析,为行业的相关发展提供必要的理论依据。

自由活塞斯特林发动机动力活塞气体作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机动力活塞的运行特性,找到提高自由活塞斯特林发动机效率的方法,对配气活塞固定不动时的动力活塞的气体作用效应进行了理论分析,并设计了动力活塞的单独运动实验,在此基础上提出了动力活塞自然频率的计算公式。研究了压缩腔压力波超前与滞后动力活塞位移两种情况下动力活塞受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统自然频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统自然频率减小,且热源温度越高,系统的自然频率越大。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,利用此理论计算系统自然频率和实验相差不超过2%,使得斯特林发动机成功启动。

斯特林发动机在空间太阳能发电中的应用

提出了空间太阳能发电系统中采用自由活塞式斯特林发动机发电装置的概念设计模型,确立了整个概念设计的框架,并对自由活塞式斯特林发动机作了初步设计,同时对有关问题进行了讨论,提出了今后的发展方向。

斯特林发动机配气活塞气体的作用效应

为了能够深入认识自由活塞斯特林发动机配气活塞的运动特性,对动力活塞固定不动时的配气活塞的气体作用效应进行了分析,并设计了配气活塞的单独运动实验,在此基础上提出了配气活塞固有频率的计算式。分析了工作腔压力波超前与滞后配气活塞位移两种情况下受到的气体力的作用情况,采用旋转矢量法阐述了气体力的作用机理。当压力波超前或滞后活塞位移小于90°时,认为一部分气体力发挥了气体弹簧的作用,使系统固有频率增大;当压力波超前或滞后活塞位移大于90°但小于180°时,认为一部分气体力发挥了惯性力的作用,使系统固有频率减小。热源温度越高,系统的固有频率越小。利用本实验室的一台自由活塞斯特林发动机进行实验,验证了上述气体力作用的效应与规律,且利用此理论计算了系统固有频率的准确性。

自由活塞斯特林发动机配气活塞阻尼系数的试验研究

为了研究自由活塞斯特林发动机配气活塞的摩擦学性能,在自由活塞斯特林发动机动力学模型的基础上,分析了动力学方程中阻尼项的组成。利用自由振动法,得到各阻尼项的阻尼率,进而得到配气活塞的阻尼系数。试验结果表明,实验系统中的阻尼率均随活塞运动速度的增大而降低。配气活塞头与气缸壁之间和配气活塞杆与动力活塞内壁之间的摩擦阻尼率在0.01—0.02范围内;不同的充气压力下,配气活塞的阻尼率在0.04—0.07范围内;在不同的热源温度下,配气活塞的阻尼率在0.075—0.085范围内。

自由活塞斯特林发动机运行频率

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明:优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35Hz提高到60Hz。

基于全时域方法的自由活塞斯特林发电机工作特性研究

为了研究自由活塞斯特林发电机(FPSE)工作过程中内部参数的变化规律及耦合特性,根据各组件所经历的物理过程建立了全时域数值计算模型,进行了斯特林发电机热力学过程与动力学过程耦合求解分析。通过设计参数的输入获得了不同工况下1 kW FPSE的工作特性,计算结果与实验测试结果符合性良好。研究表明,全时域计算模型可为后续斯特林发电机提供设计指导及性能预测。

斯特林热机演示教具

介绍了日本宇宙航空研究开发机构设计制作的自由活塞斯特林发动机的演示教具,描述了演示教具的结构设计,分析了工作原理.

α型斯特林自由活塞反渗透海水淡化增压系统设计研究

主要提出了反渗透海水淡化系统的新型动力装置,将自由活塞斯特林发动机与往复式柱塞泵耦合,构成自由活塞斯特林增压泵,为反渗透海水淡化系统提供动力。首先,通过分析该发动机的结构和运行机理,建立自由活塞斯特林增压泵质量-液压力-阻尼系统;其次,利用实用等温模型分析法对斯特林发动机进行热力学建模,利用流体力学对液压腔压力变化建模,以及利用牛顿定律对系统活塞动力学建模;最后,借助MATLAB软件对系统建模进行求解分析,求出新型增压泵的输出功率和流量。结果证明该增压系统的设计符合反渗透海水淡化系统的需求,并可正常运行。

斯特林循环的热驱自由活塞反渗透海水淡化动力系统设计分析

提出一种新型基于斯特林循环的热驱自由活塞反渗透海水淡化动力系统,采用自由活塞发动机取消曲柄连杆等刚体传动机构,利用非刚性介质海水作为活塞平移机械能的接受体,简化传动链,通过蓄能器和配合弹簧作用,保持运动的周期性,能够提供稳定输出功,提高输出效率。建立斯特林动力部分绝热模型及活塞组件动力学模型,基于MATLAB软件平台编程分析,通过简化活塞运动模型,分析动力系统的相关变化规律及输出功。结果表明,动力系统可以稳定运行,有稳定输出功,设计比较合理,具有可行性。

自由活塞斯特林发动机Re-1000的模拟研究

为了掌握自由活塞斯特林发动机的设计方法,采用Sage软件建立了自由活塞斯特林发动机Re-1000的一维模型。模拟结果和实验结果比较显示,输出功率、热效率的模拟值和实验值呈相同的变化趋势。输出功率模拟值与实验值误差约为15%,热效率模拟值比实验值大4%。证明了Sage软件模拟自由活塞斯特林发动机具有较好的准确性,对优化自由活塞斯特林发动机性能有一定意义。

