单缸电力约束活塞发动机性能仿真研究
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摘要
论文的研究对象是单缸电力约束活塞发动机ECPE(Electric Power ConfinedPiston Engine,又称为内燃式约束活塞直线发电机)。它是将传统的内燃机—发电机组合系统和电力自由活塞发动机集为一体,集以上两项技术的优点,直接利用传统活塞式内燃机活塞的直线往复运动,将燃料燃烧产生的热能转换成电能并输出,形成的一种新型动力装置。
论文首先介绍了单缸电力约束活塞发动机产生的背景,总结了其发展和研究现状;介绍了单缸电力约束活塞发动机的结构特点及工作原理,通过对单缸电力约束活塞发动机结构和工作机理的深入研究,建立了系统的运动学和动力学模型,并列出了系统结构的模型参数;根据电力约束活塞发动机中电机部分的参数和已知条件建立了电力约束活塞发动机中直线电机的有限元模型;利用解析法求解出在负载情况下电力约束活塞发动机的电磁力。
在此基础上,利用AVL boost对课题组研制的单缸电力约束活塞发动机的热力学过程进行了模拟,得到燃烧室内燃气压力曲线;利用MATLAB软件编写了仿真程序,对其动力性、经济性、运转平稳性等工作性能进行了仿真研究,为单缸电力约束活塞发动机的优化改进和应用推广提供了参考依据。
The study object of this paper is Single-cylinder Electric Power Confined Piston Engine (ECPE). Traditional engine-electric generator system and electric power free piston engine are integrated here. At the same time, the advantages of the two technologies are assimilated. As a new power system, it can converse the heat energy released during the burning into electrical energy directly according to the reciprocal motion of engine piston.
The paper introduces the background of the Single-cylinder Electric Power Confined Piston Engine, summarizes the status quo of its research and development. The working principle and structure of Single-cylinder Electric Power Confined Piston Engine are also introduced. With a deep research of working principle and structure of ECPE, dynamics equation is created, the model parameters of the system structure is also listed. According to the parameters and known conditions of the linear generator, the paper creates the finite element model of the linear generator which is the part of the Electric Power Confined Piston Engine, solves the electromagnetic force of the Electric Power Confined Piston Engine in the condition of load characteristic by analytical method.
Based on above, the paper simulates the thermal dynamic process of the Electric Power Confined Piston Engine which is developed by our subject team with AVL boost and gets the gas pressure curve in the combustor. With MATLAB, the paper creates a simulated programme, simulates the power efficiency, economic efficiency and running stability. The simulation result can be used as a reference basis of product optimization and promotion.
论文首先介绍了单缸电力约束活塞发动机产生的背景,总结了其发展和研究现状;介绍了单缸电力约束活塞发动机的结构特点及工作原理,通过对单缸电力约束活塞发动机结构和工作机理的深入研究,建立了系统的运动学和动力学模型,并列出了系统结构的模型参数;根据电力约束活塞发动机中电机部分的参数和已知条件建立了电力约束活塞发动机中直线电机的有限元模型;利用解析法求解出在负载情况下电力约束活塞发动机的电磁力。
在此基础上,利用AVL boost对课题组研制的单缸电力约束活塞发动机的热力学过程进行了模拟,得到燃烧室内燃气压力曲线;利用MATLAB软件编写了仿真程序,对其动力性、经济性、运转平稳性等工作性能进行了仿真研究,为单缸电力约束活塞发动机的优化改进和应用推广提供了参考依据。
The study object of this paper is Single-cylinder Electric Power Confined Piston Engine (ECPE). Traditional engine-electric generator system and electric power free piston engine are integrated here. At the same time, the advantages of the two technologies are assimilated. As a new power system, it can converse the heat energy released during the burning into electrical energy directly according to the reciprocal motion of engine piston.
