朱成瑋 石天翔 王金龍 肖 進(jìn)

（上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200240）

引言

自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)（Free Piston Engine，F(xiàn)PE）是一種去除了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的直線發(fā)動(dòng)機(jī)，其活塞組件可以作“自由”的直線運(yùn)動(dòng)[1]。相比于曲軸式內(nèi)燃機(jī)，F(xiàn)PE減少了大量的運(yùn)動(dòng)部件[2]，因此具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括摩擦損失大大降低，傳熱損失和NOx生成量少，燃料適應(yīng)性好以及維護(hù)費(fèi)用低等[3]。自由活塞內(nèi)燃直線發(fā)電機(jī)（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(dòng)機(jī)和直線電機(jī)耦合而成，受到近年來新能源汽車發(fā)展熱潮的推動(dòng)[4]，F(xiàn)PLG因可用作電動(dòng)車增程器而格外受到關(guān)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(duì)置活塞式3種。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)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(shí)現(xiàn)精確控制，易出現(xiàn)失火和撞缸等故障，試驗(yàn)樣機(jī)往往難以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[9-11]。而單活塞式FPLG采用回復(fù)裝置代替了一側(cè)的氣缸，減小了燃燒的影響，相關(guān)試驗(yàn)研究顯示[6-8]，采用該結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。本文試制了一臺(tái)單活塞式FPLG原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了其連續(xù)運(yùn)行，分析了其運(yùn)行特性，為后續(xù)研究和FPLG的優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)樣機(jī)與方法

圖1和圖2分別為試驗(yàn)原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖。原理樣機(jī)采用基于空氣彈簧的單活塞式結(jié)構(gòu)，即在直線電機(jī)兩側(cè)各布置一個(gè)氣缸，其中一個(gè)氣缸作為動(dòng)力缸，對(duì)側(cè)氣缸則用作空氣彈簧。混合氣在動(dòng)力缸中的燃燒推動(dòng)活塞向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。在活塞下行的過程中空氣彈簧吸收部分活塞的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能并使活塞減速，在活塞到達(dá)下止點(diǎn)后，空氣彈簧推動(dòng)活塞上行，其勢(shì)能轉(zhuǎn)化為活塞的動(dòng)能。氣缸與直線電機(jī)均安裝于一固定支架上，為防止試驗(yàn)意外導(dǎo)致原理樣機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重撞缸，活塞連桿上設(shè)計(jì)有臺(tái)階，與支架構(gòu)成一組限位裝置。原理樣機(jī)采用一臺(tái)壓氣機(jī)和一個(gè)穩(wěn)壓氣罐作為供氣氣源。動(dòng)力缸布置有進(jìn)氣口和排氣口，而空氣彈簧氣缸排氣口封閉，僅留有進(jìn)氣口，兩個(gè)氣缸的進(jìn)氣口各自通過一個(gè)調(diào)壓閥與氣罐相連。由此，空氣彈簧氣缸的進(jìn)氣口用作調(diào)壓口，可通過改變缸內(nèi)增壓系數(shù)對(duì)空氣彈簧的彈性系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。而動(dòng)力缸的進(jìn)氣口用作掃氣口，理論上可以依靠進(jìn)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(jī)使用氮?dú)庠鰤夯钊叫钅芷魈峁┖愣ǖ目烧{(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(yàn)原理樣機(jī)的主要參數(shù)如表1所示，本文試驗(yàn)條件如表2所示。

圖1 單活塞式FPLG原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 單活塞式FPLG原理樣機(jī)實(shí)物圖

表1 原理樣機(jī)主要參數(shù)

表2 原理樣機(jī)試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)與狀態(tài)切換試驗(yàn)

FPLG通常使用直線電機(jī)作為啟動(dòng)裝置，即：首先使直線電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，推動(dòng)活塞壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體完成啟動(dòng)過程；系統(tǒng)啟動(dòng)之后，直線電機(jī)再切換到發(fā)電狀態(tài)對(duì)外輸出電能[12]。本文試驗(yàn)樣機(jī)亦采用該啟動(dòng)方式。

