（光学工程专业论文）混合动力用自由活塞发动发电机系统性能研究.pdf

保密- k2 年 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e ar e s e a r c ho naf r e ep i s t o ne n g i n e l i n e a ra l t e r n a t o rf o rh y b r i de l e c t r i c v e h i c l ea p p l i c a t i o n s s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f a u t o m o b i l e di s ci p li n e ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ： v e h i c l ee n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ： w e i h o n gy e s u p e r v i s o r ：p r o f z h ew a n g m a r c h ，2 0 0 8 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 绛指导教帅同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权节。 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，均已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。 签名： 年月日 摘要 摘要 近年来随着能源危机和环保压力的日益增大，世界各国都开始尝试新能源 汽车以及新节能技术的研发。混合动力系统作为这一时期汽车节能新技术的代 表，成为减少燃油消耗和排放的有效解决方法。基于自由活塞发动发电机系统 构造的混合动力系统代表了一种新型混合动力技术，正日益引起关注。 本论文构造了基于自由活塞发动发电机的混合动力系统，以追求燃油经济 性为目标，给出了混合动力系统基本的能量管理和控制策略。本论文重点研究 了该种混合动力系统的核心内容自由活塞发动发电机系统，通过建立自由 活塞发动发电机的数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 对整个系统燃烧过程、动 力学过程进行了仿真，研究其运动规律和性能，得到了自由活塞发动发电机结 构参数和运行参数( 如运动件质量、点火提前角以及进气压力等) 对系统性能 的影响规律。应用重庆宗申公司生产的一款二冲程风冷发动机的基本参数( 包 括行程、缸径等) ，对自由活塞式发动发电机系统的输出功率和油耗进行了仿 真计算，仿真结果表明自由活塞式发动发电机系统在理想情况下的最低燃油消 耗率为1 6 4 9 8g k w h ，燃油利用率比原型机要高出6 5 3 4 。 关键词：自由活塞式发动发动机，混合动力，节能技术 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t f a c i n gt h er e d u c t i o no ff u e ls t o r a g ea n dt h en e e do fe n v i r o n m e n tq u a l i t y l m p r o v e m e n t , m o s tc o u n t r i e sh a v ed e v e l o p e dk i n d so fn e w e n e r g yv e h i c l e sa n dn e w e n e r g y 。s a w n gt e c h n o l o g y h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei sae f f e c t i v ew a yt or e d u c ef u e l c o n s u m ea n dv e h i c l ee m i s s i o n b a s i n go nt h ef r e ep i s t o n - l i n e a ra l t e m a t o r e n g i n e ，a h y b r i ds e r i e sh a sb e e ni s s u e da san e wk i n do fh y b r i dt e c h n o l o g y t h i sp a p e rp r e