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变压缩比下自由活塞式内燃发电机的效率分析

上海交通大学学报 2009年第5期43卷 745-749页

作者：李庆峰肖进黄震上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

利用Matlab/Simulink软件耦合Chemkin程序以及电磁场有限元工具对均质混合压燃(HCCI)自由活塞式内燃发电机(FPLA)建立仿真模型,分析了不同负荷和燃空当量比下FPLA的可变压缩特性,以及系统效率和输出电功率.结果表明:FPLA能够根据负荷灵... 详细信息

利用Matlab/Simulink软件耦合Chemkin程序以及电磁场有限元工具对均质混合压燃(HCCI)自由活塞式内燃发电机(FPLA)建立仿真模型,分析了不同负荷和燃空当量比下FPLA的可变压缩特性,以及系统效率和输出电功率.结果表明:FPLA能够根据负荷灵活调节压缩比,以拓宽内燃机的运行范围;在高压缩比下能够大幅提高内燃机的效率与输出功率.

关键词：自由活塞发电机压缩比效率

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自由活塞激波风洞

力学进展 1992年第3期22卷 324-331页

作者：徐立功中国科学技术大学近代力学系合肥230026

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计... 详细信息

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计及真实气体效应的气体动力学现象、特别是超声速或高超声速燃氢冲压发动机(scamjet)的重要设备之一,受到国际上航空航天界的重视。本文概述了自由活塞激波风洞的发展过程,系统地阐述了这种设备的结构特点和运行原理,给出了性能参数的计算方法和算例,及其性能指标,并讨论了这类风洞的优缺点。

关键词：自由活塞激波风洞压缩器

自由活塞内燃直线发电系统设计理论及控制方法研究

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自由活塞内燃直线发电系统设计理论及控制方法研究

作者：孙鹏中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)

学位级别：博士

自由活塞内燃直线发电机(Free-Piston Linear Generator,FPLG)是一种新型机电能量转换装置。因其具有高效、高功率密度、低排放、多种燃料适应性好、集成结构紧凑等特点,在混合动力增程应用方面具有诱人的应用前景。针对自由活塞内燃直... 详细信息