The paper introduces the background of the Single-cylinder Electric Power Confined Piston Engine, summarizes the status quo of its research and development. The working principle and structure of Single-cylinder Electric Power Confined Piston Engine are also introduced. With a deep research of working principle and structure of ECPE, dynamics equation is created, the model parameters of the system structure is also listed. According to the parameters and known conditions of the linear generator, the paper creates the finite element model of the linear generator which is the part of the Electric Power Confined Piston Engine, solves the electromagnetic force of the Electric Power Confined Piston Engine in the condition of load characteristic by analytical method.
Based on above, the paper simulates the thermal dynamic process of the Electric Power Confined Piston Engine which is developed by our subject team with AVL boost and gets the gas pressure curve in the combustor. With MATLAB, the paper creates a simulated programme, simulates the power efficiency, economic efficiency and running stability. The simulation result can be used as a reference basis of product optimization and promotion.
引文
1 周龙保,刘勸俊,高宗英.内燃机学.北京:机械工业出版社,2000
2 陆耀祖.内燃机构造与原理.中国建材工业出版,2004
3 张铁柱,张洪信.汽车安全、节能与环保.国防工业出版社,2004
4 Zhang Hongxin,Zhang Tiezhu,Wang Yushun etc.Dynamic Model and Simulation of Flat Valve System of Internal Combustion Water Pump.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2005,18(3):411-414.
5 叶云岳.直线电机原理与应用.机械工业出版社,2000
6 A.E.Fitzgerald,Charles Kingsiey,Jr.,Stephen D.Umans等,著.电机学[M).刘新正等译.清华大学出版社,2004
7 Kraus Fleiseh.电磁学及其应用.北京:清华大学出版社,2001
8 文孝霞,杜子学.汽车动力性经济性仿真数学模型的探讨[J].重庆交通学院学报,2003,(01)
9 赵忠宪.汽车动力性分析的方法研究[J].兰州石化职业技术学院学报,2004,(02).
10 敬绍勤,梁宁.汽车动力性计算的解析法[J].四川理工学院学报(自然科学版),2004,(02).
11 周森.汽车动力性与经济性的评价指标[J].汽车运用,2000,(10).
12 徐中明,罗卫东.汽车动力性和燃油经济性的计算机模拟与传动系参数优化设计[J].山地农业生物学报,1995,(01)。
13 徐中明,张志飞,庄建兵,文琍.基于MATLAB的轿车动力性和燃油经济性仿真[J].计算机仿真,2005,(04).
14 张京明,周金宝.汽车动力性燃油经济性的综合评价[J].汽车工程,1996,(01).
15 万德永.汽车动力性和燃油经济性的计算与作图[J].汽车研究与开发,1998,(02).
16 张世杰.汽车设计中的动力性分析[J].汽车研究与开发,2003.(01).
17 Tikkanen,M.Hydraulic Free Piston Engine-the Power Unit of the Future.Proceedings of the 4~(th) JHPS International Symposium on Fluid Power,Tokyo,1999:105-113.
18 Tikkanen S.,Vilenius M..Onthe Dynamic Characteristics of the HydraulicFree Piston Engine.The 2~(nd) Tampere International Conference on Machine Automation,Tampere,Finland,1998:231-242.
17 文孝霞,杜子学.遗传算法在汽车动力性、经济性优化中的应用[J].汽车研究与开发,2002,(04).
18 杨世友,卓斌,刘启华.改善现代轿车汽油机燃油经济性的试验研究[J].内燃机工程,2000,(04)
19 张振东,王伯年,钱耀义,黄博.车用汽油发动机空燃比及点火控制系统[J].汽车工程,1999,(03)
20 Wan J Singh.Complete Analysis And Simulation of Reciprocating Pumps Including System Piping Proceedings of the 4th International Pump Symposium.The 4th International Pump Symposium Texas A & M University.Houston U.S.A.1987:5-7.
