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        單氣缸自由活塞膨脹機(jī)- 直線發(fā)電機(jī)試驗(yàn)研究

        2018-11-29 11:25:08田亞明張紅光李健趙騰龍王焱
        兵工學(xué)報(bào) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:負(fù)載電阻連桿氣缸

        田亞明, 張紅光, 李健, 趙騰龍, 王焱

        (1.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 北京 100124; 2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心, 北京 100124)

        0 引言

        對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)而言,燃燒產(chǎn)生的能量小部分用于做功,大部分熱量主要通過內(nèi)燃機(jī)的排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)外散失,相對(duì)于冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)散失的熱量,排氣系統(tǒng)中的熱量更具有回收利用的潛力[1-3]。近年來,利用小型有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)回收車用內(nèi)燃機(jī)排氣余熱成為研究熱點(diǎn)。膨脹機(jī)作為ORC余熱回收系統(tǒng)中的主要熱-功轉(zhuǎn)換部件,受到了廣大學(xué)者的關(guān)注[4-9]。自由活塞膨脹機(jī)-直線發(fā)電機(jī)(FPE-LG)是自由活塞膨脹機(jī)(FPE)與直線發(fā)電機(jī)(LG)直接耦合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)膨脹機(jī)不同,F(xiàn)PE-LG摒棄了曲柄連桿機(jī)構(gòu),且活塞運(yùn)動(dòng)過程中無側(cè)向力,因此摩擦損失小、機(jī)械效率較高[10-13]。由于活塞不受曲軸連桿的限制,其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)僅由活塞所受的瞬時(shí)合力決定[14-15],可以充分掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,使其處于最佳運(yùn)行狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)FPE-LG的平穩(wěn)高速運(yùn)行,使能量利用率達(dá)到最大。

        Wang等[16]研發(fā)了1臺(tái)新型小型自由活塞膨脹機(jī),在膨脹過程中將活塞的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。研究結(jié)果表明:當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.375 MPa時(shí),自由活塞發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)55%. Zhang等[17]研發(fā)了一種新型自由活塞式膨脹機(jī),用于替代跨臨界CO2制冷循環(huán)中的節(jié)流閥,回收跨臨界CO2制冷循環(huán)中的膨脹功。利用壓力-時(shí)間和壓力-體積指示圖,對(duì)膨脹機(jī)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:膨脹機(jī)能夠在較寬的壓力范圍內(nèi)工作,且工作頻率與膨脹機(jī)進(jìn)口壓力、出口壓力差近似呈線性關(guān)系。Weiss[18]針對(duì)一款小型自由活塞膨脹機(jī)開展了研究,將低溫廢熱源轉(zhuǎn)換為有用功輸出。結(jié)果表明:膨脹機(jī)功率取決于設(shè)計(jì)參數(shù)和活塞運(yùn)動(dòng)狀態(tài),減少活塞質(zhì)量和活塞位移,可使活塞的運(yùn)動(dòng)頻率增加、電機(jī)的輸出功率增大,最大輸出功率為25.6 mW. Li等[19]和張紅光等[20]設(shè)計(jì)了一種新型自由活塞膨脹機(jī),采用伺服電機(jī)控制膨脹機(jī)的進(jìn)排氣門,基于Fluent軟件和三維數(shù)值模擬模型,分析了自由活塞膨脹機(jī)進(jìn)氣和排氣過程中缸內(nèi)流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性。研究結(jié)果表明:當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.3 MPa、運(yùn)行頻率為3 Hz時(shí),自由活塞膨脹機(jī)指示效率可達(dá)到66.2%.

        本文在對(duì)置雙活塞自由活塞膨脹機(jī)的研究基礎(chǔ)上,將進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)加以改善,摒棄了原有的機(jī)械氣門(旋轉(zhuǎn)凸輪臺(tái)控制)[21],采用高頻電磁閥控制進(jìn)排氣門,搭建了單氣缸FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)。以壓縮空氣為工質(zhì)實(shí)現(xiàn)了FPE-LG在較高壓力、較高頻率下運(yùn)行,驗(yàn)證了單活塞FPE-LG工作原理的可行性。進(jìn)而揭示了FPE-LG輸出功率、自由活塞膨脹機(jī)膨脹功-直線發(fā)電機(jī)輸出電能轉(zhuǎn)換(簡(jiǎn)稱功-電轉(zhuǎn)換)效率的關(guān)鍵影響因素,明確了驅(qū)動(dòng)壓力、外接負(fù)載電阻等對(duì)FPE-LG輸出特性的影響機(jī)制以及這些因素之間的相互影響規(guī)律,并進(jìn)一步闡明了FPE-LG的工作機(jī)理,從而為主動(dòng)調(diào)控進(jìn)排氣門正時(shí),使FPE-LG處于最佳運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)排氣余熱能的高效回收奠定了基礎(chǔ)。

