新型高集成度高功率密度热动力电源系统基础理论研究

With widely application of portable electric equipments for field operation, the requirement of electrical power is highly increased, which exceeds the power capacity of traditional chemistry cells. Therefore, a portable mobile electrical source based on axial piston engine,which is simple, highly integrated, with high power to weight ratio and low noise, is proposed. Some basic issues in theory like the integration of opposite axial piston engine, the method to increase the power density of engine, the cam profile designing, the dynamical characteristics of cam power transmission mechanism, the thermodynamic of engine and electro-mechanic-coupled characteristics of power-generator are studied. The times of combustion and cylinder boosting method provide new ways to increasing the power density of engine. The working frequency of power cylinder is highly increased by enlarging the valley number of cam. And the power cylinder is boosted by optimizing the radius ratio of neighbouring charge cylinder to power cylinder. The design theory of appling the mechanism to fit the combustion process is firstly proposed,which shows new possibility in achieving a high power density of engine. At the start of designing power transmission mechanism,the thermodynamic characteristic is taken into consideration to design the profile of cam as a way to vary the cylinder volume. Research will lay the dynamical and thermodynamical foundation of designing novel electrical source in high power density and in small scale, which has a huge significance in theory.

本项目针对当前野外作业数字化设备日益普及对电能的需求越来越大，而传统的化学电池已经难以满足需求这一现状，提出一种结构简单、紧凑，功率密度高，噪声低的基于对置式轴向活塞发动机的热动力电源系统。围绕该系统重点研究系统集成设计、大幅提高发动机功率密度的方法、凸轮型线设计与凸轮功率传输机构力学特性、发动机热力学特性、发电系统机电耦合特性研究等基础理论问题。项目提出倍频和气缸增压的创新思想为大幅提高发动机的功率密度提供了新途径，通过增加凸轮的峰谷对数提高做功频率，通过优化相邻增压气缸和做功气缸的缸径比例，达到增压目的。项目首次提出机构适应燃烧的创新思想，即在功率传输机构设计之初就考虑热力学特性,通过设计凸轮的型线来改变气缸容积的变化规律，为提高发动机能量转换效率提供了新思路。本项目研究成果将为新型高集成度高功率密度电源系统的研制提供力学设计和热力学设计的理论依据，意义重大。

本项目围绕一种新型高集成度高功率密度热动力电源系统开展研究，主要对置式轴向活塞式电源系统集成设计、发动机功率密度提升方法理论、凸轮型线设计于凸轮功率传输机构力学特性，对置式轴向活塞发动机热力学特性、发电系统机电耦合特性以及原理样机的研制及试验开展研究。主要内容如下：.将发电机的永磁转子与对置式轴向活塞发动机的外转子固连，实现发动机与发电机合二为一，大幅提升电源系统的集成性。基于复合的集成设计方案，就对置式轴向活塞热动力电源系统发电机理、转子与定子的结构形式以及热动力电源系统系统集成开展研究。此技术方案获授权发明专利一项。.基于涡轮增压和增大气缸容积的发动机功率提升方法，提出了倍频做功和气缸增压的新思想，并设计了一种新型的凸轮式功率传输机构，通过改变凸轮的峰谷数，有效提高做功频率，同时采用气缸增压方案，增大了燃气的流量。在此基础上深入研究了凸轮结构形状与做功频率之间的关系、倍频做功对于传动角影响、增气缸与辅助缸的布置型式对传力特性的影响和构件结构形状对传力特性的影响。此技术方案获授权发明专利一项。.深入研究凸轮型线对于功率传输机构的运动规律、动力学特性、发动机整机的生命周期、动态特性、外载荷特性以及振动噪声特性的影响规律。通过对传动角变化规律进行研究，研究功率传输机构的接触特性，对多种凸轮型线的功率传输机构的传力特性进行定量分析。结果表明：不同凸轮型线的功率传输机构的传力特性有较大区别，为确定功率传输机构的合理选型提供了依据。此技术方案获授权发明专利一项。.综合考虑发动机全工作循环周期热力学特性，深入研究发动机缸内热力学循环特性，以双域准维模型为理论基础，建立发动机整机热力学过程模型，对不同工况下发动机整机功率特性变化规律进行研究，着眼理论方法，从发动机自身机构参数与热效率量度之间的关系出发，寻求提升发动机热效率的方法，综合发动机复杂工况，深入分析发动机运行特性。.新概念热动力电源系统将电源系统的发动机及发电机有机地集成在一起。为深入研究热动力电源系统机电耦合特性，建立了电源系统的机电耦合模型，对于电源系统的机械特性，电磁特性以及两者的耦合特性进行研究。建立了发动机数学模型、发电机数学模型以及电源系统机电耦合模型，分析了发动机机械特性、发电机电磁特性、以及热动力系统与发电系统的耦合特性。.基于创新的方案设计，完成了发动机样机及发电部分样机的制作，进行功率传输机构运转试