自由活塞膨脹機-直線發電機平穩性研究*

李頓 彭寶營

（北京信息科技大學，北京 100192）

主題詞：自由活塞膨脹機-直線發電機 振動幅值 平穩性 輸出電壓

1 前言

汽車燃料燃燒所產生的能量只有小部分用于做功，大部分通過發動機的排氣、冷卻系統和機械摩擦損失。因此，汽車廢氣能量的有效利用可為汽車節能提供新的方案[1-3]。有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）[4-7]憑借其高效的余熱利用、簡單的系統結構及環保等眾多優勢成為車輛降低油耗、有效利用排氣余熱的研究焦點。Hou[8-12]等人建立了有機朗肯循環系統自由活塞膨脹機-直線發電機（Free Piston Expander-Linear Generator，FPE-LG）試驗臺，研究了外部負載電阻對FPE-LG指示效率、運動特性和輸出性能的影響。田亞明[13]等展開了進氣壓力、運行頻率及外部負載電阻對FPE-LG輸出功率和能量轉換效率影響的研究，結果表明：進氣壓力的提高對（功-電轉化）效率并無太大影響，隨著進氣壓力的增大，均方根電壓和峰值電流變大；增大外部負載的電阻，FPE-LG系統的能量轉換效率大幅提高。上述大多側重于對自由活塞膨脹機-直線發電機系統外接負載時的工作特性和效率以及運動特性的研究，卻未曾對FPE-LG 系統本身的平穩性進行研究。FPE-LG平穩性分為運動平穩和輸出平穩，二者分別從系統振動特性和輸出電壓變化中體現且相互影響，相互制約。故本文基于自由活塞膨脹機摩擦損失小、結構緊湊、密封性能優異、膨脹比易控的優點，研發搭建FPE-LG試驗臺并探究了不同膨脹時間對于FPE-LG系統振動特性的影響，研究了系統的輸出電壓隨不同外部工況的變化規律。

2 FPE-LG試驗臺及工作原理

2.1 試驗裝置

FPE-LG試驗臺如圖1所示，主要由氣缸、溫度傳感器、壓力傳感器、電磁閥、張力控制器、三相整流器、直線發電機、電壓衰退模塊通道跟隨器、加速度傳感器、位移傳感器等部件組成。

圖1 FPE-LG試驗臺

2 臺單活塞自由活塞膨脹機對置于直線發電機兩側，直線發電機動子與兩側氣缸中的活塞通過連桿耦合在一起，構成自由活塞連桿組件，兩側活塞往復交替運動，帶動直線電機動子切割磁感線對外輸出電能，整流器對產生的電流進行校正后，電流流向負載一端。采用東華采集系統測量電流、電壓、電能的實時變化情況。溫度傳感器、壓力傳感器分別測量氣缸內進氣、排氣時的缸內溫度和壓力。部件參數如表1所示。

表1 FPE-LG部件的主要參數

2.2 工作原理設計

FPE-LG系統原理如圖2所示。將自由活塞所能到達的氣缸左極限位置稱為左止點，亦為機械上止點；自由活塞所能到達的氣缸右極限位置稱為右止點，亦為機械下止點。自由活塞膨脹機通過電磁閥控制氣缸進、排氣門的開閉，進而控制壓縮氣體工質在氣缸內的進氣和排氣?；竟ぷ鬟^程為：當兩側自由活塞膨脹機氣缸內氣體流動過程為左側進氣、右側排氣時，氣缸左、右兩側產生氣壓差，活塞在兩氣缸的左∕右止點之間往復運動。為了避免活塞與氣缸蓋間的碰撞以保證系統穩定運行，控制系統必須精確控制活塞運行的位置，本文使用較時間控制更為穩定可靠的位置控制來控制自由活塞的運動，通過運動控制卡獲得活塞的最大行程來確定活塞運行的左∕右止點，通過改變左∕右止點的位置調節活塞運行的行程。壓縮空氣在氣缸內膨脹，為活塞組件提供動力，促使直線發電機往復循環運動，所產生的電能通過整流器進行校正，最后流向輸出端。高壓氣體能量的充分利用，使直線發電機源源不斷地對外輸出電能，保證了FPE-LG系統穩定、高效率地工作。

圖2 FPE-LG系統原理

3 試驗結果及分析

3.1 膨脹時間較短時FPE-LG的振動特性

利用東華系統采集FPE-LG 運行過程中氣缸內壓力的變化情況如圖3 所示，FPE-LG 系統的工作過程分為進氣過程、膨脹過程和排氣過程。壓縮氣體工質在氣缸內膨脹時，缸內氣壓隨時間變化呈現周期性變化。隨著時間的推移，系統振動信號呈周期性變化。

