發(fā)布時(shí)間：2016-05-09所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 1998年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種與直線電機(jī)有機(jī)結(jié)合的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用均質(zhì)充量壓燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，本文就針對(duì)直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)臺(tái)架構(gòu)建及啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)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(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種與直線電機(jī)有機(jī)結(jié)合的內(nèi)燃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用均質(zhì)充量壓燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，本文就針對(duì)直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)臺(tái)架構(gòu)建及啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，分別自主開(kāi)發(fā)了直線發(fā)動(dòng)機(jī)及直線ISG電機(jī)樣機(jī)，并將兩者耦合構(gòu)建完成了一套直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，基于直線位移傳感器測(cè)得的活塞瞬時(shí)位置開(kāi)發(fā)了直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并利用開(kāi)發(fā)的位置跟蹤模式的啟動(dòng)力換向策略進(jìn)行了系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的位置跟蹤模式啟動(dòng)力換向控制策略可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)活塞組件的運(yùn)動(dòng)換向，且直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)點(diǎn)火首行程著火成功，著火缸壓為1.38 MPa;相對(duì)傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程具有啟動(dòng)頻率較高、改善首循環(huán)混合氣加濃、燃燒缸壓變動(dòng)較小、啟動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：直線發(fā)動(dòng)機(jī),直線ISG電機(jī),樣機(jī)設(shè)計(jì),啟動(dòng)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(jī)和直線發(fā)動(dòng)機(jī)耦合而成的直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)作為一種新型的發(fā)電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率密度高、效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，非常適合作為增程器應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)上，正受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注[2-4]。
HCCI)的燃燒方式，具有效率高、質(zhì)量輕、有害氣體排放低、壓縮比可變、燃料適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]。同年，美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)對(duì)點(diǎn)燃式自由活塞直線發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)測(cè)得該系統(tǒng)的最大發(fā)電功率為316 W，研究結(jié)果表明，較小的動(dòng)子質(zhì)量與較高的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度有利于提高直線發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度[6]。2014年，豐田提出了一種正處于研發(fā)階段的自由活塞內(nèi)燃發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)單缸結(jié)構(gòu)，通過(guò)氣體彈簧實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并采用缸內(nèi)直噴的供油方式，目前該系統(tǒng)可在23 Hz的工作頻率下發(fā)出2.3 kW的功率，但豐田預(yù)計(jì)該系統(tǒng)的輸出可達(dá)到10 kW [7-8]。在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)研制了自由活塞內(nèi)燃機(jī)樣機(jī)及其控制系統(tǒng)，針對(duì)性地制定了系統(tǒng)的啟動(dòng)方案，并通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)對(duì)各種啟動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了自由活塞式內(nèi)燃機(jī)的成功啟動(dòng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了點(diǎn)火時(shí)刻與空燃比對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中自由活塞運(yùn)動(dòng)特性的影響[9]。
通過(guò)進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)自由活塞直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的研究多處于仿真階段，能成功運(yùn)行的試驗(yàn)樣機(jī)較少，且主要集中在對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的研究，關(guān)于系統(tǒng)啟動(dòng)等瞬態(tài)特性的研究還比較少見(jiàn)。本文依照直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，分別開(kāi)發(fā)直線發(fā)動(dòng)機(jī)和直線ISG電機(jī)樣機(jī)，并將兩者耦合構(gòu)建直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)活塞瞬時(shí)位置開(kāi)發(fā)直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并基于位置跟蹤模式的啟動(dòng)力換向控制策略[10]進(jìn)行系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)，研究系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性和燃燒規(guī)律。
