（光学工程专业论文）混合动力直线发电发动机的机理研究.pdf

摘要 摘要 人类社会面临燃油贮备的减少，全球气候的变化以及周围环境质量的恶化等 问题，需要发展有助于环境的交通工具，混合动力技术成为减少燃油消耗和排放 的有效解决方法之一。混合动力直线型发电发动机是将自由活塞式发动机产生 的动力，以及通过自由活塞往复运动产生电能集成起来的一种新的混合动力方 式。本论文详细地介绍、分析了混合动力直线型发电发动机的总体结构、性能 以及混合动力直线型发电发动机各个部分的结构、原理和性能，重点研究了自 由活塞发动机部分，在此基础上选型、设计和确定了混合动力直线型发电发动 机的各个部分的主要结构。本文建立了自由活塞发气机中自由活塞的运动仿真模 型，结合回位弹簧空气腔的初始压力的设计，经过对活塞运动模型不断优化，形 成了自由活塞运动的数学模型，得到了活塞速度，活塞位移等性能曲线。本文分 析研究了自由活塞发动机和直线型发电机的混合方式以及混合动力控制策略，确 定了这种新型混合系统性能的计算方法。最后，基于传统1 6 l 赛欧发动机的一 些基本参数( 缸径、冲程、循环喷油量等) ，应用上述计算方法计算出混合动力 直线发电发动机的输出功率，结果表明混合动力直线发电发动机在与传统1 6 l 赛欧发动机单位时间喷油量相同的情况下功率提高3 0 以上。 关键词：混合动力直线发电发动机，自由活塞，直线型发电机 a b s t r a c t a b s t r a c t f a c et ot h er e d u c t i o no ff u e l s t o r a g e ，w e a t h e rc h a n g ea n dt h en e e do f e n v i r o n m e n tq u a l i t yi m p r o v e m e n t ；w ew a n tt od e v e l o pt h ee n v i r o n m e n ta v a i l a b l e v e h i c l e h y b r i ds e r i e sa r et h ee f f e c t i v ew a yt or e d u c ef u e lc o n s u m ea n dv e h i c l e e m i s s i o n h y b r i dl i n e a rg e n e r a t o r e n g i n ei san e wh y b r i ds t y l e ，w h i c hc o m b i n e sf l e e p i s t o ne n g i n ep o w e rw i t he l e c t r i c a lp o w e rt o g e t h e r t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h e h y b r i dl i n e a rg e n e m t o r e n g i n ea s s e m b l y st h e o r ya n da n a l y z e se v e r yp a r t so f a s s e m b l y sp e r f o r m a n c e ，e m p h a s e so nf r e e p i s t o ne n g i n e w ea l s o h a v es e tu p e m u l a t i o nm o d e l ，s i m u l a t i n gf r e ep i s t o nm o v e m e n t t h ep i s t o ne m u l a t i o nm o d e la l s o h e l p su sd e s i g n i n gt h ea i r - r e v e r s i o nc h a m b e r f r o mp i s t o ne m u l a t i o n , w ec a ng e tt h e p i s t o nd i s t a n c ec u r v ea n dp i s t o nv e l o c i t yc a l v e b a s e do np i s t o ne m u l a t i o n ，t ot h ea s s e m b l y st w op a r t s ：f r e ep i s t o ne n g i n ea n d l i n e a rg e n e r a t o r , w er e s e a r c ht h e i rp o w e rc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h e i rm a t c h i n g s t r a t e g y t h e nw eu s et h et r a d i t i o ns a i le n g i n e sb a s i cp a r a m e t e r st ov a l i d a t eo u r p o