車用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(補(bǔ)充修改稿)

1、車用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)孔令斌摘要:本文介紹的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng), 通過(guò)向處于等溫膨脹 過(guò)程相位的工作腔加注工質(zhì), 實(shí)現(xiàn)起動(dòng)運(yùn)行; 通過(guò)向處于等溫壓縮過(guò)程相位的工 作腔加注工質(zhì), 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)運(yùn)行; 通過(guò)向所有工作腔加注或泄減工質(zhì), 同時(shí)增大或 減小燃油和空氣供給量, 實(shí)現(xiàn)加速或減速運(yùn)行。 起動(dòng)制動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相位信號(hào) 和輸入的信號(hào)控制。 加速減速由工質(zhì)均衡器室的壓力升降控制。 用于汽車, 斯特 林發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)信號(hào)、 起動(dòng)時(shí)的空氣燃油供給信號(hào)、 點(diǎn)火信號(hào)都由同一開(kāi)關(guān)控制; 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加速信號(hào)由加速踏板控制; 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的減速信號(hào)、 制動(dòng)信號(hào)、 車輪制動(dòng)信號(hào)都由制動(dòng)踏板控制。

2、操作規(guī)程與內(nèi)燃機(jī)汽車基本相同。 這種汽車的 發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛同時(shí)制動(dòng)新技術(shù),提高了車輛安全性。關(guān)鍵詞:汽車;斯特林發(fā)動(dòng)機(jī);起動(dòng);制動(dòng)1. 引言早在上世紀(jì) 30年代,歐美國(guó)家就試圖將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用作汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 1。 但是, 體積大、 密封難這兩大障礙始終阻礙其發(fā)展 23。 盡管如此, 直到 70年代, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)仍被認(rèn)為是很有前途的車用發(fā)動(dòng)機(jī) 1。進(jìn)入 80年代,以上觀點(diǎn)發(fā) 生了轉(zhuǎn)變, 1982年 3月,在英國(guó)倫敦里丁大學(xué)召開(kāi)的第一屆國(guó)際斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 學(xué)術(shù)會(huì)議認(rèn)為:在車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不能與內(nèi)燃機(jī)競(jìng)爭(zhēng), 其發(fā)展方 向確定為功率大約 50KW 以內(nèi)的低功率發(fā)動(dòng)機(jī),應(yīng)用于水下動(dòng)力、垃圾填埋

3、氣 發(fā)電、熱電聯(lián)供、太陽(yáng)能熱發(fā)電等領(lǐng)域 4。2007年 12月,中國(guó)人發(fā)明的斯特林可逆熱機(jī)消除了體積大、密封難這兩大 障礙 5。斯特林可逆熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,相同工作容積,其整機(jī)體積不及內(nèi)燃機(jī) 的一半, 零件減少三分之一以上。 斯特林可逆熱機(jī)采用兩級(jí)密封技術(shù), 將動(dòng)密封 轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封, 做到可靠密封。 這兩個(gè)問(wèn)題得到解決, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)其他優(yōu)勢(shì)就 充分顯現(xiàn)。斯特林可逆熱機(jī)作發(fā)動(dòng)機(jī),除了具有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)固有的節(jié)能環(huán)保無(wú)噪音等 優(yōu)勢(shì)外, 獨(dú)特的起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)更提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、 經(jīng)濟(jì)性和操 作性能。在此方面,不僅內(nèi)燃機(jī)不能與之相比,就是 Kockums 公司 V4-275R 發(fā) 動(dòng)機(jī)和菲

4、利浦公司 4-235發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)也沒(méi)有如此簡(jiǎn)潔高效 4 6。起動(dòng)運(yùn)行 是在燃燒供熱開(kāi)始的同時(shí), 向處于等溫膨脹過(guò)程的工作腔加注工質(zhì), 膨脹壓力增 高, 發(fā)動(dòng)機(jī)迅速起動(dòng); 制動(dòng)運(yùn)行是在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 向處于等溫壓縮過(guò)程的 工作腔加注工質(zhì), 發(fā)動(dòng)機(jī)迅速減速; 工況控制是通過(guò)同步增減處于運(yùn)行狀態(tài)發(fā)動(dòng) 機(jī)工作腔的工質(zhì)和燃油空氣供給量, 使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率相應(yīng)增減, 而熱機(jī)效率保 持基本不變。而內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)靠專用的起動(dòng)電機(jī),沒(méi)有工質(zhì)制動(dòng)的良好條件,工況控制只有 增減燃油量一條途徑, 燃料過(guò)多時(shí)燃燒不完全, 熱機(jī)效率波動(dòng)大。 曾經(jīng)擁有的競(jìng) 爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)已喪失,被斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)取代是必然趨勢(shì) 7。斯特林可逆熱機(jī)