s e n t sah y b r i ds e r i e s s y s t e mb a s i n go i lf r e ep i s t o n l i n e a r a l t e r n a t o re n g i n ea n dp r e s e n t sae n e r g yc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h es y s t e ms ot h a tt h e e n g i n ec a ng a i nh i g h e s tf u e le f f i c i e n c y t h i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h e p e r f o r m a n c eo ft h ef r e ep i s t o n - l i n e a ra l t e r n a t o re n g i n e ，b u i l dt h em a t h e m a t i c s m o d e lo ff r e ep i s t o n - l i n e a ra l t e m a t o r e n g i n e ，a n ds i m u l a t e t h es y s t e mi n m a t l a b s i m u l i n k a p p l i e sap r o t o t y p ee n g i n ef o rt h es i m u l a t i o n ，a n dc a l c u l a t e st h e f u e lc o n s u m p t i o no ft h i s s y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef r e ep i s t o n l i n e a r a l t e m a t o re n g i n e sm i n i m u m sf u e lc o n s u m p t i o ni s1 6 4 9 8g k w h 6 5 l o w e rt h a n t h ep r o t o t y p ee n g i n e ，m e a n w h i l et h ep o w e ri s8 k w k e yw o r d s ：f r e ep i s t o n l i n e a ra l t e m a t o r e n g i n e ，h y b r i dt e c h n o l o g y , e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g y 目录 目录 第l 章绪论1 1 1 新能源动力技术现状2 1 1 1 纯电动车辆技术2 1 1 2 燃料电池汽车技术3 1 1 - 3 混合动力汽车技术5 1 1 4 新型的混合动力系统动力源9 1 2 自由活塞式发动发电机系统在国内外研究状况1 0 1 3 本论文的主要研究内容和技术路线1 3 1 3 1 主要研究内容1 3 1 3 2 技术路线1 3 第2 章基于自由活塞发动发电机的混合动力系统1 5 2 1 自由活塞发动发电机在混合动力系统的应用1 5 2 2 自由活塞发动发电机混合动力系统的构造1 5 2 3 自由活塞发动发电机混合动力系统的能量管理与控制策略1 6 2 4 本章小结2 l 第3 章自由活塞发动发电机总体结构设计一2 2 3 1 自由活塞发动机2 2 3 1 1 自f f l 活塞发动机的布置形式一2 2 3 1 2 自由活塞发动机的冲程数一2 4 3 2 直线发电机2 6 3 2 1 直线发电机的原理2 6 3 2 2 直线发电机的分类2 6 3 3 自由活塞发动，7 发电机的总体构造3 l 3 4 本章小结3 3 第4 章自由活塞发动发电机系统的数学模型建立一3 4 4 1 自由活塞发动，发电机系统动力学模型的建立3 4 4 2 自由活塞式发动发电机热力学的数学建模3 5 4 2 1 模型假设3 5 目录 4 2 2 燃烧模型的建立3 5 4 2 3 气体压缩膨胀过程模型的建立3 8 4 2 4 进排气过程的数学模型：3 9 4 2 5 气缸压力的变化规律3 9 4 3 直线发电机的数学建模4 2 4 4 摩擦力模型4 4 4 5 系统s i _ i i j l i n k 仿真建模4 5 4 6 本章小结4 6 第5 章自由活塞发动发电机系统性能的仿真分析4 8 5 1 原型机的基本参数和仿真参数的设定4 8 5 1 1 原型机的各项参数4 8 。 