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工程科学与技术,国际期刊22(2019)947完整文章具有自由活塞和气缸的内燃交流发电机V. 绍夫燃烧实验室,ICP RAS,Kosygin Str.俄罗斯莫斯科4号,邮编:119991阿提奇莱因福奥文章历史记录:接收日期:2018年2018年12月6日修订2019年1月18日接受在线预订2019年1月31日保留字:冰交流发电机自由活塞混合动力引擎A B S T R A C T自由活塞式发电机具有传统往复式发动机无法比拟的优点,受到了广泛的研究。本研究着重于开发两种新颖的观点,不同于已经提出的线性自由活塞发电机。这些是:(1)使活塞和缸都自由,这提供了系统的理想平衡;(2)由于简单和紧凑,从发电机的线性方案转向旋转设计。采用零维动力学模型对自由活塞-气缸式直线二冲程发电机的工作过程进行了数学仿真。研究了过量空气系数为1.2的甲烷-空气混合气的燃烧。热损失和摩擦损失都被考虑在内。分析了该系统运行的特殊性结果表明,对于气缸内径为80 mm,活塞长度为400 mm,活塞长度为120 mm,活塞和气缸质量相同,均为3 kg的交流发电机,在频率~50 Hz时,运动部件的振幅不超过70mm。结果表明,在压缩比为40时,化学能转化效率可达46%,比功率可达40 kW/l。实验室规模的气动交流发电机在转子变量与自由转子和圆柱体组装旋转设计能力的实验演示。向交流发电机供给低于6个大气压的低压压缩空气。电力在在输入功率下达到10W的负载,进气压缩空气约为100W。结果表明,在线性和旋转设计的自由活塞和气缸的交流发电机有可能实现高效率,并提供无振动©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍如今,有一个紧迫的问题,发展移动自主小型发电站和发电机的新一代。现在使用的不同的移动自主微型发电站包括两个绑定在一起的技术单元,提供有机燃料能量到电力的转换。第一单元是活塞内燃机(ICE)。第二个单元是旋转发电机.近年来,在自由活塞直线内燃机的基础上,设计了一种新型的单能块发电机[1该发电机由一个自由活塞发动机(FPE)耦合到一个线性电机。电机的简单设计使这成为一个有趣的概念。一般工作原理是气缸内经过放热过程后的高温高压气体带动活塞组件往复运动,发电机将部分机械能转化为电能。这种FPE发生器具有很好的优点。的电子邮件地址:mail.ru。由Karabuk大学负责进行同行审查‘‘crankless” configuration allows the novel engine to operate withvariable stroke length and compression ratio, which gives exten-sive performance advantages, such as multi-fuel possibilities,lower friction losses from fewer motion parts, high power density,fast transient response and combustion optimization这项技术目前正在世界各地的一些研究小组进行探索[11在线性设计中,大多数研究者一般采用零维经验模型(如Wiebe模型)[11-它们用简化的函数来模拟燃烧过程中的气体运动和放热零维模型方法是足够有效的,并允许揭示一种控制策略,以提高输出功率的自由活塞直线发电机。研究[27]的结果表明,在相同的燃料循环质量下,所提出的控制策略可以将输出功率提高约7火花点火式自由活塞直线发电机的数值模型与样机的在4 kW的功率输出下,效率达到31.5%[12]。