車用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)(補(bǔ)充修改稿)

1、車用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)孔令斌摘要:本文介紹的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng), 通過向處于等溫膨脹 過程相位的工作腔加注工質(zhì), 實(shí)現(xiàn)起動(dòng)運(yùn)行; 通過向處于等溫壓縮過程相位的工 作腔加注工質(zhì), 實(shí)現(xiàn)制動(dòng)運(yùn)行; 通過向所有工作腔加注或泄減工質(zhì), 同時(shí)增大或 減小燃油和空氣供給量, 實(shí)現(xiàn)加速或減速運(yùn)行。 起動(dòng)制動(dòng)由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相位信號(hào) 和輸入的信號(hào)控制。 加速減速由工質(zhì)均衡器室的壓力升降控制。 用于汽車, 斯特 林發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)信號(hào)、 起動(dòng)時(shí)的空氣燃油供給信號(hào)、 點(diǎn)火信號(hào)都由同一開關(guān)控制; 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的加速信號(hào)由加速踏板控制; 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的減速信號(hào)、 制動(dòng)信號(hào)、 車輪制動(dòng)信號(hào)都由制動(dòng)踏板控制。

2、操作規(guī)程與內(nèi)燃機(jī)汽車基本相同。 這種汽車的 發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛同時(shí)制動(dòng)新技術(shù),提高了車輛安全性。關(guān)鍵詞:汽車;斯特林發(fā)動(dòng)機(jī);起動(dòng);制動(dòng)1. 引言早在上世紀(jì) 30年代,歐美國家就試圖將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)用作汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 1。 但是, 體積大、 密封難這兩大障礙始終阻礙其發(fā)展 23。 盡管如此, 直到 70年代, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)仍被認(rèn)為是很有前途的車用發(fā)動(dòng)機(jī) 1。進(jìn)入 80年代,以上觀點(diǎn)發(fā) 生了轉(zhuǎn)變, 1982年 3月,在英國倫敦里丁大學(xué)召開的第一屆國際斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) 學(xué)術(shù)會(huì)議認(rèn)為:在車用發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不能與內(nèi)燃機(jī)競爭, 其發(fā)展方 向確定為功率大約 50KW 以內(nèi)的低功率發(fā)動(dòng)機(jī),應(yīng)用于水下動(dòng)力、垃圾填埋

3、氣 發(fā)電、熱電聯(lián)供、太陽能熱發(fā)電等領(lǐng)域 4。2007年 12月,中國人發(fā)明的斯特林可逆熱機(jī)消除了體積大、密封難這兩大 障礙 5。斯特林可逆熱機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊,相同工作容積,其整機(jī)體積不及內(nèi)燃機(jī) 的一半, 零件減少三分之一以上。 斯特林可逆熱機(jī)采用兩級密封技術(shù), 將動(dòng)密封 轉(zhuǎn)變?yōu)殪o密封, 做到可靠密封。 這兩個(gè)問題得到解決, 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)其他優(yōu)勢就 充分顯現(xiàn)。斯特林可逆熱機(jī)作發(fā)動(dòng)機(jī),除了具有斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)固有的節(jié)能環(huán)保無噪音等 優(yōu)勢外, 獨(dú)特的起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)更提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、 經(jīng)濟(jì)性和操 作性能。在此方面,不僅內(nèi)燃機(jī)不能與之相比,就是 Kockums 公司 V4-275R 發(fā) 動(dòng)機(jī)和菲

4、利浦公司 4-235發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)也沒有如此簡潔高效 4 6。起動(dòng)運(yùn)行 是在燃燒供熱開始的同時(shí), 向處于等溫膨脹過程的工作腔加注工質(zhì), 膨脹壓力增 高, 發(fā)動(dòng)機(jī)迅速起動(dòng); 制動(dòng)運(yùn)行是在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí), 向處于等溫壓縮過程的 工作腔加注工質(zhì), 發(fā)動(dòng)機(jī)迅速減速; 工況控制是通過同步增減處于運(yùn)行狀態(tài)發(fā)動(dòng) 機(jī)工作腔的工質(zhì)和燃油空氣供給量, 使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率相應(yīng)增減, 而熱機(jī)效率保 持基本不變。而內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)靠專用的起動(dòng)電機(jī),沒有工質(zhì)制動(dòng)的良好條件,工況控制只有 增減燃油量一條途徑, 燃料過多時(shí)燃燒不完全, 熱機(jī)效率波動(dòng)大。 曾經(jīng)擁有的競 爭優(yōu)勢已喪失,被斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)取代是必然趨勢 7。斯特林可逆熱機(jī)

