直线ISG/发动机系统台架构建及启动试验研究

丁宣　王哲　尹兆雷　孙晨乐

摘 要：依照直线ISG/发动机系统的设计思路，分别自主开发了直线发动机及直线ISG电机样机，并将两者耦合构建完成了一套直线ISG/发动机系统。同时，基于直线位移传感器测得的活塞瞬时位置开发了直线ISG/发动机控制系统，并利用开发的位置跟踪模式的启动力换向策略进行了系统启动试验。试验结果表明，开发的位置跟踪模式启动力换向控制策略可实现系统活塞组件的运动换向，且直线ISG/发动机系统在启动点火首行程着火成功，着火缸压为1.38 MPa；相对传统启动方式的直线发动机系统，直线ISG/发动机系统启动过程具有启动频率较高、改善首循环混合气加浓、燃烧缸压变动较小、启动平稳的特点。

关键词：直线发动机；直线ISG电机；样机设计；启动性能；换向控制

中图分类号：TK441+.2文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.06.07

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

由直线ISG（Integrated Starter Generator）电机和直线发动机耦合而成的直线ISG/发动机系统作为一种新型的发电装置，具有结构简单、功率密度高、效率高、燃料适应性强等优点[1]，非常适合作为增程器应用于电动汽车上，正受到越来越多国内外研究机构的关注[2-4]。

1998年，美国Sandia国家实验室开发了一种与直线电机有机结合的内燃发电机系统，采用均质充量压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，

HCCI）的燃烧方式，具有效率高、质量轻、有害气体排放低、压缩比可变、燃料适应性强等特点[5]。同年，美国西弗吉尼亚大学对点燃式自由活塞直线发电机系统的稳定运行进行了验证，试验测得该系统的最大发电功率为316 W，研究结果表明，较小的动子质量与较高的往复运动速度有利于提高直线发动机的功率密度[6]。2014年，丰田提出了一种正处于研发阶段的自由活塞内燃发电机系统，该系统采用两冲程发动机单缸结构，通过气体弹簧实现系统往复运动，并采用缸内直喷的供油方式，目前该系统可在23 Hz的工作频率下发出2.3 kW的功率，但丰田预计该系统的输出可达到10 kW [7-8]。在国内，上海交通大学研制了自由活塞内燃机样机及其控制系统，针对性地制定了系统的启动方案，并通过反复试验对各种启动控制参数进行修正，实现了自由活塞式内燃机的成功启动，在此基础上进一步讨论了点火时刻与空燃比对启动过程中自由活塞运动特性的影响[9]。

通过进一步查阅文献可知，目前国内外对自由活塞直线发动机系统的研究多处于仿真阶段，能成功运行的试验样机较少，且主要集中在对系统稳态特性的研究，关于系统启动等瞬态特性的研究还比较少见。本文依照直线ISG/发动机系统的设计思路，分别开发直线发动机和直线ISG电机样机，并将两者耦合构建直线ISG/发动机系统。同时，根据活塞瞬时位置开发直线ISG/发动机控制系统，并基于位置跟踪模式的启动力换向控制策略[10]进行系统启动试验，研究系统启动过程的运动特性和燃烧规律。

1 直线ISG/发动机系统开发

开发完成的直线ISG/发动机系统如图1所示，系统的主要参数见表1。该系统由水平对置的直线发动机及位于两缸之间的直线ISG电机组成。

直线ISG/发动机系统开发包括直线发动机设计、直线ISG电机设计以及数据采集系统设计，其中直线发动机设计包括二冲程发动机改造、进气系统改装、供油/点火系统改装及控制系统设计，直线ISG电机设计包括直线ISG电机结构设计及控制系统设计，分别介绍如下。

1.1 直线发动机设计

1.1.1 二冲程发动机的改造

直线发动机由传统二冲程汽油发动机经去除曲柄连杆机构并重新设计扫气箱改造而来，并保证改装后的扫气箱压缩比与原机曲轴箱的压缩比相等。因此，直线发动机结构简单，质量变轻，活塞和缸体之间的侧向力大大减小，摩擦损耗降低，能量转换效率提高，而且直线发动机采用双缸对置的形式，活塞在每个运动行程都做功，系统的功率密度大。此外，为保证扫气箱的密封性，在连杆与扫气箱配合处的一端设计有高品质的橡胶密封圈；为减小连杆与扫气箱配合处的摩擦，在连杆与扫气箱配合处的另一端设计有自润轴承且连杆经表面镀铬处理[11]。