圖3 自由活塞膨脹機缸內壓力變化情況

對采集的振動時域信號進行快速傅里葉變換后得到FPE-LG 系統在不同進氣壓力和膨脹時間下的振動頻率。當膨脹時間在15 ms 以下時，將進氣壓力由0.2 MPa 調整至0.5 MPa，FPE-LG 系統的振動規律如圖4a～圖4c所示，隨著進氣壓力的增大，振動幅值變大，當進氣壓力從0.2 MPa 增加至0.5 MPa，膨脹時間為7 ms時，振動幅值由79.536 mm 增加到89.325 mm。這是由于膨脹時間相同條件下，進氣壓力增大后，壓縮氣體在氣缸內膨脹時對自由活塞組件施加的力逐漸增大，導致往復運動的平穩性降低。如圖4d 所示，在相同進氣壓力（0.2 MPa）下，隨著膨脹時間從5 ms 增加到13 ms，FPE-LG 系統的振動幅值從96.130 mm 減小至53.349 mm。當進氣壓力不變時，膨脹時間越長，氣體在氣缸內獲得膨脹越充分，活塞受進氣壓力的驅動到達機械下止點時的速度越慢，FPE-LG系統的運動越平穩。

圖4 不同工況下的振動幅值

3.2 膨脹時間較長時FPE-LG的振動特性

如圖5 所示，當FPE-LG 系統膨脹時間在15 ms 及以上時，由于直線電機本身的穩定運行機制幾乎能夠消除膨脹時間較長所帶來的不穩定運行因素，加之膨脹時間更長，壓縮氣體可以在氣缸內得到充分膨脹，活塞部件的沖程和回程時間也會越來越充足，即此時活塞在氣缸內的行程隨膨脹時間的延長而增加。壓縮氣體進氣完成后，氣缸內壓力變小，此時活塞部件運動速度會提高，進氣壓力一定時，膨脹時間越長，氣缸內壓縮氣體就越多。對比膨脹時間15 ms 和45 ms 時可知，當膨脹時間較長時，進氣壓力和膨脹時間的變化對FPE-LG系統的振動幅值無顯著影響。此時振動幅值在53.349 mm左右且波動極小。

圖5 膨脹時間較長時的振動幅值

3.3 不同工況下FPE-LG的輸出電壓變化

圖6 所示為不同工況下FPE-LG 系統的輸出電壓。FPE-LG 系統在不同進氣壓力和膨脹時間下呈現不同的運動平穩性，而對于整個系統而言，峰值輸出電壓是最具有參考意義且能衡量系統能量輸出優劣的參數。由圖6a 可知，FPE-LG 系統的輸出電壓隨時間增加呈現類正弦-余弦的變化規律，輸出電壓峰值在1 個周期內出現忽高忽低現象是由于自由活塞組件的正向速度與負向速度大小一致。如圖6b 所示，膨脹時間在15 ms 以下時，隨著進氣壓力增大，FPE-LG 系統的峰值輸出電壓變大。進氣壓力的增大提高了整個活塞組件的速度，使組件獲得更大的位移，提高了往復運動過程中的行程利用率。而隨著膨脹時間延長，系統的峰值輸出電壓降低。如圖6c 所示，在進氣壓力不變時，FPE-LG 系統峰值輸出電壓隨膨脹時間的變化趨勢相對平緩并最終趨于穩定。膨脹時間的變長可在一定程度上滿足不同進氣壓力下壓縮氣體的充分膨脹，FPE-LG 系統的峰值輸出電壓變化趨勢更加平穩，此時系統的輸出平穩性也隨之增強。但是，當膨脹時間相同時，系統的峰值輸出電壓隨進氣壓力的增大而增大。

圖6 不同工況下的峰值輸出電壓

4 結束語

本文建立了FPE-LG系統試驗臺，同時研究了不同進氣壓力和膨脹時間對FPE-LG 系統的振動特性及輸出電壓變化的影響，利用快速傅里葉變換得到系統振動頻率與振動幅值的關系，最后分析了FPE-LG 系統的峰值輸出電壓在不同進氣壓力和膨脹時間下的變化規律，得到關于FPE-LG 系統平穩性相關結論如下：進氣壓力和膨脹時間對FPE-LG 系統的振動頻率不產生影響；在膨脹時間小于15 ms 時，隨進氣壓力增加，FPE-LG 系統的振動幅值增加，運動平穩性降低，而在相同進氣壓力下，系統運動平穩性隨膨脹時間的縮短而減弱，當膨脹時間大于15 ms 時，系統的振動幅值變化平穩，系統運動平穩性增強；保持膨脹時間不變時，FPE-LG 系統峰值輸出電壓隨進氣壓力的增大而增大，當進氣壓力不變時，隨著膨脹時間的延長，系統的峰值輸出電壓減小，膨脹時間大于15 ms時的峰值輸出電壓變化速度明顯小于膨脹時間不超過15 ms 時峰值輸出電壓的變化速度，當峰值輸出電壓變化趨于平穩時，系統的輸出平穩性增強。