5 1 2 仿真初始参数设定4 9 5 2 各参数变化设定对系统输出的影响分析5 0 5 2 1 初始参数下自由活塞发动发电机的性能分析5 0 5 2 2 运动件组件质量对自由活塞发动发电机性能的影响5 4 5 2 3 发电机负载对自由活塞发动发电机性能的影响5 7 5 2 4 发动机点火位置对自由活塞发动发电机性能的影响6 0 5 2 5 进气压力对自由活塞发动发电机性能的影响6 3 5 3 自由活塞发动发电机参数以及与原型机的性能对比分析6 4 5 3 1 自由活塞发动发电机的参数优化6 4 5 3 2 不同负载下系统喷油量的确定6 6 5 3 3 自由活塞发动发电机与原型机的性能对比6 8 5 4 本章小结6 9 第6 章总结与展望7 0 6 1 全文总结7 0 6 2 研究展望7 l 致谢7 2 参考文献7 3 个人简历在读期问发表的学术论文与研究成果7 7 i i i 第l 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。在今后的 5 0 年里，全球人口将从6 0 亿增长到1 0 0 亿，汽车数量将从8 亿增加到2 5 亿， 如图1 1 所示。而据国际能源机构( 1 e a ) 的统计数据表明，全球5 0 以上的石 油消费在交通领域( 其中美国达到6 7 ) ，预计到2 0 2 0 年交通用油将占全球石 油总消耗的6 2 以上【1 。2 1 。如果以上这些车辆都是用内燃机的话，它们所需要的 石油将从何而来? 它们排出的尾气如何处理? 这些问题迫使人们去寻找2 l 世纪 可持续发展的道路交通工具。 年 图卜1 人口与汽车的增长 年 近年来我国汽车业迅猛发展，今年汽车产量预计将达到8 0 0 万辆，已超过 德国，仅次于美国、日本，居世界第三位。而我国石油资源贫乏，随着汽车保 有鼍的持续快速增长，将导致更加严重的石油供求矛盾。据统计，2 0 0 6 年我国 车用汽油总消耗量6 1 6 7 万吨，车用柴油总消耗量2 4 8 1 万吨。根据专家的保守 估计，如不采取有力措施，在2 0 1 0 年我国y c 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 8 亿吨左右，仅仅交通能耗就将导致7 0 0 0 万 吨的石油缺口【3 1 。显然，交通对石油能源的过度依赖和巨量消牦必将严重影响国 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 弟l 苹绪论 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 0 2 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 0 2 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 口 4 1 矿、o 解决交通能源消耗和环境污染的有效途径是研发和推广新型能源汽车，减 少对石油资源的过度依赖，降低汽车的污染物排放，促进汽车工业及社会持续 稳定发展。因此，基于对能源和环境两方面的考虑，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e 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 s l 。2 0 世纪9 0 年代以来，电动汽车的研究开发和 推广应用倍受重视，正在成为国际汽车工业发展的重要潮流和热点。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缓慢。相比 之下，燃料电池电动汽车( f c v s ) 和混合动力汽车( 砸v s ) 则在技术上取得 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1 6 1 。 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 车重大项目内容之一【7 】。 1 1 新能源动力技术现状 1 1 1 纯电动车辆技术 纯电动车辆迄今还没有一个公认的统一定义，较一般的理解是从车载储能 2 第l 苹绪论 装置( 包括车载蓄电池、超级电容、飞轮电池等装置) 获得电力，以电机驱动， 同时又满足道路交通安全法规对汽车的各项要求，并获准在正规道路上行驶的 车辆【引。 纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离 子电池) 提供动力的汽车。由于一次石化能源的日趋缺乏，纯电动汽车被认为 是汽车工业的未来。典型的纯电动汽车结构如图1 2 所示。动力电池组输出电能 驱动电机，从而推动车辆行驶。