利用液压油缸模拟发电机的工作参数

在自由活塞式内燃直线发电机的研发过程中液压油缸模拟了不同零部件的燃料－运动曲线，控制着活塞在整个系统中的运动，并起到安全防护的作用

在自由活塞式内燃直线发电机的研发过程中，带有液压油缸的试验台提供了重要的试验参数：它模拟了各个运动部件的力-运动曲线。这一曲线准确地描述了活塞系统的运动，保证了发电机在承受意外负荷时的安全。

越来越严格的尾气排放标准要求汽车工业领域尝试采用新的车辆驱动技术方案。而新的替代驱动解决方案的效率要明显地高于传统的内燃机驱动方案。这样一来，就可以减少CO2的排放。斯图加特市德国航天航空工业协会研发中心正在致力于这样一种车辆替代方案的研发。那里研发的替代方案被称之为“FKLG自由活塞式内燃直线发电机”，是一种把燃料的化学能直接转换为电能的设备（图1）。

图1  由于自由活塞式线性发电机中没有曲轴，因此在其工作过程中活塞要不停变换运动，这样就可以改变压缩工况，从而提高了整个系统的效率，包括在部分负载情况下的工作效率

该系统研发过程中很重要的一点就是其研发环境：要充分挖掘技术可行性的全部潜力。因此，DLR德国航天航空工业协会研发中心在试验台上对利用液压元器件对自由活塞式发电机的每个零部件都进行极限负载下的测试，对其极限负载能力进行优化。由Herbert H?nchen有限责任公司股份公司研发生产的液压缸能够在最小限度范围内工作。这一试验台的测试油缸（326系列）也作为一个关键部件成功地完成了许多研发工作的测试。其中，可靠性是非常重要的，因为液压缸不仅是线性发电机研发的帮助手段，而且也是当前项目中保障试验台工作可靠性的重要设备，它承担了故障安全保障的功能和作用。

适合于中远程车辆使用

自2002年起，DLR就开始研发适合于公路车辆使用的高效紧凑型发电设备了。他们的经验告诉人们：传统的、利用蓄电池驱动的电力能源只能满足城市内部交通运输的要求。在远距离车辆行驶时，还需要其他的替代驱动技术方案。因为在远距离行驶时反复充电的车用蓄电池体积很大，且充电时间很长。因此，在中远距离行驶的增程功能的车辆要有能够把燃料能转换为电能的能源转换设备。而对这种增程设备提出的要求也是多方面的，例如除了降低油耗、减少有害气体排放之外，结构紧凑、低噪声、燃料的多样性和费用等也都是非常重要的要求和影响因素。FKLG自由活塞式内燃直线发电机的潜力在于：它比现有的能源转换设备能够更好的满足上述各种要求。

FKLG是一种自由活塞式的机械设备。把活塞传统的直线运动转换为电能无需经过中间的旋转运动。整个系统由3个部件组成：燃烧缸、自由活塞式内燃直线发电机和空气弹簧。之所以需要空气弹簧，是因为在燃烧缸燃烧之后要把活塞从下止点送回到初始位置。经直线发电机可以完成能量的转换。在燃烧缸工作期间，空气弹簧相当于一个蓄能器，用于存储使活塞复位的能量。其刚性是可变的，以保证能够作为一个活塞运动的执行元件。

图2  安装了带浮动环隙密封件液压缸后，使得试验台的功能进一步得到了扩展，能够提供自由活塞式内燃直线发电机研发和优化过程中的重要数据

由于这一系统中省略了曲轴的旋转运动，因此在做功时只有活塞的直线运动。FKLG自由活塞式内燃直线发电机的调节采用的是电子控制的调节技术。所需的调整参数有空气弹簧的刚性、直线发电机所受力的变化和燃烧缸的压力变化。在整个工作过程中，压缩比是一个变量。因此，可以明显地提高燃烧缸在部分负载时的效率。例如，FKLG内燃直线发电机可以通过压缩比和行程的变化、不同的燃料等因素进行最佳的燃烧，从而发出电力。燃烧也可以通过辅助的自由度在各个工作点都得到最高程度的优化。这样，也就可以由电动机直接发出电力，无需把能源存储在蓄电池中，带来不必要的经济损失。