w e rc a l c u l a t i o nm e t h o da n dg e tt h ea s s e m b l yp o w e ru n d e r t h i si n s t a n c e f r o mt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t ，w ek n o wt h eh ：y b r i dl i n e a rg e n e r a t o r e n g i n e sp o w e ri sm o r et h a n 3 0 h i g h e rt h a nt r a d i t i o ns a i le n g i n e s k e yw o r d s ：h y b r i dl i n e a rg e n e r a t o r e n g i n e ；f r e e p i s t o ne n g i n e ；a l t e m a t o r ： n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 - - 一。- - - _ - _ - - - - - - - - - - - - - - - - - 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 铆枷 如7 年月姻 第1 章绪论 第1 章绪论 目前全球汽车保有量约8 亿辆，并以每年3 0 0 0 万辆的速度递增，预计到2 0 1 0 年全球汽车保有量将达到l o 亿辆。国际能源机构( i e a ) 的统计数据表明，2 0 0 1 全球5 7 的石油消费在交通领域( 其中美国达到6 7 ) 。预计到2 0 2 0 年交通用油 占全球石油总消耗的6 2 以上。 近年来我国汽车业迅猛发展，今年汽车产量将达到7 0 0 万辆，居世界第三位。 我国石油资源贫乏，随着汽车保有量的持续快速增长，将导致更加严重的石油供 求矛盾。据统计，2 0 0 3 年我国车用汽油总消耗量4 0 9 3 万吨，车用柴油总消耗量 1 9 9 2 万吨，分别占当年我国汽、柴油生产量的8 5 8 和2 3 4 。专家保守估计， 如不采取有力措施，2 0 1 0 年我国汽车保有量达到5 3 0 0 万辆时，车用汽柴油总需 求量将达到1 亿吨以上。到2 0 2 0 年我国汽车保有量达到1 3 亿辆时，交通运输 工具石油资源消耗量将达到2 5 6 亿吨，占石油总消耗量的比重将达到5 7 。但 是我国国内石油产能在1 7 1 8 亿吨，仅仅交通能耗就将导致7 0 0 0 万吨的石油 缺口。显然，交通对石油能源的过度依赖和巨量消耗必将严重影响国家能源安全。 与此同时，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源 之一，车用石油消耗所产生的空气污染和c o ，排放也正在变成愈来愈严重的问 题。汽车污染物排放对我国大气质量，特别是城市大气质量形成了严重威胁。据 统计，我国大城市6 0 的一氧化碳、5 0 的氮氧化物和3 0 的碳氢化合物污染来源 于机动车的尾气排放。我国已经成为世界上第二大c d ，排放国，由此产生的国际 政治和经济争端将会愈演愈烈。因此，汽车对石油能源的大量消耗以及由此引起 的环境污染问题使得交通能源动力转型成为全球共识。 解决交通能源消耗和环境污染的有效途径是研究开发和推广应用新型能源 汽车，减少对石油资源的过度依赖，降低汽车的污染物排放，保持汽车工业及社 会持续稳定发展。因此，基于对能源和环境方面的考虑，同时平衡利用多种形式 的能源资源并形成汽车工业新的增长点，世界上许多国家愈来愈重视清洁汽车的 开发和应用，目前世界上各种清洁汽车保有量已达6 0 0 多万辆。在各种清洁汽车 类别中，压缩天然气( c n g ) 、液化石油气( l p g ) 、醇类( 甲醇和乙醇) 汽车技术 比较成熟，福特、丰田、本田、菲亚特等汽车公司还开发了达到超低排放的c n g 汽车。2 0 世纪9 0 年代以来，电动汽车的研究开发和推广应用受到重视，正在成 为国际汽车工业发展的重要潮流和“热点 之一。由于受蓄电池技术及高性能电 池成本等因素的影响，纯电动汽车的开发进展趋缓。相比之下，混合动力汽车 ( h e v s ) 和燃料电池电动汽车( f c v s ) 在技术上取得了一系列重要的突破，已显 示出产业化和市场化发展的良好前景，同时成为电动汽车发展的主流。 第1 章绪论 燃料电池汽车凭借其具有极高的效率、零排放、低噪音、燃料来源广泛等特 点成为未来汽车工业方展的方向，但由于技术方面尚存在一些瓶颈，其产业化仍 需要较长时间。混合动力汽车既具有纯电动汽车高效率、低排放的特点，又具有 传统内燃机汽车行驶里程长、快速补充燃料的特点，成为当前解决节能和环保问 题切实可行的方案。为此，国内外汽车公司和科研机构纷纷致力于混合动力汽车 的研发，我国继续将混合动力汽车列为“十一五 节能与新能源汽车重大专项内 容之一。 1 1 传统混合动力技术现状 1 1 1 混合动力技术原理 2 0 世纪7 0 年代爆发的两次能源危机，不仅使汽车制造商和使用者，也使普 通大众深深感到能源对人类生活和发展的重要性。