阅读说明：本技术 一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法 (Prediction method for power generation efficiency of two-stage compression expansion generator ) 是由 韩笑 刘龙 刘俊杰 梅齐昊 赵豪 许智淳 唐元亨 安琛 于 2021-06-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法,将发动机工作过程具体分为第一压缩、第二压缩、中冷、燃烧、膨胀、膨胀六个阶段,每个阶段取步长为0.1,与混合加热理想循环每个阶段相对应,进行迭代求解,将得到的压力进行积分计算,求出工作过程的有效功W,再根据有效功W与总投入热量Q-(total)的比值求出有效热效率,与所耦合电机的效率相乘,即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率；本发明不局限于某一特定运行工况,并且对发动机具体型号依赖相对较小,相比CFD模型计算速度相对较快,可广泛应用于工作过程仿真,进行发动机性能预测、故障诊断等方面的研究,为更广范围的发电机热效率优化设计提供了数值预测手段。(The invention provides a method for predicting the power generation efficiency of a two-stage compression-expansion power generator, which specifically divides the working process of the engine into six stages of first compression, second compression, intercooling, combustion, expansion and expansion, wherein step length is taken in each stage Is 0.1, corresponding to each stage of the mixed heating ideal cycle, carrying out iterative solution, carrying out integral calculation on the obtained pressure, solving the effective work W in the working process, and then obtaining the total input heat Q according to the effective work W total The effective thermal efficiency is obtained by the ratio, and the effective thermal efficiency is multiplied by the efficiency of the coupled motor, namely the generating efficiency of the whole two-stage compression-expansion generator; the invention is not limited to a specific operation condition, has relatively small dependence on the specific model of the engine, has relatively high calculation speed compared with a CFD model, can be widely applied to the work process simulation for the research on the aspects of engine performance prediction, fault diagnosis and the like, and is a wider power generation rangeThe machine thermal efficiency optimization design provides a numerical prediction means.)

一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法

技术领域

本发明涉及发电机工作过程优化领域，具体地，涉及一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法。

背景技术

近年来，随着社会的不断发展，能源短缺问题日益突出。在各种形式的能源中，电能是被使用最为广泛的能源之一，而电能在车辆、船舶等行业中又是主要由柴油机进行提供的。因此，在由传统的柴油机引发的负面影响日益加剧的情况下，新型自由活塞式内燃发电机(FPLA)成为研究热点。FPLA是自由活塞式内燃机(FPE)与直线发电机(LA)直接耦合的产物，且综合了两者优点,将燃料的化学能直接转化为电能。而现有的双自由活塞发电机更是采用四冲程设计，并应用两阶段压缩两阶段膨胀的新式循环，可以有效消除二冲程发电机带来的震动，相比于传统的内燃机发电过程具有更高的发电效率与经济性能，因此正在受到越来越多的关注。

由于自由活塞式发电机的发电效率与发动机的热效率和电机的效率密切相关，而一般我们所采用的电机其效率通常在90％-95％之间，因此相比于电机效率，发动机热效率的高低对于整个自由活塞发电机的发电效率起着关键性的作用，而采用一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法预测发电机效率更是具有重要意义。

目前有效热效率的仿真预测主要分为零维模型(单区模型)、准维模型(多区模型)和多维模型。复杂的准维及多维模型,尽管具有再现燃油喷射燃烧过程中物理化学反应的潜力,但仍然受到缺少某些过程的精确知识的限制,并且计算量相当可观,耗费机时过长,不能满足性能预测、控制分析及实时仿真的要求。在动力装置控制与仿真中应用的主要还是零维模型,像容积法模型、平均值模型等都属于零维模型。因此本发明主要应用零维模型中的容积法模型，并以混合加热理想循环(萨巴德循环)为理论基础，基于两阶段压缩两阶段膨胀的工作过程，提出了一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法。

发明内容

本发明为提出了一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，实现在任意发电机运行工况下其发电效率的快速稳健预测，为两阶段压缩膨胀发电机工作性能优化与发电效率的提升提供更优的数值分析方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，所述方法包括以下步骤：

将发动机工作过程具体分为第一次压缩、第二次压缩、中冷、燃烧、第一次膨胀、第二次膨胀六个阶段，每个阶段取步长取值相同，与混合加热理想循环每个阶段相对应，进行迭代求解；

