自由活塞直線發(fā)電機(jī)換氣品質(zhì)影響因素與建議

1、自由活塞直線發(fā)電機(jī)換氣品質(zhì)影響因素 與建議姚燕煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘要：氣口高度及氣道角度是自由活塞式直線發(fā)電機(jī)換氣品質(zhì)的兩點(diǎn)影響因素，本文 將簡要介紹活塞式直線發(fā)電機(jī)的原理及工作過程，然后根據(jù)活塞式直線發(fā)電機(jī) 系統(tǒng)搭建零維和三維仿真體系，并利用仿真系統(tǒng)分析自由活塞式發(fā)電機(jī)的運(yùn)動 特性及換氣過程，最后給出改善發(fā)電機(jī)換氣品質(zhì)的結(jié)論與建議。關(guān)鍵詞：自由活寒式直線發(fā)電機(jī);換氣品質(zhì);作者簡介：姚燕（1980-），女，山東博興人，煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，青 島大學(xué)碩士，研究方向?yàn)槠嚲S修與檢測。0引言t由活塞式發(fā)電機(jī)是一種新型動力裝置，它由自由活塞發(fā)電機(jī)和直線發(fā)動機(jī)耦 合形成，它能把活塞的直線往復(fù)運(yùn)動

2、產(chǎn)生的能力轉(zhuǎn)化成電能。自由活塞式直線發(fā) 電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，它的整體結(jié)構(gòu)簡單、由摩擦帶來的能量損失較小、能量利用 率也較高，一經(jīng)使用就受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。為保證其系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn) 行，要求有良好、高效的換氣系統(tǒng)。傳統(tǒng)fpe存在換氣過程較短等缺點(diǎn)，這就造 成了換氣品質(zhì)的降低，對fpe的動力和經(jīng)濟(jì)方面造成影響，也影將響到系統(tǒng)的 穩(wěn)定性。1自由活塞直線式發(fā)電機(jī)的工作原理及過程自由活塞直線式發(fā)電機(jī)主要由二沖程自由活塞發(fā)動機(jī)、直線發(fā)電機(jī)、進(jìn)氣閥門、 壓氣箱和回復(fù)電動機(jī)等部件構(gòu)成。發(fā)動機(jī)活塞設(shè)計(jì)屮有進(jìn)氣道和被動式進(jìn)氣閥門, 閥門的開閉由發(fā)動機(jī)壓氣箱與氣缸的壓力差及回復(fù)彈簧的彈力來實(shí)現(xiàn)。氣門的布 置也有

3、一定的規(guī)律，單向進(jìn)氣口被設(shè)計(jì)在壓氣箱側(cè)面，這種氣門布置方式能有 效減小發(fā)動機(jī)進(jìn)氣阻力并提高排氣效率，還可以在一定程度上簡化氣缸的進(jìn)氣 結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)活塞在上止點(diǎn)附近時(shí)，火花塞點(diǎn)燃混合器推動活塞運(yùn)動，通過壓縮壓氣 箱里的可燃混合器推動直線發(fā)電機(jī)工作，當(dāng)活塞運(yùn)動到設(shè)定位置時(shí)，觸發(fā)排氣 口開關(guān)進(jìn)行排氣，然后活塞繼續(xù)向下止點(diǎn)運(yùn)動;進(jìn)氣閥門存在一個(gè)開啟壓力值， 當(dāng)壓氣箱與燃燒室的壓力差達(dá)到此開啟壓力值后，打開被動式進(jìn)氣閥門，可燃 混合氣體進(jìn)入燃燒室；當(dāng)活塞運(yùn)動到特定位置時(shí)，又重新啟動電動機(jī)帶動活塞向 上止點(diǎn)運(yùn)動，當(dāng)壓氣箱與燃燒室的壓力差小于進(jìn)氣閥門的開啟壓力值時(shí)，促使 彈簧自動回復(fù)關(guān)閉進(jìn)氣閥門；當(dāng)活塞快要

