燃油经济，自由活塞发动机的节能特性，其对可持续发展的贡献

文/观文史说编辑/观文史说自由活塞发动机（FPE）是燃油一种独特的发动机设计 ，其活塞运动不受任何机械连杆的经济机的节限制，这与传统发动机采用曲柄滑块机构将活塞的自由展线性运动转化为旋转运动的原理有所不同。尽管FPE与传统发动机在基本工作原理上相似 ，活塞即通过活塞来将燃料的发动化学能转化为机械能
，但其设计思想却与众不同。特性FPE的其对主要设计理念在于最大程度地减少将燃料能量转化为电能或液压能的损失
，而这可以通过采用自由活塞概念来实现。可持这种概念背后蕴含着多种优势，贡献例如低摩擦损失
、燃油固有的经济机的节可变压缩比、高效的自由展瞬态运行能力、极短的活塞上止点停留时间 ，以及制造成本的发动节约。与传统的特性曲轴发动机相比，FPE在多个方面展现出优越性。其中，自由活塞概念的引入为其带来了显著的优点。由于活塞运动不受连杆机构的制约，摩擦损失较低，从而提高了能量转化的效率。其次，FPE具备固有的可变压缩比，使得其在适应不同工况时更加灵活 。FPE在瞬态运行时表现出色，能够高效地应对工作状态的快速变化
。另外 ，FPE在活塞上止点的停留时间较短 ，从而有助于提升其整体效率 ，采用自由活塞概念还可以降低制造成本 ，为发动机的生产提供了更加经济的选择。01理论分析自由活塞发动机（FPE）因其结构的简单性而具备更高的功率密度
，这意味着它能够在更轻的重量和更小的空间内提供更大的功率输出。这一优势是由于其设计的基本特点所带来的，其中运动部件较少，同时活塞运动没有受到传统曲柄机构引起的侧向力的限制，从而导致较低的摩擦损失。尽管大部分摩擦损失可以归因于活塞组件 ，但约 20% 的摩擦损失是由曲轴在 1500 rpm 时产生的，而在自由活塞发动机中 ，这一部分摩擦损失在大约 25 Hz 的频率下出现 。自由活塞的配置使得其冲程长度或压缩比几乎可以在每个周期内瞬时地进行调整，这种逐周期可变和可靠的压缩比控制使得在不同的工作条件下都能够优化压缩比，而这对于传统的曲轴发动机来说则是难以实现的。因此
，FPE 能够在无需进行重大硬件修改的情况下适应多种替代燃料的应用需求。FPE 还在发动机启动过程中表现出固有的效率和冷启动排放方面的优势，其较小的机械惯性使得它几乎可以在第一个活塞冲程中以较低的摩擦力达到目标速度，从而使启动过程的瞬态时间相对较短，并且实现更高的启动效率
。考虑到测试发动机在两个气缸的每个冲程中都采用顺序燃烧，因此可以假设这两个气缸具有相同的几何形状，并且向活塞传递相同的功率
。在理论分析中
，假设一个理想的气体循环，该循环包括多个变压缩和膨胀过程 ，以及定容加热过程。这种循环的模拟能够帮助我们更好地理解发动机的工作原理和性能。对于摩擦力的考虑，可以通过磁场密度分析得出
 ，假设电磁制动力为 400 N，通过详细的计算，我们可以发现，在动子质量为2.3kg的情况下 ，能够达到30Hz的目标频率 。测试发动机采用双活塞设计
，由两个相对的燃烧气缸构成 ，并集成了一个线性交流发电机。每个气缸中的活塞通过动子轴相连，动子轴上装有永磁体 ，形成一个紧密的连接结构。这种设计允许交替气缸中的二冲程燃烧循环推动原动机来回移动 ，从而通过交流发电机线圈感应出用于发电的电流。同时，交流发电机还用于控制轴的运动 ，从而实现发动机的启动过程 。最初 ，测试发动机是一台二冲程汽油火花点火发动机，其排量接近100cc。为了适应自由活塞操作 ，曲轴箱经过了一些修改。在测试中，发动机分别使用压缩天然气 (CNG) 和氢气作为燃料 。当发动机使用 CNG 燃料时，活塞冲程被延长至原始冲程的一半 ，以便从发电机中获得更多的有用功 。这种调整可以更有效地利用能量资源。发动机的运行速度主要由固定活塞位置上的点火正时控制
，这个位置是由连接到线性交流发电机内部动子磁铁的绝对位置线性编码器定义的，燃油喷射的时机也与活塞编码器信号同步 。在整个测试过程中
，每隔 0.1 毫秒对气缸压力进行一次测量，这些数据被用于进行循环分析
，从而深入了解发动机的性能和工作特性。这种全面的数据收集和分析有助于我们更好地理解测试发动机的行为，并为进一步的研究提供了有力支持 。02典型燃烧特性由于自由活塞发动机（FPE）的活塞位置在上止点时呈现不同的位置，导致每个循环中的压缩比都会发生变化。这种不规则的活塞运动显著影响了每个循环中的压缩过程和随后气缸的燃烧过程。测试过程中出现了异常燃烧的例子  ，这是由于活塞冲程的变化导致每个周期的工作频率都不同。在1号气缸中发生了部分燃烧，导致随后的冲程频率从13次减少到了8次 。与此同时 ，2号气缸发生了失火，最终导致了发动机的停机 。FPE并没有类似传统旋转发动机中的飞轮等机制来储存惯性能量以保持活塞的运动 。其中一个气缸的失火会导致活塞运动丧失，进而引发发动机的停机。为了避免这种情况的发生，需要采用精确的控制方案来选择动子的位置或者精心确定点火正时。在使用压缩天然气（CNG）燃料时，FPE和发电机以大约13Hz的速度连续运行。在运行了超过1小时后，为了避免可能的损坏
