四冲程自由活塞发电机动态特性及关键技术研究

Free-piston generators are under investigation worldwide for their potential advantages, such as compact structure, good fuel adaptability and high efficiency. Up to now, only two-stroke cycles were used by reported free-piston generators. In order to use energy more efficient and clean, a novel four-stroke free-piston generator with dynamic balance characteristics will be proposed and studied in this project. The major technological problem of the free-piston generator will be studied based on theoretical analysis and simulation research. First, spacial attention will be paid on how to create the simulation model of the system based on various interdisciplinary, hybrid system and finite automata theory. Second, the control method of free-piston reciprocating motion will be proposed based on designed basic parameters and their influences on dynamic characteristics of the system. Third, the required permanent magnet linear generator will be proposed by using high-powered permanent magnet material and specific magnetized structure. Fourth, the required four-quadrant reversible machine controller will be proposed based on the majorization of topology structure. In the project, there will be innovations on the design/simulation/control method, the linear generator, and the machine controller of free-piston generators.

自由活塞发电机是近十年快速发展起来的一类新型车载发电装置，具有发电效率高、燃料适应性好等特点。国内外现有研究的自由活塞发电机普遍使用两冲程循环，本课题从不同的研究思路出发，提出并研究一类具有动平衡特性的四冲程自由活塞发电机的技术方案。针对自由活塞发电机在应用基础研究中急需解决的混杂系统建模与控制、直线发电机系统优化设计等关键技术问题，开展理论分析、数值计算与实验研究。根据自由活塞发电机的混杂特性，基于混合自动机理论建立自由活塞发电机多学科交叉的仿真模型。分析各控制量对系统动态特性的影响，建立适用于自由活塞往复运动的控制方法及控制策略。通过使用高性能永磁材料、引入特殊的磁化结构、以及优化主控电路的拓扑结构，提出适用于自由活塞发电机的直线发电机及四象限可逆电机控制器的设计方案。项目在自由活塞发电机的技术路线、建模与控制方法、直线发电机及四象限可逆电机控制器设计等方面有创新。

自由活塞发电机是近十年快速发展起来的一类新型车载发电装置，具有发电效率高、燃料适应性好的特点。国内外现有研究的自由活塞发电机普遍使用两冲程循环，本课题从不同的研究思路出发，提出并研究了一类使用四冲程工作循环的自由活塞发电机。针对自由活塞发电机在应用基础研究中急需解决的混杂系统建模与控制、系统动态特性优化、热力循环优化、直线发电机系统优化设计等关键技术问题，开展了理论分析、数值计算与实验研究。根据自由活塞发电机的混杂特性，基于混合自动机理论建立了自由活塞发电机多学科交叉的仿真模型。基于模型分析了各控制量对系统动态特性的影响，提出了适用于自由活塞发动机的控制方法及控制策略，通过参数化研究揭示了系统的动态特性。完成了四冲程自由活塞发电机的多维瞬态数值模拟计算，研究了不同的活塞运动规律对缸内流场的影响，进一步对热力循环过程进行了优化研究。在自由活塞发动机全过程多维瞬态数值模拟计算基础上，分析了气门正时、活塞顶部形状、点火正时、过量空气系数、点火能量、火花塞间隙、缸外增压、压缩比与膨胀比等参数对自由活塞发电机性能的影响规律。通过使用高性能永磁材料、引入特殊的磁化结构、以及优化主控电路的拓扑结构，提出了适用于自由活塞发电机的直线发电机及四象限可逆电机控制器的设计方案，进行了电机系统的能量损耗分析。从系统控制的角度出发，分析了电机推力、配气定时、空燃比、点火时刻的循环控制误差对自由活塞发电机往复运动过程的影响，建立了自由活塞发电机较为理想的往复运动优化控制策略。进行了样机实验研究，对上述理论分析和数值计算结果进行了验证。研究表明：自由活塞发电机使用四冲程工作循环的技术思路是可行的，经优化设计的四冲程自由活塞发电机的总发电效率能够达到45%以上，媲美燃料电池的节能环保性能，具有更高的功率密度，更低的制造与维护成本，更好的燃料适应性。本项目的实施形成了自由活塞发动机一个新的研究方向，建立了一套自由活塞发电机的设计理论与控制方法，进一步推动了自由活塞发电机相关技术理论的成熟与发展，为下一步在混合动力电动汽车及船舶中的应用奠定了基础。本项目的实施使得本课题组在自由活塞发电机相关领域的研究走到了世界前列。项目实施期间共发表论文10篇（其中SCI收录3篇，另EI收录5篇），申请发明专利1项。