二沖程直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)

欒延龍

（上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心上海200438）

二沖程直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)

欒延龍

（上汽集團(tuán)商用車技術(shù)中心上海200438）

作為自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的前期研究，成功開發(fā)出一臺可用于該系統(tǒng)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化和標(biāo)定，該直線發(fā)動(dòng)機(jī)能夠順利起動(dòng)并能穩(wěn)定怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)、開發(fā)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠。對該直線發(fā)動(dòng)機(jī)的前期研究為最終研究自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

二沖程直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)

引言

雖然傳統(tǒng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上已很成熟，但其采用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)使活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了對缸套的側(cè)向力作用，這種側(cè)向力使活塞與缸套之間的摩擦力增加，摩擦功損失增加，機(jī)械效率下降。因此，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于受到結(jié)構(gòu)上的限制，很難使其機(jī)械效率得到很大提高。而自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)由于沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其連桿只有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而沒有擺動(dòng)，使其活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)不受側(cè)向力作用，因此活塞與缸套之間的摩擦損失大大降低。由于沒有曲軸，也就沒有曲軸各摩擦副之間的摩擦損失。因此，自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率就會明顯高于傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)式發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。

另外，如果在自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)中間安裝一個(gè)直線型發(fā)電機(jī)，使活塞與發(fā)電機(jī)的動(dòng)子連接，活塞的每個(gè)行程都會帶動(dòng)直線電機(jī)發(fā)電。這樣能量就會得到更充分利用，整個(gè)裝置的效率就會更高。在這樣的背景下就產(chǎn)生了一種新型的動(dòng)力系統(tǒng)——基于混合動(dòng)力系統(tǒng)的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[2，3]。它是對自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)繼承和發(fā)展，是現(xiàn)代電控技術(shù)和內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果，是利用新技術(shù)開發(fā)新機(jī)型過程中的一次很好的嘗試和創(chuàng)新。

雖然自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是一種具有潛在優(yōu)勢的新型動(dòng)力系統(tǒng)，但由于該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩個(gè)領(lǐng)域，并且系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)并不是傳統(tǒng)類型的產(chǎn)品而是特殊類型的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和直線電機(jī)，因此，如果沒有前期積累，要一次性設(shè)計(jì)開發(fā)一套全新的自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)難度較大，并且研發(fā)周期較長，成本較高。

根據(jù)以上分析，為了研究自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能，項(xiàng)目組根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，采用分階段研究的方法，即首先研究發(fā)動(dòng)機(jī)的性能然后將發(fā)動(dòng)機(jī)與直線電機(jī)進(jìn)行合理匹配，最終實(shí)現(xiàn)研究整個(gè)系統(tǒng)的目的。因此，作為自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的前期研究，項(xiàng)目組首先成功開發(fā)出一臺用于該系統(tǒng)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)。通過對該直線發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)標(biāo)定和優(yōu)化研究，為最終研究自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)－發(fā)電機(jī)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

圖1　二沖程直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖（前視圖）

圖2　二沖程直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖（后視圖）

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

在傳統(tǒng)二沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)、加工，研究開發(fā)出一臺具有特殊結(jié)構(gòu)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)[4]，其結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)是將兩個(gè)經(jīng)改進(jìn)的二沖程摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)以直線對稱的形式布置于兩端，中間連接起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)。其主要特征是兩缸、二沖程回流掃氣、風(fēng)冷、直線對置式發(fā)動(dòng)機(jī)。該直線發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別是發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿只有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而沒有繞活塞銷的擺動(dòng)，這就使得該發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和功率輸出機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)具有很大區(qū)別。為解決該直線發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和功率輸出問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套特殊的起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)安裝在左右兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的中間，通過滑塊與兩缸的連桿連接，其作用與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸相似，但又不同于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，其顯著特點(diǎn)是，通過該機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)化時(shí)，連桿只有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而沒有擺動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，通過該機(jī)構(gòu)可將飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，該機(jī)構(gòu)又可將連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出。由于該直線發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，連桿只有與活塞一起的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而沒有擺動(dòng)，而活塞連桿的這種運(yùn)動(dòng)方式與自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的活塞連桿的運(yùn)動(dòng)方式完全相同，因此，該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)對自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)具有重要意義。

該直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程的一個(gè)循環(huán)包含以下兩個(gè)行程：

第一行程：活塞自左缸下止點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)，事先已充入左缸內(nèi)的混合氣被壓縮，新的混合氣又被吸入左缸掃氣箱內(nèi)；同時(shí)，右缸活塞自上止點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)，右缸內(nèi)進(jìn)行著做功和換氣過程，右缸掃氣箱則進(jìn)行著混合氣的預(yù)壓縮。

