自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)壓縮比控制

許大濤,左正興,馮慧華,田春來(lái)

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院, 100081, 北京)

自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)壓縮比控制

許大濤,左正興,馮慧華,田春來(lái)

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院, 100081, 北京)

為解決自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定控制問(wèn)題,根據(jù)能量守恒定律建立了連續(xù)運(yùn)行過(guò)程周期能量轉(zhuǎn)化與傳遞模型。通過(guò)數(shù)值仿真分析,獲得了滿足穩(wěn)定運(yùn)行的基本能量平衡條件,包括壓縮能和系統(tǒng)能量余值方程,從而實(shí)現(xiàn)了周期能量余值和壓縮能的穩(wěn)定變化。以壓縮比為目標(biāo)建立了連續(xù)周期能量動(dòng)態(tài)平衡的控制系統(tǒng)及策略,即以噴油量和壓縮比為控制輸出變量,采用比例-積分-微分控制器進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了可控壓縮比的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。研究結(jié)果表明:采用所建控制系統(tǒng)及策略后,自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定;壓縮比在負(fù)載變化后出現(xiàn)短暫振蕩,但經(jīng)多個(gè)周期后恢復(fù)穩(wěn)定,缸內(nèi)峰值壓力和運(yùn)行頻率具有相似的變化趨勢(shì),各參數(shù)變化均在可接受的范圍內(nèi)。

自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī);控制策略;壓縮比;數(shù)值仿真

自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)是一種新型動(dòng)力裝置,它將自由活塞內(nèi)燃機(jī)的活塞與直線發(fā)電機(jī)次級(jí)連接在一起,利用燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生的氣體爆發(fā)壓力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),直線發(fā)電機(jī)產(chǎn)生感應(yīng)電能并向外部輸出。該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,能量傳遞路徑短,在功率密度、轉(zhuǎn)換效率和排放等方面具有眾多潛在的性能優(yōu)勢(shì)[1]。這些性能優(yōu)勢(shì)及其在動(dòng)力電源領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景,引起了研究人員的廣泛關(guān)注。Atkinson等人以性能數(shù)值仿真為基礎(chǔ),針對(duì)二沖程點(diǎn)燃式雙活塞對(duì)置型自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)開(kāi)展了試驗(yàn)研究[2]。Mikalsen等人針對(duì)單自由活塞的二沖程自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)開(kāi)展了研究,并設(shè)計(jì)了一種止點(diǎn)預(yù)測(cè)控制方法,其從上一周期的運(yùn)行特性和性能特性中計(jì)算得到了目標(biāo)上止點(diǎn)位置[3]。Xu等人針對(duì)單自由活塞的四沖程自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)建立了分層次的控制系統(tǒng),對(duì)能量流動(dòng)進(jìn)行了有效控制[4]。Xiao等人針對(duì)雙活塞對(duì)置型自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的活塞運(yùn)動(dòng)特性及性能參數(shù)化影響規(guī)律進(jìn)行了仿真優(yōu)化研究,通過(guò)各參數(shù)匹配組合獲得了期望的頻率[5-6]。Mao等人針對(duì)雙活塞對(duì)置型自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)建立了運(yùn)行過(guò)程非線性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,利用數(shù)值建模和混合系統(tǒng)求解的方法,獲得了活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,同時(shí)分析了運(yùn)動(dòng)特性對(duì)性能的影響,獲得了一階近似的理論解,歸納了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的匹配條件[7-8]。

由于沒(méi)有曲軸連桿的機(jī)械限制,特殊的活塞運(yùn)動(dòng)使得自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)控制策略成為當(dāng)前研究的主要問(wèn)題之一。建立有效的控制系統(tǒng)及策略是實(shí)現(xiàn)樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和系統(tǒng)產(chǎn)品化的首要保證。目前,僅有少數(shù)研究者借鑒液壓自由活塞內(nèi)燃機(jī)的研究成果提出了初步設(shè)想,但有關(guān)雙活塞對(duì)置型自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的控制問(wèn)題尚未完全解決[9]。文獻(xiàn)[10]利用簡(jiǎn)化的系統(tǒng)能量守恒模型對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,通過(guò)精確的液壓控制系統(tǒng)對(duì)周期燃燒放熱波動(dòng)及其引起的能量平衡狀態(tài)失穩(wěn)進(jìn)行了干預(yù),以抵消能量偏差余值。本文根據(jù)文獻(xiàn)[10]的液壓自由活塞內(nèi)燃機(jī)控制方法,提出了一種以壓縮能量穩(wěn)定為目標(biāo)的控制策略。根據(jù)自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制系統(tǒng)目標(biāo)要求,通過(guò)能量傳遞過(guò)程分析獲得了穩(wěn)定運(yùn)行的能量平衡狀態(tài),利用性能仿真模型模擬了全周期運(yùn)行過(guò)程,并驗(yàn)證了控制策略的有效性。