利用燃烧能推动车辆运动

在一个小型存储器的帮助下，该系统可以把燃烧能用于推动车辆的运动。与传统的发动机相比较，可变压缩比是自由活塞式内燃直线发电机在经济性方面的一个进步：没有曲轴旋转时汽油和天然气的燃烧功率损失。FKLG内燃直线发电机也能减少有害气体的排放，也使同一车辆能够使用不同的燃料。高效的燃烧控制非常灵活，因为系统的控制软件能够在各种行程中都精确地控制燃烧，并保证燃烧条件适合于所使用的燃料。

可变压缩比不仅保证了车辆在中远程行驶时有着很高的效率，而且也保证了车辆在短距离行驶时也有着很高的效率。这在传统的内燃机中因压缩比的恒定是很难实现的。根据车辆实际行驶的情况，FKLG内燃直线发电机车辆能够提供灵活的燃烧性能匹配，降低油耗，与相同功率档次的传统内燃机相比较可以减少油耗达30%。这样也就成比例地降低CO2的排放了。

液压测试缸承担不同测试任务

德国DLR研发中心在FKLG自由活塞式内燃发电机各个部件功能的研发时采用了模拟技术。这些测试数据提供了发电机整体系统成型之前各部件研发、定型和优化的重要数据。为完成这些测试任务，研发中心的科技人员利用液压测试缸代替燃烧缸活塞工作时所需的力和运动，模拟部件的功能。在液压测试缸上连接了各个部件。这个有着很高加速启动性能的线性油缸大大地扩展了研发中心试验台的功能（图2）。

在整个系统研发的第一阶段，利用液压测试缸对未制造出来的零部件在测试台上进行了力-运动情况的模拟。在各个零部件成功地组装在一起之后，又对零部件齐全的整体系统进行了测试试验。FKLG内燃直线发电机的控制也是利用液压测试缸进行模拟的。在这个阶段中，液压缸的活塞再次代表了燃烧缸的活塞运动。在下一步的测试试验中，液压测试缸的任务只剩下了被动式的安全保护。它在力平衡的状态下随着活塞一起运动，从而保障了FKLG活塞在意外情况下不受强大外力作用而带来机械损伤。

图3  为了实现液压缸与燃烧缸的同步，在燃烧缸行程90mm时控制阀能够实现的开关控制频率可达30Hz，液压缸的流量可达1000L/min，液压管道的横截面积也相应增大了

H?nchen公司研发生产的Servofloat液压缸满足了液压测试缸与燃烧缸之间完全同步运动的高要求。之所以说是同步运动的要求很高是因为：活塞行程90mm、活塞往复运动的变换频率高达30Hz。高频率的、精确控制的活塞运动所需的液压油流量也很高，高达1000L/min。这对Servofloat液压缸来讲也是很高的要求，而且是在长期连续运行的工况下（图3）。

高动态性能要求的浮动式环隙密封

H?nchen公司研发生产的、申请了专利保护的浮动式环隙密封件适合于在高动态性能的场合中使用。通过精密加工的、非接触式的向外减压的密封件环隙，使得燃烧缸工作时实际上是无磨擦的密封，也有着最高的能源效率。同时也保证了在低速运动和高速运动时都有着最高的定位精度和重复定位精度。自由活塞式内燃直线发动机必须要有非常高的定位运动精度，因为燃烧压缩比精确的物理计算是以燃烧缸活塞的准确位置为基础的。

在整个研发过程中，首先是利用液压测试缸对整体系统的各个部件进行模拟测试，以便能够顺利地研发整个系统。它承担了部分的上一级控制系统的控制任务。在逐步减少了运动调节的任务之后，现在，它还在防止意外故障时承担着重要的安全保护功能。当然，研发的最终目的是一个完全独立的运动系统。但在现今的研发情况下完全省去液压测试缸还为时过早，这是因为还无法确保当前的自由活塞式内燃直线发电机的系统功能毫无缺陷。因此，在出现意外情况时液压测试缸还需要发挥保护作用。在性能不可靠的情况下，它会吸收或者释放一定的能量。