单活塞式自由活塞内燃直线发电机的运行特性试验研究*

朱成玮 石天翔 王金龙 肖 进

（上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室 上海 200240）

引言

自由活塞发动机（Free Piston Engine，FPE）是一种去除了曲柄连杆机构的直线发动机，其活塞组件可以作“自由”的直线运动[1]。相比于曲轴式内燃机，FPE减少了大量的运动部件[2]，因此具有诸多优势，包括摩擦损失大大降低，传热损失和NOx生成量少，燃料适应性好以及维护费用低等[3]。自由活塞内燃直线发电机（Free Piston Linear Generator，FPLG）作为一种新型能量转化装置，由自由活塞发动机和直线电机耦合而成，受到近年来新能源汽车发展热潮的推动[4]，FPLG因可用作电动车增程器而格外受到关注[5-8]。

通常，FPLG根据结构形式可以分为单活塞式，双活塞式和对置活塞式3种。目前，国内相关研究多数采用双活塞式布置，该种结构功率密度较高，但由于双活塞式FPLG两侧气缸的燃烧相互影响，故难以实现精确控制，易出现失火和撞缸等故障，试验样机往往难以连续稳定运行[9-11]。而单活塞式FPLG采用回复装置代替了一侧的气缸，减小了燃烧的影响，相关试验研究显示[6-8]，采用该结构更易实现样机的连续运行。本文试制了一台单活塞式FPLG原理样机，实现了其连续运行，分析了其运行特性，为后续研究和FPLG的优化设计打下基础。

1 试验样机与方法

图1和图2分别为试验原理样机的结构图和实物图。原理样机采用基于空气弹簧的单活塞式结构，即在直线电机两侧各布置一个气缸，其中一个气缸作为动力缸，对侧气缸则用作空气弹簧。混合气在动力缸中的燃烧推动活塞向下止点运动。在活塞下行的过程中空气弹簧吸收部分活塞的动能转化为势能并使活塞减速，在活塞到达下止点后，空气弹簧推动活塞上行，其势能转化为活塞的动能。气缸与直线电机均安装于一固定支架上，为防止试验意外导致原理样机出现严重撞缸，活塞连杆上设计有台阶，与支架构成一组限位装置。原理样机采用一台压气机和一个稳压气罐作为供气气源。动力缸布置有进气口和排气口，而空气弹簧气缸排气口封闭，仅留有进气口，两个气缸的进气口各自通过一个调压阀与气罐相连。由此，空气弹簧气缸的进气口用作调压口，可通过改变缸内增压系数对空气弹簧的弹性系数进行调节。而动力缸的进气口用作扫气口，理论上可以依靠进气压力与排气背压之间的压差将缸内废气扫出，确保缸内为新鲜充量。原理样机使用氮气增压活塞式蓄能器提供恒定的可调油压，蓄能器容积2 L，可提供最大20.7 MPa的供油压力。试验原理样机的主要参数如表1所示，本文试验条件如表2所示。

图1 单活塞式FPLG原理样机结构图

图2 单活塞式FPLG原理样机实物图

表1 原理样机主要参数

表2 原理样机试验条件

2 试验结果与分析

2.1 启动与状态切换试验

FPLG通常使用直线电机作为启动装置，即：首先使直线电机工作在电动状态，推动活塞压缩发动机缸内气体完成启动过程；系统启动之后，直线电机再切换到发电状态对外输出电能[12]。本文试验样机亦采用该启动方式。

图3中上图是FPLG样机从启动到点火成功的位移及缸压随时间变化的曲线，下图是同一时间内的控制信号，其中喷油和点火信号为触发信号（当信号从0变为1时触发一次喷油/点火），继电器信号控制直线电机的状态切换电路（信号为1时直线电机处于电动状态，为0时处于发电状态）。如图3所示，FPLG样机启动时，直线电机处于电动状态，电机力推动动子组件作往复运动，且振幅不断扩大，此时控制系统不输出喷油和点火信号。在第5个循环时，缸压达到1.3 MPa，超过了程序所设定的燃料着火条件（1.2 MPa），因而从第6个循环开始，控制系统开始输出喷油和点火信号，尝试点火，此时的纯压缩的缸压峰值稳定在1.4 MPa。在第9个循环时，气缸点火成功，继电器控制信号由1变为0，直线电机进入发电状态。

