四沖程自由活塞天然氣發動機研究

王明星 ，代正弋 ，宋江 ，侯磊，余立新

（1.中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司；2.西南油氣田公司華油公司，四川 成都 610000；3.中石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021）

汽車工業的快速發展使得汽車排放問題越來越嚴峻，空氣質量問題已經受到各界人士的關注，與此同時，世界能源消耗大幅增加，導致人們不得不開始尋求一些新的能源代替石油等不可再生資源。對于傳統汽車發動機而言，通常采用Otto 循環，但該循環方式存在比重量打、碳煙排放重等缺點，因此為解決資源問題以及汽車排放問題，需要積極探索開發新的動力裝置，選擇清潔燃料，選擇合適的熱力循環。研究發現，Atkinson 循環在新型動力裝置中有著很好的應用前景，相關研究人員將該循環與自由活塞相結合，非常適用于混合動力汽車及增程式電動汽車動力裝置開發，四沖程自由活塞發動機與傳統發動機相比有著結構簡單、制造維護成本低、循環熱效率高、燃料適應性好等明顯優勢。在燃料選擇方面，天然氣資源儲存量大，燃燒清潔，能夠有效減少炭煙的排放。此外，天然氣成本低、著火界限寬，經濟性明顯好于其他能源。因此本文在自由活塞發動機樣機基礎上，增加設計了天然氣供氣系統，對四沖程自由活塞式天然氣發動機整個熱力過程進行了探索和研究，通過試驗仿真等方式來驗證模型可靠性，對其性能影響因素進行了分析和探究。

1 四沖程自由活塞發動機基本構成及工作原理

1.1 四沖程自由活塞發動機基本構成

圖1 沖程自由活塞發動機基本構成

四沖程自由活塞發動機基本構成如圖所示，包括了自由活塞、電磁驅動氣門、直線電機、控制單元、儲能元件等。

1.2 四沖程自由活塞發動機工作原理

四沖程自由活塞發動機工作原理與Otto 循環發動機相類似，但活塞不再依靠曲軸進行驅動，而是將活塞與直線電機動子相連接，在氣缸中上下往復運動，通過控制電機電流大小以及方向，完成對自由活塞運動的調節，從而完成四沖程熱力循環。

1.3 四沖程自由活塞發動機理論熱力循環分析

本文建立的四沖程自由活塞發動機理論熱力循環主要是建立在Atkinson 循環下的熱力學模型，如圖2 所示，1-2 為絕熱壓縮過程，2-3 為等容加熱過程，3-4 為絕熱膨脹過程，4-5 為等容放熱過程，5-6 為定壓排氣過程，6’-6-7-7’的缸外獨立壓縮中冷過程簡化為絕熱壓縮過程和冷卻過程。TDCI為進氣上止點，TDCC為壓縮上止點，BDCI為進氣下止點，BDCE為膨脹下止點。對熱力模型分析之后，可以得到膨脹比的增加，能夠有效提高發動機做功能力，從而對發動機動力性和經濟性實現有效改善，根據循環熱效率最高，能夠對最優膨脹比進行定義。

2 四沖程自由活塞天然氣發動機樣機試驗

在原有四沖程自由活塞發動機樣機基礎上，為驗證其燃料適應性，需要增加天然氣供氣系統，樣機主要參數如表1。

圖2 四沖程自由活塞發動機熱力循環

表1 四沖程自由活塞天然氣發動機樣機主要性能參數

在設計天然氣供氣系統時，天然氣在缸外與空氣進行預混合，然后在接近氣門處噴射，缸體本身結構不需要進行其他改動，僅利用軟件就可以實現對天然氣噴射時間及位置的控制。實驗過程中，為提高混合氣的均勻程度以及提高燃料適用性，可以利用軟件實現對天然氣的定時定量供應。由于本課題中CNG 采用的是在缸外進氣道內噴射，這樣的噴射方式會使得充氣效率降低，為解決這一問題，主要是通過增大壓縮比以及延長進氣沖程對其進行彌補。搭建試驗平臺時，需要用到很多傳感器，本課題中選擇激光位移傳感器測量活塞的位移；燃氣壓力溫度傳感器監測各部位燃氣壓力等，是非常重要的數據來源。樣機運行后，需要研究例如改變進氣沖程長度、壓縮比、膨脹比等對系統性能的影響，因此，在設計試驗時會進行對比試驗以探尋影響規律。

由于自由活塞發動機中電器驅動配氣系統取締了傳統的凸輪配氣，這樣做的結果使發動負荷不再受到氣門開度的影響，而主要是由進氣行程來改變進入氣缸的空氣量。對比進氣沖程48mm 和54mm 兩種進氣沖程長度情況后，可以看出進氣沖程長會使可噴入的燃料也越多，燃燒會更加充分，上止點壓縮比也越大，因而發動機峰值壓力也越大，對外輸出功也隨之增多，可承受負載也越大。

圖3 進氣沖程長度對于缸內壓力以及活塞運動速度影響

在對發動機的研究過程當中，壓縮比和膨脹比是其中非常重要的性能參數。對于四沖程自由活塞發動機而言，由于其通過電磁驅動系統實現配氣過程，因此，都是利用控制改變電磁力的大小和位置得到不同壓縮比。天然氣有著辛烷值高的特點，因此，壓縮比的提高可以使得燃燒過程更加優化，有利于循環溫度梯度的擴大，有效提高峰值壓力。對于自由活塞發動機而言，其壓縮比膨脹比的分離的，膨脹比越大，最后缸內壓力最小，所以發動機的輸出功率也就越大。從下圖中可以清楚看出當壓縮比和膨脹比發生變化時，發動機性能的改變。

