工程科技論文范文直線ISG/發動機系統臺架構建及啟動試驗

發布時間：2016-05-09所屬分類：科技論文瀏覽：1291次

摘 要： 1998年，美國Sandia國家實驗室開發了一種與直線電機有機結合的內燃發電機系統，采用均質充量壓燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，本文就針對直線ISG/發動機系統臺架構建及啟動試驗進行了一些論述，文章是一篇 工程科技論文范文 。 摘 要：依照直

　　1998年，美國Sandia國家實驗室開發了一種與直線電機有機結合的內燃發電機系統，采用均質充量壓燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，本文就針對直線ISG/發動機系統臺架構建及啟動試驗進行了一些論述，文章是一篇工程科技論文范文。
　　摘 要：依照直線ISG/發動機系統的設計思路，分別自主開發了直線發動機及直線ISG電機樣機，并將兩者耦合構建完成了一套直線ISG/發動機系統。同時，基于直線位移傳感器測得的活塞瞬時位置開發了直線ISG/發動機控制系統，并利用開發的位置跟蹤模式的啟動力換向策略進行了系統啟動試驗。試驗結果表明，開發的位置跟蹤模式啟動力換向控制策略可實現系統活塞組件的運動換向，且直線ISG/發動機系統在啟動點火首行程著火成功，著火缸壓為1.38 MPa;相對傳統啟動方式的直線發動機系統，直線ISG/發動機系統啟動過程具有啟動頻率較高、改善首循環混合氣加濃、燃燒缸壓變動較小、啟動平穩的特點。

　　關鍵詞：直線發動機,直線ISG電機,樣機設計,啟動性能,換向控制

　　Abstract：Based on the design concept of linear ISG/engine system， the linear engine and the linear ISG were developed respectively and then were integrated into a linear ISG/engine system. The linear ISG/engine control system was designed according to the piston position signal and the starting experiment was conducted in which the piston position tracking mode was used for the control of starting force reversing. The results show that the piston motion reversing can be achieved by the control strategy of starting force reversing and the mixture is ignited successfully in the first stroke with the peak cylinder pressure of 1.38 MPa. Compared with the linear engine system using the traditional starting method， the starting process of the linear ISG/engine system has higher starting frequency which can reduce the amount of mixture added into the cylinder in the first ignition cycle and has a lower range of pressure changes in the combustion cylinder which helps to start smoothly.

　　Key words：linear engine; linear ISG; prototype design; starting performance; reversing control

　　由直線ISG(Integrated Starter Generator)電機和直線發動機耦合而成的直線ISG/發動機系統作為一種新型的發電裝置，具有結構簡單、功率密度高、效率高、燃料適應性強等優點[1]，非常適合作為增程器應用于電動汽車上，正受到越來越多國內外研究機構的關注[2-4]。

　　HCCI)的燃燒方式，具有效率高、質量輕、有害氣體排放低、壓縮比可變、燃料適應性強等特點[5]。同年，美國西弗吉尼亞大學對點燃式自由活塞直線發電機系統的穩定運行進行了驗證，試驗測得該系統的最大發電功率為316 W，研究結果表明，較小的動子質量與較高的往復運動速度有利于提高直線發動機的功率密度[6]。2014年，豐田提出了一種正處于研發階段的自由活塞內燃發電機系統，該系統采用兩沖程發動機單缸結構，通過氣體彈簧實現系統往復運動，并采用缸內直噴的供油方式，目前該系統可在23 Hz的工作頻率下發出2.3 kW的功率，但豐田預計該系統的輸出可達到10 kW [7-8]。在國內，上海交通大學研制了自由活塞內燃機樣機及其控制系統，針對性地制定了系統的啟動方案，并通過反復試驗對各種啟動控制參數進行修正，實現了自由活塞式內燃機的成功啟動，在此基礎上進一步討論了點火時刻與空燃比對啟動過程中自由活塞運動特性的影響[9]。

