線性自由活塞機(jī)電混合動(dòng)力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析

詹蘇 任海艮 朱金婷

摘要： 自由活塞機(jī)電混合動(dòng)力系統(tǒng)（Free Piston Electromechanical Hybrid System，簡稱FPHS）是一種由自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和線性電機(jī)直接耦合而成的新型混合動(dòng)力裝置。為了解FPHS發(fā)展?fàn)顩r和最新前沿成果，本文簡要總結(jié)當(dāng)前FPHS相關(guān)研究理論成果，并針對FPHS換氣特點(diǎn)和失穩(wěn)調(diào)控方面做出簡單分析。

Abstract： The free piston electrical hybrid system （FPHS） is a novel type of hybrid power device which is directly coupled by a free piston engine and a linear motor. In order to understand the development status of FPHS and the latest frontier results， this paper briefly summarizes the current related research theoretical results of FPHS， and simply analyzing the characteristics of FPHS control about gas exchange instability.

關(guān)鍵詞： 自由活塞;直線發(fā)電機(jī);換氣特點(diǎn)

Key words： free-piston;linear generator;gas exchange characteristics

中圖分類號(hào)：U472.9????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????? ?????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0054-02

0? 引言

當(dāng)前，燃料電池電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車和增程式電動(dòng)汽車相繼出現(xiàn)，為解決能源枯竭和汽車環(huán)境污染提供了可行方案。我國電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展吸引了眾多專家學(xué)者對新型電能動(dòng)力裝置的研究，其中自由活塞機(jī)電混合動(dòng)力系統(tǒng)（Free-piston Electromechanical Hybrid System，簡稱FPHS）因其特殊的結(jié)構(gòu)和節(jié)能優(yōu)勢，從中脫穎而出，行業(yè)內(nèi)的專家和研究學(xué)者對其探討十分熱烈。

1? 自由活塞直線發(fā)電機(jī)概述

FPHS是一種由線性發(fā)電機(jī)與自由活塞直線發(fā)動(dòng)機(jī)直接耦合而成的新型機(jī)電混合動(dòng)力系統(tǒng)[1-2]，其顯著的特點(diǎn)是消除了曲柄連桿和慣性飛輪機(jī)構(gòu)，還可以省去離合器、變速器、動(dòng)力傳動(dòng)軸等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，活塞只做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，極大的簡化了結(jié)構(gòu)，能量傳遞路徑短，機(jī)械損失小。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，活塞進(jìn)行往復(fù)連續(xù)的直線運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換成電能，為車輛提供驅(qū)動(dòng)電力[3-4]。

2? 自由活塞直線發(fā)電機(jī)研究現(xiàn)狀

英國紐卡斯大學(xué)（University of Newcastle）回顧FPHS發(fā)展歷程，總結(jié)FPHS過去多年所取得成果，建立了較為完整的零維數(shù)學(xué)模型。研究了FPHS結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)行規(guī)律及實(shí)際應(yīng)用[5]。

美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室對FPHS相關(guān)研究開始于1995年，其主要關(guān)注FPHS燃燒過程及其相關(guān)影響因素，探討不同燃料、高壓縮比、稀薄燃燒對FPHS發(fā)電效率和排放影響規(guī)律[6]，致力于開發(fā)高效低排放FPHS，期望其系統(tǒng)發(fā)電效率能超過50%[7]。

美國西維吉尼亞大學(xué)（West Virginia University）的研究內(nèi)容主要以優(yōu)化FPHS工作過程為目的，探尋系統(tǒng)最佳工況點(diǎn)。Clark[8]于1998年開發(fā)了一臺(tái)汽油FPHS試驗(yàn)樣機(jī)，致力于研究火花點(diǎn)火式FPHS，采用兩行程結(jié)構(gòu)，其缸徑為36.5mm，最大行程為50mm，功率可達(dá)316W。