21 徐中明,罗卫东.汽车动力性和燃油经济性的计算机模拟与传动系参数优化设计[J].山地农 业生物学报,1995,(01)
22 李金辉,徐立友.基于MATLAB语言的发动机特性研究[J].汽车科技,2005,(03)
23 关志伟,杨玲,施继红,吴明,基于MATLAB语言的发动机万有特性研究[J].吉林农业大学学报,2003,(03)
24 张京明,温新.汽车动力性与燃料经济性评价指标的研究[J].山东工程学院学报,1997,(02)
25 张红奎,丁芳玲,蔡继元.内燃机油燃料经济性及试验方法[J].汽车工艺与材料,2004,(09)
26 M.A.AL-Mayorf,S.R.Alwash,M.F.Bonniya.Finite Element Analysis of Linear Induction Motor.Part Ⅰ.Proc.of ICEM,1986:521-525
27 Koji Tani,Takashi Yamad.Dynamic Analysis of Linear Actuator Taking into Account Eddy Currents Using Finite Element Method and 3-D Mesh Coupling Method.IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(3):1785-1788
28 何仁.汽车多工况燃料经济性的模拟计算[J].江苏大学学报(自然科学版),1988,(02)
29 李菊梅,陈奕,孔江生.内燃机台架试验曲线的MATLAB拟合解[J].水利电力机械,2006,(05)
30 杨振中,孙永生.最佳过量空气系数优化控制氢发动机性能的建模实现[J].内燃机工程,2006,(03)
31 易正根,陈国华.基于MATTLAB的内燃机工作过程参数优化[J].柴油机设计与制造,2002,(01)
32 李艳红,蔡忆昔,王王昆.柴油机工作过程参数优化方法及其应用[J].小型内燃机与摩托车,2003,(05)
33 周志宏.HCCI自由活塞式内燃机运行参数设计.石油机械,2003(10):62-64.
34 赵新顺,曹会智,温茂禄,孙协胜:HCCI技术的研究现状与展望.内燃机工程,2004(4):73-76.
35 杨为琛,孙逢春,串联型混合电动大客车控制策略及其仿真研究.北京理工大学学报,2002(04):449-452。
36 霍炜,张铁柱,赵红.单缸轴向液压约束活塞发动机的输出特性仿真.农业机械学报,2006(9):32-35.
37 广濑久士,丹下昭二,金东瀛.电动车及混合动力车的现状与展望[J].汽车工程,2003,(02):204-209.
38 张铁柱,张洪信,张继忠等.约束活塞型内燃式柔性动力系统.内燃机科技(中国内燃机学会2005年学术年会会议论文集特邀报告).武汉:华中科技大学出版社,2005:92-95.
39 周志宏.直线发电机的方案设计--自由活塞式内燃直线发电机研究进展(二)[J].石油机械,2003,(11).
40 张铁柱,张继忠,张洪信,戴作强.直线内燃式发电装置,实用新型ZL200420097646.8,2005-12-28.
41 张洪信,戴作强,张翼.轴向液压约束活塞发动机工作原理与运转平稳性.中国机械工程,2006,17(5).
42 张心,张铁柱,霍炜等.单缸电力约束活塞发动机空载特性研究[J].青岛大学学报,2007,22(1):1-5.
43 杨文,许敏,闫桂焕等.AVL/Boost软件在生物质气体发动机性能计算上的应用[J].可再生能源,2006(1):59-61.
44 李艳红,蔡忆昔.YD480型直喷式柴油机的特性模拟计算[J].江苏大学学报,2002,23(4):1-3
45 刘国庆.三缸内燃式水泵性能仿真研究[D]青岛大学,2007.
46 吴锋,强永平.4102增压柴油机性能模拟计算.车用发动机,2002(2):16-19.
47 王桂荣,韦巍,屠旭永.EMS型磁浮列车驱动力和悬浮力的计算新方法.浙江大学学报,2007(3):441-444.
48 申胜男,杨建国.柴油机工作过程模拟和优化的研究.科技技术与工程,2007(8):1605-1607.
49 杜慧勇,李民,刘建新,赵致和.MATLAB语言在内燃机万有特性研究中的应用.洛阳工程学院学报,2001,22(4):32-34
50 罗芳,张昆仑.磁悬浮列车U型悬浮电磁铁电磁力的数值计算与分析.机车电传动,2002(03):32-35.
