文_趙思淇

關(guān)鍵字：自由活塞動力裝置；自由活塞發(fā)動機(jī)；自由活塞膨脹機(jī)

隨著世界范圍內(nèi)汽車保有量的激增，石油供需矛盾不斷加劇，同時汽車的有害排放物給人類及環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，促使世界各國在制定各種嚴(yán)格的車輛排放法規(guī)來規(guī)范汽車的生產(chǎn)和使用的同時，新型動力裝置得到了廣泛的關(guān)注和大力的發(fā)展。

傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)帶有曲軸-飛輪動力裝置，大部分能量通過機(jī)械損耗和熱量散失的形式損失了。而自由活塞發(fā)動機(jī)新型動力裝置由于摒除了曲柄連桿裝置，因此其具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高、可變壓縮比、燃料適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。

有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)在內(nèi)燃機(jī)余熱回收方面具有巨大的優(yōu)勢，而自由活塞膨脹機(jī)有摩擦損失小，結(jié)構(gòu)簡單，密封性好等優(yōu)點(diǎn)。因此自由活塞膨脹機(jī)對改善內(nèi)燃機(jī)ORC余熱回收系統(tǒng)的性能具有重要的意義。

本文將對自由活塞發(fā)動機(jī)與自由活塞膨脹機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和主要技術(shù)難點(diǎn)，以及兩種新型動力裝置國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作簡單介紹。

1.自由活塞基本結(jié)構(gòu)與工作原理

相對于傳統(tǒng)的曲柄連桿動力裝置旋轉(zhuǎn)式運(yùn)動，自由活塞動力裝置是直線往復(fù)運(yùn)動。各國研究者在研究自由活塞直線運(yùn)動裝置時，為了適應(yīng)不同工作條件，設(shè)計了各種各樣的樣機(jī)，如圖1所示。

單缸、對置氣缸和對置活塞的基本形式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

圖1 自由活塞動力裝置分類

表1 3種布置形式的優(yōu)缺點(diǎn)

對比3種結(jié)構(gòu)布置情況可以得出，對置氣缸自由活塞動力裝置相對于其他兩種形式而言具有無回復(fù)裝置、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，本段以對置氣缸自由活塞動力裝置作為研究對象，研究其工作原理。

對置氣缸自由活塞發(fā)動機(jī)示意圖如圖2所示。圖示為以柴油為燃料的自由活塞發(fā)動機(jī)，燃料通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為燃?xì)獾膬?nèi)能，燃?xì)饨?jīng)膨脹將內(nèi)能轉(zhuǎn)換為活塞連桿耦合件的動能，活塞的連桿作為直線發(fā)電機(jī)的永磁動子，在運(yùn)動時磁感線切割電機(jī)定子里的繞組輸出電能，將連桿的部分動能裝換為電機(jī)的電能向外輸出。

對置氣缸自由活塞膨脹機(jī)示意圖如圖3所示。主要包括2個沖程：進(jìn)氣-膨脹沖程和排氣沖程。對于左側(cè)氣缸，當(dāng)FPE-LG處于進(jìn)氣-膨脹沖程時，高溫高壓工質(zhì)進(jìn)入氣缸并膨脹做功，此時右缸處于排氣沖程；當(dāng)FPE-LG左缸處于排氣沖程時，做功后的工質(zhì)從氣缸中排出，此時右缸處于進(jìn)氣-膨脹沖程。

自由活塞發(fā)動機(jī)與自由活塞膨脹機(jī)在結(jié)構(gòu)形式和工作原理上均與傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置有很大的不同，從中可以看出自由活塞動力裝置有較大的優(yōu)勢。

(1) 能量轉(zhuǎn)化效率和功率密度高。傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不夠緊湊，由于側(cè)向壓力較大，活塞與氣缸之間的摩擦損失較大；而自由活塞動力機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單且緊湊，由于活塞不受側(cè)向壓力，大幅降低活塞與氣缸之間的摩擦損失。

(2) 性能優(yōu)化簡單。傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置影響因素較多，因此優(yōu)化其性能較復(fù)雜；而自由活塞動力裝置性能主要取決于活塞兩端氣體作用力、摩擦力、電磁，從而優(yōu)化其性能較為簡單。

(3) 燃料或動力源多樣性。傳統(tǒng)曲軸連桿動力裝置在改變?nèi)剂虾蛣恿υ磿r，需要在其結(jié)構(gòu)上進(jìn)行較大幅度的改變；而自由活塞動力裝置上止點(diǎn)可變，因此可變壓縮比使該動力裝置可以適應(yīng)多種燃料和動力源。

圖2 對置氣缸自由活塞發(fā)動機(jī)示意圖

圖3 對置氣缸自由活塞膨脹機(jī)示意圖

圖4 點(diǎn)燃式自由活塞發(fā)動機(jī)樣機(jī)

圖5 單缸自由活塞發(fā)動機(jī)