自由活塞内燃直线发电机(Free-Piston Linear Generator,FPLG)是一种新型机电能量转换装置。因其具有高效、高功率密度、低排放、多种燃料适应性好、集成结构紧凑等特点,在混合动力增程应用方面具有诱人的应用前景。针对自由活塞内燃直线发电系统在现阶段难以实现长期稳定运行这一国内外关键共性挑战,作者分别从系统设计及控制方法方面提出了创新性的方法,并开展了一系列理论及实验工作:(1)自由活塞内燃直线发电系统解耦设计。以单缸二冲程气体弹簧回复的自由活塞内燃直线发电机为切入点,创新性提出了基于耦合系统能量转化和效率分布特性的解耦匹配设计理论及方法。确立了用以确定内燃机、直线电机、气体弹簧的结构参数及运行参数匹配选择的理论指导原则。并通过Matlab/Simulink仿真验证了设计方法的有效性和通用性。进行了直线电机结构及电磁设计,以模块化设计思路为指导,确定了15k W功率等级且目标效率94%的直线电机功率模块单元,并提出了具有特色的集成扩展结构。利用Ansoft有限元仿真软件,分析了相同行程不同往复频率下、不同负载情况下的直线电机发电性能。(2)耦合系统热动力学建模及仿真分析。分别建立了内燃机、直线电机、气体弹簧的数学模型,并利用Matlab/Simulink建立了集成系统热动力学仿真模型,分析了自由活塞运动特性、活塞组件受力特性、缸内压强分布特性等系统热动力学特性;同时分析了直线电机电压、电流以及输出电功率等系统输出特性。重点分析了系统等效刚度、循环喷油量、点火位置、气体弹簧初始压强、负载、活塞组件质量等相互耦合的参数对系统有效输出电功率和效率的影响。为后续系统参数优化及稳定运行控制奠定了良好理论基础。(3)系统全周期运行过程及基本控制策略分析。提出了针对系统启动、稳定运行、故障恢复、以及停止过程的全周期运行控制策略。为了验证全周期运行控制策略的有效性,借助于Matlab/Simulink耦合系统仿真,分析了不同工况下活塞运行状态,确定了内燃机基于活塞运行状态判断的喷油、点火、进排气控制策略及时序。进行了有无全周期运行控制策略下的对比仿真分析,从而验证了所提出的全周期运行控制策略的有效性。(4)自由活塞运动非线性控制方法研究。创新性提出了基于虚拟曲轴概念及耗散哈密顿能量整形理论的自由活塞运动非线性轨迹跟踪控制方法。建立了虚拟曲轴半径、等效虚拟曲轴转速与自由活塞运动轨迹,以及有效输出电功率、系统效率之间的映射关系。分析了虚拟曲轴参数对活塞运动轨迹、输出性能的影响。以此建立了以系统效率最优为目标的自由活塞最优轨迹规划模型,并通过编程仿真验证了轨迹优化模型的有效性。建立了自由活塞内燃直线发电机耗散哈密顿模型,设计了基于能量整形的自由活塞运动反馈控制律。并通过Matlab/Simulink仿真平台,验证了所提出的控制方法的可行性和有效性。(5)内燃机操作功能测试及直线电机性能测试。搭建了内燃机喷油、点火、进排气功能测试平台,设计了辅助内燃机活塞往复运行的大推力音圈电机。通过点火试验测试验证了内燃机各附件操作功能的正确性和可靠性;试制了直线电机样机,搭建了适用于长行程、大功率、大推力的直线电机测试平台,并开发了基于Labview的数据采集系统。分别测试了不同往复运行频率下直线电机性能,验证了直线电机有限元电磁仿真设计方案的可行性。为后续系统集成及性能优化奠定了良好的试验条件。上述工作,涵盖了从系统设计到控制的理论方法,作者在试图架构一条完整且清晰的研究路线。其意义在于从源头性系统匹配设计工作,到系统集成开发,再到实验测试的每个环节,均尽可能避免容易致使耦合系统不稳定运行因素的影响。研究工作既有理论上的创新,又有方法上的创新,为后续研究提供了重要的理论基础及实验依据。更多还原

关键词：自由活塞内燃直线发电机混合动力增程系统设计理论非线性运动控制

微自由活塞动力装置中混合气泄漏对燃烧过程的影响

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内燃机工程 2016年第2期37卷 19-25页

作者：柏金王谦何志霞吴凯刘艳江苏大学能源与动力工程学院镇江212013

利用数值模拟计算软件,结合甲烷详细化学反应动力学机理及动网格技术,对微自由活塞动力装置中自由活塞与微燃烧壁面之间不同间隙条件下压缩着火过程进行模拟计算。计算结果表明:相同条件下,随着间隙的增大,单次压缩着火周期增长,工作频... 详细信息

利用数值模拟计算软件,结合甲烷详细化学反应动力学机理及动网格技术,对微自由活塞动力装置中自由活塞与微燃烧壁面之间不同间隙条件下压缩着火过程进行模拟计算。计算结果表明:相同条件下,随着间隙的增大,单次压缩着火周期增长,工作频率变小,但着火时刻点基本不变;间隙大小相同的条件下,活塞初速度越大,压缩比越大,动力输出性能越差。同时,对临界压缩比随着间隙大小的变化规律进行计算,分析得出在无泄漏条件下临界压缩比值为48,微动力装置压缩比大于临界压缩比时,混合气体才能压缩着火,且随着泄漏间隙的增大,临界压缩比值也随之增大。