4、到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，發(fā)動機(jī)會關(guān)閉，活塞靠 其慣性繼續(xù)運(yùn)動，最終到達(dá)上止點(diǎn)。壓氣箱的進(jìn)氣過程完成，同時(shí)火花塞點(diǎn)燃混 合氣完成一個(gè)工作循環(huán)。2仿真體系的建立2. 1 fplg 簡介fplg采用雙活塞對置的形式，直線電機(jī)位于兩個(gè)水平放置的fpe中間，電機(jī)動 子和發(fā)動機(jī)活塞連桿固定連接。處于電動模式下的電機(jī)，其活塞連桿組件通過動子來實(shí)現(xiàn)一定頻率的直線往復(fù) 運(yùn)動。當(dāng)活塞運(yùn)動頻率及形成達(dá)到著火條件時(shí)，發(fā)動機(jī)進(jìn)行噴油和點(diǎn)火操作；當(dāng) 發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定燃燒階段后，直線電機(jī)被切換成發(fā)電模式，此時(shí)又換成由活塞 連桿組件帶動電機(jī)動子進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的持續(xù)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量的 轉(zhuǎn)換。2. 2零維模型基于matlab平臺搭

5、建fplg系統(tǒng)的仿真模型，來獲得系統(tǒng)運(yùn)動性能，并為后面的 三維仿真模型提供初始條件和邊界條件。工況設(shè)定如下：電機(jī)起始動力為300n,動力換向位置為極限位置前4. 5mm,循環(huán) 噴油量為1.68mg,直線屯機(jī)屯磁負(fù)載為3307,點(diǎn)火位置為極限位置前3mm。將仿真結(jié)果與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比得出對比結(jié)果:仿真曲線與實(shí)測曲線總體趨 勢一致，誤差較小。2. 3三維模型在catia中建立發(fā)動機(jī)換氣系統(tǒng)的幾何模型，因不考慮掃氣箱內(nèi)氣體的流動， 現(xiàn)將形狀不規(guī)則的掃氣箱簡化為相同體積的圓柱體。建立的整個(gè)幾何模型為對稱 式，只取一半的模型進(jìn)行分析可以減小計(jì)算量。為提高面網(wǎng)格的質(zhì)量，利用 hypermesh軟件進(jìn)行

6、二維網(wǎng)格化;利用avl fire生成靜網(wǎng)格和動網(wǎng)格來模擬整個(gè) 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)燃燒室和掃氣箱部分的容積變化。利用arbi tray connect功能來實(shí) 現(xiàn)位于動網(wǎng)絡(luò)與靜網(wǎng)絡(luò)之間的流體聯(lián)通區(qū)域。三維仿真邊界的條件可通過計(jì)算或 經(jīng)驗(yàn)取值來初步確定，壓力、溫度、密度等條件要根據(jù)零維仿真來確定，并在三 維模型屮經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，直到初始條件滿足誤差允許。3自由活塞發(fā)動機(jī)換氣過程分析3.1換氣過程該系統(tǒng)發(fā)動機(jī)采用冋流掃氣方式，掃氣口被布置為兩個(gè)對稱的主掃氣口和兩個(gè) 對稱的副掃氣口。主副掃氣口在各自的縱橫方向上都設(shè)置了一定程度的傾斜角度, 空氣能沿著氣缸壁和活塞頂來回流動，同時(shí)把廢氣排出。排氣階段分為自由排氣階

