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Numerical Simulation of a Spark Ignited Two-Stroke Free-Piston Engine Generator 被引量:13
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作者 毛金龙 左正兴 刘栋 《Journal of Beijing Institute of Technology》 EI CAS 2009年第3期283-287,共5页
A numerical program is built to simulate the performance of a spark ignited two-stroke free-piston engine coupled with a linear generator. The computational model combines a series of dynamic and thermodynamic equatio... A numerical program is built to simulate the performance of a spark ignited two-stroke free-piston engine coupled with a linear generator. The computational model combines a series of dynamic and thermodynamic equations that are solved simultaneously to predict the performances of the engines. The dynamic analysis performed consists of an evaluation of the frictional force and load force introduced by the generator. The thermodynamic analysis used a single zone model to describe the engine' s working cycle which includes intake, scavenging, compression, combustion and expansion, and to evaluate the effect of heat transfer based on the first law of thermodynamics and the ideal gas state equation. Because there is no crankshaft, a time based Wiebe equation was used to express the fraction of fuel burned in the combustion. The calculated results were validated by using the experimental data from another research group. The results indicate that the free-piston generator has some advantages over conventional engines. 展开更多
关键词 free-piston engine linear generator numerical simulation TWO-STROKE spark ignited dynamic analysis thermodynamic analysis
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Performance analysis of a 2-stroke micro free-piston swing engine 被引量:2
2
作者 Zhang Shimin Guo Zhiping Wang Jinsong 《Petroleum Science》 SCIE CAS CSCD 2009年第3期313-318,共6页
The micro free-piston swing engine (MFPSE) is a new structure, free-piston internal combustion engine. The dynamic model integrated MFPSE with a power generator and thermodynamic models in compression, power and sca... The micro free-piston swing engine (MFPSE) is a new structure, free-piston internal combustion engine. The dynamic model integrated MFPSE with a power generator and thermodynamic models in compression, power and scavenge processes based on the open thermodynamic systems were presented. A simulation was executed at given geometric parameters and initial conditions. The results manifest that the working principle of MFPSE is feasible. 展开更多
关键词 Micro free-piston swing engine working principle performance simulation
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Experimental and Numerical Investigation on Performance and Combustion Characteristics of a Free-Piston Engine Generator Fueled with Methane/Methanol
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作者 HUANG Fujun GUO Shuman +1 位作者 WANG Lijun KONG Wenjun 《Journal of Thermal Science》 2025年第5期1656-1671,共16页
