自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的研究.pdf

1、自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)(Free Piston Linear Alternator，簡稱FPLA)是近10年伴隨著能源和環(huán)境問題逐漸發(fā)展起來的一種新型動(dòng)力機(jī)。它直接將內(nèi)燃機(jī)和直線發(fā)電機(jī)結(jié)合在一起，在結(jié)構(gòu)上取消了內(nèi)燃機(jī)的曲軸連桿系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)構(gòu)僅存在直線運(yùn)動(dòng)。而內(nèi)燃機(jī)的連桿直接作為直線發(fā)電機(jī)的動(dòng)子的一部分，將燃燒室內(nèi)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能輸出。與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)組合相比，此耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)目少；中途能量轉(zhuǎn)換損失小，摩擦力小，

2、機(jī)械效率高；此外，由于活塞行程不受機(jī)械限制，內(nèi)燃機(jī)可以運(yùn)行在較大的壓縮比下，燃料適應(yīng)性較廣。目前此特種發(fā)動(dòng)機(jī)受到國內(nèi)外越來越多科研機(jī)構(gòu)的青睞。
　　 本文以雙活塞式自由活塞內(nèi)燃機(jī)作為研究對(duì)象，展開全面系統(tǒng)的研究。首先通過數(shù)學(xué)建模的方法分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與特性；在此基礎(chǔ)上展開樣機(jī)的研制，內(nèi)容涉及到自由活塞式內(nèi)燃機(jī)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；最后又對(duì)所研制的樣機(jī)進(jìn)行了研發(fā)實(shí)驗(yàn)研究并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。整個(gè)過程遵循分析--設(shè)計(jì)-

3、-調(diào)試的思路，基本上將最初的一個(gè)想法最終變成一個(gè)模型機(jī)。本文主要開展了如下研究工作：
　　 1.試制了自由活塞式內(nèi)燃機(jī)，設(shè)計(jì)了一種基于自由活塞式內(nèi)燃機(jī)的直線發(fā)電機(jī)，結(jié)合有限元方法對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化、對(duì)其性能進(jìn)行了仿真。在所建有限元模型的基礎(chǔ)上獲得了直線發(fā)電機(jī)的電磁力與其負(fù)載之間的非線性關(guān)系并將其成功耦合于所建立的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的總仿真模型中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)仿真模型中關(guān)于發(fā)電機(jī)電磁力不準(zhǔn)確的不足。
　　 2.對(duì)自由活塞

4、式內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。在Matlab/Simulink環(huán)境下分別對(duì)自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)各個(gè)部件建立了數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行系統(tǒng)耦合、調(diào)試，掌握了該特殊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。并利用所建立的模型對(duì)實(shí)際樣機(jī)的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，分析不同的設(shè)計(jì)及控制參數(shù)對(duì)自由活塞系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)所建立的仿真模型，確定了樣機(jī)的設(shè)計(jì)和控制參數(shù)。
　　 3.設(shè)計(jì)了自由活塞系統(tǒng)供油回路和進(jìn)排氣裝置，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了自由活塞式內(nèi)燃機(jī)所特有的電磁啟動(dòng)機(jī)構(gòu)，并將此

5、機(jī)構(gòu)附加于所設(shè)計(jì)的連桿之上。
　　 4.研發(fā)了適合自由活塞式內(nèi)燃機(jī)的電控軟、硬件系統(tǒng)。針對(duì)此特殊的直線運(yùn)動(dòng)，采用霍爾傳感器結(jié)合直線位移傳感器共同作為判缸依據(jù)。所研制的控制系統(tǒng)在現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)了噴油和點(diǎn)火兩大功能，預(yù)留8路AD轉(zhuǎn)換處理通道。其中點(diǎn)火及噴油時(shí)刻均可以通過程序靈活調(diào)整，以方便實(shí)驗(yàn)研究以及標(biāo)定控制系統(tǒng)。
　　 5.對(duì)自由活塞式內(nèi)燃機(jī)樣機(jī)展開實(shí)驗(yàn)研究，考察了該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究了不同控制參數(shù)下系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律，掌握了自由