　　通過進一步查閱文獻可知，目前國內外對自由活塞直線發動機系統的研究多處于仿真階段，能成功運行的試驗樣機較少，且主要集中在對系統穩態特性的研究，關于系統啟動等瞬態特性的研究還比較少見。本文依照直線ISG/發動機系統的設計思路，分別開發直線發動機和直線ISG電機樣機，并將兩者耦合構建直線ISG/發動機系統。同時，根據活塞瞬時位置開發直線ISG/發動機控制系統，并基于位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略[10]進行系統啟動試驗，研究系統啟動過程的運動特性和燃燒規律。

　　1 直線ISG/發動機系統開發

　　開發完成的直線ISG/發動機系統如圖1所示，系統的主要參數見表1。該系統由水平對置的直線發動機及位于兩缸之間的直線ISG電機組成。 　　直線ISG/發動機系統開發包括直線發動機設計、直線ISG電機設計以及數據采集系統設計，其中直線發動機設計包括二沖程發動機改造、進氣系統改裝、供油/點火系統改裝及控制系統設計，直線ISG電機設計包括直線ISG電機結構設計及控制系統設計，分別介紹如下。

　　1.1 直線發動機設計

　　1.1.1 二沖程發動機的改造

　　直線發動機由傳統二沖程汽油發動機經去除曲柄連桿機構并重新設計掃氣箱改造而來，并保證改裝后的掃氣箱壓縮比與原機曲軸箱的壓縮比相等。因此，直線發動機結構簡單，質量變輕，活塞和缸體之間的側向力大大減小，摩擦損耗降低，能量轉換效率提高，而且直線發動機采用雙缸對置的形式，活塞在每個運動行程都做功，系統的功率密度大。此外，為保證掃氣箱的密封性，在連桿與掃氣箱配合處的一端設計有高品質的橡膠密封圈;為減小連桿與掃氣箱配合處的摩擦，在連桿與掃氣箱配合處的另一端設計有自潤軸承且連桿經表面鍍鉻處理[11]。

　　1.1.2 進氣系統的改裝

　　直線發動機進氣系統上安裝有空氣流量傳感器、節氣門位置傳感器、電控噴油器等，能調節節氣門的開度并實現進氣道燃油噴射。

　　1.1.3 供油及點火系統改裝

　　在直線發動機開發過程中，對其噴油及點火系統進行了改造，將原機的化油器式供油系統改為進氣道噴射式的電控噴射系統，并采用單片機控制的數字式點火系統取代原機的磁電機驅動電容放電式點火系統(Capacitor Discharge Ignition，CDI)，從而實現了直線發動機噴油脈寬及點火時刻的精確控制。

　　1.1.4 直線發動機控制系統設計

　　直線發動機的控制器芯片采用Freescale公司的MC9sXET256MAL高性能單片機，并選用德國Novotechnik的TEX系列直線位移傳感器用于檢測活塞的位移信號，其控制構架如圖2所示，可分為初級控制、活塞運動軌跡控制及系統運轉監督控制三部分。其中，系統運轉監督控制模塊用于設定系統運行的頻率、活塞運動的上止點(Top Dead Center，TDC)和下止點(Bottom Dead Center，BDC)，同時可直接發送噴油位置給下層的初級控制模塊，用于進行系統的性能優化;活塞運動軌跡控制模塊能將設定的運行頻率、活塞運動的上、下止點與實測的數據進行對比，計算和調節系統的循環噴油量及點火位置，從而實現活塞運動軌跡的控制;初級控制模塊可實時讀取活塞的位移信號，并提供系統的噴油及點火指令，驅動噴油器噴油及火花塞點火，同時將實時計算的系統運行頻率、活塞運動上、下止點等信息反饋給活塞運動軌跡控制模塊。

　　圖3為基于LabVIEW開發的直線發動機控制器的人機交互界面，能實時更改發動機噴油脈寬、噴油位置、點火位置、點火蓄能時間等工作參數，并能實現動力電池的使能以及動力電池的荷電狀態(State of Charge，SOC)值、動力電池端電壓、動力電池單體電壓、動力電池溫度等參數的讀取。

