劉念鵬 徐照平 劉 梁 華 儒 劉 東

（南京理工大學機械工程學院 江蘇 南京 210094）

引言

近年來，一類新型自由活塞發(fā)電機引起了越來越多的關注。該類發(fā)動機在傳統(tǒng)自由活塞發(fā)電機的基礎上，以直線電機作為負載，能夠將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能直接轉化為更加清潔的電能輸出[1]。由于舍棄了傳統(tǒng)發(fā)動機的曲柄連桿機構，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，具有熱效率高、壓縮比可變、燃料適應性廣等優(yōu)點。該類發(fā)動機不僅能夠用在純電動汽車和混合動力汽車上，還能應用于移動電源以及便攜式發(fā)電器材等領域。

目前，國內外自由活塞發(fā)電機的研究方向主要集中在直線電機電磁結構設計、運動控制、缸內燃燒過程優(yōu)化等方面[2-5]。美國西弗吉尼亞大學的研究最具代表性，該校的Shoukry等人[6]對二沖程自由活塞發(fā)電機進行了數(shù)值仿真，分析了燃燒持續(xù)期、負載大小等對系統(tǒng)性能的影響。國內的上海交通大學、同濟大學、北京理工大學等高校針對自由活塞發(fā)電機進行了仿真研究[7-10]。

目前研究較多的二沖程自由活塞發(fā)電機雖具有功率密度大、結構簡單等優(yōu)點，但由于二沖程發(fā)動機存在環(huán)保性能較差、缸內廢氣難以排凈等缺點，已不在汽車上使用。四沖程發(fā)動機的換氣質量較好，有利于節(jié)能環(huán)保。本文主要研究四沖程自由活塞發(fā)電機，在仿真分析的基礎上，以某型內燃機為原型機研制的樣機系統(tǒng)進行試驗驗證。

1 系統(tǒng)方案

四沖程自由活塞發(fā)電機的基本結構如圖1所示，系統(tǒng)可分為電子和機械等2部分。

圖1 四沖程自由活塞發(fā)電機系統(tǒng)結構圖

1）電子部分包括控制系統(tǒng)、儲能電池組、功率變換器等部件。電池組能夠存儲電機動子在磁場內運動產(chǎn)生的電能；功率變換器可實現(xiàn)發(fā)動機和電池組之間電能的雙向流動；控制系統(tǒng)能根據(jù)電機的反饋電流和位移速度信號控制電機的往復運動、燃油噴射、進排氣門開關和點火燃燒，實現(xiàn)四沖程熱力循環(huán)。

2）機械部分包括四沖程自由活塞發(fā)電機、直線電機、回復彈簧等部件。其中，自由活塞和電機動子相互連接形成活塞組件，是主要的運動部件[11]。

圖2為四沖程自由活塞發(fā)電機系統(tǒng)工作循環(huán)。

1）第一階段，直線電機在正向電流產(chǎn)生的驅動力作用下帶動自由活塞向下運動至x1處，彈簧被壓縮，同時進氣門打開，混合氣進入氣缸，完成進氣沖程，此時直線電機處于電動狀態(tài)；

2）第二階段，活塞組件在彈簧回復力的推動下向上運動至x2處，完成壓縮沖程，電機動子切割磁感線產(chǎn)生感應電流，直線電機處于發(fā)電狀態(tài)；

3）第三階段，當活塞組件運動至上止點時，火花塞點火，缸內壓力升高，推動活塞組件向下運動至x3處，彈簧被壓縮，電機動子切割磁感線產(chǎn)生感應電流，直線電機處于發(fā)電狀態(tài)；

4）第四階段與第二階段相似，在活塞組件運動到下止點后，彈簧回復力推動活塞向上運動至x4處，電機動子切割磁感線產(chǎn)生感應電流，直線電機處于發(fā)電狀態(tài)。與此同時，排氣門打開，廢氣被排出氣缸，排氣沖程完成。

圖2 四沖程自由活塞發(fā)電機系統(tǒng)工作循環(huán)

