单缸电力约束活塞发动机运转平稳性仿真

缑亚楠

(枣庄学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

传统的活塞式内燃机－发电机组合系统实现了热能向电能的转换，但存在结构复杂，效率低等缺点．自由活塞式内燃发电系统(Electric Power Free Piston Engine，简称EFPE)是自由活塞式内燃机与直线发电机直接耦合的产物，但因没有曲柄连杆机构，活塞没有固定行程．单缸电力约束活塞发动机(Electric Power Con fined Piston Engine，简称ECPE)将传统的活塞式内燃机和发电机结构及技术集成为一体，且结合了二者的优点:机械效率、热效率高，燃料适用性广，能量转换率高［1］．

1 单缸电力约束活塞发动机的工作原理

图1 ECPE典型结构及工作原理示意图

如图1所示，单缸ECPE主要有三个工作室和相关辅助系统组成．缸盖、汽缸体、定子壳体和曲轴箱组成装置的主体固定不动;活塞－动子组件在缸体中可以往复运动，活塞－动子组件是第一工作室和第二工作室的主要部分，通过该组件实现热能向机械能、机械能向电能的转换及分流．它的平板部分由永磁材料钕铁硼和不导磁材料制成，下端经滑块与连杆相连，并与曲轴箱体构成移动副，形成滑动轴承支撑方式;活塞－动子组件与连杆、曲轴－飞轮组组件构成一个可以转换直线运动与旋转运动的曲轴滑块机构．第三工作室即辅助工作室，助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动(点火)、稳压及控制系统，用于辅助、保证主机系统的工作，对外提供有效、适用的功率流．其结构组成及工作机理与传统内燃机辅助系统类同．单缸ECPE样机是在JF340型汽油机的基础上开发而成的，动力模型中有关的数据来源于JF340型汽油机及有关技术手册［2］．

2 单缸电力约束活塞发动机的运动学和动力学分析

2．1 单缸电力约束活塞发动机运动学分析

如图3所示为ECPE的的受力分析图．在ECPE中，活塞作往复直线运动，曲柄作旋转运动，连杆作平面运动．曲柄角速度(rad/s)为:

活塞的位移为:

则活塞的速度为:

加速度为:

式中参数的含义如下:

n-曲轴转速，r/m in;v-活塞的速度，m/s;φ-曲柄转角;λ=r/l-曲柄连杆比;r-曲柄半径;l-连杆长度;a-活塞的加速度，m/s2;l-连杆长度，m;r-曲柄半径，m;φ-曲轴转角，rad，起始位置为做工冲程的上止点;β-连杆摆角，rad;ω-曲轴角速度，rad/s;˙ω-曲轴转动角加速度，rad/s2;λ-连杆半径曲柄长度比，λ=r/l．

2．2 单缸电力约束活塞发动机动力学分析

对活塞-动子组件，建立受力平衡方程如下:

其中:Fg为活塞上表面的作用力，pg为工质压力，通过AVL/boost软件求解缸内热力学过程得到pg的气体压力曲线，并将其代入到动力学方程当中．在油门开度30%、发动机转速1000 r/m in工况下，得到的气体压力曲线如图4所示．

图4 燃烧室气体力曲

Fw为负载作用下的电磁力．利用电磁场有限元法可以求解出发电机电磁力．本文采用解析法求得负载电磁力的函数表达式为

其中:Fw为电磁力，U为直线电机的电动势;R为负载电阻;p为极对数;N为线圈的匝数;L为线圈的有效长度;Bc为铁心的磁通密度;根据公式，当转速为1600 r/m in时，ECPE试验样机负载电磁力仿真曲线如图5所示．

取状态变量 x1，x2，x3，x4，x5，其中:x1为活塞位移;x2为活塞速度;x3为曲轴转角;x4为飞轮角速度;x5为电磁力，β=a rcsin[λsin( x3)]，根据已知条件列出系统的动力学模型．系统工作过程动力学微分方程为［3］:

3 运转平稳性评价指标

运转平稳性是电力约束活塞发动机性能分析和性能评价的重要依据．运转平稳性差，则系统难以正常启动;即使勉强启动，则振动剧烈，噪音大，寿命低．此处借用内燃机学中“运转不均匀度”这一概念来描述单缸电力约束活塞发动机的运转平稳性．

在活塞式内燃机运转不均匀度δ计算中，假定曲轴等角速度转动，由于汽缸内工况的变化，曲轴所受转矩周期性变化，由扭矩变化情况得出一个工作循环中的盈亏功ΔE，则盈亏功ΔE、运转不均匀度δ、运转角速度ωm和内燃机总转动惯量I0之间关系为

δ越大，则系统运转平稳性越差，反之亦然．

由曲轴各工况下角速度时间历程，提取最大角速度ωmax、最小角速度ωmin和平均角速度ωm等数据，则电力约束活塞发动机运转不均匀度δ参照活塞式内燃机运转不均匀度的定义表示为

无须计算盈亏功，直接通过动力学微分方程求解，有利于相关研究的进一步深化．

4 运转不均匀度特性

本文采用AVL Boost软件建立模型对单缸电力约束活塞发动机燃烧室内热力学过程进行了模拟，用MATLAB语言对系统建立动力学模型，对单缸电力约束活塞发动机运转平稳性进行仿真，得到转速n为1000 r/m in—2400 r/m in、油门开度α为30%—100% 时单缸电力约束活塞发动机的运转不均匀度特性曲线，如图6所示．运转不均匀度随转速升高明显下降，受油门开度影响不大［4］［5］．

5 结论

阐述了单缸电力约束活塞发动机的结构和工作原理，建立了其工作过程的微分方程，给出求解的初始条件，通过实验及实测得到有关结构参数，对其运转平稳性进行了性能仿真．得到了转速n为1000 r/m in—2400 r/m in、油门开度α为30%—100% 时的运转不均匀度特性曲线，有利于进一步的优化设计．

［1］张铁柱，张继忠，张洪信等．直线内燃式发电装置［P］．中国专利:CN2749172，2005－12－18．

［2］缑亚楠，张铁柱，王晓静，霍炜．单缸电力约束活塞发动机的工作原理及其建模分析［J］．新技术新工艺，2008(02):13－15．

［3］缑亚楠．单缸电力约束活塞发动机性能仿真研究［D］．青岛大学，2007．

［4］杜慧勇，李民，刘建新等．MATLAB语言在内燃机万有特性研究中的应用［J］．洛阳工学院学报，2001，22(4):32－34．

［5］霍炜，张铁柱，赵红．单缸轴向液压约束活塞发动机的输出特性仿真［J］．农业机械学报，2006(9):32－35．