1 自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)原理及控制

本文研究對(duì)象是一種二沖程雙活塞對(duì)置型自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī),結(jié)構(gòu)如圖1所示。該發(fā)電機(jī)由水平對(duì)置的2個(gè)自由活塞內(nèi)燃機(jī)構(gòu)成,其中間布置有直線電機(jī),2個(gè)活塞與發(fā)電機(jī)次級(jí)固定在一起,內(nèi)燃機(jī)采用二沖程壓縮燃燒循環(huán)方式,燃料通過(guò)噴油器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻直接噴入氣缸。運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)排氣采用掃氣口方式,即通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)氣口和排氣口,實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)掃氣。

圖1 自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

啟動(dòng)時(shí),電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng),促使燃燒室達(dá)到壓縮燃燒條件;點(diǎn)火后,電機(jī)即刻轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)。運(yùn)行過(guò)程中左側(cè)燃燒室燃燒后,瞬間增大的氣體爆發(fā)壓力推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng),待活塞運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)上止點(diǎn)附近時(shí),缸內(nèi)噴油并點(diǎn)火燃燒后再將活塞推回,繼而實(shí)現(xiàn)左右氣缸交替點(diǎn)火的連續(xù)運(yùn)行。由于與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)不同,自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的止點(diǎn)是指自由活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,活塞速度為0的位置,此時(shí)活塞位移與活塞行程之比的倒數(shù)即為自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的壓縮比。

活塞在兩側(cè)止點(diǎn)之間進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),理想情況下連續(xù)周期運(yùn)行過(guò)程如圖2所示,圖中示意了理想的噴油信號(hào)和壓縮比曲線。因?yàn)椴恍枰~外的回彈裝置,能量可以最大限度地保留在系統(tǒng)之內(nèi),所以與單活塞和四沖程循環(huán)的自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)相比,本文發(fā)電機(jī)在同一周期內(nèi)沒(méi)有非做功行程,單位周期做功次數(shù)多,表明具有較高的功率密度。

圖2 理想情況下活塞連續(xù)周期運(yùn)行過(guò)程

自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的控制問(wèn)題是由其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行方式引起的。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,燃燒或負(fù)載時(shí)常發(fā)生波動(dòng),引起活塞運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,系統(tǒng)由此產(chǎn)生失穩(wěn)傾向。如果未采取有效的穩(wěn)定控制方法,燃燒波動(dòng)或負(fù)載變化直接影響活塞運(yùn)動(dòng),繼而影響掃氣和燃燒過(guò)程,造成的結(jié)果是活塞無(wú)法達(dá)到預(yù)定止點(diǎn),使得缸內(nèi)出現(xiàn)熄火,或是行程過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致撞缸。雖然曲軸連桿的摒除帶來(lái)了眾多性能優(yōu)勢(shì),但也帶來(lái)了多變量控制的復(fù)雜性,提高了維持運(yùn)行的難度。控制系統(tǒng)及策略是穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,也是當(dāng)前研究急需解決的問(wèn)題之一。

2 能量轉(zhuǎn)化與傳遞過(guò)程

從能量平衡角度來(lái)看,自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程就是系統(tǒng)能量穩(wěn)定轉(zhuǎn)化與傳遞的過(guò)程。盡管不再受到機(jī)械機(jī)構(gòu)的束縛,但是自由活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)仍然受燃燒室內(nèi)氣體作用力、摩擦力和電機(jī)電磁阻力的作用,這3個(gè)力的合力決定著活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,同時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)又直接影響缸內(nèi)進(jìn)排氣、壓縮和燃燒過(guò)程,以及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)化過(guò)程等。能量轉(zhuǎn)換直接通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),燃燒釋放的燃料化學(xué)能作為缸內(nèi)氣體內(nèi)能,一部分通過(guò)活塞動(dòng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的電能,另一部分作為掃氣、散熱和摩擦等的損失能量。因此,分析能量轉(zhuǎn)化與傳遞過(guò)程,通過(guò)控制策略獲得穩(wěn)定的能量流動(dòng)過(guò)程,是一種有效的控制方法。

根據(jù)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行原理,將周期定義為活塞從一側(cè)止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)止點(diǎn)的時(shí)間。在一個(gè)周期內(nèi),系統(tǒng)能量平衡方程為