2 系統(tǒng)設計

2.1 發(fā)動機設計

本文設計的樣機系統(tǒng)以某型汽油機為原型機，該型汽油機使用ECU控制點火，燃油噴射方式為進氣道電控汽油噴射。由于取消了曲軸連桿和凸輪機構，安裝在氣缸頂部的進、排氣門改為由電磁執(zhí)行器驅動，可以方便地控制進、排氣門的開啟/關閉，進而調節(jié)發(fā)動機的換氣過程。

原型機的參數(shù)見表1。

表1 原型機參數(shù)

2.2 電機電磁分析

四沖程自由活塞發(fā)電機的電機是一種動圈式直線電機[12]，該類電機具有動子質量低、推力波動小、可控性能高等特點。

在Altair Flux中建立模型，對位移和電流進行參數(shù)化設置，進行靜磁場仿真，可求得不同電流下，電機動子在不同位置時的電磁力大小，如圖3所示，進而計算出電機的電流參數(shù)ki。

圖3 電磁力仿真結果

圖4 為利用Flux計算所得的電機磁通密度矢量圖。圖4中，1所指部分為永磁體，充磁方式為徑向充磁；2所指部分為電機動子，動子中心軸上方通過彈簧座與活塞連接組成運動組件。當發(fā)動機處于進氣或膨脹沖程時，活塞或電機動子帶動彈簧座運動，壓縮彈簧；當發(fā)動機處于壓縮或排氣沖程時，彈簧回復力推動彈簧座向上運動，線圈切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢。

圖4 電機結構和磁通密度矢量圖

2.3 功率變換器設計

為了使電機能在上行或下行時完成電動或發(fā)電，本文設計了一個功率變換器，如圖5所示，它能使電機在四象限內工作[13]。當K1、K4、K5導通時，電機處于電動狀態(tài)，電機動子帶動活塞向下運動，此時發(fā)動機處于進氣沖程；當K6導通而其余開關斷開時，如果電機在彈簧回復力驅動下向上運動，電流通過K1、K4的二極管續(xù)流，此時發(fā)動機處于壓縮和排氣沖程，電機為發(fā)電狀態(tài)；如果電機在氣缸壓力作用下向下運動，則電流通過K2、K3的二極管續(xù)流，此時發(fā)動機處于膨脹做功沖程，電機同樣處于發(fā)電狀態(tài)。

圖5 功率變換電路

3 仿真研究

在四沖程發(fā)動機中，活塞組件的往復運動完全是由所受外力的合力決定的。這些外力包括直線電機產(chǎn)生的電磁力Fe、回復彈簧的彈簧力Fs、各種摩擦力Ff以及燃燒室內的氣體壓力Fp等。

根據(jù)牛頓第二定律，可得到動力學模型[14]：

式中：m為活塞組件運動質量，kg；x為活塞組件位移，m；t為時間，s。Fe為電機電磁力，N；Fp為缸內壓力，N；Fs為彈簧力，N；Ff為摩擦力，N。

電機電磁力Fe可表示為：

式中：ki為電機常數(shù)，N/A；I為電機電樞電流，A。

缸內壓力Fp可表示為：

式中：A為活塞端部面積，m2；p為缸內壓強，Pa。p可通過韋伯函數(shù)積分計算得到：

式中：Hu為燃料低熱值，MJ/kg；Gu為循環(huán)燃料供應量，kg；nu為燃燒效率，%；n 為燃燒品質因數(shù)；t0為點火時刻，s；T為燃燒持續(xù)時間，s；r為多變指數(shù)，膨脹沖程和壓縮沖程多變指數(shù)分別用re和rc表示；v為活塞組件的運動速度（在本文中，默認所有有方向的量向下為正），m/s。

彈簧力Fs與摩擦力Ff可表示為：

式中：ks為彈簧剛度，N/m；kf為動摩擦因數(shù)；xs為彈簧預壓縮量，m。

根據(jù)公式（1）~公式（7），可在 Simulink中建立仿真模型，仿真參數(shù)設置見表2。

表2 仿真參數(shù)

