王明星 ，代正弋 ，宋江 ，侯磊，余立新

（1.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)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(yè)的快速發(fā)展使得汽車排放問題越來越嚴(yán)峻，空氣質(zhì)量問題已經(jīng)受到各界人士的關(guān)注，與此同時，世界能源消耗大幅增加，導(dǎo)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(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)而言，通常采用Otto 循環(huán)，但該循環(huán)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(fā)新的動力裝置，選擇清潔燃料，選擇合適的熱力循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，Atkinson 循環(huán)在新型動力裝置中有著很好的應(yīng)用前景，相關(guān)研究人員將該循環(huán)與自由活塞相結(jié)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(fā)，四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比有著結(jié)構(gòu)簡單、制造維護(hù)成本低、循環(huán)熱效率高、燃料適應(yīng)性好等明顯優(yōu)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(jīng)濟(jì)性明顯好于其他能源。因此本文在自由活塞發(fā)動機(jī)樣機(jī)基礎(chǔ)上，增加設(shè)計了天然氣供氣系統(tǒng)，對四沖程自由活塞式天然氣發(fā)動機(jī)整個熱力過程進(jìn)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(jìn)行了分析和探究。

1 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)基本構(gòu)成及工作原理

1.1 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)基本構(gòu)成

圖1 沖程自由活塞發(fā)動機(jī)基本構(gòu)成

四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)基本構(gòu)成如圖所示，包括了自由活塞、電磁驅(qū)動氣門、直線電機(jī)、控制單元、儲能元件等。

1.2 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)工作原理

四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)工作原理與Otto 循環(huán)發(fā)動機(jī)相類似，但活塞不再依靠曲軸進(jìn)行驅(qū)動，而是將活塞與直線電機(jī)動子相連接，在氣缸中上下往復(fù)運(yùn)動，通過控制電機(jī)電流大小以及方向，完成對自由活塞運(yùn)動的調(diào)節(jié)，從而完成四沖程熱力循環(huán)。

1.3 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)理論熱力循環(huán)分析

本文建立的四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)理論熱力循環(huán)主要是建立在Atkinson 循環(huán)下的熱力學(xué)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(dú)立壓縮中冷過程簡化為絕熱壓縮過程和冷卻過程。TDCI為進(jìn)氣上止點，TDCC為壓縮上止點，BDCI為進(jìn)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(fā)動機(jī)做功能力，從而對發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性實現(xiàn)有效改善，根據(jù)循環(huán)熱效率最高，能夠?qū)ψ顑?yōu)膨脹比進(jìn)行定義。

2 四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)樣機(jī)試驗

在原有四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)樣機(jī)基礎(chǔ)上，為驗證其燃料適應(yīng)性，需要增加天然氣供氣系統(tǒng)，樣機(jī)主要參數(shù)如表1。

圖2 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)

表1 四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)樣機(jī)主要性能參數(shù)

在設(shè)計天然氣供氣系統(tǒng)時，天然氣在缸外與空氣進(jìn)行預(yù)混合，然后在接近氣門處噴射，缸體本身結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行其他改動，僅利用軟件就可以實現(xiàn)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(xiàn)對天然氣的定時定量供應(yīng)。由于本課題中CNG 采用的是在缸外進(jìn)氣道內(nèi)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(jìn)氣沖程對其進(jìn)行彌補(bǔ)。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?xì)鈮毫囟葌鞲衅鞅O(jiān)測各部位燃?xì)鈮毫Φ?，是非常重要的?shù)據(jù)來源。樣機(jī)運(yùn)行后，需要研究例如改變進(jìn)氣沖程長度、壓縮比、膨脹比等對系統(tǒng)性能的影響，因此，在設(shè)計試驗時會進(jìn)行對比試驗以探尋影響規(guī)律。

由于自由活塞發(fā)動機(jī)中電器驅(qū)動配氣系統(tǒng)取締了傳統(tǒng)的凸輪配氣，這樣做的結(jié)果使發(fā)動負(fù)荷不再受到氣門開度的影響，而主要是由進(jìn)氣行程來改變進(jìn)入氣缸的空氣量。對比進(jìn)氣沖程48mm 和54mm 兩種進(jìn)氣沖程長度情況后，可以看出進(jìn)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(fā)動機(jī)峰值壓力也越大，對外輸出功也隨之增多，可承受負(fù)載也越大。

圖3 進(jìn)氣沖程長度對于缸內(nèi)壓力以及活塞運(yùn)動速度影響

在對發(fā)動機(jī)的研究過程當(dāng)中，壓縮比和膨脹比是其中非常重要的性能參數(shù)。對于四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)而言，由于其通過電磁驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)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(yōu)化，有利于循環(huán)溫度梯度的擴(kuò)大，有效提高峰值壓力。對于自由活塞發(fā)動機(jī)而言，其壓縮比膨脹比的分離的，膨脹比越大，最后缸內(nèi)壓力最小，所以發(fā)動機(jī)的輸出功率也就越大。從下圖中可以清楚看出當(dāng)壓縮比和膨脹比發(fā)生變化時，發(fā)動機(jī)性能的改變。