5、的起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)的工作原理是利用工質(zhì)均衡器室 的壓力是各工作腔控制基準(zhǔn)和等溫過程的壓力波動(dòng)規(guī)律。2. 起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)2.1系統(tǒng)構(gòu)成及運(yùn)行起動(dòng)制動(dòng)及工況控制系統(tǒng)由高壓工質(zhì)罐、起動(dòng)制動(dòng)控制器、工質(zhì)均衡器室、 圖 1 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)Fig.1 The control system of the stirling engine減速閥、加速閥、減壓閥一、減壓閥二、回壓閥、低壓工質(zhì)罐、工質(zhì)增壓泵 等 10個(gè)部件組成,由起動(dòng)制動(dòng)控制信號(hào)、轉(zhuǎn)子相位信號(hào)、工況控制信號(hào)等 3個(gè) 信號(hào)源控制,完成起動(dòng)、加速、減速、停機(jī)等 4種操作。各部件的連接關(guān)系如圖 一所示。 方框代表部件或信號(hào), 箭頭方向

6、代表工質(zhì)流動(dòng)方向或信號(hào)傳遞方向。 各 部件的構(gòu)成及功能列入表一。 高壓工質(zhì)罐有 3個(gè)流出端口和 1個(gè)流入端口。 1個(gè)流出端口與起動(dòng)制動(dòng)控制 器連接; 1個(gè)流出端口與減壓閥二連接; 1個(gè)流出端口與減壓閥一連接;流入端 口與工質(zhì)增壓泵連接。起動(dòng)制動(dòng)控制器由 4個(gè)單向閥和 1個(gè)接收轉(zhuǎn)子相位信號(hào)和起動(dòng)制動(dòng)控制信號(hào)、 控制 4個(gè)單向閥開關(guān)的裝置組成。 4個(gè)單向閥的進(jìn)口端連接高壓工質(zhì)罐,出口端 分別連接 4個(gè)工作腔。工質(zhì)均衡器室是將 4個(gè)工質(zhì)均衡器封閉在內(nèi)的 1個(gè)密閉容器,分別與減速閥 的進(jìn)口端和加速閥的出口端連接,并有 1 個(gè)控制燃油量和空氣量的壓力信號(hào)輸 出口。 4個(gè)工質(zhì)均衡器分別連接 4個(gè)工作腔。減

7、速閥是進(jìn)口端與工質(zhì)均衡器室連接,出口端與低壓工質(zhì)罐連接的閥門。開 閉受工況控制信號(hào)控制。加速閥是進(jìn)口端與減壓閥二連接,出口端與工質(zhì)均衡器室連接的閥門。開閉 受工況控制信號(hào)控制。減壓閥一的進(jìn)口端與高壓工質(zhì)罐連接,出口端與二級密封腔連接。減壓閥二的進(jìn)口端與高壓工質(zhì)罐連接,出口端與加速閥連接?；貕洪y的進(jìn)口端與二級密封腔連接,出口端與低壓工質(zhì)罐連接。低壓工質(zhì)罐分別與減速閥的出口端、回壓閥的出口端、工質(zhì)增壓泵的進(jìn)口端 連接。工質(zhì)增壓泵的進(jìn)口端與低壓工質(zhì)罐連接,出口端與高壓工質(zhì)罐連接。工質(zhì)均衡器室的壓力成了四個(gè)工作腔工質(zhì)量和燃油空氣量的控制基準(zhǔn),與二 級密封腔壓力已經(jīng)沒有關(guān)系。 工質(zhì)均衡器室可以安裝在二級

