高平原一体1.0kW便携式柴油发电机组设计开发.pdf

与车辆21移动电源2023年第4期高平原一体1.0 kW便携式柴油发电机组设计开发尹必峰1孟海军2王云龙3董非1贾和坤1陈前1汪洋1陈志凌1王建1（1.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江，2 12 0 13；2.军事科学院某所，北京，10 0 141；3.无锡华源凯马发动机有限公司，无锡，2 14156)摘要：通过设计轻量化新型单缸风冷柴油机，集成永磁发电机和高效逆变器，采用开架式机组结构，开发了高平原一体1.0 kW便携式永磁逆变柴油发电机组，并进行了测试验证工作，性能指标全面满足设计要求。关键词：高平原一体；柴油发电机组；永磁发电机；逆变器Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.04.006中图分类号：TM611.22文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 50（2 0 2 3）0 4-0 0 2 1-0 41引言当前柴油发电机组最小功率为3kW，质量普遍在6 0 kg以上，便携性差；小于3kW的发电机组主要以通用小型汽油机为动力源，但面临燃料安全和燃油经济性差等问题。世界各国均在积极寻求便携性好、环境适应性强、持续工作时间长的轻型柴油移动电站，以满足野外条件下携行装备、生活设施等装备用电需求。缺乏现有可用的轻型柴油机是开发携行柴油发电机组的主要困难。此外高原环境下，空气稀薄带来的柴油机功率下降、冒黑烟等问题突出；低温环境下，运转阻力增大、燃油雾化差带来的启动问题需要攻克；轻量化部件设计与系统集成还需深入研究。为此，中央军委后勤保障部2 0 2 1年提出轻型1千瓦高平原一体柴油发电机组关键技术研究项目，具体指标为：机组重量 35kg；外形尺寸：长宽高550 mm420mm485mm；标准大气压下额定功率1.5kW，海拔450 0 m下1.0 kW；其余指标满足GJB235B-2020要求。江苏大学承担了项目研制任务，并按研发指标完成了高平原一体1.0 kW便携式柴油发电机组设计开发和试验验证工作。2机组技术方案经国内外广泛调研，确定以单缸风冷四冲程柴油机为发电机组动力源并进行整机的设计开发；为满足轻量化目标，研发高度集成发电机和柴油机飞2021年度军队后勤开放研究重点项目（BX 2 2 1C 0 0 7)轮于一体的永磁发电机，与发动机曲轴同轴直联；以“交流-直流-交流的逆变技术方案管控电气性能指标对负载供电。采用开架式机架，集成轻量化柴油机、逆变器、输出面板等部件，设计开发的高平原一体便携式1.0 kW永磁逆变柴油发电机组如图1所示。651321-机组机架，2-柴油机（集成飞轮永磁发电机），3-输出面板4-逆变器，5-隔声罩，6-油箱图1便携式1.5kW永磁逆变柴油发电机组2.1柴油机设计针对柴油机轻量化要求，开展单缸风冷柴油机小型化设计与论证，确定了发动机功率、缸径、行程、转速、整体尺寸等基本参数，进行发动机本体及关键零部件结构设计与优化研究。为满足高强化、可靠耐久性要求，对发动机的22与车辆2023年第4期移动电源机体、缸盖、活塞、连杆和曲轴等核心零部件进行了有限元计算分析，进行强度校核和结构参数优化。针对柴油机小型化设计后油气混合过程特点及燃烧过程组织难题，从“量、时、空”三方面入手，开展了燃油系统设计与匹配、进气流通能力评估与优化、油气混合强化与燃烧过程组织等跨尺度细化设计研究。以提升产品环境适应性为目标，开展了基于润滑油、进气预热装置设计、起动加浓度技术的低温冷起动技术研究；开展基于燃烧系统多参数设计匹配和高海拔大气状态模拟试验的高平原一体化设计与性能开发研究。降低冷却气流噪声和排气噪声为目标，进行冷却风扇和排气消声器空气流动、声学及结构性能仿真，结合发动机噪声测试与分析，开展变截面风扇和多腔微小通道消声器低噪声设计技术研究。通过上述研究工作，完成了轻型高效单缸风冷柴油机的整机开发，基本参数见表1，整机如图2所示。