Methanol is a very promising clean alternative fuel with low carbon content and high octane number,and this makes it well suited to the free-piston engine generator(FPEG)with variable compression ratio characteristics... Methanol is a very promising clean alternative fuel with low carbon content and high octane number,and this makes it well suited to the free-piston engine generator(FPEG)with variable compression ratio characteristics.To the authors’knowledge there are no relevant studies on the application of methanol for FPEG in recent literatures.In this paper,the effects of methanol substitution ratios(MSR)and load ratios on the performances and combustion characteristics of a methane/methanol dual-fuel FPEG have been investigated experimentally and numerically.The results show that the under the gas-liquid two-phase combustion startup strategy,the methane/methanol dual-fuel FPEG can be successfully started and achieve steady operation.Due to higher laminar flame speed(LFS)and the oxygen content of methanol resulting in a faster burning rate,the peak pressure increases by 43.9%from 1.344 MPa for pure methane to 1.934 MPa for 15%of MSR and the corresponding cycle-to-cycle variation decreases from 3.36 to 1.62.The FPEG operating frequency and indicated power gradually increase with the increase of the MSR.Both of them reach maximum values of 34.6 Hz and 193 W at 15%of MSR,which are increased by 19.3%and 49.6%in comparison with the pure methane.However,under specific MSR,both of them decrease with the load ratio increasing because of the large electromagnetic resistance force from the linear generator.CO and CH emissions decrease with the increase of MSR because methanol addition promotes complete combustion of mixture.NOx emissions gradually decrease with MSR increasing owing to the low combustion temperature resulting from the high latent heat of methanol evaporation.The numerical results show that with the increase of MSR,the methane/methanol mixture presents faster flame propagation speed and higher combustion efficiency;while the ignition delay as well as CA10,CA50 and CA90 is significantly shortened due to the increase of active radicals such as H,OH,O and H_(2)O_(2). 展开更多
关键词 free-piston linear engine generator gas-liquid two-phase combustion startup strategy cycle-to-cycle variation active radicals
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γ型自由活塞式斯特林发电机稳定性模型分析及验证
4
作者 张安 闫春杰 +2 位作者 孙述泽 罗新奎 马动涛 《宇航学报》 北大核心 2025年第10期2103-2111,共9页
自由活塞式斯特林发电机在深空探测及空间热电转换领域具有广阔的应用前景。从热动力学角度建立了γ型自由活塞式斯特林发电机的稳定性模型,提出了其稳定运行条件,并利用该模型分析了影响系统稳定性的主要因素。结果表明,合理的压力耦... 自由活塞式斯特林发电机在深空探测及空间热电转换领域具有广阔的应用前景。从热动力学角度建立了γ型自由活塞式斯特林发电机的稳定性模型,提出了其稳定运行条件,并利用该模型分析了影响系统稳定性的主要因素。结果表明,合理的压力耦合因子和温度耦合因子可以大幅提高系统运行的稳定性。设计试验验证了γ型自由活塞式斯特林发电机的在轨稳定性,证明了该分析模型的有效性,为未来空间高效同位素电源等不完全依赖太阳能的能源技术应用奠定了基础。 展开更多
关键词 自由活塞 斯特林发电机 热动力学 稳定性