关键词：内燃机微动力装置自由活塞泄漏均质充量压燃数值模拟

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自由活塞式内燃发电机研究现状

小型内燃机与摩托车 2008年第4期37卷 91-96页

作者：李庆峰肖进黄震上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

介绍、总结了自由活塞式内燃发电机的研究现状,阐述了几个需要解决的关键性技术问题。

关键词：自由活塞内燃机直线发电机现状

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自由活塞内燃发电机系统中直线电机的研究

自由活塞内燃发电机系统中直线电机的研究

作者：胡凯上海交通大学

学位级别：硕士

环境污染与能源短缺等问题让人们开始意识到节能减排的重要性,自由活塞内燃发电机作为一种新型动力装置,可用于混合动力汽车中,因而有助于缓解能源与环境的压力。自由活塞内燃发电机由自由活塞发动机和直线电机耦合而成,可实现机械能与... 详细信息

环境污染与能源短缺等问题让人们开始意识到节能减排的重要性,自由活塞内燃发电机作为一种新型动力装置,可用于混合动力汽车中,因而有助于缓解能源与环境的压力。自由活塞内燃发电机由自由活塞发动机和直线电机耦合而成,可实现机械能与电能的转换。作为该动力装置中的重要组成部分,直线电机的性能会影响整个系统的稳定运行及能量转换效率,对该装置中直线电机的研究具有重要意义。本文首先总结了设计适合于自由活塞内燃发电用的直线电机时应考虑的因素,确定采用永磁式轴向磁通直线电机,且电机为长次级短初级结构,在此基础上,本文分析了不同充磁方式下电机的性能,结果表明,混合充磁的空载反电势幅值比径向充磁增加14.66%,但却多使用了23.76%的永磁体材料,而且其定位力幅值比径向充磁增加34.32%,轴向充磁的空载反电势幅值比径向充磁减少75.90%,且波形畸变率高达11.01%,径向充磁方式在空载反电势幅值、波形畸变率、定位力幅值、永磁体用量方面能有较好的兼顾,因此确定选用径向充磁方式。接着,本文对圆筒型及平板型直线电机的空载及负载性能进行对比,分析表明圆筒型直线电机的空载反电势幅值比平板型大21.36%,波形畸变率小60.96%。负载时圆筒型直线电机最大输出功率、最大功率密度及最大功率密度下的效率均比平板型高,运动部分的质量及总质量均比平板型小,因此圆筒型直线电机的空载及负载性能更优,更适合自由活塞内燃发电机系统。然后,本文研究了永磁体表贴和嵌入两种方式下电机的空载及负载特性,结果表明嵌入式永磁直线电机的空载反电势幅值比表贴式减少8.41%。相同负载时,表贴式永磁直线电机的输出功率及功率密度比嵌入式大,最大输出功率比嵌入式高19.05%,最大功率密度均比嵌入式高23.34%,因此本文选择永磁体贴装于圆筒型直线电机动子铁芯表面的方式。最后本文对电机的定位力展开研究,分析了齿槽宽度、辅助槽、边端齿高度、极弧系数、气隙宽度、初级铁芯长度对定位力的影响,并基于正交试验法对电机的极弧系数、气隙宽度、凸初级长度进行优化,结果表明,极弧系数取0.85,气隙宽度取1mm,凸初级长度取6.25mm是最优的参数组合,在降低定位力的同时可以兼顾反电势幅值。优化后电机的定位力幅值减少76.83%,反电势幅值增加2.72%。

关键词：自由活塞永磁直线电机空载反电势定位力正交试验法

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液压自由活塞发动机的气体流动模拟

中国机械工程 2010年第18期21卷 2196-2201页

作者：朱涛汪洋张中熊仟天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072

基于Amesim建立了两行程自由活塞发动机模型,针对直流扫气特点提出了单区三阶段扫气模型,根据CFD计算结果对扫气参数进行了标定,在准确预测扫气性能的基础上分析了耦合活塞动力学条件下的气体交换过程。研究结果表明,当气口的配气相位... 详细信息

