直線發(fā)動／發(fā)電機啟動性能仿真研究

鄧 俊，葉曉倩，尹兆雷，王 哲

（1.同濟大學 汽車學院，上海 200092；2.上海大眾汽車有限公司，上海 201805；3.同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

直線發(fā)動機由于省去了用于剛性連接的曲柄連桿機構，通過液、電等介質實現(xiàn)“柔性”輸出，從而避免傳統(tǒng)內燃機中曲軸和軸承所消耗的大量摩擦功，以及由曲柄滑塊機構所引起的側向力造成的活塞與缸壁的摩擦［1］.直線發(fā)動機與直線發(fā)電機相結合，作為串聯(lián)式混合動力汽車的新型動力裝置，具有效率高、比功率大、結構緊湊、燃料適用性強等特點.

1998年，美國Sandia國家實驗室開發(fā)了一種與直線發(fā)電機有機結合的內燃發(fā)電機，采用均質壓燃燃燒方式，高效、輕量、有害氣體排放低［2］.美國西弗吉尼亞大學試制了二沖程壓燃直噴式自由活塞發(fā)動／發(fā)電機系統(tǒng)，并對其樣機的運動過程進行了仿真［3］.澳大利亞潘柏公司的FP3系統(tǒng)是一種新型的混合式引擎驅動發(fā)電機，加裝該系統(tǒng)的串聯(lián)式混合電力汽車的市內交通耗油量約為傳統(tǒng)汽車的四分之一，有效減少了有害廢氣的排放［4］.Ahmad［5］針對一臺二沖程自由活塞發(fā)動／發(fā)電機樣機的啟動方式開展研究，在啟動工況下，三相永磁直線電機作為電動機向運動組件提供所需的推力，電磁推力的大小與方向由三相PWM（pulse width modulation，脈寬調制）逆變器通過控制電機輸入電流來進行調控.Saiful［6］提出了一種利用永磁無刷直流電機的方波電流控制，使運動組件往復運動從而實現(xiàn)啟動的方法.該研究在進行啟動力方向控制時，使啟動力方向始終與運動組件運動方向一致.

本文在前期研究［7－8］的基礎上，以直線發(fā)動／發(fā)電機的啟動過程為研究對象，對其啟動條件及過程進行了探討，建立了直線發(fā)動／發(fā)電機啟動過程的動力學模型，提出了基于速度信號的啟動力方向控制策略.通過 Matlab／Simulink仿真建模，對直線發(fā)動／發(fā)電機的啟動運動特性及性能進行了分析.

1 直線發(fā)動／發(fā)電機系統(tǒng)

所涉及的直線發(fā)動／發(fā)電機系統(tǒng)由兩部分組成，結構如圖1所示.直線發(fā)動機部分包括活塞、氣缸、連桿軸、火花塞等；直線電機（發(fā)電機／電動機）部分包括動子軸、動子永磁體、動子背鐵、定子鐵芯和定子線圈.其中，發(fā)動機連桿軸與直線電機動子軸相集成，作為系統(tǒng)的運動組件.

圖1 雙活塞對置式直線發(fā)動／發(fā)電機系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of dual piston linear engine／generator system

當系統(tǒng)處于啟動工況時，直線電機作為電動機向運動組件提供其所需的啟動推力，驅動運動組件往復運動，直至滿足點火要求，點燃可燃混合氣，系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài).

當系統(tǒng)正常運行時，左右兩缸內的可燃混合氣輪流燃燒做功，推動運動組件作直線往復運動.同時，固定于運動組件上的動子永磁體將產(chǎn)生運動磁場，使布置于動子外部的定子線圈中產(chǎn)生感應電流，輸出電能.

1.1 啟動要求分析

由于直線發(fā)動機的特殊結構型式，其啟動過程除了必須滿足傳統(tǒng)發(fā)動機的啟動條件（轉速、混合氣濃度、缸內壓力和溫度）之外，還須注意以下特殊要求：

（1）足夠的壓縮比.傳統(tǒng)發(fā)動機中活塞的上止點位置固定，由于啟動時缸內的壓縮壓力主要取決于發(fā)動機壓縮比，因此只需保證發(fā)動機能夠達到一定的啟動轉速.而對于直線發(fā)動機來言，由于不受曲柄連桿機構的機械約束，其運動組件的上、下止點位置均不固定.故在啟動過程中，不僅需保證足夠高的啟動運動頻率，還必須確保運動組件能夠被拖動到合適的上止點位置，以獲得足夠的壓縮比與缸內壓力，從而使直線發(fā)動機成功點火啟動.考慮到本文所涉及發(fā)動機原機壓縮比為6.6，對應的直線發(fā)動機的可著火壓縮比范圍約為6.0～9.0.

