浅析基于自由活塞发动机特性的线性发电机控制系统相关技术

摘 要：基于自由活塞发动机特性的线性发电机，将直线发电机与自由活塞发动机结合，将机械能直接转变为电能为电池供电。该装置能实现内燃机的高效率和低排放。该系统减少了中间传动环节，整个系统的可靠性得以提升。但是，由于无曲轴的结构特点，对活塞运动的有效控制成为该动力装置的最大难点。本文结合相关资料，使用永磁直线发电机作为研究对象，对该电机控制系统所应用到的技术进行分析、论证，进一步明确自由活塞直线发电机的运行机理和工作特点，为其控制系统的优化提供思路。

关键词：自由活塞;线性发电机;控制系统

0 引言

针对当前严峻的环境和能源形势，能够提高能源利用率的动力转换装置，将得到了大力推广和应用。使用电力作为其运行动力的新能源汽车方兴未艾。浅析其原因，在于动力电池价格高、能量密度低、充电时间长。动力电池性能提升并非短时间内可解决。因此，能提升普通燃料热值利用率的动力转换装置，将得到了进一步的重视。基于自由活塞发动机特性的线性发电机，是该类过渡动力装置的可选方案之一。其优点是：能量利用率高、结构简单。缺点是：运行稳定性较差，控制方案都存在不够精确的通病。

1 自由活塞发动机特性的线性发电机概述

常见的自由活塞线性发电机（FPLG），一般由两个对置的两冲程内燃机和一个永磁直线发电机构成。燃烧室分置于两端，两个活塞由连杆连接为一体，连杆上装有永磁体，铁芯及线圈置于系统中间。活塞向左运动时，压缩左端燃烧室可燃混合气体。同时，右端燃烧室内完成膨胀和扫气过程。活塞运动至左侧气缸的左止点后点燃（或压燃）缸内混合气体，混合气燃烧膨胀做功，推动活塞向右运动，压缩右端气缸内混合气。在这种方式下，对置两侧的燃烧室内轮流着火做功，推动装有永磁体的连杆在铁芯内来回运动，使线圈中磁通量发生变化从而产生感应电流。

1998年，美国西弗吉尼亚大学设计了一种双活塞式自由活塞汽油直线发电机（如图1）。该样机采用二冲程的模式循环工作，利用霍尔位置传感器检测活塞位移，电子单元利用信号脉宽控制进气道喷油量、喷射时间和点火时间;自由活塞发动机采用启动线圈进行启动，启动完成后通过电控单元使启动线圈自动脱离，启动线圈也在发动机不发火时起换向作用。这台二冲程点燃式自由活塞直线发电机的设计，大大推动了这方面研究的发展，在一定程度上可以认为此后关于 FPLG 的研究几乎都是按照这款样机的研究思路展开。

2 自由活塞发动机特性的线性发电机控制系统相关技术分析

（1）该动力系统所要面对的问题。由于自由活塞直线发电机不存在功能类似于传统发动机飞轮的储能机构，所以一旦某一侧发动机熄火或燃烧不完全，没有足够的气体作用力推动活塞运动到对侧气缸的着火燃烧位置，这就可能导致整个系统停止运行。使该动力装置连续运行是其控制系统所要解决的首要问题。另外，该装置工作过程中还存在发电机负载波动、循环进排气差异、燃料供应不均匀等问题。总之，自由活塞直线发电机具有较为苛刻的稳定运行条件，这为系统连续工作的控制设计提出了挑战。

除連续运行的控制问题，燃料燃烧模式的选择也要进行分析和论证。

（2）运行机理与控制思路。由于没有曲柄连杆机构，自由活塞直线发电机运行过程稳定性控制是一项关键难题。国内南京理工大学常思勤课题组对其研究的单活塞四行程自由活塞直线发电机设计了分层结构的控制器，该控制器主体方案如图 2 所示。其主要控制思路为通过控制直线电机的电磁力调剂活塞的运动状态，进而实现样机的连续工作。根据控制目标的优先等级，整个控制器分为底层、燃烧优化层及异常处理层。

（3）自由活塞直线发电机启动过程机理分析与控制系统研究。自由活塞式发动机的活塞在运动过程中要求振荡频率固定，活塞运动达到一定的冲程时，发动机才能正常工作。当发动机由静止起动时，需要有足够的力推动活塞运动，这时直线电机运行在电动状态，由蓄电池给直线电机供电使其做直线往复运动，其动子通过连接杆推动活塞运动。在起动阶段，系统采用速度环、电流环、位置环三环结合来控制算法，由冲程控制器提供冲程值。

3 结语

本文针对当前适用于自由活塞式的永磁式直线发电机进行论述讨论和分析，对该发电机工作过程、运行机理、启动和运行过程的关键问题，特别是在控制系统能够对活塞运动实施精确控制的问题上展开探究。拟在研究中解决该装置的稳定运行、静态启动等关键问题。力争提出一种适用于自由活塞直线发电机控制系统的设计方法、完善对其工作性能特点和运行机理的认识。从仿真的角度获得样机的运行特点，并解决相关技术问题。

参考文献：

[1]陈光辉，刘春辉，陈宏威.自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2018，51（11）：1124-1129.

[2]华儒，徐照平，刘梁，刘东.自由活塞发动机二冲程运行模式换气过程优化[J].车用发动机，2018（04）：45-49.

[3]李小庆.自由活塞式内燃发电系统基础探索研究[J].上海交通大学，2012：88.

作者简介：孔旭（1984-），男，山东曲阜人，本科，研究方向：汽车电路。