自由活塞式机电耦合系统的仿真研究

摘要

自由活塞式内燃发电机（Free Piston Linear Generator，FPLG）是近些年兴起的一种热门的混合动力装置。相较传统内燃机而言，FPLG具有结构紧凑、高效率以及燃料适应性广等优点。自二十一世纪初以来，FPLG已经逐渐成为国内外科研人员的研究热点，但由于装置运转的复杂性以及缸内燃烧循环变动(CCV)的影响，导致目前研制成功的样机还相当少，因此，关于FPLG的研究还存在很大的科研价值。
　　本文基于传统两冲程发动机，采用双活塞式FPLG结构，并结合缸内直喷技术，搭建了一台拟开发FPLG装置的一维和三维仿真模型。在MATLAB/Simulink建立的FPLG的一维数值模型中，创新性地引入了FPLG装置的扫气过程，设计了一种直线电机在电动机模式下的装置启动控制策略，并阐述了一维建模的数学理论依据以及模型各子模块的耦合逻辑。一维仿真结果表明：FPLG的运动规律和传统发动机有很大区别，FPLG装置的活塞在接近上下止点位置（TDC、BDC）时，活塞速度会发生骤变，而且在TDC附近时，活塞的加速度会远大于同规格传统发动机。同时，对拟开发设计的试验装置的关键参数进行了仿真优化，适当增加进气压力、动子机构质量以及提前点火均能增大装置的输出功率。
　　随后，在AVL-FIRE中搭建了装置的三维仿真模型，模型中活塞的运动规律、初始条件以及边界条件均基于一维模型仿真的结果。三维仿真结果表明：在排气后期，特别是在180～240℃A时，在扫气口附近缸内废气回流到扫气道的现象明显，FPLG的扫气效率也要比同规格传统两冲程发动机低。当在315℃A时，FPLG装置缸内燃烧反应主要集中在燃烧室中部，然后，火核由着火中心逐渐向四周扩散，同时，中心火核会向燃烧室一侧移动。当活塞继续上移，到达345℃A时，缸内燃烧反应速率在各区域基本上已趋于一致。

目录

声明

符号与缩写

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 自由活塞式发动机的发展历程

1.3 FPLG的简介

1.4 FPLG的研究现状

1.5 本文研究主要内容

第二章 FPLG一维数值仿真模型

2.1 MATLAB/Simulink软件简介

2.2 本研究用FPLG装置原理简介

2.3 一维仿真模型

2.4 仿真模型框图

2.5 仿真模型参数

2.6 本章小结

第三章 FPLG一维数值仿真结果分析

3.1 一维模型验证

3.2 FPLG运动规律分析

3.3 变参数分析

3.4 本章小结

第四章 FPLG三维数值仿真模型

4.1 AVL-FIRE软件简介

4.2 三维模型

4.3 求解器设置

4.4 本章小结

第五章 FPLG三维数值仿真结果分析

5.1 模型修正

5.2 FPLG特性分析

5.3 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果