线性自由活塞机电混合动力系统研究现状分析

詹苏 任海艮 朱金婷

摘要： 自由活塞机电混合动力系统（Free Piston Electromechanical Hybrid System，简称FPHS）是一种由自由活塞发动机和线性电机直接耦合而成的新型混合动力装置。为了解FPHS发展状况和最新前沿成果，本文简要总结当前FPHS相关研究理论成果，并针对FPHS换气特点和失稳调控方面做出简单分析。

Abstract： The free piston electrical hybrid system （FPHS） is a novel type of hybrid power device which is directly coupled by a free piston engine and a linear motor. In order to understand the development status of FPHS and the latest frontier results， this paper briefly summarizes the current related research theoretical results of FPHS， and simply analyzing the characteristics of FPHS control about gas exchange instability.

關键词： 自由活塞;直线发电机;换气特点

Key words： free-piston;linear generator;gas exchange characteristics

中图分类号：U472.9                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0054-02

0  引言

当前，燃料电池电动汽车、纯电动汽车、混合动力汽车、氢发动机汽车和增程式电动汽车相继出现，为解决能源枯竭和汽车环境污染提供了可行方案。我国电动汽车的蓬勃发展吸引了众多专家学者对新型电能动力装置的研究，其中自由活塞机电混合动力系统（Free-piston Electromechanical Hybrid System，简称FPHS）因其特殊的结构和节能优势，从中脱颖而出，行业内的专家和研究学者对其探讨十分热烈。

1  自由活塞直线发电机概述

FPHS是一种由线性发电机与自由活塞直线发动机直接耦合而成的新型机电混合动力系统[1-2]，其显著的特点是消除了曲柄连杆和惯性飞轮机构，还可以省去离合器、变速器、动力传动轴等机械传动机构，活塞只做往复直线运动，极大的简化了结构，能量传递路径短，机械损失小。其结构示意图如图1所示，活塞进行往复连续的直线运动，将机械能直接转换成电能，为车辆提供驱动电力[3-4]。

2  自由活塞直线发电机研究现状

英国纽卡斯大学（University of Newcastle）回顾FPHS发展历程，总结FPHS过去多年所取得成果，建立了较为完整的零维数学模型。研究了FPHS结构特性、运行规律及实际应用[5]。

美国Sandia国家实验室对FPHS相关研究开始于1995年，其主要关注FPHS燃烧过程及其相关影响因素，探讨不同燃料、高压缩比、稀薄燃烧对FPHS发电效率和排放影响规律[6]，致力于开发高效低排放FPHS，期望其系统发电效率能超过50%[7]。

美国西维吉尼亚大学（West Virginia University）的研究内容主要以优化FPHS工作过程为目的，探寻系统最佳工况点。Clark[8]于1998年开发了一台汽油FPHS试验样机，致力于研究火花点火式FPHS，采用两行程结构，其缸径为36.5mm，最大行程为50mm，功率可达316W。

韩国蔚山大学（University of Ulsan）发表了一种二行程双活塞FPHS系统，该系统拥有两台扁平式直线电机，两侧发动机各安装一个火花塞，用以点燃缸内可燃混合气。Hung N和Lim O通过Fortran语言编写程序来求解FPHS动力学模型、线性发电机模型和热力学模型，将模拟结果和试验数据进行比较，验证了模型准确性[9]。

中国科学研究院设计和制造了一台微型FPHS，采用电热塞点火方式，该样机包含对置气缸，缸径为22.4mm，最大有效行程为32mm，连杆直径为16mm，能在无负载条件下稳态运行[10]。

北京理工大学左正兴教授课题组在FPHS研究中取得了丰厚成果。肖翀[11]搭建了FPHS非线性动力学模型，并获得其一阶近似解，探寻了活塞运动规律和频率响应特性，利用输入参数的可调控性，实现了FPHS运行时系统频率稳定。

3  自由活塞直线发电机换气特点和失稳调控研究现状

美国西弗吉尼亚大学研究发现，FPHS可完成二行程式往复循环，缺陷是发动机燃烧过程极不稳定，燃烧驱动力循环波动剧烈，系统驱动失火频率高，仅能实现少数几个循环的连续运行[6]。后续结果表明，运行失稳源于扫气过程缸内气体组织质量变差，换气过程出现扰动，缸内新鲜充量难以维持稳定。美国Sandia国家实验室也发现了类似实验结果。同时，Johnson等分析研究了一台直流扫气点燃驱动式FPHS，结果说明该样机活塞运动、压缩比、缸内气体作用力和掃气箱压力都存在显著差异，压缩比最大波动超过20%，可能直接导致系统停止工作[12]。