5、的起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)的工作原理是利用工質(zhì)均衡器室 的壓力是各工作腔控制基準(zhǔn)和等溫過(guò)程的壓力波動(dòng)規(guī)律。2. 起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)2.1系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)行起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)由高壓工質(zhì)罐、起動(dòng)制動(dòng)控制器、工質(zhì)均衡器室、 圖 1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)Fig.1 The control system of the stirling engine減速閥、加速閥、減壓閥一、減壓閥二、回壓閥、低壓工質(zhì)罐、工質(zhì)增壓泵 等 10個(gè)部件組成,由起動(dòng)制動(dòng)控制信號(hào)、轉(zhuǎn)子相位信號(hào)、工況控制信號(hào)等 3個(gè) 信號(hào)源控制,完成起動(dòng)、加速、減速、停機(jī)等 4種操作。各部件的連接關(guān)系如圖 一所示。 方框代表部件或信號(hào), 箭頭方向

6、代表工質(zhì)流動(dòng)方向或信號(hào)傳遞方向。 各 部件的構(gòu)成及功能列入表一。 高壓工質(zhì)罐有 3個(gè)流出端口和 1個(gè)流入端口。 1個(gè)流出端口與起動(dòng)制動(dòng)控制 器連接; 1個(gè)流出端口與減壓閥二連接; 1個(gè)流出端口與減壓閥一連接;流入端 口與工質(zhì)增壓泵連接。起動(dòng)制動(dòng)控制器由 4個(gè)單向閥和 1個(gè)接收轉(zhuǎn)子相位信號(hào)和起動(dòng)制動(dòng)控制信號(hào)、 控制 4個(gè)單向閥開(kāi)關(guān)的裝置組成。 4個(gè)單向閥的進(jìn)口端連接高壓工質(zhì)罐,出口端 分別連接 4個(gè)工作腔。工質(zhì)均衡器室是將 4個(gè)工質(zhì)均衡器封閉在內(nèi)的 1個(gè)密閉容器,分別與減速閥 的進(jìn)口端和加速閥的出口端連接,并有 1 個(gè)控制燃油量和空氣量的壓力信號(hào)輸 出口。 4個(gè)工質(zhì)均衡器分別連接 4個(gè)工作腔。減

7、速閥是進(jìn)口端與工質(zhì)均衡器室連接,出口端與低壓工質(zhì)罐連接的閥門(mén)。開(kāi) 閉受工況控制信號(hào)控制。加速閥是進(jìn)口端與減壓閥二連接,出口端與工質(zhì)均衡器室連接的閥門(mén)。開(kāi)閉 受工況控制信號(hào)控制。減壓閥一的進(jìn)口端與高壓工質(zhì)罐連接,出口端與二級(jí)密封腔連接。減壓閥二的進(jìn)口端與高壓工質(zhì)罐連接,出口端與加速閥連接。回壓閥的進(jìn)口端與二級(jí)密封腔連接,出口端與低壓工質(zhì)罐連接。低壓工質(zhì)罐分別與減速閥的出口端、回壓閥的出口端、工質(zhì)增壓泵的進(jìn)口端 連接。工質(zhì)增壓泵的進(jìn)口端與低壓工質(zhì)罐連接,出口端與高壓工質(zhì)罐連接。工質(zhì)均衡器室的壓力成了四個(gè)工作腔工質(zhì)量和燃油空氣量的控制基準(zhǔn),與二 級(jí)密封腔壓力已經(jīng)沒(méi)有關(guān)系。 工質(zhì)均衡器室可以安裝在二級(jí)

8、密封腔外, 與工作腔 的接口開(kāi)在回?zé)崞鞯牡蜏囟恕?回?zé)崞魇撬固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件, 工質(zhì)在回?zé)崞?內(nèi)的流變特性,對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大 8?，F(xiàn)代斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鞫际?采用金屬絲網(wǎng)蓄熱的設(shè)計(jì)方式 9。沒(méi)有充分利用四缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在同一時(shí)間, 各工作腔分別處于不同的熱力學(xué)過(guò)程, 既有處于放熱過(guò)程的, 又有處于吸熱過(guò)程 的,且工質(zhì)流向相反的特點(diǎn)。也就是沒(méi)有利用逆流換熱效果最好的客觀規(guī)律 10。 其實(shí), 只要將每個(gè)工作腔的兩氣缸用若干根金屬管連接, 四個(gè)工作腔的金屬管中 部均勻分散緊貼,熔為一體,彼此之間能進(jìn)行熱交換,再外包絕熱層。就是熱交 換式回?zé)崞鳌?用于大功率發(fā)動(dòng)機(jī), 熱交換式回?zé)崞鞅刃顭?/p>

