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(fā)動機（Free Piston Engine，F(xiàn)PE）是一種去除了曲柄連桿機構(gòu)的直線發(fā)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(nèi)燃機，F(xiàn)PE減少了大量的運動部件[2]，因此具有諸多優(yōu)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(nèi)燃直線發(fā)電機（Free Piston Linear Generator，F(xiàn)PLG）作為一種新型能量轉(zhuǎn)化裝置，由自由活塞發(fā)動機和直線電機耦合而成，受到近年來新能源汽車發(fā)展熱潮的推動[4]，F(xiàn)PLG因可用作電動車增程器而格外受到關注[5-8]。

通常，F(xiàn)PLG根據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)相關研究多數(shù)采用雙活塞式布置，該種結(jié)構(gòu)功率密度較高，但由于雙活塞式FPLG兩側(cè)氣缸的燃燒相互影響，故難以實現(xiàn)精確控制，易出現(xiàn)失火和撞缸等故障，試驗樣機往往難以連續(xù)穩(wěn)定運行[9-11]。而單活塞式FPLG采用回復裝置代替了一側(cè)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(jié)構(gòu)更易實現(xiàn)樣機的連續(xù)運行。本文試制了一臺單活塞式FPLG原理樣機，實現(xiàn)了其連續(xù)運行，分析了其運行特性，為后續(xù)研究和FPLG的優(yōu)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(jié)構(gòu)圖和實物圖。原理樣機采用基于空氣彈簧的單活塞式結(jié)構(gòu)，即在直線電機兩側(cè)各布置一個氣缸，其中一個氣缸作為動力缸，對側(cè)氣缸則用作空氣彈簧?；旌蠚庠趧恿Ω字械娜紵苿踊钊蛳轮裹c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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)嚴重撞缸，活塞連桿上設計有臺階，與支架構(gòu)成一組限位裝置。原理樣機采用一臺壓氣機和一個穩(wěn)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(diào)壓閥與氣罐相連。由此，空氣彈簧氣缸的進氣口用作調(diào)壓口，可通過改變缸內(nèi)增壓系數(shù)對空氣彈簧的彈性系數(shù)進行調(diào)節(jié)。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(nèi)廢氣掃出，確保缸內(nèi)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(diào)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)

表2 原理樣機試驗條件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 啟動與狀態(tài)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(tài)，推動活塞壓縮發(fā)動機缸內(nèi)氣體完成啟動過程；系統(tǒng)啟動之后，直線電機再切換到發(fā)電狀態(tài)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(nèi)的控制信號，其中噴油和點火信號為觸發(fā)信號（當信號從0變?yōu)?時觸發(fā)一次噴油/點火），繼電器信號控制直線電機的狀態(tài)切換電路（信號為1時直線電機處于電動狀態(tài)，為0時處于發(fā)電狀態(tài)）。如圖3所示，F(xiàn)PLG樣機啟動時，直線電機處于電動狀態(tài)，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(tǒng)不輸出噴油和點火信號。在第5個循環(huán)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(huán)開始，控制系統(tǒng)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(wěn)定在1.4 MPa。在第9個循環(huán)時，氣缸點火成功，繼電器控制信號由1變?yōu)?，直線電機進入發(fā)電狀態(tài)。

圖3 FPLG從啟動到穩(wěn)定的運行曲線及控制信號

2.2 連續(xù)運行試驗

在表2的試驗條件下，原理樣機完成啟動與狀態(tài)切換后，取得了超過1 000循環(huán)的連續(xù)穩(wěn)定運行。如圖4所示為FPLG樣機從啟動開始30個循環(huán)的運行頻率變化，依據(jù)活塞2次達到上止點之間所經(jīng)過的時間計算周期，頻率即為周期的倒數(shù)。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(huán)開始穩(wěn)定在22 Hz左右。到第9個循環(huán)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(huán)時，樣機的頻率穩(wěn)定在43.5 Hz附近。

