车辆工程技术
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机械电子
韩志浩
（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255000）
摘 要：相对于传统的发动机而言，自由活塞发动机线性发电机（Free Piston Engine Linear Generator）是能源动力领域较新的能量转化机器。凭借其结构特征的简单化、能源利用率的高效化、运动状态的可调化以及工作方式的多样化，自由活塞发动机线性发电机在现代工业领域已经得到了越来越广泛的应用。
关键词：自由活塞；发动机；线性发电机；现状；发展趋势
1 基本结构和工作原理
FPEG 根据活塞的布置形式有3种基本的结构形式：单活塞式，双活塞式，对置活塞式。
1.1 单活塞式自由活塞发动机
对于单活塞式自由活塞发动机来说，整个装备主要有两部分组成：活塞组件和燃烧室。单活塞式自由活塞发动机的整体结构如图（a）。在发动机的工作过程中，其归位装置与负载为相同装置。该结构类型自由活塞发动机的可控性比较强，归位装置对于燃烧室的压缩过程能够进行精确控制。但是在工作过程中，发动机的受力不均衡，呈现出
非对称状态，因此整个装置需要加装平衡装置。
（a）单活塞式
1.2 双活塞式自由活塞发动机 双活塞式自由活塞发动机中，布置了两个燃烧室和一个活塞组件，整个装置中没有专门用来进行复位的装置。该类型的装置有两种形式：一种为在两个燃烧室的中间布置
一个负载，而第二种形式为在一个燃烧室的两端分布两个负载。该类型的装置对负载的敏感性较高，通常用在循环变化的工作环境中，其结构如图(b)所示。美国环保署在双活塞式发动机的基础上开了六缸四冲程的发动机，该发动机将三组双活塞式发动机有机地组合在一起，并利用电液阀来对发动机进行换气
控制，使得整个系统能够工作在稳定的条件下。
（b）双活塞式
1.3 对置活塞式自由活塞发动机
对置活塞式自由活塞发动机的结构如图（c）所示。在该装置中主要包含了一个燃烧室，而两个活塞组件分别置于燃烧室的两端。在工作过程中，负载能够加载任意一个或两个活塞。这种自由活塞发动机由于受力是均衡的，因此装置的振动能够极大地减小。并且由于整个系统相对封闭，热量消散得快，因此燃烧的效率较高。以对置活塞式自由活塞发动机为原型，丰桥技术科学大学开发了具有31%转换效
率的二冲程发动机。
（c）对置活塞式
相对与传统的发动机而言，自由活塞发动机线性发电机（Free Piston Engine Linear Generator，FPEG）是能源动力领域一种较新的能量转化机器[1]。对于传统的发动机而言，其工作过程是燃油燃烧驱动活塞做往返运动。活塞的往返运动将驱动曲柄连杆机构对外做功，从而实现化学能向机械能的转化。而在自由活塞发动机中，取消了传动装置—曲轴和连杆，发动机的工作运动是通过活塞往复运动来实现的，活塞复位是通过空气弹簧运动来实现的。在自由活塞的运动过程中，活塞能够在不同的止点位置停止，显然改变活塞的运动规律即可实现
不同压缩比的转换，从而能够适应于各种不同燃料的工作。 与曲轴式发动机相比，自由活塞发动机具有以下优点：
（1）结构简化。在自由活塞发动机中取消了曲柄连杆机构和飞轮组。因此自由活塞的运动机构和储能机构得到了极大的简化。
（2）能源利用率提高。在自由活塞发动机中，由于结构得到了简化，能量传递链变短，从而能量传递过程中的能量损失也随之减低。 （3）发动机的运动状态能够进行实时调整。由于发动机中活塞的运动受到燃烧室中压力、运动过程中摩擦力以及液压动力的多重影响。因此通过对燃料浓度、液压压力等控制即可实现对活塞的运动状态进行控制。
（4）工作方式多样性。由自由活塞发动机的结构特性，且具有可变的压缩比，因此能够采用火花点燃、压燃和均质燃烧等工作方式。
2 特性及关键技术
自由活塞发动机是一个比较复杂的系统，在工作过程中追寻能量的平衡。即由燃料燃烧释放的化学能需要与发动机做功的能量和损耗的能量相平衡。要保证发动机能够长期、稳定、高效地工作。必须对发动机的压缩比、换气、喷油和燃烧进行准确控制。
2.1 发动机压缩比的控制
通常会将压缩比这一参数用来衡量发动机的性能。自由活塞发动机内活塞的运动不受曲柄连杆的限制，活塞的上下止点并非为固定点，因此对应的压缩比控制也十分灵活，但是对于压缩比的精确控制也提出了难题。
2.2 换气的控制
由于发动机在工作过程中活塞的相对自由性，因此在换气控制和预测上也面临着挑战。当前，发动机的进排气结构主要会采用以下三种结构：气门-气门结构、气门-气口结构、气口-气口结构。气门结构通常为独立结构，并且在使用的过程中需要与喷油系统相协调，从而实现控制的灵活性和精确性。
2.3 喷油控制
发动机工作动力来源于燃油燃烧产生的化学能，油量的供给将直接影响燃油的燃烧和化学能的转换。油量的供给必须与燃烧室的结构、气流的运动以及工作的状况进行匹配。目前，自由活塞发动机的点燃方式主要采用的是缸内直喷，因此要着重加强喷油参数对直喷发动机均质混合气形成的影响。而对于采用压燃方式的发动机，其采用的喷油方式为高压共轨喷射系统，该喷射系统能够实现多段喷射，而对喷射的优化将直接影响到发动机的工作效率。这也是当前研究的热点。参考文献：发动机压缩比
[1]夏必忠等.双活塞液压自由活塞发动机原理样机的研制及其压缩比[J].机械工程学报,2006(03):117-123.
[2]李小庆.自由活塞式内燃发电系统基础探索研究[J].上海交通大学,2012:88.
作者简介：韩志浩（1993-），男，山东诸城人，本科，工程师，研究方向：车辆数字化设计与制造。
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