圖3中上圖是FPLG樣機(jī)從啟動(dòng)到點(diǎn)火成功的位移及缸壓隨時(shí)間變化的曲線，下圖是同一時(shí)間內(nèi)的控制信號(hào)，其中噴油和點(diǎn)火信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)（當(dāng)信號(hào)從0變?yōu)?時(shí)觸發(fā)一次噴油/點(diǎn)火），繼電器信號(hào)控制直線電機(jī)的狀態(tài)切換電路（信號(hào)為1時(shí)直線電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，為0時(shí)處于發(fā)電狀態(tài)）。如圖3所示，F(xiàn)PLG樣機(jī)啟動(dòng)時(shí)，直線電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)力推動(dòng)動(dòng)子組件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且振幅不斷擴(kuò)大，此時(shí)控制系統(tǒng)不輸出噴油和點(diǎn)火信號(hào)。在第5個(gè)循環(huán)時(shí)，缸壓達(dá)到1.3 MPa，超過了程序所設(shè)定的燃料著火條件（1.2 MPa），因而從第6個(gè)循環(huán)開始，控制系統(tǒng)開始輸出噴油和點(diǎn)火信號(hào)，嘗試點(diǎn)火，此時(shí)的純壓縮的缸壓峰值穩(wěn)定在1.4 MPa。在第9個(gè)循環(huán)時(shí)，氣缸點(diǎn)火成功，繼電器控制信號(hào)由1變?yōu)?，直線電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

圖3 FPLG從啟動(dòng)到穩(wěn)定的運(yùn)行曲線及控制信號(hào)

2.2 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)

在表2的試驗(yàn)條件下，原理樣機(jī)完成啟動(dòng)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(yùn)行。如圖4所示為FPLG樣機(jī)從啟動(dòng)開始30個(gè)循環(huán)的運(yùn)行頻率變化，依據(jù)活塞2次達(dá)到上止點(diǎn)之間所經(jīng)過的時(shí)間計(jì)算周期，頻率即為周期的倒數(shù)。從圖4中可以看到，啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行頻率逐漸增加，從第6個(gè)循環(huán)開始穩(wěn)定在22 Hz左右。到第9個(gè)循環(huán)時(shí)，動(dòng)力缸點(diǎn)火成功，頻率增大至43 Hz。隨著樣機(jī)的運(yùn)行，頻率的波動(dòng)逐漸減小，到第20個(gè)循環(huán)時(shí)，樣機(jī)的頻率穩(wěn)定在43.5 Hz附近。

圖4 FPLG從啟動(dòng)至穩(wěn)定的頻率變化

FPLG穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)子組件運(yùn)動(dòng)特性如圖5和圖6所示。由圖5可以看出，F(xiàn)PLG動(dòng)子的位移曲線在上下止點(diǎn)處呈現(xiàn)出近似尖點(diǎn)的形狀，而在行程中段則近似為直線。對(duì)應(yīng)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(diǎn)附近則發(fā)生突變，整個(gè)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(dòng)子組件下行時(shí)由動(dòng)力缸內(nèi)氣體的燃燒推動(dòng)，故而速度較快，接近10 m/s，上行時(shí)由空氣彈簧的彈力推動(dòng)，速度比下行時(shí)慢，保持在8 m/s左右。進(jìn)一步分析可知，F(xiàn)PLG動(dòng)子組件在上下止點(diǎn)處加速度很大，且由于沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，活塞在上止點(diǎn)附近停留的時(shí)間很短，相比于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)可以簡(jiǎn)化為等容加熱循環(huán)[13]，F(xiàn)PLG實(shí)際循環(huán)中的等容時(shí)間很短。活塞在到達(dá)上止點(diǎn)后會(huì)迅速加速并遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，致使燃燒室體積迅速增大，這對(duì)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(jī)，F(xiàn)PLG對(duì)氣缸燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。但在另一方面，F(xiàn)PLG的這一運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)行動(dòng)子位移曲線