步骤一：根据所用发动机的几何参数和初始参数确定边界条件与初始条件，并给定绝热指数κ；所述绝热指数是指理想气体可逆绝热过程的指数；

步骤二：在所述第一次压缩阶段中，用绝热指数κ进行计算，利用理想气体可逆过程计算公式可得第一个压缩阶段后的温度T₂及压力P₂，并将其作为第二次压缩阶段过程的起始参数；

其中，P₁为第一次压缩阶段前的压力，T₁为第一次压缩阶段前的温度，V₁ ^K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段后的体积；V₁为第一次压缩阶段前的体积，V₂为第一次压缩阶段后的体积，ε为第一次压缩阶段前后的体积比；

步骤三：对所述第二次压缩过程进行计算，根据压缩过程一个步长内的传热量体积功工质质量m，第二次压缩过程工质比热容c_v1，通过热力学第一定律求出第二次压缩过程中一个步长内的温度变化

其中，Q_W为第二次压缩过程中的传热量，V为第二次压缩过程中的体积，T为第二次压缩过程中的温度；

根据步骤二得到的第一个压缩阶段后的温度T₂，求解出第二次压缩过程中的第一个步长终点的温度T₃，将T₃作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩过程各步长的温度；将各步长温度，通过理想气体状态方程pV＝RT，计算得到相应各步长的压力；

步骤四：对中冷器过程进行计算，根据中冷器出口空气温度T_s的计算公式得出经过中冷器后的温度，使用空气通过中冷器造成的压力损失Δp_s计算出口的压力p_s，具体公式如下：

p_s＝p_K-Δp_s

其中，t为时间，T_K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，T_wo为中冷器出口冷却水温度，T_wi为中冷器入口冷却水温度，C_sw为传热系数K和传热面积A_K的乘积，c_pw为冷却水定压比热容，m_w为冷却水质量，m_s为空气质量，为空气质量流量，ρ_s为中冷器进口处空气的密度，A_k为中冷器通流面积，η_r为中冷器阻力系数，p_K为绝热指数κ状态中冷器的压力；

步骤五：对燃烧过程进行计算，设为混合加热理想循环中的定容加热和定压加热，根据燃烧过程一个步长内的传热量体积功工质质量m^*，燃烧过程中工质比热容c_v2，燃料燃烧投入热量g_f(H_u-u)，燃烧速率通过热力学第一定律求出燃烧过程中一个步长内的温度变化

其中，为燃烧过程中的传热量，V^*为燃烧过程中的体积；T^*为燃烧过程中的温度；

重复步骤3的温度迭代步骤，求解得出各步长的温度与压力；

步骤六：对两次膨胀过程进行计算，设定为混合加热理想循环中的绝热膨胀，重复步骤3的计算过程，代入燃烧过程后的工质比热容c_v3，求解得出膨胀过程各步长的温度与压力；

步骤七：对步骤3、步骤4、步骤5、步骤6得到的压力进行积分计算，求出工作过程的有效功W，再根据有效功W与总投入热量Q_total的比值求出有效热效率，与所耦合电机的效率相乘，即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率：

η＝η₁·η₂。

进一步地、在步骤一中，当发动机的压缩过程中气体的温度范围为300～400℃；

当发动机的压缩过程中气体的初态温度和终态温度变化幅度大于600K，则采取平均定熵指数κ_av来代替给定的绝热指数κ。

进一步地、在步骤三中，将第二次压缩过程的环境，设定为混合加热理想循环中的绝热压缩。

进一步地、在步骤四中，中冷器在设计工况时的压力损失，Δp_s＝0.3～0.5kPa。

本发明有益效果

(1)本发明以混合加热理想循环(萨巴德循环)为理论基础，基于两阶段压缩两阶段膨胀的工作过程，对任意初始工况下两阶段压缩膨胀发电机工作过程进行近似计算，可得到不同工况下每一步长的温度及压力，使得该方法的应用范围不局限于某一特定运行工况；

(2)本发明以零维模型中的容积法模型为依托，对发动机具体型号依赖相对较小，相比CFD模型计算速度相对较快，可广泛应用于工作过程仿真，进行发动机性能预测、故障诊断等方面的研究，为更广范围的发电机热效率优化设计提供了数值预测手段。

附图说明

图1为本发明的预测方法流程图；

图2为利用本发明的预测方法得到的缸压计算结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，所述方法包括以下步骤：

