自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)線性發(fā)電機(jī)的原理及關(guān)鍵技術(shù)

摘 要：相對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)線性發(fā)電機(jī)（Free Piston Engine Linear Generator）是能源動(dòng)力領(lǐng)域較新的能量轉(zhuǎn)化機(jī)器。憑借其結(jié)構(gòu)特征的簡(jiǎn)單化、能源利用率的高效化、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的可調(diào)化以及工作方式的多樣化，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)線性發(fā)電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自由活塞;發(fā)動(dòng)機(jī);線性發(fā)電機(jī);現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

FPEG根據(jù)活塞的布置形式有3種基本的結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)位钊剑p活塞式，對(duì)置活塞式。

1.1 單活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

對(duì)于單活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，整個(gè)裝備主要有兩部分組成：活塞組件和燃燒室。單活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖（a）。在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，其歸位裝置與負(fù)載為相同裝置。該結(jié)構(gòu)類型自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的可控性比較強(qiáng)，歸位裝置對(duì)于燃燒室的壓縮過(guò)程能夠進(jìn)行精確控制。但是在工作過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的受力不均衡，呈現(xiàn)出非對(duì)稱狀態(tài)，因此整個(gè)裝置需要加裝平衡裝置。

1.2 雙活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

雙活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，布置了兩個(gè)燃燒室和一個(gè)活塞組件，整個(gè)裝置中沒(méi)有專門(mén)用來(lái)進(jìn)行復(fù)位的裝置。該類型的裝置有兩種形式：一種為在兩個(gè)燃燒室的中間布置一個(gè)負(fù)載，而第二種形式為在一個(gè)燃燒室的兩端分布兩個(gè)負(fù)載。該類型的裝置對(duì)負(fù)載的敏感性較高，通常用在循環(huán)變化的工作環(huán)境中，其結(jié)構(gòu)如圖（b）所示。美國(guó)環(huán)保署在雙活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)了六缸四沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)將三組雙活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)地組合在一起，并利用電液閥來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行換氣控制，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠工作在穩(wěn)定的條件下。

1.3 對(duì)置活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)

對(duì)置活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖（c）所示。在該裝置中主要包含了一個(gè)燃燒室，而兩個(gè)活塞組件分別置于燃燒室的兩端。在工作過(guò)程中，負(fù)載能夠加載任意一個(gè)或兩個(gè)活塞。這種自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于受力是均衡的，因此裝置的振動(dòng)能夠極大地減小。并且由于整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)封閉，熱量消散得快，因此燃燒的效率較高。以對(duì)置活塞式自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)開(kāi)發(fā)了具有31%轉(zhuǎn)換效率的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。

相對(duì)與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)線性發(fā)電機(jī)（Free Piston Engine Linear Generator，F(xiàn)PEG）是能源動(dòng)力領(lǐng)域一種較新的能量轉(zhuǎn)化機(jī)器[1]。對(duì)于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其工作過(guò)程是燃油燃燒驅(qū)動(dòng)活塞做往返運(yùn)動(dòng)。活塞的往返運(yùn)動(dòng)將驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)對(duì)外做功，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。而在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，取消了傳動(dòng)裝置—曲軸和連桿，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作運(yùn)動(dòng)是通過(guò)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，活塞復(fù)位是通過(guò)空氣彈簧運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在自由活塞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，活塞能夠在不同的止點(diǎn)位置停止，顯然改變活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即可實(shí)現(xiàn)不同壓縮比的轉(zhuǎn)換，從而能夠適應(yīng)于各種不同燃料的工作。

與曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中取消了曲柄連桿機(jī)構(gòu)和飛輪組。因此自由活塞的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)得到了極大的簡(jiǎn)化。

（2）能源利用率提高。在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，能量傳遞鏈變短，從而能量傳遞過(guò)程中的能量損失也隨之減低。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。由于發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞的運(yùn)動(dòng)受到燃燒室中壓力、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力以及液壓動(dòng)力的多重影響。因此通過(guò)對(duì)燃料濃度、液壓壓力等控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。

（4）工作方式多樣性。由自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，且具有可變的壓縮比，因此能夠采用火花點(diǎn)燃、壓燃和均質(zhì)燃燒等工作方式。

2 特性及關(guān)鍵技術(shù)

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在工作過(guò)程中追尋能量的平衡。即由燃料燃燒釋放的化學(xué)能需要與發(fā)動(dòng)機(jī)做功的能量和損耗的能量相平衡。要保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效地工作。必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、換氣、噴油和燃燒進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的控制

通常會(huì)將壓縮比這一參數(shù)用來(lái)衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)不受曲柄連桿的限制，活塞的上下止點(diǎn)并非為固定點(diǎn)，因此對(duì)應(yīng)的壓縮比控制也十分靈活，但是對(duì)于壓縮比的精確控制也提出了難題。

2.2 換氣的控制

由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中活塞的相對(duì)自由性，因此在換氣控制和預(yù)測(cè)上也面臨著挑戰(zhàn)。當(dāng)前，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣結(jié)構(gòu)主要會(huì)采用以下三種結(jié)構(gòu)：氣門(mén)-氣門(mén)結(jié)構(gòu)、氣門(mén)-氣口結(jié)構(gòu)、氣口-氣口結(jié)構(gòu)。氣門(mén)結(jié)構(gòu)通常為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，并且在使用的過(guò)程中需要與噴油系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)控制的靈活性和精確性。

2.3 噴油控制

發(fā)動(dòng)機(jī)工作動(dòng)力來(lái)源于燃油燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能，油量的供給將直接影響燃油的燃燒和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換。油量的供給必須與燃燒室的結(jié)構(gòu)、氣流的運(yùn)動(dòng)以及工作的狀況進(jìn)行匹配。目前，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)燃方式主要采用的是缸內(nèi)直噴，因此要著重加強(qiáng)噴油參數(shù)對(duì)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)均質(zhì)混合氣形成的影響。而對(duì)于采用壓燃方式的發(fā)動(dòng)機(jī)，其采用的噴油方式為高壓共軌噴射系統(tǒng)，該噴射系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多段噴射，而對(duì)噴射的優(yōu)化將直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。這也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏必忠等.雙活塞液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)原理樣機(jī)的研制及其壓縮比[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006（03）：117-123.

[2]李小慶.自由活塞式內(nèi)燃發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)探索研究[J].上海交通大學(xué)，2012：88.

作者簡(jiǎn)介：韓志浩（1993-），男，山東諸城人，本科，工程師，研究方向：車輛數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造。