图3 FPLG从启动到稳定的运行曲线及控制信号

2.2 连续运行试验

在表2的试验条件下，原理样机完成启动与状态切换后，取得了超过1 000循环的连续稳定运行。如图4所示为FPLG样机从启动开始30个循环的运行频率变化，依据活塞2次达到上止点之间所经过的时间计算周期，频率即为周期的倒数。从图4中可以看到，启动时运行频率逐渐增加，从第6个循环开始稳定在22 Hz左右。到第9个循环时，动力缸点火成功，频率增大至43 Hz。随着样机的运行，频率的波动逐渐减小，到第20个循环时，样机的频率稳定在43.5 Hz附近。

图4 FPLG从启动至稳定的频率变化

FPLG稳定运行状态下的动子组件运动特性如图5和图6所示。由图5可以看出，FPLG动子的位移曲线在上下止点处呈现出近似尖点的形状，而在行程中段则近似为直线。对应图6中的速度曲线在行程中间位置变化平缓，而在上下止点附近则发生突变，整个速度-位移曲线近似圆角矩形。由图6还可以发现，由于动子组件下行时由动力缸内气体的燃烧推动，故而速度较快，接近10 m/s，上行时由空气弹簧的弹力推动，速度比下行时慢，保持在8 m/s左右。进一步分析可知，FPLG动子组件在上下止点处加速度很大，且由于没有曲柄连杆机构，活塞在上止点附近停留的时间很短，相比于传统火花点火发动机的实际循环可以简化为等容加热循环[13]，FPLG实际循环中的等容时间很短。活塞在到达上止点后会迅速加速并远离上止点，致使燃烧室体积迅速增大，这对于燃烧室内火焰的传播是极为不利的，因此相比于传统内燃机，FPLG对气缸燃烧系统设计提出了更高的要求。但在另一方面，FPLG的这一运动特性可使缸内气体迅速膨胀降温，大大缩短高温气体的滞留时间，减少传热损失，在燃料充分燃烧的前提下，可以有效提高热效率。

图5 FPLG稳定运行动子位移曲线

图6 FPLG稳定运行动子速度-位移曲线

FPLG稳定运行状态下动力缸和空气弹簧的缸压曲线如图7所示，在点火位27 mm时，动力缸缸压峰值可达3.3 MPa。由于动子活塞组件下行过程中摩擦力和电磁阻力做负功，造成动能损失，因而空气弹簧缸压峰值略低于动力缸，为2.7 MPa。如图8所示为缸内压力-位移曲线，由图中可知，循环上止点位置为41.7 mm，缸压峰值出现在40.4 mm处，亦即上止点后1.3 mm处。值得注意的是，在理想情况下，图8中空气弹簧压缩过程和膨胀过程的曲线应当完全重合，但实际由于传热损失影响，膨胀过程缸压明显低于压缩过程，其压降最大可达0.3 MPa，这与前期仿真研究基本相符[14]。分析认为，由于本文原理样机的空气弹簧缸径与动力缸相同，空气弹簧需要达到较高的缸压才能保证动子组件的回复效果，缸内气体被剧烈压缩升温，故而传热损失较大。推测认为，如果在设计中使空气弹簧缸径大于动力缸，则空气弹簧缸压将大大降低，可以有效减少空气弹簧侧的传热损失，进一步提高系统效率。

图7 FPLG稳定运行缸内压力曲线

图8 FPLG稳定运行缸内压力-位移曲线

2.3 变点火位试验研究

在传统曲轴式发动机中，点火正时是一个非常重要的控制参数，对内燃机的性能具有很大影响。而由于FPLG没有曲柄连杆机构，上止点位置不固定，点火位置对缸内燃烧和系统性能的影响将被进一步放大。因此，研究点火位置对样机运行特性的影响是十分必要的。