1.1.2 进气系统的改装

直线发动机进气系统上安装有空气流量传感器、节气门位置传感器、电控喷油器等，能调节节气门的开度并实现进气道燃油喷射。

1.1.3 供油及点火系统改装

在直线发动机开发过程中，对其喷油及点火系统进行了改造，将原机的化油器式供油系统改为进气道喷射式的电控喷射系统，并采用单片机控制的数字式点火系统取代原机的磁电机驱动电容放电式点火系统（Capacitor Discharge Ignition，CDI），从而实现了直线发动机喷油脉宽及点火时刻的精确控制。

1.1.4 直线发动机控制系统设计

直线发动机的控制器芯片采用Freescale公司的MC9sXET256MAL高性能单片机，并选用德国Novotechnik的TEX系列直线位移传感器用于检测活塞的位移信号，其控制构架如图2所示，可分为初级控制、活塞运动轨迹控制及系统运转监督控制三部分。其中，系统运转监督控制模块用于设定系统运行的频率、活塞运动的上止点（Top Dead Center，TDC）和下止点（Bottom Dead Center，BDC），同时可直接发送喷油位置给下层的初级控制模块，用于进行系统的性能优化；活塞运动轨迹控制模块能将设定的运行频率、活塞运动的上、下止点与实测的数据进行对比，计算和调节系统的循环喷油量及点火位置，从而实现活塞运动轨迹的控制；初级控制模块可实时读取活塞的位移信号，并提供系统的喷油及点火指令，驱动喷油器喷油及火花塞点火，同时将实时计算的系统运行频率、活塞运动上、下止点等信息反馈给活塞运动轨迹控制模块。

图3为基于LabVIEW开发的直线发动机控制器的人机交互界面，能实时更改发动机喷油脉宽、喷油位置、点火位置、点火蓄能时间等工作参数，并能实现动力电池的使能以及动力电池的荷电状态（State of Charge，SOC）值、动力电池端电压、动力电池单体电压、动力电池温度等参数的读取。

1.2 直线ISG电机设计

1.2.1 直线ISG电机结构设计

基于开发的直线发动机的结构参数和运行特性，并根据直线ISG/发动机系统的启动和发电要求及其仿真结果，设计了与直线发动机匹配的径向充磁管状永磁三相直线ISG电机，其基本性能设计指标见表2。

其中，为了使直线ISG电机在单向行程内完成一个电流波形的输出，设计直线ISG电机额定电频率为机械频率的两倍，即直线ISG电机走过一个行程长度，永磁体需走过一对极的距离，故永磁体极距：

此外，由参考文献[12]可知，运动部件的质量直接影响到直线发动机的功率、耗油率以及压缩比等性能指标，运动部件的质量取为3.75 kg时，系统性能最佳。系统的运动部件质量Mt计算公式为

式中，Mt为系统运动部件质量，kg；Mp为直线发动机单缸活塞部件质量，kg；Mcr为系统连杆质量，kg；Mi为直线ISG电机动子铁芯质量，kg；Mm为直线ISG电机单片永磁体质量，kg；nm为直线ISG电机永磁体个数。当直线发动机活塞组件、连杆组件已经确定，并选定直线ISG电机中永磁体数量、厚度、宽度后，便可根据此公式计算得到动子的直径。

直线ISG电机每定子槽线圈匝数ws及定子槽面积As计算公式分别为[13]

式中，ws为每定子槽线圈匝数；Er为空载相电压，V；fe为额定电频率，Hz；Bgr为气隙磁通密度，T；τ为永磁体极距，mm；D为定子内径，mm；q为每极每相槽数；n为永磁体极数；As为定子槽面积；Pr为额定功率，W；Kfill为槽填充系数；JCO为额定电流密度，A/mm2。

参考传统旋转电机设计方法，直线ISG电机采用6极9槽结构，为获得更小的运动部件质量，本文将电机设计为短动子、长定子的结构，同时保证了任何时候所有磁极是发挥作用的[14]。其中，由于圆柱形铁芯及永磁体较难加工及安装，则在不改变性能的情况下，本文将直线ISG电机动子铁芯设计为六边形结构，永磁体采用表面燕尾槽楔入的形式固定在动子铁芯上。表3为设计完成的电机结构参数，图4为直线ISG电机的立体结构图。