单区和多区Chemkin模型,具有详细的化学动力学,以及从一维提取的独特活塞动力学,https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.01.0092215-0986/©2019 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestch命名法符号EEdFfFeHKeqkeqMkmmmNwnPP在StVaViUi气体比内能,J/kg水离解能,J/mol摩擦力,N电磁相互作用力,N比焓,J/kg平衡常数,atm-0.5电负荷参数气体流速,kg/m2·s活塞或气缸质量,kg气体质量,kg燃料质量,kg水蒸气数,摩尔多变指数压力,Pa进气压力,Pa气缸横截面,m2运行时间,s交流发电机容积,m3容积,m3活塞或气缸速度,m/swiWcWhWe甲烷消耗率,kg/s放热,W热损失,W电功率,W希腊字母一nmnoxgcssg离解度混合气中甲烷的当前摩尔分数混合气中氧气的当前摩尔分数进气参数特征紊流燃烧时间,特征点火延迟时间缩写ICEFPECFDEMFICA内燃机自由活塞发动机计算流体力学电动势内燃交流发电机948V. Shv/Engineering Science and Technology,an International Journal 22(2019)947-955空间气体动力学模型,已被用于分析燃烧特性和发动机性能[20]。完全自由活塞发动机的动态模型已用于预测活塞运动,而商业一维代码BOOST已用于模拟气体交换[21]。在SENKIN中通过详细的化学计算对燃烧进行了模拟。结果表明,FPE的活塞运动与传统内燃机中的活塞运动有很大不同。结果表明,FPE的效率取决于两个效果,即高压缩和快速燃烧。一些研究人员使用计算流体动力学(CFD)软件计算了自由活塞发动机发电机的燃烧性能,以定义其燃烧效率[14,22采用零维动力学和多维CFD燃烧耦合模型,对自由活塞式柴油发电机的燃烧过程进行了数值模拟研究,并通过一台自由活塞式柴油发电机样机的试验数据然而,尽管自由活塞线性发电机具有许多优点,但仍存在一些问题。FPE直线发电机仍然受到诸如失火、运行不稳定、活塞运动控制挑战和控制系统设计复杂等问题的阻碍[7在单活塞设计中存在活塞与气缸盖之间碰撞的危险,或者在双活塞设计中存在两个活塞之间碰撞的危险具有单自由活塞和两端燃烧室的FPE线性发电机在原理上是不平衡的;因此,如果没有大量的床,这种发电机的操作在强烈的振动具有两个反向运动的自由活塞和单个中心燃烧室的直线发电机理论上是可以平衡的。然而,这种设计需要复杂的电子控制系统来校正活塞的运动。在[28,29]中建议采用自由活塞的内燃机设计,没有任何明显的缺点。在这里,不仅活塞而且气缸都是自由的。这种发动机是绝对平衡的机器,因为系统的质心在两个运动部件的相互作用下是固定的(图1)。它基本上简化了控制系统。在图2中显示了基于使用新原理的二冲程ICE的线性发电机的可能设计。 环形磁铁固定在活塞上,绕组与磁导体位于圆柱体上(图。 2 a)。在该系统中,在高压缩比下,不存在由于自由气缸而导致的自由活塞撞击气缸盖的问题燃油供给电子控制的严重问题也消失了。基本上,实现了理想平衡线性交流发电机的方案,其中“电枢”和“定子”两者的运动由空气-燃料混合物燃烧下的压力的直接作用引起。自由活塞和圆柱体的相互位移引起磁通量的变化,在电绕组中感应电动势注意,在所考虑的系统中,关于气缸的电绕组的相对活塞磁体速度高于具有固定气缸的方案基本上,这是新型FPE交流发电机的一个想法,它可以简称为内燃交流发电机(ICA),类似于ICE。图2b中给出了具有外部磁体的ICA的更简单的方案。轻磁导体位于圆柱体上。这里,外部电磁系统是固定的,并且可以与床连接。