9、式回?zé)崞鞲×稀?高效、 低成本,工質(zhì)流變性也會(huì)更好。也有利于控制系統(tǒng)的運(yùn)行。該斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)部件體積小,便于布置,易于操控。工質(zhì)是完成起 動(dòng)制動(dòng)及工況控制的執(zhí)行者。 起動(dòng), 工質(zhì)由高壓工質(zhì)罐流入處于等溫膨脹過(guò)程的 工作腔;制動(dòng),工質(zhì)由高壓工質(zhì)罐流入處于等溫壓縮過(guò)程的工作腔;加速,工質(zhì) 由高壓工質(zhì)罐經(jīng)減壓閥二、加速閥、工質(zhì)均衡器單向閥流入 4個(gè)工作腔;減速, 工質(zhì)從 4個(gè)工作腔經(jīng)工質(zhì)均衡器安全閥、減速閥流入低壓工質(zhì)罐。工質(zhì)經(jīng)減壓閥一流入回壓閥關(guān)閉的二級(jí)密封腔,壓力值由減壓閥一設(shè)定,并 和 4個(gè)工作腔內(nèi)的壓力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡, 實(shí)現(xiàn)可靠密封。 這是起動(dòng)制動(dòng)及工況控制 有效進(jìn)行的保證。起動(dòng)運(yùn)行時(shí)

10、,給起動(dòng)制動(dòng)控制器輸入向處于等溫膨脹過(guò)程相位的工作腔注入 工質(zhì)的信號(hào)。 起動(dòng)制動(dòng)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子相位信號(hào), 確認(rèn)處于等溫膨脹過(guò)程相位的 工作腔, 并開(kāi)啟相應(yīng)閥門(mén)。 工質(zhì)從高壓工質(zhì)罐流入處于等溫膨脹過(guò)程相位的工作 腔,腔內(nèi)壓力升高,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。制動(dòng)運(yùn)行時(shí),給起動(dòng)制動(dòng)控制器輸入向處于等溫壓縮過(guò)程相位的工作腔注入 工質(zhì)的信號(hào)。 起動(dòng)制動(dòng)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子相位信號(hào), 確認(rèn)處于等溫壓縮過(guò)程相位的 工作腔, 并開(kāi)啟相應(yīng)閥門(mén)。 工質(zhì)從高壓工質(zhì)罐流入處于等溫壓過(guò)程相位的工作腔, 腔內(nèi)壓力升高,阻止活塞運(yùn)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。加速運(yùn)行時(shí),開(kāi)啟加速閥,工質(zhì)流入工質(zhì)均衡器室,壓力升高,自動(dòng)打開(kāi)工 質(zhì)均衡器的單向閥

11、, 工質(zhì)流入工作腔。 與此同時(shí), 壓力升高的信號(hào)傳到燃油和空 氣供給系統(tǒng),燃油和空氣供給量同步增加,發(fā)動(dòng)機(jī)加速。減速運(yùn)行時(shí),開(kāi)啟減速閥,工質(zhì)由工質(zhì)均衡器室流入低壓工質(zhì)罐,工質(zhì)均衡 器室的壓力降低。 壓力降低到工質(zhì)均衡器的安全閥開(kāi)啟所需壓差時(shí), 工作腔內(nèi)的 工質(zhì)從安全閥溢流到工質(zhì)均衡器室。 與此同時(shí), 壓力降低的信號(hào)傳到燃油和空氣 供給系統(tǒng),燃油和空氣供給量同步減少,發(fā)動(dòng)機(jī)減速。2.2起動(dòng)制動(dòng)原理斯特林可逆熱機(jī)的 4個(gè)工作腔,無(wú)論何時(shí)都分別處于斯特林循環(huán) 4個(gè)熱力學(xué) 過(guò)程。 處于等容吸熱過(guò)程和等容放熱過(guò)程的工作腔, 兩個(gè)活塞對(duì)熱機(jī)轉(zhuǎn)子的扭矩 方向相反,二者大體平衡,可以認(rèn)為不輸出功;處于等溫膨脹