1.2.2 直线ISG电机控制系统设计

在直线ISG/发动机系统启动阶段，直线ISG电机需以电动模式带动直线发动机活塞组件直线往复运动，因此，直线ISG电机不仅要进行启动力大小的控制，还要进行启动力的换向控制。

对于启动力大小的控制，本文采用矢量控制的思路。图5为启动力大小控制模式方框图，其中，F表示直线ISG电机电磁推力，Id表示d轴电流，Iq表示q轴电流，iA、iB、iC分别表示A相、B相和C相电流，PI表示比例积分环节，SVPWM表示空间矢量脉宽调制，M表示直线ISG电机，DRIVE表示驱动电路，dqT表示dq变换。

图5中，直线ISG电机通过控制电机输入电流实现启动力大小的控制。在控制系统中，启动力大小由人机操作界面设定，并转化为直线ISG电机d轴及q轴的电流，该电流经逆dq/Clarke坐标变化及空间矢量脉宽调制后转化为A、B、C三相电流，最后经驱动电路驱动直线ISG电机启动。

本文采用位置跟踪模式的启动力换向控制策略，在该控制策略下，直线位移传感器实时获取直线ISG电机动子的瞬时位置，当动子运动到设定的换向位置时，控制器改变电机电流相序，从而实现启动力的换向，控制流程如图6所示。

为了便于直线ISG电机的控制，基于Visual Basic开发了直线ISG电机的人机交互界面，能对直线ISG电机的工作模式（电动或发电）、启动力（或负载力）大小、启动力换向位置等控制参数进行设定，并能实时监测和显示电机的位移、启动力大小、母线电压、母线电流以及运行故障等信息，如图7所示。

1.3 直线ISG/发动机数据采集系统设计

为进行直线ISG/发动机系统的启动及发电性能研究，需要做大量的台架试验，并采集记录各工况下的所有运行参数，优化系统在不同运行参数下的性能。本文基于阿尔泰PCI8640数据采集卡，设计开发了直线ISG/发动机的数据采集系统，如图8所示。该卡具有最多32路模拟量输入通道，8 k字节的FIFO存储器，其采样频率范围为0.01 Hz～400 kHz，能够满足系统的试验数据采集要求。

该数据采集系统采用内部时钟触发方式，多通道同步采集，用半满查询方式取得AD数据，能够实时显示并存储直线发动机运行时活塞位移、气缸压力、进排气温度、空气流量等信号。

2 直线ISG/发动机系统启动试验研究

2.1 直线ISG/发动机系统启动试验方案

如前所述，试验台架主要包括直线发动机子系统、直线ISG电机子系统以及控制与数据采集子系统，试验所用测量仪器主要包含活塞直线位移传感器、缸压传感器等。

直线ISG/发动机系统的启动过程可细分为启动拖动过程和启动燃烧过程两个阶段。其中，启动拖动过程是指在直线ISG/发动机系统启动初期，直线ISG电机在电动模式下带动活塞连杆组件做频率和行程逐渐增大的直线往复运动的过程；启动燃烧过程是指当活塞连杆组件的运动频率和行程到达着火条件时，发动机点火燃烧后的系统启动过程。

本文分别对以上两个启动阶段进行试验研究，试验中电机的启动控制参数和发动机喷油点火参数由仿真结果确定。系统启动后，实时采集运行过程中的启动力、位移、缸压等信号，通过试验数据的分析，验证自主开发的直线ISG/发动机样机及其启动控制系统的可行性，并研究系统在启动过程中的运动特性和燃烧规律。

2.2 直线ISG/发动机系统启动拖动试验研究

在位置跟踪模式的启动力换向控制策略下，设定直线ISG电机启动力为250 N、启动力换向位置为极限位置前13 mm，进行直线ISG/发动机系统的启动拖动试验。试验测得的启动力与活塞运动位移的对应关系如图9所示。在启动过程中，直线ISG电机控制器实时监测活塞的运动位置，当活塞运动到设定的启动力换向位置（如图9中★所示）时，电机控制器产生换向指令，通过改变电流的相序实现启动力的换向。图中，启动力换向完成位置（如图9中●所示）与设定的换向位置存在一定的延迟，这主要是由于直线ISG电机在启动力换向时存在一定的电机机械及电磁响应时间，且该电机机械及电磁响应时间受电流调节时间及电机线圈时间常数的影响。由图9可知，在该启动控制策略下，直线ISG/发动机系统活塞组件做直线往复运动。这表明，自主开发完成的直线ISG/发动机台架及启动控制系统可实现系统活塞组件的直线往复运动。