由于自由活塞和气缸的质量基本上减少,振动水平下降。为了绝对排除任何振动,必须将自由活塞与电磁系统连接。这在线性交流发电机方案中在结构上难以实现;然而,在旋转设计中可以容易地解决。设计一个紧凑的封闭式二冲程旋转交流发电机与活塞转子是非常有吸引力的(图。 3)。转子与位于自由体圆周上的环形电磁系统新鲜混合气的供应和燃烧产物的排出可以通过具有窗型阀的中空轴来进行。文献[1]中考虑了自由转子转子发动机的理论。[29].本研究的目的是介绍两个新的观点,不同于已经先进的线性自由活塞发电机:使活塞和气缸都自由,提供理想的平衡系统;测试旋转设计的发电机。在第一种情况下,对自由活塞和气缸式直线内燃交流发电机的运行进行了数学模拟分析了该系统的运行特点。在第二种情况下,实验室规模的模型,在旋转设计的气动发电机进行了演示。诉 Shandov/工程科学与技术,国际期刊22(2019)947-955949Fig. 1. 自由活塞和气缸的运动。图二.具有内部磁体(a)和外部磁体(b)的线性ICA的横截面视图。图三.具有自由转子和主体的转子ICA的横截面视图:12. 数学模型采用简单的0-D仿真模型描述了自由活塞和气缸的线性ICA的工作过程。假设ICA以甲烷-空气混合气为工质混合气体在气缸的端部腔室中交替压缩进气道位于气缸盖中,排气道位于气缸的中心部分。所有端口均配备符合操作要求的阀门。活塞和气缸都在相反的方向上替换,使得系统的质心不动。实现了二冲程工作循环。假设排气门在作功冲程结束时打开模拟进气门打开,空气-燃料混合物进入在一定的压力下进入气缸,然后发生泄放这种进入的混合物通过打开的排气阀将大量剩余的废气排出,并且气缸在扫气过程中充满可燃的空气燃料混合物扫气后关闭所有压缩后的混合气在压缩冲程结束时被火花塞点燃。燃烧能在作功冲程中转化为电能在没有对电磁交流发电机系统进行任何详细考虑的情况下,假设由电磁相互作用力限定的负载中的电功率与活塞和气缸两者的相对速度成平方关系以下方程描述了内部能量、气体质量以及活塞和气缸置换的变化,考虑了甲烷-空气混合物燃烧时的热释放、热和摩擦损失以及有用功【30dViDT-KeqP1= 2.ΣDTDT我DTSc不0M950V. Shv/Engineering Science and Technology,an International Journal 22(2019)947-955dEimi¼PidV iHiq-H-iq-i Wci-Whi3. 结果和讨论dmi¼q-q-iDT IDMMI 1/4-winm0qð1Þ显然,交流发电机的运行状态基本上取决于许多输入参数,例如长度和质量DT Idt<$SUMkdUk¼SP2-P1-Ff-Fe这里,i= 1,2-流量表达式取自[34]。通常在内燃机理论,Wiebe函数转换为用于描述燃烧过程的时间[30]。 对函数Wc采用了类似的经验方法。假设上止点点火后,混合气在特征燃烧时间sc内燃尽。混合物的化学转化过程可以解释为湍流燃烧。因此,质量消费率的甲烷是表示为w i½dmmi 四分之一米,计算了燃烧产物的分解活塞和气缸的压力、气门开启时间、点火延迟、气缸扫气、电负荷等。因此,解的优化是一个非常复杂的多参数问题。对该问题的一些具体输入参数进行了仿真,得到了该系统的运行特性。 计算进行了ICA变量与内部位置的磁铁(图。 2 a)在以下参数下:气缸内径80mm,长度400 mm,活塞长度120 mm,排气门直径减小50 mm,进气门直径20 mm。甲烷-空气混合物的进气压力从1到4个大气压变化过量空气比等于1.2。活塞和气缸两者的质量被选择为相同且等于3kg。假设燃烧产物的排出和用新鲜混合物填充气缸发生作为比燃烧能的修正DE。DE = Ed- Nwa的值可以通过反应中水蒸气的分解程度来表示水!H 2O 0:5 O 2:式中Ed= 241.84 kJ/mol。