51 阎秀恪,谢德馨,高彰燮,于存湛.电磁力有限元分析中麦克斯韦应力法的积分路径选取的研究.电工技术学报,2003(05):32-36.
52 陈棣湘,潘孟春,罗飞路.高速磁浮列车电磁力的软测量技术.电机与控制学报,2006(03):234-237.
53 朱辉,王丽清,张幽彤,等.用MATLAB/Simulink实现柴油机及其控制系统的动真,1998,(3),314-318
54 柴光远,韩江桂,刘伶腾.柴油机排气系统温度的动态仿真.拖拉机与农用车,2001,(3):8-10
55 刘孟祥,龚金科,隆曙红,等.基于Simulink内燃机Vibe燃烧规律的建模与仿真技术研究.湖南大学学报(自然科学版),2001,28(3):41-45
56 陈棣湘,潘孟春,罗飞路,田武刚,胡媛媛.高速磁悬浮列车电磁场的模拟计算.国防科技大学学报,2003(04):76-78.
57 戴魏,余海涛,胡敏强.基于虚功法的直线同步电机电磁力计算.中国电机工程学报,2006(22):110-114.
58 尹必峰,韦锦祥,杨荣华,徐毅,束卫兵.小缸径直喷式柴油机整机性能模拟计算与分析.小型内燃机与摩托车,2007(02):24-26.
59 李庆雷,王先逵,吴丹,刘成颖,石忠东.永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算.清华大学学报(自然科学版),2000(05):20-23.
60 陈宇明,金能强.直线同步电机的磁场与力特性分析.电工电能新技术,2002(01)26-28.
61 杨波,温嘉斌,高阳,李谦祥.直线永磁往复式发电机的磁场和电磁力的有限元分析.防爆电机,2006(02):28-31.
62 杨波.稀土永磁往复式直线发电机的研究[D]哈尔滨理工大学,2006
63 缑亚楠,张铁柱.单缸电力约束活塞发动机的汽缸工质压强的燃烧模拟分析.现代制造技术与装备,2007(06):52-53.
64 缑亚楠,张铁柱,王晓静,霍炜.单缸电力约束活塞发动机的工作原理及其建模分析.新技术新工艺,2008(02):13-15.
2 陆耀祖.内燃机构造与原理.中国建材工业出版,2004
3 张铁柱,张洪信.汽车安全、节能与环保.国防工业出版社,2004
4 Zhang Hongxin,Zhang Tiezhu,Wang Yushun etc.Dynamic Model and Simulation of Flat Valve System of Internal Combustion Water Pump.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2005,18(3):411-414.
5 叶云岳.直线电机原理与应用.机械工业出版社,2000
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7 Kraus Fleiseh.电磁学及其应用.北京:清华大学出版社,2001
8 文孝霞,杜子学.汽车动力性经济性仿真数学模型的探讨[J].重庆交通学院学报,2003,(01)
9 赵忠宪.汽车动力性分析的方法研究[J].兰州石化职业技术学院学报,2004,(02).
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17 Tikkanen,M.Hydraulic Free Piston Engine-the Power Unit of the Future.Proceedings of the 4~(th) JHPS International Symposium on Fluid Power,Tokyo,1999:105-113.
18 Tikkanen S.,Vilenius M..Onthe Dynamic Characteristics of the HydraulicFree Piston Engine.The 2~(nd) Tampere International Conference on Machine Automation,Tampere,Finland,1998:231-242.
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18 杨世友,卓斌,刘启华.改善现代轿车汽油机燃油经济性的试验研究[J].内燃机工程,2000,(04)
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21 徐中明,罗卫东.汽车动力性和燃油经济性的计算机模拟与传动系参数优化设计[J].山地农 业生物学报,1995,(01)
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24 张京明,温新.汽车动力性与燃料经济性评价指标的研究[J].山东工程学院学报,1997,(02)
25 张红奎,丁芳玲,蔡继元.内燃机油燃料经济性及试验方法[J].汽车工艺与材料,2004,(09)
26 M.A.AL-Mayorf,S.R.Alwash,M.F.Bonniya.Finite Element Analysis of Linear Induction Motor.Part Ⅰ.Proc.of ICEM,1986:521-525
27 Koji Tani,Takashi Yamad.Dynamic Analysis of Linear Actuator Taking into Account Eddy Currents Using Finite Element Method and 3-D Mesh Coupling Method.IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(3):1785-1788
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29 李菊梅,陈奕,孔江生.内燃机台架试验曲线的MATLAB拟合解[J].水利电力机械,2006,(05)
30 杨振中,孙永生.最佳过量空气系数优化控制氢发动机性能的建模实现[J].内燃机工程,2006,(03)
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34 赵新顺,曹会智,温茂禄,孙协胜:HCCI技术的研究现状与展望.内燃机工程,2004(4):73-76.
