CN114510799A - 基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法 - Google Patents

基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法 Download PDF

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CN114510799A CN202210096150.1A CN202210096150A CN114510799A CN 114510799 A CN114510799 A CN 114510799A CN 202210096150 A CN202210096150 A CN 202210096150A CN 114510799 A CN114510799 A CN 114510799A
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Abstract

本发明提供一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，通过改变活塞运动规律来达到提高热效率的目的。首先建立发动机缸内热力学计算函数，用于计算指示热效率；然后将所述发动机缸内热力学计算函数中的活塞运动规律曲线用分段五项式叠加计算函数表示：最后根据所设置的待优化变量建立优化计算函数，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量，以找到热效率最高时的最优活塞运动规律曲线；然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。

Description

基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法
技术领域
本发明涉及一种发动机热效率提升方法，具体涉及一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，属于发动机技术领域。
背景技术
提高热效率是动力机械始终追寻的目标，尤其对发动机而言，热效率的提高意味着动力设备续航能力的提高。除此之外，在石油资源枯竭和全球变暖的全球大背景下，提高发动机的热效率也意味着燃油经济性的提高和二氧化碳排放降低。
对于柴油机，不完全燃烧造成的热损失可以忽略不计，因此减少排气损失及散热损失是提高内燃机热效率的两个根本方向，但传统内燃机因其固定的活塞位移规律难以实现同时减少上述两种能量损失。首先，为减少排气损失，内燃机普遍采用高效燃烧手段使放热更加集中，进而提高燃烧等容度，但其作用有限，无法将等容度提高到极限，同时却因其放热集中在上止点附近导致缸内温度升高，散热增加，以至于热效率收益降低。其次，为减少散热，隔热材料、部分隔热技术被大量尝试，但其应用于发动机时则会导致排气温度明显提高，排气损失增加，只有部分能量转换为指示功。
由此可见，因传统内燃机曲柄连杆机构固定的运动规律的弊端，难以使其热效率进一步提高。然而，自由活塞发动机可进行活塞位移主动设计的方式，来突破其限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，通过改变活塞运动规律来达到提高热效率的目的。
基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，具体步骤为：
步骤1：建立发动机缸内热力学计算函数，用于计算指示热效率；
所述发动机缸内热力学计算函数耦合了活塞运动规律曲线、容积变化率、燃烧放热率以及传热率的参数化计算函数；
步骤2：将所述发动机缸内热力学计算函数中的活塞运动规律曲线用分段五项式叠加计算函数表示：
分段指将活塞运动规律TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧分别定义五项式叠加计算函数；所述五项式叠加计算函数则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及活塞上止点短暂停留的余弦函数式相加构成；两个五项式叠加计算函数中的系数为活塞运动规律曲线的待优化变量；
步骤3：根据步骤2所设置的待优化变量建立优化计算函数，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量，以找到热效率最高时的最优活塞运动规律曲线；然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤2中：
以TDCF燃烧上止点为0°CA点，左侧从-180°CA起始，右侧则以180°CA终止，两个五项式叠加计算函数如下：
TDCF燃烧上止点左侧型线函数：
Figure BDA0003491069610000021
其中AL的计算方法：
如果
Figure BDA0003491069610000022
且
Figure BDA0003491069610000023
曲线位移加速段：
Figure BDA0003491069610000024
如果
Figure BDA0003491069610000025
且