电池的电能通过充电系统在车辆行驶一定的里 程后进行补充。纯电动汽车的突出优点在于客户终端真正实现了“零排放” 9 - 1 i i 。 加速踏板 图卜2 纯电动汽车结构布置图 1 1 2 燃料电池汽车技术 燃料电池用于车辆的动力驱动系统，为全球能源短缺和环境污染问题提供 了有效地解决方案。燃料电池汽车的基本结构多种多样，按照驱动形式可分为 纯燃料电池驱动和混合驱动两种形式。按照能量来源可分为车载纯氢和燃料重 整两种方式。 纯燃料电池汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料 电池承担，其主要缺点有：燃料电池的功率大，成本昂贵；对燃料电池系统的 动态性能和可靠性提出了很高的要求；不能进行制动能量回收。基于这些不利 因素，目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动形式，即在燃料电池的基础 上，增加一组电池或者超级电容最为另一动力源。图1 3 是采用“燃料电池+ 蓄 3 弟1 覃绪论 电池”( f c + b ) 混合驱动形式的燃料电池汽车的动力系统结构。考虑到目前燃料 电池系统自身的一些特殊要求，例如，在燃料电池启动时空压机或鼓风机需要 提前工作，电堆需要预加热，氢气和空气需要预加湿等，这些过程都是需要提 前向燃料电池系统供电；同时为了能够回收制动能量，因而将蓄电池和燃料电 池系统组合起来行程混合动力驱动系统。该系统降低了对燃料电池的功率和动 态特性的要求，同时也降低了燃料电池系统的成本，但增加了驱动系统的复杂 性以及重量和体积，增加了蓄电池的维护、更换费用 1 2 - 1 5 】。 图卜3 “f c + b ”燃料电池汽车混合动力系统结构 目前燃料电池混合动力汽车的驱动形式多种多样，除了上面介绍的“f c + b ” 外，近年来，在功率混合型燃料电池汽车上开始出现“f c + c ”的驱动形式，即 采用燃料电池与超级电容相结合，完全摒弃了寿命短、成本高和使用要求复杂 的蓄电池。采用超级电容的突出优点是寿命长和效率高，希望能大大降低使用 成本，有利于燃料电池汽车的商业化推广和应用。 燃料电池汽车不同动力驱动系统构型的分析和比较见表1 1 4 第l 章绪论 表1 - 1 燃料电池汽车不同动力驱动系统构型的分析和比较 动力系统构f c 单独驱动 f c + b d c d cf c d c d c + b 型 ( 功率混合型)( 能量混合型) 结构特点结构最简单结构较复杂 结构较复杂 无蓄电池，无法实现制动蓄电池的重量、体积小蓄电池的重量、体积较大 能回馈 燃油经济性最差较优最优 燃料电池寿当汽车功率需求较大时，当汽车功率需求较大时，当汽车功率需求较大时， 命与安全性燃料电池易发生过载，燃燃料电池发生过载的概燃料电池可控制在最高效 料电池要完全满足动态率较小率点恒功率输出，不发生 响应要求，难度很大燃料电池寿命较长 过载 燃料电池系统寿命短燃料电池系统寿命长 整车动力性能够满足整车动力性设能够满足整车动力性设能够满足整车动力性设计 计要求计要求要求 1 1 3 混合动力汽车技术 混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 是将电力驱动与辅 助动力( a p u ) 结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生优势的 车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机，如内燃机、燃气轮机等其他 动力发电机组。根据混合动力系统连接方式的不同，混合动力汽车主要可以分 为三种结构形式，即串联、并联和混联，它们各有优势1 1 6 - 2 1j 。 ( 1 ) 串联混合动力系统 串联混合动力驱动系统的机构见图1 4 。其结构特点是发动机带动发电机发 电，发出的电能通过电机控制器输送给电机，由电机产生电磁力矩驱动汽车行 驶，在发动机与传动系之问通过电机实现动力传递。蓄电池( 也可以使其他储 能装置，如超级电容、机械飞轮等) 是发电机与电机之间的储能装置，其功能 是起到功率平衡的作用，即当发电机发出的功率大于电机所需的功率时( 如汽 车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况) ，发电机向电池充电；而当发电机发 出的功率低于电机所需的功率时( 如汽车起步、加速、爬坡、高速行驶等工况) ， 蓄电池则向电机提供额外的电能，补充发电机功率的不足，满足车辆峰值功率 的要求。 