第二行程：活塞自左缸上止點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)，左缸內(nèi)進(jìn)行著做功和換氣過程，左缸掃氣箱則進(jìn)行著混合氣的預(yù)壓縮；同時(shí)，右缸活塞自下止點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)，事先已充入右缸內(nèi)的混合氣被壓縮，新的混合氣又被吸入右缸掃氣箱內(nèi)。

圖3　直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

2　發(fā)動(dòng)機(jī)主要系統(tǒng)開發(fā)

2.1起動(dòng)系統(tǒng)

由于該直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，其連桿的運(yùn)動(dòng)方式與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)顯著不同，市場上沒有成熟的產(chǎn)品能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)需求。因此，為該發(fā)動(dòng)機(jī)專門設(shè)計(jì)開發(fā)了一套起動(dòng)系統(tǒng)，該起動(dòng)系統(tǒng)主要包括起動(dòng)機(jī)、飛輪部件和一套專用的起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)，起動(dòng)機(jī)和飛輪齒圈是根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)要求選用的現(xiàn)有產(chǎn)品，而飛輪和起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)則是根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)要求重新設(shè)計(jì)開發(fā)的。

2.1.1起動(dòng)機(jī)和飛輪齒圈的選用

該直線發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速在500r/min左右，起動(dòng)機(jī)功率要求500～700W。根據(jù)該直線發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為其選用了額定輸出是12V、0.8kW的起動(dòng)機(jī)QD1157及與之配套的飛輪齒圈JL474Q。

2.1.2飛輪的設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，為該發(fā)動(dòng)機(jī)專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的飛輪（見圖4），主要參數(shù)見表1。

圖4　飛輪

表1　飛輪主要參數(shù)

2.1.3起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、開發(fā)

針對該直線發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿只有直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而沒有繞活塞銷的擺動(dòng)這一特點(diǎn)，為解決發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與功率輸出問題為其專門設(shè)計(jì)開發(fā)了一套特殊的起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)[5]。該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的主要功能是：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，可將飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，該機(jī)構(gòu)又可將連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出。

該機(jī)構(gòu)總成包括起動(dòng)盤、滑塊和滑軌三大主要零部件，其零件及總成圖見圖5～圖11。

圖5　 起動(dòng)盤部件

圖6　 滑塊部件

圖7　滑軌

圖8　起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)工作原理圖

圖9　起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)總成（局部剖視俯視圖）

圖10 　起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)總成（局部剖視圖）

圖11 　起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)總成（局部剖視圖）

該起動(dòng)與功率輸出機(jī)構(gòu)的工作原理如下：

如圖5所示，起動(dòng)盤3支撐于基座4上，可繞旋轉(zhuǎn)中心O自由轉(zhuǎn)動(dòng)。利用偏心輪原理，在起動(dòng)盤3上開有圓形軌道槽1，軌道槽的圓心O′與起動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)中心O的偏心距是25mm。

如圖8所示，當(dāng)起動(dòng)盤繞旋轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)的過程中，軌道槽1也繞旋轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)，如果將一滾動(dòng)軸承嵌在軌道槽中，并通過機(jī)械約束將滾動(dòng)軸承限制在只能沿水平方向運(yùn)動(dòng)，而不能沿垂直方向運(yùn)動(dòng)。這樣，當(dāng)軌道槽隨起動(dòng)盤繞旋轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)的過程中，起動(dòng)盤通過軌道槽對滾動(dòng)軸承施加一作用力F′（見圖8b），在F′作用下滾動(dòng)軸承在軌道槽中既轉(zhuǎn)動(dòng)又滑動(dòng)，由于滾動(dòng)軸承在垂直方向被機(jī)械約束，水平方向的分力F會使?jié)L動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)軌跡只能沿水平方向直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于軌道槽的圓心O′與起動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)中心O的偏心距是25mm，所以當(dāng)起動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)一周，滾動(dòng)軸承在水平方向直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)行程是50mm。

作為以上過程的反過程，如圖8所示，對滾動(dòng)軸承施加一沿水平方向的作用力F，由于軌道槽的圓心與起動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)中心有一偏心距，所以水平力F沿指向軌道槽的圓心O′的分力F′會使起動(dòng)盤繞旋轉(zhuǎn)中心O旋轉(zhuǎn)。當(dāng)起動(dòng)盤轉(zhuǎn)到軌道槽的圓心O′與起動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)中心O在一條水平線（如圖8的a、c所示）上時(shí)，起動(dòng)盤會利用慣性轉(zhuǎn)過這兩個(gè)死點(diǎn)。由此看來，該機(jī)構(gòu)可以將滾動(dòng)軸承水平方向的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為起動(dòng)盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪部件（見圖11）和與之相連的起動(dòng)盤3一起旋轉(zhuǎn)，再由起動(dòng)盤3將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)；發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作后，連桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)由該機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為起動(dòng)盤和飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出。

