李頓 彭寶營(yíng)

（北京信息科技大學(xué)，北京 100192）

主題詞：自由活塞膨脹機(jī)-直線發(fā)電機(jī) 振動(dòng)幅值 平穩(wěn)性 輸出電壓

1 前言

汽車燃料燃燒所產(chǎn)生的能量只有小部分用于做功，大部分通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣、冷卻系統(tǒng)和機(jī)械摩擦損失。因此，汽車廢氣能量的有效利用可為汽車節(jié)能提供新的方案[1-3]。有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）[4-7]憑借其高效的余熱利用、簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及環(huán)保等眾多優(yōu)勢(shì)成為車輛降低油耗、有效利用排氣余熱的研究焦點(diǎn)。Hou[8-12]等人建立了有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)自由活塞膨脹機(jī)-直線發(fā)電機(jī)（Free Piston Expander-Linear Generator，F(xiàn)PE-LG）試驗(yàn)臺(tái)，研究了外部負(fù)載電阻對(duì)FPE-LG指示效率、運(yùn)動(dòng)特性和輸出性能的影響。田亞明[13]等展開(kāi)了進(jìn)氣壓力、運(yùn)行頻率及外部負(fù)載電阻對(duì)FPE-LG輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率影響的研究，結(jié)果表明：進(jìn)氣壓力的提高對(duì)（功-電轉(zhuǎn)化）效率并無(wú)太大影響，隨著進(jìn)氣壓力的增大，均方根電壓和峰值電流變大；增大外部負(fù)載的電阻，F(xiàn)PE-LG系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率大幅提高。上述大多側(cè)重于對(duì)自由活塞膨脹機(jī)-直線發(fā)電機(jī)系統(tǒng)外接負(fù)載時(shí)的工作特性和效率以及運(yùn)動(dòng)特性的研究，卻未曾對(duì)FPE-LG 系統(tǒng)本身的平穩(wěn)性進(jìn)行研究。FPE-LG平穩(wěn)性分為運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和輸出平穩(wěn)，二者分別從系統(tǒng)振動(dòng)特性和輸出電壓變化中體現(xiàn)且相互影響，相互制約。故本文基于自由活塞膨脹機(jī)摩擦損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能優(yōu)異、膨脹比易控的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)搭建FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)并探究了不同膨脹時(shí)間對(duì)于FPE-LG系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響，研究了系統(tǒng)的輸出電壓隨不同外部工況的變化規(guī)律。

2 FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)及工作原理

2.1 試驗(yàn)裝置

FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要由氣缸、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、張力控制器、三相整流器、直線發(fā)電機(jī)、電壓衰退模塊通道跟隨器、加速度傳感器、位移傳感器等部件組成。

圖1 FPE-LG試驗(yàn)臺(tái)

2 臺(tái)單活塞自由活塞膨脹機(jī)對(duì)置于直線發(fā)電機(jī)兩側(cè)，直線發(fā)電機(jī)動(dòng)子與兩側(cè)氣缸中的活塞通過(guò)連桿耦合在一起，構(gòu)成自由活塞連桿組件，兩側(cè)活塞往復(fù)交替運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)直線電機(jī)動(dòng)子切割磁感線對(duì)外輸出電能，整流器對(duì)產(chǎn)生的電流進(jìn)行校正后，電流流向負(fù)載一端。采用東華采集系統(tǒng)測(cè)量電流、電壓、電能的實(shí)時(shí)變化情況。溫度傳感器、壓力傳感器分別測(cè)量氣缸內(nèi)進(jìn)氣、排氣時(shí)的缸內(nèi)溫度和壓力。部件參數(shù)如表1所示。

表1 FPE-LG部件的主要參數(shù)

2.2 工作原理設(shè)計(jì)