水蒸气离解的程度通过平衡常数表示为1/4。0点71分2= 3。的进气混合物和燃烧产物比热容的温度依赖性取自参考文献[35]。热损失率基于Woschni模型[30,31]。表达活塞和气缸之间的摩擦力取自参考文献[31]。 负载中的电功率计算如下:我们 是 RtU2d t,其中Um=|U1-U2|. 系统(1)是灵活的-排气和进气门是同步的。阀门的打开时间根据不同的进气参数选择气门的关闭时间测量gc,其确定在体积gcVa处的实际压缩过程的开始。选择进气压力,以便提供实际上,用新鲜混合物对气缸进行100%扫气,即进气质量等于气缸中的运行气体质量。在活塞从下止点到上止点的更换过程中,甲烷质量迅速增加,达到恒定值,然后在做功冲程开始时点火燃烧后急剧下降到零。在图1中,P-V和T-V曲线分别表示了P-V和T-V的相关性。 四、在此,V-1/4V=V0是尺寸分布。完全气体定律。在 t = 0 时 气 缸 中 中 心 活 塞 位 置 的 初 始 条 件 : U1=U0 , U2=-U0M1/M2,P0= 1 atm,T0= 300 K,mm= 0.初始速度U0设定为等于14 m/s。混合气的燃烧时间由湍流燃烧速度Utc决定,因此取决于气缸填充的气体动力学。对于ICE,其通常为Utc= 10-40 m/s。选择特征时间sc= 410- 4s,则特征燃烧区~10 mm的湍流燃烧速度应取25 m/s,选择较大的sc值会导致甲烷不完全燃烧。放置体积。考虑了调整参数gc、ke和P的两种情况。在选定的参数下,交流发电机性能达到最大值。从图中可以看出,参数gc越小,压缩压力越低,压缩温度越高。这是因为在第一种情况下,气缸扫气所需的混合气质量较小。当进气压力从1.3大气压增加到4.17大气压时,当参数gc从0.6增加到0.8时,气体混合物的无量纲质量Z = m /m0从0.26增加到0.423,大约增加了1.6倍(图1)。 5)。这里是m0见图4。 压缩比为40时的P-V和T-V图。同时在压缩冲程期间。两者的操作U0米0~~~~-¼ ð ÞIG0M牛诉 Shandov/工程科学与技术,国际期刊22(2019)947-955951图五、 进气压力和缸内混合气无因次质量对进气参数的依赖性。在初始条件 P0和 T0时气缸中的空气。注意,随着参数gc的增加,(gc)中的函数P比函数Z(gc)增长得更快,因为活塞和气缸的速度都随着可燃混合物质量的增加而增加,因此,新鲜混合物的吸入时间减少。活塞(气缸)速度U-1/4U和可燃物质量m-m1/4m的无量纲值 对于图1中提交的选定参数gc、ke和P, 六、循环函数的右边部分从20增加到130大气压和最高温度a little位从2500下降到2200 K内的压缩比范围从10到80和ke从75到56的最佳制度的交流发电机操作在gc= 0.6(图。 7 a)。增长高达0.8的参数gc导致最大压力增加。温度的下降是肯定的和小的(图。 7 b)。最大压力的增长与所需的增加输入气体质量,以提供最佳的操作制度的交流发电机。 根据(图)中的调整值P。 5),系数k e必须在从10直到80的压缩比范围内从110直到80变化。在中等压缩比40-60下,该过程的频率在40-50 Hz的范围内68mm的压缩比范围内显然,工作频率将随着发电机运动部件重量的改变而改变。化学能转化为电能的效率在压缩比90和ke=90附近的gc=0.6处具有弱表达的最大值(接近41%)(图13)。 9 a)。最大电效率随参数gc的增大而增大,并向高压区移动。这与进气混合气质量的增加有关(图5)。在高压缩比下电效率的小下降与热损失的增加有关。当g c= 0.8时,最大性能高达46%,当k e = 80时,压缩比接近82时,最大性能达到该值。 9 b)。交流发电机的比电功率随着压缩比和参数gc的增大而增大(图9)。