表1柴油机结构和基本参数项目规格与参数单缸、立式、四冲程结构型式风冷、直喷式缸径行程（mm）7352排量（L）0.217压缩比21.6额定功率（kW）2.4额定转速（r/min）3600起动方式手拉起动图2 柴油机2.2永磁发电机设计基于等效磁路法进行轴向磁通永磁发电机拓扑结构、槽数、级数、铁芯与磁钢材料的设计与优化，在此基础上开展飞轮-发电机一体化设计以控制整机质量和体积。以提高电机运行稳定性和延长电机使用寿命为目标，从削弱齿槽转矩和反电势谐波引起的纹波转矩两个角度出发开展转矩脉动抑制技术研究。满足永磁电机高效及可靠性提升需求，开展基于损耗计算、温度计算和损耗抑制的永磁电机损耗抑制技术研究。飞轮一体式永磁发电机的结构和基本参数见表2，结构组成见图3。表2 永磁发电机结构和基本参数项目规格与参数定子外径（mm）132转子内径（mm）133.6气隙厚度（mm）0.8相数、形式三相Y接、双层集中绕组压数85永磁体材料钕铁硼（N38SH）定子铁芯材料矽钢片（30 0 W）转子铁芯材料铸铁含飞轮质量（kg）7231-飞轮，2-转子组件，3-定子组件图3飞轮一体式永磁发电机2.3逆变器设计以提高逆变器效率为目标，从控制精度和抗干扰能力、硬件结构设计和开关损耗控制出发，研究提高轻型交-直-交整流逆变装置效率的关键技术。开展多机组同期并车与并联均流方案研究与设计，优化系统稳态均流精度和动态响应性能，提高逆变器输出特性，增强负载适应性。实现在负载突变或系统受扰动的情况下电压稳定输出，提高系统的动态稳定性。23移动电源与车辆2023年第4期逆变器的工作原理如图4所示，发电机输出的高频交流电，先经过整流稳压成高压直流，再经过H桥电路，将直流电逆变成电压和频率稳定的工频交流电。电站通过上述“交流-直流-交流”整流与逆变后，无论发动机转速如何变化，输出电压和频率会保持一致且非常平稳，保证了输出电品质。发动机发电机交流输出（动力源）PWM波控逆变单元整流单元制电路整流电压输出电扰控制单元控制输出滤波负载图4逆变器工作原理3环境适应性3.1冷起动设计针对柴油机低温下机油流动差阻力大、柴油雾化差等对启动的不利因素，通过进气和机油加热方案设计，结合大压缩比参数设计，解决柴油机低温冷启动难题。进气加热方案如图5所示，机油加热方案如图6 所示。2?1-进气管，2-进气加热器，3-加热腔图5进气加热方案设计21-机体，2-机油加热塞图6 机油加热方案设计3.2高原适应性设计我国高原面积广阔，其特殊的地理环境与气候特征给柴油机带来了功率下降、起动困难、可靠性降低等不良影响，为保障高原环境中便携轻型电站的工作稳定与可靠性，进行了高平原一体化设计与性能优化工作。建立整机性能、燃烧过程数值模拟的一维热力学与三维CFD计算分析模型（结果见表3）。对压缩比、喷油器参数、喷雾锥角及燃烧室缩口率在内的燃烧系统参数进行优化匹配，实现发动机燃烧系统高平原一体化设计。自主设计并搭建了高海拔大气状态模拟试验装置，进行发动机高原进气、排气压力条件下的台架性能研究，分析了过量空气系数、喷油提前角等参数对性能的影响规律。高原环境下，喷油提前角相比平原需提前2 A-3A；载高原、平原不同环境下，喷油量以等烟度规则进行控制，以满足高原性能要求。表3额定工况不同海拔时柴油机性能参数海拨高度有效功率BSFCBMEP(m)(kW)(g/kWh)(MPa)02.47266.50.3820002.01295.80.3130001.67324.00.2645001.58342.90.24注：BSFC-有效燃油消耗率，BMEP-平均有效压力4测试验证2022年11月至12 月，委托兰州中瑞电源产品质量检验有限公司，在青海省格尔木市不冻泉保护站（海拔450 0 m）进行了发电机组的启动性、电气24与车辆2023年第4期移动电源性能、燃油消耗率、高原适应性、高原可靠性等项目的检测。