内燃_直线发电集成动力系统概念设计

第32卷第4期南京理工大学学报(自然科学版)

Journa l of N anji ng U n i ve rsity o f Sc ience and T echno l ogy (N a t ura l Sc i ence)

Vo. l 32N o . 4内燃-直线发电集成动力系统概念设计

常思勤, 徐照平

(南京理工大学机械工程学院, 江苏南京210094)

摘 要:提出了一种新型的内燃-直线发电集成动力系统, 系统主要由四行程内燃机燃烧室、直线电机、可逆电能存储子系统以及电控单元等构成, 实现从燃料输入到电能输出的能量转换与传递功能。从尽可能减少能量传递与转换的环节以及通过调节电磁力控制活塞运动规律的基

本思路出发, 针对系统的概念设计, 推导了基本方程并进行了理论分析。认为新系统具有可实现清洁高效利用能源的优点, 可优先考虑在电动混合动力车辆中得到应用。关键词:动力系统; 自由活塞发动机; 直线电机; 电动混合动力车辆中图分类号:TK 441. 2 文章编号:1005-9830(2008) 04-0449-04

Conce pt ualDesi gn of Internal Co mbustion li near Generator I ntegrated

Po wer Syste m

CHANG S i q i n , XU Zhao p i ng

(Schoo l o fM echan ical Eng ineeri n g , NUST, Nan ji n g 210094, China)

Abst ract :A nove l interna l co mbusti o n li n ear generato r integ rated po w er syste m is pr oposed . The syste m m a i n l y consists of the co m bustion cha m ber of t h e four stroke inter nal co m busi o n eng i n e , the li n ear electric genera tor , the reversible electr i c ener gy storage syste m and the electron ic contro lun i. t To reduce t h e energy conversi o n and trans m i s sion pr ocedures and to control piston ! s m oti o n w ith the ad j u stab le e lectro m agnetic force , the conceptua l design is m ade , t h e basic equation is deri v ed and the theo retica l analysis ism ade . It is consi d ered that the ne w syste m has the advantage o fm ore c lean and effecti v e conversion energy and can be app lied i n electr i c hybri d veh icles . K ey w ords :po w er syste m ; free piston eng ines ; li n ear generators ; e lectric hybrid vehic les

未来能源技术发展的主要方向是清洁高效利用能源和新型能源开发, 节约能源与保护环境两大主题推动着对具有高能量传递与转换效率的新型

收稿日期:2007-05-16 修回日期:2008-05-08 基金项目:国家 863 计划(2006AA 05Z236)

动力装置的探索与研究

[1, 2]

。近年来, 对于应用于

车辆等的移动动力装置, 在应用广泛的内燃机等不断地通过技术进步提高其节能环保性能的同时, 以

作者简介:常思勤(1954-), 男, 江苏南京人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究方向:车辆电子控制及机电液一

体化技术, 车辆动力装置设计、仿真与优化, E m a i:l chang sq @m a i. l njust . edu . cn 。

燃料电池、混合动力技术等为代表的新型动力装置也在迅速发展之中。同时, 另一类新型动力装置近年来也正在引起越来越多的关注与研究, 这种动力装置被称之为自由活塞发动机(Free piston eng i n e) 或直线发动机(L i n ear eng i n e), 它与常规内燃机的热力循环相似, 但取消了曲柄连杆机构而应用 自由活塞 , 将燃料的化学能通过燃烧膨胀做功直接转化为电能、液压能或直线运动的机械能等输出, 因而也被称为自由活塞式直线发电机(Free p iston w ith linear generator) 或自由活塞式液压泵(Free piston eng i n ed hydraulic recipr ocati n g pu m p) 等。这类新型动力装置目前还处在其发展的初级阶段, 从它各种不同的名称也可以看到这一点, 但已经展现出良好的发展与应用前景。

国外目前所研究的自由活塞式直线发电机基本上均应用二行程内燃机燃烧室, 且大多为对置双缸形式, 通常采用这种形式来保证每个行程有一个燃烧室处于做功行程, 两个燃烧室互相提供非做功行程的活塞驱动力, 或采用弹簧等机械储能的形式来提供非做功行程的活塞驱动力。文献[3]是目前唯一见到的应用四行程内燃机原理的自由活塞发电机的研究论文, 文献所提出的技术方案仍局限于二行程内燃机的思维, 即四个活塞联动, 保证每个行程有一个燃烧室处于做功行程, 燃烧室轮流提供非做功行程的活塞驱动力。四行程内燃机的A t k i n son 循环主要是通过内燃机的低压缩比与高膨胀比运行来提高循环热效率, 已在日本Toyota 汽车公司的混合动力车中得到的应用。文献[4]介绍了针对这一应用于混合动力车的1. 5L 汽油机, 通过采用可变配气正时来实现低压缩比与高膨胀比的研发情况。试验结果表明在不同的负荷率下可提高循环热效率6%~12%。

本文则基于节能环保性能更好的四行程内燃机工作原理以及A tk i n son 循环, 提出了一种新型的内燃-直线发电集成动力系统并已申请了发明专利

[5]

化学能通过燃烧膨胀做功, 由活塞直接连接直线电机输出电能至负载或电能存储子系统, 也可在需要时输入电能驱动活塞运动, 并通过调节电磁力控制活塞的运动规律, 电能存储元件的应用以及分缸、分组运行的工作模式将保证系统在具有最优经济性的稳定工况下工作并能在实际应用中

实现能量的柔性传输。

图1 内燃-直线发电集成动力系统

本文所提出的内燃-直线发电集成动力系统应用四行程内燃机燃烧室, 在高速小缸径内燃机领域, 二行程内燃机节能环保性能显著低于四行程内燃机(实际上二行程内燃机在汽车等领域已基本上没有应用了), 各缸可独立运行, 通过切换直线电机的发电和电动工作模式从而改变直线电机的电磁力的方向和大小来控制活塞运动, 给予活塞以最大的自由度以便于热力循环优化。

系统中的直线电机应能够以发电与电动两种模式工作, 并能根据需要进行实时转换, 将采用直流永磁直线电机。采用蓄电池与超级电容器组合的方式构成可逆电能存储子系统, 以发挥蓄电池与超级电容器各自的优势, 充分利用超级电容器高功率密度和高效的特点, 为实现通过调节电磁力来控制活塞运动提供前提条件。

相关学科与技术的发展特别是高性能永磁材料、超级电容器、均质混合气压燃方式、先进的控制理论等为系统的发展提供了前提条件。例如由于蓄电池的瞬时大功率充放电能力及相应效率有限, 即使满足了运动控制的要求, 在瞬时大功率充放电时的效率下降也将使系统性能大受影响。由于近年来超级电容技术发展迅速, 已达到可实际应用的程度, 在系统中将超级电容作为电能储存子系统的重要部分, 以满足瞬时、高效率、较大功率的电能输入与输出的需要。

系统将主要从下述几个方面来提高能量转化

。

1 概念设计

所提出的内燃-直线发电集成动力系统基本结构见图1, 主要由四行程内燃机燃烧室、直线电机、可逆电能存储子系统以及控制单元等组成。直线电机动子与构成四行程内燃机燃烧室的自由活塞直接相连, 运行时作往复直线运动。燃料的

[5]

与传递效率:

(1) 取消了内燃机的曲柄连杆机构, 除了可简化结构外, 还可消除或减小曲轴不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产生的惯性力、曲柄连杆机构产生的活塞径向力等导致的摩擦损失。

(2) 通过控制活塞运动规律优化内燃机热力循环, 实现发动机的低压缩比与高膨胀比运行, 提高内燃机的指示效率。

(3) 进一步在作为混合动力车辆动力装置工作时, 各缸间相互独立, 可根据需要控制工作气缸数, 而运行工况与负载无关并可保持在稳定的内燃机经济性最优的工作区域。

基本方程(2) 的左边为工质对活塞做功。W E , W fld 和W f 分别为系统输出的电能、电机内磁场储能以及因摩擦等转换为热的能量。方程表明:若考虑到电机内磁场储能仅为周期性的变化并忽略较小的损耗, 则燃料通过燃烧放热使工质对活塞做功主要将直接转化为系统输出的电能。

2. 2 通过调节电磁力控制活塞的运动规律

对于系统的具有质量m, 瞬时速度v 的运动部件(包括自由活塞与直线电机动子), 可以得到其动力学方程, 即系统的基本方程(3) m

=pS +F E +F f d t

(3)

式中:p 、S 为燃烧室内的压力和活塞横截面积, F E 和F f 分别为作用于运动部件的电磁力及摩擦力。

时变的作用于活塞顶部的气体压力, 电磁力以及摩擦力的代数和决定了运动部件的运动规律, 其中, 摩擦力可视为变化与影响较小的一项, 活塞顶部的气体压力主要与发动机的缸内工作过程(主要是燃烧过程) 相关, 而电磁力的方向与大小则可以作为调节最有效的手段加以利用。2. 3 实现内燃机的热力循环优化

通过研究发动机燃烧放热规律、发动机配气正时等与活塞运动规律的匹配与优化, 可得到使系统能量转换效率达到最优的相关热力学参数(具体参数包括压缩比、膨胀比、配气正时、点火正时、喷油量及喷油起始时间、燃烧放热速率等) 。由于活塞运动规律可实现在一定约束条件下的调节, 包括活塞运动的两个端点(运动范围) 以及位移、速度的变化规律, 可实现发动机的相关热力学参数与活塞运动规律的 相互 匹配与适应从而提高发动机热力循环效率。而这对于常规发动机由于受结构限制是无法开展的, 因而也有可能得到较常规发动机更高的热力循环效率。考虑到由于自由活塞发动机可通过控制活塞运动规律来限制缸内最大爆发压力以及实现或近似实现等压燃烧, 发动机燃烧放热规律、配气正时与活塞运动规律可实现 相互 匹配与适应, 因而可能更适合于先进的均质混合气压燃方式(HCC I) 燃烧方式。

2. 4 保证高负荷率的分缸、分组独立运行工作模式以提高系统效率

发动机的停缸控制技术已在一些汽车发动机产品中得到应用

[2]

2 理论分析

2. 1 尽可能减少能量传递与转换的环节

在人类所使用的总能量中有一半以上的能量是损失在转化与传递过程中的, 而常规车辆中的能量传递与转换效率实际仅约为20%左右, 提高能量传递与转换效率技术的相关研究具有重要的理论意义与工程应用价值。尽可能减少能量传递与转换的环节是系统设计的基本思路。例如常规内燃机与发电机的组合, 经历了燃料的化学能经燃烧膨胀做功, 由内燃机的曲柄连杆机构将机械能由往复直线运动形式转化为旋转运动形式, 再带动发电机动子在其内部转化为电能输出。

新系统是一个热-机-电-磁耦合的复杂系统, 由系统的能量守恒, 可以得到系统基本方程(1) 和(2) 。

在内燃机部分, 单位时间内燃烧放出的热量等于单位时间内缸内工质内能、通过燃烧室壁向外传播的热量、工质在充量更换中带出的能量以及工质对活塞做功之和, 即

d m i d Q B d Q w =++∀h i +p (1)

d t d t d t d t d t

式中:Q B 、U 、Q W 分别为燃烧放出的热量、缸内工质内能、工质对活塞的功和通过燃烧室壁向外传

d m i

递的热量; 和h i 分别为在充量更换中的质量

d t

流量与相应焓值; p 、V 则分别为燃烧室内的压力与容积。

在直线电机部分, 有

W E d W fld d W f d V d

p =++

d t d t d t d t

。应用电控技术在汽车负荷

(2)

率较低(车速较低且车辆加速度低于一定值) 时停止一部分发动机气缸的工作, 仅由余下的部分

气缸工作, 从而使部分气缸工作的发动机具有较高的负荷率从而提高其效率实现节能。停缸控制技术在常规发动机中的应用受到局限, 除了设计与控制的复杂化以外, 一般仅适合于气缸数为6缸或6缸以上的发动机, 气缸数过少, 则在停缸转换时可能影响发动机曲轴等的运转平稳性。而取消曲轴及各缸间的机械联接, 保证了高负荷率的分缸、分组独立运行工作模式可能实现。同时, 分缸、分组独立运行的工作模式还可减小系统应用中对电能存储元件容量的要求。

有望发展成为新一代的节能环保性能优良同时具有较高性能价格比的车辆动力装置, 并可能在其它需要移动电源、便携式电源的各种场合取代常规的内燃-发电机组而得到广泛应用。

4 结束语

本文提出了一种新型的内燃-直线发电集成动力系统, 系统主要由四行程内燃机燃烧室、直线电机、可逆电能存储子系统以及控制单元等构成, 实现从燃料输入到电能输出的能量转换与传递功能。

通过减少能量传递与转换的环节, 优化内燃机的热力循环与运转工况, 提高机电能量转换的效率等技术措施, 从燃料输入到电能输出的系统能量转换与传递效率较常规系统(例如常规内燃机与发电机的组合) 将有明显提高。

新系统具有可实现清洁高效利用能源的优点, 可作为电动混合动力车辆的动力源应用, 具有良好的应用前景。参考文献:

[1] 中华人民共和国国务院. 国家中长期科学和技术发

展规划纲要(2006-2020年) [EB /OL].h ttp ://www . gov . cn /j rzg /2006-02/09/content_183787. ht m , 2006-02-09. [2][3]

常思勤. 汽车动力装置[M].北京:机械工业出版社. 2006.

Pe treanu S . Concep t ua lA nalysis of a Four Stroke L i n ea r Eng i ne [D ].M organtown :W est V irg i n i a U n i ve r sity , 2001. [4][5][6]

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JS AE R ev ie w, 1999,

3 应用前景

自由活塞式发动机也已具有较长的研究历史, 20世纪50年代就有将其作为燃气发生器与单级涡轮机结合运行的研究。1995年, 美国西南

[6]

研究院分析比较了可能作为电动混合动力车辆的各类动力装置(包括自由活塞式直线发电机、W ankel 转子发动机以及其他各类常规与新型的发动机共13种) 的特性, 从热效率、比功率、功率密度、制造成本、有害排放等共12个方面对其进行综合评价, 自由活塞式直线发电机得到了最高的评分, 由于其在热效率、制造成本、可制造性、工作可靠性和瞬态响应特性等方面的优势而得到高度的评价。

系统可优先考虑在电动混合动力车辆中应用。电驱动与混合驱动技术目前正处在一个迅速发展的时期。蓄电池电动车由于续驶里程等问题, 将更多地应用在一些特定场合下, 例如城市内交通中; 而以氢能为动力的燃料电池电动车作为未来的汽车动力装置, 目前在技术、制造成本等方面还有待进一步地完善, 以使其真正具有竞争力。常规车辆中的能量能量传递与转换效率仅约为20%左右, 预计应用内燃-直线发电集成动力系统的电动混合动力车辆的经济性可得到较大幅度的提升。同时系统还具有高比功率、主要部件技术相对成熟与成本相对低廉、具有良好的技术继承性和使用多种不同燃料的可能性等优点, 因而