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自由活塞式斯特林发电机启动特性研究
5
作者 帅智康 冯宇 +3 位作者 黄文 靳张涛 杨炬辉 吴浩 《中国电机工程学报》 北大核心 2025年第S1期287-298,共12页
自由活塞式斯特林发电机(free piston Stirling generator,FPSG)具有可靠性高、环境适应性强、噪音低等诸多优势,在可再生能源发电、深空探测电源等领域具有较大潜力。快速可靠的启动能力是FPSG的关键性能之一。然而,FPSG内部包含两组... 自由活塞式斯特林发电机(free piston Stirling generator,FPSG)具有可靠性高、环境适应性强、噪音低等诸多优势,在可再生能源发电、深空探测电源等领域具有较大潜力。快速可靠的启动能力是FPSG的关键性能之一。然而,FPSG内部包含两组机械上完全独立的振动系统,与压力波耦合,进而产生正弦振动对外做功,启动过程较为复杂。该文在分析FPSG启动过程的基础上,提出一种FPSG热力学-动力学时域交互迭代算法,能够精确描述启动过程中活塞位移、压力波等关键参数的动态变化情况。在所提迭代算法的基础上,根据灵敏度分析方法,得出影响FPSG启动的关键因素,分析配气活塞杆面积比、动力活塞质量、热端温度和充气压力等关键因素对FPSG启动和运行性能的影响。同时,自主设计并研制一台100 W FPSG,搭建实验测试平台。实验结果验证了理论分析的正确性。 展开更多
关键词 热电转换 自由活塞式斯特林发电机 启动特性 迭代算法
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微自由活塞动力装置扫气结构数值模拟研究
6
作者 柏金 肖雅男 《小型内燃机与车辆技术》 2025年第1期1-7,共7页
开展了微自由活塞动力装置缸内单次压燃及换气过程的数值模拟计算研究。考虑的影响因素主要是不同压缩行程L,不同进排气道径向倾角α_(2)、β_(2),不同进排气道数量m、n。压缩行程L较小时,会造成微燃烧室内的温度和压力峰值过高、新鲜... 开展了微自由活塞动力装置缸内单次压燃及换气过程的数值模拟计算研究。考虑的影响因素主要是不同压缩行程L,不同进排气道径向倾角α_(2)、β_(2),不同进排气道数量m、n。压缩行程L较小时,会造成微燃烧室内的温度和压力峰值过高、新鲜空气从排气道内回流进入微燃烧室内;压缩行程较大时,会造成微自由活塞动力装置的扫气时间过短,两者都会影响动力装置的扫气效率。进气道径向倾角α_(2)的变化主要影响着均质混合可燃气在进入燃烧室后是否形成涡流、是否沿着燃烧室壁面流动。进气道数量m的变化主要影响着进气道的进气量和燃料捕获率。排气道径向倾角β_(2)的变化主要影响着换气过程结束时残留CO_(2)在燃烧室内的分布方式。排气道数量n的变化主要影响着排气量并会对压燃情况及着火时刻造成直接影响。综合扫气效果与动力装置结构的简单性,选用α_(2)=30°,β_(2)=0°,m=2,n=1的单缸单次压缩模型。 展开更多
关键词 微型自由活塞动力装置 HCCI 扫气过程 进排气结构
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高温直线发电机动态测试系统特性研究
7
作者 罗靖 孙岩雷 +3 位作者 陈燕燕 张丽敏 胡剑英 罗二仓 《工程热物理学报》 北大核心 2025年第6期1801-1811,共11页
直线发电机作为自由活塞斯特林发电机中实现声–电转换的关键部件,对其开展独立详尽的研究测试具有重要意义。本文基于SAGE软件建立了适用于高温大功率直线发电机动态测试的系统模型,该系统采用对置压缩机作为驱动源,并在模型中引入声... 直线发电机作为自由活塞斯特林发电机中实现声–电转换的关键部件,对其开展独立详尽的研究测试具有重要意义。本文基于SAGE软件建立了适用于高温大功率直线发电机动态测试的系统模型,该系统采用对置压缩机作为驱动源,并在模型中引入声学阻抗将压缩机与待测发电机进行高效匹配,进而探究其在不同工况下的动态工作特性。结果表明,在平均压力15 MPa、运行频率70 Hz的额定工况下,为实现待测发电机输出电功18 k W,压缩机总耗功须达到26.8 k W,其中压缩机电–声转换效率为90.5%,热缓冲管中的声功传递效率为86.4%,待测发电机的声–电转换效率为85.9%。通过与实验结果进行对比,验证了计算模型的准确性,本文对于直线发电机动态测试系统的设计工作具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 自由活塞斯特林发电机 直线发电机 动态测试 声学阻抗 响应特性
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新型燃烧器与热声斯特林发电机换热特性研究
8
作者 靳晴月 孙浩杰 +5 位作者 罗靖 余国瑶 马英 黄云 马壮 罗二仓 《工程热物理学报》 北大核心 2025年第4期1244-1254,共11页
本文提出了一种新型的适用于自由活塞斯特林发电机的气体燃烧器结构,并开展了以液化石油气为燃料的燃烧耦合传热过程的三维数值模拟研究。首先分析了额定工况下的燃烧器内部流场、温度场以及热流密度分布特性,其次考察了液化石油气进口... 本文提出了一种新型的适用于自由活塞斯特林发电机的气体燃烧器结构,并开展了以液化石油气为燃料的燃烧耦合传热过程的三维数值模拟研究。首先分析了额定工况下的燃烧器内部流场、温度场以及热流密度分布特性,其次考察了液化石油气进口流量、喷嘴结构和空气预热温度对流动换热特性的影响规律。结果表明:在液化石油气流率为4.6 L/min、空燃比为29的额定工况下,发电机高温换热器的吸热量为3.82 kW,占总反应热的54.65%,对流换热与辐射换热占比相当。随着燃料流量和空燃比的增加,发电机高温换热器的吸热量均呈先增加后减小的趋势。计算中还发现,在特定吸热条件下提高空气预热温度使高温换热器的吸热量显著降低,而喷嘴结构则对吸热量影响较小。 展开更多
关键词 自由活塞斯特林发电机 气体燃料燃烧器 辐射换热 数值模拟
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换热器结构及热力学参数对自由活塞斯特林发动机性能影响 被引量:1
9
作者 隆海洋 冶文莲 +2 位作者 王伟杰 孙述泽 罗新奎 《真空与低温》 2025年第4期454-461,共8页