為確保仿真與樣機的一致性，結構參數(shù)直接參考原型機，而燃燒相關參數(shù)則通過分析原型機示功圖獲得。

圖6為通過仿真得到的電機動子位移和電機電樞電流隨時間的變化關系。從圖6中的電機動子位移曲線可知，進氣沖程終點為70.26mm，壓縮沖程終點為10.96mm，膨脹沖程終點為95.04mm，排氣沖程終點為12.35mm。與傳統(tǒng)內燃機相比，自由活塞發(fā)電機每個沖程之間是相互獨立的，這種循環(huán)具有更高的效率。從圖6中的電機電樞電流曲線可知，電機電流狀態(tài)變化時間與沖程變化時刻相匹配，且大小和方向變化與圖2所示的四沖程工作循環(huán)相吻合。

圖6 電機動子位移和電機電樞電流隨時間的變化關系

4 樣機試驗

4.1 樣機系統(tǒng)

在仿真基礎上，以前面所述的某型汽油機為原型機，研制了一臺缸徑為102mm，最大沖程為120mm的試驗樣機，樣機系統(tǒng)如圖7所示。樣機的活塞是在原型機基礎上改進所得，進排氣門采用電磁驅動，因此對缸頭進行了一定調整，以方便安裝電磁氣門。

圖7 樣機系統(tǒng)

在進行試驗時，設定進氣沖程目標電流為85 A，壓縮沖程目標電流為32 A，膨脹沖程目標電流為反向80 A，排氣沖程目標電流為103 A。

4.2 試驗結果分析

樣機的試驗結果如圖8所示。

圖8 樣機試驗結果

圖8 a為試驗所得電機動子位移和電機電流隨時間的變化曲線，從圖8a可以看出，樣機系統(tǒng)實現(xiàn)了連續(xù)運行，在1 s內共完成9個四沖程循環(huán)，完成一個四沖程循環(huán)大約需要110ms，相當于常規(guī)四沖程發(fā)動機1 000 r/min的工作頻率。

圖8b為試驗所得前6個四沖程循環(huán)活塞組件運動速度隨位移的變化曲線。從圖8b可以看出，活塞組件在進氣和壓縮沖程運行較為穩(wěn)定，而在膨脹和排氣沖程，活塞組件的運動狀態(tài)受到發(fā)動機燃燒狀況的影響?；钊M件在膨脹沖程的最大運動速度可達8.7m/s，而在其他沖程的最大運動速度不到5m/s。

根據(jù)電機電流I、活塞組件運動速度v、缸內壓強p、循環(huán)燃料供應量Gu，可求得各循環(huán)發(fā)電量Jout、循環(huán)指示功Jpv和循環(huán)放熱量Jin，進而求得電機的發(fā)電效率。發(fā)動機節(jié)氣門開度為18.5%時，樣機的性能參數(shù)見表3。

表3 樣機結構和性能參數(shù)

從9個四沖程循環(huán)中取出一個燃燒效果最好的四沖程循環(huán)與仿真結果進行對比，先對仿真模型中部分參數(shù)進行確認，主要包括進排氣壓力、活塞組件初始位移x0、燃燒持續(xù)時間T、多變指數(shù)rc和re等。參數(shù)確認過后的仿真結果與試驗結果對比如圖9所示。

圖9 參數(shù)確認后仿真結果與試驗結果對比

從圖9可以看出，電機動子位移和缸內壓力取得了較好的吻合效果，電機電流曲線吻合程度也比較高，能夠為后續(xù)的性能參數(shù)分析提供依據(jù)。

5 結論

1）利用Maxwell和Flux軟件進行了電機電磁仿真，在此基礎上建立了電機和自由活塞發(fā)電機系統(tǒng)Simulink仿真模型。仿真結果表明，仿真結果與樣機試驗數(shù)據(jù)相比，吻合程度較高，證明仿真模型準確有效。

2）研制了試驗樣機，利用樣機進行了試驗。試驗結果表明，樣機能夠實現(xiàn)連續(xù)運行。發(fā)動機節(jié)氣門開度為18%時，樣機系統(tǒng)的發(fā)電功率為3.1 kW，發(fā)電效率為38.4%，直線電機的發(fā)電效率為96.1%。如果節(jié)氣門全開，樣機系統(tǒng)的發(fā)電功率能達到5.4 kW。

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