2.3 直线ISG/发动机系统启动燃烧试验研究

基于验证有效的位置跟踪模式的启动力换向控制策略，设定直线ISG电机的启动力为310 N、启动力换向位置为极限位置前4.35 mm、直线发动机循环喷油量为4.8 mg、点火位置为极限位置前3.5 mm，

进行直线ISG/发动机系统的启动燃烧试验。试验测得的系统启动过程中的运动位移、缸压以及运动频率曲线如图10所示。

由于系统在启动过程中需要三个行程形成两缸内的混合气，试验中在启动第四个行程进行点火，由图10可知，直线ISG/发动机系统在启动第四个行程（点火首行程）着火成功，着火缸压为1.38 MPa，且该循环压缩比为6.64，与原机压缩比6.6基本一致，着火次循环缸压峰值为1.67 MPa，且系统在后续循环均能着火成功，系统运动频率稳步上升。

本文将直线ISG/发动机系统启动试验结果与前期开发的采用传统启动方式的直线发动机系统启动试验结果进行了对比。其中，采用传统启动方式的直线发动机系统在启动过程中，以传统旋转电机为启动源，并经偏心轮滑块机构将电机的旋转运动转化为活塞连杆的直线往复运动，由于活塞运动的行程固定，系统启动过程中的压缩比一定，这与传统曲柄连杆式发动机的启动方式相似，而与直线ISG/发动机系统启动过程中压缩比可变的性质不同。因此，将两者试验结果进行对比，能够更加深入地分析直线ISG/发动机系统启动过程的运动特性及燃烧规律。表4为采用传统启动方式的直线发动机启动试验结果与直线ISG/发动机系统启动试验结果的对比。

由表4可知，由于直线ISG电机的功率比传统启动电机大，直线ISG/发动机系统的启动拖动频率为12.5 Hz，高于采用传统启动方式的发动机启动拖动频率8.7 Hz，且较高的拖动频率使系统启动过程燃油的雾化效果变好，燃烧得到改善，从而使直线ISG/发动机系统的启动首循环喷油量4.8 mg低于采用传统启动方式的直线发动机系统的首循环喷油量15 mg，改善了传统启动方式下的首循环混合气加浓。同时，由于启动首循环喷油量较少，直线ISG/发动机系统的启动燃烧缸压较小。

此外，由表4可以看出，直线ISG/发动机系统的燃烧首循环缸压峰值与次循环缸压峰值从1.38 MPa增大到1.67 MPa，变化0.29 MPa，变动较小；采用传统启动方式的直线发动机燃烧首循环缸压峰值与次循环缸压峰值从3.72 MPa减小到2.76 MPa，变化0.96 MPa，变动较大。而燃烧缸压的较大变化会导致活塞受力的变化，进而导致活塞运动频率的较大波动，最终影响系统的启动性能。因此，相比传统启动方式，直线ISG/发动机系统的启动过程更加平稳。

3 结论

本文基于直线ISG/发动机系统的设计思路，分别完成了直线发动机和直线ISG电机的设计，并将两者耦合构建了直线ISG/发动机系统，在此基础上进行了系统的启动试验，对系统的启动特性进行了初步研究，试验结果表明：

（1）自主开发的直线ISG/发动机及其控制系统工作可靠，在基于位置跟踪模式的启动力换向控制策略下，能够实现系统启动拖动阶段活塞组件的直线往复运动。在试验所给的启动控制参数下，系统可在启动点火首行程点火成功，着火缸压为1.38 MPa，且系统在后续循环运动频率稳步上升，系统启动成功。

（2）与采用传统启动方式的直线发动机系统的启动过程相比，直线ISG/发动机系统的启动拖动频率从8.7 Hz 提高到12.5 Hz，较高的启动拖动频率，使启动过程燃烧雾化条件变好，从而使直线ISG/发动机系统的启动首循环喷油量从15 mg减少到4.8 mg，改善了传统启动方式下的首循环混合气加浓。

（3）直线ISG/发动机系统在启动过程中的燃烧首循环缸压峰值与次循环缸压峰值之间变动为0.29 MPa，低于采用传统启动方式的直线发动机系统的0.96 MPa，因此，活塞受力更加均匀，启动过程更加平稳。

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