1 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
開(kāi)發(fā)完成的直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)的主要參數(shù)見(jiàn)表1。該系統(tǒng)由水平對(duì)置的直線發(fā)動(dòng)機(jī)及位于兩缸之間的直線ISG電機(jī)組成。 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)包括直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、直線ISG電機(jī)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)包括二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)改造、進(jìn)氣系統(tǒng)改裝、供油/點(diǎn)火系統(tǒng)改裝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直線ISG電機(jī)設(shè)計(jì)包括直線ISG電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別介紹如下。
1.1 直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)
1.1.1 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的改造
直線發(fā)動(dòng)機(jī)由傳統(tǒng)二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)去除曲柄連桿機(jī)構(gòu)并重新設(shè)計(jì)掃氣箱改造而來(lái)，并保證改裝后的掃氣箱壓縮比與原機(jī)曲軸箱的壓縮比相等。因此，直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量變輕，活塞和缸體之間的側(cè)向力大大減小，摩擦損耗降低，能量轉(zhuǎn)換效率提高，而且直線發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙缸對(duì)置的形式，活塞在每個(gè)運(yùn)動(dòng)行程都做功，系統(tǒng)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(shè)計(jì)有高品質(zhì)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(shè)計(jì)有自潤(rùn)軸承且連桿經(jīng)表面鍍鉻處理[11]。
1.1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)的改裝
直線發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)上安裝有空氣流量傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、電控噴油器等，能調(diào)節(jié)節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度并實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道燃油噴射。
1.1.3 供油及點(diǎn)火系統(tǒng)改裝
在直線發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)其噴油及點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了改造，將原機(jī)的化油器式供油系統(tǒng)改為進(jìn)氣道噴射式的電控噴射系統(tǒng)，并采用單片機(jī)控制的數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)取代原機(jī)的磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)電容放電式點(diǎn)火系統(tǒng)(Capacitor Discharge Ignition，CDI)，從而實(shí)現(xiàn)了直線發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈寬及點(diǎn)火時(shí)刻的精確控制。
1.1.4 直線發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
直線發(fā)動(dòng)機(jī)的控制器芯片采用Freescale公司的MC9sXET256MAL高性能單片機(jī)，并選用德國(guó)Novotechnik的TEX系列直線位移傳感器用于檢測(cè)活塞的位移信號(hào)，其控制構(gòu)架如圖2所示，可分為初級(jí)控制、活塞運(yùn)動(dòng)軌跡控制及系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)督控制三部分。其中，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)督控制模塊用于設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的頻率、活塞運(yùn)動(dòng)的上止點(diǎn)(Top Dead Center，TDC)和下止點(diǎn)(Bottom Dead Center，BDC)，同時(shí)可直接發(fā)送噴油位置給下層的初級(jí)控制模塊，用于進(jìn)行系統(tǒng)的性能優(yōu)化;活塞運(yùn)動(dòng)軌跡控制模塊能將設(shè)定的運(yùn)行頻率、活塞運(yùn)動(dòng)的上、下止點(diǎn)與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的循環(huán)噴油量及點(diǎn)火位置，從而實(shí)現(xiàn)活塞運(yùn)動(dòng)軌跡的控制;初級(jí)控制模塊可實(shí)時(shí)讀取活塞的位移信號(hào)，并提供系統(tǒng)的噴油及點(diǎn)火指令，驅(qū)動(dòng)噴油器噴油及火花塞點(diǎn)火，同時(shí)將實(shí)時(shí)計(jì)算的系統(tǒng)運(yùn)行頻率、活塞運(yùn)動(dòng)上、下止點(diǎn)等信息反饋給活塞運(yùn)動(dòng)軌跡控制模塊。
圖3為基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的人機(jī)交互界面，能實(shí)時(shí)更改發(fā)動(dòng)機(jī)噴油脈寬、噴油位置、點(diǎn)火位置、點(diǎn)火蓄能時(shí)間等工作參數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的使能以及動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)值、動(dòng)力電池端電壓、動(dòng)力電池單體電壓、動(dòng)力電池溫度等參數(shù)的讀取。
