內燃-直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)的性能分析與優(yōu)化.pdf

1、自由活塞直線發(fā)電機是近20年伴隨著能源與環(huán)境問題逐漸發(fā)展起來的一種新型汽車動力裝置。它由自由活塞發(fā)動機與直線電機耦合而成，取消了常規(guī)發(fā)動機的曲柄連桿機構，而將燃料燃燒產生的化學能直接轉化為電能輸出，具有結構緊湊、燃料適應性好、能源利用率高等優(yōu)點，逐漸成為車載發(fā)電系統(tǒng)領域的研究熱點。本文以一種四沖程工作循環(huán)的自由活塞直線發(fā)電機為研究對象，對系統(tǒng)進行性能分析和優(yōu)化研究，開展了以下幾方面的理論和實驗研究工作:
　　(1)針對內燃-直線發(fā)

2、電集成動力系統(tǒng)的結構方案，對系統(tǒng)四沖程工作循環(huán)過程進行了規(guī)劃，建立了多學科交叉的數學模型，并基于Matlab/Simulink軟件和SimPowerSystems工具箱建立了系統(tǒng)的運動學和電路仿真模型，對系統(tǒng)工作過程進行了仿真研究，重點分析了自由活塞的位移、速度、缸內壓力、進排氣流量、直線電機電功率等各個參數的動態(tài)變化規(guī)律，揭示了系統(tǒng)的活塞運動規(guī)律特性，驗證了整個系統(tǒng)結構方案的可行性及有效性，為進一步的系統(tǒng)性能優(yōu)化提供理論基礎。

3、　　(2)為提升系統(tǒng)的功率密度，對系統(tǒng)熱力學循環(huán)過程進行了分析，在此基礎上提出了一類獨立壓縮、進氣熱力學參數可控的工作循環(huán)方案。闡述該方案的工作原理并定義新的系統(tǒng)性能評價指標。通過熱力學仿真研究，分析進氣壓力、進氣溫度、膨脹沖程終點等參數對系統(tǒng)性能的影響，并從能量守恒的角度分析系統(tǒng)的循環(huán)能量流動過程。利用有限時間熱力學方法建立此工作循環(huán)的理想熱力學模型，利用建立的熱力循環(huán)模型分析內燃-直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)的內、外部不可逆過程特性，研究壓

4、縮比、進氣溫度等因素對循環(huán)熱效率的影響特征，驗證了采用該工作循環(huán)方案的發(fā)動機相對于常規(guī)Otto循環(huán)發(fā)動機的熱效率有顯著提升。
　　(3)針對內燃-直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)中活塞運動自由度大的優(yōu)點，對活塞運動規(guī)律進行了優(yōu)化研究。在以提升系統(tǒng)輸出功為目標的前提下，設定相關約束條件，建立了活塞運動規(guī)律優(yōu)化數學模型?；谙到y(tǒng)工作過程中活塞分階段運行的特性，采用高斯偽譜法將活塞運動規(guī)律優(yōu)化問題離散化，并結合序列二次規(guī)劃算法求解非線性規(guī)劃問題，通

5、過數值計算優(yōu)化活塞運動軌跡，與燃燒放熱規(guī)律、傳熱規(guī)律、點火正時規(guī)律等相結合，以提升系統(tǒng)性能。
　　(4)搭建了樣機實驗臺架，并設計了基于DSP數字信號處理器的電控系統(tǒng)硬件電路，編制了控制系統(tǒng)軟件程序。進行了增壓進氣管路搭建、點火系統(tǒng)調試、氣密性檢查等相關實驗準備工作。開展了樣機的實驗研究工作，實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行，并對比分析了不同進氣熱力學參數工況下的實驗數據，驗證了采用獨立壓縮和進氣熱力學參數可控工作循環(huán)方案的高效性。此外，還通

6、過控制電機電磁力，改變活塞運動軌跡，對比分析了不同活塞運動規(guī)律對系統(tǒng)工作特性的影響，驗證了通過優(yōu)化活塞運動規(guī)律來提升系統(tǒng)性能的可行性和有效性。
　　(5)為了將多缸內燃-直線發(fā)電集成動力系統(tǒng)應用于增程式電動汽車，提出了一種基于超級電容器和蓄電池的復合儲能裝置。對復合儲能裝置進行了結構設計與參數匹配研究，建立系統(tǒng)數學模型，通過對系統(tǒng)拓撲電路進行仿真分析，本文采用的控制策略實現(xiàn)了多缸直線電機的穩(wěn)定工作且得到較高的能量存儲效率，驗證了理