自由活塞發動機線性發電機的原理及關鍵技術

摘 要：相對于傳統的發動機而言，自由活塞發動機線性發電機（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、運動狀態的可調化以及工作方式的多樣化，自由活塞發動機線性發電機在現代工業領域已經得到了越來越廣泛的應用。

關鍵詞：自由活塞;發動機;線性發電機;現狀;發展趨勢

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動機

對于單活塞式自由活塞發動機來說，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動機的整體結構如圖（a）。在發動機的工作過程中，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，發動機的受力不均衡，呈現出非對稱狀態，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動機

雙活塞式自由活塞發動機中，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，通常用在循環變化的工作環境中，其結構如圖（b）所示。美國環保署在雙活塞式發動機的基礎上開了六缸四沖程的發動機，該發動機將三組雙活塞式發動機有機地組合在一起，并利用電液閥來對發動機進行換氣控制，使得整個系統能夠工作在穩定的條件下。

1.3 對置活塞式自由活塞發動機

對置活塞式自由活塞發動機的結構如圖（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動機為原型，豐橋技術科學大學開發了具有31%轉換效率的二沖程發動機。

相對與傳統的發動機而言，自由活塞發動機線性發電機（Free Piston Engine Linear Generator，FPEG）是能源動力領域一種較新的能量轉化機器[1]。對于傳統的發動機而言，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，從而實現化學能向機械能的轉化。而在自由活塞發動機中，取消了傳動裝置—曲軸和連桿，發動機的工作運動是通過活塞往復運動來實現的，活塞復位是通過空氣彈簧運動來實現的。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律即可實現不同壓縮比的轉換，從而能夠適應于各種不同燃料的工作。

與曲軸式發動機相比，自由活塞發動機具有以下優點：

（1）結構簡化。在自由活塞發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）發動機的運動狀態能夠進行實時調整。由于發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對活塞的運動狀態進行控制。

（4）工作方式多樣性。由自由活塞發動機的結構特性，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

自由活塞發動機是一個比較復雜的系統，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動機做功的能量和損耗的能量相平衡。要保證發動機能夠長期、穩定、高效地工作。必須對發動機的壓縮比、換氣、噴油和燃燒進行準確控制。

2.1 發動機壓縮比的控制

通常會將壓縮比這一參數用來衡量發動機的性能。自由活塞發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。當前，發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相協調，從而實現控制的靈活性和精確性。

2.3 噴油控制

發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動機均質混合氣形成的影響。而對于采用壓燃方式的發動機，其采用的噴油方式為高壓共軌噴射系統，該噴射系統能夠實現多段噴射，而對噴射的優化將直接影響到發動機的工作效率。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.自由活塞式內燃發電系統基礎探索研究[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。