自由活塞動力裝置的發(fā)展動態(tài)

文_趙思淇

關鍵字：自由活塞動力裝置；自由活塞發(fā)動機；自由活塞膨脹機

隨著世界范圍內汽車保有量的激增，石油供需矛盾不斷加劇，同時汽車的有害排放物給人類及環(huán)境造成嚴重的危害，促使世界各國在制定各種嚴格的車輛排放法規(guī)來規(guī)范汽車的生產和使用的同時，新型動力裝置得到了廣泛的關注和大力的發(fā)展。

傳統(tǒng)發(fā)動機帶有曲軸-飛輪動力裝置，大部分能量通過機械損耗和熱量散失的形式損失了。而自由活塞發(fā)動機新型動力裝置由于摒除了曲柄連桿裝置，因此其具有結構緊湊、功率密度高、可變壓縮比、燃料適用性廣等優(yōu)點。

有機朗肯循環(huán)(ORC)在內燃機余熱回收方面具有巨大的優(yōu)勢，而自由活塞膨脹機有摩擦損失小，結構簡單，密封性好等優(yōu)點。因此自由活塞膨脹機對改善內燃機ORC余熱回收系統(tǒng)的性能具有重要的意義。

本文將對自由活塞發(fā)動機與自由活塞膨脹機的優(yōu)點和主要技術難點，以及兩種新型動力裝置國內外研究現(xiàn)狀作簡單介紹。

1.自由活塞基本結構與工作原理

相對于傳統(tǒng)的曲柄連桿動力裝置旋轉式運動，自由活塞動力裝置是直線往復運動。各國研究者在研究自由活塞直線運動裝置時，為了適應不同工作條件，設計了各種各樣的樣機，如圖1所示。

單缸、對置氣缸和對置活塞的基本形式的優(yōu)缺點如表1所示。

圖1 自由活塞動力裝置分類

表1 3種布置形式的優(yōu)缺點

對比3種結構布置情況可以得出，對置氣缸自由活塞動力裝置相對于其他兩種形式而言具有無回復裝置、結構簡單等優(yōu)點，本段以對置氣缸自由活塞動力裝置作為研究對象，研究其工作原理。

對置氣缸自由活塞發(fā)動機示意圖如圖2所示。圖示為以柴油為燃料的自由活塞發(fā)動機，燃料通過燃燒將化學能轉換為燃氣的內能，燃氣經膨脹將內能轉換為活塞連桿耦合件的動能，活塞的連桿作為直線發(fā)電機的永磁動子，在運動時磁感線切割電機定子里的繞組輸出電能，將連桿的部分動能裝換為電機的電能向外輸出。

對置氣缸自由活塞膨脹機示意圖如圖3所示。主要包括2個沖程：進氣-膨脹沖程和排氣沖程。對于左側氣缸，當FPE-LG處于進氣-膨脹沖程時，高溫高壓工質進入氣缸并膨脹做功，此時右缸處于排氣沖程；當FPE-LG左缸處于排氣沖程時，做功后的工質從氣缸中排出，此時右缸處于進氣-膨脹沖程。

自由活塞發(fā)動機與自由活塞膨脹機在結構形式和工作原理上均與傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置有很大的不同，從中可以看出自由活塞動力裝置有較大的優(yōu)勢。

(1) 能量轉化效率和功率密度高。傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置結構比較復雜，不夠緊湊，由于側向壓力較大，活塞與氣缸之間的摩擦損失較大；而自由活塞動力機械結構簡單且緊湊，由于活塞不受側向壓力，大幅降低活塞與氣缸之間的摩擦損失。

(2) 性能優(yōu)化簡單。傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置影響因素較多，因此優(yōu)化其性能較復雜；而自由活塞動力裝置性能主要取決于活塞兩端氣體作用力、摩擦力、電磁，從而優(yōu)化其性能較為簡單。

(3) 燃料或動力源多樣性。傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置在改變燃料和動力源時，需要在其結構上進行較大幅度的改變；而自由活塞動力裝置上止點可變，因此可變壓縮比使該動力裝置可以適應多種燃料和動力源。

