自由活塞直線發電機輸出性能試驗研究

田亞明, 張紅光, 李高勝, 侯孝臣, 于飛, 許永紅, 劉毅

(1.北京工業大學環境與能源工程學院, 100124, 北京; 2.北京電動車輛協同創新中心, 100124, 北京;3.北京信息科技大學機電工程學院, 100192, 北京; 4.大同北方天力增壓技術有限公司, 037036, 山西大同)

車用內燃機的余熱能主要包括兩種形式,冷卻介質中的余熱和排氣中的余熱。將車用內燃機的余熱能高效回收利用可以有效地提高車用內燃機總能效率,降低燃油消耗量,減少CO2和污染物排放[1-3]。在回收余熱能方面,有機朗肯循環(ORC)系統憑借其優越的性能而受到了廣泛的關注[4-6],并被應用于眾多領域[7-9]。膨脹機作為有機朗肯循環的關鍵部件,其性能會對ORC余熱回收系統效率產生顯著影響[10-12]。在20世紀90年代,德國德累斯頓工業大學的研究人員率先開發了自由活塞膨脹機[13]。近年來,自由活塞膨脹機受到了學術界和產業界的高度重視,主要原因在于其具有結構緊湊、摩擦損失小、密封性能良好、效率高等優點[14-17],從而解決了大多數小功率膨脹機存在的密封和潤滑等問題;對于運行工況變化的有機朗肯循環余熱回收系統,自由活塞膨脹機體現出了優越的適用性。

Weiss針對一款自由活塞膨脹機開展了研究,結果表明,減小活塞質量以及活塞位移,活塞的運動頻率增加,電機的輸出功率增大,最大輸出功率為25.6 mW[18]。Champagne等進行了一個微型自由活塞膨脹機的初步實驗,分析了系統的運行特性等,研究結果表明在靜態配置下,較厚的潤滑劑密封性良好,并且在測試過程中活塞速度逐步降低[19]。彭學院等試制了一種被動進氣式自由活塞膨脹機,其工作頻率與膨脹機進、出口壓力差近似成線性關系,當工作頻率為10.2 Hz時,其絕熱效率約為62%[20]。韓永強等利用有機朗肯循環自由活塞壓縮機(ORC-FPC)來回收車用天然氣內燃機的余熱能,當動力活塞與壓縮活塞面積比為2.5時,系統性能最優,指示效率和有效效率分別為50.7%和23.7%[21]。

本研究將自主研發的自由活塞膨脹機與直線發電機耦合,形成一種非內燃式自由活塞直線發電機(FPLG),用于小規模ORC余熱回收系統中。通過高溫高壓有機工質驅動自由活塞膨脹機,將車用內燃機排氣余熱能量轉化為機械能,進而通過直線發電機將機械能轉化為電能輸出。采用FPLG有利于高效回收車用內燃機排氣余熱。

1　FPLG試驗臺架及工作原理

1.1　試驗臺架

FPLG的基本結構如圖1所示,其主要由一個雙氣缸的自由活塞式膨脹機和一臺位于兩個氣缸中間的直線發電機構成?；钊ㄟ^連桿與直線發電機動子連接,并被定義為活塞連桿組件。由于自由活塞膨脹機取消了曲柄連桿機構,活塞可以在上下止點之間自由移動,其運動受缸內氣體壓力、電磁力和摩擦力共同影響。此外,直線發電機通過外部整流電路與負載電阻相連,將直線電機產生的交流電轉化為直流電輸出。

圖1　試驗臺架結構示意圖

1.2　工作原理

根據研究工作的進度安排,首先采用壓縮空氣作為工質,用以驗證FPLG樣機工作原理的可行性,待充分研究之后,再將FPLG應用于ORC余熱回收系統中去。FPLG的工作原理類似于二沖程發動機,即兩個氣缸交替進行進氣膨脹沖程(進氣過程和膨脹過程)和排氣沖程(排氣過程)。壓縮空氣依次流入每個氣缸中來驅動活塞連桿組件往復運動,從而直線發電機將活塞連桿組件的動能轉換成電能輸出。

