自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機的研究.pdf

1、自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機(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力機。它直接將內(nèi)燃機和直線發(fā)電機結(jié)合在一起，在結(jié)構(gòu)上取消了內(nèi)燃機的曲軸連桿系統(tǒng)，整個機構(gòu)僅存在直線運動。而內(nèi)燃機的連桿直接作為直線發(fā)電機的動子的一部分，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)燃機帶動的發(fā)電機組合相比，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、機械效率高；此外，由于活塞行程不受機械限制，內(nèi)燃機可以運行在較大的壓縮比下，燃料適應(yīng)性較廣。目前此特種發(fā)動機受到國內(nèi)外越來越多科研機構(gòu)的青睞。
　　 本文以雙活塞式自由活塞內(nèi)燃機作為研究對象，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動規(guī)律與特性；在此基礎(chǔ)上展開樣機的研制，內(nèi)容涉及到自由活塞式內(nèi)燃機機械部分的設(shè)計以及相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計；最后又對所研制的樣機進行了研發(fā)實驗研究并與仿真結(jié)果進行對比。整個過程遵循分析--設(shè)計-

3、-調(diào)試的思路，基本上將最初的一個想法最終變成一個模型機。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，設(shè)計了一種基于自由活塞式內(nèi)燃機的直線發(fā)電機，結(jié)合有限元方法對其尺寸進行優(yōu)化、對其性能進行了仿真。在所建有限元模型的基礎(chǔ)上獲得了直線發(fā)電機的電磁力與其負載之間的非線性關(guān)系并將其成功耦合于所建立的自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機系統(tǒng)的總仿真模型中，彌補了傳統(tǒng)仿真模型中關(guān)于發(fā)電機電磁力不準確的不足。
　　 2.對自由活塞

4、式內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究。在Matlab/Simulink環(huán)境下分別對自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電機系統(tǒng)各個部件建立了數(shù)學(xué)模型并進行系統(tǒng)耦合、調(diào)試，掌握了該特殊系統(tǒng)的運動規(guī)律。并利用所建立的模型對實際樣機的各個設(shè)計參數(shù)進行研究，分析不同的設(shè)計及控制參數(shù)對自由活塞系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。根據(jù)所建立的仿真模型，確定了樣機的設(shè)計和控制參數(shù)。
　　 3.設(shè)計了自由活塞系統(tǒng)供油回路和進排氣裝置，針對性的設(shè)計了自由活塞式內(nèi)燃機所特有的電磁啟動機構(gòu)，并將此

5、機構(gòu)附加于所設(shè)計的連桿之上。
　　 4.研發(fā)了適合自由活塞式內(nèi)燃機的電控軟、硬件系統(tǒng)。針對此特殊的直線運動，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)階段實現(xiàn)了噴油和點火兩大功能，預(yù)留8路AD轉(zhuǎn)換處理通道。其中點火及噴油時刻均可以通過程序靈活調(diào)整，以方便實驗研究以及標定控制系統(tǒng)。
　　 5.對自由活塞式內(nèi)燃機樣機展開實驗研究，考察了該系統(tǒng)的運動規(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