單活塞式自由活塞內燃直線發電機的運行特性試驗研究*

朱成瑋 石天翔 王金龍 肖 進

（上海交通大學動力機械與工程教育部重點實驗室 上海 200240）

引言

自由活塞發動機（Free Piston Engine，FPE）是一種去除了曲柄連桿機構的直線發動機，其活塞組件可以作“自由”的直線運動[1]。相比于曲軸式內燃機，FPE減少了大量的運動部件[2]，因此具有諸多優勢，包括摩擦損失大大降低，傳熱損失和NOx生成量少，燃料適應性好以及維護費用低等[3]。自由活塞內燃直線發電機（Free Piston Linear Generator，FPLG）作為一種新型能量轉化裝置，由自由活塞發動機和直線電機耦合而成，受到近年來新能源汽車發展熱潮的推動[4]，FPLG因可用作電動車增程器而格外受到關注[5-8]。

通常，FPLG根據結構形式可以分為單活塞式，雙活塞式和對置活塞式3種。目前，國內相關研究多數采用雙活塞式布置，該種結構功率密度較高，但由于雙活塞式FPLG兩側氣缸的燃燒相互影響，故難以實現精確控制，易出現失火和撞缸等故障，試驗樣機往往難以連續穩定運行[9-11]。而單活塞式FPLG采用回復裝置代替了一側的氣缸，減小了燃燒的影響，相關試驗研究顯示[6-8]，采用該結構更易實現樣機的連續運行。本文試制了一臺單活塞式FPLG原理樣機，實現了其連續運行，分析了其運行特性，為后續研究和FPLG的優化設計打下基礎。

1 試驗樣機與方法

圖1和圖2分別為試驗原理樣機的結構圖和實物圖。原理樣機采用基于空氣彈簧的單活塞式結構，即在直線電機兩側各布置一個氣缸，其中一個氣缸作為動力缸，對側氣缸則用作空氣彈簧。混合氣在動力缸中的燃燒推動活塞向下止點運動。在活塞下行的過程中空氣彈簧吸收部分活塞的動能轉化為勢能并使活塞減速，在活塞到達下止點后，空氣彈簧推動活塞上行，其勢能轉化為活塞的動能。氣缸與直線電機均安裝于一固定支架上，為防止試驗意外導致原理樣機出現嚴重撞缸，活塞連桿上設計有臺階，與支架構成一組限位裝置。原理樣機采用一臺壓氣機和一個穩壓氣罐作為供氣氣源。動力缸布置有進氣口和排氣口，而空氣彈簧氣缸排氣口封閉，僅留有進氣口，兩個氣缸的進氣口各自通過一個調壓閥與氣罐相連。由此，空氣彈簧氣缸的進氣口用作調壓口，可通過改變缸內增壓系數對空氣彈簧的彈性系數進行調節。而動力缸的進氣口用作掃氣口，理論上可以依靠進氣壓力與排氣背壓之間的壓差將缸內廢氣掃出，確保缸內為新鮮充量。原理樣機使用氮氣增壓活塞式蓄能器提供恒定的可調油壓，蓄能器容積2 L，可提供最大20.7 MPa的供油壓力。試驗原理樣機的主要參數如表1所示，本文試驗條件如表2所示。

圖1 單活塞式FPLG原理樣機結構圖

圖2 單活塞式FPLG原理樣機實物圖

表1 原理樣機主要參數

表2 原理樣機試驗條件

2 試驗結果與分析

2.1 啟動與狀態切換試驗

FPLG通常使用直線電機作為啟動裝置，即：首先使直線電機工作在電動狀態，推動活塞壓縮發動機缸內氣體完成啟動過程；系統啟動之后，直線電機再切換到發電狀態對外輸出電能[12]。本文試驗樣機亦采用該啟動方式。

圖3中上圖是FPLG樣機從啟動到點火成功的位移及缸壓隨時間變化的曲線，下圖是同一時間內的控制信號，其中噴油和點火信號為觸發信號（當信號從0變為1時觸發一次噴油/點火），繼電器信號控制直線電機的狀態切換電路（信號為1時直線電機處于電動狀態，為0時處于發電狀態）。如圖3所示，FPLG樣機啟動時，直線電機處于電動狀態，電機力推動動子組件作往復運動，且振幅不斷擴大，此時控制系統不輸出噴油和點火信號。在第5個循環時，缸壓達到1.3 MPa，超過了程序所設定的燃料著火條件（1.2 MPa），因而從第6個循環開始，控制系統開始輸出噴油和點火信號，嘗試點火，此時的純壓縮的缸壓峰值穩定在1.4 MPa。在第9個循環時，氣缸點火成功，繼電器控制信號由1變為0，直線電機進入發電狀態。