β型自由活塞斯特林发电机的CFD模拟

运用计算流体动力学软件中的动网格模型,对在研的β型自由活塞式斯特林发动机进行了二维整机模拟。研究表明:膨胀腔与压缩腔中密度分布均匀,流道非连续区域存在涡流耗散;回热器是最主要的压降组件且呈现出复杂的流动换热特征,其特征温度在周期内非正弦变化,压力分布也有别于单向流,在交变周期内沿轴向非单调变化。模拟得到的压缩腔动态压力与实测值偏差小于10%,说明所采用的模拟方法能应用于装置参数的寻优及受热交变流的定量分析。

斯特林驱动反渗透海水淡化增压泵设计研究

提出一种用于小型反渗透海水淡化新型增压装置,将β型自由活塞斯特林发动机与往复式活塞泵耦合成为自由活塞斯特林发动机驱动式增压泵。确定初始设计参数,建立结构原理图,利用实用等温模型建模,分析斯特林发动机内部工作参数;在确定斯特林发动机参数后利用伯努利方程和一维不稳定流动方程对往复泵进行建模,得出泵吸排水口压力以及泵腔内压力变化;研究了斯特林发动机热源温度对输出功的影响,排出管口压力影响因素;利用MATLAB软件对所建立模型求解计算。结果表明,本设备理论上满足设计初始工况要求并可正常运行。

斯特林发动机配气活塞变密封间隙的优化分析

介绍了自由活塞式斯特林发动机(FPSE)中的3处间隙密封以及间隙密封所产生的损失。根据理论公式计算,总结分析了变径配气活塞热端径向间隙、冷端径向间隙以及长度比对泵气损失、穿梭损失及总热损失的影响规律。

自由活塞式斯特林发动机的性能优化

以Simple分析法为基础,扩展针对自由活塞式斯特林发动机的分析软件,研究各项设计参数对自由活塞式斯特林发动机性能的影响,并对各项设计参数进行优化。结果表明:发动机性能随回热器孔隙率和相位角的变化有最佳值,而随系统平均压力和频率的增加而增加;当加热器和冷却器长径比(L/g)大于10时,环形间隙(g)越小,发动机输出功率与热效率越高;发动机输出功率随回热器长径比的增加而减小,热效率随回热器长径比的增加而增加;而发动机性能随加热器与冷却器长径比的变化有最佳值。

50 We自由活塞斯特林发电机的数值研究

设计了一台50 We的自由活塞斯特林发电机,并解耦为发动机和直线电机两部分分别开展分析。分析了发动机部分的工作特性,在2.5 MPa的氦气工作压力和900 K的加热温度下能以31.3%的热功转换效率输出68.2 W的声功;分析了直线电机的工作特性,输出电流为3.8 A时可输出57.8 We电功率,电机效率为80.5%;基于声阻抗匹配理论,分析了发动机和直线电机的声阻抗特性,实现了二者在功率、运行频率和声阻抗方面的匹配。发电机在900 K热端温度和2.5 MPa氦气工作压力下发电功率为54.6 We,热电效率为25.2%。

基于遗传算法的斯特林驱动式增压泵优化

对自主设计研究的反渗透海水淡化动力装置的驱动装置即β型自由活塞斯特林发动机进行优化。研究发现,影响斯特林发动机功率的因素主要有扫气容积比、温度比、无益容积比和活塞相位角。利用遗传算法全局寻优特点,寻找这四个参数的最佳匹配值,以得到最大功率输出。通过对优化前后的压力-容积图以及数值的对比,发现优化后的斯特林发动机输出功明显提高。

斯特林发电机中气体轴承设计与实验研究

提出一种适用于大功率斯特林发电系统中动力活塞的稳定气体轴承支撑方案,所提方案采用独立气泵、间隙密封与气体轴承耦合的供排气气路、间隙密封隔绝两侧腔体压力。采用计算流体动力学数值模拟分析不同节流孔直径、不同气膜厚度对气体轴承耗气量和承载力的影响,并验证间隙密封耦合气体轴承的新型气路的可行性。通过节流器、气膜厚度、活塞摩擦力等实验测试分析,以及对气体轴承中结构参数的高精度测量,结合激光测距仪与推拉力测试,实现对动力活塞气体轴承性能的高精度、完整评测。最后,建立一套完整的气体轴承设计、测试与分析平台,实现气体轴承活塞支撑的完全可控设计。

自由活塞斯特林机动子运动阻尼特性研究

为准确描述自由活塞斯特林机动子的动力学特性,将黏性阻尼与库伦阻尼的分离计算法引入动子的运动阻尼分析中。通过理论分析和实验验证,并与等效黏性阻尼计算法进行对比,证明了分离计算法的正确性和实用性。研究结果表明:动子在往复运动中的接触摩擦与常规接触摩擦不同,其阻尼力既不只是一个定常摩擦力,也不只是速度的线性函数,而是由于往复运动,动子的局部接触情况随位移发生变化,表现为与位置相关的摩擦力。因此,动子往复运动中的阻尼特性应采用一个黏性阻尼系数与一个定常摩擦力共同描述。

空间自由活塞斯特林发动机研究进展

自由活塞斯特林发动机可利用放射性同位素、核能、太阳能等热源将热能转化为机械能。由于其具有高效率、高可靠、长寿命等特点,成为满足当前长周期深空探测任务的理想机型之一。详细介绍了应用于放射性同位素发电装置和核裂变电源系统的自由活塞斯特林发动机的发展历程,其发展过程主要体现在结构形式多样化、输出功率及应用范围扩大化、单机走向系统集成化等方面。进一步总结了自由活塞斯特林发动机的关键技术,并介绍了其在热力学分析、多目标优化以及动力学方面的理论研究进展。最后,对我国自由活塞斯特林发动机的研究现状提出了几点思考。