3 四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)性能優(yōu)劣及影響因素

相比傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)來說，自由活塞天然氣的氣門運(yùn)動以及活塞運(yùn)動等都可以自由調(diào)節(jié)，同時受到活塞的形狀、空氣系統(tǒng)等都會對發(fā)動機(jī)的性能帶來負(fù)面影響。下文就著重分析影響天然氣發(fā)動機(jī)性能的因素。

圖4 膨脹比對于缸內(nèi)壓力的影響

3.1 進(jìn)氣門運(yùn)動的影響

當(dāng)進(jìn)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(jìn)入氣缸，但是如果氣門開啟時間過早，可能導(dǎo)致進(jìn)入氣缸的氣體過多，從而增加了氣缸內(nèi)部的廢氣指數(shù)，會使泵氣的損失率更高，影響整個氣缸的進(jìn)氣沖程的程度。如果在進(jìn)氣的初期階段，活塞運(yùn)動的速度相對較低，可以通過推遲進(jìn)氣的方式增加進(jìn)氣沖程的運(yùn)動強(qiáng)度，但是要合理地控制這個延遲的時間，一般來說，會選擇進(jìn)氣門止點后的2.5mm 左右開啟為最佳時機(jī)。此外，氣門正時會對港內(nèi)的工質(zhì)速度場帶來一定的影響，在電磁力的驅(qū)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(dāng)氣門關(guān)閉之后，升程大的會最先開始關(guān)閉。

圖5 壓縮比對于缸內(nèi)壓力的影響

3.2 壓縮比的影響

壓縮比是活塞在進(jìn)氣狀態(tài)下，氣缸的總?cè)莘e和活塞在壓縮上止點其燃燒室容積的比。增大進(jìn)氣沖程的長度能夠?qū)嚎s比值帶來影響，當(dāng)發(fā)動機(jī)去除節(jié)氣門后，其泵氣的損失會有明顯的下降，而且發(fā)動機(jī)的負(fù)荷也會有所降低，在不改變發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要持續(xù)為氣缸輸入空氣，從而滿足發(fā)動機(jī)的負(fù)荷要求，這就是四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)的特點之一。進(jìn)氣沖程的長度不僅會影響進(jìn)入氣缸氣體的總量，而且對其工質(zhì)運(yùn)動強(qiáng)度也會帶來一定的影響。當(dāng)進(jìn)氣沖程增大之后，其缸內(nèi)的單位質(zhì)量的動能也會增加，而增加進(jìn)氣沖程之后，氣門持續(xù)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(fā)動機(jī)的性能。

3.3 點火時刻的影響

當(dāng)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(jìn)行下一步的點火，而點火時刻的選擇也會影響發(fā)動機(jī)的性能。天然氣的主要成分是甲烷，其具有很強(qiáng)的火星，所以，點火時刻對其燃燒性能會產(chǎn)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(nèi)的阻力相對較小，隨著燃燒的不斷進(jìn)行，其缸內(nèi)的壓力也會有所提升?？偟膩碚f，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(zhǔn)一個科學(xué)合理的點火時刻。

3.4 過量空氣系數(shù)的影響

如果進(jìn)入缸內(nèi)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(fù)荷的情況下，如果天然氣過稀，會影響整個火焰?zhèn)鞑サ乃俣?，?dǎo)致燃燒不完全，從而排放出CO 等有害氣體，這不僅降低了發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率，而且影響了周圍的環(huán)境。因此，要避免過量的空氣進(jìn)入氣缸內(nèi)容。

4 結(jié)語

隨著汽車工業(yè)的發(fā)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(fā)現(xiàn)，將天然氣能源應(yīng)用于自由活塞發(fā)動機(jī)上能夠很好地結(jié)合二者的優(yōu)勢，因此具有非常良好的發(fā)展空間。

本文對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)的熱力過程進(jìn)行了深入分析和研究，對其建立了理論熱力循環(huán)模型，在熱力分析后得出，高膨脹比Atkinson 循環(huán)下的發(fā)動機(jī)熱效率明顯高于傳統(tǒng)Otto 循環(huán)，且通過增大膨脹比能夠有效增大循環(huán)熱效率，能夠根據(jù)循環(huán)熱效率最高點定義相應(yīng)的最優(yōu)膨脹比。在原有四沖程自由活塞式發(fā)動機(jī)樣機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)燃料噴射裝置以及點火系統(tǒng)之后，通過試驗驗證了四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)的燃料適用性，試驗結(jié)果表明，在使用天然氣作為燃料時，需要適當(dāng)推遲點火，從而有效減少熱損失以及壓縮負(fù)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(fā)動機(jī)中，通過慢進(jìn)氣快壓縮以及活塞運(yùn)動前期慢后期快這樣的運(yùn)動規(guī)律，能夠確保燃燒火焰更好地傳播，提高發(fā)動機(jī)的性能。

在對發(fā)動機(jī)全過程瞬態(tài)數(shù)值模擬計算基礎(chǔ)上，對影響發(fā)動機(jī)性能因素進(jìn)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(nèi)壓縮比等方式提高發(fā)動機(jī)熱效率。目前對于四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)的研究依然處于試驗階段，發(fā)動機(jī)各項性能優(yōu)化仍有很大提升空間，需在后續(xù)研究中加以改進(jìn)。