2.自由活塞發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀

自由活塞直線往復(fù)運(yùn)動于20世紀(jì)20年代由皮斯拉提出，其當(dāng)時的構(gòu)想是將自由活塞直線運(yùn)動式發(fā)動機(jī)應(yīng)用于空氣壓縮機(jī)。在之后的幾十年自由活塞動力裝置作為空氣壓縮機(jī)和空氣發(fā)氣機(jī)得到較為廣泛的研究，但20世紀(jì)60年代美國通用汽車公司將渦輪增壓器試探性的裝在其生產(chǎn)的某種車型上，其發(fā)展優(yōu)勢較為明顯，因而自由活塞發(fā)氣機(jī)的發(fā)展受到限制。自20世紀(jì)80年代起，Bock提出了一種自由活塞式發(fā)動機(jī)型式，主要包括兩個相對布置的活塞和位于發(fā)動機(jī)的中心部分中的泵氣缸。之后，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對自由活塞動力裝置產(chǎn)生了濃厚的興趣，取得了階段性研究成果。

2.1 自由活塞發(fā)動機(jī)

20世紀(jì)末21世紀(jì)初，國內(nèi)外的許多科研機(jī)構(gòu)對自由活塞發(fā)動機(jī)的試驗(yàn)和仿真方面做了大量的基礎(chǔ)研究工作。

美國西弗吉尼亞大學(xué)的Clark等、美國圣地安國家實(shí)驗(yàn)室的Goldsborough等、美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Aichlmayr等分別就他們搭建的自由活塞發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺和計算機(jī)仿真進(jìn)行了詳細(xì)的研究工作。西弗吉尼亞大學(xué)搭建了點(diǎn)燃式、壓燃式自由活塞發(fā)動機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，點(diǎn)燃式樣機(jī)如圖4所示，均采用回流式掃氣方式，并建立了自由活塞發(fā)動機(jī)-直線電機(jī)的仿真模型，熱效率最高可達(dá)46%。圣地安國家實(shí)驗(yàn)室為了提高自由活塞發(fā)動機(jī)循環(huán)熱效率和減少廢氣排放，將HCCI燃燒模式應(yīng)用到自由活塞雙缸發(fā)動機(jī)，并研究了各種燃料的工作特性，其中在HCCI燃燒模式下采用天然氣燃料熱效率最高，可達(dá)56%，還用零維熱力學(xué)模型對自由活塞發(fā)動機(jī)的工作過程進(jìn)行了仿真研究，其理想熱效率可達(dá)65%。明尼蘇達(dá)大學(xué)[1]通過單次著火實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型分別研究了微小型自由活塞發(fā)動機(jī)，其中行程和缸徑的比值對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)熱傳遞有著重要影響。

英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Roskilly和Mikalsen[2]自2003年起對自由活塞發(fā)動機(jī)進(jìn)行了深入的研究工作，他們搭建了對置氣缸點(diǎn)燃式自由活塞發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架和數(shù)值模型，試驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示，試驗(yàn)和仿真結(jié)果相一致，但試驗(yàn)運(yùn)行頻率較低，不超過5 Hz，此外還建立了單氣缸壓燃式自由活塞發(fā)動機(jī)仿真模型，整機(jī)效率可達(dá)42%。捷克理工大學(xué)Vysoky先后搭建了2臺對置氣缸點(diǎn)燃式自由活塞實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，均采用了缸內(nèi)直噴技術(shù)，最高輸出功率可達(dá)5 kW，并且用Matlab/Simulink和dSPACE進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模和仿真研究。德國Pohl運(yùn)用Dymola/Modelica軟件進(jìn)行動力學(xué)系統(tǒng)仿真研究，研究單缸自由活塞發(fā)動機(jī)控制策略，原理圖如圖5所示。德國航空航天中心將自由活塞發(fā)動機(jī)作為新型增程器或串行混合動力驅(qū)動裝置，設(shè)計所得發(fā)電功率25 kW。

韓國國立首爾大學(xué)[3]研究了氫燃料自由活塞內(nèi)燃機(jī)和線性發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，分析了自由活塞發(fā)動機(jī)的線性發(fā)電機(jī)啟動方式的動態(tài)特性。韓國科學(xué)技術(shù)院研究了LPG火花塞點(diǎn)火對置氣缸自由活塞發(fā)動機(jī)的特性，火花正時處的瞬時活塞速度是控制發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵因素。日本豐田中央研究所研制了一臺單缸自由活塞發(fā)動機(jī)，試驗(yàn)裝置圖如圖6所示，分別研究了點(diǎn)燃和預(yù)混壓燃兩種燃燒模式的發(fā)動機(jī)性能，其中預(yù)混壓燃燃燒模式下，熱效率最高，可達(dá)42%。馬來亞大學(xué)設(shè)計了對置氣缸自由活塞發(fā)動機(jī)，其最大輸出功率為4.48 kW，還設(shè)計出了7 kW永磁直線電機(jī)。

圖6 單缸自由活塞發(fā)動機(jī)樣機(jī)