8、密封腔外, 與工作腔 的接口開在回?zé)崞鞯牡蜏囟恕?回?zé)崞魇撬固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件, 工質(zhì)在回?zé)崞?內(nèi)的流變特性,對斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大 8。現(xiàn)代斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞鞫际?采用金屬絲網(wǎng)蓄熱的設(shè)計(jì)方式 9。沒有充分利用四缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在同一時(shí)間, 各工作腔分別處于不同的熱力學(xué)過程, 既有處于放熱過程的, 又有處于吸熱過程 的,且工質(zhì)流向相反的特點(diǎn)。也就是沒有利用逆流換熱效果最好的客觀規(guī)律 10。 其實(shí), 只要將每個(gè)工作腔的兩氣缸用若干根金屬管連接, 四個(gè)工作腔的金屬管中 部均勻分散緊貼,熔為一體,彼此之間能進(jìn)行熱交換,再外包絕熱層。就是熱交 換式回?zé)崞鳌?用于大功率發(fā)動(dòng)機(jī), 熱交換式回?zé)崞鞅刃顭?/p>

9、式回?zé)崞鞲×稀?高效、 低成本,工質(zhì)流變性也會(huì)更好。也有利于控制系統(tǒng)的運(yùn)行。該斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)部件體積小,便于布置,易于操控。工質(zhì)是完成起 動(dòng)制動(dòng)及工況控制的執(zhí)行者。 起動(dòng), 工質(zhì)由高壓工質(zhì)罐流入處于等溫膨脹過程的 工作腔;制動(dòng),工質(zhì)由高壓工質(zhì)罐流入處于等溫壓縮過程的工作腔;加速,工質(zhì) 由高壓工質(zhì)罐經(jīng)減壓閥二、加速閥、工質(zhì)均衡器單向閥流入 4個(gè)工作腔;減速, 工質(zhì)從 4個(gè)工作腔經(jīng)工質(zhì)均衡器安全閥、減速閥流入低壓工質(zhì)罐。工質(zhì)經(jīng)減壓閥一流入回壓閥關(guān)閉的二級密封腔,壓力值由減壓閥一設(shè)定,并 和 4個(gè)工作腔內(nèi)的壓力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡, 實(shí)現(xiàn)可靠密封。 這是起動(dòng)制動(dòng)及工況控制 有效進(jìn)行的保證。起動(dòng)運(yùn)行時(shí)

10、,給起動(dòng)制動(dòng)控制器輸入向處于等溫膨脹過程相位的工作腔注入 工質(zhì)的信號(hào)。 起動(dòng)制動(dòng)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子相位信號(hào), 確認(rèn)處于等溫膨脹過程相位的 工作腔, 并開啟相應(yīng)閥門。 工質(zhì)從高壓工質(zhì)罐流入處于等溫膨脹過程相位的工作 腔,腔內(nèi)壓力升高,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。制動(dòng)運(yùn)行時(shí),給起動(dòng)制動(dòng)控制器輸入向處于等溫壓縮過程相位的工作腔注入 工質(zhì)的信號(hào)。 起動(dòng)制動(dòng)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子相位信號(hào), 確認(rèn)處于等溫壓縮過程相位的 工作腔, 并開啟相應(yīng)閥門。 工質(zhì)從高壓工質(zhì)罐流入處于等溫壓過程相位的工作腔, 腔內(nèi)壓力升高,阻止活塞運(yùn)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。加速運(yùn)行時(shí),開啟加速閥,工質(zhì)流入工質(zhì)均衡器室,壓力升高,自動(dòng)打開工 質(zhì)均衡器的單向閥

11、, 工質(zhì)流入工作腔。 與此同時(shí), 壓力升高的信號(hào)傳到燃油和空 氣供給系統(tǒng),燃油和空氣供給量同步增加,發(fā)動(dòng)機(jī)加速。減速運(yùn)行時(shí),開啟減速閥,工質(zhì)由工質(zhì)均衡器室流入低壓工質(zhì)罐,工質(zhì)均衡 器室的壓力降低。 壓力降低到工質(zhì)均衡器的安全閥開啟所需壓差時(shí), 工作腔內(nèi)的 工質(zhì)從安全閥溢流到工質(zhì)均衡器室。 與此同時(shí), 壓力降低的信號(hào)傳到燃油和空氣 供給系統(tǒng),燃油和空氣供給量同步減少,發(fā)動(dòng)機(jī)減速。2.2起動(dòng)制動(dòng)原理斯特林可逆熱機(jī)的 4個(gè)工作腔,無論何時(shí)都分別處于斯特林循環(huán) 4個(gè)熱力學(xué) 過程。 處于等容吸熱過程和等容放熱過程的工作腔, 兩個(gè)活塞對熱機(jī)轉(zhuǎn)子的扭矩 方向相反,二者大體平衡,可以認(rèn)為不輸出功;處于等溫膨脹