FPE-LG系統(tǒng)原理如圖2所示。將自由活塞所能到達(dá)的氣缸左極限位置稱為左止點(diǎn)，亦為機(jī)械上止點(diǎn)；自由活塞所能到達(dá)的氣缸右極限位置稱為右止點(diǎn)，亦為機(jī)械下止點(diǎn)。自由活塞膨脹機(jī)通過(guò)電磁閥控制氣缸進(jìn)、排氣門的開(kāi)閉，進(jìn)而控制壓縮氣體工質(zhì)在氣缸內(nèi)的進(jìn)氣和排氣?；竟ぷ鬟^(guò)程為：當(dāng)兩側(cè)自由活塞膨脹機(jī)氣缸內(nèi)氣體流動(dòng)過(guò)程為左側(cè)進(jìn)氣、右側(cè)排氣時(shí)，氣缸左、右兩側(cè)產(chǎn)生氣壓差，活塞在兩氣缸的左∕右止點(diǎn)之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了避免活塞與氣缸蓋間的碰撞以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，控制系統(tǒng)必須精確控制活塞運(yùn)行的位置，本文使用較時(shí)間控制更為穩(wěn)定可靠的位置控制來(lái)控制自由活塞的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡獲得活塞的最大行程來(lái)確定活塞運(yùn)行的左∕右止點(diǎn)，通過(guò)改變左∕右止點(diǎn)的位置調(diào)節(jié)活塞運(yùn)行的行程。壓縮空氣在氣缸內(nèi)膨脹，為活塞組件提供動(dòng)力，促使直線發(fā)電機(jī)往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的電能通過(guò)整流器進(jìn)行校正，最后流向輸出端。高壓氣體能量的充分利用，使直線發(fā)電機(jī)源源不斷地對(duì)外輸出電能，保證了FPE-LG系統(tǒng)穩(wěn)定、高效率地工作。

圖2 FPE-LG系統(tǒng)原理

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 膨脹時(shí)間較短時(shí)FPE-LG的振動(dòng)特性

利用東華系統(tǒng)采集FPE-LG 運(yùn)行過(guò)程中氣缸內(nèi)壓力的變化情況如圖3 所示，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的工作過(guò)程分為進(jìn)氣過(guò)程、膨脹過(guò)程和排氣過(guò)程。壓縮氣體工質(zhì)在氣缸內(nèi)膨脹時(shí)，缸內(nèi)氣壓隨時(shí)間變化呈現(xiàn)周期性變化。隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)呈周期性變化。

圖3 自由活塞膨脹機(jī)缸內(nèi)壓力變化情況

對(duì)采集的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換后得到FPE-LG 系統(tǒng)在不同進(jìn)氣壓力和膨脹時(shí)間下的振動(dòng)頻率。當(dāng)膨脹時(shí)間在15 ms 以下時(shí)，將進(jìn)氣壓力由0.2 MPa 調(diào)整至0.5 MPa，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的振動(dòng)規(guī)律如圖4a～圖4c所示，隨著進(jìn)氣壓力的增大，振動(dòng)幅值變大，當(dāng)進(jìn)氣壓力從0.2 MPa 增加至0.5 MPa，膨脹時(shí)間為7 ms時(shí)，振動(dòng)幅值由79.536 mm 增加到89.325 mm。這是由于膨脹時(shí)間相同條件下，進(jìn)氣壓力增大后，壓縮氣體在氣缸內(nèi)膨脹時(shí)對(duì)自由活塞組件施加的力逐漸增大，導(dǎo)致往復(fù)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性降低。如圖4d 所示，在相同進(jìn)氣壓力（0.2 MPa）下，隨著膨脹時(shí)間從5 ms 增加到13 ms，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的振動(dòng)幅值從96.130 mm 減小至53.349 mm。當(dāng)進(jìn)氣壓力不變時(shí)，膨脹時(shí)間越長(zhǎng)，氣體在氣缸內(nèi)獲得膨脹越充分，活塞受進(jìn)氣壓力的驅(qū)動(dòng)到達(dá)機(jī)械下止點(diǎn)時(shí)的速度越慢，F(xiàn)PE-LG系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)越平穩(wěn)。

圖4 不同工況下的振動(dòng)幅值

3.2 膨脹時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)FPE-LG的振動(dòng)特性

如圖5 所示，當(dāng)FPE-LG 系統(tǒng)膨脹時(shí)間在15 ms 及以上時(shí)，由于直線電機(jī)本身的穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)制幾乎能夠消除膨脹時(shí)間較長(zhǎng)所帶來(lái)的不穩(wěn)定運(yùn)行因素，加之膨脹時(shí)間更長(zhǎng)，壓縮氣體可以在氣缸內(nèi)得到充分膨脹，活塞部件的沖程和回程時(shí)間也會(huì)越來(lái)越充足，即此時(shí)活塞在氣缸內(nèi)的行程隨膨脹時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。壓縮氣體進(jìn)氣完成后，氣缸內(nèi)壓力變小，此時(shí)活塞部件運(yùn)動(dòng)速度會(huì)提高，進(jìn)氣壓力一定時(shí)，膨脹時(shí)間越長(zhǎng)，氣缸內(nèi)壓縮氣體就越多。對(duì)比膨脹時(shí)間15 ms 和45 ms 時(shí)可知，當(dāng)膨脹時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)氣壓力和膨脹時(shí)間的變化對(duì)FPE-LG系統(tǒng)的振動(dòng)幅值無(wú)顯著影響。此時(shí)振動(dòng)幅值在53.349 mm左右且波動(dòng)極小。