        1 單氣缸FPE-LG試驗(yàn)裝置和工作原理

        1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

        單氣缸FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。由圖1可見,F(xiàn)PE-LG包括1臺(tái)單氣缸自由活塞式膨脹機(jī)、1臺(tái)直線發(fā)電機(jī)以及各類傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和附屬連接件等,F(xiàn)PE中活塞通過連桿與直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子連接,并被定義為活塞連桿組件。與現(xiàn)有膨脹機(jī)不同,F(xiàn)PE摒棄了曲柄連桿機(jī)構(gòu),活塞可以在氣缸腔內(nèi)自由移動(dòng),帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子做往復(fù)切割磁感線運(yùn)動(dòng)、產(chǎn)生電能。直線發(fā)電機(jī)通過外部整流電路與負(fù)載電阻相連,從而將產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出。

        1.2 工作原理

        FPE-LG結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖如圖2所示,定義靠近左端蓋的極限位置為位移坐標(biāo)原點(diǎn),取向右為正方向。針對(duì)某一個(gè)工作循環(huán),活塞能夠收縮到左腔的極限位置稱為運(yùn)動(dòng)左止點(diǎn)(OLDC),活塞能夠伸出到右腔的極限位置稱為運(yùn)動(dòng)右止點(diǎn)(ORDC)。由于FPE-LG摒棄了曲柄連桿機(jī)構(gòu),不同工作循環(huán)的OLDC/ORDC會(huì)發(fā)生變化,針對(duì)不同工作循環(huán),OLDC和ORDC之間的距離稱為實(shí)際行程sa. 圖2中smax表示活塞的最大行程,其大小是在FPE-LG設(shè)計(jì)過程中根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和容積效率等折中考慮的結(jié)果。

        FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)架原理圖如圖3所示。由圖3可見,F(xiàn)PE-LG包括2個(gè)沖程,即左、右兩工作腔交替進(jìn)行的進(jìn)氣-膨脹沖程(進(jìn)氣過程、排氣過程)和排氣沖程(排氣過程)。當(dāng)FPE-LG開始工作時(shí),進(jìn)氣門A1打開(排氣門A2、進(jìn)氣門B1處于閉合狀態(tài),排氣門B2處于打開狀態(tài)),高溫高壓工質(zhì)氣體流入氣缸,推動(dòng)活塞連桿組件向ORDC運(yùn)動(dòng),通入一定時(shí)間后進(jìn)氣門A1閉合(排氣門A2、進(jìn)氣門B1處于閉合狀態(tài),排氣門B2處于打開狀態(tài))、開始膨脹過程,活塞繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)FPE-LG的活塞連桿組件運(yùn)動(dòng)到ORDC位置時(shí),右腔進(jìn)氣門B1打開(排氣門B2、進(jìn)氣門A1處于閉合狀態(tài),排氣門A2處于打開狀態(tài)),高溫高壓工質(zhì)氣體流入右腔,活塞連桿組件向左運(yùn)動(dòng),直至到達(dá)OLDC,完成一個(gè)工作循環(huán)?;钊B桿組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)發(fā)電機(jī)動(dòng)子切割定子的磁感線圈,直線發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能輸出。

        2 FPE-LG動(dòng)力學(xué)特性

        2.1 動(dòng)力學(xué)方程

        由于活塞連桿組件不受曲軸的限制,其運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全由活塞連桿組件瞬時(shí)所受作用力的合力確定?;钊\(yùn)動(dòng)過程中受到缸內(nèi)氣體壓力、直線發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力和運(yùn)動(dòng)部件間摩擦力[21],根據(jù)牛頓第二定律,可以得到單氣缸FPE-LG動(dòng)力學(xué)方程為

        (1)

        式中:m為活塞連桿組件質(zhì)量;x為活塞位移;pl為左腔A缸內(nèi)壓力;pr為右腔B缸內(nèi)壓力;A為活塞面積;Fe為電磁力;Ff為摩擦力。

        盡管FPE-LG取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)過程中不受側(cè)向力,但是該系統(tǒng)仍然存在一定的摩擦力Ff. 摩擦力Ff可以簡(jiǎn)化為

        (2)

        式中:cf為黏性摩擦系數(shù)。

        當(dāng)直線發(fā)電機(jī)工作時(shí),其產(chǎn)生的電磁力與活塞速度近似呈線性關(guān)系:

        (3)

        式中:ce為直線電機(jī)電磁力系數(shù)。由此可得

        (4)

        式中:c=ce+cf.

