随着当前能源与环保问题的日趋严重,自由活塞内燃发电机(Free Piston Engine Generator,简称FPEG)作为一种新型混合动力装置具有结构紧凑、燃料适应性好、能源利用率高等众多优势,并受到越来越多的关注。本文以双活塞双气缸点燃式FPEG为研究对象,从仿真与实验两方面对其发动机冷起动过程及燃烧工作过程进行深入研究,主要研究内容和结论如下:(1)根据FPEG系统功率匹配设计方法搭建了火花点燃式双活塞双气缸FPEG实验样机及测试平台,提出了自由活塞发动机与直线电机子系统的设计与优化思路,并制定了发动机冷起动过程、稳定工作过程的控制方法及系统集成控制策略。(2)针对点燃式双活塞双气缸FPEG的发动机冷起动问题,采用活塞往复振荡的方式积累气缸内混和气的压缩能量,直线电动机将输出大小恒定、方向与活塞速度保持同向的电机力。仿真结果表明应采用闭环控制策略实现该方案,通过电流补偿使得实际输出的电机推力维持在目标值,从而实现发动机的冷起动。(3)仿真研究了FPEG发动机在振荡起动过程中的运行特性,验证了该方案的可行性,并研究了电动机推力大小的选取对自由活塞发动机冷起动的影响。通过提高电动机的输出推力,峰值缸压的增长速率变快,同时稳定后峰值缸压值随之升高。采用较高的电动机推力活塞所能达到的上止点或发动机压缩比越大,完成发动机冷起动所需运行循环次数呈逐渐减小的趋势。(4)建立了FPEG系统在稳定工作过程的数值模型,并完成了对仿真模型的校验。仿真结果表明活塞的峰值速度及发动机的压缩比与节气门开度成正比,发动机的燃烧放热过程近似为等容放热过程,活塞在越过上止点后速度较快,这将有助于减少膨胀行程的传热损失,并将有助于降低由于气缸内温度较高所导致的污染物的排放。自由活塞发动机的等效转速较低,系统的摩擦损失所占指示功率的比例低于5%,FPEG发动机的工作效率可高达35%,系统总效率可达31.5%,输出功率约为4kW。(5)以所搭建的FPEG原理样机为研究对象,开展了样机冷起动过程、电机拖动着火工作过程的实验研究。发动机冷起动过程中,峰值缸压和发动机等效转速均和直线电动机的推力大小呈近似线性关系。为保证发动机顺利实现点火,则直线电动机的推力大小应高于103N。实验样机电机拖动燃烧过程中,发动机冷起动开始后的第四个运行周期,气缸内压强快速升高至40bar左右,发动机压缩比超过9:1,表明所设计的FPEG样机成功实现了点火燃烧过程。(6)将FPEG系统动力学数值模型被等效简化为受迫振动方程,即m(?)+ c(?)+ kx=F(t),并求得了活塞位移的计算公式。该简化动力学模型成功解耦了FPEG的结构设计参数对系统运行特性的影响规律。本文总结分析了当活塞横截面积、活塞动子组件质量、压缩行程及电磁阻尼系数等主要设计参数对FPEG活塞振幅、峰值速度、峰值加速度、发动机运行频率、峰值输出电功率等系统运行特性的影响规律,为FPEG系统匹配设计过程及后续型号化研究提供理论参考。