對于FPLG而言,認為活塞從一側氣缸的上止點運動到該側氣缸下止點時,活塞上任意一點掃過的長度都是相等的,并稱之為活塞行程。圖2給出了FPLG的結構參數示意圖,L1和L2分別表示單側緩沖腔的長度,其大小是在FPLG設計過程中根據緩沖效果和容積效率等折中考慮的結果。FPLG的活塞行程受到運行工況的影響,在工作過程中其運行上下止點位置可能是變動的。當FPLG穩定運行時,活塞上止點可以達到靠近氣缸蓋的極限位置,稱為機械上止點(MTDC,圖2中位置1),活塞下止點可以達到的極限位置稱為機械下止點(MBDC,圖2中位置4)。MTDC和MBDC之間的距離定義為活塞最大行程Smax。定義MTDC和MBDC之間的中心位置為理論振動中心(TVC)?；钊\動過程中,上止點實際到達的位置稱為運行上止點(OTDC,圖2中位置2),下止點實際到達的位置稱為運行下止點(OBDC,圖2中位置3),OTDC和OBDC之間的距離定義為活塞實際行程S。當OTDC和OBDC位于TVC兩側時,提出了活塞運動對稱性的概念。由于兩側活塞通過連桿連接具有相似的運動規律,本文在研究活塞位移、速度和加速度時,以左側氣缸活塞為研究對象,從左側氣缸的TVC到MTDC的方向定義為正方向(+x),反之為負方向(-x)。

圖2　FPLG結構參數示意圖

FPLG的試驗臺架如圖3所示,并在表1中給出了FPLG的結構參數。當FPLG啟動時,左側氣缸的進氣閥打開,然后來自儲氣罐的壓縮空氣流入左側氣缸,開始進氣過程。同時,活塞開始向右移動,一定時間后進氣閥關閉,進氣過程結束,左側氣缸開始膨脹過程,高壓氣體繼續推動活塞運動。當自由活塞膨脹機完成進氣膨脹沖程時,左側活塞從OTDC運動到OBDC(進氣過程中進氣閥打開,排氣閥關閉;膨脹過程中進氣閥和排氣閥均關閉),而右側氣缸的活塞從OBDC運動到OTDC。之后,左側氣缸排氣閥打開,開始排氣沖程,活塞從OBDC運動到OTDC(排氣沖程中進氣閥關閉,排氣閥打開)。同時,右側氣缸進氣閥打開,開始進氣過程。當右側氣缸完成進氣膨脹沖程時,左側氣缸完成排氣沖程,通過活塞將左側氣缸中的廢氣排出,左側活塞回到OTDC,下一個工作循環重新開始。

圖3　FPLG試驗臺架

表1　FPLG樣機的結構參數

2　FPLG的動力學模型及運動規律

2.1　動力學模型

根據FPLG的工作原理可知,活塞連桿組件的運動規律完全由活塞連桿組件瞬時所受到作用力的合力確定。更確切地說,由于活塞組件不受曲軸的限制,其運動取決于氣缸中的氣體壓力、直線發電機產生的電磁力和運動部件間摩擦力的合力。當FPLG穩定運行時,活塞組件的受力如圖4所示。根據牛頓第二定律,建立了活塞連桿組件往復運動的動力學方程

(pL-pR)A-Fmag-Ffri=ma

(1)

Fmag=Kv

(2)

圖4　動子的實際受力分析圖

式中:pL是左側氣缸的缸內壓力;pR是右側氣缸的缸內壓力;A是活塞面積;Fmag是電磁力;Ffri是摩擦力;m是活塞連桿組件的質量;x是活塞位移;a為活塞加速度;K是直線發電機負載系數;v是活塞組件的速度。

2.2　FPLG的運動規律

當運行頻率為1.0 Hz、外接負載電阻為5 Ω時,不同進氣壓力下活塞位移隨時間的變化如圖5所示?？傮w上,活塞位移變化趨勢呈現較為規律的正弦波動,并且隨著進氣壓力pin的增加,活塞振幅逐漸增大。進一步分析可知:當進氣壓力較低(小于0.22 MPa)時,活塞的振幅較小并且活塞在MTDC和TVC之間往復運動;隨著進氣壓力的增大,活塞運行下止點超過TVC,運動對稱性逐漸提高。