3 四沖程自由活塞天然氣發動機性能優劣及影響因素

相比傳統的發動機來說，自由活塞天然氣的氣門運動以及活塞運動等都可以自由調節，同時受到活塞的形狀、空氣系統等都會對發動機的性能帶來負面影響。下文就著重分析影響天然氣發動機性能的因素。

圖4 膨脹比對于缸內壓力的影響

3.1 進氣門運動的影響

當進氣門開啟的時候，氣門有著足夠的流通面積，氣體可以直接通過氣門進入氣缸，但是如果氣門開啟時間過早，可能導致進入氣缸的氣體過多，從而增加了氣缸內部的廢氣指數，會使泵氣的損失率更高，影響整個氣缸的進氣沖程的程度。如果在進氣的初期階段，活塞運動的速度相對較低，可以通過推遲進氣的方式增加進氣沖程的運動強度，但是要合理地控制這個延遲的時間，一般來說，會選擇進氣門止點后的2.5mm 左右開啟為最佳時機。此外，氣門正時會對港內的工質速度場帶來一定的影響，在電磁力的驅動下，整個氣門會開啟，但是不同氣門的升程也有一定的差異，升程越小其氣門會越早開啟，當氣門關閉之后，升程大的會最先開始關閉。

圖5 壓縮比對于缸內壓力的影響

3.2 壓縮比的影響

壓縮比是活塞在進氣狀態下，氣缸的總容積和活塞在壓縮上止點其燃燒室容積的比。增大進氣沖程的長度能夠對壓縮比值帶來影響，當發動機去除節氣門后，其泵氣的損失會有明顯的下降，而且發動機的負荷也會有所降低，在不改變發動機結構的基礎上，需要持續為氣缸輸入空氣，從而滿足發動機的負荷要求，這就是四沖程自由活塞發動機的特點之一。進氣沖程的長度不僅會影響進入氣缸氣體的總量，而且對其工質運動強度也會帶來一定的影響。當進氣沖程增大之后，其缸內的單位質量的動能也會增加，而增加進氣沖程之后，氣門持續開啟的時間會增加，同時，氣體受到慣性的影響，其總量也會增加，從而影響整個發動機的性能。

3.3 點火時刻的影響

當氣門正時或者氣門升程時，需要選擇形狀最好的燃燒室和壓縮比，并進行下一步的點火，而點火時刻的選擇也會影響發動機的性能。天然氣的主要成分是甲烷，其具有很強的火星，所以，點火時刻對其燃燒性能會產生一定的影響，燃燒的階段會隨著點火時刻的推遲而增長，而點火時刻如果提前，在燃燒的前期火焰的傳播速度會非常的快，而且由于缸內的阻力相對較小，隨著燃燒的不斷進行，其缸內的壓力也會有所提升。總的來說，點火時刻對燃燒的后半段影響相對較小，而對前半段的影響非常大，因此，要選準一個科學合理的點火時刻。

3.4 過量空氣系數的影響

如果進入缸內的天然氣過多，會造成天然氣過稀，這能在一定程度上降低污染氣體的排放量。但是，在一些低負荷的情況下，如果天然氣過稀，會影響整個火焰傳播的速度，導致燃燒不完全，從而排放出CO 等有害氣體，這不僅降低了發動機的機械效率，而且影響了周圍的環境。因此，要避免過量的空氣進入氣缸內容。

4 結語

隨著汽車工業的發展及石油資源的不斷枯竭，新型汽車動力裝置研究成為主要研究方向。研究發現，將天然氣能源應用于自由活塞發動機上能夠很好地結合二者的優勢，因此具有非常良好的發展空間。

本文對四沖程自由活塞天然氣發動機的熱力過程進行了深入分析和研究，對其建立了理論熱力循環模型，在熱力分析后得出，高膨脹比Atkinson 循環下的發動機熱效率明顯高于傳統Otto 循環，且通過增大膨脹比能夠有效增大循環熱效率，能夠根據循環熱效率最高點定義相應的最優膨脹比。在原有四沖程自由活塞式發動機樣機基礎上改進燃料噴射裝置以及點火系統之后，通過試驗驗證了四沖程自由活塞發動機的燃料適用性，試驗結果表明，在使用天然氣作為燃料時，需要適當推遲點火，從而有效減少熱損失以及壓縮負功。利用流體仿真軟件分析，可以得到在四沖程自由活塞天然氣發動機中，通過慢進氣快壓縮以及活塞運動前期慢后期快這樣的運動規律，能夠確保燃燒火焰更好地傳播，提高發動機的性能。

在對發動機全過程瞬態數值模擬計算基礎上，對影響發動機性能因素進行了探究，得到可以通過延長膨脹沖程長度，以及在點火前壓保持不變情況下，降低缸內壓縮比等方式提高發動機熱效率。目前對于四沖程自由活塞天然氣發動機的研究依然處于試驗階段，發動機各項性能優化仍有很大提升空間，需在后續研究中加以改進。