基于Amesim建立了两行程自由活塞发动机模型,针对直流扫气特点提出了单区三阶段扫气模型,根据CFD计算结果对扫气参数进行了标定,在准确预测扫气性能的基础上分析了耦合活塞动力学条件下的气体交换过程。研究结果表明,当气口的配气相位角不变时,自由活塞发动机的气口面积随时间的变化关系与曲柄发动机的气口面积随时间的变化关系存在显著差异。气口高度减小对提高充气效率有利,但是受到扫气效率过分下降的约束。排气流动控制明显改善了扫气性能,利用排气脉动效应可以显著提高充气效率。

关键词：自由活塞扫气时-面值充气效率

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自由活塞式线性压缩机耦合模型实验验证

低温工程 2015年第6期 37-42页

作者：邓伟峰蒋珍华张晨刘少帅余慧勤吴亦农中国科学院上海技术物理研究所上海200083

基于等效电路原理,建立了自由活塞式线性压缩机电磁-机械-声耦合模型,推导了模型中等效气体刚度与等效气体阻尼的近似表达式。通过迭代程序修正了模型中最大位移的输出偏差。同时借助电磁有限元软件,将气动耦合模型与电动机电磁模型相... 详细信息

基于等效电路原理,建立了自由活塞式线性压缩机电磁-机械-声耦合模型,推导了模型中等效气体刚度与等效气体阻尼的近似表达式。通过迭代程序修正了模型中最大位移的输出偏差。同时借助电磁有限元软件,将气动耦合模型与电动机电磁模型相互匹配,搭建了线性压缩机联合仿真平台,模拟了不同负载条件下压缩机电磁参数和动力特性的瞬态变化规律。通过不同充气压力下的扫频实验,验证了计算结果和耦合模型的准确性。

关键词：自由活塞线性压缩机耦合模型仿真平台扫频实验

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自由活塞内燃发电系统换气过程研究

自由活塞内燃发电系统换气过程研究

作者：姜一通北京理工大学

学位级别：硕士

自由活塞内燃发电系统（Free-piston engine generator，FPEG）作为一种新型的动力装置，通过高效的转化方式，将燃料化学能转化为清洁的电能。其摩擦损失少、结构紧凑、能量传递路径短等优点迎合了当前世界节能与环保的需要，是国内外... 详细信息

自由活塞内燃发电系统（Free-piston engine generator，FPEG）作为一种新型的动力装置，通过高效的转化方式，将燃料化学能转化为清洁的电能。其摩擦损失少、结构紧凑、能量传递路径短等优点迎合了当前世界节能与环保的需要，是国内外研究的热点。本文以自然吸气式自由活塞内燃发电系统的换气过程为研究对象，开展了台架试验与数值模拟的相关分析。单缸怠速试验表明，自由活塞内燃发电系统在低速模式缸内燃烧并不稳定，呈现间隔循环着火。为了探究其原因，构建了系统CFD（计算流体力学）模型，对比分析了自由活塞内燃发电系统换气过程与传统二冲程内燃机换气过程之间的差异，通过计算解释了试验中着火不稳定现象，得到了换气过程中影响换气效果的关键因素是扫气箱容积变化率的结论。随后探寻改善自由活塞内燃发电机换气系统的设计策略，在计算模型中进一步研究了动子直径、扫气箱容积、进气增压压力、扫气口比时面值以及排气口比时面值对换气过程的影响。研究表明：减小动子直径与缸径比、对进气增压能显著改善其换气效果，而扫气箱容积与排量比改变对换气效果影响不大;在既定参数设计范围内，设计扫气口比时面值时应有针对性地应向上界修正，排气口比时面值则应向下界修正。最后对运行工况变化对换气过程的影响进行了探索。研究发现，运行工况变化对换气过程的影响并不显著：系统运行频率加快，扫气效率略有降低而使燃料捕捉效率有所提高;压缩比增大，扫气效率略有提高而燃料捕捉效率降低。

关键词：自由活塞内燃发电机换气扫气箱计算流体力学系统仿真