圖5　不同進氣壓力下的活塞位移

當進氣壓力為0.28 MPa、運行頻率為2.0 Hz、外接負載電阻為5 Ω時,活塞速度、加速度隨位移的變化如圖6所示。從圖中可知:在OTDC和OBDC處的活塞速度均為0;當活塞在中間行程時,加速度方向發生改變。在中間行程,活塞速度達到最大值;在運行上下止點附近,活塞加速度最大。

圖6　活塞速度和加速度隨位移變化的曲線

3　FPLG的輸出功率和轉換效率分析

自由活塞集成系統可以近似等價為一個單自由度的振動系統[22-23],因此從振動系統能量平衡的角度來看,在FPLG一個完整的工作循環過程中,兩側氣缸各膨脹做功一次,當一個工作循環結束后,活塞回到初始狀態,運動速度保持不變,系統的動能也沒有發生變化。整個循環過程中,進入自由活塞直線發電機的工質所攜帶的能量全部通過直線發電機轉化為電能、熱能以及克服摩擦阻力的耗能,因此要保證所設計的FPLG能夠正常工作,要求自由活塞膨脹機(即兩側氣缸)所產生的有用功被直線發電機完全消耗掉。

輸入FPLG的能量由進氣壓力、活塞面積、活塞行程計算

Win=pinAS

(3)

根據功率輸出的計算公式,可以計算出

(4)

(5)

式中:Pout是輸出功率;U是輸出電壓;Re是外部負載電阻;Wout是FPLG輸出的能量。

FPLG能量轉換效率計算公式[24]如下

(6)

3.1　進氣壓力對FPLG輸出特性的影響

圖7給出了當運行頻率為2.5 Hz、外部負載電阻為20 Ω時,不同進氣壓力下FPLG峰值輸出功率和峰值速度的變化。從圖中可知,峰值輸出功率與進氣壓力呈近似線性關系,隨著進氣壓力提高而增大。當進氣壓力提高到0.28 MPa時,峰值輸出功率為56.6 W。此外,活塞峰值速度也與進氣壓力呈近似線性關系。因此,對于FPLG來說,如果想得到更高的輸出功率,可以通過適當提高進氣壓力來實現。

圖7　進氣壓力對峰值輸出功率和活塞峰值速度的影響

圖8給出了運行頻率為2.5 Hz時不同負載電阻下FPLG能量轉化效率隨進氣壓力的變化。實驗結果表明,可以通過增大進氣壓力來提高轉換效率。當進氣壓力較低時,增大進氣壓力對轉換效率的影響較為明顯。當進氣壓力達到0.22 MPa時,繼續增大進氣壓力對FPLG能量轉換效率的影響并不明顯。這是由于FPLG樣機密封存在問題,隨著進氣壓力的增大,活塞速度不斷增加,摩擦損失增大,氣缸通過活塞環處漏氣變得嚴重。當外部負載電阻為20 Ω時,FPLG的能量轉換效率較大,在30%～40%之間變化。

圖8　FPLG能量轉化效率隨進氣壓力的變化

3.2　運行頻率對FPLG輸出特性的影響

本研究采用了一種新型的配氣機構,進排氣閥的開關均由伺服電機控制,因此FPLG的運行頻率與進氣壓力無關,是由伺服電機的轉速決定的,FPLG的運行頻率是可控的變量。圖9給出了當進氣壓力為0.28 MPa、外部負載電阻為20 Ω時,不同運行頻率下FPLG峰值輸出功率和活塞行程的變化。從圖中可知,FPLG的峰值輸出功率與活塞行程近似成正相關,活塞行程越長,峰值輸出功率越高。然而,峰值輸出功率隨著運行頻率的增加而迅速下降。當運行頻率為1.0 Hz時,峰值輸出功率達到96 W;當運行頻率增加到2.5 Hz時,峰值輸出功率為56.6 W。運行頻率影響FPLG的峰值輸出功率的原因如下:當進氣壓力一定時,運行頻率越低,進氣閥開啟持續時間越長,因此當運行頻率較低時,流入氣缸的壓縮空氣量更多,也就是說可以用于驅動活塞運動的能量越高,活塞的實際行程越大,FPLG輸出功率更高。隨著伺服電機轉動速度(運行頻率)的增加,進氣閥的開啟時間縮短,進氣量減少,活塞在達到機械上(下)止點時,缸內壓力降低,做功能力減小,FPLG輸出功率隨之減小。