圖6 FPLG穩(wěn)定運(yùn)行動(dòng)子速度-位移曲線

FPLG穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下動(dòng)力缸和空氣彈簧的缸壓曲線如圖7所示，在點(diǎn)火位27 mm時(shí)，動(dòng)力缸缸壓峰值可達(dá)3.3 MPa。由于動(dòng)子活塞組件下行過程中摩擦力和電磁阻力做負(fù)功，造成動(dòng)能損失，因而空氣彈簧缸壓峰值略低于動(dòng)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(diǎn)位置為41.7 mm，缸壓峰值出現(xiàn)在40.4 mm處，亦即上止點(diǎn)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(yīng)當(dāng)完全重合，但實(shí)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(dá)0.3 MPa，這與前期仿真研究基本相符[14]。分析認(rèn)為，由于本文原理樣機(jī)的空氣彈簧缸徑與動(dòng)力缸相同，空氣彈簧需要達(dá)到較高的缸壓才能保證動(dòng)子組件的回復(fù)效果，缸內(nèi)氣體被劇烈壓縮升溫，故而傳熱損失較大。推測(cè)認(rèn)為，如果在設(shè)計(jì)中使空氣彈簧缸徑大于動(dòng)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(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。

圖7 FPLG穩(wěn)定運(yùn)行缸內(nèi)壓力曲線

圖8 FPLG穩(wěn)定運(yùn)行缸內(nèi)壓力-位移曲線

2.3 變點(diǎn)火位試驗(yàn)研究

在傳統(tǒng)曲軸式發(fā)動(dòng)機(jī)中，點(diǎn)火正時(shí)是一個(gè)非常重要的控制參數(shù)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能具有很大影響。而由于FPLG沒有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，上止點(diǎn)位置不固定，點(diǎn)火位置對(duì)缸內(nèi)燃燒和系統(tǒng)性能的影響將被進(jìn)一步放大。因此，研究點(diǎn)火位置對(duì)樣機(jī)運(yùn)行特性的影響是十分必要的。

如圖9所示為表2的試驗(yàn)條件下，改變點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)的位置對(duì)FPLG樣機(jī)動(dòng)力缸燃燒情況的影響。在點(diǎn)火位置為26、27、28、29和30 mm下分別進(jìn)行連續(xù)300個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，依據(jù)第一次點(diǎn)火成功后所有試驗(yàn)循環(huán)的不失火數(shù)計(jì)算得到著火比例；平均缸壓峰值為第一次點(diǎn)火成功后所有點(diǎn)著循環(huán)的動(dòng)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(jī)在點(diǎn)火位置為27～29 mm時(shí)不會(huì)發(fā)生失火現(xiàn)象，可以達(dá)到100%點(diǎn)著，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。而在點(diǎn)火位置為26 mm和30 mm時(shí)的點(diǎn)著率分別為93.77%和88.68%。事實(shí)上，當(dāng)點(diǎn)火位置為26 mm時(shí)在試驗(yàn)中觀察到了明顯的冷啟動(dòng)困難現(xiàn)象，而在點(diǎn)火位置為30 mm時(shí)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(diǎn)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(diǎn)火位置對(duì)動(dòng)力缸著火比例和缸壓的影響