结果表明，平原条件下，额定电功率1.51kW；450 0 m 海拔条件下，额定电功率1.2 0 kW；-41温度下，通过加热措施可顺利起动；稳态/瞬态电压调整率、稳态/瞬态频率调整率、电压/频率稳定时间等电气性能参数满足GJB235B-2020的要求；平均无故障工作时间MTBF515h；额定工况下，有效燃油消耗率为37 1.6 g/kWh，机油消耗率为1.47g/kWh；整机外形尺寸（长宽高）545mm380mm480mm，整机质量33kg。通过试验验证表明设计开发的高平原一体1.0 kW便携式柴油发电机组满足设计指标要求。图7 高原试验现场5结束语(1）通过单缸风冷直喷柴油机研发、飞轮-发电机一体式结构设计、交-直-交整流逆变器设计，采用开架式结构，通过系统集成设计开发了高平原一体1.0 kW便携式柴油发电机组。(2）通过进气系统和机油加热方案设计，解决低温冷起动问题；通过发动机结构参数设计，喷油量和喷油提前角的优化匹配，满足机组高原性能工作需求。(3）通过第三方试验机构检测，机组的整机质量、冷起动性能、高原适应性、电气性能指标等参数指标均满足设计要求和GJB235B-2020标准的要求。参考文献：1樊兆宝,王京亮.小型应急电源系统研究进展与应用J.通信电源技术,2 0 2 2(12):145-147.2 甘志林，吴敏，杨家国，等。一种适用于高原环境的6 kW电站关键技术研究 移动电源与车辆，2 0 2 2(3):7-10.3 GGJB235B-2020.军用交流移动电站通用规范S.中央军委装备发展部，2 0 2 0.4】孙浩棋，田强，杨春立，等.永磁发电机转子装配装置的设计.移动电源与车辆，2 0 2 1(4):10-12.5向成宣，王志斌，潘小兵，等.内燃电源高寒地域应急启动技术J.移动电源与车辆,2 0 2 1(4):1-3.6 Jian Wang,Jiasun Yuan,Shengji Liu,etc.ContrllingEmissions and Correcting Power of Nonroad Natural-ly AspiratedDiesel Engine Operating at High Altitude.JOURNAL OFENERGY ENGINEERINGJ,2019,145(6):140-149.作者简介：尹必峰（197 5-），男，江苏泰州人，博士，教授，主要研究方向为动力系统设计与性能优化。Design and Develoment of High Plain 1.0 kW Portable DieselGeeralorYIN Bi-feng、M ENG H a i-j u n?、WA NG Y u n-l o n g、D O NG Fe i 、JIA H e-k u n!CHENQian、WA NG Y a n g 、CH ENZh i l i n g 、WA NG Ji a n!(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.Particular Institute,Academy of Military Sciences PLA China,Beijing 100141,China;3.Wuxi World best KAMA Power Company Limited,Wuxi 214156,China)Abstract:A high plain 1.0 kW portable diesel generator was developed and tested by designing a new type of light-weightsingle-cylinder air-cooled diesel engine,integrating a permanent magnet generator and an efficient inverter.The performanceindicators fully meet the design requirements.Keywords:High plain;Diesel generator;Permanent magnet generator;Inverter