1.2 直線ISG電機(jī)設(shè)計(jì)
1.2.1 直線ISG電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于開(kāi)發(fā)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行特性，并根據(jù)直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)和發(fā)電要求及其仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了與直線發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的徑向充磁管狀永磁三相直線ISG電機(jī)，其基本性能設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2。
其中，為了使直線ISG電機(jī)在單向行程內(nèi)完成一個(gè)電流波形的輸出，設(shè)計(jì)直線ISG電機(jī)額定電頻率為機(jī)械頻率的兩倍，即直線ISG電機(jī)走過(guò)一個(gè)行程長(zhǎng)度，永磁體需走過(guò)一對(duì)極的距離，故永磁體極距：
此外，由參考文獻(xiàn)[12]可知，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量直接影響到直線發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、耗油率以及壓縮比等性能指標(biāo)，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量取為3.75 kg時(shí)，系統(tǒng)性能最佳。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量Mt計(jì)算公式為
式中，Mt為系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，kg;Mp為直線發(fā)動(dòng)機(jī)單缸活塞部件質(zhì)量，kg;Mcr為系統(tǒng)連桿質(zhì)量，kg;Mi為直線ISG電機(jī)動(dòng)子鐵芯質(zhì)量，kg;Mm為直線ISG電機(jī)單片永磁體質(zhì)量，kg;nm為直線ISG電機(jī)永磁體個(gè)數(shù)。當(dāng)直線發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組件、連桿組件已經(jīng)確定，并選定直線ISG電機(jī)中永磁體數(shù)量、厚度、寬度后，便可根據(jù)此公式計(jì)算得到動(dòng)子的直徑。
直線ISG電機(jī)每定子槽線圈匝數(shù)ws及定子槽面積As計(jì)算公式分別為[13]
式中，ws為每定子槽線圈匝數(shù);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(nèi)徑，mm;q為每極每相槽數(shù);n為永磁體極數(shù);As為定子槽面積;Pr為額定功率，W;Kfill為槽填充系數(shù);JCO為額定電流密度，A/mm2。
參考傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)方法，直線ISG電機(jī)采用6極9槽結(jié)構(gòu)，為獲得更小的運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，本文將電機(jī)設(shè)計(jì)為短動(dòng)子、長(zhǎng)定子的結(jié)構(gòu)，同時(shí)保證了任何時(shí)候所有磁極是發(fā)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(jī)動(dòng)子鐵芯設(shè)計(jì)為六邊形結(jié)構(gòu)，永磁體采用表面燕尾槽楔入的形式固定在動(dòng)子鐵芯上。表3為設(shè)計(jì)完成的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖4為直線ISG電機(jī)的立體結(jié)構(gòu)圖。
1.2.2 直線ISG電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)階段，直線ISG電機(jī)需以電動(dòng)模式帶動(dòng)直線發(fā)動(dòng)機(jī)活塞組件直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，直線ISG電機(jī)不僅要進(jìn)行啟動(dòng)力大小的控制，還要進(jìn)行啟動(dòng)力的換向控制。
對(duì)于啟動(dòng)力大小的控制，本文采用矢量控制的思路。圖5為啟動(dòng)力大小控制模式方框圖，其中，F(xiàn)表示直線ISG電機(jī)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(huán)節(jié)，SVPWM表示空間矢量脈寬調(diào)制，M表示直線ISG電機(jī)，DRIVE表示驅(qū)動(dòng)電路，dqT表示dq變換。 圖5中，直線ISG電機(jī)通過(guò)控制電機(jī)輸入電流實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)力大小的控制。在控制系統(tǒng)中，啟動(dòng)力大小由人機(jī)操作界面設(shè)定，并轉(zhuǎn)化為直線ISG電機(jī)d軸及q軸的電流，該電流經(jīng)逆dq/Clarke坐標(biāo)變化及空間矢量脈寬調(diào)制后轉(zhuǎn)化為A、B、C三相電流，最后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直線ISG電機(jī)啟動(dòng)。
本文采用位置跟蹤模式的啟動(dòng)力換向控制策略，在該控制策略下，直線位移傳感器實(shí)時(shí)獲取直線ISG電機(jī)動(dòng)子的瞬時(shí)位置，當(dāng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的換向位置時(shí)，控制器改變電機(jī)電流相序，從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)力的換向，控制流程如圖6所示。
為了便于直線ISG電機(jī)的控制，基于Visual Basic開(kāi)發(fā)了直線ISG電機(jī)的人機(jī)交互界面，能對(duì)直線ISG電機(jī)的工作模式(電動(dòng)或發(fā)電)、啟動(dòng)力(或負(fù)載力)大小、啟動(dòng)力換向位置等控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示電機(jī)的位移、啟動(dòng)力大小、母線電壓、母線電流以及運(yùn)行故障等信息，如圖7所示。
1.3 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為進(jìn)行直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)及發(fā)電性能研究，需要做大量的臺(tái)架試驗(yàn)，并采集記錄各工況下的所有運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)在不同運(yùn)行參數(shù)下的性能。本文基于阿爾泰PCI8640數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖8所示。該卡具有最多32路模擬量輸入通道，8 k字節(jié)的FIFO存儲(chǔ)器，其采樣頻率范圍為0.01 Hz～400 kHz，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集要求。