2.2進(jìn)氣和掃氣系統(tǒng)

該直線發(fā)動(dòng)機(jī)是二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣方式是簧片閥式，掃氣方案是回流掃氣式，混合氣在進(jìn)氣行程通過簧片閥被吸入掃氣箱，在掃氣行程通過掃氣口進(jìn)入氣缸，完成掃氣過程。

根據(jù)該直線發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)連桿需要從機(jī)體內(nèi)伸出與中間的起動(dòng)及功率輸出機(jī)構(gòu)連接，為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣、掃氣功能，設(shè)計(jì)開發(fā)出一套既能起到進(jìn)氣、掃氣目的又能滿足該直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的系統(tǒng)，即掃氣箱總成[6]（見圖12）。該系統(tǒng)由掃氣箱、襯套、橡膠密封圈、自潤軸承和擋圈等主要零件組成。

掃氣箱總成在該直線發(fā)動(dòng)機(jī)中主要起儲存預(yù)燃混合氣的作用，在進(jìn)氣行程混合氣通過簧片閥先被吸入掃氣箱，再通過掃氣口掃入氣缸，因此其內(nèi)部要求是密閉的，但由于該直線發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，連桿要穿過掃氣箱與中間的起動(dòng)及功率輸出機(jī)構(gòu)連接，這就要求連桿與掃氣箱配合處既要有良好的密封性以免掃氣箱在此處漏氣，又要保證良好的潤滑，以減少連桿在此處的摩擦。為解決以上問題，在連桿與掃氣箱配合處的一端裝有高品質(zhì)的橡膠密封圈，以保證掃氣箱內(nèi)的密封性，同時(shí)，為減小連桿與掃氣箱配合處的摩擦，在連桿與掃氣箱配合處的另一端裝有自潤軸承，很好地實(shí)現(xiàn)了掃氣箱進(jìn)氣、掃氣的功能。

2.3燃油系統(tǒng)

該直線發(fā)動(dòng)機(jī)采用進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射式的電控噴射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴油量和噴射時(shí)刻的精確控制。該系統(tǒng)主要由燃油箱、燃油泵、燃油濾清器、壓力調(diào)節(jié)器、油軌、燃油管路、噴油器等元件組成（見圖13）。在該系統(tǒng)中，燃油從燃油箱經(jīng)過電動(dòng)燃油泵以約0.25MPa的壓力流經(jīng)燃油濾清器，除去雜質(zhì)并經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓力后進(jìn)入油軌，再通過油軌分送到各噴油器。燃油經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓力后，使噴油壓力保持恒定，過量的燃油經(jīng)回油管流回油箱。

為了滿足電控燃油噴射系統(tǒng)的要求，為該發(fā)動(dòng)機(jī)匹配了一套裝有節(jié)氣門位置傳感器和噴油器的節(jié)氣門體總成（見圖14），該節(jié)氣門體安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的進(jìn)氣口上，燃油噴在進(jìn)氣口附近，在進(jìn)氣行程隨氣流一起進(jìn)入掃氣箱，通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度可以實(shí)現(xiàn)對循環(huán)進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)。

電控燃油泵為渦輪式單級泵，由控制器通過燃油泵繼電器控制其開關(guān)，油泵的出口處為單向閥設(shè)計(jì)，這樣即使不工作時(shí)，出口以后的油管內(nèi)仍充滿燃油，能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常起動(dòng)。

燃油濾清器串聯(lián)在電動(dòng)燃油泵和噴油器之間，其設(shè)計(jì)允許通過的雜質(zhì)最大直徑不大于0.01mm，這樣可以防止雜質(zhì)堵塞噴油器。

圖12 　掃氣箱總成

圖13　燃油供給系統(tǒng)示意圖

圖14　節(jié)氣門體

燃油壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)壓原理是由內(nèi)部的調(diào)節(jié)彈簧和外部的進(jìn)氣管真空度相互作用實(shí)現(xiàn)的，能夠始終保持噴油器與調(diào)壓器之間的油壓與進(jìn)氣管內(nèi)的壓力差在300～350kPa范圍內(nèi)，保證了噴油器在工作時(shí)能夠穩(wěn)定可靠地按照控制器的噴油脈寬噴射定量的燃油。在燃油系統(tǒng)中設(shè)置油軌的目的是，由于油軌具有貯油蓄壓的作用，其容積油量相對于發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)噴油量要大很多，因此可以防止燃油壓力的波動(dòng)，以便將燃油均勻等壓地分配輸送給各噴油器。