如图9所示为表2的试验条件下，改变点火触发信号的位置对FPLG样机动力缸燃烧情况的影响。在点火位置为26、27、28、29和30 mm下分别进行连续300个循环的试验，依据第一次点火成功后所有试验循环的不失火数计算得到着火比例；平均缸压峰值为第一次点火成功后所有点着循环的动力缸缸压峰值的平均值。从图9中可以发现，FLPG原理样机在点火位置为27～29 mm时不会发生失火现象，可以达到100%点着，实现样机的连续运行。而在点火位置为26 mm和30 mm时的点着率分别为93.77%和88.68%。事实上，当点火位置为26 mm时在试验中观察到了明显的冷启动困难现象，而在点火位置为30 mm时则发生了限位装置的撞击和缸内不正常燃烧。此外，随着点火推迟，缸内压力明显下降，这是由于更多燃料在活塞下行过程中燃烧所致。

图9 点火位置对动力缸着火比例和缸压的影响

图10 和图11进一步给出了点火位置为26 mm和30 mm时的情况。如图10所示，当点火位置为26 mm时，样机在启动过程中连续进行了15次点火尝试均失败，直到第16次点火时，气缸才首次点着。这是由于点火信号位置过于提前，缸内混合气压力较低，同时燃料与空气混合亦不充分，在冷启动状态下难以点着。而在首次点着之后，运行过程中也容易发生失火现象。如图11所示，当点火位置为30 mm时，缸压曲线出现了明显的拐点。分析认为，由于火焰的传播需要一定的时间，当点火信号位置靠近上止点时，少量燃料在活塞上行过程中燃烧，此时动力缸内的压力不足以推动动子活塞组件转变为下行，故而样机的限位装置发生了撞击现象。而燃料主要的燃烧发生在活塞下行的过程中，缸压峰值位置出现在37 mm处（上止点后5 mm）。正如上一节中所述，FPLG的活塞在经过上止点后迅速加速离开上止点，致使燃烧室体积迅速增大，对火焰的传播不利。此时，燃烧室体积增大致使缸压降低，燃料的燃烧使得压力升高，两者的效果相互抵消，使得缸内压力峰值较低，仅为2.2 MPa。显然，点火位置推迟时缸内气体的燃烧情况是不稳定的，因此着火比例也会降低。

图10 点火位置26mm启动时点火困难现象

图11 点火位置30 mm时限位装置撞击与缸内不正常燃烧现象

由以上分析可知，点火位置对于FPLG样机的运行稳定性具有很大影响，且能够保证FPLG稳定运行的点火位置范围狭窄，这与相关研究结论类似[6]。因而，在FPLG的设计与研究中，合适的点火系统设计和点火策略制定对保证FPLG的稳定运行和提高FPLG系统效率具有重要作用。

图12和图13所示为点火位置对缸内燃烧情况和动子活塞组件运动速度的影响。在图12中，点火位置为27 mm、28 mm、29 mm情况下的活塞上止点位置分别为41.7 mm、41.8 mm、42.0 mm，而对应的缸压峰值位置为40.4 mm、39.3 mm、38.3 mm，亦即随着点火的延迟，缸压峰值出现的位置显著远离上止点，缸压峰值明显降低，主要的燃烧发生在活塞下行过程中，不利于内燃机的功率输出。进一步的影响如图13所示，随着点火位置推迟，动子活塞组件的运动速度明显降低，动子组件的行程也有所减小。

图12 点火位置对燃烧的影响

图13 点火位置对速度的影响

点火位置对FPLG原理样机的运行频率的影响如图14所示，采用波动率作为衡量各循环一致性的指标，对于参数x，其循环波动率的计算方法为：

图14 点火位置对频率影响

图15 点火位置对缸压的影响

3 结论

1）建立了FPLG原理样机试验台架，采用了基于空气弹簧的单活塞式结构，使用直线电机作为启动装置成功启动并连续运行超过1 000循环。

2）FPLG的动子活塞组件具有独特的运动特性，活塞在上止点附近停留时间很短，可以有效减小传热损失并提高热效率，但同时对燃烧系统的设计提出了更高的要求。

3）样机的空气弹簧存在明显的传热损失问题，在优化设计中可以采用大缸径的空气弹簧，降低其缸内压力，进而减小传热损失，提高热效率。

4）点火位置对FPLG运行的稳定性和运行参数具有很大影响，且FPLG的点火位置范围狭窄，因此在FPLG的设计中，点火系统和点火策略应当重点考虑。