淺析基于自由活塞發動機特性的線性發電機控制系統相關技術

摘 要：基于自由活塞發動機特性的線性發電機，將直線發電機與自由活塞發動機結合，將機械能直接轉變為電能為電池供電。該裝置能實現內燃機的高效率和低排放。該系統減少了中間傳動環節，整個系統的可靠性得以提升。但是，由于無曲軸的結構特點，對活塞運動的有效控制成為該動力裝置的最大難點。本文結合相關資料，使用永磁直線發電機作為研究對象，對該電機控制系統所應用到的技術進行分析、論證，進一步明確自由活塞直線發電機的運行機理和工作特點，為其控制系統的優化提供思路。

關鍵詞：自由活塞;線性發電機;控制系統

0 引言

針對當前嚴峻的環境和能源形勢，能夠提高能源利用率的動力轉換裝置，將得到了大力推廣和應用。使用電力作為其運行動力的新能源汽車方興未艾。淺析其原因，在于動力電池價格高、能量密度低、充電時間長。動力電池性能提升并非短時間內可解決。因此，能提升普通燃料熱值利用率的動力轉換裝置，將得到了進一步的重視?；谧杂苫钊l動機特性的線性發電機，是該類過渡動力裝置的可選方案之一。其優點是：能量利用率高、結構簡單。缺點是：運行穩定性較差，控制方案都存在不夠精確的通病。

1 自由活塞發動機特性的線性發電機概述

常見的自由活塞線性發電機（FPLG），一般由兩個對置的兩沖程內燃機和一個永磁直線發電機構成。燃燒室分置于兩端，兩個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中間。活塞向左運動時，壓縮左端燃燒室可燃混合氣體。同時，右端燃燒室內完成膨脹和掃氣過程?；钊\動至左側氣缸的左止點后點燃（或壓燃）缸內混合氣體，混合氣燃燒膨脹做功，推動活塞向右運動，壓縮右端氣缸內混合氣。在這種方式下，對置兩側的燃燒室內輪流著火做功，推動裝有永磁體的連桿在鐵芯內來回運動，使線圈中磁通量發生變化從而產生感應電流。

1998年，美國西弗吉尼亞大學設計了一種雙活塞式自由活塞汽油直線發電機（如圖1）。該樣機采用二沖程的模式循環工作，利用霍爾位置傳感器檢測活塞位移，電子單元利用信號脈寬控制進氣道噴油量、噴射時間和點火時間;自由活塞發動機采用啟動線圈進行啟動，啟動完成后通過電控單元使啟動線圈自動脫離，啟動線圈也在發動機不發火時起換向作用。這臺二沖程點燃式自由活塞直線發電機的設計，大大推動了這方面研究的發展，在一定程度上可以認為此后關于 FPLG 的研究幾乎都是按照這款樣機的研究思路展開。

2 自由活塞發動機特性的線性發電機控制系統相關技術分析

（1）該動力系統所要面對的問題。由于自由活塞直線發電機不存在功能類似于傳統發動機飛輪的儲能機構，所以一旦某一側發動機熄火或燃燒不完全，沒有足夠的氣體作用力推動活塞運動到對側氣缸的著火燃燒位置，這就可能導致整個系統停止運行。使該動力裝置連續運行是其控制系統所要解決的首要問題。另外，該裝置工作過程中還存在發電機負載波動、循環進排氣差異、燃料供應不均勻等問題。總之，自由活塞直線發電機具有較為苛刻的穩定運行條件，這為系統連續工作的控制設計提出了挑戰。

除連續運行的控制問題，燃料燃燒模式的選擇也要進行分析和論證。

（2）運行機理與控制思路。由于沒有曲柄連桿機構，自由活塞直線發電機運行過程穩定性控制是一項關鍵難題。國內南京理工大學常思勤課題組對其研究的單活塞四行程自由活塞直線發電機設計了分層結構的控制器，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的電磁力調劑活塞的運動狀態，進而實現樣機的連續工作。根據控制目標的優先等級，整個控制器分為底層、燃燒優化層及異常處理層。

（3）自由活塞直線發電機啟動過程機理分析與控制系統研究。自由活塞式發動機的活塞在運動過程中要求振蕩頻率固定，活塞運動達到一定的沖程時，發動機才能正常工作。當發動機由靜止起動時，需要有足夠的力推動活塞運動，這時直線電機運行在電動狀態，由蓄電池給直線電機供電使其做直線往復運動，其動子通過連接桿推動活塞運動。在起動階段，系統采用速度環、電流環、位置環三環結合來控制算法，由沖程控制器提供沖程值。

3 結語

本文針對當前適用于自由活塞式的永磁式直線發電機進行論述討論和分析，對該發電機工作過程、運行機理、啟動和運行過程的關鍵問題，特別是在控制系統能夠對活塞運動實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定運行、靜態啟動等關鍵問題。力爭提出一種適用于自由活塞直線發電機控制系統的設計方法、完善對其工作性能特點和運行機理的認識。從仿真的角度獲得樣機的運行特點，并解決相關技術問題。

參考文獻：

[1]陳光輝，劉春輝，陳宏威.自由活塞柴油直線發電機均質充量壓燃工況分析[J].天津大學學報（自然科學與工程技術版），2018，51（11）：1124-1129.

[2]華儒，徐照平，劉梁，劉東.自由活塞發動機二沖程運行模式換氣過程優化[J].車用發動機，2018（04）：45-49.

[3]李小慶.自由活塞式內燃發電系統基礎探索研究[J].上海交通大學，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。