2.4點(diǎn)火系統(tǒng)

該發(fā)動(dòng)機(jī)采用單片機(jī)控制的數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)[7]，其原理如圖15所示。點(diǎn)火正時(shí)是由電控系統(tǒng)根據(jù)直線位移傳感器和霍爾傳感器檢測到的活塞位置信號控制點(diǎn)火線圈實(shí)現(xiàn)的。通過采用數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的精確控制，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

圖15　單片機(jī)控制數(shù)字式點(diǎn)火系統(tǒng)原理圖

3　發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和怠速試驗(yàn)

為了使設(shè)計(jì)開發(fā)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)能順利起動(dòng)并能可靠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，需對起動(dòng)和怠速工況進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和標(biāo)定，因此搭建了用于相關(guān)參數(shù)研究的試驗(yàn)臺架，如圖16所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)及特性如表2所示。

圖16　二沖程直線發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺架

表2　試驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)及特性

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)

圖17是通過起動(dòng)系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)空拖的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見，當(dāng)起動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)空拖至第10循環(huán)左右時(shí)，即可將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到650r/min左右，經(jīng)起動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該拖動(dòng)轉(zhuǎn)速能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速要求，可使發(fā)動(dòng)機(jī)可靠起動(dòng)，并且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠。在對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)及怠速試驗(yàn)過程中，共對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了上萬次的頻繁起動(dòng)試驗(yàn)，期間均未出現(xiàn)機(jī)械故障，由此證明，所設(shè)計(jì)、開發(fā)的起動(dòng)系統(tǒng)以及整個(gè)直線發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠。

圖17　不同拖動(dòng)循環(huán)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

經(jīng)參數(shù)優(yōu)化和標(biāo)定，得出該發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)首循環(huán)最佳循環(huán)噴油脈寬是10ms（即：噴射過量空氣系數(shù)是λ=0.31），最佳點(diǎn)火時(shí)刻是活塞距上止點(diǎn)前2mm[8]。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)怠速試驗(yàn)

經(jīng)參數(shù)優(yōu)化和標(biāo)定研究發(fā)現(xiàn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況最佳循環(huán)噴油脈寬是：4.5ms、最佳點(diǎn)火時(shí)刻是：活塞上止點(diǎn)前2mm。在該參數(shù)下，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況能穩(wěn)定在1730±50r/min的轉(zhuǎn)速范圍，怠速曲線如圖18所示。

圖18　發(fā)動(dòng)機(jī)怠速曲線

1史紹熙.自由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京：中國工業(yè)出版社，1961

2R.Mikalsen，A.P.Roskilly.A review of free-piston engine history and app lications[J].App lied Thermal Engineering，2007，27：2339～2352

3Christopher M.Atkinson，Sorin Petreanu，Nigel N.Clark，et al.Numericalsimulationofa two-stroke lnearengine-alternator combination.SAEPaper 1999-01-0921

4Csaba Tóth-Nagy.Linearengine development for serieshybrid electric vehicles[D].Morgantown，WV:West Virginia University，2004

5王哲，李理光，欒延龍，等.一種用于直線發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)及功率輸出的機(jī)構(gòu).ZL200910052256.6[P].2011

6王哲，欒延龍.自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣箱總成.ZL200810202627. X[P].2010

7于冰.自由活塞發(fā)動(dòng)/發(fā)電機(jī)電控系統(tǒng)及控制策略研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，2009

8欒延龍.直線發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)及起動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，2013

Design and Developmentof a Two-Stroke Linear Engine

Luan Yanlong Commercial Vehicle Technology Centerof Saic Motor（Shanghai，200438，China）

As the pre-study of a free-piston engine-alternator combination system，a linear engine that can be applied in the system above is developed successfully,through parameters optimization and calibration，the linearengine can be started smoothly and keep stable idle running.Results show that，the developed linear engine′s structure is reasonable and operation is reliable.The pre-study of linear engine laysa foundation for the study of free-piston engine-alternatorcombination system finally.

Two stroke，Linearengine，Design，Development

TK411

A

2095-8234（2015）01-0042-08

欒延龍（1975—），男，博士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。

（2014-05-22）