自由活塞膨脹機—直線發(fā)電機多負載特性研究

戴 舟，彭寶營，童 亮

(北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100192)

0 引言

汽車燃料燃燒所產(chǎn)生的能量只有小部分用于做功，大部分通過發(fā)動機的排氣、冷卻系統(tǒng)和機械摩擦而損失。因此有效利用汽車廢氣能量能為汽車節(jié)能提供新的方案。近年來，在眾多回收系統(tǒng)中有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)余熱回收系統(tǒng)成為研究熱點[1-3]。各國學(xué)者在采用有機朗肯循環(huán)回收車用內(nèi)燃機余熱能方面也進行了廣泛研究[4-6]。許永紅等[7]基于壓縮空氣試驗平臺和Matlab/Simulink 軟件對自由活塞膨脹機—直線發(fā)電機(free piston expander-linear generator，F(xiàn)PE-LG)進行了高壓和高頻工況下的仿真研究。HAN等[8-10]利用GT-SUITE軟件搭建了一個基于有機朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)的膨脹機模型，仿真結(jié)果表明，其單位質(zhì)量輸出扭矩、熱效率、效率和等熵效率，分別比傳統(tǒng)的往復(fù)式活塞膨脹機高出51.00%、6.74%、20.79%和5.68%。FPE-LG是FPE與LG直接耦合的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)膨脹機不同，F(xiàn)PE-LG摒棄了曲柄連桿機構(gòu)，且活塞運動過程中無側(cè)向力，因此摩擦損失小、機械效率較高[11-13]。張紅光等[14-18]搭建了用于ORC余熱回收系統(tǒng)的FPE-LG并針對其運動特性和輸出特性進行了相關(guān)的研究。黨瑾希等[19]搭建ANSYS Maxwell二維瞬態(tài)場模塊，分析了電機空載、負載工況的磁場特性和極弧系數(shù)、氣隙長度等參數(shù)對電機推力性能的影響。上述研究大多側(cè)重于單一氣缸單獨作用且外接負載相對單一，但在實際工作情況下負載的變化是多樣的。本文針對FPE-LG外接直流旋轉(zhuǎn)電機負載和電阻負載工況下的多負載特性進行研究。

1 FPE-LG試驗臺及工作原理

1.1 FPE-LG試驗臺

為研究FPE-LG的多負載特性，搭建了FPE-LG試驗裝置如圖1所示。

圖1 FPE-LG試驗臺

FPE-LG試驗臺主要包括兩臺單活塞FPE、LG、各種傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、直流旋轉(zhuǎn)電機負載電路等。兩臺單活塞FPE對置于LG兩側(cè)，直線發(fā)電機動子與兩側(cè)氣缸中的活塞通過連桿耦合在一起，構(gòu)成自由活塞連桿組件。兩側(cè)活塞往復(fù)交替運動，帶動直線電機動子切割磁感線對外輸出電能，通過旋轉(zhuǎn)電機負載電路進行消耗。旋轉(zhuǎn)電機負載電路由直流旋轉(zhuǎn)電機和滑動變阻器組成，以滿足多負載條件下無負載和變負載的要求。

1.2 FPE-LG結(jié)構(gòu)

FPE-LG結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 FPE-LG實驗裝置結(jié)構(gòu)原理

壓力、溫度傳感器放置于直線電機兩側(cè)的氣缸旁，用于測量氣缸進氣口和排氣口的壓力、溫度信號。位移、速度傳感器位于直線電機內(nèi)部以測量氣缸活塞運動的位移和速度信號。直線電機輸出端輸出的是交流電，交流電通過整流器電路變成直流電提供給旋轉(zhuǎn)電機使用。數(shù)據(jù)采集卡用于實時采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，包括4通道壓力、4通道溫度、1通道位移、1通道速度、1通道電壓、1通道電流。

