近年来，对便携式设备的需求不断增加，例如无人地面车辆、无人机和检测机器人，这些设备需要具有更高功率和能量密度的电源系统[1]。由碳氢燃料驱动的微功率设备因其高能量密度、低污染和低排放而受到许多研究机构的关注[2]。因此，已经探索了多种方法来应对这些挑战。代表性的努力包括使用低碳燃料以及通过燃烧室几何形状优化[3]、主动火焰发展控制[4]和喷射器空间配置修改[5]来提高燃烧性能。
微型直线发动机发电机（MLEG）是一种无需曲轴机构的新型能量转换装置[6]。与传统基于内燃机的发电机相比，其活塞在气缸内自由往复运动，内燃产生的化学能直接驱动直线发电机发电，从而缩短了能量转换链，可能减少机械摩擦损失并提高整体效率潜力。此外，自由活塞的工作特性，如紧凑的模块化布局和可变压缩比，为燃烧优化和排放控制提供了更大的灵活性。这些特性使得MLEG成为紧凑型电源系统的非常有前景的技术，如图1所示，延长了便携式设备的运行耐久性。
1)适用于无人设备的紧凑型电源单元：为无人地面车辆、检测机器人和体积和质量受到严格限制的长时间续航无人平台提供高能量密度和紧凑型电源。
2)为在偏远或离网环境中使用的便携式现场设备提供可靠且燃料灵活的电源。
3)分布式或遥感平台：在广阔区域内部署的远程监控和传感应用，需要间歇性但长时间的电源供应，这些应用依赖于高燃料能量密度。
为了进一步明确这些比较优势，表1提供了所提出的MLEG与传统基于内燃机的发电机在关键性能和结构特性方面的比较。
由于MLEG没有曲轴驱动，在初始启动阶段活塞停留在上止点，需要外部力量来压缩气体并引发燃烧[11]。不同的启动方法导致了不同的MLEG配置。现有研究提出了几种方法，大致可以分为直线电机（LEM）驱动型和回弹装置（液压或气动）型[12]。为了更清晰地概述现有的启动配置及其相应的研究进展，表2总结了不同类型的MLEG启动方法，包括LEM驱动型、液压/气动驱动型和弹簧辅助型配置。
第一种是LEM驱动型，它在启动阶段对活塞施加推力并控制其位置，一旦达到所需的燃烧条件，系统就会切换到发电模式[13]，[14]。这种方法充分利用了LEM在实施控制策略方面的灵活性[15]。然而，LEM必须承受较高的启动电流，这导致其体积相对较大且结构设计复杂，从而限制了MLEG系统的小型化。此外，还需要额外的电能输入来启动和控制LEM[16]。
第二种类型采用液压或气动驱动的回弹装置来储存燃烧释放的能量[17]。在启动阶段，储存的高压气体或液压油被释放出来驱动活塞，实现初始压缩[18]。总的来说，液压或气动驱动的回弹机制通常依赖于辅助的高压子系统（例如压缩机、蓄能器、泵及相关管道）。这些子系统不可避免地增加了整体质量和结构复杂性，在液压实现中，还带来了密封挑战，影响了效率和可靠性。在小型化和轻量化应用中，这些限制尤为重要[19]。
作为维持单缸MLEG往复和稳定运行的重要能量存储装置，弹簧对MLEG的工作特性有着极其重要的影响。
以往的研究主要使用弹簧来辅助MLEG的运行，在动态建模、共振控制和性能优化方面取得了显著进展。然而，大多数现有的MLEG仍然依赖于外部电动机进行主动能量输入，缺乏独立的自启动能力。此外，发动机和弹簧参数之间的耦合关系尚未系统地建立起来，也没有建立定量参数匹配或设计指南。
为了克服这些限制，本研究提出了一种弹簧驱动的自启动MLEG配置，其中弹簧作为唯一的回弹和启动能量来源。弹簧的弹性势能驱动活塞完成初始压缩和点火过程，实现无需外部电机或高压电路的自启动。
建立了一种系统的发动机-弹簧参数匹配方法（ESPMM），以实现发动机和弹簧参数之间的协同设计。在此方法中，MLEG被建模为一个单自由度自激质量-弹簧-阻尼器系统，以分析其振荡特性，通过该方法可以将总系统刚度分解为弹簧刚度和等效气体刚度。通过泰勒级数展开对动态模型中的非线性气体力进行线性化，得到等效气体刚度的解析表达式。根据系统在目标工作频率下的动态响应，确定所需的总刚度。最后，可以根据总系统刚度和等效气体刚度确定弹簧刚度的解析解，并在设计约束下使用标准弹簧设计方程计算弹簧的详细几何参数，形成一套以设计为导向的参数匹配标准。
总之，本研究提出了一种用于设计弹簧驱动自启动微型直线发动机发电机的发动机-弹簧参数匹配方法，在该方法中，机械弹簧在回弹和自启动中起主要作用。与许多将弹簧或回弹机制视为辅助组件的现有参数研究不同，ESPMM在单自由度动态框架内建立了发动机子系统和弹簧子系统的统一解析表示。通过将与目标工作频率相关的总系统刚度分解为等效气体刚度和机械弹簧刚度，获得了确定所需弹簧刚度的解析解，从而实现了快速匹配和选择合适的弹簧。通过原型微型直线发动机发电机实验验证了所提出配置和设计方法的有效性。