Figure BDA0003491069610000026
曲线位移不变段：
AL＝C5+C6
TDCF燃烧上止点右侧型线函数：
Figure BDA0003491069610000027
其中AR的计算方法：
如果
Figure BDA0003491069610000028
且
Figure BDA0003491069610000029
曲线位移加速段：
Figure BDA00034910696100000210
如果
Figure BDA00034910696100000211
且
Figure BDA00034910696100000212
曲线位移不变段：
AR＝C11+C12
其中：disL表示TDCF燃烧上止点左侧活塞位移，单位mm；disR表示TDCF燃烧上止点右侧活塞位移，单位mm；stroke为冲程，单位mm；
Figure BDA00034910696100000213
为曲轴转角，单位为°CA；D为每循环曲轴转角度数的一半；C1、C2、C3、C4与C7、C8、C9、C10；B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10分别为TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式的系数和指数；AL为左侧型线函数中的余弦函数式，omega1为AL对应的余弦曲线角速度的加速因子；AR为右侧型线函数中的余弦函数式，omega2为AR对应的余弦曲线角速度的加速因子；上述C1至C12，B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10以及omega1和omega2这22个系数为活塞运动规律的待优化变量。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤1中，所述发动机缸内热力学计算函数构建过程为：
101：容积变化规律由活塞运动规律控制：缸内的瞬时容积的计算公式为：
(活塞位移+余隙高度)×缸盖面积
其中余隙高度根据压缩比和行程计算得到；
102：利用类定熵压缩或膨胀过程状态参数关系式求出倒拖缸温曲线和缸压曲线；
103：实际缸温曲线利用倒拖缸温曲线与由于燃烧与传热所导致的总温度变化量叠加计算得到，再利用气体状态方程计算出缸压曲线；
104：最后利用循环做功量除以循环加热量求出指示热效率。
作为本发明的一种优选方式，所述步骤1中，发动机缸内热力学计算函数中的燃烧放热率模型和传热率模型分别采用三韦伯模型和Woschini传热模型。
作为本发明的一种优选方式，进一步的采用提高压缩比、稀薄燃烧、优化放热规律、米勒循环和缸内隔热中的一种以上的方法改变发动机缸内的热力条件，以确定在不同工况条件下，自由活塞发动机最佳的活塞运动规律。
作为本发明的一种优选方式，提高步骤1中所建立的发动机缸内热力学计算函数中的压缩比，然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
作为本发明的一种优选方式，通过增压的方式实现稀薄燃烧，即通过提高进气压力来增加进气量，在喷油量不变的情况下，实现稀薄燃烧；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
作为本发明的一种优选方式，通过缩短燃烧持续期来优化放热规律，然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
作为本发明的一种优选方式，固定几何压缩比和有效压缩比，通过使排气门晚关提高有效膨胀比来实现米勒循环；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
作为本发明的一种优选方式，采用温度波动隔热技术，即通过采用体积比热小，导热系数低的热障涂层来使燃烧室壁面温度随缸内工质温度同时变化，降低工质与壁面的温差，削弱对流换热；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
有益效果：
(1)本发明的方法通过改变活塞运动规律来实现自由活塞发动机热效率；自由活塞发动机由于活塞运动不受机械机构的束缚，因此对缸内热力循环过程进行主动控制，即对活塞的运动进行干涉，由此来优化自由活塞发动机缸内的热力循环路径，使之逼近otto循环，达到提高热效率的目的。
(2)为了进一步提高自由活塞发动机的指示热效率，采取了提高压缩比、稀薄燃烧、优化放热规律、米勒循环和缸内隔热等技术措施，由于采取上述措施后发动机缸内的热力条件发生了变化，因此为了确定在不同工况条件下，自由活塞发动机最佳的活塞运动规律，建立了优化计算函数，利用优化算法进行以指示热效率最高为优化目标，获得各工况下最优的活塞运动规律以及最高的指示热效率。
附图说明
图1为本发明所采取的热力学计算函数和优化计算函数交互图；
图2为搭建发动机缸内热力学计算函数流程示意图；
图3为活塞位移曲线优化前后的对比图；
图4为提高自由活塞发动机指示热效率的技术路径图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例提供一种基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，通过改变活塞运动规律来实现自由活塞发动机热效率提升。