運動制卡用于控制8個電磁閥(m1～m8)的通斷，電磁閥位置如圖3所示。

圖3 FPE-LG電磁閥位置示意

由于活塞在兩氣缸的左/右止點(LDC/RDC)之間進行往復(fù)運動，為了避免活塞與氣缸缸蓋之間的碰撞以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，控制系統(tǒng)必須精確確定和控制活塞運行的位置。我們使用較時間控制更為穩(wěn)定可靠的位置控制來控制自由活塞的運動，通過運動控制卡獲得活塞的最大行程來確定活塞運行的左/右止點(LDC/RDC)，通過改變左/右止點的位置來調(diào)節(jié)活塞運行的行程大小。位置控制：當(dāng)活塞位于左側(cè)起始點時，電磁閥2、4、6、8打開，1、3、5、7關(guān)閉，壓縮氣體進入兩氣缸左側(cè)，推動活塞向右側(cè)運動；在運行到總行程的一半時，電磁閥4、8打開，1、2、3、5、6、7關(guān)閉，停止進氣，開始膨脹過程，活塞繼續(xù)向右側(cè)移動；膨脹ts后，電磁閥1、3、5、7打開，2、4、6、8關(guān)閉，氣體工質(zhì)進入兩氣缸右側(cè)，推動活塞從右向左移動；在達到總行程的一半時，電磁閥1、5打開，2、3、4、6、7、8關(guān)閉，進氣停止，開始膨脹過程，活塞繼續(xù)向左側(cè)移動；在膨脹ts后，電磁閥2、4、6、8打開，1、3、5、7關(guān)閉，進入下一次循環(huán)過程。

2 實驗與分析

2.1 實驗方案

FPE-LG多負載特性實驗流程如圖4所示。FPE-LG的運動特性包括自由活塞組件的位移和速度；FPE-LG的輸出特性包括輸出電壓、輸出功率和輸出效率。實驗影響因素有進氣壓力Pin、負載電阻R、膨脹時間t三個因素，分別控制其中1個或2個影響因素來分析其他影響因素對實驗結(jié)果的影響。

FPE-LG活塞組件位移、速度實驗工況如表1所示，保持進氣壓力、負載電阻、膨脹時間3個影響因素中2個因素不變，針對另1個因素變化進行實驗和分析。

表1 FPE-LG活塞位移、速度實驗工況

FPE-LG輸出電壓、輸出功率、輸出效率實驗工況如表2、3所示，保持進氣壓力、負載電阻、膨脹時間3個影響因素中1個因素不變，針對另外2個因素變化進行實驗和分析。

表2 FPE-LG輸出電壓實驗工況

表3 FPE-LG輸出功率、輸出效率實驗工況

2.2 FPE-LG活塞組件位移、速度分析

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，R=0 Ω，t=15 ms，Pin動態(tài)變化工況下，活塞組件位移與速度變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 R=0 Ω、t=15 ms時活塞位移速度

隨著進氣壓力的增加，活塞組件的位移和速度也隨之顯著增加。這是由于更大的進氣壓力會給活塞組件施加更大的外力，使活塞組件獲得更大的加速度，因此活塞組件的速度也更快，位移也更大。

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，Pin=0.4 MPa，t=15 ms，R動態(tài)變化工況下，活塞組件的位移速度變化如圖6所示?；钊M件的位置速度隨著負載電阻的增加而增大，但不明顯。

圖6 Pin=0.4 MPa、t=15 ms時活塞位置速度

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，R=0 Ω，Pin=0.4 MPa，t動態(tài)變化工況下，活塞組件位置速度關(guān)系如圖7所示。隨著膨脹時間的增大，活塞組件速度和位移隨之增加，位移增幅比速度的增幅更加明顯。

圖7 R=0、Pin=0.4 MPa時活塞位置速度變化

因此提高進氣壓力，增加旋轉(zhuǎn)電機的負載電阻可以提高活塞組件的速度，使活塞組件獲得更大的位移，提高行程利用率。

2.3 FPE-LG多負載發(fā)電輸出特性

2.3.1 FPE-LG輸出電壓分析

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，t=15 ms，R和Pin動態(tài)變化工況下，F(xiàn)PE-LG峰值輸出電壓變化趨勢如圖8所示。

圖8 t=15 ms時FPE-LG峰值輸出電壓

隨著進氣壓力和負載電阻的增加，F(xiàn)PE-LG峰值電壓隨之增加，在Pin=0.5 MPa、R=15 Ω時，峰值電壓取得最大值為20.9 V；R從0 Ω到5 Ω時，峰值電壓變化幅度較大，在R為5、10、15 Ω時，負載電阻增加，峰值電壓變化幅度較小。

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，Pin=0.3 MPa，t和R動態(tài)變化工況下，F(xiàn)PE-LG峰值輸出電壓變化趨勢如圖9所示。

圖9 Pin=0.3 MPa時FPE-LG峰值輸出電壓

隨著膨脹時間的增加，F(xiàn)PE-LG的峰值輸出電壓逐漸減小，且減小的幅度逐漸降低趨于穩(wěn)定。隨著負載電阻的增加，F(xiàn)PE-LG的峰值輸出電壓逐漸增加，在R=15 Ω、t=15 ms時，峰值輸出電壓取得最大值為20.5 V。

2.3.2 FPE-LG輸出功率分析

FPE-LG的峰值輸出功率為

Pout=U×I

(1)