Ei-Ef-Ee-Es=0

(1)

式中:Ei為燃燒釋放總能量;Ef為摩擦損失能量;Ee為電機(jī)感生電能;Es為傳熱、掃氣損失能及其他散熱損失。

從式(1)中可以發(fā)現(xiàn),雖然能量轉(zhuǎn)化是通過(guò)活塞動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)的,但是動(dòng)能并沒(méi)有直接體現(xiàn)出來(lái),這是因?yàn)榛钊麆?dòng)能作為中間過(guò)程量只體現(xiàn)在特定時(shí)刻上。

從圖2的連續(xù)周期運(yùn)行過(guò)程可以發(fā)現(xiàn),兩側(cè)燃燒室相差半個(gè)循環(huán)周期。當(dāng)活塞接近右側(cè)止點(diǎn)和壓縮燃燒室內(nèi)的氣體時(shí),當(dāng)前周期中的部分能量作為壓縮能傳遞到下一個(gè)周期,從而影響下一周期的燃燒過(guò)程。

如果將摩擦和掃氣損失等損耗能量一并計(jì)入電機(jī)感生電能,那么第n和n+1兩個(gè)連續(xù)周期的能量傳遞可以表示為

Ei(n)+Ep(n)-Ep(n+1)-Ee(n)=0

(2)

式中:Ep為燃燒室內(nèi)氣體在壓縮過(guò)程中獲得的壓縮能。壓縮能的變化為

ΔEp(n+1)=Ei(n)-Ee(n)

(3)

根據(jù)式(3),壓縮能變化來(lái)自于上一周期的能量余值。于是,合理匹配各能量關(guān)系,降低周期能量余值,可以降低壓縮能波動(dòng)。

根據(jù)熱力學(xué)定律,燃燒室內(nèi)氣體通過(guò)活塞壓縮獲得內(nèi)能,即壓縮能

(4)

式中:p0和V0分別為壓縮初始時(shí)刻燃燒室內(nèi)氣體壓力和體積;γ為熱容比。通過(guò)積分可以獲得

(5)

式中:R為壓縮比。

通過(guò)式(5)、利用活塞位移計(jì)算得到壓縮比,表征壓縮能及其變化,就可以獲得能量傳遞的差異。如果能夠?qū)υ摬町愡M(jìn)行控制,以此建立連續(xù)周期能量動(dòng)態(tài)平衡的控制策略,就可以獲得有效的能量平衡匹配和活塞運(yùn)動(dòng)控制,降低燃燒波動(dòng),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)。

3 壓縮比穩(wěn)態(tài)控制策略

自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定控制的首要目標(biāo)是獲得穩(wěn)定的燃燒和壓縮過(guò)程,避免缸內(nèi)失火或活塞撞缸。具體到自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)的實(shí)際控制系統(tǒng),作為唯一的系統(tǒng)輸入能量,燃燒產(chǎn)生的氣體爆發(fā)力是影響活塞運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵,因此首要的控制策略應(yīng)以內(nèi)燃機(jī)控制為主展開(kāi)?；钊Σ亮κ枪逃袡C(jī)械損耗,一般不可控制;電機(jī)電磁阻力是連續(xù)作用在活塞及動(dòng)子上的,由電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,并直接影響輸出功率等性能指標(biāo),可以用于后續(xù)的性能優(yōu)化與匹配控制。

氣體爆發(fā)壓力由燃燒放熱決定,壓縮過(guò)程產(chǎn)生的壓力和溫度直接影響燃燒。在壓縮過(guò)程中,缸內(nèi)壓力和溫度逐漸升高,活塞動(dòng)能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能。為了獲得穩(wěn)定的燃燒放熱和連續(xù)的能量傳遞平衡狀態(tài),必須控制壓縮過(guò)程,即對(duì)壓縮能和壓縮比進(jìn)行有效控制。在實(shí)際的自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中,樣機(jī)采用氣口式掃氣方式,氣口位置和開(kāi)度已經(jīng)固定,掃氣過(guò)程由活塞運(yùn)動(dòng)情況決定。在不考慮噴油時(shí)刻對(duì)燃燒影響的前提下,實(shí)際可控制的只有噴油量。根據(jù)前述分析,建立控制策略如下。

假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況下壓縮能目標(biāo)值為Ep0,由式(2)得到的第n個(gè)周期的能量傳遞為

Ei(n)=Ep0(n+1)-Ep(n)+Ee(n)+u(n)

(6)