该方法基于以下原理：对于自由活塞发动机，活塞位移主动设计可通过外力使活塞在燃烧期间短暂停留在上止点处，以实现燃烧等容度的提高。其次，因活塞不受曲柄连杆机构的约束，在膨胀阶段可以更加快速的进行，进而减少高温散热的时间。实现通过外部的干预让柴油机的燃烧过程接近奥托循环的加热过程，进而提高热效率。
如图1所示，该方法的具体步骤为：
步骤1：根据现有实验数据搭建发动机缸内热力学计算函数并标定，发动机缸内热力学计算函数用于计算指示热效率。
具体的：根据现有实验数据，利用Matlab或者其他编程软件建立一套发动机缸内热力学计算函数；该热力学计算模型中耦合了：活塞运动规律曲线、容积变化率、燃烧放热率以及传热率的参数化计算函数，以实现对缸压的求解运算，最终可以计算出指示热效率。
为了使缸内的热力学计算模型适用于不同的机型以及工况条件，燃烧放热率和传热率模型分别采用三韦伯模型和Woschini传热模型，并进行了参数化。
如图2所示，采用发动机缸内热力学计算函数计算指示热效率的流程如下：
101：容积变化率由活塞运动规律控制：缸内的瞬时容积的计算公式为：
(活塞位移+余隙高度)×缸盖面积
其中余隙高度根据压缩比和行程计算得到。
102：利用类定熵压缩或膨胀过程状态参数关系式求出倒拖缸温曲线和缸压曲线；
103：实际缸温曲线利用倒拖缸温曲线与由于燃烧与传热所导致的总温度变化量叠加计算得到，再利用气体状态方程可以计算出缸压曲线；具体的：
先计算增加燃烧模型后的缸温和缸压曲线：在倒拖缸温曲线上增加由于燃烧所导致的增温量得到缸温曲线，再利用气体状态方程可以计算出缸压曲线；
再进一步的计算增加传热模型后的缸温和缸压曲线：再减去由于传热所导致的降温量得到缸温曲线，同样利用气体状态方程可以计算出缸压曲线；从而得到实际的缸温和缸压曲线。
104：最后利用循环做功量除以循环加热量求出指示热效率。
所求解的指示热效率为优化计算函数提供了活塞运动规律的优化变量，以及指示热效率的优化目标接口。
步骤2：将活塞运动规律用分段五项式表示，替换步骤1所建立的热力学计算模型中的活塞运动规律曲线。
自由活塞发动机由于活塞运动不受机械机构的束缚，因此可对缸内热力循环过程进行主动控制，即对活塞的运动进行干涉，由此来优化自由活塞发动机缸内的热力循环路径，使之逼近otto循环，达到提高热效率的目的。
为了实现发动机缸内热力循环逼近otto循环，利用分段五项式叠加表达法实现活塞运动规律的参数化(即利用分段五项式叠加法对活塞运动规律进行表达)，使活塞可以进行快速的膨胀和压缩同时可以在上止点附近短暂停留实现定容燃烧。
分段指将活塞运动规律以传统定义的TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧均可以实现不同的五项式叠加计算函数，五项式叠加表达法则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及活塞上止点短暂停留的余弦函数式相加构成。
此计算函数共有22个待定系数，通过调节这些待定系数可以实现活塞位移规律的可变，通过使活塞在压缩与膨胀过程中加速，缩短高温工质的存在时长，以此降低传热损失；通过活塞在上止点附近的位移停滞，实现定容燃烧；由此实现指示热效率的提升。
以下所述均以传统定义的TDCF燃烧上止点为0°CA点，左侧从-180°CA起始，右侧则以180°CA终止，具体计算函数如下：
(1)传统定义TDCF燃烧上止点左侧型线函数：
Figure BDA0003491069610000061
其中AL的计算方法：
如果
Figure BDA0003491069610000062
且
Figure BDA0003491069610000063
曲线位移加速段：
Figure BDA0003491069610000064
如果
Figure BDA0003491069610000065
且
Figure BDA0003491069610000066
曲线位移不变段：
AL＝C5+C6
(2)传统定义TDCF燃烧上止点右侧型线函数：
Figure BDA0003491069610000067
其中AR的计算方法：
如果
Figure BDA0003491069610000068
且
Figure BDA0003491069610000069
曲线位移加速段：
Figure BDA00034910696100000610
如果
Figure BDA00034910696100000611
且
Figure BDA00034910696100000612
曲线位移不变段：
AR＝C11+C12
上述式中：disL表示TDCF燃烧上止点左侧活塞位移，单位mm；disR表示TDCF燃烧上止点右侧活塞位移，单位mm；stroke为冲程，单位mm；
Figure BDA00034910696100000613