        2.2 電磁力分析

        作為FPE-LG的重要組成部件,直線發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中起著非常關(guān)鍵的作用,因此針對(duì)性地設(shè)計(jì)或選擇與自由活塞膨脹機(jī)特點(diǎn)相匹配的直線發(fā)電機(jī),是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作。圓筒式直線發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)均是回轉(zhuǎn)體,運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦損失小,可允許的峰值運(yùn)動(dòng)速度較高。由于本樣機(jī)的研究尚處于探索階段,為簡(jiǎn)化樣機(jī)結(jié)構(gòu)并適應(yīng)自由活塞膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文選取圓筒式永磁直線發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象。

        當(dāng)直線發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能時(shí),產(chǎn)生的直線推力與電機(jī)線圈中流過的電流I呈線性關(guān)系,即

        Fe=kfI,

        (5)

        式中:kf為直線電機(jī)電磁推力系數(shù),其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流近似為

        (6)

        kv為直線電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)常數(shù);

        (7)

        Rs為直線電機(jī)內(nèi)部電阻,RL為外接負(fù)載電阻,Ls為直線電機(jī)電感。由于Ls取值較小,在理想工況下其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響可以忽略不計(jì)。

        將(6)式代入(7)式中,得

        (8)

        將(8)式代入(5)式中,得

        (9)

        由此得直線電機(jī)電磁力系數(shù)為

        (10)

        通過以上動(dòng)力學(xué)分析,選取1臺(tái)商用圓筒式永磁直線發(fā)電機(jī)與設(shè)計(jì)好的FPE相匹配,表1給出了該直線發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)。

        表1 直線電機(jī)基本參數(shù)

        3 單氣缸FPE-LG輸出特性分析

        當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.5 MPa、運(yùn)行頻率為4.0 Hz、外接負(fù)載電阻為50 Ω時(shí),輸出功率隨時(shí)間的變化如圖4所示。由圖4可見:總體上,F(xiàn)PE-LG的輸出功率呈現(xiàn)較為規(guī)律的正弦波動(dòng);對(duì)于每一循環(huán),峰值輸出功率波動(dòng)較?。籉PE-LG原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,證明了單氣缸FPE-LG工作原理的可行性。通過輸出功率對(duì)時(shí)間的積分,可得到FPE-LG在固定時(shí)間內(nèi)的輸出功Wo為

        (11)

        式中:U為FPE-LG輸出電壓;t1、t2為選取的相應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

        圖5給出了其他參數(shù)保持不變(工作頻率為4.0 Hz,驅(qū)動(dòng)壓力為0.5 MPa,外接負(fù)載電阻為50 Ω)情況下,F(xiàn)PE-LG穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)工作腔B的壓力-體積指示圖變化趨勢(shì)。圖5中:a-b為進(jìn)氣過程,高壓工作介質(zhì)流入FPE-LG;b-c為膨脹過程,高壓工作介質(zhì)在FPE-LG工作腔內(nèi)自由膨脹,推動(dòng)活塞連桿組件快速運(yùn)動(dòng),將高壓工質(zhì)內(nèi)能轉(zhuǎn)換為電能輸出;c-a為排氣過程,做功后的工作介質(zhì)排出FPE-LG. 通過計(jì)算壓力-體積圖所圍成的面積,可以得到FPE-LG的實(shí)際膨脹功WAEW. FPE-LG的功-電轉(zhuǎn)換效率η的計(jì)算公式如下:

        (12)