韓國蔚山大學(xué)（University of Ulsan）發(fā)表了一種二行程雙活塞FPHS系統(tǒng)，該系統(tǒng)擁有兩臺(tái)扁平式直線電機(jī)，兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各安裝一個(gè)火花塞，用以點(diǎn)燃缸內(nèi)可燃混合氣。Hung N和Lim O通過Fortran語言編寫程序來求解FPHS動(dòng)力學(xué)模型、線性發(fā)電機(jī)模型和熱力學(xué)模型，將模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性[9]。

中國科學(xué)研究院設(shè)計(jì)和制造了一臺(tái)微型FPHS，采用電熱塞點(diǎn)火方式，該樣機(jī)包含對置氣缸，缸徑為22.4mm，最大有效行程為32mm，連桿直徑為16mm，能在無負(fù)載條件下穩(wěn)態(tài)運(yùn)行[10]。

北京理工大學(xué)左正興教授課題組在FPHS研究中取得了豐厚成果。肖翀[11]搭建了FPHS非線性動(dòng)力學(xué)模型，并獲得其一階近似解，探尋了活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律和頻率響應(yīng)特性，利用輸入?yún)?shù)的可調(diào)控性，實(shí)現(xiàn)了FPHS運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

3? 自由活塞直線發(fā)電機(jī)換氣特點(diǎn)和失穩(wěn)調(diào)控研究現(xiàn)狀

美國西弗吉尼亞大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PHS可完成二行程式往復(fù)循環(huán)，缺陷是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程極不穩(wěn)定，燃燒驅(qū)動(dòng)力循環(huán)波動(dòng)劇烈，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)失火頻率高，僅能實(shí)現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)循環(huán)的連續(xù)運(yùn)行[6]。后續(xù)結(jié)果表明，運(yùn)行失穩(wěn)源于掃氣過程缸內(nèi)氣體組織質(zhì)量變差，換氣過程出現(xiàn)擾動(dòng)，缸內(nèi)新鮮充量難以維持穩(wěn)定。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)了類似實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，Johnson等分析研究了一臺(tái)直流掃氣點(diǎn)燃驅(qū)動(dòng)式FPHS，結(jié)果說明該樣機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)、壓縮比、缸內(nèi)氣體作用力和掃氣箱壓力都存在顯著差異，壓縮比最大波動(dòng)超過20%，可能直接導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作[12]。

在研究初期，F(xiàn)PHS換氣過程被簡化，認(rèn)為換氣是一種理想的結(jié)果，換氣結(jié)束后新鮮充量完全占據(jù)氣缸[13]，這在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中幾乎不可能存在。為了發(fā)現(xiàn)活塞運(yùn)動(dòng)對系統(tǒng)換氣過程影響作用機(jī)制，F(xiàn)redriksson等將模擬得到的傳動(dòng)組件運(yùn)動(dòng)充當(dāng)換氣邊界，結(jié)合一維仿真軟件AVL-Boost計(jì)算FPHS的換氣性能，采用典型分區(qū)混合模型來探尋系統(tǒng)氣體交換過程[14]。雖然一維模型能預(yù)測FPHS的換氣過程，但其弱化了缸內(nèi)氣體流動(dòng)、混合氣混合程度和氣口幾何機(jī)構(gòu)對換氣性能的影響[15]。為了解決一維模型存在的缺陷，Sandia實(shí)驗(yàn)室Blarigan等采用多維CFD方法來分析回流掃氣和直流掃氣對FPHS的影響[16]。

隨后，毛金龍等通過多維CFD軟件模擬FPHS工作過程，探尋點(diǎn)燃驅(qū)動(dòng)式FPHS回流掃氣特性[17-18]，結(jié)果表明，由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和傳動(dòng)方式存在顯著差別。Sofianopoulos等通過動(dòng)力學(xué)模型-換氣模型多次迭代的方法，分析了換氣系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)對FPHS廢氣清掃效率和新鮮充量捕獲率的影響特征[18]，研究發(fā)現(xiàn)合適的掃氣箱壓縮比能同時(shí)獲得較好的廢氣清掃效率和充量捕捉率。袁晨恒[19]根據(jù)FPHS動(dòng)力傳遞與換氣過程相互作用的特點(diǎn)，提出了動(dòng)力學(xué)-換氣單維耦合建模方法，模擬研究了FPHS與傳統(tǒng)混合動(dòng)力系統(tǒng)在換氣性能方面的差異。