35 杨为琛,孙逢春,串联型混合电动大客车控制策略及其仿真研究.北京理工大学学报,2002(04):449-452。
36 霍炜,张铁柱,赵红.单缸轴向液压约束活塞发动机的输出特性仿真.农业机械学报,2006(9):32-35.
37 广濑久士,丹下昭二,金东瀛.电动车及混合动力车的现状与展望[J].汽车工程,2003,(02):204-209.
38 张铁柱,张洪信,张继忠等.约束活塞型内燃式柔性动力系统.内燃机科技(中国内燃机学会2005年学术年会会议论文集特邀报告).武汉:华中科技大学出版社,2005:92-95.
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41 张洪信,戴作强,张翼.轴向液压约束活塞发动机工作原理与运转平稳性.中国机械工程,2006,17(5).
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46 吴锋,强永平.4102增压柴油机性能模拟计算.车用发动机,2002(2):16-19.
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49 杜慧勇,李民,刘建新,赵致和.MATLAB语言在内燃机万有特性研究中的应用.洛阳工程学院学报,2001,22(4):32-34
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51 阎秀恪,谢德馨,高彰燮,于存湛.电磁力有限元分析中麦克斯韦应力法的积分路径选取的研究.电工技术学报,2003(05):32-36.
52 陈棣湘,潘孟春,罗飞路.高速磁浮列车电磁力的软测量技术.电机与控制学报,2006(03):234-237.
53 朱辉,王丽清,张幽彤,等.用MATLAB/Simulink实现柴油机及其控制系统的动真,1998,(3),314-318
54 柴光远,韩江桂,刘伶腾.柴油机排气系统温度的动态仿真.拖拉机与农用车,2001,(3):8-10
55 刘孟祥,龚金科,隆曙红,等.基于Simulink内燃机Vibe燃烧规律的建模与仿真技术研究.湖南大学学报(自然科学版),2001,28(3):41-45
56 陈棣湘,潘孟春,罗飞路,田武刚,胡媛媛.高速磁悬浮列车电磁场的模拟计算.国防科技大学学报,2003(04):76-78.
57 戴魏,余海涛,胡敏强.基于虚功法的直线同步电机电磁力计算.中国电机工程学报,2006(22):110-114.
58 尹必峰,韦锦祥,杨荣华,徐毅,束卫兵.小缸径直喷式柴油机整机性能模拟计算与分析.小型内燃机与摩托车,2007(02):24-26.
59 李庆雷,王先逵,吴丹,刘成颖,石忠东.永磁同步直线电机推力及垂直力的有限元计算.清华大学学报(自然科学版),2000(05):20-23.
60 陈宇明,金能强.直线同步电机的磁场与力特性分析.电工电能新技术,2002(01)26-28.
61 杨波,温嘉斌,高阳,李谦祥.直线永磁往复式发电机的磁场和电磁力的有限元分析.防爆电机,2006(02):28-31.
62 杨波.稀土永磁往复式直线发电机的研究[D]哈尔滨理工大学,2006
63 缑亚楠,张铁柱.单缸电力约束活塞发动机的汽缸工质压强的燃烧模拟分析.现代制造技术与装备,2007(06):52-53.
64 缑亚楠,张铁柱,王晓静,霍炜.单缸电力约束活塞发动机的工作原理及其建模分析.新技术新工艺,2008(02):13-15.