CN103291448B - 自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计方法，属于动力机械技术领域。本方法引入了等效转速变换法，得到单循环位移曲线、单循环速度曲线，结合一般传统二冲程回流扫气系统气口参数设计，系统性地解决了自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计问题，其设计结果可使扫气系统的扫气效率和燃料捕捉效率均达到较佳水平，扫气效率可达80%以上。从而提升自由活塞内燃发电机总体性能，同时能缩短设计周期，提高工作效率。

Description

自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计方法，属于动力机械技术领域。

背景技术

受日益严峻的自然环境及能源供应问题影响，现有动力装置的性能已越来越不能满足要求。自由活塞内燃发电机是在这样一种新形势下应运而生的新型动力系统。其基本形式是将自由活塞式内燃机与直线发电机结合。与传统机型相比，它在相当大程度上缩短了能量传递链条，提高了系统的整体效率。同时受益于紧凑的机械结构布置形式，其还具有高度宽泛的可适用领域。在可以预见的未来具有很大的发展潜力。

做为一种新型动力系统，其附属子系统还有诸多问题有待探索研究。在整体布局上，自由活塞式工作方式与传统发动机有明显区别，同时在原理上，它与传统发动机又均属于往复式内燃机，故其二者在工作特性等各方面的性能与特点既存在差异又保持联系。针对其扫气系统，选用回流扫气形式可有效精简总体结构，降低系统复杂程度，提高系统可靠性。就回流扫气系统而言，其各气口参数是具有决定性意义的设计要点。然而针对其设计过程还尚未形成系统、有效的设计方法。当前在进行自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计时，采用根据经验进行试算迭代的方式进行。不仅时间和人力成本十分高昂，同时还难以达到较好的扫气性能。因此，在自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口设计领域有待进一步提出相应设计手段，以达到提高自由活塞内燃发电机扫气性能，进而优化其工作性能的目的。并且节约相应的时间及人力成本，提高工作效率。

发明内容

本发明的目的是为了提高自由活塞内燃发电机回流扫气系统的扫气性能，提出了一种自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计方法。

一种自由活塞内燃发电机高效率回流扫气系统气口参数设计方法，包括如下步骤：

步骤一，根据任务给定的待设计自由活塞内燃发电机的设计参数，从中获取七个设计参数：缸径D、有效行程长度L_e、最大行程长度L_max、运动组件质量m、燃烧起始距离L_i、循环输入能量E_in、电磁负载系数C_e；

步骤二，将步骤一得到的七个设计参数同时输入自由活塞内燃发电机仿真模型，经过仿真运行，得到待设计自由活塞内燃发电机的运动组件单循环位移曲线、单循环速度曲线；

所述的自由活塞内燃发电机仿真模型能够描述常规自由活塞内燃发电机的动态特性。

所述的单循环位移曲线、单循环速度曲线的获取方法为：以位移曲线的任意一个波峰点为起点，截取一个周期内的位移曲线，同时截取相应时间区间内的速度曲线；再以截取曲线的起点为0°位置，终点为360°位置，均匀地将截取曲线转化为横轴以角度单位，纵轴单位不变，得到两条新的曲线即单循环位移曲线、单循环速度曲线。

步骤三，查询行业技术标准中比时面值和气口宽度缸径率的范围，分别在排气口期望比时面值Z_be、扫气口期望比时面值Z_bs和提前排气期望比时面值Z_bf的取值范围内任意选取一个值，作为扫气口、排气口和提前排气的比时面值设计期望值；在排气口宽度缸径率b_e、扫气口宽度缸径率b_s的取值范围内任意选取一个值，作为排气口、扫气口的宽度缸径率设计期望值；

排气口期望比时面值Z_be取值范围为12～25((mm²·s)·L^-1)，扫气口期望比时面值Z_bs取值范围为8～20((mm²·s)·L^-1)，提前排气期望比时面值Z_bf的取值范围为0.15～0.7((mm²·s)·L^-1)。排气口宽度缸径率b_e取值范围为0.5～0.75，扫气口宽度缸径率b_s的取值范围为0.3～0.6。

步骤四，将步骤二得到的单循环位移曲线、单循环速度曲线转化为等效转速曲线：

$\mathrm{\ω}=\frac{30v}{\mathrm{\πR}(\sin \mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\λ}}{2}\sin 2\mathrm{\α})}$

其中，ω为等效转速，R为单循环位移曲线一周期内最大值与最小值之差的二分之一，v为单循环速度曲线中描述的活塞运动速度，α为v值对应横轴角度，λ＝0.3。

步骤五，计算步骤四得到的等效转速曲线在待设计自由活塞内燃发电机的换气阶段积分平均等效转速ω_avg；

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{avg}}=\frac{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}{{\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{d\α}}$

其中，α₁为换气阶段开始时刻位移曲线对应横轴角度值，α₂为换气阶段结束时刻位移曲线对应横轴角度值。

步骤六，根据步骤四得到的各气口比时面值设计期望值和步骤五得到的换气阶段积分平均等效转速，计算扫气口、排气口和提前排气的气口参数。

气口参数的具体计算方法为:

步骤6.1，计算扫气口、排气口和提前排气的配气相位角

$A_e=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{avg}}D}{{\mathrm{\ξ}}_e{b}_e}{Z}_{\mathrm{be}},A_f=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{avg}}D}{{\mathrm{\ξ}}_f{b}_e}{Z}_{\mathrm{bf}}$

$\begin{array}{c}{N}_e=0.2478+\frac{1}{250}\sqrt{542.89-{(19.3-\frac{2}{\mathrm{\λ}})}^2}+\\ 4.45A_e\×{10}^{-11}\end{array}$

式中，ξ_e、ξ_s、ξ_f分别为排气口、扫气口和提前排气的比时面值修正数，ξ_e＝ξ_s＝0.96，ξ_f＝0.9。Z_be、Z_bf分别为排气口期望比时面值、提前排气期望比时面值。分别为排气口、扫气口以及提前排气的配气相位角。b_e、b_s分别为排气口、扫气口宽度缸径率。

步骤6.2，根据得到的值，计算排气口、扫气口以及提前排气的高度行程率。

h_f＝h_e-h_s

式中h_e、h_s、h_f分别为排气口、扫气口以及提前排气的高度行程率。

步骤6.3，计算排气口、扫气口以及提前排气的气口高度：

H_e＝Sh_e,H_s＝Sh_s

$H_{0e}=\frac{H_e}{\sin {\mathrm{\γ}}_e},H_{0s}=\frac{H_s}{\sin {\mathrm{\γ}}_s}$

式中，H_e、H_s分别为排气口、扫气口垂直于气流方向上的高度，H_0e、H_0s分别为排气口、扫气口沿气缸轴向上的实际气口高度，S为自由活塞内燃发电动力系统的实际行程；γ_e、γ_s分别为排气口、扫气口仰角，取70°～90°。

步骤6.4，根据步骤6.3所得各气口高度，更新自由活塞内燃发电机的有效行程值：

L_{e_new}＝L_max-H_0e-L_r

式中，L_{e_new}为更新的气缸有效行程值；L_max为气缸最大行程；L为更新前的上止点处活塞顶至缸盖的距离。

步骤6.5，排气口及进气口宽度按下列公式计算

B_e＝D·b_e

B_s＝D·b_s

步骤6.3所得H_0e、H_0s和步骤6.5所得B_e、B_s即为最终获得的气口参数，L_{e_new}即新的最大行程值。

改变所述步骤三中选取的比时面值和宽度缸径率设计期望值，能得到不同的气口参数，满足不同的扫气效率要求。

有益效果

本发明提出的一种自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计方法提出并引入了等效转速变换法，结合一般传统二冲程回流扫气系统气口参数设计方法，从而系统性地解决了自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计问题，其设计结果可使扫气系统的扫气效率和燃料捕捉效率均达到较佳水平，扫气效率可达80％以上。从而提升自由活塞内燃发电机总体性能。而且此方法有利于缩短设计周期，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明的设计方法流程图；

图2是具体实施方式中步骤2获取的单循环位移曲线示意图；

图3是具体实施方式中步骤2获取的单循环速度曲线示意图；

图4是具体实施方式中步骤4得到的等效转速曲线示意图；

图5是实施例中设计所得自由活塞内燃发电机在换气阶段缸内残余废气质量的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

从步骤1开始，获取待设计自由活塞内燃发电机的关键参数，包含缸径90mm，有效长度82mm，最大行程115mm，运动组件质量10.3kg，电机载荷系数310，摩擦系数22，循环输入能量422.39J，燃烧起始距离5.5mm。

步骤2，获取前述步骤中待设计自由活塞内燃发电机的运动组件单循环位移曲线及单循环速度曲线，如图2及图3所示。

步骤3，根据待设计自由活塞内燃发电机的关键参数，查询文献，选定排气口、扫气口和提前排气的比时面值期望设计值分别为12、7、0.68。排气口和扫气口的宽度缸径率分别为0.63和0.9。

步骤4，按公式将位移曲线与速度曲线转化为等效转速曲线，如图3所示。

步骤5，根据位移曲线，知换气阶段开始于118°、结束于233.6°。据此按公式计算换气阶段积分平均等效转速为3313.4r/min。

步骤6，根据前述步骤所得结果，取排气口仰角为85°，扫气口仰角为70°。按公式解出气口高度分别为H_0e＝30.47mm，H_0s＝16.58mm，B_e＝56.7mm，B_s＝81mm，且L_{e_new}＝80.52mm。

经由仿真验证，应用以上气口参数设计结果所得之自由活塞内燃发电机回流扫气系统，其具有良好的废气扫除效果，扫气效率可达88.6％，新鲜充量捕捉效率可达57.2％。

Claims (4)

1.自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

步骤一，根据任务给定的待设计自由活塞内燃发电机的设计参数，从中获取七个设计参数：缸径D、有效行程长度L_e、最大行程长度L_max、运动组件质量m、燃烧起始距离L_i、循环输入能量E_in、电磁负载系数C_e；