式中：U為旋轉(zhuǎn)電機兩端的電壓的有效值；I為旋轉(zhuǎn)電機上電流的有效值。

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，t=15 ms，R和Pin動態(tài)變化工況下,FPE-LG輸出功率變化趨勢如圖10所示。隨著進氣壓力的增加，F(xiàn)PE-LG輸出功率增加。隨著負載電阻的增加，F(xiàn)PE-LG峰值輸出功率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且在R=5 Ω、Pin=0.5 MPa時，取得最大值為23.5 W。無負載電阻相較于有負載電阻工況，F(xiàn)PE-LG輸出功率增加的幅度較小。

圖10 t=15 ms時FPE-LG輸出功率

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，Pin=0.5 MPa，t和R動態(tài)變化工況下，F(xiàn)PE-LG的輸出功率變化規(guī)律如圖11所示。

圖11 Pin=0.5 MPa時FPE-LG輸出功率

隨著膨脹時間的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出功率逐漸減小。在t=45 ms、R=0 Ω情況下，輸出功率取得最小值為21.1 W，在t=15 ms、R=15 Ω時，取得最大值為25.2 W。隨著負載電阻的增加，F(xiàn)PE-LG輸出功率逐漸增大，R從0 Ω到5 Ω時，輸出功率變化幅度較大，從5 Ω到15 Ω過程中，輸出功率變化幅度相對較小。

2.3.3 FPE-LG輸出效率分析

輸入FPE-LG的能量受到進氣壓力Pin、活塞面積S和自由活塞組件行程l的影響[20]：

Win=Pin×S×l

(2)

FPE-LG的一個工作循環(huán)的輸出功為

Wout=Pout×T

(3)

其中T為工作周期。

因此能量轉(zhuǎn)換效率為

μ=Win/Wout

(4)

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，t=15 ms，R和Pin動態(tài)變化工況下，F(xiàn)PE-LG輸出效率變化趨勢如圖12所示。

圖12 t=15 ms時FPE-LG輸出效率

當(dāng)R=0時，隨著進氣壓力的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出效率逐漸上升，且在Pin=0.5 MPa時取得最大值為71%；當(dāng)R為5、10、15 Ω時，隨著進氣壓力的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出效率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在Pin=0.4 MPa附近取得最大值，R=5 Ω時，輸出效率為69%，R=10 Ω時，輸出效率為61%，R=15 Ω時，輸出效率為64%。

FPE-LG外接旋轉(zhuǎn)電機負載，進氣壓力Pin=0.5 MPa，t和R動態(tài)變化工況下，F(xiàn)PE-LG的輸出效率變化規(guī)律如圖13所示。

圖13 Pin=0.5 MPa時FPE-LG輸出效率

在R=0時，隨著膨脹時間的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出效率逐漸降低；在R為5、10、15 Ω時，隨著膨脹時間的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出效率逐漸降低，且下降幅度隨著負載電阻的增加而減小，當(dāng)R=15 Ω時，隨著膨脹時間的增加FPE-LG的輸出效率出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在R=15 Ω、t=15 ms時，輸出效率取得最大值為58.2%。

3 結(jié)束語

本文搭建了FPE-LG，對FPE-LG的多負載特性進行了研究，得出結(jié)論如下：

1)FPE-LG活塞組件的速度和位移隨著進氣壓力、負載電阻和膨脹時間的增加而增加。相較于外接負載電阻和膨脹時間，進氣壓力對自由活塞組件的運動特性影響更大。

2)當(dāng)進氣壓力和負載電阻增加時，F(xiàn)PE-LG峰值輸出電壓逐漸增加。當(dāng)膨脹時間增加時，峰值輸出電壓先減小后趨于穩(wěn)定。負載電阻從0 Ω到5 Ω，峰值電壓變化幅度較大。當(dāng)進氣壓力為0.5 MPa，外接負載電阻為15 Ω時，峰值輸出電壓最大為20.9 V。

3)隨著進氣壓力增加，F(xiàn)PE-LG輸出功率呈增加趨勢，隨著負載電阻的增加，輸出功率呈先增大后減小的趨勢，負載電阻從0 Ω到5 Ω過程中，輸出功率變化較為明顯。隨著膨脹時間的增加，輸出功率呈減小的趨勢。當(dāng)負載電阻為5 Ω，進氣壓力為0.5 MPa時，輸出功率取得最大值為23.5 W。

4)負載電阻為0時，隨著進氣壓力的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出效率逐漸上升，且在進氣壓力為0.5 MPa時取得最大值為71%；隨著膨脹時間的增加，F(xiàn)PE-LG的輸出效率逐漸降低。負載電阻不為0時，隨著進氣壓力增加，輸出效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，隨著膨脹時間的增加，輸出效率先減小后增大，且在負載電阻為15 Ω、膨脹時間為15 ms時，輸出效率取得最大值為58.2%。