圖3 FPLG從啟動到穩定的運行曲線及控制信號

2.2 連續運行試驗

在表2的試驗條件下，原理樣機完成啟動與狀態切換后，取得了超過1 000循環的連續穩定運行。如圖4所示為FPLG樣機從啟動開始30個循環的運行頻率變化，依據活塞2次達到上止點之間所經過的時間計算周期，頻率即為周期的倒數。從圖4中可以看到，啟動時運行頻率逐漸增加，從第6個循環開始穩定在22 Hz左右。到第9個循環時，動力缸點火成功，頻率增大至43 Hz。隨著樣機的運行，頻率的波動逐漸減小，到第20個循環時，樣機的頻率穩定在43.5 Hz附近。

圖4 FPLG從啟動至穩定的頻率變化

FPLG穩定運行狀態下的動子組件運動特性如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，FPLG動子的位移曲線在上下止點處呈現出近似尖點的形狀，而在行程中段則近似為直線。對應圖6中的速度曲線在行程中間位置變化平緩，而在上下止點附近則發生突變，整個速度-位移曲線近似圓角矩形。由圖6還可以發現，由于動子組件下行時由動力缸內氣體的燃燒推動，故而速度較快，接近10 m/s，上行時由空氣彈簧的彈力推動，速度比下行時慢，保持在8 m/s左右。進一步分析可知，FPLG動子組件在上下止點處加速度很大，且由于沒有曲柄連桿機構，活塞在上止點附近停留的時間很短，相比于傳統火花點火發動機的實際循環可以簡化為等容加熱循環[13]，FPLG實際循環中的等容時間很短。活塞在到達上止點后會迅速加速并遠離上止點，致使燃燒室體積迅速增大，這對于燃燒室內火焰的傳播是極為不利的，因此相比于傳統內燃機，FPLG對氣缸燃燒系統設計提出了更高的要求。但在另一方面，FPLG的這一運動特性可使缸內氣體迅速膨脹降溫，大大縮短高溫氣體的滯留時間，減少傳熱損失，在燃料充分燃燒的前提下，可以有效提高熱效率。

圖5 FPLG穩定運行動子位移曲線

圖6 FPLG穩定運行動子速度-位移曲線

FPLG穩定運行狀態下動力缸和空氣彈簧的缸壓曲線如圖7所示，在點火位27 mm時，動力缸缸壓峰值可達3.3 MPa。由于動子活塞組件下行過程中摩擦力和電磁阻力做負功，造成動能損失，因而空氣彈簧缸壓峰值略低于動力缸，為2.7 MPa。如圖8所示為缸內壓力-位移曲線，由圖中可知，循環上止點位置為41.7 mm，缸壓峰值出現在40.4 mm處，亦即上止點后1.3 mm處。值得注意的是，在理想情況下，圖8中空氣彈簧壓縮過程和膨脹過程的曲線應當完全重合，但實際由于傳熱損失影響，膨脹過程缸壓明顯低于壓縮過程，其壓降最大可達0.3 MPa，這與前期仿真研究基本相符[14]。分析認為，由于本文原理樣機的空氣彈簧缸徑與動力缸相同，空氣彈簧需要達到較高的缸壓才能保證動子組件的回復效果，缸內氣體被劇烈壓縮升溫，故而傳熱損失較大。推測認為，如果在設計中使空氣彈簧缸徑大于動力缸，則空氣彈簧缸壓將大大降低，可以有效減少空氣彈簧側的傳熱損失，進一步提高系統效率。

圖7 FPLG穩定運行缸內壓力曲線

圖8 FPLG穩定運行缸內壓力-位移曲線

2.3 變點火位試驗研究

在傳統曲軸式發動機中，點火正時是一個非常重要的控制參數，對內燃機的性能具有很大影響。而由于FPLG沒有曲柄連桿機構，上止點位置不固定，點火位置對缸內燃燒和系統性能的影響將被進一步放大。因此，研究點火位置對樣機運行特性的影響是十分必要的。

