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自由活塞式内燃发电系统基础探索研究

作　者: 李小庆
导　师: 肖进
学　校: 上海交通大学
专　业: 动力工程
关键词: 自由活塞内燃机起动点火仿真样机
分类号: TM314
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

自由活塞式内燃发电机(Free Piston Linear Alternator,简称FPLA)是近10年逐渐发展起来的新型动力装置,它将自由活塞内燃机和直线发电机集成为一体,取消了曲柄连杆机构,整个机构仅存在直线运动。内燃机的连接直杆作为直线发电机动子的一部分,将燃料燃烧的化学能直接转化为电能输出。这种装置主要可以用于小型移动发电装置、混合动力汽车等。与传统内燃机带动发电机发电相比,此耦合系统结构简单、零件数目少,摩擦力小,机械效率高。由于活塞行程不受机械限制,内燃机可以运行在较大的压缩比下,燃料适应性较广。目前,此特种发动机受到国内外越来越多科研机构的重视。本文以双活塞式自由活塞内燃机为研究对象。在国家自然科学基金项目资助下,试制成功第一代FPLA原理样机。通过对FPLA仿真与实验研究探索FPLA相关特性,为FPLA进一步深入研究提供基础参考依据。本论文的主要内容可分为6章,现分述如下:(1)介绍了所设计样机总体结构,再对样机涉及的主要部件及各系统间协作配合的方式进行详细阐述。(2)对火花塞的点火过程进行理论分析,建立数学模型,对点火过程进行仿真;然后介绍了点火系统的设计方案,方案中的点火参数通过仿真结果结合测试试验确定。(3)对起动过程的能量及动态特性进行分析,阐述样机起动系统的设计及相关控制策略。对本样机来说,起动机构本质上是一块电磁铁,本章又通过建模仿真电磁铁的动态特性,分析仿真曲线,总结结论。(4)仿真部分利用Matlab/simulink对FPLA进行热力学和动力学建模、耦合,系统分析FPLA的动态特性、规律;通过所建模型得出了关于FPLA的一些有益结论,可以作为FPLA研究的理论参考。实验部分,对样机进行了各种实验,先是通过点火测试确定FPLA以车用LPG为燃料的着火极限;然后通过实验研究空燃比、点火时刻、活塞组质量以及扫气时间对样机运动特性的影响,并将实验结果与上面所做的仿真结果进行对比,初步掌握FPLA的一些运动特性,对后续改进工作提供参考依据。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 课题背景  9-10
    1.1.1 国内的能源现状  9
    1.1.2 环境污染问题  9-10
    1.1.3 新技术的探索  10
  1.2 自由活塞式内燃发电机发展历程与研究现状  10-19
    1.2.1 自由活塞式内燃发电机简介  10-11
    1.2.2 自由活塞式内燃发电机研究现状  11-18
    1.2.3 关键技术  18-19
  1.3 课题主要内容  19-21
第二章 FPLA 样机整体设计方案  21-34
  2.1 FPLA 样机结构及工作原理  21-22
  2.2 样机涉及主要部件  22-32
    2.2.1 电控系统 ECU 及其附属电路  22-24
    2.2.2 Codewarrior 软件  24-25
    2.2.3 仿真器  25-26
    2.2.4 IGBT 模块与IGBT 模块驱动板  26-28
    2.2.5 磁阻式开关传感器  28-30
    2.2.6 抗干扰设计  30-32
  2.3 本章小结  32-34
第三章点火过程仿真与点火系统设计  34-49
  3.1 点火过程的仿真与试验  34-44
    3.1.1 最大次级电压与点火能量计算  34-36
    3.1.2 击穿电压计算  36-38
    3.1.3 点火系统动态过程的数学模型及其仿真  38-44
  3.2 点火系统设计  44-48
    3.2.1 判缸与点火正时  44-45
    3.2.2 点火系统原理图  45-46
    3.2.3 点火信号处理电路  46-48
  3.3 本章小结  48-49
第四章起动过程分析及起动系统设计  49-66
  4.1 起动过程分析  49-52
    4.1.1 起动概述  49
    4.1.2 起动过程及混合气组织  49-50
    4.1.3 起动过程的能量分析  50-52
  4.2 起动系统设计与控制策略  52-54
    4.2.1 起动系统设计  52
    4.2.2 起动控制  52-54
  4.3 电磁铁瞬态特性仿真  54-65
    4.3.1 磁性介质简介  54-58
    4.3.2 电磁铁瞬态特性仿真  58-65
  4.4 本章小结  65-66
第五章 FPLA 动态性能仿真与试验研究  66-79
  5.1 FPLA 仿真  66-72
    5.1.1 仿真模型建立  66-69
    5.1.2 FPLA 动态特性仿真结果及分析  69-72
  5.2 FPLA 试验结果与分析  72-78
    5.2.1 着火极限测试试验  72-74
    5.2.2 FPLA 运动特性试验  74-78
  5.3 本章小结  78-79
第六章结论与展望  79-81
  6.1 结论  79-80
  6.2 展望  80-81
参考文献  81-85
附录本文常用符号说明  85-86
致谢  86-88

自由活塞式内燃发电系统基础探索研究

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