4? 結(jié)論

①與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，F(xiàn)PHS研究潛力較大，是一種新型混合動(dòng)力裝置，前景廣闊。

②FPHS目前活塞運(yùn)動(dòng)控制暫不完善，無法精確控制活塞上下止點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的燃燒動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

③FPHS換氣失穩(wěn)控制方面的研究尚無公開的控制策略報(bào)道，F(xiàn)PHS在換氣過程中仍需尋找穩(wěn)定的換氣控制

策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kos J F. Computer optimized hybrid engine： US， US 5002020 A [P].1991.

[2]Razali M H， Mikalsen R， Roskilly A P. Recent commercial free- piston engine developments for automotive applications. Applied Thermal Engineering， 2015， 75（S）： 493-503.

[3]Hung N， Lim O. A review of free-piston linear engines. Applied Energy， 2016（178）：78-97.

[4]任好玲，林添良，謝海波，等.液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展方向[J].中國機(jī)械工程，2016，27（6）：833-838.

[5]Mikalsen R， Roskilly A P. A review of free-piston engine history and applications[J]. Applied Thermal Engineering. 2007-27： 2339-2352.

[6]Blarigan P V， Paradiso N， Goldsborough， S. Homogeneous charge compression ignition with a free piston： a new approach to ideal otto cycle performance. SAE Paper， 1998，982484.

[7]Blarigan P V. Advanced internal combustion engine research[C]. Proceedings of theU.S DOE Hydrogen Program Review， 2000.

[8]Clark N N， Nandkumar S， Atkinson C M， et al. Operation of a small bore two-stroke linear engine[J]. American Society of Mechanical Engineers， Internal Combustion Engine Division （Publication） ICE， 1998-31-01： 33-42.

[9]Hung N B ， Lim O T . A study of a two-stroke free piston linear engine using numerical analysis[J]. Journal of Mechanical Science & Technology， 2014， 28（4）：1545-1557.

[10]肖翀，左正興.自由活塞發(fā)電機(jī)的非線性建模與一階近似解的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（11）：966-969.

[11]肖翀，左正興.自由活塞是內(nèi)燃發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真與特性研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009（2）：46-49.

[12]Johnson T， Leick M. Experimental evaluation of the free piston engine-linear alternator.Sandia Report， 2015， SAND2015-2095.

[13]Mikalsen R， Jones E， Roskilly A P. Predictive piston motion control in a free-piston internal combustion engine[J]. Applied Energy， 2010-05-87（5）：1722-1728.

[14]Fredriksson J， Denbratt I. Simulation of a two-stroke free piston engine. SAE paper， 2004， 2004-01-1871.

[15]Bergman M， Fredriksson J， Golovitchev V L. CFD-based optimization of diesel-fueled free piston engine prototype for conventional and HCCI combustion. SAE Paper， 2008，2008-01-2423.

[16]Goldsborough S， Blarigan P V. Optimizing the Scavenging System for a Two- Stroke Cycle， Free Piston Engine for High Efficiency and Low Emissions：. A Computational Approach[C]. International Multidimensional Engine Modeling User'sGroup Meeting at the SAE Congress， 2003.

[17]劉福水，姜一通，王道靜.自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)低速不穩(wěn)定性影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（18）：109-115.

[18]Sofianopoulos A， Zhou Y， Lawler B， et al. Gas exchange processes of a small HCCIfree piston engine-A computational study. Applied Thermal Engineering， 2017（127）：1582-1597.

[19]Yuan C， Ren H， Xu， J. Comparison of the gas exchange of a loop scavenged free-piston engine alternator and the conventional engine. Applied Thermal Engineering， 2017（127）：638-649.