自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法

摘要

本发明涉及一种自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计方法，属于动力机械技术领域。本方法引入了等效转速变换法，得到单循环位移曲线、单循环速度曲线，结合一般传统二冲程回流扫气系统气口参数设计，系统性地解决了自由活塞内燃发电机回流扫气系统气口参数设计问题，其设计结果可使扫气系统的扫气效率和燃料捕捉效率均达到较佳水平，扫气效率可达80%以上。从而提升自由活塞内燃发电机总体性能，同时能缩短设计周期，提高工作效率。

主权项

自由活塞内燃发电机回流扫气系统的气口参数设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤一，根据任务给定的待设计自由活塞内燃发电机的设计参数，从中获取七个设计参数：缸径D、有效行程长度L_e、最大行程长度L_max、运动组件质量m、燃烧起始距离L_i、循环输入能量E_in、电磁负载系数C_e；步骤二，将步骤一得到的七个设计参数同时输入自由活塞内燃发电机仿真模型，经过仿真运行，得到待设计自由活塞内燃发电机的运动组件单循环位移曲线、单循环速度曲线；步骤三，查询行业技术标准中比时面值和气口宽度缸径率的范围，分别在排气口期望比时面值Z_be、扫气口期望比时面值Z_bs和提前排气期望比时面值Z_bf的取值范围内任意选取一个值，作为扫气口、排气口和提前排气的比时面值设计期望值；在排气口宽度缸径率b_e、扫气口宽度缸径率b_s的取值范围内任意选取一个值，作为排气口、扫气口的宽度缸径率设计期望值；步骤四，将步骤二得到的单循环位移曲线、单循环速度曲线转化为等效转速曲线：$\omega =\frac{30v}{\mathrm{\pi R}(\sin \alpha +\frac{\lambda }{2}\sin 2\alpha )}$其中，ω为等效转速，R为单循环位移曲线一周期内最大值与最小值之差的二分之一，v为单循环速度曲线中描述的活塞运动速度，α为v值对应横轴角度，λ＝0.3；步骤五，计算步骤四得到的等效转速曲线在待设计自由活塞内燃发电机的换气阶段积分平均等效转速ω_avg；${\omega }_{\mathrm{avg}}=\frac{{\alpha }_2-{\alpha }_1}{{\int }_{{\alpha }_1}^{{\alpha }_2}\frac{1}{\omega }\mathrm{d\alpha }}$其中，α₁为换气阶段开始时刻位移曲线对应横轴角度值，α₂为换气阶段结束时刻位移曲线对应横轴角度值；步骤六，根据步骤三得到的扫气口、排气口和提前排气的比时面值设计期望值和步骤五得到的换气阶段积分平均等效转速，计算扫气口、排气口和提前排气的气口参数；气口参数的具体计算方法为:步骤6.1，计算扫气口、排气口和提前排气的配气相位角$A_e=\frac{{\omega }_{\mathrm{avg}}D}{{\xi }_e{b}_e}{Z}_{\mathrm{be}},A_f=\frac{{\omega }_{\mathrm{avg}}D}{{\xi }_f{b}_e}{Z}_{\mathrm{bf}}$$\begin{array}{c}{N}_e=0.2478+\frac{1}{250}\sqrt{542.89-{(19.3-\frac{2}{\lambda })}^2}+\\ 4.45A_e\times {10}^{11}\end{array}$式中，ξ_e、ξ_s、ξ_f分别为排气口、扫气口和提前排气的比时面值修正数，ξ_e＝ξ_s＝0.96，ξ_f＝0.9；分别为排气口、扫气口和提前排气的配气相位角；步骤6.2，根据得到的值，计算高度行程率；h_f＝h_e‑h_s式中h_e、h_s、h_f分别为排气口、扫气口和提前排气的高度行程率；步骤6.3，计算排气口、扫气口和提前排气的气口高度：H_e＝Sh_e,H_s＝Sh_s$H_{0e}=\frac{H_e}{\sin {\gamma }_e},H_{0s}=\frac{H_s}{\sin {\gamma }_s}$式中，H_e、H_s分别为排气口、扫气口垂直于气流方向上的高度，H_0e、H_0s分别为排气口、扫气口沿气缸轴向上的实际气口高度，S为自由活塞内燃发电动力系统的实际行程；γ_e、γ_s分别为排气口、扫气口仰角，取70°～90°；步骤6.4，根据步骤6.3所得扫气口、排气口和提前排气的高度，更新自由活塞内燃发电机的有效行程值：L_{e_new}＝L_max‑H_0e‑L_r式中，L_{e_new}为更新的气缸有效行程值；L_max为气缸最大行程；L为更新前的上止点处活塞顶至缸盖的距离；步骤6.5，计算排气口宽度B_e及进气口宽度B_s：B_e＝D·b_eB_s＝D·b_s步骤6.3所得H_0e、H_0s和步骤6.5所得B_e、B_s即为最终获得的扫气口、排气口和提前排气的气口参数，L_{e_new}即新的最大行程值。