5 第l 章绪论 电池 转换器 电机 驱 动 轮 图1 - 4 串联式混合动力系统 串联式混合动力系统具有如下优点：1 ) 发动机工作状态不受车辆行驶工况 的影响，始终在最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性 和低的排放性能。2 ) 发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较 大。3 ) 由于电机的功率大，制动能量回收的潜力大，从而提高能量效率。 串联式混合动力系统存在的缺点如下：1 ) 发电机将发动机的机械能量转变为 电能，电机又将电能转变为机械能，还有电池的充电和放电都有能量损失，因 此，发动机输出的能量利用率比较低。2 ) 电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置， 因此，电机的功率要足够大。而蓄电池一方面要满足汽车行驶中峰值功率的需 求，另一方面又要满足吸收制动能量的要求，这就需要较大的电池容量。所以， 电机和蓄电池的体积和重量都比较大，使得整车重量较大。 2 、并联混合动力系统 并联式混合动力系统的结构有内燃机和电机两套驱动系统，它们可以分开 工作，也可以一起协调工作，共同驱动。所以并联式混合动力电动汽车可以在 比较复杂的工况下使用，应用范围比较广。并联式混合动力系统从结构上分为 单轴式和双轴式。 单轴式的结构如图1 5 a 所示。内燃机通过主传动轴与变速器相连，电机的 转矩通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两 者之和。双轴式的机构如图1 5 b 所示，它可以有两套机械变速器：内燃机和电 机各自与一套变速机构相连，然后通过齿轮系进行复合。在这种结构中，可以 通过调节变速结构调节内燃机、电极之间的转速关系，使发动机的工况调节变 得更灵活，当采用行星差动系统作为动力复合机构时，行星差动动力复合机构 6 第1 章绪论 有两个自由度，可以实现两个输入部件的转速复合，以确定输出轴的转速，而 各个部件间的转矩保持一定的比例关系，这种功率符合形式称为速度复合。 a ) 单轴式 图卜5 并联式混合动力系统 b ) 双轴式 并联式混合动力系统的优点如下：1 ) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽 车，无机械能电能转换损失，因此发动机输出能量的利用率相对较高。2 ) 当电 机仅起功率“峰调”作用时，电机、发动机的功率可适当减小。 并联式混合动力系统的缺点如下：1 ) 发动机与电机还需要动力复合装置， 因此驱动系统的传动结构较为复杂。2 ) 并联驱动系统与车轮之间直接机械连接， 发动机的运行工况会受到车辆行驶工况的影响，所以车辆在行驶工况频繁变化 的情况下运行，发动机有可能不在其最佳工作区域内运行。 3 、混联式混合动力系统 混联式驱动系统可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合动力模式 下工作，即两种模式的综合。其结构如图1 - 6 所示。其工作原理如一f ：发动机发 出的功率一部分通过功率分流装置，经机械传动系统至驱动桥，另一部分则驱 动发电机发电，发出的电能输送给电机或蓄电池，电机的力矩同样也可通过传 动系传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动 系统主要以串联模式工作，但汽车高速稳定行驶时，则以并联工作模式为主。 混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优 点，能够使发动机、发电机、电机等部件进行更优化的匹配，在结构上保证了 在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制 目标。但混联式动力复合形式更为复杂，对动力复合装置要求更高。 7 第1 章绪论 发动机 ： 回o 图卜6 传统混联式混合动力 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 x 4 0 0 hs u v 、h i g h l a n d e rs u v 、l e x u s4 5 0 h g s 、e s t i m a m p v 、a l p h a r d m p v 和s i e n n a m 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 es u 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 ym 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 u v 等混 合动力动力车型的斤发，这是由于皮卡和s u v 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i 2 2 1 。 