內(nèi)燃-直線(xiàn)發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化.pdf

1、自由活塞直線(xiàn)發(fā)電機(jī)是近20年伴隨著能源與環(huán)境問(wèn)題逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型汽車(chē)動(dòng)力裝置。它由自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)與直線(xiàn)電機(jī)耦合而成，取消了常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，而將燃料燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出，具有結(jié)構(gòu)緊湊、燃料適應(yīng)性好、能源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為車(chē)載發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文以一種四沖程工作循環(huán)的自由活塞直線(xiàn)發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析和優(yōu)化研究，開(kāi)展了以下幾方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作:
　　(1)針對(duì)內(nèi)燃-直線(xiàn)發(fā)

2、電集成動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，對(duì)系統(tǒng)四沖程工作循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了規(guī)劃，建立了多學(xué)科交叉的數(shù)學(xué)模型，并基于Matlab/Simulink軟件和SimPowerSystems工具箱建立了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和電路仿真模型，對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，重點(diǎn)分析了自由活塞的位移、速度、缸內(nèi)壓力、進(jìn)排氣流量、直線(xiàn)電機(jī)電功率等各個(gè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，揭示了系統(tǒng)的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律特性，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的可行性及有效性，為進(jìn)一步的系統(tǒng)性能優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

3、　　(2)為提升系統(tǒng)的功率密度，對(duì)系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一類(lèi)獨(dú)立壓縮、進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控的工作循環(huán)方案。闡述該方案的工作原理并定義新的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)熱力學(xué)仿真研究，分析進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、膨脹沖程終點(diǎn)等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并從能量守恒的角度分析系統(tǒng)的循環(huán)能量流動(dòng)過(guò)程。利用有限時(shí)間熱力學(xué)方法建立此工作循環(huán)的理想熱力學(xué)模型，利用建立的熱力循環(huán)模型分析內(nèi)燃-直線(xiàn)發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)、外部不可逆過(guò)程特性，研究壓

4、縮比、進(jìn)氣溫度等因素對(duì)循環(huán)熱效率的影響特征，驗(yàn)證了采用該工作循環(huán)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于常規(guī)Otto循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率有顯著提升。
　　(3)針對(duì)內(nèi)燃-直線(xiàn)發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)中活塞運(yùn)動(dòng)自由度大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化研究。在以提升系統(tǒng)輸出功為目標(biāo)的前提下，設(shè)定相關(guān)約束條件，建立了活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。基于系統(tǒng)工作過(guò)程中活塞分階段運(yùn)行的特性，采用高斯偽譜法將活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律優(yōu)化問(wèn)題離散化，并結(jié)合序列二次規(guī)劃算法求解非線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題，通

5、過(guò)數(shù)值計(jì)算優(yōu)化活塞運(yùn)動(dòng)軌跡，與燃燒放熱規(guī)律、傳熱規(guī)律、點(diǎn)火正時(shí)規(guī)律等相結(jié)合，以提升系統(tǒng)性能。
　　(4)搭建了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，并設(shè)計(jì)了基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器的電控系統(tǒng)硬件電路，編制了控制系統(tǒng)軟件程序。進(jìn)行了增壓進(jìn)氣管路搭建、點(diǎn)火系統(tǒng)調(diào)試、氣密性檢查等相關(guān)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。開(kāi)展了樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并對(duì)比分析了不同進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了采用獨(dú)立壓縮和進(jìn)氣熱力學(xué)參數(shù)可控工作循環(huán)方案的高效性。此外，還通

6、過(guò)控制電機(jī)電磁力，改變活塞運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)比分析了不同活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)系統(tǒng)工作特性的影響，驗(yàn)證了通過(guò)優(yōu)化活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)提升系統(tǒng)性能的可行性和有效性。
　　(5)為了將多缸內(nèi)燃-直線(xiàn)發(fā)電集成動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于增程式電動(dòng)汽車(chē)，提出了一種基于超級(jí)電容器和蓄電池的復(fù)合儲(chǔ)能裝置。對(duì)復(fù)合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)匹配研究，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)拓?fù)潆娐愤M(jìn)行仿真分析，本文采用的控制策略實(shí)現(xiàn)了多缸直線(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定工作且得到較高的能量存儲(chǔ)效率，驗(yàn)證了理