7、段、強(qiáng)制掃氣階段、過后排氣階段。從排氣口開啟到掃 氣口開啟為自由排氣階段，由于在開始時(shí)氣缸內(nèi)廢氣較多，氣缸與排氣道之間 的氣壓差較大，缸內(nèi)廢氣在高氣壓下迅速被排岀，氣缸內(nèi)的氣壓有快速下降， 直到和排氣道壓強(qiáng)相當(dāng)，在自由排氣后期氣缸將停止排氣，此階段大概排出近 50%的廢氣;從掃氣口開啟到掃氣口關(guān)閉為強(qiáng)制掃氣階段，掃氣箱與氣缸內(nèi)形成 一定的壓力差后會使新鮮充量進(jìn)入氣缸，在主副掃氣道的協(xié)同作用下，再次將 廢氣擠壓至排氣口，此階段會排出近42%的廢氣;從掃氣口關(guān)閉到排氣口關(guān)閉為 過后排氣階段，此吋，缸內(nèi)的氣壓與溫度與排氣道幾近一致，氣體流動速度明 顯放緩，這一階段將排出約4%的廢氣。3.2換氣品質(zhì)評

8、價(jià)指標(biāo)nim2換氣品質(zhì)評價(jià)的三個(gè)性能指標(biāo)分別是:掃氣效率、捕獲率及換氣結(jié)束時(shí)的缸內(nèi)湍 動能。缸內(nèi)廢氣被新鮮充量清掃越干凈，其掃氣率就越高，其影響因素有峰值缸 壓和發(fā)動機(jī)功率，掃氣率與這兩個(gè)因素成正比的關(guān)系;捕獲率作為評價(jià)換氣品質(zhì) 的輔助標(biāo)準(zhǔn)表明了新鮮充量從排氣口逃逸的情況;湍動能則是評價(jià)換氣品質(zhì)的最 重要指標(biāo)，其表明了氣流運(yùn)動的劇烈程度，為提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，縮短燃燒持 續(xù)時(shí)間，提高放熱效率，提升發(fā)動機(jī)性能，可保持較大的湍動能。t = 1-定義掃氣效率和捕獲率公式為：m（） 式中n為掃氣效率，（）為捕獲率，叫為換氣結(jié)束后缸內(nèi)新鮮充量質(zhì)量，叫為換 氣結(jié)束后缸內(nèi)氣體總質(zhì)量，n）2為換氣過程中通過掃氣

9、口的新鮮充量質(zhì)量。4換氣品質(zhì)的影響因素4.1排氣口高度的影響排氣口的高度嚴(yán)重影響著fpe的換氣過程和燃燒過程，掃氣相位角的大小、換氣 過程所需時(shí)間的長短及噴器口式發(fā)動機(jī)的有效行程都會受到排氣口高度的影響。 通過設(shè)置不同高度的排氣口，研究三維模型的初始參數(shù)，可以知道缸壓和缸溫 在換氣過程開始這一階段時(shí)，隨著排氣口高度的減小而降低。原因在于排氣口高 度的降低是排氣口的開啟時(shí)間得以延遲，進(jìn)而使缸壓和缸溫在做功行程當(dāng)中下 降很多。掃氣效率隨著排氣口高度的增大而上升，捕獲率隨排氣口高度的增大而逐漸下 降。原因在于排氣口開啟時(shí)間的延長也使換氣時(shí)間得到了延長，掃氣時(shí)間隨z增 加，這樣會使掃氣更加充分，但也會

10、造成新鮮充量的大量流失，從而降低了捕 獲率。減小排氣口的高度對燃燒過程的速度會大大加快。排氣口的高度對強(qiáng)制排 氣階段沒有太多的影響，但是對自由排氣階段和過后排氣階段影響較大，具體 表現(xiàn)在隨著排氣口高度的增加，排岀氣體量也就越多，倒灌氣體量也會增多。4.2掃氣口高度的影響掃氣口面積的大小直接影響了氣流在掃氣道內(nèi)的流通狀況。對主掃氣口設(shè)置不同 的高度，對副掃氣口不作設(shè)置。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得岀結(jié)論:掃氣效率會試著掃氣 口高度的增加而提高，而缸內(nèi)湍動能將呈現(xiàn)遞減的趨勢，對捕獲率的影響不明 顯。4. 3掃氣道角度的影響掃氣道布置的角度決定了缸內(nèi)空氣在換氣過程中的運(yùn)動方式，是影響換氣系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)之一