为曲轴转角，单位为°CA；D为每循环曲轴转角度数的一半，本实施例研究的自由活塞发动机中D＝180°CA；C1、C2、C3、C4与C7、C8、C9、C10；B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10分别为传统定义TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式的系数和指数；AL为左侧型线函数中的余弦函数式，omega1为AL对应的余弦曲线角速度的加速因子；AR为右侧型线函数中的余弦函数式，omega2为AR对应的余弦曲线角速度的加速因子；由于角速度被加速后，周期变短，因此必须将其分为可用的曲线位移加速段和强制位移不变段，C5和C6，C11和C12为两对常数系数，若C5<C6或者C11<C12就可以使活塞位移曲线出现小于0的一段，再将其强制等于0就可以生成一段位移滞留在上止点的“位移停滞阶段”。上述所有系数(即C1至C12，B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10以及omega1和omega2这22个系数)均作为活塞运动规律的待优化变量。
步骤3：根据所设置的待优化变量在ModeFrontier中进行优化平台的搭建(或在Matlab中通过编程建立一套优化计算函数)，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量。
该步中可以利用遗传优化算法进行以活塞运动规律中各待定系数为优化变量，以指示热效率最高为优化目标的主动寻优计算，找到热效率最高时的最优活塞运动规律；然后以找到的最优活塞运动规律控制活塞运动。
活塞位移曲线优化前后曲轴转角的对比如图3所示，用于对比优化后的活塞运动规律与传统的活塞运动规律。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，为了进一步提高自由活塞发动机的指示热效率，采取了提高压缩比、稀薄燃烧、优化放热规律、米勒循环和缸内隔热等技术措施，如图4所示。
由于采取上述措施后发动机缸内的热力条件发生了变化，因此为了确定在不同工况条件下，自由活塞发动机最佳的活塞运动规律，改变上述步骤1中所建立的发动机缸内热力学计算函数的对应参数，然后再利用优化算法进行以指示热效率最高为优化目标，获得各工况下最优的活塞运动规律以及最高的指示热效率。
步骤4：提高压缩比：对于柴油机，压缩比受最大爆发压力的限制；提高压缩比的同时将活塞运动规律进行重新优化；压缩比提高后缸内温度压力增加，指示热效率最高时的最优活塞运动曲线的平台期会相应缩短来减少散热损失。如将压缩比由初始工况的18提高到24，再将活塞运动规律进行重新优化。
步骤5：通过增压的方式实现稀薄燃烧，即通过提高进气压力来增加进气量，在喷油量不变的情况下，实现稀薄燃烧；稀薄燃烧的同时将活塞运动规律进行重新优化。采用稀薄燃烧后，缸内温度有所降低，指示热效率最高时的最优活塞运动曲线的平台期会相应延长来增加燃烧等容度，降低排气损失。如将进气压力由初始工况的1.3bar提高到2.8bar，导致过量空气系数由1.52提高到3.3，再将活塞运动规律进行重新优化。
步骤6：通过缩短燃烧持续期来优化放热规律，使燃烧放热更加集中，同时将活塞运动规律进行优化。缩短燃烧持续期会使最优活塞运动曲线的平台期相应缩短来匹配放热规律。如将燃烧持续期由初始工况的40°CA缩短到22.5°CA，再将活塞运动规律进行优化。
步骤7：固定几何压缩比和有效压缩比，通过使排气门晚关提高有效膨胀比来实现米勒循环，目的是使缸内工质进一步做功，使指示热效率提高。如将排气们开启位置由距上止点67.5mm提高到距上止点79.5mm，使缸内工质进一步做功。
步骤8：采用温度波动隔热技术，即通过采用体积比热小，导热系数低的热障涂层来使燃烧室壁面温度随缸内工质温度同时变化，降低工质与壁面的温差，削弱对流换热。在发动机热力学计算函数中，通过放缩Woschini传热模型中的传热系数，来达到隔热效果，同时将活塞运动规律进行优化。采用隔热后最优活塞运动曲线的平台期相应延长来增加燃烧等容度，降低排气损失；如在发动机热力学计算函数中，通过放缩Woschini传热模型中的传热系数，来达到隔热效果。
上述步骤对不同工况下活塞运动规律即缸内热力循环路径进行优化，使燃烧放热量中流向指示功的比例最大，指示热效率得到提升。
上述步骤4-步骤8不限定前后顺序，但是稀薄燃烧要在优化放热规律之前。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：步骤为：
步骤1：建立发动机缸内热力学计算函数，用于计算指示热效率；
所述发动机缸内热力学计算函数耦合了活塞运动规律曲线、容积变化率、燃烧放热率以及传热率的参数化计算函数；
步骤2：将所述发动机缸内热力学计算函数中的活塞运动规律曲线用分段五项式叠加计算函数表示：
分段指将活塞运动规律TDCF燃烧上止点为对称轴，其两侧分别定义五项式叠加计算函数；所述五项式叠加计算函数则指利用四个指数及系数均可调节的指数函数式与一个可实现角速度加速及活塞上止点短暂停留的余弦函数式相加构成；两个五项式叠加计算函数中的系数为活塞运动规律曲线的待优化变量；
步骤3：根据步骤2所设置的待优化变量建立优化计算函数，以发动机缸内热力学计算函数中指示热效率最高为优化目标，来优化所设置的待优化变量，以找到热效率最高时的最优活塞运动规律曲线；然后最优活塞运动规律曲线控制活塞运动。
2.如权利要求1所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：所述步骤2中：
以TDCF燃烧上止点为0℃A点，左侧从-180℃A起始，右侧则以180℃A终止，两个五项式叠加计算函数如下：