步骤二，将步骤一得到的七个设计参数同时输入自由活塞内燃发电机仿真模型，经过仿真运行，得到待设计自由活塞内燃发电机的运动组件单循环位移曲线、单循环速度曲线；

步骤三，查询行业技术标准中比时面值和气口宽度缸径率的范围，分别在排气口期望比时面值Z_be、扫气口期望比时面值Z_bs和提前排气期望比时面值Z_bf的取值范围内任意选取一个值，作为扫气口、排气口和提前排气的比时面值设计期望值；在排气口宽度缸径率b_e、扫气口宽度缸径率b_s的取值范围内任意选取一个值，作为排气口、扫气口的宽度缸径率设计期望值；

步骤四，将步骤二得到的单循环位移曲线、单循环速度曲线转化为等效转速曲线：

$\mathrm{\ω}=\frac{30v}{\mathrm{\πR}(\sin \mathrm{\α}+\frac{\mathrm{\λ}}{2}\sin 2\mathrm{\α})}$

其中，ω为等效转速，R为单循环位移曲线一周期内最大值与最小值之差的二分之一，v为单循环速度曲线中描述的活塞运动速度，α为v值对应横轴角度，λ＝0.3；

步骤五，计算步骤四得到的等效转速曲线在待设计自由活塞内燃发电机的换气阶段积分平均等效转速ω_avg；

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{avg}}=\frac{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}{{\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\frac{1}{\mathrm{\ω}}\mathrm{d\α}}$

其中，α₁为换气阶段开始时刻位移曲线对应横轴角度值，α₂为换气阶段结束时刻位移曲线对应横轴角度值；

步骤六，根据步骤三得到的扫气口、排气口和提前排气的比时面值设计期望值和步骤五得到的换气阶段积分平均等效转速，计算扫气口、排气口和提前排气的气口参数；

气口参数的具体计算方法为:

步骤6.1，计算扫气口、排气口和提前排气的配气相位角

$A_e=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{avg}}D}{{\mathrm{\ξ}}_e{b}_e}{Z}_{\mathrm{be}},A_f=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{avg}}D}{{\mathrm{\ξ}}_f{b}_e}{Z}_{\mathrm{bf}}$

$\begin{array}{c}{N}_e=0.2478+\frac{1}{250}\sqrt{542.89-{(19.3-\frac{2}{\mathrm{\λ}})}^2}+\\ 4.45A_e\×{10}^{11}\end{array}$

式中，ξ_e、ξ_s、ξ_f分别为排气口、扫气口和提前排气的比时面值修正数，ξ_e＝ξ_s＝0.96，ξ_f＝0.9；分别为排气口、扫气口和提前排气的配气相位角；

步骤6.2，根据得到的值，计算高度行程率；

h_f＝h_e-h_s

式中h_e、h_s、h_f分别为排气口、扫气口和提前排气的高度行程率；

步骤6.3，计算排气口、扫气口和提前排气的气口高度：

H_e＝Sh_e,H_s＝Sh_s

$H_{0e}=\frac{H_e}{\sin {\mathrm{\γ}}_e},H_{0s}=\frac{H_s}{\sin {\mathrm{\γ}}_s}$

式中，H_e、H_s分别为排气口、扫气口垂直于气流方向上的高度，H_0e、H_0s分别为排气口、扫气口沿气缸轴向上的实际气口高度，S为自由活塞内燃发电动力系统的实际行程；γ_e、γ_s分别为排气口、扫气口仰角，取70°～90°；

步骤6.4，根据步骤6.3所得扫气口、排气口和提前排气的高度，更新自由活塞内燃发电机的有效行程值：

L_{e_new}＝L_max-H_0e-L_r

式中，L_{e_new}为更新的气缸有效行程值；L_max为气缸最大行程；L为更新前的上止点处活塞顶至缸盖的距离；

步骤6.5，计算排气口宽度B_e及进气口宽度B_s：

B_e＝D·b_e

B_s＝D·b_s

步骤6.3所得H_0e、H_0s和步骤6.5所得B_e、B_s即为最终获得的扫气口、排气口和提前排气的气口参数，L_{e_new}即新的最大行程值。

2.根据权利要求1所述的自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法，其特征在于：所述的单循环位移曲线、单循环速度曲线的获取方法为：以位移曲线的任意一个波峰点为起点，截取一个周期内的位移曲线，同时截取相应时间区间内的速度曲线；再以截取曲线的起点为0°位置，终点为360°位置，均匀地将截取曲线转化为横轴以角度单位，纵轴单位不变。

3.根据权利要求1所述的自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法，其特征在于：步骤三中排气口期望比时面值Z_be取值范围为12～25((mm²·s)·L^-1)，扫气口期望比时面值Z_bs取值为7((mm²·s)·L^-1)，提前排气期望比时面值Z_bf的取值范围为0.15～0.7((mm²·s)·L^-1)；排气口宽度缸径率b_e取值范围为0.5～0.75，扫气口宽度缸径率b_s的取值为0.9。

4.根据权利要求1所述的自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法，其特征在于：改变步骤三选取的比时面值和宽度缸径率设计期望值，能得到不同的气口参数，满足不同的扫气效率要求。