当压缩比为80时,在gc= 0.8时,达到58 kW/l的大值。注意,对于传统的二冲程汽油ICE,比机械功率高达20 kW/l。比电功率和振荡频率的同时增长M-M1/4fV/2对应于将可燃物连续进料到频率提供了几乎恒定的振荡幅度(图1)。第八章)因为振荡幅度与pW成比例,气缸;闭环的左边部分由它的燃烧决定。关于活塞(气缸)速度对体积U的依赖性,fV-,强平,远不似正弦曲面。这是由电磁相互作用力引起的活塞和气缸的强烈减速来解释的。图7中给出了在可变参数gc下最大压力和温度随压缩比的变化。随着压缩比的增大,最高压力成比例地增大,而最高温度则平稳地减小。温度下降与所需增加的输入气体质量有关。最大压力e与振荡频率成反比,与We的表达式一致。很明显,在大压缩比下,甲烷-空气混合气在燃烧前沿前的压缩自燃是可能的。有必要比较两种点火延迟特征时间sig 湍流燃烧估计自燃临界条件的时间sc混合物. 甲烷-空气混合物的sig值根据表达式[36]:s¼n0:3n-1P-0:7h2:51010expp=25;000=T2:5104expp=10;000=Ti-1图10给出了混合气强制点火后的燃烧温度Tc和火焰前缘前的新鲜混合气温度Tf与压力的关系。通过压缩来加热新鲜混合物的描述令人满意,多变比值T=T0 1/4P=Pn-n1多变指数见图6。活塞速度和可燃物质量对排量的依赖性。n= 1.235(曲线2)。可以看出,时间关系s-1/4sig=sc>1,尽管它在最大工艺压力下接近单位这意味着在压缩比小于28时不能实现自点火模式。在最终压缩比大于28的压缩和燃烧过程中,火焰前缘前的混合气可能自燃。这种情况相当于特征燃烧时间sc的减少,这导致最大压力有所增加。当sc降低4倍时,过程的输出参数,如温度、频率、振荡幅度、化学能转化为电能的效率等变化不大(小于10%)。952V. Shv/Engineering Science and Technology,an International Journal 22(2019)947-955见图7。 最大压力和燃烧温度对压缩比的依赖性。图8.第八条。活塞和气缸的频率和振幅与压缩比的关系因此,所进行的仿真证明了给定类型的ICA的高功率效率。显然,该过程的优化将允许更大地增加交流发电机的比功率和功率性能。4. 初步实验自由活塞气动膨胀机-线性发电机的实验研究结果见参考文献[37]。建立了以压缩空气为工质的试验台。分析了气动直线发电机的运动特性、动态特性和指示效率。当进气压力为2.0 bar,工作频率为100Hz时,2.5赫兹在我们的研究中,实验室规模的气动交流发电机在旋转设计与自由转子和圆柱体组装的实验,ICA能力初步演示(图 11)。考虑到磁体位于气缸空间外部,这种设计基本上超越了线性变型,其自身的发动机和发电机的组装简单性通过与图1所示方案的比较,选择了单扇转子的简化设计。3.第三章。单体扇形安装在圆柱体内部,与圆柱体固定在一起,圆柱体内部的排气口就位于单体扇形的对面。压缩空气通过安装在车身两侧的电磁阀吸入。将SCOOTER-M Ltd 的常规三相60 W 发电机4 T139QMB与组件连接。发电机的带磁体的转子与组件转子固定,定子附接到组件主体。使用10 W灯作为电负载。装置的主要规格:内体直径为100 mm,横截面为矩形,工作容积为0.17 L宽40 mm,高30 mm,排气口10× 40 mm。转子和阀体均采用了Label-bonded密封~诉 Shandov/工程科学与技术,国际期刊22(2019)947-955953图9.第九条。能量转换效率和比功率对压缩比的依赖性图10个。燃烧前缘前新鲜混合气温度及自燃特征时间与燃烧特征时间的关系。最终压缩比为28。