随着各国经济的发展，能源的 耗费剧增，作为目前仍是车辆主要能源的矿物燃料石油更是非常有限的， 因此节能势在必行，受到普遍的重视。另外，自1 9 6 6 年深受“光化学烟雾事件一 之害的美国加州首先制定排放法规对汽车排出的h c 和c o 加以控制以来，世界各 国关于汽车尾气排放的法规陆续出台，且要求愈来愈严格，迫使内燃机工业要在 燃料经济性和排放性能之间寻找一种两全其美之策或折衷的平衡。两种基本原因 有力地推动了工程界对汽车节能驱动技术的研究。发动机如果能在高效工作状态 并与负载无关，则燃料经济性和排放就会大大地改进，从而在研究的过程中提出 了若发动机能始终按燃料经济性( f u e l - e c o n o m y ) 曲线在最佳状态下运转而与负 载功率无关，燃料的耗费将大大减少，这便为节能驱动研究提供了可行性。 复合驱动( h y b r i d p r o p u l s i o n ) 便是此阶段此背景下出现的一种典型节能驱 动技术。其基本思想是：回收汽车在频繁起停、刹车中耗散的能量，应用于汽车 加速、上坡等时候，从而形成内燃机和其他动力装置联合驱动的所谓复合系统。 所谓可逆能量是指可回收和再利用的能量。对行驶车辆而言主要是指它的惯性 能，对汽车来说主要是指它的制动能，这样汽车的制动方式就有两种：一种为通 常意义上的耗能制动，一种为复合驱动系统中的制动方式，可称为回能制动或节 能制动。 混合动力系统就是将工作原理不同的两种以上的原动机组合起来使其工作 的系统。混合化提供了两个好处：减少了废气排放和提高了燃油经济性。在传统 汽车中，发动机要满足瞬时能量需求来推动汽车，在h e v s 中只需要更小的发动 机，电机可以提供额外的能量。电机运用存储在电池中的电能来产生额外的功率， 同时，电机提供的额外功率使得发动机可能在更少的瞬态形式下运行，可以在提 高燃油经济性的同时减少排放。混合动力车和电动车的最大的益处是在城市运行 2 第1 章绪论 中制动能量的回收，在制动能的回收过程中，控制器控制电机以发电机的模式运 行，为车轮提供制动扭矩的同时产生电能，产生的电能存储在蓄电池里可以供车 辆下一次加速过程使用。 1 1 2 混合动力系统类型 现普遍采用的是机械能和电能的混合动力系统，按发动机与电动机的组合方 式大致可以分为串联式、并联式与混联式。 在串联式的混合动力系统中( 图1 1 ) ，由发动机驱动发电机，利用发出的 电能由电动机驱动车轮。也就是说，内燃机所发出的动能全部要先转换成电能， 利用这一电能使车辆行驶，所以，发动机与电动机大致起同等的作用。因为车辆 的行驶仅靠电动机担任，要想获得与原来汽车同样行驶性能的话，就需要大功率 的电动机、发电机及蓄电池。在大功率输出的状况下，在所需的运转区域里电能 变换引起的损耗也大。因此，这种方式已经运用在不需要高速行驶的市内公共汽 车等用途固定的车辆上。 静驱动能- 电台皂 图1 1 传统串联式混合动力 3 电池 转换器 电机 驱 动 轮 第1 章绪论 并联式混合动力系统( 图1 2 ) 采用的是由发动机与电动机驱动车轮，根据 情况来运用这两个驱动源，因为这两个动力源是并行的，所以称为并联式混合动 力系统。在这种系统上，发动机是主要的动力，在汽车起步、加速等发动机的燃 料消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。这种方式的结 构相对比较简单，只是在平常的汽车上增加电动马达和电瓶就可以了。因为结构 简单，“并联方式 可以做到更轻型化，车身自重增加不多对提高汽车的运动性 能和燃油经济性能都有利。由于是通过蓄电池来利用电动机辅助动力的，所以， 它可以确保汽车原来的行驶性能。汽车主要以发动机驱动行驶，利用电动马达所 具有的在启动时产生强大动力的特征，在并联式动力传动系中，发动机与电动机 可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式动力传动系中的发电机， 因此更像传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点：由于发动机的 机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比， 系统效率较高，燃油消耗也较少。电动机同时又可作为发电机使用，系统仅 有发动机和电动机2 个动力总成，整车质量和成本大大减小。假定汽车所要 求的最大功率为p ，则每台动力总成的功率总和往往是在p 2 p 之间，由于设 备功率较小，所需的设备费用也较小。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机 械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，要维持 发动机在最佳工作区工作，则控制系统和控制策略较复杂。 驱动能* 粉电能 差速齿轮 图1 2 传统并联式混合动力 4 电池 转换器 电机发电机 驱 动 轮 第1 章绪论 混联式也称为串并联式( 图1 3 ) ，它可以最大限度地发挥串联式与并联式 的各自优点，普瑞斯用动力混合系统采用的就是这种工作方式。