式中:u(n)為周期離散比例-積分-微分控制器的輸出量。u(n)的計(jì)算式如下

u(n)=P(n)+I(n)+D(n)

(7)

(8)

式中:P(n)、I(n)和D(n)分別為控制器的比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng);KP、KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);e(n)是壓縮能偏差項(xiàng),表達(dá)式為

e(n)=Kc[Ep0(n+1)-Ep(n)]

(9)

其中Kc為偏差項(xiàng)增益系數(shù)。

假設(shè)每周期燃料燃燒釋放能量與噴油量成正比例關(guān)系,則有

Ei(n)=Kim

(10)

式中:Ki為噴油量比例系數(shù);m為噴油量。

設(shè)定參數(shù)在小范圍變化時(shí),式(5)描述的壓縮比與壓縮能可近似為正比例關(guān)系。假設(shè)KR為近似比例系數(shù),則有

Ep(n)=KRR

(11)

以噴油量和壓縮比為控制輸出變量,聯(lián)合式(6)～式(11),通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可獲得控制策略的狀態(tài)空間表達(dá)式

x(n+1)=Ax(n)+Bu(n)

y(n)=Cx(n)+Du(n)

(12)

式中:A、B、C和D為狀態(tài)空間系數(shù)矩陣。各矩陣分別為

4 控制系統(tǒng)性能及結(jié)果

在前期自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)工作過(guò)程仿真研究中建立了全周期運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型,獲得了系統(tǒng)性能及參數(shù)影響規(guī)律[8]。以此為基礎(chǔ),通過(guò)引入壓縮比穩(wěn)態(tài)控制策略來(lái)分析控制系統(tǒng)性能。設(shè)計(jì)樣機(jī)缸徑為60 mm,設(shè)定運(yùn)行工況的壓縮比為16,行程為65 mm,功率為7.5 kW,頻率為35 Hz。在1.0 s之前系統(tǒng)為85%負(fù)荷運(yùn)行;在1.0 s時(shí)刻,目標(biāo)負(fù)載發(fā)生波動(dòng),輸出電流以階躍形式升高至90%負(fù)荷。當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí),系統(tǒng)能量傳遞出現(xiàn)波動(dòng),通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整噴油量,可獲得穩(wěn)定的能量平衡及運(yùn)行過(guò)程。

4.1 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

根據(jù)式(12)建立的狀態(tài)空間方程,將實(shí)際結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)參數(shù)代入系統(tǒng)矩陣A,其特征值及根符合穩(wěn)定性判據(jù)。該控制系統(tǒng)在實(shí)際參數(shù)約定的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。

4.2 壓縮比與止點(diǎn)

根據(jù)設(shè)定工況,輸出電流增加將導(dǎo)致電磁阻力增大,引起壓縮能下降,表現(xiàn)為活塞無(wú)法到達(dá)原定上止點(diǎn),壓縮比降低。壓縮比變化曲線如圖3所示。從圖3發(fā)現(xiàn),隨著負(fù)載階躍升高,壓縮比出現(xiàn)明顯下降,最小值為15.1,隨后正向躍升到接近16.3,經(jīng)過(guò)短暫振蕩后恢復(fù)到設(shè)定值,并保持穩(wěn)定。根據(jù)燃燒條件,壓縮比達(dá)到最小值時(shí),缸內(nèi)燃料仍然可以壓縮點(diǎn)火。

圖3 壓縮比變化曲線

止點(diǎn)偏差變化曲線如圖4所示。從圖4發(fā)現(xiàn),在1.0 s時(shí)刻,活塞左側(cè)止點(diǎn)位置出現(xiàn)約0.42 mm的偏差,隨即進(jìn)入振蕩過(guò)程,并在1.5 s后恢復(fù)穩(wěn)定。從圖4還發(fā)現(xiàn),兩側(cè)活塞的上止點(diǎn)偏差變化相似,過(guò)程近似相差半個(gè)周期。這種相似的變化過(guò)程也表現(xiàn)出雙自由活塞對(duì)置型發(fā)電機(jī)的對(duì)稱(chēng)性和耦合性。考慮到活塞止點(diǎn)與燃燒室頂部存在間隙,止點(diǎn)偏差振蕩峰值較小,不會(huì)出現(xiàn)撞缸。因?yàn)樨?fù)載變化必然引起下一周期的壓縮比和止點(diǎn)波動(dòng),所以為了保證連續(xù)的有效燃燒,避免缸內(nèi)失火或撞缸,必須嚴(yán)格限制負(fù)載的波動(dòng)范圍。