圖5 膨脹時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)的振動(dòng)幅值

3.3 不同工況下FPE-LG的輸出電壓變化

圖6 所示為不同工況下FPE-LG 系統(tǒng)的輸出電壓。FPE-LG 系統(tǒng)在不同進(jìn)氣壓力和膨脹時(shí)間下呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，峰值輸出電壓是最具有參考意義且能衡量系統(tǒng)能量輸出優(yōu)劣的參數(shù)。由圖6a 可知，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的輸出電壓隨時(shí)間增加呈現(xiàn)類正弦-余弦的變化規(guī)律，輸出電壓峰值在1 個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)忽高忽低現(xiàn)象是由于自由活塞組件的正向速度與負(fù)向速度大小一致。如圖6b 所示，膨脹時(shí)間在15 ms 以下時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力增大，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的峰值輸出電壓變大。進(jìn)氣壓力的增大提高了整個(gè)活塞組件的速度，使組件獲得更大的位移，提高了往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的行程利用率。而隨著膨脹時(shí)間延長(zhǎng)，系統(tǒng)的峰值輸出電壓降低。如圖6c 所示，在進(jìn)氣壓力不變時(shí)，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)峰值輸出電壓隨膨脹時(shí)間的變化趨勢(shì)相對(duì)平緩并最終趨于穩(wěn)定。膨脹時(shí)間的變長(zhǎng)可在一定程度上滿足不同進(jìn)氣壓力下壓縮氣體的充分膨脹，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的峰值輸出電壓變化趨勢(shì)更加平穩(wěn)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出平穩(wěn)性也隨之增強(qiáng)。但是，當(dāng)膨脹時(shí)間相同時(shí)，系統(tǒng)的峰值輸出電壓隨進(jìn)氣壓力的增大而增大。

圖6 不同工況下的峰值輸出電壓

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了FPE-LG系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，同時(shí)研究了不同進(jìn)氣壓力和膨脹時(shí)間對(duì)FPE-LG 系統(tǒng)的振動(dòng)特性及輸出電壓變化的影響，利用快速傅里葉變換得到系統(tǒng)振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值的關(guān)系，最后分析了FPE-LG 系統(tǒng)的峰值輸出電壓在不同進(jìn)氣壓力和膨脹時(shí)間下的變化規(guī)律，得到關(guān)于FPE-LG 系統(tǒng)平穩(wěn)性相關(guān)結(jié)論如下：進(jìn)氣壓力和膨脹時(shí)間對(duì)FPE-LG 系統(tǒng)的振動(dòng)頻率不產(chǎn)生影響；在膨脹時(shí)間小于15 ms 時(shí)，隨進(jìn)氣壓力增加，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)的振動(dòng)幅值增加，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性降低，而在相同進(jìn)氣壓力下，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性隨膨脹時(shí)間的縮短而減弱，當(dāng)膨脹時(shí)間大于15 ms 時(shí)，系統(tǒng)的振動(dòng)幅值變化平穩(wěn)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性增強(qiáng)；保持膨脹時(shí)間不變時(shí)，F(xiàn)PE-LG 系統(tǒng)峰值輸出電壓隨進(jìn)氣壓力的增大而增大，當(dāng)進(jìn)氣壓力不變時(shí)，隨著膨脹時(shí)間的延長(zhǎng)，系統(tǒng)的峰值輸出電壓減小，膨脹時(shí)間大于15 ms時(shí)的峰值輸出電壓變化速度明顯小于膨脹時(shí)間不超過(guò)15 ms 時(shí)峰值輸出電壓的變化速度，當(dāng)峰值輸出電壓變化趨于平穩(wěn)時(shí)，系統(tǒng)的輸出平穩(wěn)性增強(qiáng)。