混联式动力系统 工作时，利用动力分配器分配发动机的动力：方面直接驱动车轮，另一方面自 主地控制发电。“串联并联方式一在启动瞬间跟低速行驶的时候汽车只是靠电 动马达的驱动行驶，速度提高的时候由发动机跟电动马达相互配合共同高效地分 担动力驱动汽车。由于要利用电能驱动电动机，所以与并联式相比，电动机的使 用比率增大了，能够大幅降低车辆油耗。又因为需要动力分担装置和发电机等， 因此结构比较复杂，发动机也要带动发电机。 啼驱动能，跏电能 图1 3 传统混联式混合动力 电池 转换器 电机 驱 动 轮 目前市场上，国外大汽车公司在混合动力汽车研发方面起步早，取得了显著 的成果，日本汽车公司尤其显得突出。丰田汽车公司自从1 9 7 7 年推出了其第一 辆混合动力原型车t o y o t as p o r t8 0 0 ，此后连续推出c o a s t e r 混合动力客车、 p r i u s 混合动力轿车、c a m r y 混合动力版本、l e x u sr x4 0 0 hs u v 、h i g h l a n d e rs u v 、 l e x u s4 5 0 hg s 、e s t i m am p v 、a l p h a r dm p v 和s i e n n am p v 。紧随其后的日本本 田汽车公司2 0 0 0 年推出采用铝结构、超轻车身的i n s i g h t ，2 0 0 2 推出了能乘坐 5 人的c i v i c 混合动力车。为了加快其进入混合动力市场的步伐，日产在2 0 0 2 年与丰田签订了使用其混合动力零部件的合约，并已于0 7 年1 月推出了a l t i m a 混合动力轿车。与此同时，欧洲、美国公司正在奋起直追，福特2 0 0 4 底将其e s c a p e 5 第1 章绪论 s i j v 推向市场，2 0 0 5 年7 月1 1 日开始预售其第二款混合动力汽车m e r c u r y m a r i n e r ，还计划在2 0 0 8 年推出其新车f u s i o n 和m i l a n 的混合动力版，将其销 售的混合动力车型扩充到5 种。2 0 1 0 年福特将量产e d g e 和l i n c o l n ，届时福特 将在全球销售2 5 0 ，0 0 0 辆混合动力汽车，超过一半的为f o r d ，l i n c o l n 和m e r c u r y 品牌。美国通用汽车公司在混合动力技术策略上与日本公司不同，通用侧重于皮 卡、s i n 等混合动力动力车型的开发。这是由于皮卡和s i n 比轿车贵，所以其改 为混合动力后提高的成本比例相对较小。另外在重型车上应用混合动力可以节省 更多的燃油消耗。2 0 0 3 年，通用推出了混合动力公共汽车，这是其应用混合动 力的第一个产品。 我国自主开发的混合动力汽车要求节油率达到3 0 以上，已在几个城市投入 示范运营。东风电动车辆股份有限公司自主研发的2 0 辆混合动力公交客车已在 武汉累计运行4 0 多万公里，载客8 6 万人次。一汽集团研发的混合动力客车也已 下线。一汽、东风、长安、奇瑞等公司研发了轻度混合( i s g b s g ) 、并联、混联 等多种形式的混合动力轿车。 1 1 3 新型混合动力系统方案 混合动力的这些益处并不是不要代价的，集成内燃机和电机的驱动系统比传 统汽车更重，能量链更复杂，它花费更大，包括更多可能出故障的部件和更复杂 的控制。现在在燃料上节省的油价并不能弥补额外的混合动力车的购买和维修差 额。这就意味着在大家决定出高价购买混合动力车之前要承受油价高额增长的负 担。由此我们寻求新的效率更高的混合动力形式。经过对进一步对新燃料、新能 源和新动力的新的思考以及对发动机工作过程的总结，针对在传统发动机中，进 气、压缩、燃烧、膨胀这4 个工作过程只有发动机燃烧过程产生能量的现象，想 在原有的基础上也利用压缩、膨胀过程的活塞直线往复运动产生有用的能量，即 只要活塞一运动就能产生能量。由此产生了关于混合动力系统新的理念和构想一 一混合动力直线发电发动机。 自由活塞式混合动力直线发电发动机舍去了传统发动机的曲柄连杆机构， 在永磁体材料的活塞的周围气缸内布线圈。燃烧产生的高温高压燃气一部分进入 功率涡轮做功，一部分则推动活塞往复运动从而发生线圈切割磁力线运动，产生 电能。在传统发动机中，发动机部分活塞运动时只有一个做功过程，得到高温高 压的燃气，其他过程都是辅助过程。而在这个混合动力直线发电发动机装置则 有效利用了活塞运动的整个过程，使得每个运动过程都是“做功”过程。只要活 塞在运动就产生能量，使得发动机装置的效率大大提高，同时在功率方面也得到 增加。这就是提出这种混合动力概念的最原始出发点，也是我们今后研究的重点。 自由活塞式混合动力宜线发电发动机能量结构( 图1 4 ) ，类似于混联式混合动 6 第1 章绪论 力形式，但由于发动机和发电机是一体的又有所不同。自由活塞式混合动力直线 发电发动机有时功率涡轮发动机和发电机同时驱动车轮，有时发电机驱动车轮， 发动机给电池充电，有时有需要也可以发动机驱动车轮同时也给电池充电。 