圖4 止點(diǎn)偏差變化曲線

4.3 燃燒室內(nèi)峰值壓力

在控制系統(tǒng)作用下,壓縮比變化出現(xiàn)振蕩過(guò)程。隨著壓縮比的升高,燃燒室內(nèi)峰值壓力升高,過(guò)高的峰值壓力會(huì)引起系統(tǒng)故障。缸內(nèi)氣體峰值壓力變化如圖5所示。比照?qǐng)D3可以發(fā)現(xiàn),峰值壓力變化趨勢(shì)與壓縮比類(lèi)似,不同之處在于,壓力終值穩(wěn)定在7.17 MPa,比初值6.95 MPa略微升高。在壓縮比峰值周期,峰值壓力接近7.53 MPa,滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。兩側(cè)燃燒室內(nèi)峰值壓力變化趨勢(shì)相同,與止點(diǎn)變化類(lèi)似。

圖5 缸內(nèi)氣體峰值壓力變化曲線

4.4 活塞運(yùn)動(dòng)頻率

活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率變化如圖6所示,其與峰值壓力的振蕩過(guò)程相似,終值較初值有所增加,并穩(wěn)定在35.1 Hz。頻率最小值為34.5 Hz,最大值為35.4 Hz,波動(dòng)范圍在-1.43%～1.14%之間,對(duì)電機(jī)感生電流品質(zhì)影響不大。

圖6 自由往復(fù)活塞運(yùn)動(dòng)頻率變化曲線

通過(guò)各性能參數(shù)的變化規(guī)律可以看到,控制系統(tǒng)利用離散周期能量傳遞規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了跟隨負(fù)載波動(dòng)變化的穩(wěn)定運(yùn)行控制。在負(fù)載變化后,系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)周期的調(diào)整重新建立穩(wěn)定狀態(tài)。止點(diǎn)位置、缸內(nèi)峰值壓力和活塞運(yùn)動(dòng)頻率均與壓縮比變化趨勢(shì)相近,體現(xiàn)出自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)多變量強(qiáng)耦合的特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)能量轉(zhuǎn)化與傳遞過(guò)程的分析,設(shè)計(jì)了基于周期能量平衡的穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)。運(yùn)行過(guò)程仿真結(jié)果顯示,隨著負(fù)載的增加,壓縮比在下一個(gè)循環(huán)中明顯降低,隨后出現(xiàn)多個(gè)周期的振蕩并逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。缸內(nèi)峰值壓力和活塞運(yùn)動(dòng)頻率出現(xiàn)相似的變化,上升數(shù)值及其變化范圍滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

(2)本文設(shè)計(jì)的壓縮比控制策略能夠有效控制運(yùn)行,保持穩(wěn)定,提供了一種解決控制問(wèn)題的方法,為試驗(yàn)研究提供了策略參考,也為可控的變壓縮比運(yùn)行提供了理論依據(jù)。

(3)對(duì)于負(fù)載變化后的多個(gè)周期的性能必須加以深入研究,壓縮比振蕩過(guò)程對(duì)自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)性能的直接影響和相關(guān)試驗(yàn)研究是后續(xù)工作的重點(diǎn)。

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(編輯 苗凌)

StableCompressionRatioControlforFree-PistonEngineGenerator

XU Datao,ZUO Zhengxing,FENG Huihua,TIAN Chunlai

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To stably control free-piston engine generator, a model of energy conversation and transfer in continuous cycles was established. The essential energy balance conditions satisfying stable operation were constructed via numerical simulation, including the equation of the compression energy and system energy residual value, then the stability of cyclic energy residual value and compression energy were sequentially achieved. The control system and strategy for dynamic energy balance in continuous cycle were proposed, where the injection quantity and the compression ratio were taken as the control output variables, the proportion-integral-derivative controller was employed to drive the operation, and the continuously stable operation under the controllable compression ratio thus was realized. The results show that the free-piston engine generator operates reliably and stably under the control system and strategy. The compression ratio shortly oscillates once changing load, then gets back to the set value after undergoing several cycles. The peak pressure in-cylinder and operation frequency tend similarly and the parameters vary within the acceptable range.

free-piston engine generator; control strategy; compression ratio; numerical simulation

10.7652/xjtuxb201405010

2013-09-25。 作者簡(jiǎn)介: 許大濤(1988-),男,碩士生;馮慧華(通信作者),男,副教授,博士生導(dǎo)師。 基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51006010);高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B12022)。

時(shí)間: 2014-02-26 網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140266.1159.016.html

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:0253-987X(2014)05-0056-05