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 第1 苹绪论 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【冽。 1 1 4 新型的混合动力系统动力源 通过以上的介绍，可以知道混合动力汽车的技术比传统车辆有以下优点： ( 1 ) 再生制动，混合动力车辆在制动时，可利用驱动电机以发电机模式工作来 回收制动能量。( 2 ) 车载动力总成( o b p u ) 可以更有效地工作，甚至可以消除 或大大减少怠速工作状态。( 3 ) o b p u 可以更轻更小，因为车上另一套储能装置 可以提供一部分功率。( 4 ) 有选择多种车载动力总成的余地。 但是，传统混合动力技术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，花费更大，包括更多可能出现 故障的部件和更复杂的控制，而目前在燃料上节省的油价并不能弥补混合动力 车的购买和维修费用的差额。 同时，这些混合动力技术的主要动力源基本上都是传统发动机。对于传统 发动机而言，由于曲轴箱的存在，必然会有相当一部分的能量消耗在曲柄连杆 机构的运动摩擦上，而且由于有旋转运动的存在，活塞在运动过程中还受到了 侧向力的影响，这也增大了能量的损耗。传统发动机在曲柄连杆机构上的能量 损耗占了发动机各部件损耗总和的4 0 以上。因此，如果能够找到新型的动力 源来代替带有曲柄连杆机构的传统发动机，那么混合动力的节能技术将会有更 大的突破。 经过进一步对新燃料、新能源和新动力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，能否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，由此产生了关于混合动力系统新型动力源的 理念和构想自由活塞式发动发电机系统( 如图1 7 ) 。 自由活塞式直线发动发电机系统舍去了传统发动机的曲柄连杆机构，取而 代之的是一台直线发电机。直线发电机的动子部分与发动机气缸中的活塞杆制 成一体，发电机的定子部分( 电枢绕组) 则缠绕在定子外围的铁芯底座中。工 作时，活塞由于工作气体的压力作用而在气缸中作直线往复运动，此时与活塞 集成在一起的直线发电机的动子部件将随活塞一同作直线运动。这将导致发电 机定子电枢绕组中的磁通量发生变化，产生感应电流，从而输出有效电能。在 9 第1 章绪论 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，推动活塞做功，其他过程都是辅助过程。而在这个自由活塞直线发电发动 机装置则有效利用了活塞运动的整个过程，使得每个冲程都是“做功”过程。 从而大大提高了工作效率。因此，若将该动力源运用到混合动力系统中将会大 大提高系统的效率。 il i _ _ - _ i - - j - - - - i i ii 嬲黟溯 缀穗黝缓缀缀黼缀j 鼍尊3 “：稳缓缁戮缓黪7 翻 鼢绷： 隧i 。l 荔趴 | | _ _ | - - - _ ! - - - - r - | i 图1 - 7 自由活塞式发动发电机 1 2 自由活塞式发动，发电机系统在国内外研究状况 自从英国人瓦特( w a t t ) 于1 7 7 6 年发明了蒸汽机以来，各种各样的动力机方案 纷纷涌现。其中，1 8 5 7 年意大利思贝尔桑奇和马特依西首次试制了一台自由 活塞发动机，并成功实现燃烧做功。随后，对于自由活塞发动机技术的研究和 应用持续不断。自由活塞发动机与直线发电机相结合的结构形式是一种新型的 自由活塞发动机技术。在过去的2 0 多年里，自由活塞式发动发电机组在混合动 力汽车中的应用备受关注。下面介绍一些国内外关于自由活塞式直线发电发动 机组研究成果。 r b o c k 于1 9 7 8 年提出了一种压燃式直线发动机。该直线发动机配合一个 液力泵，气缸位于直线发动机的中心部位以提供有用功。直线发动机具有空气 垫结构，该弹性环状空气垫中吸振填充物为氮气【2 4 1 。 r - ph e i n t z 于1 9 8 0 年提出了自由活塞发动机泵这一结构。该装置包括由一 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。自由活塞发动机泵系统是由火花塞点火的， 用阀门控制活塞的行程。两个燃烧室共用进气和排气装置。电枢根据往复运动 件的位置来开启或关闭阀门【2 5 1 。 1 0 第l 章绪论 p a r i t t m a s t e r 提出了一种火花塞点火自由活塞式发动机与液力能量系统集 成的概念。