圖2 對置氣缸自由活塞發(fā)動機示意圖

圖3 對置氣缸自由活塞膨脹機示意圖

圖4 點燃式自由活塞發(fā)動機樣機

圖5 單缸自由活塞發(fā)動機

2.自由活塞發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀

自由活塞直線往復運動于20世紀20年代由皮斯拉提出，其當時的構想是將自由活塞直線運動式發(fā)動機應用于空氣壓縮機。在之后的幾十年自由活塞動力裝置作為空氣壓縮機和空氣發(fā)氣機得到較為廣泛的研究，但20世紀60年代美國通用汽車公司將渦輪增壓器試探性的裝在其生產的某種車型上，其發(fā)展優(yōu)勢較為明顯，因而自由活塞發(fā)氣機的發(fā)展受到限制。自20世紀80年代起，Bock提出了一種自由活塞式發(fā)動機型式，主要包括兩個相對布置的活塞和位于發(fā)動機的中心部分中的泵氣缸。之后，國內外研究機構對自由活塞動力裝置產生了濃厚的興趣，取得了階段性研究成果。

2.1 自由活塞發(fā)動機

20世紀末21世紀初，國內外的許多科研機構對自由活塞發(fā)動機的試驗和仿真方面做了大量的基礎研究工作。

美國西弗吉尼亞大學的Clark等、美國圣地安國家實驗室的Goldsborough等、美國明尼蘇達大學的Aichlmayr等分別就他們搭建的自由活塞發(fā)動機實驗平臺和計算機仿真進行了詳細的研究工作。西弗吉尼亞大學搭建了點燃式、壓燃式自由活塞發(fā)動機實驗樣機，點燃式樣機如圖4所示，均采用回流式掃氣方式，并建立了自由活塞發(fā)動機-直線電機的仿真模型，熱效率最高可達46%。圣地安國家實驗室為了提高自由活塞發(fā)動機循環(huán)熱效率和減少廢氣排放，將HCCI燃燒模式應用到自由活塞雙缸發(fā)動機，并研究了各種燃料的工作特性，其中在HCCI燃燒模式下采用天然氣燃料熱效率最高，可達56%，還用零維熱力學模型對自由活塞發(fā)動機的工作過程進行了仿真研究，其理想熱效率可達65%。明尼蘇達大學[1]通過單次著火實驗和數(shù)學模型分別研究了微小型自由活塞發(fā)動機，其中行程和缸徑的比值對發(fā)動機缸內熱傳遞有著重要影響。

英國紐卡斯爾大學的Roskilly和Mikalsen[2]自2003年起對自由活塞發(fā)動機進行了深入的研究工作，他們搭建了對置氣缸點燃式自由活塞發(fā)動機試驗臺架和數(shù)值模型，試驗樣機如圖5所示，試驗和仿真結果相一致，但試驗運行頻率較低，不超過5 Hz，此外還建立了單氣缸壓燃式自由活塞發(fā)動機仿真模型，整機效率可達42%。捷克理工大學Vysoky先后搭建了2臺對置氣缸點燃式自由活塞實驗樣機，均采用了缸內直噴技術，最高輸出功率可達5 kW，并且用Matlab/Simulink和dSPACE進行了相應的數(shù)學建模和仿真研究。德國Pohl運用Dymola/Modelica軟件進行動力學系統(tǒng)仿真研究，研究單缸自由活塞發(fā)動機控制策略，原理圖如圖5所示。德國航空航天中心將自由活塞發(fā)動機作為新型增程器或串行混合動力驅動裝置，設計所得發(fā)電功率25 kW。

韓國國立首爾大學[3]研究了氫燃料自由活塞內燃機和線性發(fā)電機系統(tǒng)的性能特點，分析了自由活塞發(fā)動機的線性發(fā)電機啟動方式的動態(tài)特性。韓國科學技術院研究了LPG火花塞點火對置氣缸自由活塞發(fā)動機的特性，火花正時處的瞬時活塞速度是控制發(fā)動機性能的關鍵因素。日本豐田中央研究所研制了一臺單缸自由活塞發(fā)動機，試驗裝置圖如圖6所示，分別研究了點燃和預混壓燃兩種燃燒模式的發(fā)動機性能，其中預混壓燃燃燒模式下，熱效率最高，可達42%。馬來亞大學設計了對置氣缸自由活塞發(fā)動機，其最大輸出功率為4.48 kW，還設計出了7 kW永磁直線電機。