自由活塞斯特林发动机的输出性能受到多个参数的影响,深入分析自由活塞斯特林发动机内部换热器结构及热力学参数,有助于优化发动机的设计并提高整体性能。基于SAGE软件建立了空间千瓦级自由活塞斯特林发动机热力学模型,选取了热端温度... 自由活塞斯特林发动机的输出性能受到多个参数的影响,深入分析自由活塞斯特林发动机内部换热器结构及热力学参数,有助于优化发动机的设计并提高整体性能。基于SAGE软件建立了空间千瓦级自由活塞斯特林发动机热力学模型,选取了热端温度、冷端温度、充气压力、回热器孔隙率、填料丝径和配气活塞相位角等6个参数,探讨不同换热器结构(纤维-管式、丝网-管式、纤维-翅片式、丝网-翅片式)和热力学参数对斯特林发动机输出性能的影响。研究结果表明:斯特林发动机的输出功率和热功转换效率随热端温度的增大而增大,随丝网直径和孔隙率的增加先增大后减小。其中,孔隙率对斯特林发动机的输出功率和热功转换效率的影响较大,在孔隙率为0.9时,斯特林发动机的最大输出功率和热功转换效率分别为15.38 kW和32.48%。在不同换热器结构中,纤维-管式和丝网-管式结构的热功转换效率最大值分别为37.04%和36.23%,较于翅片式结构,管式结构能够实现更高的热功转换效率。采用纤维-翅片式和丝网-翅片式结构的最大输出功率分别达到20.25 kW和20.73 kW,且翅片式加热器结构表现出最佳的热力性能。综上,深入分析了不同换热器结构对输出性能的影响,还探讨了在不同热力学参数条件下,斯特林发动机的输出功率和热功转换效率的变化规律,为空间千瓦级自由活塞斯特林发动机的性能优化提供了理论基础。 展开更多
关键词 自由活塞斯特林发动机 加热器 回热器 热力性能
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基于遗传算法的氨燃料活塞轨迹燃烧优化控制
10
作者 李家齐 张宸 +1 位作者 肖进 黄震 《内燃机学报》 北大核心 2025年第1期11-19,共9页
利用基于重复控制的主动控制器“虚拟曲轴”,在自由活塞发动机中实现了同一压缩比下的不同活塞轨迹运行特征(以参数Ω表征,为生成轨迹的椭圆的短轴与长轴之比),并从指示热效率、峰值压力位置、着火延迟和氮氧化物排放等特征的分析中,获... 利用基于重复控制的主动控制器“虚拟曲轴”,在自由活塞发动机中实现了同一压缩比下的不同活塞轨迹运行特征(以参数Ω表征,为生成轨迹的椭圆的短轴与长轴之比),并从指示热效率、峰值压力位置、着火延迟和氮氧化物排放等特征的分析中,获得了参数Ω表征的最优活塞轨迹.以此轨迹作为进一步优化的初始条件,基于遗传算法,以指示热效率为优化目标,对活塞轨迹进行了全局寻优设计.研究结果表明:活塞运动轨迹的变化会影响氨的均质压燃过程.经过寻优设计得出的最优轨迹相较于传统内燃机能够提升3.35%的指示热效率,并减小了42.93%的着火延迟时间. 展开更多
关键词 自由活塞发动机 燃烧控制 遗传算法
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自由活塞斯特林发电机耦合不同负载的运行特性研究
11
作者 朱启鲁 张丽敏 +2 位作者 罗靖 刘明皓 罗二仓 《低温工程》 北大核心 2025年第1期20-28,共9页
为全面考察自由活塞斯特林发电机在外接纯阻性、感性、容性负载和交流母线负载以及桥式整流器等不同类型负载时的运行特性,对自由活塞斯特林发电整机系统开展了数值模拟。研究结果表明,自由活塞斯特林发电机在耦合纯阻性、感性、容性负... 为全面考察自由活塞斯特林发电机在外接纯阻性、感性、容性负载和交流母线负载以及桥式整流器等不同类型负载时的运行特性,对自由活塞斯特林发电整机系统开展了数值模拟。研究结果表明,自由活塞斯特林发电机在耦合纯阻性、感性、容性负载时随负载电阻的变化规律类似,耦合合适的容性负载时,可获得最佳的发电性能。自由活塞斯特林发电机在与交流母线负载和桥式整流器负载耦合时动力活塞的位移均和母线电压成正比,可通过改变交流母线的参数调节系统的运行状态。 展开更多
关键词 斯特林发动机 自由活塞斯特林发电机 运行特性 不同负载
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燃烧型热声斯特林发电机模拟与实验研究
12
作者 靳晴月 马壮 +4 位作者 薛建华 成阳斌 马英 余国瑶 罗二仓 《工程热物理学报》 北大核心 2025年第9期2850-2857,共8页
燃烧型自由活塞斯特林发电机因其燃料适应性广而在分布式热电联供等领域颇受关注。本文对新型气体燃烧器耦合自由活塞斯特林发电机开展了实验研究,并将实验结果与模拟结果进行对比。首先分析了系统输出特性、能量流动以及㶲损失,其次考... 燃烧型自由活塞斯特林发电机因其燃料适应性广而在分布式热电联供等领域颇受关注。本文对新型气体燃烧器耦合自由活塞斯特林发电机开展了实验研究,并将实验结果与模拟结果进行对比。首先分析了系统输出特性、能量流动以及㶲损失,其次考察了燃料流量和负载对系统输出性能的影响规律。实验结果表明:发电系统在燃料流量0.54 m^(3)/h(标准工况)、外接电阻20Ω的额定工况下能获得1.53 kW电功,燃烧器吸热效率为30.1%,燃料–电效率和热电效率分别达到9.8%和32.4%。此外,输出电功随着外接电阻的减小而增加,燃料–电效率随着燃料流量的增加呈现先增加后减小的趋势。 展开更多
关键词 自由活塞斯特林发电机 气体燃烧器 吸热效率 输出特性
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摆盘压缩机气缸分布圆半径优化设计
13
作者 王强 李鹏飞 +3 位作者 杜鑫 王素金 高秀峰 李云 《流体机械》 北大核心 2025年第1期33-40,共8页
为了改善无油润滑摆盘压缩机的活塞环偏磨现象,针对两类典型防自转结构下的摆盘压缩机,构建摆盘处球铰及连杆的运动模型,并以周期运动内连杆平均倾角最小为优化目标,提出基于遗传算法的气缸分布圆半径优化设计方法。研究表明,在锥齿轮... 为了改善无油润滑摆盘压缩机的活塞环偏磨现象,针对两类典型防自转结构下的摆盘压缩机,构建摆盘处球铰及连杆的运动模型,并以周期运动内连杆平均倾角最小为优化目标,提出基于遗传算法的气缸分布圆半径优化设计方法。研究表明,在锥齿轮防自转结构下,各相位气缸对应的最优分布圆半径相同;在滚子直导槽防自转结构下,各相位气缸对应的最优分布圆半径不同,但可采用均值作为统一的分布圆半径,对各相位连杆平均倾角的影响很小,低于5‰;当摆盘倾角在25°以内时,在两类防自转结构下摆盘压缩机的最优气缸分布圆半径设计值几乎相同。将本优化设计方法应用于多种现有摆盘机构,连杆平均倾角降低约为21.4%~28.6%,活塞侧向力峰值降低约为19.5%~49.6%。本优化设计方法可有效改善活塞环偏磨现象。 展开更多
关键词 摆盘压缩机 无油润滑 活塞环偏磨 气缸分布圆 运动学分析 优化设计
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Novel Micro Free-Piston Swing Engine and Its Feasibility Validation 被引量:5