然而,附加的压缩密封叶片可以安装在扇区中在这种情况下,压缩基本上压缩空气进气阀采用意大利OMVL BFC汽车电磁阀,通流截面积为28mm2空气喷射的时刻和持续时间可以通过使用簧片开关的电子控制器来控制。用于记录转子振荡幅度的回转传感器同时,身体振荡幅度由标记物固定。将Honeywell的小型压力传感器24PCGFA6D插入到靠近主体扇区的主体中。通过估计,给定交流发电机的最大电功率在化学计量的甲烷-空气混合物燃烧时可达到约20 kW,提供50%的化学能到电能的然而,到目前为止,在给定的研究中没有考虑燃烧在初步实验中,交流发电机被供给低浓度的压缩空气。图十一岁转子气动交流发电机图片1压力低于6 atm。在这种情况下,压缩叶片被删除,因为压缩压力超过了我们的空气压缩机的能力。实验结果表明,在2 ~ 6个大气压范围内,交流发电机工作稳定,振荡频率为5压缩比低,不超过2,因此在输入功率下,负载中的电功率为10 W,吸入压缩空气接近100 W。绝对压力和转子振荡波形图以及来自向交流发电机供给压缩空气的阀门的电压信号U v = 15 V如图所示。 12个。这里,最大压力P为3.5大气压,最大转子振幅u为30°。压缩冲程中压力的非单调变化可以用转子低速振动时迷宫密封的有效密封能力不足导致气体逸出来解释。因此,初步实验证明了具有自由活塞和汽缸的交流发电机的想法的可行性。旋转设计~~954V. Shv/Engineering Science and Technology,an International Journal 22(2019)947-955见图12。 电磁阀上的压力和转子振荡幅度及电压的波形图。5. 结论本文提出了两种不同于线性自由活塞发电机的新观点有人建议使活塞和汽缸都自由。它为系统提供了理想的平衡同时,将发电机的直线方案转向旋转方案也是一个有趣的问题对线性设计的自由活塞式内燃发电机和气缸式内燃发电机的运行过程进行了数学模拟考虑了交流发电机与磁铁内部位置的变化针对问题的一些具体输入参数,分析了该系统的运行特殊性。演示了在紧凑型旋转设计中执行的交流发电机的实验性肺炎实验室规模模型的操作主要结论可归纳如下:(1) 计算结果表明,随着压缩比的增大,最大压力成正比地增大,而温度则平稳地下降。进气参数的增大使最高压力增大,温度下降幅度较小它与所需的增加输入气体质量连接,以提供交流发电机的最佳运行状态。(2) 该过程的频率范围为40-(3) 随着压缩比和进气参数的增大,交流发电机的比功率增大。随着进气参数的增大,最大电效率增大,并在高压缩区发生偏移。这与进气混合物质量的增加有关。在高压缩比下电效率的小下降与热损失的增加有关。在压缩比为40-60、进气参数为0.8时,比功率可达40-50 kW/l。甲烷-空气混合物燃烧时化学能转化为电能的效率(4) 装配了简化的单扇区设计的实验旋转交流发电机向交流发电机供给低于6个大气压的低压压缩空气初步实验结果表明,在2 ~6个大气压范围内,交流发电机工作稳定,振荡频率为5在输入功率下,负载中的电功率达到10 W,进气压缩空气约为100W。本文着重于发展ICA的新想法。建立燃烧实验装置并验证数值和实验结果是我们未来工作的计划,这将是继续努力,以达到最大的新设计ICA的性能。确认作者感谢FASO对在ICP RAS 0082-2014- 0012国家任务范围内开展的这项工作的关注国家注册号是AAAA-A17-117040610346-5。引用[1] P. 法穆里Cawthorne,N.克拉克,S。南德库马尔角阿特金森河阿特金森等人,远程发电的新型线性交流发电机和发动机系统的设计和测试,在:Proc。IEEE电力工程学会冬季会议,1999年,pp。108https://doi.org/10.1109/[2] P. 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