四冲程自由活塞内燃发电机样机设计与试验研究*

刘念鹏 徐照平 刘 梁 华 儒 刘 东

（南京理工大学机械工程学院 江苏 南京 210094）

引言

近年来，一类新型自由活塞发电机引起了越来越多的关注。该类发动机在传统自由活塞发电机的基础上，以直线电机作为负载，能够将燃料燃烧所产生的热能直接转化为更加清洁的电能输出[1]。由于舍弃了传统发动机的曲柄连杆机构，与传统发动机相比，具有热效率高、压缩比可变、燃料适应性广等优点。该类发动机不仅能够用在纯电动汽车和混合动力汽车上，还能应用于移动电源以及便携式发电器材等领域。

目前，国内外自由活塞发电机的研究方向主要集中在直线电机电磁结构设计、运动控制、缸内燃烧过程优化等方面[2-5]。美国西弗吉尼亚大学的研究最具代表性，该校的Shoukry等人[6]对二冲程自由活塞发电机进行了数值仿真，分析了燃烧持续期、负载大小等对系统性能的影响。国内的上海交通大学、同济大学、北京理工大学等高校针对自由活塞发电机进行了仿真研究[7-10]。

目前研究较多的二冲程自由活塞发电机虽具有功率密度大、结构简单等优点，但由于二冲程发动机存在环保性能较差、缸内废气难以排净等缺点，已不在汽车上使用。四冲程发动机的换气质量较好，有利于节能环保。本文主要研究四冲程自由活塞发电机，在仿真分析的基础上，以某型内燃机为原型机研制的样机系统进行试验验证。

1 系统方案

四冲程自由活塞发电机的基本结构如图1所示，系统可分为电子和机械等2部分。

图1 四冲程自由活塞发电机系统结构图

1）电子部分包括控制系统、储能电池组、功率变换器等部件。电池组能够存储电机动子在磁场内运动产生的电能；功率变换器可实现发动机和电池组之间电能的双向流动；控制系统能根据电机的反馈电流和位移速度信号控制电机的往复运动、燃油喷射、进排气门开关和点火燃烧，实现四冲程热力循环。

2）机械部分包括四冲程自由活塞发电机、直线电机、回复弹簧等部件。其中，自由活塞和电机动子相互连接形成活塞组件，是主要的运动部件[11]。

图2为四冲程自由活塞发电机系统工作循环。

1）第一阶段，直线电机在正向电流产生的驱动力作用下带动自由活塞向下运动至x1处，弹簧被压缩，同时进气门打开，混合气进入气缸，完成进气冲程，此时直线电机处于电动状态；

2）第二阶段，活塞组件在弹簧回复力的推动下向上运动至x2处，完成压缩冲程，电机动子切割磁感线产生感应电流，直线电机处于发电状态；

3）第三阶段，当活塞组件运动至上止点时，火花塞点火，缸内压力升高，推动活塞组件向下运动至x3处，弹簧被压缩，电机动子切割磁感线产生感应电流，直线电机处于发电状态；

4）第四阶段与第二阶段相似，在活塞组件运动到下止点后，弹簧回复力推动活塞向上运动至x4处，电机动子切割磁感线产生感应电流，直线电机处于发电状态。与此同时，排气门打开，废气被排出气缸，排气冲程完成。

图2 四冲程自由活塞发电机系统工作循环

2 系统设计

2.1 发动机设计

本文设计的样机系统以某型汽油机为原型机，该型汽油机使用ECU控制点火，燃油喷射方式为进气道电控汽油喷射。由于取消了曲轴连杆和凸轮机构，安装在气缸顶部的进、排气门改为由电磁执行器驱动，可以方便地控制进、排气门的开启/关闭，进而调节发动机的换气过程。

原型机的参数见表1。

表1 原型机参数

2.2 电机电磁分析

四冲程自由活塞发电机的电机是一种动圈式直线电机[12]，该类电机具有动子质量低、推力波动小、可控性能高等特点。

在Altair Flux中建立模型，对位移和电流进行参数化设置，进行静磁场仿真，可求得不同电流下，电机动子在不同位置时的电磁力大小，如图3所示，进而计算出电机的电流参数ki。

图3 电磁力仿真结果

图4 为利用Flux计算所得的电机磁通密度矢量图。图4中，1所指部分为永磁体，充磁方式为径向充磁；2所指部分为电机动子，动子中心轴上方通过弹簧座与活塞连接组成运动组件。当发动机处于进气或膨胀冲程时，活塞或电机动子带动弹簧座运动，压缩弹簧；当发动机处于压缩或排气冲程时，弹簧回复力推动弹簧座向上运动，线圈切割磁感线产生感应电动势。

图4 电机结构和磁通密度矢量图

2.3 功率变换器设计

为了使电机能在上行或下行时完成电动或发电，本文设计了一个功率变换器，如图5所示，它能使电机在四象限内工作[13]。当K1、K4、K5导通时，电机处于电动状态，电机动子带动活塞向下运动，此时发动机处于进气冲程；当K6导通而其余开关断开时，如果电机在弹簧回复力驱动下向上运动，电流通过K1、K4的二极管续流，此时发动机处于压缩和排气冲程，电机为发电状态；如果电机在气缸压力作用下向下运动，则电流通过K2、K3的二极管续流，此时发动机处于膨胀做功冲程，电机同样处于发电状态。