        3.1 驅(qū)動(dòng)壓力的影響

        類似于輸出功率的變化,F(xiàn)PE-LG輸出電壓隨時(shí)間也呈現(xiàn)出較為規(guī)律的正弦波動(dòng),在分析輸出電壓時(shí),應(yīng)研究電壓輸出有效值。圖6給出了運(yùn)行頻率為4.0 Hz時(shí),均方根電壓即電壓有效值隨驅(qū)動(dòng)壓力的變化情況。從圖6中可知,當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.6 MPa、外接負(fù)載電阻為50 Ω時(shí),最大均方根電壓可以達(dá)到38.2 V. 試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)運(yùn)行頻率、外接負(fù)載電阻等運(yùn)行參數(shù)不變時(shí),均方根電壓隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增大而增大。因此,對(duì)于單氣缸FPE-LG而言,通過提高驅(qū)動(dòng)壓力可以獲得更大的輸出電壓。

        為了進(jìn)一步分析驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)FPE-LG輸出特性的影響機(jī)制,圖7給出了外接負(fù)載電阻為50 Ω時(shí),峰值電流和活塞連桿組件峰值速度隨驅(qū)動(dòng)壓力的變化規(guī)律。由圖7可見:活塞連桿組件峰值速度與驅(qū)動(dòng)壓力近似呈線性關(guān)系,隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增加而增大;當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力增加到0.6 MPa時(shí),活塞連桿組件峰值速度可以達(dá)到0.85 m/s. 此外,峰值電流與驅(qū)動(dòng)壓力也近似呈線性關(guān)系,可見,外接負(fù)載電路的電流與FPE-LG活塞連桿組件速度密切相關(guān)。

        圖8給出了當(dāng)運(yùn)行頻率為4.0 Hz時(shí),F(xiàn)PE-LG的WAEW隨著驅(qū)動(dòng)壓力的變化情況。為了使試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)盡可能準(zhǔn)確,直到FPE-LG啟動(dòng)運(yùn)行一段時(shí)間后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于運(yùn)行頻率相對(duì)較高,F(xiàn)PE-LG運(yùn)行周期僅為0.25 s,計(jì)算WAEW時(shí)選取1~3 s內(nèi)8個(gè)運(yùn)行周期WAEW的總和。當(dāng)外接負(fù)載電阻不變時(shí),隨著驅(qū)動(dòng)壓力的提高,WAEW迅速增大。驅(qū)動(dòng)壓力影響FPE-LG的WAEW原因如下:當(dāng)運(yùn)行頻率一定即進(jìn)氣門持續(xù)打開時(shí)間恒定時(shí),驅(qū)動(dòng)壓力越大,活塞連桿組件的行程越長(zhǎng),有效工作容積越大,驅(qū)動(dòng)活塞連桿組件運(yùn)動(dòng)的能量越大,即FPE-LG的WAEW明顯提高。

        圖9給出了當(dāng)運(yùn)行頻率為4.0 Hz時(shí),不同外接負(fù)載電阻下,單氣缸FPE-LG功-電轉(zhuǎn)換效率隨驅(qū)動(dòng)壓力的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明:驅(qū)動(dòng)壓力的升高對(duì)于FPE-LG功-電轉(zhuǎn)換效率影響并不明顯;當(dāng)外接負(fù)載電阻為30 Ω、驅(qū)動(dòng)壓力從0.3 MPa提高到0.6 MPa時(shí),單氣缸FPE-LG功-電轉(zhuǎn)換效率在21.5%~23.3%之間變化;當(dāng)外接負(fù)載電阻為50 Ω時(shí),F(xiàn)PE-LG功-電轉(zhuǎn)換效率隨驅(qū)動(dòng)壓力的變化波動(dòng)更小,僅在25.2%~26.3%之間變化。

        3.2 外接負(fù)載電阻的影響

        圖10給出了當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.3 MPa、運(yùn)行頻率為4.0 Hz時(shí),峰值電流和峰值輸出功率隨外接負(fù)載電阻的變化情況。由圖10可見:峰值電流隨著外接負(fù)載電阻的增加而減?。划?dāng)外接負(fù)載電阻為10 Ω時(shí),F(xiàn)PE-LG峰值電流達(dá)到1.1 A;當(dāng)外接負(fù)載電阻為80 Ω時(shí),峰值電流僅為0.62 A. 對(duì)于峰值輸出功率而言,其變化趨勢(shì)與峰值電流不同。當(dāng)外接負(fù)載電阻小于60 Ω時(shí),外接負(fù)載電阻的變化對(duì)峰值輸出功率影響明顯,峰值輸出功率隨外接負(fù)載電阻的增大而迅速增大。然而,當(dāng)外接負(fù)載電阻由60 Ω變到80 Ω時(shí),峰值輸出功率僅提高4.7%,外接負(fù)載電阻改變對(duì)峰值輸出功率的影響明顯減弱。