啼 驱动力”卜电力 图1 4 混合动力直线发电发动机结构图 i i 1 2 基于自由活塞发电机的混合动力国内外研究状况 自从白英国人瓦特( w a t t ) 于1 7 7 6 年发明了蒸汽机掀起了影响深远的工业革 命，极大地促进了人类生产力的发展以来，各种各样的动力机方案涌现出来，其 中1 8 5 7 年意大利思贝尔桑奇( e n g e n t i ob e r s a n t i ) 和马特依西( v l a t t e u c c l ) 第一次试验了当时称为“自由活塞的发动机，并实现了爆发做功。随后，关 于自由活塞结构的改进和应用研究持续不断，在过去的2 0 多年里自由活塞式直 线发电发动机组应用在混合动力车中的用处引起了大家的兴趣，设计了很多自 由活塞式直线发电发动机组，不过大多数的机械结构都很复杂。复杂的结构是 为了精确的控制活塞运动的行程，以避免活塞在死点位置碰到活塞壁。下面介绍 一些近期关于自由活塞式直线发电发动机组研究的显著成就。 b o c k 提出了一种压燃式自由活塞式直线发电发动机组。该自由活塞式直线 发电发动机组配合一个液力泵，气缸位于自由活塞式直线发电发动机组的中心 部位以提供有用功自由活塞式直线发电发动机组有空气垫，弹性环状空气挚中 吸振填充物是氮气。 7 第1 章绪论 自有活塞发动机泵系统由h e i n t z 5 提出。装置包括公共连杆连接的一对 对置式活塞，连杆由泵控制。它具有两个做功活塞和吸气活塞相连作为机架往复 运动的主要部件。机架由于质量平衡关系本身也运动。自有活塞发动机泵系统 是火花塞点火的，用阀门控制活塞的行程。两个燃烧室的空气供应和排气都是用 共同的阀门和进气管。阀门和主要运动部件位置都是用共同的激励器控制的。 r i t t m a s t e r 提出了一个火花塞点火自由活塞式直线发电机连接液力能量系 统的概念。液力流体在形成内燃机的两端活塞的增压室内的压力作用下存储和释 放能量。为了计算装置的工作时间，在连杆周围布置了一组探测器。在两个增压 腔内流动的液力流体是由一组横跨阀门控制的。在横跨阀门的下游液力电机把夜 里流体能量转化为轴的转动能。发动机的缸体有有电子控制的进排气阀门。连在 液力电机轴上的飞轮用来减少横跨阀门和活塞之间能量转化所产生的脉冲振荡。 l l i e v 提出直线型发动机和发电机的耦合。这个装置是二冲程循环，火花塞 点火。发动机和发电机都是由同一个电子模块控制，点火正时由燃油品质和电子 载荷决定。按照发明者的意图，发动机要在高频率下工作，以达到高热效率。 g a l i t e l l o 提出计算机控制的线型发动机。它是两冲程压燃式发动机。按照 发明者的意图发动机在很高的转速下工作，自由振动。在发动机启动过程中火花 塞帮助点火。发动机连接发电机或者夜里能量装置。 k o s 提出了一个有趣的设计。闭合的发动机是采用连接能量输出和起控制作 用的电磁装换器的2 冲程直线型发动机。发动机可以点燃或压燃( 也有是用多种 燃料的可能性) 。发动机设计成电脑控制，通过改变磁场而变化发动机冲程的长 度。发明者提出了一个选择性的方案，把发动机设计成用个共同的连杆连接两 个对置的活塞。 最近w i d e n e r 和i n g r a m 描述了一个用于混合动力汽车模型研究的自由活塞 式直线发电发动机组数字化模型。模型中指出在混合动力电动车中把直线型发 电机作为有潜力的辅助能量单元配合自由活塞直线型发动机使用。通过研究这个 装置的功率输出和输出得机械能、动能的转换效率来分析它的实用性。在两冲程 发动机和往复运动的装置上研究了自由活塞式直线发电发动机组的特点。 设于澳大利亚悉尼的潘柏系统( p e m p e ks y s t e m s ) 正在研发一项革新的混合 式引擎驱动发电机，又名为自由活塞电源组( f p 3 ，图1 5 ) 。f p 3 是极其精巧、 洁净，高效有力，低成本的发电机。加装f p 3 的串联式混合电力汽车的市内交通耗 油量，是市面上最优秀同类混合动力汽车耗油量的一半以下，为传统汽车的四分 之一，有效减少有害废气的排放。 8 第i 章绪论 鼠如 图i5 自由活塞电源组( f p 3 ) 美国s a n d i a 国家实验室在自由活塞发电机的混合动力研究方面有突出的表 现。他们研究开发了一种自由活塞发电机和燃料电池结合的新型混合动力发动机 ( 图1 6 ) 。这种新犁装置的燃料一电能转化效率可达5 0 。 期i _ 6 自由活塞结构和燃料电池装置组合图 美国s a n d i a 国家实验室业开芨了一种与直线发电机有机结合的内燃发电机， 被称为自由活塞式( f r e ep i s t o n ) 内燃直线发电机( 图1 7 ) 。这种发电机两端布 置汽缸，将直线交流发电机集成在汽缸的中问。在两端汽缸中分别均匀注入压缩 点火( h c c i ) 使混和燃料燃烧，产生高温高压气体进入涡轮机中做供输出功率。同 时轮流推动活塞永磁体在交流线圈中往复运动切割线圈，在线圈中产生电流。从 实验情况来看，这种发电机组所具有的效率高、质量轻、有害气体低排放和可使 用多种燃料等特点，计划在2 0 1 0 年，将发动机整体热效率提高到5 0 以上。 第1 章绪论 图1 7 自由活塞式( f r e ep i s t o n ) 内燃直线发电机 我国研究领域主要是浙江大学流体传动及控制国家重点实验室在研究液压 式自由活塞发动机，它是把自由活塞结构产生的高温高压的燃气能量转化为液压 能。