（2）精確的啟動力換向控制.由于在啟動過程中直線發(fā)動機若要在左、右兩缸內將可燃混合氣準備完畢，至少需要經(jīng)歷3個沖程.因此，在啟動第一行程便拖動運動組件至預定上止點位置的做法不僅對直線電機的工作能力提出了很高的要求，也并非必需的.對直線發(fā)動機的啟動過程作如下假設：令運動組件在啟動過程中做若干次循環(huán)的往復直線運動，使其行程在各循環(huán)中逐漸增加，直至達到合適的壓縮比位置，滿足混合氣的燃燒條件.這就需要啟動力能夠適時地在直線發(fā)動機啟動過程的各沖程間進行換向，意味著直線電機的精確換相控制是啟動控制的關鍵.

1.2 啟動過程動力學分析

直線發(fā)動／發(fā)電機在啟動過程中的受力情況如圖2所示.忽略掃氣腔壓力差的影響，運動組件所受到的作用力包括電磁推力Fe、兩缸氣體壓力差ΔFp（即啟動壓縮阻力）以及運動組件與氣缸間的摩擦力Ff（即啟動摩擦阻力）.圖中Ff＿l為左缸摩擦力；Ff＿r為右缸摩擦力；m為運動組件質量；a為加速度；pl為左缸壓力；pr為右缸壓力；Sp為活塞面積；x0為組件位置.

圖2 運動組件的受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram of moving parts

根據(jù)牛頓第二定律，可得到質量為m的運動組件的動力學模型如下：

式中：pl（t）和pr（t）分別為左、右兩缸內的氣體壓力；D為缸徑.

2 啟動過程建模與仿真分析

為簡化控制，假定啟動過程中電機施加的驅動力為某一定值.當運動組件由一側向另一側加速運動過程中，氣缸內密封的氣體壓力逐漸升高并超過電機驅動力，從而迫使運動組件速度下降.由此提出一種基于速度信號的直線發(fā)動機啟動力換向策略，即控制器在運動組件的速度為零時控制啟動力換向.

為研究該換向策略下系統(tǒng)運動組件的運動特性及啟動性能，在已建立數(shù)學模型［7］的基礎上對直線發(fā)動機啟動過程進行動力學建模，其控制流程圖如圖3所示.模型的輸入?yún)?shù)如表1所示.

圖3 系統(tǒng)啟動過程流程圖Fig.3 Flow chart of system starting process

表1 仿真基本輸入?yún)?shù)表Tab.1 Input parameters for simulation

采用基于速度信號的啟動力換向策略時，控制器將根據(jù)運動組件的速度信號自動判斷啟動電流方向，故除啟動力大小｜Fe｜外無需事先設定其他控制參數(shù).

圖4給出了｜Fe｜＝135N的啟動工況下運動組件的速度（v）-位移（x）曲線.圖5為此時運動組件運動頻率的變化趨勢.

圖4 ｜Fe｜＝135N時運動組件的速度－位移曲線Fig.4 Velocity and displacement of moving parts，｜Fe｜＝135N

由圖4，5可見，隨著啟動過程的進行，運動組件直線往復運動的頻率及每循環(huán)的行程長度逐漸增大.當啟動過程進行到第5行程接近結束時，運動組件成功到達點火位置，火花塞首次點火，右缸中被壓縮的混合氣燃燒產(chǎn)生爆發(fā)壓力，運動組件加速向左運動.此時，直線發(fā)動機雖已點火成功，但電磁啟動力尚未撤去，直至霍爾傳感器檢測到運動組件的運行頻率超過預定上限后，電控單元自動切斷啟動回路，撤消啟動力.至此，直線發(fā)動機完成啟動，開始正常工作.

