四冲程自由活塞天然气发动机研究

汽车工业的快速发展使得汽车排放问题越来越严峻，空气质量问题已经受到各界人士的关注，与此同时，世界能源消耗大幅增加，导致人们不得不开始寻求一些新的能源代替石油等不可再生资源。对于传统汽车发动机而言，通常采用Otto 循环，但该循环方式存在比重量打、碳烟排放重等缺点，因此为解决资源问题以及汽车排放问题，需要积极探索开发新的动力装置，选择清洁燃料，选择合适的热力循环。研究发现，Atkinson 循环在新型动力装置中有着很好的应用前景，相关研究人员将该循环与自由活塞相结合，非常适用于混合动力汽车及增程式电动汽车动力装置开发，四冲程自由活塞发动机与传统发动机相比有着结构简单、制造维护成本低、循环热效率高、燃料适应性好等明显优势。在燃料选择方面，天然气资源储存量大，燃烧清洁，能够有效减少炭烟的排放。此外，天然气成本低、着火界限宽，经济性明显好于其他能源。因此本文在自由活塞发动机样机基础上，增加设计了天然气供气系统，对四冲程自由活塞式天然气发动机整个热力过程进行了探索和研究，通过试验仿真等方式来验证模型可靠性，对其性能影响因素进行了分析和探究。

1 四冲程自由活塞发动机基本构成及工作原理

1.1 四冲程自由活塞发动机基本构成

图1 冲程自由活塞发动机基本构成

四冲程自由活塞发动机基本构成如图所示，包括了自由活塞、电磁驱动气门、直线电机、控制单元、储能元件等。

1.2 四冲程自由活塞发动机工作原理

四冲程自由活塞发动机工作原理与Otto 循环发动机相类似，但活塞不再依靠曲轴进行驱动，而是将活塞与直线电机动子相连接，在气缸中上下往复运动，通过控制电机电流大小以及方向，完成对自由活塞运动的调节，从而完成四冲程热力循环。

1.3 四冲程自由活塞发动机理论热力循环分析

本文建立的四冲程自由活塞发动机理论热力循环主要是建立在Atkinson 循环下的热力学模型，如图2 所示，1-2 为绝热压缩过程，2-3 为等容加热过程，3-4 为绝热膨胀过程，4-5 为等容放热过程，5-6 为定压排气过程，6’-6-7-7’的缸外独立压缩中冷过程简化为绝热压缩过程和冷却过程。TDCI为进气上止点，TDCC为压缩上止点，BDCI为进气下止点，BDCE为膨胀下止点。对热力模型分析之后，可以得到膨胀比的增加，能够有效提高发动机做功能力，从而对发动机动力性和经济性实现有效改善，根据循环热效率最高，能够对最优膨胀比进行定义。

2 四冲程自由活塞天然气发动机样机试验

在原有四冲程自由活塞发动机样机基础上，为验证其燃料适应性，需要增加天然气供气系统，样机主要参数如表1。

图2 四冲程自由活塞发动机热力循环

表1 四冲程自由活塞天然气发动机样机主要性能参数

在设计天然气供气系统时，天然气在缸外与空气进行预混合，然后在接近气门处喷射，缸体本身结构不需要进行其他改动，仅利用软件就可以实现对天然气喷射时间及位置的控制。实验过程中，为提高混合气的均匀程度以及提高燃料适用性，可以利用软件实现对天然气的定时定量供应。由于本课题中CNG 采用的是在缸外进气道内喷射，这样的喷射方式会使得充气效率降低，为解决这一问题，主要是通过增大压缩比以及延长进气冲程对其进行弥补。搭建试验平台时，需要用到很多传感器，本课题中选择激光位移传感器测量活塞的位移；燃气压力温度传感器监测各部位燃气压力等，是非常重要的数据来源。样机运行后，需要研究例如改变进气冲程长度、压缩比、膨胀比等对系统性能的影响，因此，在设计试验时会进行对比试验以探寻影响规律。

由于自由活塞发动机中电器驱动配气系统取缔了传统的凸轮配气，这样做的结果使发动负荷不再受到气门开度的影响，而主要是由进气行程来改变进入气缸的空气量。对比进气冲程48mm 和54mm 两种进气冲程长度情况后，可以看出进气冲程长会使可喷入的燃料也越多，燃烧会更加充分，上止点压缩比也越大，因而发动机峰值压力也越大，对外输出功也随之增多，可承受负载也越大。

图3 进气冲程长度对于缸内压力以及活塞运动速度影响

在对发动机的研究过程当中，压缩比和膨胀比是其中非常重要的性能参数。对于四冲程自由活塞发动机而言，由于其通过电磁驱动系统实现配气过程，因此，都是利用控制改变电磁力的大小和位置得到不同压缩比。天然气有着辛烷值高的特点，因此，压缩比的提高可以使得燃烧过程更加优化，有利于循环温度梯度的扩大，有效提高峰值压力。对于自由活塞发动机而言，其压缩比膨胀比的分离的，膨胀比越大，最后缸内压力最小，所以发动机的输出功率也就越大。从下图中可以清楚看出当压缩比和膨胀比发生变化时，发动机性能的改变。

文章来源：《天然气工业》 网址: http://www.trqgyzzs.cn/qikandaodu/2020/0917/384.html