　　1.2 直線ISG電機設計

　　1.2.1 直線ISG電機結構設計

　　基于開發的直線發動機的結構參數和運行特性，并根據直線ISG/發動機系統的啟動和發電要求及其仿真結果，設計了與直線發動機匹配的徑向充磁管狀永磁三相直線ISG電機，其基本性能設計指標見表2。

　　其中，為了使直線ISG電機在單向行程內完成一個電流波形的輸出，設計直線ISG電機額定電頻率為機械頻率的兩倍，即直線ISG電機走過一個行程長度，永磁體需走過一對極的距離，故永磁體極距：

　　此外，由參考文獻[12]可知，運動部件的質量直接影響到直線發動機的功率、耗油率以及壓縮比等性能指標，運動部件的質量取為3.75 kg時，系統性能最佳。系統的運動部件質量Mt計算公式為

　　式中，Mt為系統運動部件質量，kg;Mp為直線發動機單缸活塞部件質量，kg;Mcr為系統連桿質量，kg;Mi為直線ISG電機動子鐵芯質量，kg;Mm為直線ISG電機單片永磁體質量，kg;nm為直線ISG電機永磁體個數。當直線發動機活塞組件、連桿組件已經確定，并選定直線ISG電機中永磁體數量、厚度、寬度后，便可根據此公式計算得到動子的直徑。

　　直線ISG電機每定子槽線圈匝數ws及定子槽面積As計算公式分別為[13]

　　式中，ws為每定子槽線圈匝數;Er為空載相電壓，V;fe為額定電頻率，Hz;Bgr為氣隙磁通密度，T;τ為永磁體極距，mm;D為定子內徑，mm;q為每極每相槽數;n為永磁體極數;As為定子槽面積;Pr為額定功率，W;Kfill為槽填充系數;JCO為額定電流密度，A/mm2。

　　參考傳統旋轉電機設計方法，直線ISG電機采用6極9槽結構，為獲得更小的運動部件質量，本文將電機設計為短動子、長定子的結構，同時保證了任何時候所有磁極是發揮作用的[14]。其中，由于圓柱形鐵芯及永磁體較難加工及安裝，則在不改變性能的情況下，本文將直線ISG電機動子鐵芯設計為六邊形結構，永磁體采用表面燕尾槽楔入的形式固定在動子鐵芯上。表3為設計完成的電機結構參數，圖4為直線ISG電機的立體結構圖。

　　1.2.2 直線ISG電機控制系統設計

　　在直線ISG/發動機系統啟動階段，直線ISG電機需以電動模式帶動直線發動機活塞組件直線往復運動，因此，直線ISG電機不僅要進行啟動力大小的控制，還要進行啟動力的換向控制。

　　對于啟動力大小的控制，本文采用矢量控制的思路。圖5為啟動力大小控制模式方框圖，其中，F表示直線ISG電機電磁推力，Id表示d軸電流，Iq表示q軸電流，iA、iB、iC分別表示A相、B相和C相電流，PI表示比例積分環節，SVPWM表示空間矢量脈寬調制，M表示直線ISG電機，DRIVE表示驅動電路，dqT表示dq變換。 　　圖5中，直線ISG電機通過控制電機輸入電流實現啟動力大小的控制。在控制系統中，啟動力大小由人機操作界面設定，并轉化為直線ISG電機d軸及q軸的電流，該電流經逆dq/Clarke坐標變化及空間矢量脈寬調制后轉化為A、B、C三相電流，最后經驅動電路驅動直線ISG電機啟動。

　　本文采用位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略，在該控制策略下，直線位移傳感器實時獲取直線ISG電機動子的瞬時位置，當動子運動到設定的換向位置時，控制器改變電機電流相序，從而實現啟動力的換向，控制流程如圖6所示。

　　為了便于直線ISG電機的控制，基于Visual Basic開發了直線ISG電機的人機交互界面，能對直線ISG電機的工作模式(電動或發電)、啟動力(或負載力)大小、啟動力換向位置等控制參數進行設定，并能實時監測和顯示電機的位移、啟動力大小、母線電壓、母線電流以及運行故障等信息，如圖7所示。