在研究初期，FPHS换气过程被简化，认为换气是一种理想的结果，换气结束后新鲜充量完全占据气缸[13]，这在发动机实际运行中几乎不可能存在。为了发现活塞运动对系统换气过程影响作用机制，Fredriksson等将模拟得到的传动组件运动充当换气边界，结合一维仿真软件AVL-Boost计算FPHS的换气性能，采用典型分区混合模型来探寻系统气体交换过程[14]。虽然一维模型能预测FPHS的换气过程，但其弱化了缸内气体流动、混合气混合程度和气口几何机构对换气性能的影响[15]。为了解决一维模型存在的缺陷，Sandia实验室Blarigan等采用多维CFD方法来分析回流扫气和直流扫气对FPHS的影响[16]。

随后，毛金龙等通过多维CFD软件模拟FPHS工作过程，探寻点燃驱动式FPHS回流扫气特性[17-18]，结果表明，由于系统动力学和传动方式存在显著差别。Sofianopoulos等通过动力学模型-换气模型多次迭代的方法，分析了换气系统几何结构对FPHS废气清扫效率和新鲜充量捕获率的影响特征[18]，研究发现合适的扫气箱压缩比能同时获得较好的废气清扫效率和充量捕捉率。袁晨恒[19]根据FPHS动力传递与换气过程相互作用的特点，提出了动力学-换气单维耦合建模方法，模拟研究了FPHS与传统混合动力系统在换气性能方面的差异。

4  结论

①与传统发动机相比，FPHS研究潜力较大，是一种新型混合动力装置，前景广阔。

②FPHS目前活塞运动控制暂不完善，无法精确控制活塞上下止点位置，实现最优的燃烧动力性和经济性。

③FPHS换气失稳控制方面的研究尚无公开的控制策略报道，FPHS在换气过程中仍需寻找稳定的换气控制

策略。

参考文献：

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[2]Razali M H， Mikalsen R， Roskilly A P. Recent commercial free- piston engine developments for automotive applications. Applied Thermal Engineering， 2015， 75（S）： 493-503.

[3]Hung N， Lim O. A review of free-piston linear engines. Applied Energy， 2016（178）：78-97.

[4]任好玲，林添良，谢海波，等.液压自由活塞发动机关键技术及未来发展方向[J].中国机械工程，2016，27（6）：833-838.

[5]Mikalsen R， Roskilly A P. A review of free-piston engine history and applications[J]. Applied Thermal Engineering. 2007-27： 2339-2352.

[6]Blarigan P V， Paradiso N， Goldsborough， S. Homogeneous charge compression ignition with a free piston： a new approach to ideal otto cycle performance. SAE Paper， 1998，982484.

[7]Blarigan P V. Advanced internal combustion engine research[C]. Proceedings of theU.S DOE Hydrogen Program Review， 2000.

[8]Clark N N， Nandkumar S， Atkinson C M， et al. Operation of a small bore two-stroke linear engine[J]. American Society of Mechanical Engineers， Internal Combustion Engine Division （Publication） ICE， 1998-31-01： 33-42.

[9]Hung N B ， Lim O T . A study of a two-stroke free piston linear engine using numerical analysis[J]. Journal of Mechanical Science & Technology， 2014， 28（4）：1545-1557.

[10]肖翀，左正兴.自由活塞发电机的非线性建模与一阶近似解的研究[J].北京理工大学学报，2008，28（11）：966-969.

[11]肖翀，左正兴.自由活塞是内燃发电机动态仿真与特性研究[J].农业机械学报，2009（2）：46-49.

[12]Johnson T， Leick M. Experimental evaluation of the free piston engine-linear alternator.Sandia Report， 2015， SAND2015-2095.

[13]Mikalsen R， Jones E， Roskilly A P. Predictive piston motion control in a free-piston internal combustion engine[J]. Applied Energy， 2010-05-87（5）：1722-1728.

[14]Fredriksson J， Denbratt I. Simulation of a two-stroke free piston engine. SAE paper， 2004， 2004-01-1871.

[15]Bergman M， Fredriksson J， Golovitchev V L. CFD-based optimization of diesel-fueled free piston engine prototype for conventional and HCCI combustion. SAE Paper， 2008，2008-01-2423.

[16]Goldsborough S， Blarigan P V. Optimizing the Scavenging System for a Two- Stroke Cycle， Free Piston Engine for High Efficiency and Low Emissions：. A Computational Approach[C]. International Multidimensional Engine Modeling User'sGroup Meeting at the SAE Congress， 2003.

[17]劉福水，姜一通，王道静.自由活塞内燃发电机低速不稳定性影响因素分析[J].农业工程学报，2014，30（18）：109-115.

[18]Sofianopoulos A， Zhou Y， Lawler B， et al. Gas exchange processes of a small HCCIfree piston engine-A computational study. Applied Thermal Engineering， 2017（127）：1582-1597.

[19]Yuan C， Ren H， Xu， J. Comparison of the gas exchange of a loop scavenged free-piston engine alternator and the conventional engine. Applied Thermal Engineering， 2017（127）：638-649.