11、。主副掃氣道對缸內(nèi)氣流的影響也不相同。對于主掃氣道傾角來說，傾角越大，掃氣效率會出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，期 間會產(chǎn)生一個(gè)峰值，而捕獲率和缸內(nèi)湍動能會隨傾角的增大而逐步減小;在掃氣 道傾角較小時(shí)，缸內(nèi)的湍動能就會增大，燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔黾?。?外，氣體的流通能力與掃氣道的傾角是成正比關(guān)系的?；钊滦兄翏邭饪陂_啟動 作時(shí)，新鮮充量就會進(jìn)入氣缸，在缸內(nèi)形成湍急的滾流，在掃氣口逐漸開啟過 程中，滾流將分裂為兩個(gè)小滾流，一側(cè)滾流會逐漸消失，另一側(cè)滾流會在下止 點(diǎn)再次形成一個(gè)湍急的大滾流，傾角的大小也會影響兩側(cè)滾流的形成和消失， 綜合掃氣道在整個(gè)換氣過程屮的影響可知，缸內(nèi)氣流運(yùn)動的劇烈程度會隨主

12、掃 氣道傾角的減小而加大，同時(shí)也反映出湍流速度的增大。對于副掃氣道來說，隨副掃氣道仰角的增大，掃氣效率會呈現(xiàn)出先增大后減小 的趨勢，在50度時(shí)會岀現(xiàn)峰值;捕獲率也會呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并在 40度處出現(xiàn)峰值;在換氣結(jié)束后，缸內(nèi)湍動能會隨副掃氣道仰角的增大而逐漸 増加。當(dāng)掃氣口剛打開時(shí)，湍急的滾流還未在缸內(nèi)形成。此時(shí)，副掃氣道的仰角 越大從掃氣道流出的氣流就會更靠近氣缸中心，使廢氣被更快的排出。隨后這股 氣流在氣缸頂部形成小型滾流。隨著活塞往下止點(diǎn)運(yùn)行，在氣缸的有商家將形成 較大滾流，滾流中心逐漸向左便宜，并最終形成湍急的滾流，滾流也將占據(jù)整 個(gè)氣缸。掃氣氣流會使較大仰角模型中的滾流形成速

13、度變慢，但是在下止點(diǎn)之后 就無明顯差別。5結(jié)論 本文通過自由活塞式發(fā)電機(jī)工作原理的敘述，仿真體系的建立，分析換氣過程 及換氣品質(zhì)的影響因素，得出以下結(jié)論：(1) 在相同轉(zhuǎn)速和壓縮比的條件下，受活塞運(yùn)動特性的影響，現(xiàn)行自由活塞式 發(fā)動機(jī)比傳統(tǒng)的二沖程的發(fā)動機(jī)的掃氣效率低，當(dāng)缸內(nèi)湍動能比傳統(tǒng)二沖程的 湍動能大。(2) 提高掃氣口的高度，選取合適的主副掃氣道的傾角有利于提升缸壓峰值和 功率;較小掃氣口的高度及主副掃氣道的傾角將增加缸內(nèi)空氣的運(yùn)動劇烈程度， 同吋加快燃燒過程。(3) 隨排氣口高度的增加，掃氣效率會隨之上升，但捕獲率及湍動能會下降;隨 主掃氣口高度的增加，掃氣效率會隨z上升，湍動能會下降，而捕獲率會出現(xiàn) 上下波動的情況。(4) 隨主掃氣道傾角的增加，掃氣效率會呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，捕獲率及 湍動能則會一直下降;隨副掃氣道傾角的增大，掃氣效率及捕獲率都會呈現(xiàn)先上 升后下降的趨勢，湍動能則會逐漸上升。參考文獻(xiàn)1傅煜，王哲，臧鵬飛自由活塞直線發(fā)電機(jī)換氣品質(zhì)影