（车辆工程专业论文）单缸ecpe空载特性研究.pdf

中文摘要 本文的研究对象是一种新型的动力装置电力约束活塞发动机。这种装置 主要应用于混合动力汽车，是在对混合动力汽车原有动力源存在的问题进行总结 分析的基础上提出来的。它将传统的内燃机和自戡发电机集成，结构简单、小型 轻最，节能、节材及动力提高效果明显，改善了现有发动机一发电机组结构笨重 复杂，匹配不合理，能源浪费严重等问题。 本文首先刈内燃机一发电机组合系统、电力自由活塞发动机及电力约束活塞 发动机三种热一电转换系统各自的优缺点进行了分析比较。分析表明电力约束活 塞发动机能简单、高效、方便地将燃料燃烧释放的热能直接转变成电能，是- - q , 新型节能环保的热一电转换系统。 然后介绍了单缸电力约束活塞发动机的结构、工作机理，建立了运动学、动 力学模型，并对其空载特性进行了理论推导、仿真分析和试验研究。结果显示， 浚发动机与传统发动机一发r 乜机系统相比，可以发出f 弦电，窄载时最大电压可 达2 1 0 伏。月实验结果与理论仿真结果基本捆符。用有限元方法可以得出电机磁 场为定值的结论，进一步证明了经典理论推导以及空载试验研究的正确性。 最后，对币缸e c p e 进行了试验研究，分析其空载特性和外特性。研究表明 浚电机的再利；特性1 j 交流发电机基本相似，且其窄载和负载情况下都能发 j 类似 于一弦的交流f 【：! ，可以并入电网使用。 硕士研究生张心( 车辆工程) 指导教师张铁柱教授 关键词：单缸发动机；电力；约束活塞；空载特性；试验 a b s t r a c t t h es t u d yo b j e c to ft h i sp a p e ri san e wk i n do fp o w e rs e t t i n gc a l l e de l e c t r i c p o w e rc o n f i n e dp i s t o ne n g i n e ( e c p e ) t h i sd e v i c em a i n l ya p p l i e st ot h eh y b r i d e l e c t r i cv 如i c l e ( h e v ) i tb a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ep r o b l e m so f t h ec o n v e n t i o n a l p o w e rs u p p l yo nt h eh e v i ti n t e g r a t e st h ee n g i n ea n dt h el i n e rg e n e r a t o r i ti sl i g h ti n w e i g h ta n ds m a l li ns i z ew i t has i m p l es t r u c t u r e i ti se f f e c t i v eo b v i o u s l yi np o w e r p r o m o t i n g ，e n e r g y a n dm a t e r i a l s a v i n g i ti m p r o v e dt h ep r o b l e m so ft h e e n g i n e - g e n e r a t o rs y s t e m 。s u c h 舔t h ec o m p l e xs t r u c t u r e m a t c hp r o b l e m sa n de n e r g y w a s t e a tf i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h et h r e eh o t - e l e c t r i c i t yc o n v e r s i o ns y s t e m s ， o i l e l e c t r i ce n g i n e ，e l e c t r i cp o w e rf r e ep i s t o ne n g i n e ( e f p e ) a n de c p e ，a n d c o m p a r e dt h em e r i t sa n df a u l t so ft h e m t h ea n a l y s i ss h o w st h a te c p ec a nc o n v e r s e t h eh e a te n e r g yr e l e a s e dd u r i n gt h eb u r n i n gi n t oe l e c t r i c a le n e r g yd i r e c t l y , e f f e c t i v e l y a n dc o n v e n i e n t l y i ti san e w , e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t f r i e n d l yh o t ，e l e c t r i c i t y c o n v e r s i o ns y s t e m i tt h e ns h o w st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe c p e ，a n da n a l y s e st h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s i ta l s od o e st h et h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，s i m u l a t i o na n a l y s i s a n de x p e r i m e n tr e s e a r c h t h er e s u l ts h o w st h a te c p eh a st h es a m ep r i n c i p l ea st h e o i l e l e c t r i ce n g i n e i tc a ng e n e r a t es i n e - w a v ec u r r e n t ，t h em a x i m a le l e c t r i cp r e s s u r e o fn o l o a dc o n d i t i o nc a nr e a c ht o2 1 0 v t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ta n dt h e s i m u l a t i o ni sj u s tt h es a m e t h ec o n c l u s i o nt h a tt h em a g n e t i cf i e l do ft h ee l e c t r i c m o t o ri sc o n s t a n tr e a c h e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a v ef u r t h e rt e s t i f i e dt h e c o r r e c t n e s so f c l a s s i c st h e o r e t i c a ld e r i r a t i o na sw e l la st h en o 1 0 a de x p e r i m e n ts t u d i e s a tl a s t , i td o e se x p e r i m e n to fs i n g l e c y l i n d e r e c p e ，a n a l y s e st h en o l o a d e h a r a c t e r i s t i ca n dt h ee x t e m a ic h a r a c t e r i s t i c i ts h o w st h a tt h i sm o t o rh a st h es a m e c h a r a c t e r i s t i c sa st h ea c g e n e r a t o r , a n di tc a no n 1 i n e p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：x i nz h a n g ( v e h i c l ee n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f t i e - z h uz h a n g k e yw o r d s ：s i n g l e - c y l i n d e re n g i n e ；p o w e r ；c o n f i n e dp i s t o n ；n o - l o a d c h a r a c t e r i s t i c ；e x p e r i m e n t 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：狼f 伊日期：知p 7 年石月侈日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密彤 ( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：缘，旷同期：) 。7 年月柏 孑锹红、 日期：，7 年6 月，j 日 ， ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任伺个人不得擅自使用) 青岛大学硕士学位论文 1 1 课题的提出及意义 第一章引言 汽车自诞生至今一个多世纪，几乎都是以汽油、柴油内燃机为动力源。2 0 世纪 初，为了便汽车的功率更大、燃油消耗更少，曾经有过将发动机和电池动力合二为 一的想法。但是由于当时的燃油价格便宜且容易获得，这种想法没有付诸研究。直 到2 0 世纪7 0 年代发生能源危机之后，石油价格不断上升，同时汽车尾气加速了全球 变暖，能源和环境闯题成为影响汽车技术发展的关键。更节能、更环保的汽车产品 是世界各国研究和发展的重点。在这种大环境下，单一燃料汽车、混合燃料汽车、 纯电动汽车、混合动力汽车相继成为研究的重点。从当前的技术发展情况来看，纯 电动车由于受到电池性能的局限，续驶里程短，难以推广应用。燃料电池汽车的基 础设施投入巨大，车辆成本极高，更不易在短期内实现产业化。而混合动力汽车具 有节约能源、排放污染低、续驶里程长、不改变基础设施的突出优点，是目前实现 产业化的最佳产品t “”。 由发动机的万有特性曲线可以得出：在发动机运行的整个工况中，只有一个极 小的区域能够达到最小燃油消耗率；在同一台发动机中，最高燃油消耗率可以达到 最低燃油消耗率的一倍，甚至更多；最佳燃油经济性出现在发动机的较高负荷率区 域；汽油机燃油经济性最佳的转速区域在2 0 0 0 f r a i n 左右；同时如果汽车的制动能回 收再利用也可以大量的节约燃油 6 - s 。混合动力汽车的想法主要来源于以上几条结 论。 所谓混合动力汽车，是把内燃机输出的机械动力和电机输出的电力共同作为驱 动力的汽车。其广泛采用的节能技术主要是电机驱动、辅助技术。在起步或低速行 驶时，车子仅依靠电力驱动，此时发动机关闭，车辆的燃油消耗量是零；当车辆行 驶速度升高或者需要紧急加速时，汽油发动机和电机同时启动并开始输出动力；在 车辆制动时，混合动力系统能将动能转化为电能，并储存在蓄电池中以备下次低速 行驶时使用。这样一来，发动机的体积可以造得更小，但功率却更高，且内燃机可 以总在其效率最高范围内工作。这使得混合动力汽车的燃油消耗量、尾气排放量等 要远远低于仅靠汽、柴油内燃机驱动的汽车，而且加速性能也有所提高。 由于混合动力汽车的电池动力系统主要提供辅助动力，除具有与电动汽车相似 的电池及其管理系统、驱动电机及其控制系统、工作电压较高等特定情况外，车辆 其他结构特征接近于普通汽车，因此适用于酱通汽车零部件的标准多数可以直接用 于混合动力汽车，相对容易实现。但是相对于传统汽油、柴油内燃机汽车，由于增 加了电力驱动部分，增大了驱动部分的体积及质量，同时电机及内燃机的匹配方面 第一章引言 也存在着问题 9 - 1 4 】。 在充分分析和研究以往混合动力汽车技术以及其优劣势的基础之上，青岛大学 车辆电子研究所提出了一种新概念电力约束活塞发动机e c p e ( e l e c t r i cp o w e r c o n f i n e dp i s t o ne n g i n e ) ，即将传统内燃机与直线发电机集成，用活塞带动直线发电 机的动子切割磁力线发电。单缸电力约束活塞发动机样机如图1 ，l 所示。这种装置采 用集成的方法解决了内燃机与发电机的匹配问题，可以根据需要分别输出机械动力 或者电力，还可以同时输出机械能一电能双元动力。这是混合动力汽车动力源及驱 动方法上的一次创新，其研究对于混合动力汽车的深入研究及推广普及，具有重要 的技术意义及经济意义，且在节能和环保方面具有突出的社会意义。 1 2 国内外研究现状 图1 1 平版型1 1 k y a 单缸e c p e 样机 e c p e 是由我国首先提出来的创新性自有技术，查新表明国际上未见相似的研究 报道。在结构原理与功能特点上与e c p e 相关的传统技术主要是内燃机一发电机组合 系统及电力自由活塞发动机e f p e 。 1 2 1 传统的内燃机一发电机组合系统 传统的内燃机一发电机组合系统是目前混合动力汽车领域广泛采用的一种热一 电转换系统。该系统的连接方式主要有串联、并联和混联三种。 ( 1 ) 串联式混合动力汽车 如图1 2 所示，这种混合动力车的直接推动力是电力，内燃机并不直接驱动车辆， 它仅驱动发电机，再由发电机给蓄电池充电或给电动机提供动力。其一般工作状态 为：起步时，由蓄电池提供动力给电动机驱动汽车。正常行驶时，由发动机一发电 机组为电动机提供动力。加速、高速行驶时，发动机一发电机组和蓄电池同时向电 2 青岛大学硕士学位论文 动机提供汽车所需的动力。减速、制动时，回收制动能量储存在蓄电池中。 图1 2 串联式混合动力系统 ( 2 ) 并联式混合动力汽车 如图1 3 所示，在这种混合动力汽车中，内燃机和电动机可同时为汽车提供驱动 力，也可各自单独驱动车辆，并允许发动机在驱动车轮的同时带动发电机给蓄电沲 充电。其一般工作状态为：起步时，由蓄电池向电动机提供驱动力。正常行驶时， 发动机驱动车辆行走，当驱动车辆运行的功率小于发动机输出功率时，发动机带动 发电机发电。加速时，发动机与电动机同时工作，向汽车提供所需的动力。减速、 制动时，回收制动能量储存在蓄电池中。 图1 3 并联式混合动力系统 ( 3 ) 混联式混合动力汽车 如图1 4 所示，这种混合动力汽车具有串联和并联相结合的复合工作形式，由发 动机驱动车轮和发电机。发电机输出电能驱动电动机或通过变流器向蓄电池充电。 正常运行时以发动机动力为主，只是在起步、加速和爬坡时，电机才介入辅助。其 一般工作状态为：起步时，由电动机驱动，电动机所需的电能由蓄电池供给正常 行驶时。发动机的动力由动力分配系统分成两路，一路驱动发电机，一路直接驱动 3 第一章引言 汽车。加速、爬坡时，蓄电池向电动机供电，由发动机和电动机一起驱动车辆加速 行驶。减速、制动时，电动机变成发电机，向蓄电池充电。再生制动系统回收的电 能被储存在蓄电池中0 5 4 9 1 。 图1 3 混联式混合动力系统 1 2 。2 电力自由活塞发动机 1 9 9 8 年，美国s a n d i a 国家实验室研究开发了一种与直线发电机结合的内燃发电 机，称为自由活塞式( f r e ep i s t o n ) 内燃直线发电机，又称为电力自由活塞发动机e f p e ( e l e c t r i cp o w e rf r e ep i s t o ne n g i n e ) 。这种发电机两端布置汽缸，将直线交流发电机集 成在汽缸的中间。混合燃料在两端气缸中燃烧，轮流推动永磁体在交流线圈中往复 运动，在线圈中产生电流。 目前e f p e 方案可分为两大类，一类是采用传统结构的直线发电机，如美国西维 吉尼亚大学采用径向充磁的圆筒形直线发电机方案，加拿大女王大学采用简单的动 线圈型永磁发电机方案，瑞典皇家工学院和马来西亚的马来亚大学均采用了轴向充 磁的圆筒形直线发电机方案，美国s a n d i a 实验室、明尼苏达大学采用的也是传统结 构的直线发电机。 另一类则采用特殊的结构设计，如英国谢菲尔德大学采用h a l b a c h 型永磁体的模 块化设计，瑞典皇家工学院采用横向磁通的模块化设计。 采用发动机与直线发电机相结合来实现混合动力驱动的方案是当前混合动力汽 车领域最前沿的方向。该方案除了具有传统混合动力方案高效率、低排放的优点外， 还进一步提高了发动机本身的性能，并兼具系统结构紧凑，运行可靠等优点。 从实验情况来看，这种装置具有效率高、质量轻、有害气体排放低和可使用多 种燃料等特点。美国政府投资f 1 3 s a n d i a 国家实验室、明尼苏达大学等科研机构和高 等院校进行有关的研究，n 2 0 l o 年，计划将该装鼍的效率提高5 0 以上1 z o - 2 4 1 。 从基本原理来看，e f p e 具有许多优良的性能，但目前对它的研究时间还不长， 4 青岛大学硕士学位论文 无论结构功能还是理论模型还远未完善。且系统方案本身存在的固有问题例如回程 困难等成为青4 约进一步研究和推广应用e f p e 的瓶颈因素。 1 3 课题研究的主要内容 1 3 1 本文主要研究内容 本课题将针对单缸e c p e 的工作过程及工作性能建立动力学模型，并且对其空 载下的磁场及电动势进行理论分析、数值模拟及试验研究。具体如下： ( 1 ) 提出一种新型热一电转换概念，并将其与传统概念进行比较：进行单缸 e c p e 运动学、动力学，热一电能量转换机理、特点及规律研究，形成单缸e c p e 热一电转换基础理论； ( 2 ) 单缸e c p e 仿真分析。运用电磁学、电机学的基础理论对直线电机空载磁 场及电动势进行理论分析和数值模拟；建立单缸e c p e 整机的运动学、动力学模型。 ( 3 ) 单缸e c p e 的试验研究。根据试验要求搭建试验台，制定试验计划，进行 试验，并用试验所得数据验证理论模型的正确性，并且为仿真研究提供可参考的 基础数据。 1 3 2 解决的主要问题 ( 1 ) 深入揭示单缸e c p e 系统工作机理与能量转换规律，形成单缸e c p e 热一 电转换基础理论； ( 2 ) 建立单缸e c p e 的运动学、动力学模型； ( 3 ) 对单缸e c p e 的空载磁场及空载电动势进行理论分析和数值模拟； ( 4 ) 进行相关试验研究。 5 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 2 1 单缸e c p e 的结构特点 单缸e c p e 的结构如图2 i 所示，固定式主机壳体由台式曲轴箱体、定子壳体、 汽缸体和汽缸盖由下而上依次固定连接构成内空柱式结构，其右侧内直向制有气门 挺杆，其下端与凸轮形成非连续式联动机构。活塞一动子组件顶端的活塞在上下往 复移动时，在活塞上下两端形成第一工作室和第二工作室。其制有磁场的平板式动 子组件穿过定子组件中的绕组线圈的空心孔，切割磁力线产生电能。活塞一动子组 件下端通过滑块与连杆对接联动，从而带动第三工作室内的曲轴一飞轮组件联动组 合成直线机械能向旋转机械能转换的机构；定子组件绕组线圈中产生的电能由电力 输出接线盒对外输出。 图2 1e c p e 典型结构及工作原理示意图 l - 第一工作室；2 第二工作室；3 - 第三工作室；4 - 曲轴箱体；5 气门挺杆；6 - 凸轮；7 正时大齿轮： 8 - 正时小齿轮；乳曲轴一飞轮组件t1 0 - 连杆# i i - 通气孔；1 2 _ 滑块；1 3 活塞动子组件；1 4 定子组件； 1 5 定子壳俸；1 6 电力输出接线盒； 绕组线圈；1 8 汽缸体：1 9 - 活塞 2 m 汽缸盖 ( 1 ) 第一工作室即燃烧室主要由汽缸盖、汽缸体、活塞等组成，通过一个工作循 6 青岛大学硕士学位论文 环即进气、压缩、燃烧与膨胀、排气四个过程，活塞运动两个或四个行程，实现一 次热能向直线机械能的转换。活塞运动两个行程实现一次能量转换的称为二冲程 e c p e ，活塞运动四个行程实现一次能量转换的称为四冲程e c p e 。二冲程、四冲程 e c p e 第一工作室的组成及工作机理与传统二冲程、四冲程内燃发动机燃烧室类同。 与传统内燃发动机相比，活塞一动子沿竖直方向运动，连杆摆动引起的侧向力不再 直接作用于活塞，活塞与汽缸壁间的摩擦情况大为好转，机械效率有所提高。 ( 2 ) 第二工作室即机械能量分流与电能转换室，主要由定子组件和活塞一动子组 件组成。定子组件由硅钢片叠成，采用双边结构形成，单相线圈绕组。活塞一动子 组件由永磁材料钕铁硼和不导磁材料制成其两端分别与活塞和滑块相连接，在活 塞往复机械动力的作用下，实现直线机械能的分流及部分分流直线机械能向电能的 转换与输出。 ( 3 ) 第三工作室即回程与机械动力输出室，通过曲轴一飞轮组件实现直线机械能 与旋转机械能的相互转换，输出旋转机械能量，保证活塞一动子组件的连续往复运 动，承担系统定时及辅助系统驱动工作。 ( 4 ) 活塞一动子组件主要由活塞、动子组件和滑块连接而成，活塞一动子组件是 第一工作室，第二工作室的组成部分，通过该组件实现热能向机械能、电能的转化 及分流。 ( 5 ) 辅助系统包括配气、燃料供给、润滑、冷却、启动( 点火) 、稳压及控制系 统，用于辅助、保证主机系统的工作，对外提供有效、适用的功率流。其结构组成 及工作机理与传统内燃机辅助系统类同。 ( 6 ) 汽缸盖、汽缸体、定子壳体和曲轴箱组成装置的主体固定不动；活塞一动子 组件在缸体中可以往复运动，活塞一动子组件下端经滑块与连杆相连，并与曲轴箱 体构成移动副，形成滑动轴承支撑方式；活塞一动子组件与连杆、曲轴一飞轮组组 件构成一个可以转换直线与旋转运动的曲轴滑块机构。 2 2 单缸e c p e 的工作原理 对于二冲程e c p e ，第一行程，第一工作室l 进行燃烧膨胀( 作功) 、换气过 程，将热能转换为直线机械能，向活塞一动子组件1 3 提供直线机械运动能量；活 塞一动子组件1 3 在直线机械运动能量作用下由上止点向下止点移动；第二工作室2 首先进行直线机械能的分流，将活塞一动子组件1 3 的直线机械能分为两路，第一 路作为第- - i 作室2 工作的能量，第二路作为向第三工作室3 传递的能量，然后一 方面通过活塞一动子组件1 3 实现第二路分流直线机械能量向第三工作室3 的传递， 另一方面利用第一路分流直线机械能量带动活塞一动子组件1 3 与定子组件1 4 产生 直线相对运动，使永磁磁场与行波磁场相互作用，切割磁力线，依据电磁工作原理 ， 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 实现第一路分流直线机械能量向电能的转换与输出；第三工作室3 首先将活塞一动 子组件1 3 的分流直线运动转换为曲轴一飞轮组件9 的旋转运动，然后将该路的分 流机械能量用于对外旋转机械能的持续输出以及驱动辅助系统，并且为活塞一动子 组件1 3 的其他行程进行能量储备。第二行程，第三工作室3 首先将曲轴一飞轮组 件9 的旋转运动转换为活塞一动子组件1 3 的直线运动，向活塞一动子组件1 3 提供 惯性直线机械能量，同时持续进行对外旋转机械能的输出及辅助系统的驱动工作； 活塞一动子组件1 3 在惯性直线机械能量作用下由下止点向上止点移动；第- - i 作 室2 首先进行惯性直线机械能的分流，将活塞一动子组件1 3 的惯性直线机械能分 为两路，第一路作为第二工作室2 工作的能量，第二路作为向第一工作室l 传递的 能量，然后一方面通过活塞。动子组件1 3 实现第二路分流直线机械能量向第一工作 室l 的传递，另一方面利用第路分流直线机械能量带动活塞一动子组件1 3 与定 子组件1 4 产生直线相对运动使永磁磁场与行波磁场相互作用，从而切割磁力线， 依据电磁工作原理实现第一路分流直线机械能量向电能的转换与输出；第一工作室 l 在分流惯性直线机械能量作用下进行换气、压缩等过程，为下一循环的燃烧膨胀 ( 作功) 做准备。这样就实现了二冲程e c p e 的一个完整的热能向机械能和电能转 换并输出的循环，如此周而复始。 对于四冲程e c p e ，第一行程，第一工作室1 进行燃烧膨胀( 作功) 过程，将 热能转换为直线机械能，向活塞一动子组件1 3 提供直线运动能量；活塞一动子组 件1 3 、第二工作室2 、第三工作室3 工作过程与二冲程e c p e 第一行程相同。第二 行程，活塞一动子组件1 3 、第二工作室2 、第三工作室3 工作过程与二冲程e c p e 第二行程相同：第一工作室1 在分流机械能量作用下进行排气过程。第三行程，第 三工作室3 将曲轴一飞轮组件9 的旋转运动转换为活塞一动子组件1 3 的直线运动， 向活塞一动子组件1 3 提供惯性直线机械运动能量，同时持续进行对外旋转机械能 的输出及辅助系统的驱动工作；活塞一动子组件1 3 在惯性直线机械能作用下由上 止点向下止点移动；第二工作室2 首先进行惯性直线机械能的分流，将活塞一动子 组件1 3 的惯性直线机械能分为两路，第一路作为第- - i 作室2 工作的能量，第二 路作为向第一工作室1 传递的能量，然后一方面通过活塞一动子组件1 3 实现第二 路分流直线机械能量向第一工作室1 的传递，另一方面利用第一路分流直线机械能 量带动活塞一动子组件1 3 与定子组件1 4 产生直线相对运动，使永磁磁场与行波磁 场相互作用，从而切割磁力线，依据电磁工作原理实现第一路分流直线机械能量向 电能的转换与输出；第一工作室l 在分流惯性直线机械能量作用下进行吸气过程。 第四行程，活塞一动子组件1 3 、第- - i 作室2 、第= - - i 作室3 工作过程与第二行程 相同，第一工作室l 在分流直线机械能量作用下进行压缩过程，为下一循环的燃烧 膨胀( 作功) 做准备。这样就实现了四冲程e c p e 一个完整的热能向机械能和电能 8 青岛大学硕士学位论文 转换并输出的循环，如此周而复始。 2 3e c p e 与内燃机一发电机组合系统及e f p e 的比较 传统的内燃机一发电机组合系统以及e f p e 存在着很多问题制约其发展。e c p e 概念的提出是建立在对这两种装置仔细研究的基础之上，充分考虑了这两种装置的 优点及存在的弊端，将两种装置的优点相结合而形成的一种新型的动力装置。 2 3 1 传统内燃机一发电机组合系统 图2 2 所示是一种典型的传统串联式混合动力汽车驱动系统结构方案，动力源为 内燃机发电机组合系统，该系统首先通过活塞式内燃发动机的活塞一汽缸部分将 燃料燃烧释放的热能转换为活塞的往复直线机械动力，再由曲柄一连杆机构部分将 活塞的往复直线机械动力转换为旋转机械动力，而后将该旋转机械动力经过若干中 间环节如联轴器、分动器等，进行机械动力的传递、分流及动力参数的变换，然后 通过旋转发电机将机械能转换为电力驱动车辆行走。 图2 2 串联式混合动力汽车驱动系统结构示意图 这种组合系统应用广泛，但存在以下明显的弊端： ( 1 ) 由两个独立的能量转换单元活塞式内燃机、旋转发电机通过中间连接环 节组合而成，存在匹配不合理的问题，且能量经过多次传递，转换效率低： ( 2 ) 由于系统中活塞与曲柄连杆机构直接相连，连杆的摆动引起的活塞侧向力较 大，不仅造成了机械效率损失，同时造成了活塞与缸壁间的严重磨损及额外热负载： ( 3 ) 曲柄连杆机构参与全部动力的传递与转换，曲柄连杆机构的受力强度大，各 铰接点处的摩擦损耗严重，系统运转的不均匀度大； “) 热能到电力的转换及传递路线长、效率低、能量浪费严重； ( 5 ) 多个独立单元形成的组合系统存在一定程度的匹配不合理、工作不协调等问 题； ( 6 ) 系统复杂、笨重，原材料浪费严重，生产成本与运行成本高，污染严重。 2 3 2 电力自由活塞发动机 图2 3 为种e f p e 典型结构及工作原理示意图。能量转换工作在含有活塞一 9 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 电机动子的两个工作室中完成。第一工作室为燃烧室或动力腔，一般为双活塞结构， 实现燃料热能向活塞一电机动子直线机械能的转化工作。能量转换机理基本与传统 二冲程内燃机相同：第- - t 作室为电能转换室，实现直线机械能向电能的转换与输 出，工作机理与直线发电机基本相同。 123l5 暗整 “旷“ 电辅予 图2 3e f p e 结构及工作原理示意图 l 一燃烧室；2 一活塞；3 - 移动杆( 接直线电机动子；4 直线电机定子；5 热绝缘 e f p e 较传统的内燃机一发电机组合系统有了很多改进，但是，系统方案本身 存在着一些难以解决的问题： ( 1 ) 启动系统复杂，附属系统驱动困难，难以实现定时、协调工作，多缸联动工 作更是如此； ( 2 ) 无固定止点、无固定行程，压缩比可变，虽然容易实现通过调整压缩比来改 善发动机的燃烧过程，但工况稳定性难以控制； ( 3 ) 燃料的供给正时结构复杂，精确性的保障相对较差，导致压缩比、燃烧压力 等的控制变得不确定，循环供油量控制精度也比传统发动机要求高得多，从而带来 燃油供给系统制造的难度，同时为了追求高效低排放，要求对压缩比的精确控制， 导致控制系统较为复杂，难以解决； ( 4 ) 运动部件的运动特性为非正弦特性，在死点位置附近活塞运动是非对称的， 且减速段长于加速段，与传统系统相比，热能一机械能及机械能一电力转换环境发 生了变化，对转换过程带来影响，难以直接实现传统系统的工作特性及性能，同时 在最大速度相同条件下，具有更大的加速度，另外由于结构上的不平衡，导致往复 惯性力不能自我平衡，造成系统工作冲击及不稳定性增大，由此引起的振动问题需 采取附加手段解决： ( 5 ) 由于活塞“自由”，故调速困难，因没有飞轮作用发动机熄火现象严重，导致 发动机的工作可靠性变差； ( 6 ) 4 冲程工作模式、多缸联动难以实现。 2 3 3 电力约束活塞发动机 e c p e 将传统内燃机一发电机组合系统与e f p e 相结合，其主要有以下几个特 点： 青岛大学硕士学位论文 ( 1 ) 将传统内燃机与直线发电机技术集成，充分吸收e f p e 的工作优点，变传统 内燃机单一机械动力输出为机械动力与电力双元动力输出，变传统将热能转换为电 能的内燃机一发电机组这种复杂系统为一简单双元动力装置，通过动力活塞的往复 直线运动将燃料燃烧的热能直接转换为电能。利用曲柄连杆机构对活塞的运动加以 约束，系统止点固定、行程固定、压缩比固定，正常运行中不存在熄火现象； ( 2 ) 采用机内动力分流技术，此技术不仅能够实现动力的分流，而且第二工作室 的电磁力直接作用于活塞一动子组件，与高压燃气的部分压力抵消，使内燃机曲柄 连杆机构的受力强度大大减弱，曲轴与各轴承之问的摩擦损耗明显减小，同时大幅 度降低了系统的运转不均匀度，另外由于连杆摆动给活塞造成的侧向力转移到活塞 一动子组件下端与曲轴箱体构成的移动副即滑动轴承上，从而大幅度减少了活塞与 汽缸套间的磨损和功率消耗； ( 3 ) 第- - i 作室利用活塞一动子组件的往复运动直接将活塞一动子组件的分流 机械能量转换为电能，减掉了传统内燃机一发电机组自活塞以后的所有中间环节， 消除了由此带来的问题： ( 4 ) 可同时输出机械与电力双元动力，当e c p e 输出端的一端输出功率为零时， 该装置即转变为单元动力输出装置即直线内燃式发电机或传统内燃发动机，当不需 要机械能输出时，e c p e 可作为发电机使用，当不需要电能输出时，e c p e 可作为 纯机械动力源使用： ( 5 ) 根据工作性质及结构不同，e c p e 可分为二冲程、四冲程、单缸、多缸等多 种形式，燃料可为流体燃料如柴油、汽油等，亦可为气体燃料如天然气、煤制气、 液化气等，根据需要可产生多种变型装置。系统启动、动力活塞回程、附属系统驱 动、工作速度调整、工作定时容易实现。 ( 6 ) 运动部件的运动特性为正弦特性，热一电转换环境、转换过程与传统系统相 同，系统工作稳定性好，容易实现与应用系统及其动力需求特性的良好匹配，可方 便有效地回收再利用应用系统的惯性能量和势能，使整体系统具有最佳工作性能， 整个动力传动系统连接容易、可控性好； ( 7 ) e c p e 根据用电设备所需功率的大小以及供电方式 单相或三相) 的不同， 可为单缸或多缸结构，实现单相和三相供电。三相供电时的汽缸数须为3 的倍数， 通过统一相位差为1 2 0 。的三组汽缸的供油时刻，使在三组电枢绕组中产生的感应电 压的相位差互为1 2 0 。电角度，形成三相电压的相序，通过对三组绕组线圈首尾串接 和并接，达到设备所需的功率。通过调整第- - - i 作室中的曲轴一飞轮组件的转速即 活塞一动子组件的运动速度，可以改变输出电能的交流频率。当第三工作室曲轴一 飞轮组件的转速为3 0 0 0 转分时，可以得到频率为5 0 h z 正弦交流电压和电流【2 卯。 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 2 4 单缸e c p e 运动学分析 e c p e 的活塞与动子刚性连接在一起，活塞的速度即为整个活塞一动子组的速 度。在e c p e 中，活塞和动子一起作往复直线运动，曲柄作旋转运动，连杆作平面 运动，运动情况与传统内燃机相同，因此其运动学分析与传统内燃机相同。对于现 代高速内燃机，在稳定工况下，认为曲柄是匀速转动的f 2 6 1 。其角速度( r a d s ) 为 ” 国。丌杀 2 - ( 1 ) j u 式中，疗为曲轴转速，r m i n 。 十 、- 一 0 l 西印， ，7 、 _ 艺 妒 图2 4 单缸e c p e 曲柄连杆机构受力图 曲柄连杆机构如图2 4 所示，活塞从上止点0 算起的位移为 x = r 【( 1 - c o s 伊) + ( 1 一l 一名s i n 2 伊) 】 式中，妒为曲柄转角；兄= r l l 为曲柄连杆比：，为曲柄半径；，为连杆长度。 则活塞的速度为 c o a 2 ，i n c o s m v = = = = 兰= = ；+ ( o r s i n 口 l 一刀s i n 2 妒 加速度为 口= 皇；! ；带+ 竺；：豁一彩2 ，s 加矿 1 2 2 - ( 2 ) 2 - ( 3 ) 2 - ( 4 ) 青岛大学硕士学位论文 2 5 单缸e c p e 动力学分析 2 5 1 动力学模型 单缸e c p e 工作过程的受力分析如图2 4 所示。对活塞一动子组件，受力平衡 方程为 只+ 瓦= f + + 气+ e ： 2 。( 5 ) 兄为气体对活塞上表面的作用力 f o = 。一p o ) j r d 2 4 2 - ( 6 ) 其中：m 为工质压力，单位p a ，由燃烧过程热力学模拟得到，随着燃烧情况 及发动机边界条件变化。p o 为曲轴箱内气体压力，单位p a 。d 为活塞直径，单位 i n o 凡为直线电机的负载电磁力。空载情况下，由于对外不输出电流，负载电磁 力为零，负载电磁力对整个系统的动力学分析没有影响，单缸e c p e 的动力学模 型与传统的内燃机类似。当直线电机外接负载时，根据功率守恒的原理，可得负 载电动势与负载电磁力之间的关系 e i = 凡v 2 - ( 7 ) 最为活塞动予组往复运动的惯性力 局= 肌i n 口 2 - ( 8 ) m i 。为活塞一动子组往复运动的等效质量，单位k g 。实际的曲柄连杆机构具有 复杂的分布质量，根据动力学等效性原则用少数适当配最的质点代替原机构，为此 要进行质量换算。 沿气缸轴线作直线运动的活塞一动子组件，可以按质量不变的原则简单相加， 并集中在活塞销中心较方便 m ，= m ， 2 - ( 9 ) 式中，饰是活塞一动子组韵质量；怖，是活塞一动子组各零件的质量。 作平面运动的连杆组，根据动力学等效性的质量、质心和转动惯量守恒三原则， 可用连杆小头和大头的2 个质量朋：、m ：近似代替连杆。 码= 巫半 州，l 2 亍 式中，m f 是连杆组质量；，是连杼组质，g , n d , 头孔中心的距离。 2 - 0 0 ) 2 一( 1 1 ) 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 于是，往复质量 州j ：肌p + 所l ：埘p + m j o 了- 一t 9 2 - ( 1 2 ) 单缸e c p e 往复质量帕的惯性力蜀的值与咱和活塞加速度置成正比，且与量的 方向相反 e = 一m j 譬= - m j ，国2 ( c o sr p + 2 c o s 2 ( 0 ) 2 - ( 1 3 ) f 为活塞一动子组对连杆作用力在垂直方向的分量，单位n 。由于连杆的摆动， 活塞上的作用力，除了对连杆产生拉压力局外，还对气缸壁产生侧向力r ，其大 小为 f 。= f t a n82 - ( 1 4 ) 式中，口是连杆摆角 f l = a r c s i n ( 2 s i n ( a ) 2 - ( 1 5 ) 连杆对曲柄销产生的切向力只与法向力r 为 f = f s i n o p + f 1 ) l c o s p2 - ( 1 6 ) c = f c o s ( 缈+ f 1 ) c o s p2 - ( 1 7 ) 法向力f n 使曲轴弯曲，并以r 的形式使主轴承受负载。连杆对曲轴的作用力 矩为 t = e r 2 - ( 1 8 ) 曲轴飞轮组的力矩平衡方程为 t = 乙+ t + l o e b2 - ( 1 9 ) 其中，而曲轴飞轮组的转动惯量，单位k g m 2 ，力矩以图2 4 所示方向为正： 一机械损失扭矩，n m ，包括曲轴与轴瓦摩擦损失扭矩与附件驱动扭矩， 曲轴与轴瓦的摩擦损失与连杆对曲柄销的法向力r 、切向力r 及摩擦系数地有关。 侧向力导致的发动机倾覆力矩为 瓦= 一冗磊= - t 其中，h 为活塞销到曲轴主轴径中心的距离，单位m 。 。为活塞环与缸套之间的摩擦力，单位为n ，其表达式为 2 “ 1 4 2 一( 2 0 ) 2 - ( 2 1 ) 青岛大学硕士学位论文 其中，r 一活塞环对汽缸表面压力，n ； “一活塞环与缸套之阃摩擦系数。 c ，为活塞一动子组件与导套之间的摩擦力，单位为n ，其表达式为 气= 只3 2 - ( 2 2 ) 其中，r 一活塞动子组件对导套的侧向力，n ； 鸬一活塞动子组件与导套之间的摩擦系数，参考有关资料取3 = o 0 6 。 2 5 2 系统结构的部分参数 发动机与直线发电机己知主要参数如下： 发动机标定转速n = 1 6 0 0 r m i m 汽缸直径d ：o 0 7 8 m ： 主轴径如= o 0 3 5 m ： 活塞行程s - o 0 6 2 m ； 发动机活塞质量m 。f = 司4 8 k g ： 活塞动子组的质量肌。= 1 9 8 k g ； 曲柄半径闭0 3l m ； 连杆长度1 = 0 1 0 2 m ； 连杆质量m t = o 3 9 k g ： 连杆质心到连杆小头中心的距离f = o 0 7 3 7 5 m ； 曲轴飞轮组转动惯量i o = 0 1 5 k g m 2 ； 发动机压缩比萨8 。 2 6 本章小结 传统的内燃机一发电机组合系统由于结构复杂，效率低下，需要一种新型的装 置来替代。电力自由活塞发动机e f p e 虽然较传统内燃机一发电机组合系统有很多 改进，但系统方案本身存在的固有问题成为制约进一步研究和推广应用的瓶颈。电 力约束活塞发动机e c p e 与传统的内燃机一发电机组合系统及e f p e 相比，在提高 动力，节约能源，节约原材料，保护环境等方面具有很大的优势，且技术实现难度 小。e c p e 作为一种新型燃料电源在汽车、军事、备用电源及移动、野外用电领域 具有极大的优势和潜力。 通过运动学动力学分析可知，在空载情况下，单缸e c p e 的速度、加速度以 第二章单缸e c p e 工作原理及动力学分析 及受力情况与传统的发动机相似。即空载情况下，该装置与传统发动机只有结构上 的不同，对于这种新装置的研究也变得相对简单。 1 6 青岛大学硕士学位论文 第三章单缸e c p e 空载特性研究经典理论法 3 1 单缸e c p e 直线电机部分的结构 单缸e c p e 电机部分采用一种新型的动磁式永磁往复直线发电机，不仅具有永磁 电机的特点，还兼有直线电机的性能。作为永磁电机，它省去了励磁线圈，大大减 小了励磁损耗，降低了电机的温升。因此，可以节约能量，提高工作效率。利用动 子永磁体的往复运动可以产生交流叫2 7 1 。动子永磁体工作时，随着活塞做正弦规律 的往复运用，从而发出正弦交流电。图3 1 所示为其结构示意图，整体结构为扁平形， 采用双边结构，可以增加比力密度，避免使用运动部件的铁心基底和消除y 方向的电 磁力。 2 n 由母 彭徐：咤彰乏乓兰军车妄彰多晕霎n 芸享彭按s 毛寻朔 0 卟5 口 每 专 。 夸 图3 1 单缸e c p e 直线电机部分平面图 i 一定子2 一动了永磁体3 一动子框架4 一定于榴5 一定子榴楔 电机的线圈绕组装在定子上，定予结构如图3 2 所示。其铁心由硅钢片叠成， 以减小涡流损耗和磁滞损耗。永磁体安放在动子上，提供气隙磁场，即为动磁式发 电机。永磁材料选用有线性退磁特性的钕铁硼永