TDCF燃烧上止点左侧型线函数：
Figure FDA0003491069600000011
其中AL的计算方法：
如果
Figure FDA0003491069600000012
且
Figure FDA0003491069600000013
曲线位移加速段：
Figure FDA0003491069600000014
如果
Figure FDA0003491069600000015
且
Figure FDA0003491069600000016
曲线位移不变段
AL＝C5+C6
TDCF燃烧上止点右侧型线函数：
Figure FDA0003491069600000017
其中AR的计算方法：
如果
Figure FDA0003491069600000018
且
Figure FDA0003491069600000019
曲线位移加速段
Figure FDA00034910696000000110
如果
Figure FDA0003491069600000021
且
Figure FDA0003491069600000022
曲线位移不变段
AR＝C11+C12
其中：disL表示TDCF燃烧上止点左侧活塞位移，单位mm；disR表示TDCF燃烧上止点右侧活塞位移，单位mm；stroke为冲程，单位mm；
Figure FDA0003491069600000023
为曲轴转角，单位为℃A；D为每循环曲轴转角度数的一半；C1、C2、C3、C4与C7、C8、C9、C10；B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10分别为TDCF燃烧上止点左右两侧各四项指数函数式的系数和指数；AL为左侧型线函数中的余弦函数式，omega1为AL对应的余弦曲线角速度的加速因子；AR为右侧型线函数中的余弦函数式，omega2为AR对应的余弦曲线角速度的加速因子；上述C1至C12，B1、B2、B3、B4与B7、B8、B9、B10以及omega1和omega2这22个系数为活塞运动规律的待优化变量。
3.如权利要求1或2所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：所述步骤1中，所述发动机缸内热力学计算函数构建过程为：
101：容积变化规律由活塞运动规律控制：缸内的瞬时容积的计算公式为：
(活塞位移+余隙高度)×缸盖面积
其中余隙高度根据压缩比和行程计算得到；
102：利用类定熵压缩或膨胀过程状态参数关系式求出倒拖缸温曲线和缸压曲线；
103：实际缸温曲线利用倒拖缸温曲线与由于燃烧与传热所导致的总温度变化量叠加计算得到，再利用气体状态方程计算出缸压曲线；
104：最后利用循环做功量除以循环加热量求出指示热效率。
4.如权利要求1或2所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：所述步骤1中，发动机缸内热力学计算函数中的燃烧放热率模型和传热率模型分别采用三韦伯模型和Woschini传热模型。
5.如权利要求1或2所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：进一步的采用提高压缩比、稀薄燃烧、优化放热规律、米勒循环和缸内隔热中的一种以上的方法改变发动机缸内的热力条件，以确定在不同工况条件下，自由活塞发动机最佳的活塞运动规律。
6.如权利要求5所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：提高步骤1中所建立的发动机缸内热力学计算函数中的压缩比，然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
7.如权利要求5所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：通过增压的方式实现稀薄燃烧，即通过提高进气压力来增加进气量，在喷油量不变的情况下，实现稀薄燃烧；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
8.如权利要求5所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：通过缩短燃烧持续期来优化放热规律，然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
9.如权利要求5所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：固定几何压缩比和有效压缩比，通过使排气门晚关提高有效膨胀比来实现米勒循环；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
10.如权利要求5所述的基于驱动过程控制的自由活塞发动机热效率提升方法，其特征在于：采用温度波动隔热技术，即通过采用体积比热小，导热系数低的热障涂层来使燃烧室壁面温度随缸内工质温度同时变化，降低工质与壁面的温差，削弱对流换热；然后再重复步骤3对活塞运动规律曲线进行重新优化。
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