图5 功率变换电路

3 仿真研究

在四冲程发动机中，活塞组件的往复运动完全是由所受外力的合力决定的。这些外力包括直线电机产生的电磁力Fe、回复弹簧的弹簧力Fs、各种摩擦力Ff以及燃烧室内的气体压力Fp等。

根据牛顿第二定律，可得到动力学模型[14]：

式中：m为活塞组件运动质量，kg；x为活塞组件位移，m；t为时间，s。Fe为电机电磁力，N；Fp为缸内压力，N；Fs为弹簧力，N；Ff为摩擦力，N。

电机电磁力Fe可表示为：

式中：ki为电机常数，N/A；I为电机电枢电流，A。

缸内压力Fp可表示为：

式中：A为活塞端部面积，m2；p为缸内压强，Pa。p可通过韦伯函数积分计算得到：

式中：Hu为燃料低热值，MJ/kg；Gu为循环燃料供应量，kg；nu为燃烧效率，%；n 为燃烧品质因数；t0为点火时刻，s；T为燃烧持续时间，s；r为多变指数，膨胀冲程和压缩冲程多变指数分别用re和rc表示；v为活塞组件的运动速度（在本文中，默认所有有方向的量向下为正），m/s。

弹簧力Fs与摩擦力Ff可表示为：

式中：ks为弹簧刚度，N/m；kf为动摩擦因数；xs为弹簧预压缩量，m。

根据公式（1）~公式（7），可在 Simulink中建立仿真模型，仿真参数设置见表2。

表2 仿真参数

为确保仿真与样机的一致性，结构参数直接参考原型机，而燃烧相关参数则通过分析原型机示功图获得。

图6为通过仿真得到的电机动子位移和电机电枢电流随时间的变化关系。从图6中的电机动子位移曲线可知，进气冲程终点为70.26mm，压缩冲程终点为10.96mm，膨胀冲程终点为95.04mm，排气冲程终点为12.35mm。与传统内燃机相比，自由活塞发电机每个冲程之间是相互独立的，这种循环具有更高的效率。从图6中的电机电枢电流曲线可知，电机电流状态变化时间与冲程变化时刻相匹配，且大小和方向变化与图2所示的四冲程工作循环相吻合。

图6 电机动子位移和电机电枢电流随时间的变化关系

4 样机试验

4.1 样机系统

在仿真基础上，以前面所述的某型汽油机为原型机，研制了一台缸径为102mm，最大冲程为120mm的试验样机，样机系统如图7所示。样机的活塞是在原型机基础上改进所得，进排气门采用电磁驱动，因此对缸头进行了一定调整，以方便安装电磁气门。

图7 样机系统

在进行试验时，设定进气冲程目标电流为85 A，压缩冲程目标电流为32 A，膨胀冲程目标电流为反向80 A，排气冲程目标电流为103 A。

4.2 试验结果分析

样机的试验结果如图8所示。

图8 样机试验结果

图8 a为试验所得电机动子位移和电机电流随时间的变化曲线，从图8a可以看出，样机系统实现了连续运行，在1 s内共完成9个四冲程循环，完成一个四冲程循环大约需要110ms，相当于常规四冲程发动机1 000 r/min的工作频率。

图8b为试验所得前6个四冲程循环活塞组件运动速度随位移的变化曲线。从图8b可以看出，活塞组件在进气和压缩冲程运行较为稳定，而在膨胀和排气冲程，活塞组件的运动状态受到发动机燃烧状况的影响。活塞组件在膨胀冲程的最大运动速度可达8.7m/s，而在其他冲程的最大运动速度不到5m/s。

根据电机电流I、活塞组件运动速度v、缸内压强p、循环燃料供应量Gu，可求得各循环发电量Jout、循环指示功Jpv和循环放热量Jin，进而求得电机的发电效率。发动机节气门开度为18.5%时，样机的性能参数见表3。

表3 样机结构和性能参数

从9个四冲程循环中取出一个燃烧效果最好的四冲程循环与仿真结果进行对比，先对仿真模型中部分参数进行确认，主要包括进排气压力、活塞组件初始位移x0、燃烧持续时间T、多变指数rc和re等。参数确认过后的仿真结果与试验结果对比如图9所示。

图9 参数确认后仿真结果与试验结果对比

从图9可以看出，电机动子位移和缸内压力取得了较好的吻合效果，电机电流曲线吻合程度也比较高，能够为后续的性能参数分析提供依据。

5 结论

1）利用Maxwell和Flux软件进行了电机电磁仿真，在此基础上建立了电机和自由活塞发电机系统Simulink仿真模型。仿真结果表明，仿真结果与样机试验数据相比，吻合程度较高，证明仿真模型准确有效。

2）研制了试验样机，利用样机进行了试验。试验结果表明，样机能够实现连续运行。发动机节气门开度为18%时，样机系统的发电功率为3.1 kW，发电效率为38.4%，直线电机的发电效率为96.1%。如果节气门全开，样机系统的发电功率能达到5.4 kW。

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13徐照平.内燃-直线发电集成动力系统的关键技术研究及其系统实现[D].南京：南京理工大学，2010

14张磊，肖进.基于Matlab/Simulink的自由活塞式发电机运动仿真分析[J].内燃机与动力装置，2016，33（1）：59-64