14
作者 张仕民 汪劲松 郭志平 《Tsinghua Science and Technology》 SCIE EI CAS 2005年第3期381-386,共6页
To develop high energy-density micro power generation systems, a novel two-stroke cycle micro free-piston swing engine (MFPSE), inspired by the concept of the micro internal combustion swing engine, is proposed to sup... To develop high energy-density micro power generation systems, a novel two-stroke cycle micro free-piston swing engine (MFPSE), inspired by the concept of the micro internal combustion swing engine, is proposed to supply mechanical power for a micro power generation system. The working principle, gas exchange and ignition timing control cycles, and structure and operation advantages of the MFPSE are dis- cussed in detail. A prototype where the timing control and geometric parameters are designed with refer- ence to a traditional two-stroke cycle internal combustion engine is fabricated. The successful ignition ex- periment shows that this new concept engine is feasible and is worthy of further study. 展开更多
关键词 two-stroke cycle free-piston engine swing output
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基于DBO-BiLSTM的自由活塞斯特林发动机性能预测模型
15
作者 张运龙 李龙飞 +2 位作者 张永康 曲兴闯 耿冬寒 《机床与液压》 北大核心 2025年第19期8-16,共9页
为解决自由活塞斯特林发动机性能预测精度低的问题,提出一种基于蜣螂优化算法(DBO)结合双向长短期记忆网络(BiLSTM)的自由活塞斯特林发动机性能参数预测模型——DBO-BiLSTM。利用蜣螂优化算法对双向长短期记忆网络的隐藏层节点数、正则... 为解决自由活塞斯特林发动机性能预测精度低的问题,提出一种基于蜣螂优化算法(DBO)结合双向长短期记忆网络(BiLSTM)的自由活塞斯特林发动机性能参数预测模型——DBO-BiLSTM。利用蜣螂优化算法对双向长短期记忆网络的隐藏层节点数、正则化系数、学习率等超参数进行寻优,得到最优参数值。将最优参数导入BiLSTM中,并以FPSE的膨胀腔温度、压缩腔温度、充气压力、动力活塞弹簧刚度、配气活塞弹簧刚度作为输入,以FPSE的频率、相位角、功率为输出,对该模型进行训练和验证分析。最后,将该模型的预测结果与ANN、LSTM、BiLSTM和DBO-LSTM模型的预测结果进行对比分析。结果表明:该模型的MAPE、RMSE、MAE均最小,R^(2)最大,说明其预测精度高;该预测模型对应的频率、相位角、功率的R^(2)分别为0.9997、0.9990、0.9998,接近最佳状态;该模型对FPSE的频率、相位角和功率的预测曲线和真实曲线基本吻合,说明该预测模型可有效用于FPSE的性能预测,并且该算法较传统浅层ANN以及单一算法具有更高的预测精度。 展开更多
关键词 自由活塞斯特林发动机 性能预测 蜣螂优化算法 双向长短期记忆网络
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An experimental and theoretical investigation of a small,high aspect-ratio,free-piston,two-stroke engine 被引量:3
16
作者 Chiluwata E.Lungu Mael Disseau +2 位作者 Daniel C.Stubbs Jechiel Jagoda David E.Scarborough 《Propulsion and Power Research》 SCIE 2020年第4期326-343,共18页
This paper presents a design for a novel,palm sized,high-aspect-ratio engine.To simplify fabrication and keep the device unobtrusive,a design incorporating a two-cycle engine having a flat,rectangular piston with spri... This paper presents a design for a novel,palm sized,high-aspect-ratio engine.To simplify fabrication and keep the device unobtrusive,a design incorporating a two-cycle engine having a flat,rectangular piston with spring return was selected.An experimental engine based on this concept producing a significant amount of useful work was developed.Although results were encouraging,this geometry raised many issues to be investigated and resolved,including the effects of piston sealing,scavenging,heat losses,and combustion