　　1.3 直線ISG/發動機數據采集系統設計

　　為進行直線ISG/發動機系統的啟動及發電性能研究，需要做大量的臺架試驗，并采集記錄各工況下的所有運行參數，優化系統在不同運行參數下的性能。本文基于阿爾泰PCI8640數據采集卡，設計開發了直線ISG/發動機的數據采集系統，如圖8所示。該卡具有最多32路模擬量輸入通道，8 k字節的FIFO存儲器，其采樣頻率范圍為0.01 Hz～400 kHz，能夠滿足系統的試驗數據采集要求。

　　該數據采集系統采用內部時鐘觸發方式，多通道同步采集，用半滿查詢方式取得AD數據，能夠實時顯示并存儲直線發動機運行時活塞位移、氣缸壓力、進排氣溫度、空氣流量等信號。

　　2 直線ISG/發動機系統啟動試驗研究

　　2.1 直線ISG/發動機系統啟動試驗方案

　　如前所述，試驗臺架主要包括直線發動機子系統、直線ISG電機子系統以及控制與數據采集子系統，試驗所用測量儀器主要包含活塞直線位移傳感器、缸壓傳感器等。

　　直線ISG/發動機系統的啟動過程可細分為啟動拖動過程和啟動燃燒過程兩個階段。其中，啟動拖動過程是指在直線ISG/發動機系統啟動初期，直線ISG電機在電動模式下帶動活塞連桿組件做頻率和行程逐漸增大的直線往復運動的過程;啟動燃燒過程是指當活塞連桿組件的運動頻率和行程到達著火條件時，發動機點火燃燒后的系統啟動過程。

　　本文分別對以上兩個啟動階段進行試驗研究，試驗中電機的啟動控制參數和發動機噴油點火參數由仿真結果確定。系統啟動后，實時采集運行過程中的啟動力、位移、缸壓等信號，通過試驗數據的分析，驗證自主開發的直線ISG/發動機樣機及其啟動控制系統的可行性，并研究系統在啟動過程中的運動特性和燃燒規律。

　　2.2 直線ISG/發動機系統啟動拖動試驗研究

　　在位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略下，設定直線ISG電機啟動力為250 N、啟動力換向位置為極限位置前13 mm，進行直線ISG/發動機系統的啟動拖動試驗。試驗測得的啟動力與活塞運動位移的對應關系如圖9所示。在啟動過程中，直線ISG電機控制器實時監測活塞的運動位置，當活塞運動到設定的啟動力換向位置(如圖9中★所示)時，電機控制器產生換向指令，通過改變電流的相序實現啟動力的換向。圖中，啟動力換向完成位置(如圖9中●所示)與設定的換向位置存在一定的延遲，這主要是由于直線ISG電機在啟動力換向時存在一定的電機機械及電磁響應時間，且該電機機械及電磁響應時間受電流調節時間及電機線圈時間常數的影響。由圖9可知，在該啟動控制策略下，直線ISG/發動機系統活塞組件做直線往復運動。這表明，自主開發完成的直線ISG/發動機臺架及啟動控制系統可實現系統活塞組件的直線往復運動。

　　2.3 直線ISG/發動機系統啟動燃燒試驗研究

　　基于驗證有效的位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略，設定直線ISG電機的啟動力為310 N、啟動力換向位置為極限位置前4.35 mm、直線發動機循環噴油量為4.8 mg、點火位置為極限位置前3.5 mm，

　　進行直線ISG/發動機系統的啟動燃燒試驗。試驗測得的系統啟動過程中的運動位移、缸壓以及運動頻率曲線如圖10所示。

　　由于系統在啟動過程中需要三個行程形成兩缸內的混合氣，試驗中在啟動第四個行程進行點火，由圖10可知，直線ISG/發動機系統在啟動第四個行程(點火首行程)著火成功，著火缸壓為1.38 MPa，且該循環壓縮比為6.64，與原機壓縮比6.6基本一致，著火次循環缸壓峰值為1.67 MPa，且系統在后續循環均能著火成功，系統運動頻率穩步上升。

