淺析基于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)特性的線性發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

摘 要：基于自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)特性的線性發(fā)電機(jī)，將直線發(fā)電機(jī)與自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合，將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転殡姵毓╇?。該裝置能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的高效率和低排放。該系統(tǒng)減少了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得以提升。但是，由于無曲軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的有效控制成為該動(dòng)力裝置的最大難點(diǎn)。本文結(jié)合相關(guān)資料，使用永磁直線發(fā)電機(jī)作為研究對(duì)象，對(duì)該電機(jī)控制系統(tǒng)所應(yīng)用到的技術(shù)進(jìn)行分析、論證，進(jìn)一步明確自由活塞直線發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理和工作特點(diǎn)，為其控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供思路。

關(guān)鍵詞：自由活塞;線性發(fā)電機(jī);控制系統(tǒng)

0 引言

針對(duì)當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境和能源形勢，能夠提高能源利用率的動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，將得到了大力推廣和應(yīng)用。使用電力作為其運(yùn)行動(dòng)力的新能源汽車方興未艾。淺析其原因，在于動(dòng)力電池價(jià)格高、能量密度低、充電時(shí)間長。動(dòng)力電池性能提升并非短時(shí)間內(nèi)可解決。因此，能提升普通燃料熱值利用率的動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，將得到了進(jìn)一步的重視?；谧杂苫钊l(fā)動(dòng)機(jī)特性的線性發(fā)電機(jī)，是該類過渡動(dòng)力裝置的可選方案之一。其優(yōu)點(diǎn)是：能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)是：運(yùn)行穩(wěn)定性較差，控制方案都存在不夠精確的通病。

1 自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)特性的線性發(fā)電機(jī)概述

常見的自由活塞線性發(fā)電機(jī)（FPLG），一般由兩個(gè)對(duì)置的兩沖程內(nèi)燃機(jī)和一個(gè)永磁直線發(fā)電機(jī)構(gòu)成。燃燒室分置于兩端，兩個(gè)活塞由連桿連接為一體，連桿上裝有永磁體，鐵芯及線圈置于系統(tǒng)中間?；钊蜃筮\(yùn)動(dòng)時(shí)，壓縮左端燃燒室可燃混合氣體。同時(shí)，右端燃燒室內(nèi)完成膨脹和掃氣過程。活塞運(yùn)動(dòng)至左側(cè)氣缸的左止點(diǎn)后點(diǎn)燃（或壓燃）缸內(nèi)混合氣體，混合氣燃燒膨脹做功，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，壓縮右端氣缸內(nèi)混合氣。在這種方式下，對(duì)置兩側(cè)的燃燒室內(nèi)輪流著火做功，推動(dòng)裝有永磁體的連桿在鐵芯內(nèi)來回運(yùn)動(dòng)，使線圈中磁通量發(fā)生變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。

1998年，美國西弗吉尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一種雙活塞式自由活塞汽油直線發(fā)電機(jī)（如圖1）。該樣機(jī)采用二沖程的模式循環(huán)工作，利用霍爾位置傳感器檢測活塞位移，電子單元利用信號(hào)脈寬控制進(jìn)氣道噴油量、噴射時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間;自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)采用啟動(dòng)線圈進(jìn)行啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后通過電控單元使啟動(dòng)線圈自動(dòng)脫離，啟動(dòng)線圈也在發(fā)動(dòng)機(jī)不發(fā)火時(shí)起換向作用。這臺(tái)二沖程點(diǎn)燃式自由活塞直線發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，大大推動(dòng)了這方面研究的發(fā)展，在一定程度上可以認(rèn)為此后關(guān)于 FPLG 的研究幾乎都是按照這款樣機(jī)的研究思路展開。

2 自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)特性的線性發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析

（1）該動(dòng)力系統(tǒng)所要面對(duì)的問題。由于自由活塞直線發(fā)電機(jī)不存在功能類似于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，所以一旦某一側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火或燃燒不完全，沒有足夠的氣體作用力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)到對(duì)側(cè)氣缸的著火燃燒位置，這就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。使該動(dòng)力裝置連續(xù)運(yùn)行是其控制系統(tǒng)所要解決的首要問題。另外，該裝置工作過程中還存在發(fā)電機(jī)負(fù)載波動(dòng)、循環(huán)進(jìn)排氣差異、燃料供應(yīng)不均勻等問題?？傊?，自由活塞直線發(fā)電機(jī)具有較為苛刻的穩(wěn)定運(yùn)行條件，這為系統(tǒng)連續(xù)工作的控制設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。

除連續(xù)運(yùn)行的控制問題，燃料燃燒模式的選擇也要進(jìn)行分析和論證。

（2）運(yùn)行機(jī)理與控制思路。由于沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，自由活塞直線發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程穩(wěn)定性控制是一項(xiàng)關(guān)鍵難題。國內(nèi)南京理工大學(xué)常思勤課題組對(duì)其研究的單活塞四行程自由活塞直線發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了分層結(jié)構(gòu)的控制器，該控制器主體方案如圖 2 所示。其主要控制思路為通過控制直線電機(jī)的電磁力調(diào)劑活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的連續(xù)工作。根據(jù)控制目標(biāo)的優(yōu)先等級(jí)，整個(gè)控制器分為底層、燃燒優(yōu)化層及異常處理層。

（3）自由活塞直線發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程機(jī)理分析與控制系統(tǒng)研究。自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在運(yùn)動(dòng)過程中要求振蕩頻率固定，活塞運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定的沖程時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才能正常工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止起動(dòng)時(shí)，需要有足夠的力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，這時(shí)直線電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)，由蓄電池給直線電機(jī)供電使其做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)子通過連接桿推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。在起動(dòng)階段，系統(tǒng)采用速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)三環(huán)結(jié)合來控制算法，由沖程控制器提供沖程值。

3 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前適用于自由活塞式的永磁式直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行論述討論和分析，對(duì)該發(fā)電機(jī)工作過程、運(yùn)行機(jī)理、啟動(dòng)和運(yùn)行過程的關(guān)鍵問題，特別是在控制系統(tǒng)能夠?qū)钊\(yùn)動(dòng)實(shí)施精確控制的問題上展開探究。擬在研究中解決該裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、靜態(tài)啟動(dòng)等關(guān)鍵問題。力爭提出一種適用于自由活塞直線發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、完善對(duì)其工作性能特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理的認(rèn)識(shí)。從仿真的角度獲得樣機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，并解決相關(guān)技術(shù)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳光輝，劉春輝，陳宏威.自由活塞柴油直線發(fā)電機(jī)均質(zhì)充量壓燃工況分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2018，51（11）：1124-1129.

[2]華儒，徐照平，劉梁，劉東.自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)二沖程運(yùn)行模式換氣過程優(yōu)化[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2018（04）：45-49.

[3]李小慶.自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)探索研究[J].上海交通大學(xué)，2012：88.

作者簡介：孔旭（1984-），男，山東曲阜人，本科，研究方向：汽車電路。