液力流体存储在活塞组件两侧的液力腔内，并释放能量。为了控制 装置的运行，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 是由一组阀门控制的。在横跨阀门的下游液力电机把液压能量转化为轴的转动 能。发动机的缸体具有电控的进排气阀门。连在液力电机轴上的飞轮用来减少 阀门和活塞之间能量转化所产生的脉冲振荡脚j 。 m d 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 和载荷决定。发动机设计在高运动频率下工作，以达到高热效率 2 7 1 。 k a g a l i t e l l o 于1 9 8 9 年提出计算机控制的直线发动机。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液力能量装置【2 引。 j ek o s 提出了一个有趣的设计。发动机采用连接能量输出和起控制作用的 电磁装换器的二冲程直线发动机。发动机可以点燃或压燃( 可应用于多种燃料) 。 发动机由电脑控制，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，把发动机设计成用一个共同的连杆连接两个对置的活塞1 2 圳。 最近w i d e n e r 和i n g r a m 提出了一种自由活塞发动机数学模型，应用于混合 动力汽车的研究。模型中指出在混合动力电动车中把直线发电机作为有潜力的 辅助能量单元配合自由活塞直线发动机使用。通过研究这个装置的功率输出和 输出的机械能、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发电发动机组的性能1 3 0 1 。 澳大利亚悉尼潘柏股份有限公司所开发的潘柏系统( p e m p e ks y s t e m s ) 是 一种新型的混合式引擎驱动发电机，又名为自由活塞电源组( f p 3 ) ，如图卜8 。 此发电机具有精巧、洁净、高效有力、低成本等特点。有研究表明，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1 3 1 1 。 第1 章绪论 图1 - 8 自由活塞电源组( f p 3 ) 美国s a n d i a 国家实验室开发的“自由活塞式内燃直线发电机”，如图1 - 9 。 其两端布置气缸，将直线交流发电机集成在两气缸的中间，在两端燃烧室内采 用均质充量压缩着火( h c c i ) 燃烧模式，推动永磁体在交流线圈中做往复运动 切割线圈，在线圈中产生电流。从实验情况来看，这种发电机组具有效率高、 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 3 2 - 4 0 1 。 图卜9 对置式自由活塞内燃直线发电机结构示意图 目前，我国研究自由活塞发动机的研究机构并不多。主要有浙江大学流体 传动及控制国家重点实验室所，他们研究的是液压式自由活塞发动机。这是一 种将内燃机和液压泵结合为一体，利用液体作为传输介质的复合发动机。基本 思想是：在传统内燃机驱动变量液压泵的静液复合驱动系统中，省去内燃机中 将活塞的往复运动转化为旋转运动的曲轴组件及变量液压泵( 柱塞泵) 中将旋 转运动转化为液压泵活塞往复运动的旋转斜盘组件，而直接将内燃机的活塞与 1 2 第1 章绪论 液压泵的活塞刚性连接组成。这样既缩短了传动链，又省去了不同运动形式之 间的反复转换，同时又不丧失液压复合驱动系统的主要特性。还有不少大学也 开始展开对自由活塞直线发电机的研究1 4 1 - 4 7 1 。 1 3 本论文的主要研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容 基于自由活塞发动机的这些优点，本文将研究自由活塞发动发电机在混合 动力系统上的应用，并提出基于自由活塞发动发电机系统的混合动力能量管理 和控制策略。对自由活塞发动机和直线发电机的工作机理进行研究，设计自由 活塞发动机和直线发电机的集成方案。 本文重点研究了自由活塞发动发电机系统的各项性能，对其进行数学建模， 应用m a t l a b 软件对自由活塞式直线发动发电机的性能进行仿真和分析。以某一 原型内燃机为例，根据原型机的基本参数和仿真结果确定本系统的最优参数值， 计算输出功率和油耗，最后根据计算结果与原型机进行对比分析。 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究不同形式自由活塞发动机和不同类型直线发电机的结构特点和性 能，确定自由活塞发动机与直线发电机的选型以及集成的方案。 ( 2 ) 研究自由活塞发动发电机系统作为动力源在混合动力系统中的应用， 研究制定混合动力的总体结构和基本的控制策略。 ( 3 ) 对自由活塞发动发电机系统进行数学建模，包括发动机的燃烧模型， 发电机的基本模型，系统的动力学模型等。 ( 4 ) 根据所选样机的摹本参数对系统进行仿真，研究不同结构参数和控制 参数下自由活塞发动发电机系统的性能变化，优化结构参数，优化系统性能， 与样机的性能进行对比分析。 ( 5 ) 对全文进行总结，并对进一步的工作进行展望。 1 3 2 技术路线 全文采用的技术路线如图1 1 0 所示： 1 3 第1 章绪论 自由活塞发动机选型i直线发电机选型 自由活塞发动，发电机系统集成方案 系统数学模型建立 系统仿真分析，研究各结构 参数对系统性能的影响，并 与原型机进行性能对比 论 证 图1 - 1 0 论文技术路线图 1 4 研究自由话塞发动，发电机 系统应用与混合动力系统 的可行性，提出该系统应 用于混合动力系统的连接 方式和控制策略 第2 章基于自由活塞发动发电机混合动力系统的构造 第2 章基于自由活塞发动发电机的混合动力系统 2 1 自由活塞发动，发电机在混合动力系统的应用 自由活塞发动发电机去除了曲柄连杆机构，将原来发动机的旋转运动转变 为直线运动，然后利用永磁直线发电机将活塞运动组件的动能转化为电能，实 现能量的输出。基于自由活塞发动发电机的这一结构特点，本文认为自由活塞 发动发电机非常适合应用到串联式混合动力系统中作为动力源。主要有以下几 个理由： ( 1 ) 自由活塞发动发电机的效率高、比功率大，设计时，较小的发动机的 尺寸就可达到功率要求。 ( 2 ) 自由活塞发动发电机是将二冲程发动机与直线发电机集成为一体，这 样整个系统的结构就更加紧凑，更加简化。 ( 3 ) 由于自由活塞发动发电机的压缩比是可以通过控制发动机运行参数来 改变的，因此它可以适用于各种不同的燃料，包括l p g 、乙醇等，这进一步改 善了发动机的排放性能。 ( 4 ) 自由活塞发动发电机由于没有曲柄连杆机构的束缚，活塞运动组件运 动是不受限制的，其所受负载仅由直线发电机的结构参数和运行参数决定，通 过合理的控制策略，使其不受车辆行驶工况的影响，因此发动机能够始终在最 佳的工作区域内稳定运行。 以上的这些优点都非常适合运用到串联式混合动力系统中。 2 2 自由活塞发动，发电机混合动力系统的构造 根据2 1 节的分析，本文设计了基于自由活寨发动发电机串联式混合动力 系统，其基本构造示意图如图2 1 所示： 第2 章基于自由活塞发动发电机混合动力系统的构造 图2 - 1 自由活塞发动发电机串联混合动力系统 电能传输 机械连接 本文将自由活塞式发动发电机系统作为串联式混合动力系统的主要动力 源，将燃料化学能最终转化为电能输出，通过控制器将电能输送到电机驱动车 辆或者输送到电池组储存。电池组则是辅助动力装置，在车辆启动以及高负荷 工作下起作用。另外还通过废气涡轮机以及连接于涡轮机后的发电机将自由活 塞式发动发电机的燃烧废气能量也转化为电能，通过控制器将电能进行储存或 直接利用，这部分装置也是属于辅助动力装置，简称为涡轮发电机。而中央控 制器则根据制定的控制策略保证整个系统的运转。 该系统的特点在于： ( 1 ) 自由活塞式发动发电机作为主要动力源，使得系统效率高，结构紧凑。 ( 2 ) 增加了废气涡轮发电机装置作为辅助动力源，充分利用废气能量进行 发电，进一步提高了系统的效率。 ( 3 ) 自由活塞式发动发电机、蓄电池组和涡轮发电机三个动力装置将在 一定的控制策略下，共同为串联混合动力系统提供动力。 2 3 自由活塞发动，发电机混合动力系统的能量管理与控制策略 控制混合动力车在行驶过程中不同的工况时各组成部件( 发动机、电机、 蓄电池、传动装置等) 之间能量流的大小和流向，称为能量管理。进行能量管 理时，不管采取什么样的管理策略，其目的都是为了使所设计的车辆具有以下 特点： 1 6 第2 章基于自由活塞发动发电机混合动力系统的构造 ( 1 ) 最佳的燃油经济性和最好的排放指标。 ( 2 ) 根据行驶工况下，合理分配来自发动机和蓄电池的能量流。 ( 3 ) 在复杂的行驶工况下，尽可能较小发动机工作运转的波动和关闭与启 动的次数。 ( 4 电池始终有合适的荷电状态以及蓄电池的电压在安全的范围之内，使蓄 电池有良好的使用寿命。 可见，能量管理策略主要目的在于根据电池的s o c 值，选择一定工作模式， 并且控制发动机发电机组维持在设定的高效率工况点附近运行；同时，在车辆 减速和制动过程中，通过电机控制器实现轮毂电机电机模式发电机模式的及时 切换，有效地回收制动能。 传统串联式混合动力车能量管理策略按控制性质可分为两大类：一类是被 动型能量控制，一类是主动型能量控制。被动型能量控制是在保证电池和发动