圖10 和圖11進(jìn)一步給出了點(diǎn)火位置為26 mm和30 mm時(shí)的情況。如圖10所示，當(dāng)點(diǎn)火位置為26 mm時(shí)，樣機(jī)在啟動(dòng)過程中連續(xù)進(jìn)行了15次點(diǎn)火嘗試均失敗，直到第16次點(diǎn)火時(shí)，氣缸才首次點(diǎn)著。這是由于點(diǎn)火信號(hào)位置過于提前，缸內(nèi)混合氣壓力較低，同時(shí)燃料與空氣混合亦不充分，在冷啟動(dòng)狀態(tài)下難以點(diǎn)著。而在首次點(diǎn)著之后，運(yùn)行過程中也容易發(fā)生失火現(xiàn)象。如圖11所示，當(dāng)點(diǎn)火位置為30 mm時(shí)，缸壓曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。分析認(rèn)為，由于火焰的傳播需要一定的時(shí)間，當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)位置靠近上止點(diǎn)時(shí)，少量燃料在活塞上行過程中燃燒，此時(shí)動(dòng)力缸內(nèi)的壓力不足以推動(dòng)動(dòng)子活塞組件轉(zhuǎn)變?yōu)橄滦?，故而樣機(jī)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(diǎn)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(diǎn)后迅速加速離開上止點(diǎn)，致使燃燒室體積迅速增大，對(duì)火焰的傳播不利。此時(shí)，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(diǎn)火位置推遲時(shí)缸內(nèi)氣體的燃燒情況是不穩(wěn)定的，因此著火比例也會(huì)降低。

圖10 點(diǎn)火位置26mm啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)火困難現(xiàn)象

圖11 點(diǎn)火位置30 mm時(shí)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(diǎn)火位置對(duì)于FPLG樣機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有很大影響，且能夠保證FPLG穩(wěn)定運(yùn)行的點(diǎn)火位置范圍狹窄，這與相關(guān)研究結(jié)論類似[6]。因而，在FPLG的設(shè)計(jì)與研究中，合適的點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)和點(diǎn)火策略制定對(duì)保證FPLG的穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)火位置對(duì)缸內(nèi)燃燒情況和動(dòng)子活塞組件運(yùn)動(dòng)速度的影響。在圖12中，點(diǎn)火位置為27 mm、28 mm、29 mm情況下的活塞上止點(diǎn)位置分別為41.7 mm、41.8 mm、42.0 mm，而對(duì)應(yīng)的缸壓峰值位置為40.4 mm、39.3 mm、38.3 mm，亦即隨著點(diǎn)火的延遲，缸壓峰值出現(xiàn)的位置顯著遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，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(jī)的功率輸出。進(jìn)一步的影響如圖13所示，隨著點(diǎn)火位置推遲，動(dòng)子活塞組件的運(yùn)動(dòng)速度明顯降低，動(dòng)子組件的行程也有所減小。

圖12 點(diǎn)火位置對(duì)燃燒的影響

圖13 點(diǎn)火位置對(duì)速度的影響

點(diǎn)火位置對(duì)FPLG原理樣機(jī)的運(yùn)行頻率的影響如圖14所示，采用波動(dòng)率作為衡量各循環(huán)一致性的指標(biāo)，對(duì)于參數(shù)x，其循環(huán)波動(dòng)率的計(jì)算方法為：

圖14 點(diǎn)火位置對(duì)頻率影響

圖15 點(diǎn)火位置對(duì)缸壓的影響

3 結(jié)論

1）建立了FPLG原理樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(jī)作為啟動(dòng)裝置成功啟動(dòng)并連續(xù)運(yùn)行超過1 000循環(huán)。

2）FPLG的動(dòng)子活塞組件具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)特性，活塞在上止點(diǎn)附近停留時(shí)間很短，可以有效減小傳熱損失并提高熱效率，但同時(shí)對(duì)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

3）樣機(jī)的空氣彈簧存在明顯的傳熱損失問題，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以采用大缸徑的空氣彈簧，降低其缸內(nèi)壓力，進(jìn)而減小傳熱損失，提高熱效率。

4）點(diǎn)火位置對(duì)FPLG運(yùn)行的穩(wěn)定性和運(yùn)行參數(shù)具有很大影響，且FPLG的點(diǎn)火位置范圍狹窄，因此在FPLG的設(shè)計(jì)中，點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火策略應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮。