线性发动机发电机性能和控制的最新进展

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介绍

直线发动机，俗称自由活塞发动机，与传统曲轴发动机相比，具有摩擦损失小、结构紧凑、燃料适应性强、压缩比灵活等优点。

在线性发动机概念设计和原型中，具有线性发动机内燃或外燃的线性发动机发电机LEG以及线流发电机为运输应用中的混合系统提供了一种替代且有吸引力的解决方案。

线性发动机的优点使得氢、合成氢载体燃料和生物燃料更容易用于LEG，从而使其成为有吸引力的脱碳技术。

本文对最先进解决方案的LEG研究和开发以及线性发动机改进、线流发电机设计优化和集成LEG系统控制方面的最新进展进行了明确回顾。

线性发动机发电机的关键性能指标，如功率输出、热电效率等。

提供了最新桥梁发展的概述。

审查文件最后提出了专家组对进一步发展的建议。

1.直线发动机开发

FP-LEG根据机械配置不同分为不同类型单动力活塞SPP、双动力活塞DPP、单双作用动力活塞SDAPP、分体循环双作用动力活塞膨胀机和压缩机DAPPEC以及对置双作用动力活塞ODPP。如图1所示。

每个动力循环有两种类型的活塞冲程二冲程和四冲程，其中以二冲程为主。大多数基于热力循环类型的FP-LEG采用传统的奥托/柴油循环，而其他的则采用焦耳循环，从而实现灵活的能源。

对汽车/柴油循环FP-LEG的研究比焦耳循环FP-LEG更多，因为在FP-LEG的假定工作功率范围内，前者的技术比后者更先进。

这使得从现有的奥托/柴油循环技术到FP-LEG的过渡变得更加容易。

此外，FP-LEG的特性和操作取决于所使用的技术类型。

这些类型包括但不限于主要部件的组成、热力循环类型、每个循环的冲程数和燃烧模式。

由于FP-LEG可以在可变CR和冲程下运行，从而允许使用各种燃料和燃烧模式，因此本节将重点介绍根据燃烧模式的FP-LEG的开发和性能。

2.各种加热方式的原型

尽管关于FP-LEG的各种研究已经发表，但系统性能数据（例如功率输出和效率）的报道却很少。

大多数已发表的结果都是通过仿真建模得出的。

实验结果表明，原型很少被证明能够在相对较长的时间内持续可靠地运行，这表明在测试台上实现可靠运行可能仍然很困难。

然而，有报道称FP-LEG在备用发电方面取得了成功的商业应用，本文稍后将讨论商业FP-LEG部署的详细信息。

根据热力循环，FP-LEG可以具有不同的燃烧模式。对于奥托/柴油循环FP-LEG，压燃式CI燃烧和火花点火式SI燃烧是标准配置，并且已经报道了一些均质充量压燃式HCCI燃烧的案例。

在焦耳循环FP-LEG中，恒压能量添加是常见的。

在本节中，我们将重点关注FP-LEG测试台的性能结果。

表1和图2总结了公共文献的测试结果，包括设计特征。

值得注意的是，对于压缩空气焦耳循环FP-LEG，能量输入来自压缩空气，并且效率的计算方式与能量输入来自燃料并通过燃烧释放的其他情况不同。

对于焦耳循环FP-LEG，效率计算基于所做的功或产生的电能与压缩空气的能量含量的比率，并且不考虑用于生成压缩空气的燃料的热值。压缩的空气。

与其他情况不同，效率是根据直接使用的燃料的能量含量以及所做的功或产生的电力来计算的。

这说明了焦耳循环FP-LEG原型的不同效率范围。

3、火花点火和燃烧

硅燃烧是一项成熟的技术。

它被广泛考虑用于FP-LEG应用，因为火花事件可以在整个燃烧阶段控制活塞组件的行为。

西弗吉尼亚大学是20世纪90年代中期最早开发FP-LEG测试的大学之一。

该钻机采用DPP配置，具有端口喷射和回路清洁，发动机详细信息如表1所示。

丰富的汽油混合物可确保发动机在各种工况下的燃烧和稳定运行。

结果表明，点火正时控制是成功运行的关键。提前点火会导致空载和低负载条件下的不良运行。

然而，在高负载条件下，不利的操作和循环压力变化被消除，并且点火正时被延迟。

延迟点火会增加发动机的冲程和峰值压力，结果表明SI操作是不可取的，而CI操作在HCCI模式下是理想的。

德国航空航天中心DLR于2013年开发了FP-LEG，目标是混合动力系统。

36SPP二冲程头环清洗发动机的详细信息和性能如表1和图1a所示。

回弹系统位于燃烧室的另一端，存储燃烧产生的能量以调节活塞运动。半自给模式的结果表明，50Hz时可实现25kW的功率输出。

与现有汽车相比，50kWFP-LEG可降低油耗28%。

随后，德国航空航天中心于2016年开发了ODPP二冲程SIFP-LEG原型机。

该设备包括增压器。增压压力在进气口和排气口之间产生必要的压差。由于控制，无法实现15Hz的目标速率。

发动机效率低是由于燃烧效率低。

使用气缸压力分析燃油燃烧率对20Hz下的燃烧进行分析表明，燃油燃烧百分比不超过82。

这意味着废气再循环EGR有助于提高发动机性能。

丰田中央研发实验室公司于2014年开发了二冲程SPPFP-LEG钻孔设备。

该设计使用称为W活塞的阶梯式活塞。W形活塞具有较小的燃烧尖端和较大的气弹簧尖端直径。

较大直径端的永磁发电机确保来自燃烧缸的热量不会影响发电机磁铁。

试验过程中出现多次异常燃烧事件，但实现了稳定连续运行。

2014年左右，蔚山大学实现了以丙烷为燃料的二冲程FP-LEG的连续稳定运行。

测试重点是关键的发动机参数，例如燃油量、当量比和点火正时。

点火正时对性能的影响表明，15ms的点火延迟会导致最大功率、活塞冲程、频率和缸内压力。

点火延迟超过20毫秒会导致整体性能下降。ER从08到10，性能不断提高，超过10后性能下降。

记录的功率输出为95W，而使用非优化参数的测试达到86W。

Jia等人于2015年进行了DPP二冲程单流扫气FP-LEG的研究。

利用线性电机的机械共振实现成功点火。

每隔几个周期就会发生失火，并且每个周期的情况差异很大。

不规则操作是由未优化的点火正时、启动过程中混合物形成的变化以及小电机制动引起的。

当发动机速度达到电机速度阈值时，电机制动器接合并减慢发动机速度。这会影响气体交换过程，导致后续循环失火。

莫斯科理工大学开发了二冲程FP-LEG钻机。该装置包含两个模块，每个模块由一个SPPFP-LEG组成。259Hz时最大功率为1687kW。

韩国科学技术院研究了二冲程微型FP腿。

活塞和气缸套由陶瓷制成，以最大限度地减少热量和摩擦损失，发动机使用横流扫气和液化石油气（LPG）燃料。

在低范围内，功率输出随着电阻的增加而增加，并随着电阻的进一步增加而减少，直到达到峰值功率。

循环变化在低负载时占主导地位，在高负载时有所改善。该发动机的指示效率为28，该效率较低，因为测试是在高气流条件下进行的，大部分燃油通过排气口发生短路损失。

他们建议优化气体交换过程，以改善清洁并最大限度地减少失火。

纽卡斯尔大学研究了循环扫气氢燃料DPPFP-LEG在二冲程和四冲程模式下的性能。

四冲程循环是通过主动阀门操作来实现的，交流发电机是一个控制器，用于根据预设的位移曲线引导活塞。测试数据表明ER影响发动机性能。

最大缸内压力随着er的增加而增加，而最大压力正时则减小。峰值压力正时和峰值缸内压力随着发动机转速而降低。二冲程和四冲程循环的指示效率分别为323和455。

作者建议每个指定的FP-LEG参数都需要适当的ER范围，以抑制不需要的活动。

因此

通过研究FP-LEG，努力将理论的优势转化为实际应用。

在本文中，我们根据公开文献中发布的测试数据总结了FP-LEG的性能指标，以展示迄今为止所取得的成果。

本文的其余部分重点介绍了在实现可靠启动、可靠运行和优化性能方面的最新进展，作为进一步开发的基础。

尽管在FP-LEG的研究和开发方面已经做了很多工作，但从实验研究中获得的系统性能数据却很少报道。

然而，商业运行的FP-LEG已经可用，这表明实现可靠运行的大部分技术挑战已经得到解决。

根据现有数据，当应用HCCI等非传统燃烧模式时，可以实现令人印象深刻的效率。尽管关于弦循环FP-LEG的研究不多，但已发表的少数研究显示了令人鼓舞的结果。

来自稳定运行的更多测试数据对于验证FP-LEG的效率优势具有重要价值。

此外，由于一些研究主要处于性能目标的概念验证阶段，因此将重量/功率或包装/功率比与传统曲柄进行有效比较还为时过早，传统曲柄可能包括手柄的附加设计特征。耐用性。

在FP-LEG控制中，总是选择CR或死点位置作为控制目标，但能量输入和LG力是最广泛使用的控制变量，因为它们对控制目标有明显的影响。

为了提高系统效率，人们提出了一些有趣的想法，例如仅在高效率区域运行LG。

谐振启动方法在ICFP-LEG中很常见，并且已被证明比单冲程发电机启动方法更合适。

对于JouleCycleFP-LEG，启动是使用外部压缩气体完成的，但JouleCycleFP-LEG可以在电机模式下使用LG启动。

ICFP-LEG的气体交换过程和系统控制是实现FP-LEG高效稳定运行的根本挑战。

然而，通过在焦耳循环FP-LEG中采用外部燃烧和在ICFP-LEG中采用HCCI燃烧，使用燃烧速率较高的替代燃料如氢气可以加速燃烧，使燃烧过程继续进行并在附近释放更多的能量。贸易发展局。热量越多，效率越高。

因此，应更加关注FP-LEG系统的正确控制。

引用

1帕特雷公共关系公司。电动压缩机设备。美国专利16299281927。

2帕特雷公共关系公司。电动压缩机设备。美国专利16576411928。

3JohansenTA、EgelandO、AaJohannessenE、KvamsdalR自由活塞柴油发动机正时和控制-电子凸轮方向-和曲轴。IEEE传输控制系统技术2002,10:177190

4JiaB、SmallboneA、MikalsenR、ShivaprasadKV、RoyS、RoskillyAP。灵活燃油涡轮组合无活塞发动机发电机活力性能分析2019；12:2657

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