　　本文將直線ISG/發動機系統啟動試驗結果與前期開發的采用傳統啟動方式的直線發動機系統啟動試驗結果進行了對比。其中，采用傳統啟動方式的直線發動機系統在啟動過程中，以傳統旋轉電機為啟動源，并經偏心輪滑塊機構將電機的旋轉運動轉化為活塞連桿的直線往復運動，由于活塞運動的行程固定，系統啟動過程中的壓縮比一定，這與傳統曲柄連桿式發動機的啟動方式相似，而與直線ISG/發動機系統啟動過程中壓縮比可變的性質不同。因此，將兩者試驗結果進行對比，能夠更加深入地分析直線ISG/發動機系統啟動過程的運動特性及燃燒規律。表4為采用傳統啟動方式的直線發動機啟動試驗結果與直線ISG/發動機系統啟動試驗結果的對比。

　　由表4可知，由于直線ISG電機的功率比傳統啟動電機大，直線ISG/發動機系統的啟動拖動頻率為12.5 Hz，高于采用傳統啟動方式的發動機啟動拖動頻率8.7 Hz，且較高的拖動頻率使系統啟動過程燃油的霧化效果變好，燃燒得到改善，從而使直線ISG/發動機系統的啟動首循環噴油量4.8 mg低于采用傳統啟動方式的直線發動機系統的首循環噴油量15 mg，改善了傳統啟動方式下的首循環混合氣加濃。同時，由于啟動首循環噴油量較少，直線ISG/發動機系統的啟動燃燒缸壓較小。 　　此外，由表4可以看出，直線ISG/發動機系統的燃燒首循環缸壓峰值與次循環缸壓峰值從1.38 MPa增大到1.67 MPa，變化0.29 MPa，變動較小;采用傳統啟動方式的直線發動機燃燒首循環缸壓峰值與次循環缸壓峰值從3.72 MPa減小到2.76 MPa，變化0.96 MPa，變動較大。而燃燒缸壓的較大變化會導致活塞受力的變化，進而導致活塞運動頻率的較大波動，最終影響系統的啟動性能。因此，相比傳統啟動方式，直線ISG/發動機系統的啟動過程更加平穩。

　　3 結論

　　本文基于直線ISG/發動機系統的設計思路，分別完成了直線發動機和直線ISG電機的設計，并將兩者耦合構建了直線ISG/發動機系統，在此基礎上進行了系統的啟動試驗，對系統的啟動特性進行了初步研究，試驗結果表明：

　　(1)自主開發的直線ISG/發動機及其控制系統工作可靠，在基于位置跟蹤模式的啟動力換向控制策略下，能夠實現系統啟動拖動階段活塞組件的直線往復運動。在試驗所給的啟動控制參數下，系統可在啟動點火首行程點火成功，著火缸壓為1.38 MPa，且系統在后續循環運動頻率穩步上升，系統啟動成功。

　　(2)與采用傳統啟動方式的直線發動機系統的啟動過程相比，直線ISG/發動機系統的啟動拖動頻率從8.7 Hz 提高到12.5 Hz，較高的啟動拖動頻率，使啟動過程燃燒霧化條件變好，從而使直線ISG/發動機系統的啟動首循環噴油量從15 mg減少到4.8 mg，改善了傳統啟動方式下的首循環混合氣加濃。

　　(3)直線ISG/發動機系統在啟動過程中的燃燒首循環缸壓峰值與次循環缸壓峰值之間變動為0.29 MPa，低于采用傳統啟動方式的直線發動機系統的0.96 MPa，因此，活塞受力更加均勻，啟動過程更加平穩。

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　　工程科技論文發表期刊推薦《工業安全與環�！罚ㄔ驴﹦摽�1975年，為原冶金，電力、化工、建材、等15個部委聯合創辦，武漢安全環保研究院主辦，國內外公開發行的國家級技術類刊物，已有27年的歷史，是國內最早的安全環�？萍计诳弧８兄x廣大作者與讀者多年來我刊的支持，歡迎新老朋友訂閱。本刊由郵局發行，郵發代是38-4，也可直接向本刊編輯部訂閱，大16開，可預訂全年合訂本。

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