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自由活塞直线发电机(FPLG)具有结构简单,功率密度高等优势,可以用作电动汽车增程器。但由于没有曲柄连杆机构的限制,FPLG的上下止点位置不固定,易出现失火和撞缸等故障,难以稳定运行。自由活塞直线发电机具有三种基本布置形式:单活塞式、双活塞式和对置活塞式,其中对置活塞式结构复杂,功率密度低,双活塞式功率密度最高但控制难度较大,单活塞式结构最为简单,易于控制。本文以原有样机为基础,设计了基于空气弹簧的单活塞式FPLG原理样机,搭建了测控系统并设计了控制策略,实现了样机的点火启动和状态切换。在Simulink环境下搭建了原理样机的仿真模型,为使模型尽量准确,进行了摩擦力测定试验和纯压缩标定试验,依据试验结果建立了基本正确的摩擦力模型,对气缸的纯压缩多变指数、漏气速率系数、等效排气门打开位置等参数和修正系数进行了标定。启动过程试验验证了电机控制程序的正确性,并确定了样机的启动参数。样机自然吸气状态下的试验研究表明:随着当量比的增加,缸压和频率都增大,着火率先增大后减小;随着点火位置的延后,缸压减小,活塞行程增大,限位装置发生撞击现象,着火率先增大后减小。原理样机自然吸气时出现了明显的循环失火现象,对试验数据的分析表明,失火原因在于气缸的换气不良。采用动力缸扫气的试验验证了循环失火的原因是换气不良问题。试验发现,FPLG样机在点火位置27mm~29mm时实现了无失火运行,同时频率的波动率降低至0.8%。通过试验,确定了FPLG达到连续稳定运行的试验参数,取得了超过1000循环的稳定运行,运行频率43.2Hz。通过本文的研究,实现了FPLG原理样机的稳定运行并确定了最优控制参数,为后续研究和样机设计提供了参考。