【摘 要】
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随着能源消耗平均每年增长1.7%,到2040年,全球预计消耗815万亿Btu,提高能源效率和减少化石能源消耗已成为世界范围内的重要问题。通常,内燃机(ICE)的热效率仅为20%-45%,其余的能量以各种形式损失。因此,从ICE中回收废热是提高ICE效率的有效方法。有机朗肯循环(ORC)在内燃机余热回收方面具有巨大的优势,而自由活塞膨胀机有摩擦损失小,结构简单,可靠性好等优点。因此自由活塞膨胀机对改
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随着能源消耗平均每年增长1.7%,到2040年,全球预计消耗815万亿Btu,提高能源效率和减少化石能源消耗已成为世界范围内的重要问题。通常,内燃机(ICE)的热效率仅为20%-45%,其余的能量以各种形式损失。因此,从ICE中回收废热是提高ICE效率的有效方法。有机朗肯循环(ORC)在内燃机余热回收方面具有巨大的优势,而自由活塞膨胀机有摩擦损失小,结构简单,可靠性好等优点。因此自由活塞膨胀机对改善内燃机ORC余热回收系统的性能具有重要的意义。本文以提高车用内燃机热效率和降低排放为目标,首先,利用GTSuite/Simulink仿真软件,基于自由活塞膨胀机-直线发电机(FPE-LG)试验台架搭建了仿真模型,由于仿真结果与实验结果吻合良好,证明了仿真模型的准确性。基于仿真模型,对FPE-LG的工作机理进行深入分析,探究进气温度、进气压力、外接负载电阻等参数对FPE-LG运行特性的影响。研究结果表明:当进气温度和进气压力增加时,缸内容积增加。此外,位移、速度和加速度也随着进气温度的升高而增加。随着进气温度和进气压力的增加,FPE-LG的峰值输出电压线性增加,峰值输出电压对进气压力比进气温度更敏感。此外,进气压力越高,进气温度对峰值输出电压的影响就越明显,最大输出电压可以达到23.6 V。随着外接负载电阻的增加,峰值输出功率先增加然后减小。当外接负载电阻为9Ω,进气温度为373 K时,最大峰值输出功率可以达到22.23 W。基于GT-Suite/Simulink软件建立的FPE-LG的仿真模型,对联合系统的关键结构参数进行敏感性分析,然后以系统峰值输出功率最大为优化目标,采用遗传算法同时对三个关键结构参数进行了优化。研究结果表明:膨胀机气缸直径对系统峰值输出功率的主效应水平最高,其次为气缸长度,最后是余隙容积。膨胀机余隙容积和气缸长度的主效应水平相当,对系统峰值输出功率的影响较小。当运行频率为2 Hz,系统峰值输出功率最大,其值为25.57 W。当运行频率为4 Hz,系统净增长峰值输出功率最大,其值为1.62 W。所以优化系统关键结构参数后,可以改善系统性能。为了探究FPE-LG的气缸长度、气缸直径、运行频率和外接负载电阻对ORC系统运行性能的影响,搭建了以FPE-LG为膨胀机的ORC系统仿真模型。研究表明:在气缸长度为600 mm,气缸直径为80 mm的条件下,当运行频率从10Hz增加到22 Hz,活塞位移和速度呈现了先增大后减小的变化趋势。当运行频率为18 Hz时,活塞速度达到了最大值36.78 m/s,电磁力达到了最大值为1311.92 N,电磁力与速度的变化趋势是一致的。当运行频率为18 Hz时,其热效率和余热回收效率都达到了最大值,其值分别3.81%和3.48%。
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