圖6 單缸自由活塞發(fā)動機樣機

北京理工大學[4]在對置氣缸和單缸自由活塞發(fā)動機都進行了相應的試驗和仿真研究，其中對置氣缸采用了點燃和壓燃2種燃燒方式，研究了換氣過程、燃燒放熱過程、活塞環(huán)密封與潤滑過程等諸多特點，設計了電機子系統(tǒng)控制方案。南京理工大學先后設計了壓縮彈簧單缸四沖程、對置活塞四沖程自由活塞發(fā)動機集成動力系統(tǒng)，單缸四沖程發(fā)電效率可以達到34%左右，驗證了對置活塞四沖程可行性和研究其自由活塞組件的運動規(guī)律，對置活塞自由活塞發(fā)動機原理圖如圖7所示。上海交通大學試制了對置氣缸自由活塞發(fā)動機樣機，找尋其最佳工況點，將chemkin程序與Matlab/Simulink仿真模型耦合起來研究其特性。吉林大學建立了四缸四沖程對置氣缸自由活塞發(fā)動機的AMESim仿真模型并研究了優(yōu)化控制方法。

從自由活塞發(fā)動機的研究現(xiàn)狀可知，由于其特殊的結構引起國內外廣泛的關注，近年來取得了較大的研究進展。然而，自由活塞發(fā)動機控制系統(tǒng)和穩(wěn)定運行能力不足，此外樣機水平達不到工程要求的狀態(tài)。所以，自由活塞發(fā)動機的研發(fā)還需要國內外研究人員的共同努力。

圖7 對置活塞自由活塞發(fā)動機原理圖

圖8 自由活塞膨脹機裝置

2.2 自由活塞膨脹機

自由活塞動力裝置除了自由活塞發(fā)動機外，自由活塞膨脹機作為一種新型膨脹機得到較為廣泛的研究。

路易斯安那理工大學[5]使用低成本材料測試了自由活塞膨脹機并且使用密封的單沖程實驗研究活塞運動，最終其可以作為一個完整的低溫蒸汽系統(tǒng)的一部分，試驗裝置如圖8所示。紐卡斯爾大學設計了壓縮空氣驅動的自由活塞膨脹機試驗樣機，當驅動壓力為0.375 MPa時，能量轉換效率可以達到55%。美國北佛羅里達大學設計了無閥自由活塞膨脹機試驗樣機，結果表明，膨脹機最大頻率為44.01 Hz，最大等熵效率為21.5%，最大可以達到75.13 W膨脹功率。

吉林大學[6]搭建了完整的ORC-FPE相似系統(tǒng)，試驗裝置圖如圖9所示，實驗探究ORC-FPE相似系統(tǒng)在不同工質壓力下的功量轉化效率、蒸發(fā)器換熱效率及系統(tǒng)整體效率，最高的系統(tǒng)整體效率可達6.5%。西安交通大學[7]研制出一種具有新型吸、排氣控制機構的雙作用自由活塞式膨脹機，在10.2 Hz工作頻率下，膨脹機的絕熱效率約為62%。北京工業(yè)大學[8]提出了一種采用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機試驗樣機，實驗裝置圖如圖10所示，當進氣壓力為0.14 MPa，工作頻率為2 Hz時，最高指示效率達到92.8%，并且基于MATLAB /Simulink仿真軟件搭建了自由活塞膨脹機-直線發(fā)電機系統(tǒng)仿真模型并進行了驗證。

從自由活塞膨脹機的研究現(xiàn)狀可知，國內外研究者雖然取得了一定的研究成果，但其工質多樣性、控制方法、運行效率、運行可靠性等方面還有待進一步研究，其次對自由活塞膨脹機研究力度還要小于自由活塞發(fā)動機，其達到工程要求的狀態(tài)路途還很遙遠。

圖9 ORC-FPE相似系統(tǒng)試驗臺架

圖10 自由活塞膨脹機試驗臺架

3.結論及展望

本文闡述了兩種類型自由活塞動力裝置，一種自由活塞發(fā)動機，另一種是自由活塞膨脹機，介紹了其基本結構和特點，其發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。總結一下兩者未來的研究方向和研究重點：

(1)兩種類型的自由活塞動力裝置能夠穩(wěn)定運行的時間較短，加強實現(xiàn)長時間穩(wěn)定運行的因素分析和控制策略的研究；

(2)變工況進行參數(shù)尋優(yōu)方案的進一步設計；

(3)自由活塞發(fā)動機系統(tǒng)、自由活塞膨脹機系統(tǒng)的一體化設計研究。

(注：本文作者單位系中國人民大學附屬中學)