北京理工大學(xué)[4]在對置氣缸和單缸自由活塞發(fā)動機(jī)都進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)和仿真研究，其中對置氣缸采用了點(diǎn)燃和壓燃2種燃燒方式，研究了換氣過程、燃燒放熱過程、活塞環(huán)密封與潤滑過程等諸多特點(diǎn)，設(shè)計了電機(jī)子系統(tǒng)控制方案。南京理工大學(xué)先后設(shè)計了壓縮彈簧單缸四沖程、對置活塞四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)集成動力系統(tǒng)，單缸四沖程發(fā)電效率可以達(dá)到34%左右，驗(yàn)證了對置活塞四沖程可行性和研究其自由活塞組件的運(yùn)動規(guī)律，對置活塞自由活塞發(fā)動機(jī)原理圖如圖7所示。上海交通大學(xué)試制了對置氣缸自由活塞發(fā)動機(jī)樣機(jī)，找尋其最佳工況點(diǎn)，將chemkin程序與Matlab/Simulink仿真模型耦合起來研究其特性。吉林大學(xué)建立了四缸四沖程對置氣缸自由活塞發(fā)動機(jī)的AMESim仿真模型并研究了優(yōu)化控制方法。

從自由活塞發(fā)動機(jī)的研究現(xiàn)狀可知，由于其特殊的結(jié)構(gòu)引起國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，近年來取得了較大的研究進(jìn)展。然而，自由活塞發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)和穩(wěn)定運(yùn)行能力不足，此外樣機(jī)水平達(dá)不到工程要求的狀態(tài)。所以，自由活塞發(fā)動機(jī)的研發(fā)還需要國內(nèi)外研究人員的共同努力。

圖7 對置活塞自由活塞發(fā)動機(jī)原理圖

圖8 自由活塞膨脹機(jī)裝置

2.2 自由活塞膨脹機(jī)

自由活塞動力裝置除了自由活塞發(fā)動機(jī)外，自由活塞膨脹機(jī)作為一種新型膨脹機(jī)得到較為廣泛的研究。

路易斯安那理工大學(xué)[5]使用低成本材料測試了自由活塞膨脹機(jī)并且使用密封的單沖程實(shí)驗(yàn)研究活塞運(yùn)動，最終其可以作為一個完整的低溫蒸汽系統(tǒng)的一部分，試驗(yàn)裝置如圖8所示。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)設(shè)計了壓縮空氣驅(qū)動的自由活塞膨脹機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，當(dāng)驅(qū)動壓力為0.375 MPa時，能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到55%。美國北佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計了無閥自由活塞膨脹機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，結(jié)果表明，膨脹機(jī)最大頻率為44.01 Hz，最大等熵效率為21.5%，最大可以達(dá)到75.13 W膨脹功率。

吉林大學(xué)[6]搭建了完整的ORC-FPE相似系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置圖如圖9所示，實(shí)驗(yàn)探究ORC-FPE相似系統(tǒng)在不同工質(zhì)壓力下的功量轉(zhuǎn)化效率、蒸發(fā)器換熱效率及系統(tǒng)整體效率，最高的系統(tǒng)整體效率可達(dá)6.5%。西安交通大學(xué)[7]研制出一種具有新型吸、排氣控制機(jī)構(gòu)的雙作用自由活塞式膨脹機(jī)，在10.2 Hz工作頻率下，膨脹機(jī)的絕熱效率約為62%。北京工業(yè)大學(xué)[8]提出了一種采用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的自由活塞膨脹機(jī)-直線發(fā)電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖10所示，當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.14 MPa，工作頻率為2 Hz時，最高指示效率達(dá)到92.8%，并且基于MATLAB /Simulink仿真軟件搭建了自由活塞膨脹機(jī)-直線發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行了驗(yàn)證。

從自由活塞膨脹機(jī)的研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)外研究者雖然取得了一定的研究成果，但其工質(zhì)多樣性、控制方法、運(yùn)行效率、運(yùn)行可靠性等方面還有待進(jìn)一步研究，其次對自由活塞膨脹機(jī)研究力度還要小于自由活塞發(fā)動機(jī)，其達(dá)到工程要求的狀態(tài)路途還很遙遠(yuǎn)。

圖9 ORC-FPE相似系統(tǒng)試驗(yàn)臺架

圖10 自由活塞膨脹機(jī)試驗(yàn)臺架

3.結(jié)論及展望

本文闡述了兩種類型自由活塞動力裝置，一種自由活塞發(fā)動機(jī)，另一種是自由活塞膨脹機(jī)，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，其發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀?？偨Y(jié)一下兩者未來的研究方向和研究重點(diǎn)：

(1)兩種類型的自由活塞動力裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行的時間較短，加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)長時間穩(wěn)定運(yùn)行的因素分析和控制策略的研究；

(2)變工況進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)方案的進(jìn)一步設(shè)計；

(3)自由活塞發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、自由活塞膨脹機(jī)系統(tǒng)的一體化設(shè)計研究。

(注：本文作者單位系中國人民大學(xué)附屬中學(xué))