将发动机工作过程具体分为第一次压缩、第二次压缩、中冷、燃烧、第一次膨胀、第二次膨胀六个阶段，每个阶段取步长为0.1，与混合加热理想循环每个阶段相对应，进行迭代求解；

步骤一：根据所用发动机的几何参数和初始参数确定边界条件与初始条件，并给定绝热指数(定熵指数)κ；所述绝热指数是指理想气体可逆绝热过程的指数；

步骤二：在所述第一次压缩阶段中，用绝热指数κ＝1.4进行计算，利用理想气体可逆过程计算公式可得第一个压缩阶段后的温度T₂及压力P₂，并将其作为第二次压缩阶段过程的起始参数；

其中，P₁为第一次压缩阶段前的压力，T₁为第一次压缩阶段前的温度，V₁ ^K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段后的体积；V₁为第一次压缩阶段前的体积，V₂为第一次压缩阶段后的体积，ε为第一次压缩阶段前后的体积比；

步骤三：对所述第二次压缩过程进行计算，根据压缩过程一个步长内的传热量体积功工质质量m，第二次压缩过程工质比热容c_v1，通过热力学第一定律求出第二次压缩过程中一个步长内的温度变化

其中，Q_W为第二次压缩过程中的传热量，V为第二次压缩过程中的体积，T为第二次压缩过程中的温度；

根据步骤二得到的第一个压缩阶段后的温度T₂，求解出第二次压缩过程中的第一个步长终点的温度T₃，将T₃作为下一步长的初始温度迭代计算，得到压缩过程各步长的温度；将各步长温度，通过理想气体状态方程pV＝RT，计算得到相应各步长的压力；

步骤四：对中冷器过程进行计算，根据中冷器出口空气温度_xs的计算公式得出经过中冷器后的温度，使用空气通过中冷器造成的压力损失Δp_s计算出口的压力p_s，具体公式如下。

p_s＝p_K-Δp_s

其中，t为时间，T_K为绝热指数κ状态下第一次压缩阶段前的体积，T_wo为中冷器出口冷却水温度，T_wi为中冷器入口冷却水温度，C_sw为传热系数K和传热面积A_K的乘积，c_pw为冷却水定压比热容，m_w为冷却水质量，m_s为空气质量，为空气质量流量，ρ_s为中冷器进口处空气的密度，A_k为中冷器通流面积，η_r为中冷器阻力系数，p_K为绝热指数κ状态中冷器的压力；

步骤五：步骤五：对燃烧过程进行计算，设为混合加热理想循环中的定容加热和定压加热，根据燃烧过程一个步长内的传热量体积功工质质量m^*，燃烧过程中工质比热容c_v2，燃料燃烧投入热量g_f(H_u-u)，燃烧速率通过热力学第一定律求出燃烧过程中一个步长内的温度变化

其中，为燃烧过程中的传热量，V^*为燃烧过程中的体积；T^*为燃烧过程中的温度；

重复步骤3的温度迭代步骤，求解得出各步长的温度与压力；

步骤六：对两次膨胀过程进行计算，设定为混合加热理想循环中的绝热膨胀，重复步骤3的计算过程，代入燃烧过程后的工质比热容c_v3，求解得出膨胀过程各步长的温度与压力；

步骤七：对步骤3、步骤4、步骤5、步骤6得到的压力进行积分计算，求出工作过程的有效功W，再根据有效功W与总投入热量Q_total的比值求出有效热效率，与所耦合电机的效率相乘，即为整个两阶段压缩膨胀发电机的发电效率；

η＝η₁·η₂。

两阶段压缩膨胀发电机的发电效率结果如表1所示：

表1

在步骤一中，当发动机的压缩过程中气体的温度通常不超过300～400℃，κ≈1.4；

当发动机的压缩过程中气体的初态温度和终态温度变化幅度大于600K，则采取平均定熵指数κ_av来代替给定的绝热指数κ。

在步骤三中，将第二次压缩过程的环境，设定为混合加热理想循环中的绝热压缩。

在步骤四中，中冷器在设计工况时的压力损失，Δp_s＝0.3～0.5kPa。

以上对本发明所提出的一种两阶段压缩膨胀发电机发电效率的预测方法，进行了详细介绍，本文中应用了数值模拟算例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。