关于混合动力型自由活塞发电发动机的研究还基本没有开展。 1 3 本课题的研究目的及研究内容 自由活塞直线发动机属于可以不用滑块曲柄机构而运行的发动机种类，而滑 块曲柄机构被认为是大量摩擦的来源，这就决定了自由活塞直线发动机比传统发 动机具有更高的整体效率，再通过直线发电机构造混合动力装置，借助于混合动 力控制策略，以其达到进一步提高总体效率的目的。 湖昵好动力直线发电发动机的研究在国内应该是首例，已经申请“直线发 电机组混合动力控制策略研究”的课题，并在上海市科委批准立项。“混合动力 直线发电发动机的机理研究”是“直线发电机组混合动力控制策略研究 课题 的研究内容之一。本论文主要是研究、分析自由活塞直线发动机的工作机理、能 1 0 第1 章绪论 量计算方法、性能以及自由活塞发动机和宜线发电机的混合度、整体控制策略， 最后以某型号传统发动机的基本参数进行功率计算和对比分析研究： 1 自由活塞发电发动机的基本参数设计和仿真分析 根据研究初步构想，设计确定自由活塞发动机中自由活塞发气机的结构形 式、结构参数，分析自由活塞发气机和燃气轮机的工作过程，模拟出自由活塞发 动机活塞的运动。根据自由活塞发动机的结构初步研究，设计确定了直线型发电 机的材料、排布、结构，分析介绍了其基本工作过程。 2 计算方法研究 在设计、分析自由活塞发动机、总体集成装置的基础上，分别研究两者的功 率的计算方法。 3 混合动力策略研究 结合计算和仿真方法，设计能量按照不同的比例在功率涡轮和直线型发电机 之间进行如何分配，制定合适的能量策略。进而根据能量策略研究混合动力直线 发电发动机的几个典型工况的工作模式。 4 应用对比分析 用传统发动机的基本参数进行本文设计的装置的实例计算，得出本文中设定 条件下混合动力直线发电发动机这种新型装置结构的功率输出结果并进行对比 分析。 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 2 1 总体结构介绍 本文研究的混合动力直线型发电发动机就是在自由活塞发动机( 自由活塞 发气机和功率涡轮的组合) 输出功率的基础上，同时利用自由活塞往复运动产生 电能( 直线发电机) ，将两者集成的混合动力方式。混合动力直线型发电发动机 首先由一个自由活塞式发气机产生高温高压的燃气。该工作气体一部分进入涡轮 机做功，输出动力；一部分在缸内继续推动活塞运动切割线圈产生电能，经过转 化装置输出动能，从而使活塞运动的每个过程都直接产生了能量。另外，自由活 塞的结构在简化传统发动机质量、结构的同时，也避免了曲柄连杆机构带来的侧 向力和往复惯性力等带来的危害。 从结构上说，自由活塞式直线发电发动机组由两大部分组成：一是自由活 塞发动机( 自由活塞发气机+ 功率涡轮机) ，由活塞、气缸、进气道、排气阀、排 气口、燃气涡轮等组成，这个过程将燃烧产生高温高压气体，并把燃烧所得的高 温高压气体送入功率涡轮输出功率。所谓“自由活塞一是指发动机没有通常内燃 机的曲柄连杆机构，活塞的运动规律只由作用在它上面的气体压力差决定，并随 发动机工况变化。由此导致的自由活塞运动的基本特点就是内、外止点位置都可 以改变，即压缩比可控。发动机的压缩比越大，燃烧效率越高，但过大的压缩比， 不但会引起爆震外，还会导致动力活塞的爆蚀( d e t o n a t i o nc o r r o s i o n ) 。所以， 在实际应用中我们可以根据不同的需求，通过控制来选择不同的压缩比，而不需 要花大代价去更换发动机硬件来得到所需压缩比，节约成本。二是直线发电机， 由永磁体( 活塞) 、线圈和铁芯等组成，活塞在高压燃气、空气压力和电磁力等 综合作用下高速往复运动过程中，永磁体切割线圈，产生电流。功率输出方面也 有这两方面，发动机部分的能量通过高温高压具有高能量的燃烧气体输入到燃气 涡轮中做功输出；发电机部分直线发电机把产生的电能输出到电机里。两种能量 再通过功率合成装置进行能量整合，统一输出( 如图2 1 ) 。 1 2 第2 童混合动力直线发电发动机的总体结构 图2 1 混合动力直线发电发动机结构示意总图 自由活塞发动机的基本观点就是避免传统柴油发动机中的曲轴，用一种功率 涡轮代替，从排放的气体中转化出能量。另外，凸轮轴等其他机械装置也被精确 阀门所代替。所以，活塞能在气缸内主要受压力影响，“自由 的运动。和传统 柴油发动机相比，自由活塞发动机的主要优点是有很少的运动部件，这使发动机 紧凑，机械上简单等，概括说来就是高效率，低油耗，低排放。此外，在我们这 个混合动力直线发电发动机装置中自由活塞发气机采用二冲程结构。二冲程自 由活塞发动机具有高的热效率。整个装置的优点在部分载荷下可以运用由活塞的 自由运动而产生的额外角度的优势时特别明显，还可以为了优化发动机的效率和 排放，使活塞的上下止点位置随载荷不同而改变。 相关资料表明，在高负荷机车中应用混合动力直线型发电发动机可能节省 能源高达2 5 。热效率5 5 ，燃料热能和电能的转化效率达到5 0 9 6 ，并且具有以 1 3 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 下的几大优点： 1 电装置可以作为电动机用来起动和停止运动活塞，作为发电机来完成能 量转换。 