圖5 ｜Fe｜＝135N時運動組件的頻率變化曲線Fig.5 Frequency of moving parts，｜Fe｜＝135N

另外，從圖5還可發(fā)現(xiàn)，直線發(fā)動機從第4循環(huán)開始運行頻率基本穩(wěn)定，進入穩(wěn)定怠速運轉狀態(tài).

圖6，7為運動組件的位移和電磁力隨時間變化曲線以及速度和電磁力隨時間變化曲線.可以看出，采用基于速度信號的啟動力換向策略時，直線發(fā)動機的啟動運動特點如下：

（1）啟動過程中，運動組件的位移－時間曲線近似于正弦分布，且頻率、幅值隨時間明顯逐漸增大.可見，該換向策略下啟動過程是直線發(fā)動機逐漸積累啟動能量的過程.該啟動能量來自于啟動蓄電池，能量以運動組件動能和發(fā)動機氣缸內氣體壓縮能的形式積累儲存.

（2）啟動力換向頻率與運動組件往復運動頻率相同.由圖7可看出，啟動力方向始終與運動組件的運動方向相一致，表明電磁啟動力在整個啟動過程中始終對運動組件作正功，即蓄電池所提供的電能完全用于拖動發(fā)動機運動組件啟動，除直線電機效率損失外，理論上無電能的浪費.

為保證直線發(fā)動機能夠正常啟動，需要對啟動力控制參數(shù)的范圍進行限定.一方面，考慮到功能的實現(xiàn)，要求運動組件在第5行程末期能夠到達預設的初次點火位置.由圖8可知，第5行程末最大位移無法達到點火位置.結合圖4，可取啟動力下限值為135N.

圖8 ｜Fe｜＝130N時運動組件的速度－位移曲線Fig.8 Velocity／displacement of moving parts，｜Fe｜＝130N

另一方面，由于沒有曲柄連桿機構的約束，直線發(fā)動機點火后容易因為啟動推力的繼續(xù)作用而造成壓縮比過大的現(xiàn)象，引起爆燃，造成零件損壞.故考慮到運行安全性，應使直線發(fā)動機在首次點火成功后、電機啟動力撤消前的過渡階段中，壓縮比始終保持在合適的范圍內.由圖9可知，第6，7行程結束時，活塞位移顯著超出穩(wěn)定運行位置，導致此時壓縮比已接近9.0，則啟動力上限值取為150N.

圖10為不同啟動力大小作用下運動組件的運動特性圖.從圖中可以看出，直線電機所施加的啟動力越大，運動特性曲線的幅值與頻率也越大，這就意味著運動組件在啟動的各個行程中所能到達的極限位置越遠，且啟動時間更短.

加大啟動力可縮短直線發(fā)動／發(fā)電機的啟動時間，但這是以增大啟動平均功率為代價的.圖11為系統(tǒng)采用不同大小的啟動力啟動時，相應啟動性能參數(shù)的變化趨勢.可以看出，樣機啟動所需的平均功率在111.60～145.36W范圍內變化，而啟動時間為0.181～0.189s，均滿足小于0.4s的一般要求.因此，在可用范圍的下限附近選取啟動力大小有利于啟動系統(tǒng)的優(yōu)化.

圖11 啟動功率、啟動時間與啟動力大小的關系Fig.11 The relationship among starting frequency，time and driving force

3 結論

本文對直線發(fā)動／發(fā)電機的啟動條件及過程進行了研究，提出了基于速度信號的啟動力換向策略，并通過Matlab／Simulink仿真建模，對該策略下直線發(fā)動／發(fā)電機的啟動運動特性及啟動性能進行了分析，得出以下結論：

（1）直線發(fā)動機正常啟動的關鍵在于對電磁啟動力進行精確、適時的換向控制，以確保運動組件在啟動過程中獲得足夠的壓縮比.且需保證直線發(fā)動機在混合氣點燃后、啟動力撤消前，其壓縮比在合適范圍內（約6.0～9.0）.

（2）運動組件在啟動過程中做頻率、幅值逐漸增大的直線往復運動.此時電磁啟動力的換向頻率與運動組件往復運動頻率相同，啟動力始終做正功，能量損耗小.

（3）在可用范圍的下限（本文條件下為135N）附近選取啟動力大小有利于啟動系統(tǒng)的優(yōu)化.

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