該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)方式，多通道同步采集，用半滿(mǎn)查詢(xún)方式取得AD數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)顯示并存儲(chǔ)直線發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)活塞位移、氣缸壓力、進(jìn)排氣溫度、空氣流量等信號(hào)。
2 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)研究
2.1 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)方案
如前所述，試驗(yàn)臺(tái)架主要包括直線發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)、直線ISG電機(jī)子系統(tǒng)以及控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，試驗(yàn)所用測(cè)量?jī)x器主要包含活塞直線位移傳感器、缸壓傳感器等。
直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程可細(xì)分為啟動(dòng)拖動(dòng)過(guò)程和啟動(dòng)燃燒過(guò)程兩個(gè)階段。其中，啟動(dòng)拖動(dòng)過(guò)程是指在直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)初期，直線ISG電機(jī)在電動(dòng)模式下帶動(dòng)活塞連桿組件做頻率和行程逐漸增大的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程;啟動(dòng)燃燒過(guò)程是指當(dāng)活塞連桿組件的運(yùn)動(dòng)頻率和行程到達(dá)著火條件時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒后的系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程。
本文分別對(duì)以上兩個(gè)啟動(dòng)階段進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中電機(jī)的啟動(dòng)控制參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火參數(shù)由仿真結(jié)果確定。系統(tǒng)啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)采集運(yùn)行過(guò)程中的啟動(dòng)力、位移、缸壓等信號(hào)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證自主開(kāi)發(fā)的直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)及其啟動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性，并研究系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性和燃燒規(guī)律。
2.2 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)拖動(dòng)試驗(yàn)研究
在位置跟蹤模式的啟動(dòng)力換向控制策略下，設(shè)定直線ISG電機(jī)啟動(dòng)力為250 N、啟動(dòng)力換向位置為極限位置前13 mm，進(jìn)行直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)拖動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得的啟動(dòng)力與活塞運(yùn)動(dòng)位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖9所示。在啟動(dòng)過(guò)程中，直線ISG電機(jī)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活塞的運(yùn)動(dòng)位置，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的啟動(dòng)力換向位置(如圖9中★所示)時(shí)，電機(jī)控制器產(chǎn)生換向指令，通過(guò)改變電流的相序?qū)崿F(xiàn)啟動(dòng)力的換向。圖中，啟動(dòng)力換向完成位置(如圖9中●所示)與設(shè)定的換向位置存在一定的延遲，這主要是由于直線ISG電機(jī)在啟動(dòng)力換向時(shí)存在一定的電機(jī)機(jī)械及電磁響應(yīng)時(shí)間，且該電機(jī)機(jī)械及電磁響應(yīng)時(shí)間受電流調(diào)節(jié)時(shí)間及電機(jī)線圈時(shí)間常數(shù)的影響。由圖9可知，在該啟動(dòng)控制策略下，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)活塞組件做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這表明，自主開(kāi)發(fā)完成的直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及啟動(dòng)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)活塞組件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
2.3 直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)燃燒試驗(yàn)研究
基于驗(yàn)證有效的位置跟蹤模式的啟動(dòng)力換向控制策略，設(shè)定直線ISG電機(jī)的啟動(dòng)力為310 N、啟動(dòng)力換向位置為極限位置前4.35 mm、直線發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量為4.8 mg、點(diǎn)火位置為極限位置前3.5 mm，
進(jìn)行直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)燃燒試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得的系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)位移、缸壓以及運(yùn)動(dòng)頻率曲線如圖10所示。
由于系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中需要三個(gè)行程形成兩缸內(nèi)的混合氣，試驗(yàn)中在啟動(dòng)第四個(gè)行程進(jìn)行點(diǎn)火，由圖10可知，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)第四個(gè)行程(點(diǎn)火首行程)著火成功，著火缸壓為1.38 MPa，且該循環(huán)壓縮比為6.64，與原機(jī)壓縮比6.6基本一致，著火次循環(huán)缸壓峰值為1.67 MPa，且系統(tǒng)在后續(xù)循環(huán)均能著火成功，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)頻率穩(wěn)步上升。