efficiency.Due to the complex interplay between these effects,experimental investigation was time consuming and simple models were found to be inadequate.Therefore,a more complex theoretical model accounting for these effects was developed and used to evaluate the sensitivity of engine performance to each of these parameters.The predictions of this model were used to develop recommendations for improving the experimentally developed engine. 展开更多
关键词 MICRO-COMBUSTION Power generation free-piston engine Internal combustion engine Palm power
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基于Fluent的自由活塞膨胀机-直线发电机结构优化设计
17
作者 邬鸿霏 钟建琳 彭宝营 《北京信息科技大学学报(自然科学版)》 2025年第3期54-61,共8页
为了提高自由活塞膨胀机-直线发电机装置的活塞行程利用率和功率,引入Fluent中的动网格技术,分析温度、气缸直径、通口孔径、缓冲区直径对气缸内气体运动情况和活塞运动特性的影响。基于正交试验,研究多因素耦合对活塞运动特性的影响,... 为了提高自由活塞膨胀机-直线发电机装置的活塞行程利用率和功率,引入Fluent中的动网格技术,分析温度、气缸直径、通口孔径、缓冲区直径对气缸内气体运动情况和活塞运动特性的影响。基于正交试验,研究多因素耦合对活塞运动特性的影响,并确定最佳结构参数。试验结果表明:气缸直径对活塞位移、速度的影响最大,其次为通口孔径;温度、缓冲区直径对活塞位移、速度的影响相对较小。 展开更多
关键词 自由活塞膨胀机-直线发电机 气缸 流体仿真 结构优化
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自由活塞膨胀机热机耦合分析及其优化设计
18
作者 邬鸿霏 钟建琳 彭宝营 《北京信息科技大学学报(自然科学版)》 2025年第4期42-50,共9页
为解决自由活塞膨胀机的关键部件活塞在高温气体及机械交变载荷下存在的热应力集中、热变形不均及疲劳寿命较低等问题,通过构建几何模型与网格划分,设置流场、热场边界条件,采用热-流-固耦合方法进行有限元分析。结合名义应力法与材料应... 为解决自由活塞膨胀机的关键部件活塞在高温气体及机械交变载荷下存在的热应力集中、热变形不均及疲劳寿命较低等问题,通过构建几何模型与网格划分,设置流场、热场边界条件,采用热-流-固耦合方法进行有限元分析。结合名义应力法与材料应力-循环次数(stress-number of cycles,S-N)曲线预测疲劳寿命,发现活塞缓冲区与头部问题显著;进而通过设置环槽、将活塞厚度从10 mm增至20 mm、合理去除活塞中部结构等方式进行结构优化。模拟验证结果表明,优化后活塞热应力降低,局部变形得到有效抑制,疲劳寿命提升,自由活塞膨胀机运行稳定性与可靠性增强,为其实际工程高效应用提供有力支撑。 展开更多
关键词 自由活塞膨胀机-直线发电机 活塞 热机耦合 优化设计
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Effect of Disturbances on the Operation Process of a Methane-Fueled Free-Piston Engine Generator 被引量:1
19
作者 HUANG Fujun XIAO Huihui +3 位作者 GUO Shuman WANG Lijun YANG Zhenzhong KONG Wenjun 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第2期881-896,共16页
In this paper,the effect of disturbances on the operation process of a methane-fueled free-piston engine generator(FPEG)was experimentally investigated.Four disturbance sources,namely step change of external load,mixt... In this paper,the effect of disturbances on the operation process of a methane-fueled free-piston engine generator(FPEG)was experimentally investigated.Four disturbance sources,namely step change of external load,mixture flow rate fluctuation,random misfire of a cylinder,and elastic collision,were identified and applied to the FPEG.The results showed that the FPEG successfully achieved a steady-state operation with load.The maximum instantaneous electric power of 127 W and the average effective electric power of 38.9 W were obtained.When an external load was instantaneously disconnected,the engine frequency increased from 26.7 Hz to 31.3 Hz.The fluctuation amplitudes of induced voltage,pressure and compression ratio were 18.9%,24.7%and 52.2%respectively in the disturbance.By contrast,when the external