12、過(guò)程的工作腔,兩個(gè)活塞對(duì)熱機(jī)轉(zhuǎn)子的扭矩方向相同, 都為正, 輸出功為正; 處于等溫壓縮過(guò)程的 工作腔,兩個(gè)活塞對(duì)熱機(jī)轉(zhuǎn)子的扭矩方向相同,都為負(fù),輸出功為負(fù) 11。 發(fā)動(dòng)機(jī) 起動(dòng)的條件是處于等溫膨脹過(guò)程的工作腔壓力大于處于等溫壓縮過(guò)程的工作腔 壓力。增大工作腔壓力的方法只有兩種:一是供熱,二是增加工質(zhì)。如果 4個(gè)工作腔的工質(zhì)始終等量,供熱就能使處于等溫膨脹過(guò)程的工作腔壓 力大于處于等溫壓縮過(guò)程的工作腔壓力, 發(fā)動(dòng)機(jī)就能起動(dòng)。 而 4個(gè)工作腔的工質(zhì) 始終等量是不可能的, 僅靠供熱起動(dòng)困難。 向處于等溫膨脹過(guò)程的工作腔加注工 質(zhì), 發(fā)動(dòng)機(jī)就能迅速起動(dòng)。 制動(dòng)過(guò)程正好相反, 向處于等溫壓縮過(guò)程的工作腔

13、加 注工質(zhì),壓力達(dá)到處于等溫膨脹過(guò)程工作腔的壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。2.3工況控制原理斯特林可逆熱機(jī)的工質(zhì)均衡器限定各工作腔相同的工作壓差,并以工質(zhì)均衡 器室的壓力為控制基準(zhǔn)。 在熱量流入端溫度和熱量流出端溫度確定的前提下, 工 質(zhì)均衡器室的壓力值反映了參與作功的工質(zhì)量, 也就反映了輸出功率的值。 因?yàn)?兩者是同增共減的關(guān)系, 所以工質(zhì)均衡器室的壓力值也是發(fā)動(dòng)機(jī)工況的較好控制 基準(zhǔn)。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是工質(zhì)調(diào)控工況, 與內(nèi)燃機(jī)溫度調(diào)控工況相比, 有更高的熱 機(jī)效率和更好的工況特性。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工況,都有與之對(duì)應(yīng)的工質(zhì)均衡器室壓力值。而每個(gè)工質(zhì)均衡 器室壓力值, 有若干個(gè)相對(duì)應(yīng)的工況。 選擇各壓力值對(duì)應(yīng)的

14、最佳工況, 使發(fā)動(dòng)機(jī) 盡量在最佳工況下運(yùn)行。 什么是最佳工況呢?熱量流入端溫度和熱量流出端溫度 都是設(shè)計(jì)溫度的工況,就是最佳工況。如人為升高工質(zhì)均衡器室壓力,而不增大燃油供給量,這時(shí)工質(zhì)流入各工作 腔, 工質(zhì)密度增大, 也就增大了熱量流量, 供熱溫度要降低, 熱機(jī)效率隨之而降, 輸出功率也要降低。 這種工況就不是最佳工況。 必須相應(yīng)增大燃油和空氣供給量, 使熱量流入端溫度不降低,熱量流出端溫度不升高。因此,確定各工質(zhì)均衡器室壓力值對(duì)應(yīng)的最佳工況的燃油和空氣供給量是很 重要的工作。所謂工況控制,就是保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于或接近最佳工況。3. 車用前景展望斯特林可逆熱機(jī)的功率以電流輸出, 具有發(fā)展電動(dòng)車的天然優(yōu)勢(shì)。 取締傳統(tǒng) 的變速器, 配置電機(jī)電控裝置和超級(jí)電容器就成了電動(dòng)車。 斯特林可逆熱機(jī)、 電 機(jī)電控裝置、 超級(jí)電容器才是汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)! 動(dòng)力電池的重要性不及 超級(jí)電容器! 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力汽車是汽車工業(yè)的合理選擇。 但在很長(zhǎng)的過(guò)渡期 內(nèi), 配置變速器的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力汽車還是有市場(chǎng)。 可借用磁力攪拌高壓反應(yīng) 釜的磁力傳動(dòng)裝置, 能在可靠密封的前提下, 將熱機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力傳到變速器。 還 可采用機(jī)械密封裝置直接將熱機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力傳到