        圖11所示為驅(qū)動(dòng)壓力分別為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí),WAEW隨外接負(fù)載電阻的變化情況。從圖11中可知,WAEW隨著外接負(fù)載電阻的增大而增加;當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.4 MPa時(shí),外接負(fù)載電阻從10 Ω變到40 Ω,相應(yīng)的WAEW從64.9 J增加到81.4 J,增長(zhǎng)率ΔWAEW/ΔRL約為0.55;當(dāng)外接負(fù)載電阻從50 Ω變到80 Ω時(shí),相應(yīng)的WAEW從86.1 J增加到86.3 J,增長(zhǎng)率ΔWAEW/ΔRL接近0. 由此可見,當(dāng)外接負(fù)載電阻較小時(shí),WAEW隨著外接負(fù)載電阻的變化極其敏感。當(dāng)外接負(fù)載電阻值大于50 Ω后,改變外接負(fù)載電阻值對(duì)于WAEW幾乎沒有影響。

        圖12給出了運(yùn)行頻率為4.0 Hz、驅(qū)動(dòng)壓力分別為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí),功-電轉(zhuǎn)換效率隨外接負(fù)載電阻的變化情況。由圖12可以看出,同一外接負(fù)載電阻下,0.3 MPa和0.4 MPa驅(qū)動(dòng)壓力下的FPE-LG功-電轉(zhuǎn)換效率近似相等,再次證明了驅(qū)動(dòng)壓力對(duì)于功-電轉(zhuǎn)換效率影響很小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.4 MPa、外接負(fù)載電阻小于60 Ω時(shí),隨著外接負(fù)載電阻的增大,F(xiàn)PE-LG的功-電轉(zhuǎn)換效率從13.4%上升到24.7%. 然而,當(dāng)外接負(fù)載電阻大于60 Ω后,F(xiàn)PE-LG的功-電轉(zhuǎn)換效率幾乎保持不變。上述分析結(jié)果表明,對(duì)于本試驗(yàn)樣機(jī)而言,當(dāng)外接負(fù)載電阻為60 Ω時(shí),樣機(jī)WAEW最大,功-電轉(zhuǎn)換效率最佳,繼續(xù)增大外接負(fù)載電阻沒有意義。

        4 結(jié)論

        本文自主研發(fā)了1臺(tái)單氣缸FPE-LG樣機(jī),在壓縮空氣試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了大量試驗(yàn),F(xiàn)PE-LG樣機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,證明了單氣缸FPE-LG工作原理的可行性。進(jìn)而分析了對(duì)單氣缸FPE-LG輸出性能和功-電轉(zhuǎn)換效率有關(guān)鍵影響的因素。得出主要結(jié)論如下:

        1) 均方根電壓隨著驅(qū)動(dòng)壓力的增大而增大,對(duì)于單氣缸FPE-LG而言,可以通過提高驅(qū)動(dòng)壓力實(shí)現(xiàn)增大輸出電壓的目的。

        2) 隨著驅(qū)動(dòng)壓力提高,WAEW迅速增大;但驅(qū)動(dòng)壓力變化對(duì)于FPE-LG功-電轉(zhuǎn)換效率幾乎沒有影響。

        3) 峰值電流隨著外接負(fù)載電阻增加而減小,當(dāng)外接負(fù)載電阻小于60 Ω時(shí),峰值輸出功率隨著外接負(fù)載電阻的增加而增大。對(duì)本文研發(fā)的單氣缸FPE-LG樣機(jī)而言,當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力為0.6 MPa、外接負(fù)載電阻為50 Ω時(shí),峰值輸出功率可達(dá)到58.7 W.

        4) 當(dāng)外接負(fù)載電阻小于60 Ω時(shí),隨著外接負(fù)載電阻增大,F(xiàn)PE-LG的功-電轉(zhuǎn)換效率從13.4%上升到24.7%. 對(duì)于本FPE-LG樣機(jī)而言,當(dāng)外接負(fù)載電阻為60 Ω時(shí),單氣缸FPE-LG的WAEW最大,功-電轉(zhuǎn)換效率最佳。

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