斯特林发动机动态特性的研究

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特性这种研究方法采用线性模型，用于功率控制且精度要求不高的情况下可以获得满意的结果此后，有斯特林发动机具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性，用途十分广泛如果用于水下动力、空间站动力等特殊场合，它具有独特的优势70年代以来，国内外有许多学者从事斯特林发动机的分析研究，但是有关动态特性的研究相对较少。对斯特林发动机进行动态分析，可以帮助提高发动机性能，确定控制系统的主要参数，优化最佳控制规律等，具有重要意义然而斯特林发动机的动态特性比较复杂，特别是基于非线性理论基础的动态系统的分析研究难度较大，人们往往采用线性模型或拟线性模型进行研究早期的研究从发动机功率控制的角度研究其动态些研究者提出了改进的计算模型，即拟线性模型，其精度比线性分析模型有所提高，但由于这些模型没有足够准确地描述非线性过程，用于斯特林发动机非线性系统的动态特性分析往往不能令人满意。为能准确地预测斯特林发动机的动态特性，本文采用非线性分析方法对斯特林发动机的动态系统进行分析研究1数学模型斯特林发动机动态系统的非线性数学模型包括：发动机本体模型、温度控制模型功率控制模型、负载基金项目：国家自然科学基金（59776002）资助项目1：顾根香尤男博士主要研究方向为斯特林发动s机性能研究se.allrightsreserved，wwwki.net 1.1发动机本体的非线性数学模型斯特林发动机具有以下特点：（a）燃烧室和工作腔是两个独立的热力子系统，燃烧室中为稳定燃烧，燃烧压力不变；（b）工作腔包括膨胀腔加热器、回热器冷却器压缩腔以及它们之间的连接通道；（c）加热器管壁温度由外燃系统和工质循环系统的热力平衡决定。

斯特林发动机的燃烧模型是在化学反应动力学基础上建立的，燃气组分达到平衡时的方程为ta+ubvc+wd压缩腔。

（2）工质泄漏工质泄漏按准稳定流动的概念处理，其泄漏量按一维等熵流的流量公式计算，即化学反应平衡常数kc可由热力学性质图册查得由燃烧过程中的物质守恒规律，可以确定燃烧产物的数量和燃气温度。

斯特林发动机工作过程数学模型采用3阶分析模型。此模型是建立在一维准稳定流动理论基础上的非线性分析模型该模型将工作腔分成n个控制体，每个控制体的热力参数作均一化处理。对某个控制体：能量守恒方程dei质量守恒方程dm=数，其值按下式计算：斯特林发动机的机械摩擦损失主要与发动机转速动量守恒方程应用上述热力学方程即可求解各控制体的热力参数，其边界条件如下（1）活塞运动根据活塞连杆机构运动学可求得活塞位移有关由于其不易精确计算，本文采用试验法测定1.2功率控制模型改变斯特林发动机的运行参数，如工质循环压力、燃油流量等可改变发动机功率，本文以调节燃油流量控制发动机功率为例，建立发动机功率控制模型。功率控制系统的示意图见其中油泵和氧阀特性由试验确定。

个无惯性的联接轴所组成由于不考虑系统的扭振，故可以忽略2个旋转质量之间的角速度之差。于是该系统的扭矩平衡方程可表示为dk由此得到斯特林发动机转速n随时间的变化率为轮、活塞连杆机构及辅助传动系统等，并换算到发动机转速的惯性矩；1r为负载的惯性矩，同样也要相对于发动机转速进行换算。

2动态特性的仿真分析运用斯特林发动机非线性数学模型，编制发动机的动态仿真软件，并进行动态计算以发动机升负荷时的动态响应曲线为例，如所示当发动机升负荷时，燃油流量加一档，为保持加热管壁温恒定，工质系统迅速向发动机进气，使得加热管壁温下降。在燃烧室斯特林发动机升负荷时的动态响应曲线传热的影响下，随之渐趋稳定发动机功率先有少许下降，后迅速上升到下一个工况的稳定值3试验结果与计算结果的对比本文选取某型号的斯特林发动机试验样机进行试验。由可知，仿真结果与试验曲线基本吻合可见，本文建立的非线性动态系统的数学模型具有较高的精度，对斯特林发动机及其系统的研究具有重要意义4结论采用非线性分析方法对斯特林发动机的动态系统进行了分析研究，建立了发动机的非线性数学模型应用数学模型对斯特林发动机进行了仿真研究以试验样机为对象，开展了动态试验研究，验证了本文所建立的非线性模型的有效性。

通过开展本文的工作，对斯特林发动机及其控制系统的研究具有重要指导意义

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