2 没有曲轴限制活塞的运动，使得活塞运动行程可交。先进的h c c i 燃烧 模式( 在压力和温度达到要求的情况下空气燃料混合物可以自燃) 在这 个机构中能够实现。这个过程化学能转化为机械能的效率将近5 i n 。此 外排放方面特别是氮氧化物n o x 和微粒物质p m 很低。 3 可变压缩比使得装置可以采用不同的燃料( 只需很小的硬件变化) 。 4 能量转化装置可以快速的起动和停止，快速的在不同的能量等级之间转 变，这可以减少行驶过程中电池的使用。 5 系统的结构紧凑，具有高能量密度。 自由活塞式( f r e ep i s t o n ) 直线发电发动机组中由于结构都是改进过的，与 传统发动机形式有很大的不同，所以有很多问题要特别关键：( 1 ) 活塞是“自由 的 ，但活塞的位置直接关系到压缩比，阀门的开关时刻等重要方面。忽略摩擦 力和重力，活塞主要受到气体压力作用，研究出对于阀门开关的精确控制，控制 气流的运动得到理想的活塞运动。( 2 ) 根据热力学原理，理想的o t t o 循环是发 动机希望达到的最优选择，这种燃烧可以达到最高可能的峰值温度和最大可能的 热效率。( 3 ) 对于二冲程发动机而言，扫气系统的性能对发动机效率和废气排放 影响很关键。扫气处理必须保证迅速，在燃烧点火前达到高压缩比。经过对比分 析，选择单方向混合气注入和废气清扫方式。( 4 ) 发电机中定子的材料、长短， 磁场结构，线圈结构直接决定发电机性能，对于活塞的运动也有影响。 2 2 自由活塞发动机结构 自由活塞发气机是混合动力直线发电发动机中的重要能量产生和分配部 分，它包括自由活塞发气机和功率涡轮。自由活塞发气机的结构、性能对于产生 高温高压的燃气、活塞的运动、电能的产生等等有着重要影响。功率涡轮机是机 械能量的输出装置，它和发电机部分的能量匹配功率涡轮机的参数、性能直接 影响最终功率的输出。 1 9 2 5 年法国人皮斯卡拉( p e s c a r a ) 在自由活塞压气机的基础上设计了自由活 塞发气机。自由活塞压气机主要用来驱动活塞式压气机，供应压缩空气；自由活 塞发气机又称燃气发气器( f r e ep i s t o ng a s i f i e r ) ，它和燃气涡轮( t u r b i n e ) 联 合组成的动力装置，构成了真正意义上的自由活塞发动机( f r e ep i s t o ne n g i n e ) 。 1 4 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 2 2 1 自由活塞发气机的结构 自由活塞发气机按用途可分为自由活塞气体发生器和自由活塞压缩机两类； 按结构特点又可分为对称式和非对称式，以及有气垫缸的和无气垫缸的。在现代 热能学中，自由活塞式发气机有着许多种基本方案，这些方案，可按下述几种最 重要的特征来进行分类： 1 ) 按自由活塞式发气机在工程上的用途； 第一类发气机( 自由活塞式发气机) 是用作驱动供应压缩机，用以供应压缩 空气( 气体) 。在此情况下，发气机与压缩机被组成装配在同一个气缸体内的联 动机。发气机的活塞直接与压缩机的活塞相连接，而发气机工作气缸中气体所发 车的全部功( 除去克服活塞与气缸壁间摩擦所消耗的功) 都传给压缩机。 第二类发气机( 自由活塞式发气机) 是用作为工作气体( 燃气) 发生器；在 此情况下，压缩机所提供的全部压缩空气是供发动机气缸祛气及增压之用，然后， 发气机的燃烧产物与空气混合在一起被导向燃气涡轮或活塞式膨胀机器中去作 为工作气体( 燃气) 。这种自由活塞式发动机就成为联合热力装置的组成部分。 2 ) 按使活塞向内死点回复的方法； 第一种型式的发气机( 自由活塞式发气机) 的特点，是具有被称为空气缓冲 器的专用气缸，在这种气缸中进行压缩空气和积蓄能量，所积蓄的能量是用来在 回复冲程中用以驱动发动机工作活塞作回复运动。 第二种型式的发气机( 自由活塞式发气机) 是没有专用缓冲器气缸的自由活 塞式发气机，充填在压缩机气缸余隙容积内的压缩空气所存的能量为发气机工作 活塞的回复冲程所利用。 3 ) 按气缸对称分布或不对称分布的构造特点； 按气缸对称分布或不对称分布的构造特点的自由活塞式发气机都同样得可 分为两组：即相对于发动机燃烧室的对称平面而言，各气缸是对称排列的或不对 称排列的两组。 气缸对称排列的自由活塞式发气机中。，在每一边都准确的对置着祛气泵的、 空气缓冲器( 如果有的话) 的气缸和压缩机各级的气缸。 气缸不对称排列的自由活塞式发气机中，这种对置的形式是不存在的，相反 例如，压缩机的第一级气缸或缓冲器气缸装在一边，而压缩机的第二级气缸却装 在另一边。 类型 单燃烧室 双活塞对置式 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 单活塞双燃烧室式 单活塞单燃烧室式 图形 同步连接 载荷和回位装置 载荷和回位装置 图2 2 几种典型的自由活塞发气机结构 描述 目前研究中比较习惯的还是按照活塞和燃烧室的数量大致分为单燃烧室双 活塞对置式、单活塞双燃烧室式和单活塞单燃烧室式( 见图2 2 ) 。