12、過程的工作腔,兩個(gè)活塞對熱機(jī)轉(zhuǎn)子的扭矩方向相同, 都為正, 輸出功為正; 處于等溫壓縮過程的 工作腔,兩個(gè)活塞對熱機(jī)轉(zhuǎn)子的扭矩方向相同,都為負(fù),輸出功為負(fù) 11。 發(fā)動(dòng)機(jī) 起動(dòng)的條件是處于等溫膨脹過程的工作腔壓力大于處于等溫壓縮過程的工作腔 壓力。增大工作腔壓力的方法只有兩種:一是供熱,二是增加工質(zhì)。如果 4個(gè)工作腔的工質(zhì)始終等量,供熱就能使處于等溫膨脹過程的工作腔壓 力大于處于等溫壓縮過程的工作腔壓力, 發(fā)動(dòng)機(jī)就能起動(dòng)。 而 4個(gè)工作腔的工質(zhì) 始終等量是不可能的, 僅靠供熱起動(dòng)困難。 向處于等溫膨脹過程的工作腔加注工 質(zhì), 發(fā)動(dòng)機(jī)就能迅速起動(dòng)。 制動(dòng)過程正好相反, 向處于等溫壓縮過程的工作腔

13、加 注工質(zhì),壓力達(dá)到處于等溫膨脹過程工作腔的壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。2.3工況控制原理斯特林可逆熱機(jī)的工質(zhì)均衡器限定各工作腔相同的工作壓差,并以工質(zhì)均衡 器室的壓力為控制基準(zhǔn)。 在熱量流入端溫度和熱量流出端溫度確定的前提下, 工 質(zhì)均衡器室的壓力值反映了參與作功的工質(zhì)量, 也就反映了輸出功率的值。 因?yàn)?兩者是同增共減的關(guān)系, 所以工質(zhì)均衡器室的壓力值也是發(fā)動(dòng)機(jī)工況的較好控制 基準(zhǔn)。 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是工質(zhì)調(diào)控工況, 與內(nèi)燃機(jī)溫度調(diào)控工況相比, 有更高的熱 機(jī)效率和更好的工況特性。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工況,都有與之對應(yīng)的工質(zhì)均衡器室壓力值。而每個(gè)工質(zhì)均衡 器室壓力值, 有若干個(gè)相對應(yīng)的工況。 選擇各壓力值對應(yīng)的

14、最佳工況, 使發(fā)動(dòng)機(jī) 盡量在最佳工況下運(yùn)行。 什么是最佳工況呢?熱量流入端溫度和熱量流出端溫度 都是設(shè)計(jì)溫度的工況,就是最佳工況。如人為升高工質(zhì)均衡器室壓力,而不增大燃油供給量,這時(shí)工質(zhì)流入各工作 腔, 工質(zhì)密度增大, 也就增大了熱量流量, 供熱溫度要降低, 熱機(jī)效率隨之而降, 輸出功率也要降低。 這種工況就不是最佳工況。 必須相應(yīng)增大燃油和空氣供給量, 使熱量流入端溫度不降低,熱量流出端溫度不升高。因此,確定各工質(zhì)均衡器室壓力值對應(yīng)的最佳工況的燃油和空氣供給量是很 重要的工作。所謂工況控制,就是保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于或接近最佳工況。3. 車用前景展望斯特林可逆熱機(jī)的功率以電流輸出, 具有發(fā)展電動(dòng)車的天然優(yōu)勢。 取締傳統(tǒng) 的變速器, 配置電機(jī)電控裝置和超級電容器就成了電動(dòng)車。 斯特林可逆熱機(jī)、 電 機(jī)電控裝置、 超級電容器才是汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)! 動(dòng)力電池的重要性不及 超級電容器! 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力汽車是汽車工業(yè)的合理選擇。 但在很長的過渡期 內(nèi), 配置變速器的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力汽車還是有市場。 可借用磁力攪拌高壓反應(yīng) 釜的磁力傳動(dòng)裝置, 能在可靠密封的前提下, 將熱機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力傳到變速器。 還 可采用機(jī)械密封裝置直接將熱機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力傳到