تحليل ديناميك غيرخطي موتور هواي گرم پيستون آزاد خورشيدي

Nonlinear dynamic analysis of solar free piston hot-air engine

اين مقاله به تحليل ديناميك غيرخطي موتور هواي گرم پيستون آزاد خورشيدي اختصاص دارد. ابتدا معادلات ديناميكي و ترموديناميكي موتور هواي گرم پيستون آزاد استخراج شده و سپس با تركيب روابط، معادلات غيرخطي حاكم بر موتور هواي گرم پيستون آزاد حاصل شده است. با حل عددي معادلات غيرخطي و با استفاده از شبيه‌سازي سيستم در صفحه فاز به بررسي حركت و سرعت پيستون ها در حالت پايدار پرداخته شده است. در ادامه تغييرات دما در محفظه ي گرم و سرد و اثر آن بر دامنه ي حركت پيستون ها، كمينه و بيشينه ي حجم و فشار و كار توليدي موتور مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به اينكه ضريب ميرايي بين پيستون كار و محفظه در اثر تغييرات دما و شرايط محيطي در حال تغيير است، به مطالعه تاثير آن بر دامنه ي حركت پيستون ها، كمينه و بيشينه ي حجم و فشار و كار توليدي موتور پرداخته شده است. نتيجه ي بدست آمده بيان گر اين است كه توان توليد شده در اثر افزايش ضريب ميرايي داراي مقداري بهينه است. با استفاده از تغيير در هر يك از اجزاي سازنده ي موتور از قبيل جرم پيستون هاي كار و جابه جاگر و سختي فنر آن ها به بررسي تاثير تغييرات آن ها بر دامنه ي حركت پيستون ها، كمينه و بيشينه ي حجم و فشار و كار توليدي موتور پرداخته شده است. بازه ي تغييرات انجام شده در پارامترهاي موتور هواي گرم پيستون آزاد طوري انتخاب گرديد ه اند كه حركت پيستون ها در سيكل حدي قرار گيرند. در آخر ميزان حساسيت توان توليد شده در اثر تغيير هريك از پارامترهاي ذكرشده مورد بحث و بررسي قرار گرفته است.

This paper focuses on nonlinear dynamic analysis of a solar-powered free piston hot-air engine. First, dynamic and thermodynamic equations governing the free piston hot-air engine are extracted. Accordingly, by coupling the obtained relationships, nonlinear behavior of the free piston hot-air engine is simulated. Then, motion and velocity of the pistons in steady state condition are discussed using numerical solution of the nonlinear equations and using the phase plane analysis. Next, the stroke of pistons, maximum and minimum volumes and pressure as well as the produced work and power are studied corresponding to the change of temperatures in the hot and cold chambers. Since the damping coefficient between power piston and the cylinder wall is variable due to the temperature changes and environmental conditions, its effect on the stroke of pistons, maximum and minimum volumes, pressure, produced work and power is investigated. The results obtained clearly indicate that there is an optimal power for a certain value of damping coefficient. Then, the stroke of the pistons, maximum and minimum volume and pressure as well as the produced work and power are studied according to the changes in engine parameters such as mass and stiffness of work and displacer pistons. The ranges of variations of engine parameters are selected so that the motions of displacer and power pistons fall into a limit cycle. Finally, sensitivity analysis of the produced power is carried out considering changes in engine parameters.