如圖9所示為表2的試驗條件下，改變點火觸發信號的位置對FPLG樣機動力缸燃燒情況的影響。在點火位置為26、27、28、29和30 mm下分別進行連續300個循環的試驗，依據第一次點火成功后所有試驗循環的不失火數計算得到著火比例；平均缸壓峰值為第一次點火成功后所有點著循環的動力缸缸壓峰值的平均值。從圖9中可以發現，FLPG原理樣機在點火位置為27～29 mm時不會發生失火現象，可以達到100%點著，實現樣機的連續運行。而在點火位置為26 mm和30 mm時的點著率分別為93.77%和88.68%。事實上，當點火位置為26 mm時在試驗中觀察到了明顯的冷啟動困難現象，而在點火位置為30 mm時則發生了限位裝置的撞擊和缸內不正常燃燒。此外，隨著點火推遲，缸內壓力明顯下降，這是由于更多燃料在活塞下行過程中燃燒所致。

圖9 點火位置對動力缸著火比例和缸壓的影響

圖10 和圖11進一步給出了點火位置為26 mm和30 mm時的情況。如圖10所示，當點火位置為26 mm時，樣機在啟動過程中連續進行了15次點火嘗試均失敗，直到第16次點火時，氣缸才首次點著。這是由于點火信號位置過于提前，缸內混合氣壓力較低，同時燃料與空氣混合亦不充分，在冷啟動狀態下難以點著。而在首次點著之后，運行過程中也容易發生失火現象。如圖11所示，當點火位置為30 mm時，缸壓曲線出現了明顯的拐點。分析認為，由于火焰的傳播需要一定的時間，當點火信號位置靠近上止點時，少量燃料在活塞上行過程中燃燒，此時動力缸內的壓力不足以推動動子活塞組件轉變為下行，故而樣機的限位裝置發生了撞擊現象。而燃料主要的燃燒發生在活塞下行的過程中，缸壓峰值位置出現在37 mm處（上止點后5 mm）。正如上一節中所述，FPLG的活塞在經過上止點后迅速加速離開上止點，致使燃燒室體積迅速增大，對火焰的傳播不利。此時，燃燒室體積增大致使缸壓降低，燃料的燃燒使得壓力升高，兩者的效果相互抵消，使得缸內壓力峰值較低，僅為2.2 MPa。顯然，點火位置推遲時缸內氣體的燃燒情況是不穩定的，因此著火比例也會降低。

圖10 點火位置26mm啟動時點火困難現象

圖11 點火位置30 mm時限位裝置撞擊與缸內不正常燃燒現象

由以上分析可知，點火位置對于FPLG樣機的運行穩定性具有很大影響，且能夠保證FPLG穩定運行的點火位置范圍狹窄，這與相關研究結論類似[6]。因而，在FPLG的設計與研究中，合適的點火系統設計和點火策略制定對保證FPLG的穩定運行和提高FPLG系統效率具有重要作用。

圖12和圖13所示為點火位置對缸內燃燒情況和動子活塞組件運動速度的影響。在圖12中，點火位置為27 mm、28 mm、29 mm情況下的活塞上止點位置分別為41.7 mm、41.8 mm、42.0 mm，而對應的缸壓峰值位置為40.4 mm、39.3 mm、38.3 mm，亦即隨著點火的延遲，缸壓峰值出現的位置顯著遠離上止點，缸壓峰值明顯降低，主要的燃燒發生在活塞下行過程中，不利于內燃機的功率輸出。進一步的影響如圖13所示，隨著點火位置推遲，動子活塞組件的運動速度明顯降低，動子組件的行程也有所減小。

圖12 點火位置對燃燒的影響

圖13 點火位置對速度的影響

點火位置對FPLG原理樣機的運行頻率的影響如圖14所示，采用波動率作為衡量各循環一致性的指標，對于參數x，其循環波動率的計算方法為：

圖14 點火位置對頻率影響

圖15 點火位置對缸壓的影響

3 結論

1）建立了FPLG原理樣機試驗臺架，采用了基于空氣彈簧的單活塞式結構，使用直線電機作為啟動裝置成功啟動并連續運行超過1 000循環。

2）FPLG的動子活塞組件具有獨特的運動特性，活塞在上止點附近停留時間很短，可以有效減小傳熱損失并提高熱效率，但同時對燃燒系統的設計提出了更高的要求。

3）樣機的空氣彈簧存在明顯的傳熱損失問題，在優化設計中可以采用大缸徑的空氣彈簧，降低其缸內壓力，進而減小傳熱損失，提高熱效率。

4）點火位置對FPLG運行的穩定性和運行參數具有很大影響，且FPLG的點火位置范圍狹窄，因此在FPLG的設計中，點火系統和點火策略應當重點考慮。