自由活塞發(fā)動機線性發(fā)電機的原理及關鍵技術

摘 要：相對于傳統(tǒng)的發(fā)動機而言，自由活塞發(fā)動機線性發(fā)電機（Free Piston Engine Linear Generator）是能源動力領域較新的能量轉化機器。憑借其結構特征的簡單化、能源利用率的高效化、運動狀態(tài)的可調化以及工作方式的多樣化，自由活塞發(fā)動機線性發(fā)電機在現(xiàn)代工業(yè)領域已經得到了越來越廣泛的應用。

關鍵詞：自由活塞;發(fā)動機;線性發(fā)電機;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

1 基本結構和工作原理

FPEG根據活塞的布置形式有3種基本的結構形式：單活塞式，雙活塞式，對置活塞式。

1.1 單活塞式自由活塞發(fā)動機

對于單活塞式自由活塞發(fā)動機來說，整個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)動機的整體結構如圖（a）。在發(fā)動機的工作過程中，其歸位裝置與負載為相同裝置。該結構類型自由活塞發(fā)動機的可控性比較強，歸位裝置對于燃燒室的壓縮過程能夠進行精確控制。但是在工作過程中，發(fā)動機的受力不均衡，呈現(xiàn)出非對稱狀態(tài)，因此整個裝置需要加裝平衡裝置。

1.2 雙活塞式自由活塞發(fā)動機

雙活塞式自由活塞發(fā)動機中，布置了兩個燃燒室和一個活塞組件，整個裝置中沒有專門用來進行復位的裝置。該類型的裝置有兩種形式：一種為在兩個燃燒室的中間布置一個負載，而第二種形式為在一個燃燒室的兩端分布兩個負載。該類型的裝置對負載的敏感性較高，通常用在循環(huán)變化的工作環(huán)境中，其結構如圖（b）所示。美國環(huán)保署在雙活塞式發(fā)動機的基礎上開了六缸四沖程的發(fā)動機，該發(fā)動機將三組雙活塞式發(fā)動機有機地組合在一起，并利用電液閥來對發(fā)動機進行換氣控制，使得整個系統(tǒng)能夠工作在穩(wěn)定的條件下。

1.3 對置活塞式自由活塞發(fā)動機

對置活塞式自由活塞發(fā)動機的結構如圖（c）所示。在該裝置中主要包含了一個燃燒室，而兩個活塞組件分別置于燃燒室的兩端。在工作過程中，負載能夠加載任意一個或兩個活塞。這種自由活塞發(fā)動機由于受力是均衡的，因此裝置的振動能夠極大地減小。并且由于整個系統(tǒng)相對封閉，熱量消散得快，因此燃燒的效率較高。以對置活塞式自由活塞發(fā)動機為原型，豐橋技術科學大學開發(fā)了具有31%轉換效率的二沖程發(fā)動機。

相對與傳統(tǒng)的發(fā)動機而言，自由活塞發(fā)動機線性發(fā)電機（Free Piston Engine Linear Generator，F(xiàn)PEG）是能源動力領域一種較新的能量轉化機器[1]。對于傳統(tǒng)的發(fā)動機而言，其工作過程是燃油燃燒驅動活塞做往返運動?；钊耐颠\動將驅動曲柄連桿機構對外做功，從而實現(xiàn)化學能向機械能的轉化。而在自由活塞發(fā)動機中，取消了傳動裝置—曲軸和連桿，發(fā)動機的工作運動是通過活塞往復運動來實現(xiàn)的，活塞復位是通過空氣彈簧運動來實現(xiàn)的。在自由活塞的運動過程中，活塞能夠在不同的止點位置停止，顯然改變活塞的運動規(guī)律即可實現(xiàn)不同壓縮比的轉換，從而能夠適應于各種不同燃料的工作。

與曲軸式發(fā)動機相比，自由活塞發(fā)動機具有以下優(yōu)點：

（1）結構簡化。在自由活塞發(fā)動機中取消了曲柄連桿機構和飛輪組。因此自由活塞的運動機構和儲能機構得到了極大的簡化。

（2）能源利用率提高。在自由活塞發(fā)動機中，由于結構得到了簡化，能量傳遞鏈變短，從而能量傳遞過程中的能量損失也隨之減低。

（3）發(fā)動機的運動狀態(tài)能夠進行實時調整。由于發(fā)動機中活塞的運動受到燃燒室中壓力、運動過程中摩擦力以及液壓動力的多重影響。因此通過對燃料濃度、液壓壓力等控制即可實現(xiàn)對活塞的運動狀態(tài)進行控制。

（4）工作方式多樣性。由自由活塞發(fā)動機的結構特性，且具有可變的壓縮比，因此能夠采用火花點燃、壓燃和均質燃燒等工作方式。

2 特性及關鍵技術

自由活塞發(fā)動機是一個比較復雜的系統(tǒng)，在工作過程中追尋能量的平衡。即由燃料燃燒釋放的化學能需要與發(fā)動機做功的能量和損耗的能量相平衡。要保證發(fā)動機能夠長期、穩(wěn)定、高效地工作。必須對發(fā)動機的壓縮比、換氣、噴油和燃燒進行準確控制。

2.1 發(fā)動機壓縮比的控制

通常會將壓縮比這一參數用來衡量發(fā)動機的性能。自由活塞發(fā)動機內活塞的運動不受曲柄連桿的限制，活塞的上下止點并非為固定點，因此對應的壓縮比控制也十分靈活，但是對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)動機在工作過程中活塞的相對自由性，因此在換氣控制和預測上也面臨著挑戰(zhàn)。當前，發(fā)動機的進排氣結構主要會采用以下三種結構：氣門-氣門結構、氣門-氣口結構、氣口-氣口結構。氣門結構通常為獨立結構，并且在使用的過程中需要與噴油系統(tǒng)相協(xié)調，從而實現(xiàn)控制的靈活性和精確性。

2.3 噴油控制

發(fā)動機工作動力來源于燃油燃燒產生的化學能，油量的供給將直接影響燃油的燃燒和化學能的轉換。油量的供給必須與燃燒室的結構、氣流的運動以及工作的狀況進行匹配。目前，自由活塞發(fā)動機的點燃方式主要采用的是缸內直噴，因此要著重加強噴油參數對直噴發(fā)動機均質混合氣形成的影響。而對于采用壓燃方式的發(fā)動機，其采用的噴油方式為高壓共軌噴射系統(tǒng)，該噴射系統(tǒng)能夠實現(xiàn)多段噴射，而對噴射的優(yōu)化將直接影響到發(fā)動機的工作效率。這也是當前研究的熱點。

參考文獻：

[1]夏必忠等.雙活塞液壓自由活塞發(fā)動機原理樣機的研制及其壓縮比[J].機械工程學報，2006（03）：117-123.

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

作者簡介：韓志浩（1993-），男，山東諸城人，本科，工程師，研究方向：車輛數字化設計與制造。