本文將直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與前期開(kāi)發(fā)的采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。其中，采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中，以傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)為啟動(dòng)源，并經(jīng)偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于活塞運(yùn)動(dòng)的行程固定，系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的壓縮比一定，這與傳統(tǒng)曲柄連桿式發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式相似，而與直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中壓縮比可變的性質(zhì)不同。因此，將兩者試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能夠更加深入地分析直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性及燃燒規(guī)律。表4為采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。
由表4可知，由于直線ISG電機(jī)的功率比傳統(tǒng)啟動(dòng)電機(jī)大，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)拖動(dòng)頻率為12.5 Hz，高于采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)拖動(dòng)頻率8.7 Hz，且較高的拖動(dòng)頻率使系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程燃油的霧化效果變好，燃燒得到改善，從而使直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)首循環(huán)噴油量4.8 mg低于采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的首循環(huán)噴油量15 mg，改善了傳統(tǒng)啟動(dòng)方式下的首循環(huán)混合氣加濃。同時(shí)，由于啟動(dòng)首循環(huán)噴油量較少，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)燃燒缸壓較小。 此外，由表4可以看出，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的燃燒首循環(huán)缸壓峰值與次循環(huán)缸壓峰值從1.38 MPa增大到1.67 MPa，變化0.29 MPa，變動(dòng)較小;采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒首循環(huán)缸壓峰值與次循環(huán)缸壓峰值從3.72 MPa減小到2.76 MPa，變化0.96 MPa，變動(dòng)較大。而燃燒缸壓的較大變化會(huì)導(dǎo)致活塞受力的變化，進(jìn)而導(dǎo)致活塞運(yùn)動(dòng)頻率的較大波動(dòng)，最終影響系統(tǒng)的啟動(dòng)性能。因此，相比傳統(tǒng)啟動(dòng)方式，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。
3 結(jié)論
本文基于直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，分別完成了直線發(fā)動(dòng)機(jī)和直線ISG電機(jī)的設(shè)計(jì)，并將兩者耦合構(gòu)建了直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的啟動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性進(jìn)行了初步研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：
(1)自主開(kāi)發(fā)的直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)工作可靠，在基于位置跟蹤模式的啟動(dòng)力換向控制策略下，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)拖動(dòng)階段活塞組件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在試驗(yàn)所給的啟動(dòng)控制參數(shù)下，系統(tǒng)可在啟動(dòng)點(diǎn)火首行程點(diǎn)火成功，著火缸壓為1.38 MPa，且系統(tǒng)在后續(xù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)頻率穩(wěn)步上升，系統(tǒng)啟動(dòng)成功。
(2)與采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程相比，直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)拖動(dòng)頻率從8.7 Hz 提高到12.5 Hz，較高的啟動(dòng)拖動(dòng)頻率，使啟動(dòng)過(guò)程燃燒霧化條件變好，從而使直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)首循環(huán)噴油量從15 mg減少到4.8 mg，改善了傳統(tǒng)啟動(dòng)方式下的首循環(huán)混合氣加濃。
(3)直線ISG/發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中的燃燒首循環(huán)缸壓峰值與次循環(huán)缸壓峰值之間變動(dòng)為0.29 MPa，低于采用傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的0.96 MPa，因此，活塞受力更加均勻，啟動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。
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工程科技論文發(fā)表期刊推薦《工業(yè)安全與環(huán)保》（月刊）創(chuàng)刊于1975年，為原冶金，電力、化工、建材、等15個(gè)部委聯(lián)合創(chuàng)辦，武漢安全環(huán)保研究院主辦，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的國(guó)家級(jí)技術(shù)類(lèi)刊物，已有27年的歷史，是國(guó)內(nèi)最早的安全環(huán)保科技期刊之一。感謝廣大作者與讀者多年來(lái)我刊的支持，歡迎新老朋友訂閱。本刊由郵局發(fā)行，郵發(fā)代是38-4，也可直接向本刊編輯部訂閱，大16開(kāi)，可預(yù)訂全年合訂本。
