【期刊】单活塞自由活塞式直线发电机的实验研究

中文摘要

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自由活塞式直线发电机(FPLG)具有结构紧凑、系统效率高、维护成本低等优点，是一种很有前途的电动汽车续航里程扩展装置。然而，由于缺少机械曲轴，与之相关的活塞运动控制对FPLG来说是一个挑战，会产生失火和碰撞等问题，限制了其广泛的商业化。为解决失火问题，上海交通大学设计并制造了单活塞FPLG样机。本文详细介绍了相关控制策略的开发过程和实验验证。在实验研究中，FPLG工作在自然吸气条件下时，首先观察到明显的失火。然后，确定了这种失火的根本原因是扫气过程不佳，并利用压缩空气源来提高相关的扫气压力。然后，在充气扫气条件下，标定了扫气压力、空燃当量比和点火位置等最优控制参数。最终，FPLG样机实现了1000多个循环的连续稳定运行，点火效率为100%，循环间波动小于0.8%，产生了2.8 kW的指示功率和26%的指示热效率以及2.5 kW的电功率，总效率为23.2%。

研究意义及背景

随着世界经济的快速发展，如今乘用车的数量激增。庞大的汽车保有量不可避免地会产生严重的污染问题，包括温室气体、一氧化碳、未燃烧的碳氢化合物和氮氧化物等。这些污染物不仅对环境和气候产生不利影响，而且严重危害人类健康。为了解决能源问题与环境问题，响应国家排放法规，研究人员正在改进和优化现有的能量转换设备，并设计和研究新的能源转换设备。

为解决BEV面临的“里程焦虑症”挑战，自由活塞发动机（FPE）作为一种内燃机在结构上有异于传统的旋转式内燃机被用作增程器以有效解决电动汽车续航里程的问题。一般来说，FPE是一种没有机械曲轴的ICE，因此其活塞运动是自由的。与传统的ICE相比，FPE的独特结构具有无可比拟的优势，一是由于其活塞运动的自由度，FPE能够动态调整压缩比，从而优化控制各种燃料的燃烧；二是FPE中的线性活塞运动显著减少了侧向力引起的摩擦损失，从而显著提高了相关的机械效率；三是FPE的整体结构简单紧凑，降低了制造成本和维护成本。

FPLG由自由活塞发动机直接耦合直线发电机而来，具有许多潜在优势，特别是其系统效率远高于传统内燃机，但要实现这一优势的重要前提是FPLG的稳定运行。课题组现有的双活塞式FPLG样机存在较为严重的失火问题，本文以现有样机为基础，搭建单活塞式FPLG原理样机，主要研究目的在于实现FPLG的连续稳定运行，为实现FPLG的高效率发电打下基础。

研究内容与结论

本文最终实现了具有校准燃油喷射控制的单活塞FPLG的稳定运行，主要研究内容包括：一是制造了一个单活塞FPLG，包括一个空气弹簧和一个扫气泵，并与主动燃油喷射控制系统集成在一起；二是FPLG失火的根本原因已通过大量实验测试确定；三是已确定适当的充油压力和最佳燃油喷射策略（在喷射量和正时方面），以显著减少循环间的变化；四是原型FPLG实现了1000多个稳定运行周期，并对相应的性能进行了表征。

如图1所示，本文设计并制造了单活塞FPLG样机。针对FPLG的三种运行状态，即发动机、过渡和燃烧状态，制定了具体的控制策略，并进行了实验验证。具体而言，设计了负200 N和位置50 N的替代电推力，以确保通过电机操作启动FPLG。FPLG原型首先在自然吸气条件下进行测试，即使在确定了最佳燃料空气当量比和点火位置后，也观察到明显的循环间变化和大部分失火循环（仅50%的点火率）。然后，通过广泛的实验确定了失火的根本原因，即扫气过程差，扫气效率有限。受此分析启发，一个压缩空气源被直接连接到FPLG的燃烧室，旨在提供带电的净化过程。在校准相关控制参数后，例如当量比（1.0）、扫气压力（1.4 bar）和点火位置（27 mm），在这种带电扫气环境中，FPLG在43.2 Hz的工作频率下以超过1000次的循环实现了连续稳定运行。相应的点火率为100%（无缺火事件），循环间变化小于0.8%。此外，还对FPLG稳定运行期间的活塞运动特性和随后的燃烧过程进行了详细研究，FPLG稳定运行位移、速度和缸压曲线图如图2所示。

图1 单活塞式FPLG原理样机结构图

图2 FPLG稳定运行位移、速度和缸压曲线图

文章亮点

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本文设计并制造了单活塞FPLG原型，描述了相关控制策略的详细开发过程，研究了扫气压力、当量比、点火位置等参数，最终样机实现了1000多个周期的连续稳定运行，对活塞运动特性和燃烧过程进行了详细研究。研究发现：

1）样机的循环失火原因为气缸的换气不良问题；

2）随着当量比的增加，缸压和频率都增大，点着率先增大后减小；随着点火位置的延后，缸压减小，活塞行程增大，限位装置发生撞击现象，点着率先增大后减小；

3）向动力缸的进气口通入压缩空气，样机的点着率得到了显著提高，采用动力缸扫气时样机的点火位置需重新标定。

原文信息

An experimental study of a single-piston free piston linear generator

Jin XIAO, Yingdong CHENG, Jinlong WANG, Chengwei ZHU, Zhen HUANG

Author information: Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of the Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Abstract: Free piston linear generator (FPLG) is a promising range extender for the electrical vehicle with unparallel advantages, such as compact structure, higher system efficiency, and reduced maintenance cost. However, due to the lack of the mechanic crankshaft, the related piston motion control is a challenge for the FPLG which causes problems such as misfire and crash and limits its widespread commercialization. Aimed at resolving the problems as misfire, a single-piston FPLG prototype has been designed and manufactured at Shanghai Jiao Tong University (SJTU). In this paper, the development process and experimental validation of the related control strategies were detailed. From the experimental studies, significant misfires were observed at first, while the FPLG operated in natural-aspiration conditions. The root cause of this misfire was then identified as the poor scavenging process, and a compressed air source was leveraged to enhance the related scavenging pressure. Afterward, optimal control parameters, in terms of scavenging pressure, air-fuel equivalence ratio, and ignition position, were then calibrated in this charged-scavenging condition. Eventually, the FPLG prototype has achieved a continuous stable operation of over 1000 cycles with an ignition rate of 100% and a cycle-to-cycle variation of less than 0.8%, produced an indicated power of 2.8 kW with an indicated thermal efficiency of 26% and an electrical power of 2.5 kW with an overall efficiency of 23.2%. 

Keywords: free piston linear generator (FPLG),  charged scavenging, engine control, misfire, stable operation

Cite this article: Jin XIAO, Yingdong CHENG, Jinlong WANG, Chengwei ZHU, Zhen HUANG. An experimental study of a single-piston free piston linear generator. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-022-0838-4.

作者简介

肖进，上海交通大学副教授，博士生导师。从事燃烧学、内燃机构造与设计、高等燃烧学等课程的教学，主要研究方向：内燃机燃烧与排放控制、自由活塞式内燃机直线发电混合动力系统、无人机动力系统等。详情：https://me.sjtu.edu.cn/teacher_directory1/xiaojin.html

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