自由活塞膨脹機—直線發電機多負載特性研究

戴 舟，彭寶營，童 亮

(北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192)

0 引言

汽車燃料燃燒所產生的能量只有小部分用于做功，大部分通過發動機的排氣、冷卻系統和機械摩擦而損失。因此有效利用汽車廢氣能量能為汽車節能提供新的方案。近年來，在眾多回收系統中有機朗肯循環(organic Rankine cycle，ORC)余熱回收系統成為研究熱點[1-3]。各國學者在采用有機朗肯循環回收車用內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—直線發電機(free piston expander-linear generator，FPE-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余熱利用系統的膨脹機模型，仿真結果表明，其單位質量輸出扭矩、熱效率、效率和等熵效率，分別比傳統的往復式活塞膨脹機高出51.00%、6.74%、20.79%和5.68%。FPE-LG是FPE與LG直接耦合的產物。與傳統膨脹機不同，FPE-LG摒棄了曲柄連桿機構，且活塞運動過程中無側向力，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余熱回收系統的FPE-LG并針對其運動特性和輸出特性進行了相關的研究。黨瑾希等[19]搭建ANSYS Maxwell二維瞬態場模塊，分析了電機空載、負載工況的磁場特性和極弧系數、氣隙長度等參數對電機推力性能的影響。上述研究大多側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、數據采集系統、運動控制系統、直流旋轉電機負載電路等。兩臺單活塞FPE對置于LG兩側，直線發電機動子與兩側氣缸中的活塞通過連桿耦合在一起，構成自由活塞連桿組件。兩側活塞往復交替運動，帶動直線電機動子切割磁感線對外輸出電能，通過旋轉電機負載電路進行消耗。旋轉電機負載電路由直流旋轉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結構

FPE-LG結構如圖2所示。

圖2 FPE-LG實驗裝置結構原理

壓力、溫度傳感器放置于直線電機兩側的氣缸旁，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電機使用。數據采集卡用于實時采集各個傳感器的數據，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)之間進行往復運動，為了避免活塞與氣缸缸蓋之間的碰撞以保證系統穩定運行，控制系統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/右止點的位置來調節活塞運行的行程大小。位置控制：當活塞位于左側起始點時，電磁閥2、4、6、8打開，1、3、5、7關閉，壓縮氣體進入兩氣缸左側，推動活塞向右側運動；在運行到總行程的一半時，電磁閥4、8打開，1、2、3、5、6、7關閉，停止進氣，開始膨脹過程，活塞繼續向右側移動；膨脹ts后，電磁閥1、3、5、7打開，2、4、6、8關閉，氣體工質進入兩氣缸右側，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關閉，進氣停止，開始膨脹過程，活塞繼續向左側移動；在膨脹ts后，電磁閥2、4、6、8打開，1、3、5、7關閉，進入下一次循環過程。

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外接旋轉電機負載，R=0 Ω，t=15 ms，Pin動態變化工況下，活塞組件位移與速度變化關系如圖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外接旋轉電機負載，Pin=0.4 MPa，t=15 ms，R動態變化工況下，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外接旋轉電機負載，R=0 Ω，Pin=0.4 MPa，t動態變化工況下，活塞組件位置速度關系如圖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多負載發電輸出特性

2.3.1 FPE-LG輸出電壓分析

FPE-LG外接旋轉電機負載，t=15 ms，R和Pin動態變化工況下，FPE-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，FPE-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外接旋轉電機負載，Pin=0.3 MPa，t和R動態變化工況下，FPE-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，FPE-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定。隨著負載電阻的增加，FPE-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為旋轉電機兩端的電壓的有效值；I為旋轉電機上電流的有效值。

FPE-LG外接旋轉電機負載，t=15 ms，R和Pin動態變化工況下,FPE-LG輸出功率變化趨勢如圖10所示。隨著進氣壓力的增加，FPE-LG輸出功率增加。隨著負載電阻的增加，FPE-LG峰值輸出功率呈現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，FPE-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外接旋轉電機負載，Pin=0.5 MPa，t和R動態變化工況下，FPE-LG的輸出功率變化規律如圖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，FPE-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，FPE-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的一個工作循環的輸出功為

Wout=Pout×T

(3)

其中T為工作周期。

因此能量轉換效率為

μ=Win/Wout

(4)

FPE-LG外接旋轉電機負載，t=15 ms，R和Pin動態變化工況下，FPE-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R=0時，隨著進氣壓力的增加，FPE-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R為5、10、15 Ω時，隨著進氣壓力的增加，FPE-LG的輸出效率呈現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外接旋轉電機負載，進氣壓力Pin=0.5 MPa，t和R動態變化工況下，FPE-LG的輸出效率變化規律如圖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，FPE-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，FPE-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R=15 Ω時，隨著膨脹時間的增加FPE-LG的輸出效率出現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)當進氣壓力和負載電阻增加時，FPE-LG峰值輸出電壓逐漸增加。當膨脹時間增加時，峰值輸出電壓先減小后趨于穩定。負載電阻從0 Ω到5 Ω，峰值電壓變化幅度較大。當進氣壓力為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，FPE-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，FPE-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，FPE-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%。