自由活塞式內燃發(fā)電機的研究.pdf

1、自由活塞式內燃發(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。它直接將內燃機和直線發(fā)電機結合在一起，在結構上取消了內燃機的曲軸連桿系統(tǒng)，整個機構僅存在直線運動。而內燃機的連桿直接作為直線發(fā)電機的動子的一部分，將燃燒室內的化學能直接轉換為電能輸出。與傳統(tǒng)旋轉內燃機帶動的發(fā)電機組合相比，此耦合系統(tǒng)結構簡單、零件數目少；中途能量轉換損失小，摩擦力小，

2、機械效率高；此外，由于活塞行程不受機械限制，內燃機可以運行在較大的壓縮比下，燃料適應性較廣。目前此特種發(fā)動機受到國內外越來越多科研機構的青睞。
　　 本文以雙活塞式自由活塞內燃機作為研究對象，展開全面系統(tǒng)的研究。首先通過數學建模的方法分析其運動規(guī)律與特性；在此基礎上展開樣機的研制，內容涉及到自由活塞式內燃機機械部分的設計以及相應控制系統(tǒng)的設計；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果進行對比。整個過程遵循分析--設計-

3、-調試的思路，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燃機，設計了一種基于自由活塞式內燃機的直線發(fā)電機，結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系并將其成功耦合于所建立的自由活塞式內燃發(fā)電機系統(tǒng)的總仿真模型中，彌補了傳統(tǒng)仿真模型中關于發(fā)電機電磁力不準確的不足。
　　 2.對自由活塞

4、式內燃發(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燃發(fā)電機系統(tǒng)各個部件建立了數學模型并進行系統(tǒng)耦合、調試，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計參數進行研究，分析不同的設計及控制參數對自由活塞系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。根據所建立的仿真模型，確定了樣機的設計和控制參數。
　　 3.設計了自由活塞系統(tǒng)供油回路和進排氣裝置，針對性的設計了自由活塞式內燃機所特有的電磁啟動機構，并將此

5、機構附加于所設計的連桿之上。
　　 4.研發(fā)了適合自由活塞式內燃機的電控軟、硬件系統(tǒng)。針對此特殊的直線運動，采用霍爾傳感器結合直線位移傳感器共同作為判缸依據。所研制的控制系統(tǒng)在現階段實現了噴油和點火兩大功能，預留8路AD轉換處理通道。其中點火及噴油時刻均可以通過程序靈活調整，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下系統(tǒng)響應規(guī)律，掌握了自由