圖4 FPLG從啟動至穩(wěn)定的頻率變化

FPLG穩(wěn)定運行狀態(tài)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，F(xiàn)PLG動子的位移曲線在上下止點處呈現(xiàn)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(fā)生突變，整個速度-位移曲線近似圓角矩形。由圖6還可以發(fā)現(xiàn)，由于動子組件下行時由動力缸內(nèi)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，F(xiàn)PLG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(gòu)，活塞在上止點附近停留的時間很短，相比于傳統(tǒng)火花點火發(fā)動機的實際循環(huán)可以簡化為等容加熱循環(huán)[13]，F(xiàn)PLG實際循環(huán)中的等容時間很短?；钊诘竭_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(nèi)火焰的傳播是極為不利的，因此相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，F(xiàn)PLG對氣缸燃燒系統(tǒng)設計提出了更高的要求。但在另一方面，F(xiàn)PLG的這一運動特性可使缸內(nèi)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(wěn)定運行動子位移曲線

圖6 FPLG穩(wěn)定運行動子速度-位移曲線

FPLG穩(wěn)定運行狀態(tài)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(nèi)壓力-位移曲線，由圖中可知，循環(huán)上止點位置為41.7 mm，缸壓峰值出現(xiàn)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(nèi)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(cè)的傳熱損失，進一步提高系統(tǒng)效率。

圖7 FPLG穩(wěn)定運行缸內(nèi)壓力曲線

圖8 FPLG穩(wěn)定運行缸內(nèi)壓力-位移曲線

2.3 變點火位試驗研究

在傳統(tǒng)曲軸式發(fā)動機中，點火正時是一個非常重要的控制參數(shù)，對內(nèi)燃機的性能具有很大影響。而由于FPLG沒有曲柄連桿機構(gòu)，上止點位置不固定，點火位置對缸內(nèi)燃燒和系統(tǒng)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(fā)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(xù)300個循環(huán)的試驗，依據(jù)第一次點火成功后所有試驗循環(huán)的不失火數(shù)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(huán)的動力缸缸壓峰值的平均值。從圖9中可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)LPG原理樣機在點火位置為27～29 mm時不會發(fā)生失火現(xiàn)象，可以達到100%點著，實現(xiàn)樣機的連續(xù)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(xiàn)象，而在點火位置為30 mm時則發(fā)生了限位裝置的撞擊和缸內(nèi)不正常燃燒。此外，隨著點火推遲，缸內(nèi)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(xù)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(nèi)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(tài)下難以點著。而在首次點著之后，運行過程中也容易發(fā)生失火現(xiàn)象。如圖11所示，當點火位置為30 mm時，缸壓曲線出現(xiàn)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(nèi)的壓力不足以推動動子活塞組件轉(zhuǎn)變?yōu)橄滦?，故而樣機的限位裝置發(fā)生了撞擊現(xiàn)象。而燃料主要的燃燒發(fā)生在活塞下行的過程中，缸壓峰值位置出現(xiàn)在37 mm處（上止點后5 mm）。正如上一節(jié)中所述，F(xiàn)PLG的活塞在經(jīng)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(nèi)壓力峰值較低，僅為2.2 MPa。顯然，點火位置推遲時缸內(nèi)氣體的燃燒情況是不穩(wěn)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(xiàn)象

圖11 點火位置30 mm時限位裝置撞擊與缸內(nèi)不正常燃燒現(xiàn)象

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

圖12和圖13所示為點火位置對缸內(nèi)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(xiàn)的位置顯著遠離上止點，缸壓峰值明顯降低，主要的燃燒發(fā)生在活塞下行過程中，不利于內(nèi)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(huán)一致性的指標，對于參數(shù)x，其循環(huán)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(jié)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(jié)構(gòu)，使用直線電機作為啟動裝置成功啟動并連續(xù)運行超過1 000循環(huán)。

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(tǒng)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(yōu)化設計中可以采用大缸徑的空氣彈簧，降低其缸內(nèi)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(wěn)定性和運行參數(shù)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(tǒng)和點火策略應當重點考慮。