load was instantaneously connected,the corresponding values were 42.2%,31.3%and 64.3%respectively,indicating that the instantaneous external load connection had a greater disturbance impact on the FPEG operation stability.Despite encountering the step change of external load,the FPEG can still restore stable operation and show good anti-disturbance ability.Compared with increasing mixture flow rate,reducing the mixture flow rate has a greater disturbance impact on the engine operation stability.Although random misfire of a cylinder will cause remarkable fluctuations in piston displacement and cylinder pressure,the FPEG will not stop running,but continues to work as a single-piston engine.Minor collision event may adversely affect the stability of engine operation,but will not lead to the FPEG shutdown.However,serious collision event may lead to ignition failure and shutdown accident. 展开更多
关键词 free-piston engine generator disturbance sources operation stability anti-disturbance ability
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Design and modeling of a free-piston engine generator 被引量:1
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作者 Jinlong WANG Jin XIAO +1 位作者 Yingdong CHENG Zhen HUANG 《Frontiers in Energy》 SCIE EI CSCD 2023年第6期811-821,共11页
Free-piston engine generators (FPEGs) can be applied as decarbonized range extenders for electric vehicles because of their high thermal efficiency, low friction loss, and ultimate fuel flexibility. In this paper, a p... Free-piston engine generators (FPEGs) can be applied as decarbonized range extenders for electric vehicles because of their high thermal efficiency, low friction loss, and ultimate fuel flexibility. In this paper, a parameter-decoupling approach is proposed to model the design of an FPEG. The parameter-decoupling approach first divides the FPEG into three parts: a two-stroke engine, an integrated scavenging pump, and a linear permanent magnet synchronous machine (LPMSM). Then, each of these is designed according to predefined specifications and performance targets. Using this decoupling approach, a numerical model of the FPEG, including the three aforementioned parts, was developed. Empirical equations were adopted to design the engine and scavenging pump, while special considerations were applied for the LPMSM. A finite element model with a multi-objective genetic algorithm was adopted for its design. The finite element model results were fed back to the numerical model to update the LPMSM with increased fidelity. The designed FPEG produced 10.2 kW of electric power with an overall system efficiency of 38.5% in a stable manner. The model provides a solid foundation for the manufacturing of related FPEG prototypes. 展开更多
关键词 free-piston engine generator linear permanent magnet synchronous machine system design numerical model finite element method
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