这种分类方 法的几种自由活塞发气机结构的优缺点对比可见表2 1 。 薯鐾射摧质衡两 等平求性塞身要步活自；同端构动动两结振运 目疋山仕1；都潜不程一； 过一率制动程效控运冲的难小型尚；每做更衡 不衡；_ l 十制用控利易以容可 ：f单衡弥简平力 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 表2 1 几种典型的自由活塞发气机结构的优缺点 结构优点缺点 结构简单；流量控制方便：需要单独的回复系统；直流扫气需 单活塞 制造成本低。专门8 l j 系配合。 平衡设计无振动问题；流量需要单独的回复系统：结构复杂： 对置活塞控制方便；直流扫气效果难于实现对两活塞运动的精确同步 好。控制。 功率密度最大；无需独立的存在振动问题；流量调节较困难； 双活塞回复系统。扫气时间短；直流扫气需专门阀系 配合。 混合动力直线发电发动机中自由活塞结构我们选择的是单活塞单气缸结 构。有下面几个原因使得我们把混合动力直线发电发动机中的自由活塞发动机 结构设计成单活塞。第一，单气缸系统的机械构造简单；第二，对置活塞的活塞 是连接的，因此，他们的位置不是独立的，这意味着不可能只移动其中的一个活 塞而不影响另外一个。 内燃机操作的两个主要原理是四冲程操作和两冲程操作。四冲程发动机的冲 程按顺序是：进气，压缩，燃烧和排气。在传统连杆一曲轴发动机中，曲轴转两 圈完成四个冲程，其中一个是做功冲程。进气阀和排气阀控制扫气过程，阀的操 作是通过曲轴、正时齿轮带链与滑轮和活塞运动保持一致的。在活塞往下运动 的时候燃料通过进气阀进入气缸。活塞到达下止点时进气阀关闭，活塞开始向上 运动开始压缩运动。汽油机中注入的是燃料一空气混合物，柴油机中注入的是新 鲜空气。现代发动机中排放气体循环使用用来增压降低n o x 排放，所以吸入的是 空气一排气混合物。就像通常的柴油机，直喷汽油机吸入纯空气在接近上止点时 直喷入燃料。在上止点火花塞点燃汽油机中的燃料。柴油机中燃料在高温时喷到 空气中，增加压力，自燃。燃料燃烧和膨胀的气体推动活塞向下运动。在下止点 排气阀打开使得燃烧后气体在活塞向上运动过程中排出气缸。在上止点附近排气 阀关闭进气阀打开完成四冲程循环。 典型的两冲程汽油机的冲程是：l 、缸内扫气和压缩，曲轴箱进气；2 、缸内 燃烧和排气，曲轴箱预压缩。 两冲程汽油机利用进气、排气端口和活塞来控制扫气过程。在活塞向上运动 压缩活塞上面的空气时燃烧气体( 空气燃料混合物) 进入活塞下面的曲轴箱，进 气和排气端口都关闭。在上止点火花塞点火点燃燃烧气体，膨胀气体推动活塞向 下止点运动，同时活塞压缩曲轴箱内的燃烧气体。曲轴箱进气被簧片阀门或活塞 裙或圆盘阀门控制。随着活塞向下运动，排气端口让排气排出气缸，继续向下运 动，活塞和曲轴上面的连接气缸的扫气端口打丌。进入气缸的加压燃烧气体扫出 1 7 第2 章混合动力直线发电发动机的总体结构 存留的废气。在活塞达到下止点时开始向上止点运动。先关进气端口再关排气端 口完成两冲程汽油机循环。二行程汽油机的工作循环同四行程汽油机一样，是由 进气、压缩、燃烧膨胀、排气过程组成，但它是在曲轴旋转一圈( 3 6 0 0 ) ，活塞 上下往复运动的两个行程内完成的。因此，二行程发动机与四行程发动机工作原 理不同，结构也不一样。 二冲程式发动机与四冲程式发动机相比较主要优缺点如下： 优点：1 曲柄每转一周就有一个做功行程，在理论上它的功率应等于四冲程 发动机的2 倍。 2 由于发生做功过程的频率较高，故二冲程发动机的运转比较均匀平 稳。 3 没有专门的换气机构，故构造较简单，质量也比较小。 4 使用方便。因为附属机构少，所以易受磨损和经常需要修理的运动 部件数量也较少。 缺点：二冲程发动机的最大缺点是不易将废气自气缸内排出得较干净，并且 在换气时减少了有效的工作行程。因此，在同样的工作容积和曲轴转速下，二冲 程发动机的功率并不等于四冲程发动机的2 倍，只等于1 5 - 1 6 倍；并且在换气 时有一部分新鲜可燃混合气随同废气排出，因此二冲程发动机不如四冲程发动机 经济。 通过比较和性能分析，我们的自由活塞式混合动力直线发电发动机决定采 用二冲程结构。近年来，二冲程发动机技术在汽车和能源生成应用方面应用引起 了广泛汽车行业研究者的兴趣。与四冲程发动机相比，二冲程发动机基本的引人 注目之处在于它较高的热效率、较小的重量、简单的设计和二冲程发动机双倍的 循环频率、较低的机械摩擦以及较低的排气损失使得其具有的高比功率、高紧凑 性与低n o 排放的特性。这些都和我们混合动力直线发电发动机的研究、设计目 标相符合，是我们选用二冲程结构的一个重要理由。 扫气方面也是我们选择二冲程结构的一个重要理由。两冲程发动机中扫气过 程由活塞控制，包括进气端口和排气端口。两冲程柴油机油综合阀门一端口控制。 一般在四冲程发动机中，阀门有相似的作用。机械同步正时连接控制四冲程旋转 运动的滑竿一曲轴发动机中的阀门操作。由于没有旋转运动，在直线发动机中需 要其他的技术。电子正时控制和直线型电子驱动器被认为是直线发动机中阀门控 制的方法之一。另一方面，两冲程汽油机应用方便的活塞控制端口由于不需要额 外的机械扫气控制很适应直线型