圖9　運行頻率對峰值輸出功率和活塞行程的影響

圖10給出了當外部負載電阻為20 Ω時不同進氣壓力下FPLG能量轉化效率隨運行頻率的變化。從圖中可知,不同進氣壓力下當運行頻率從1.0 Hz增大到2.0 Hz時,FPLG的能量轉換效率明顯提高。然而,隨著運行頻率的繼續增加,能量轉換效率開始下降。當運行頻率為2.0 Hz、進氣壓力為0.26 MPa時,FPLG的能量轉換效率可達到45.82%,進氣壓力為0.28 MPa時為45.19%。由圖9、圖10可知,隨著運行頻率的增加,FPLG的輸出功率明顯降低,但能量轉化效率呈現出先增大后減小的趨勢。上述分析結果表明,對于FPLG在外接電阻值恒定的情況下,可以通過協調進氣壓力和運行頻率的方式達到最大化能量利用的目的。

圖10　FPLG能量轉化效率隨運行頻率的變化

3.3　外部負載電阻對FPLG輸出特性的影響

圖11給出了當運行頻率為2.5 Hz、進氣壓力為0.18 MPa時,不同外接負載電阻下FPLG峰值輸出功率的變化,由于整體輸出功率較小,外部負載電阻的變化對峰值輸出功率的影響并不大。然而,當進氣壓力為0.22和0.26 MPa時,外部負載電阻的變化對峰值輸出功率影響顯著,且隨著外部負載電阻的增大峰值輸出功率的變化趨勢相似?？傮w來說,隨著外部負載電阻的增大,FPLG的峰值輸出功率呈現出先增大后減小的趨勢。根據直線發電機的特性,得到輸出功率計算公式如下

(7)

(8)

式中:r=20 Ω為直線電機的內阻;E為直線電機產生的感應電動勢。當外部負載電阻增大到20 Ω(此時Re和r基本相同)時,峰值輸出功率最大,約為47.5 W。

圖11　外部負載電阻對峰值輸出功率的影響

圖12給出了當進氣壓力為0.28 MPa、運行頻率為2.5 Hz時,FPLG能量轉換效率隨外部負載電阻的變化。當外部負載電阻小于20 Ω時,隨著外部負載電阻的增加,FPLG的能量轉換效率從8.5%上升到33.8%,外部負載電阻對轉換效率的影響十分顯著。然而,當外部負載電阻在20～40 Ω之間變化時,FPLG的能量轉換效率幾乎保持不變。當外部負載電阻從20 Ω變化到30 Ω時,能量轉換效率僅下降2%。

圖12　FPLG能量轉化效率隨外接負載電阻的變化

4　結　論

本文將自主研發的自由活塞膨脹機與直線電機耦合形成一種新型FPLG用于小型ORC系統來回收發動機排氣余熱。在壓縮空氣試驗平臺上對FPLG工作原理進行了試驗驗證并對FPLG活塞運動規律及輸出特性進行了分析,得出如下結論。

(1)活塞位移變化趨勢呈現較為規律的正弦波動,在中間行程活塞速度達到最大值,在運行上下止點附近,活塞加速度達到最大。

(2)適當提高進氣壓力,能夠明顯提高FPLG峰值輸出功率和能量轉化效率。

(3)隨著運行頻率的增加,峰值輸出功率呈現出下降趨勢,但FPLG能量轉化效率呈現出先增大后減小的趨勢。當運行頻率為2.0 Hz、進氣壓力為0.26 MPa、外部負載電阻為20 Ω時,FPLG的能量轉換效率可達到45.82%。

(4)隨著外部負載電阻的增大,FPLG的峰值輸出功率呈現出先增大后減小的趨勢。當運行頻率為2.5 Hz、外部負載電阻為20 Ω、進氣壓力為0.26 MPa時,峰值輸出功率最大,為47.5 W。當外部負載電阻小于20 Ω時,隨著外部負載電阻的增加,FPLG的能量轉換效率從8.5%上升到33.8%,改變外部負載電阻值對能量轉換效率的影響比較明顯。

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