，两者都被关闭。这些异常燃烧和运行特性的观察强调了FPE的独特性质和挑战。需要仔细的控制策略来确保活塞的稳定运动和可靠性 
，同时也需要考虑如何最大程度地减少不稳定燃烧对发动机性能的影响。根据测量数据 ，可以绘制出气缸压力与体积之间的函数关系，在不同负载条件下的测试中 ，始终能够观察到锐利的锋线附近的峰值压力点。这是因为在自由活塞发动机（FPE）中 ，活塞的不确定性导致与传统旋转发动机相比
，活塞在上止点附近的停留时间较短 。在膨胀冲程中，气缸压力的突然下降表明二冲程发动机中扫气过程的开始 。尽管在这个清除过程中没有进一步的有用功 ，但活塞的运动有助于将燃烧产生的气体移到另一侧 ，从而增加了发电机的电力输出。压力和放热速率的变化显示，大部分燃烧热量在峰值压力点后或接近上止点时释放，一直持续到排气门打开。这是由于试验发动机的循环中扫气效率较低  ，导致气缸内气体被稀释的缘故。通过拉长冲程，扫气效率降低
，向下的超冲程使气缸内真空度增加，而进气室中的新鲜空气充量有限 ，导致排气口的已燃气体重新进入气缸。因此，之后选择将冲程长度调整为原始值
，以优化扫气效率 。这些分析结果突显了自由活塞发动机的独特特点以及其在燃烧过程和气缸压力变化方面的挑战 。针对这些特点，可能需要进一步优化发动机的设计和控制策略，以获得更高的效率和性能 。03氢气燃烧在使用氢燃料时 ，测试发动机以13 Hz的速度连续运行了超过20分钟，这导致气缸内的压力出现了明显的变化 。氢气的燃烧速度较快，因此在氢气燃烧时，气缸内的压力迅速增加，远高于使用压缩天然气（CNG）燃料时的压力增加 。这可能是因为氢气燃烧的爆发性质使得压力迅速升高。与此同时，从放热率的数据可以看出，氢气的燃烧持续时间要比CNG更短。随着负载的增加
，峰值压力甚至在活塞到达上止点之前就提前出现 
，这导致了更多的压缩功损失 ，从而使发动机的效率下降，所有燃烧热都在活塞到达上止点之前释放。为了充分利用燃烧热来产生有用功并推动发电机工作，必须延迟点火正时 。在测试过程中，通过将点火时间向活塞上止点的方向进行延迟，可以获得更高的频率 ，从15 Hz增加到17 Hz，这样可以将更多的燃烧热转化为有用功。然而，值得注意的是，由于循环变化的增加
，这种延迟点火的策略导致发动机在运行几分钟后停止。这些结果表明 ，对于使用氢燃料的自由活塞发动机 ，点火正时的优化对于实现稳定高效的运行至关重要，在延迟点火正时的同时，需要处理循环变化和其他动态特性，以确保发动机的可靠性和性能 。04点火的时间延迟与固定活塞位置关系为了克服测试发动机运行中的操作不稳定性并提高清除效率
，进一步的研究工作变得至关重要。为此 ，研究人员提出了一种改进的自由活塞发动机（FPE）生成系统，旨在优化气体交换过程，提高发动机的性能和可靠性。新设计的发动机采用了一种创新的方法，利用发电机的空位作为增压器，将新鲜充气引入气缸  。在这一系统中
，底部进气门和顶部排气门协同工作 ，形成了单一的气流扫气过程。这种设计旨在改善气体的进出过程，从而提高燃烧效率和清除效率。为了避免发动机在操作过程中出现突然缩短的活塞冲程导致燃烧不稳定的情况，点火控制系统也得到了调整 。点火的时间延迟与固定活塞位置有关，这样可以确保活塞运动的平稳性，从而减少了发动机因燃烧不稳定而停机的风险 。这些改进措施的目标是提高发动机的稳定性、燃烧效率和清除效率 。然而，这一改进系统的实施可能需要进一步的工程优化和实验验证 ，以确保新设计的发动机能够在不同工况下稳定运行 ，并实现预期的性能提升  。这样的研究工作将有助于推动自由活塞发动机技术的发展，为未来的清洁能源驱动系统提供更加可靠和高效的解决方案 。结论在这项研究中，研究团队对二冲程双缸自由活塞发动机（FPE）原型和线性发电机进行了实验，分别使用压缩天然气（CNG）和氢燃料进行运行，通过测试结果可以看出，这两个原型在不同燃料下均以 13 Hz 的频率成功运行  。然而，FPE 原型在运行过程中需要更快的燃烧以克服充气稀释的问题，这是由于扫气效率较低所导致的 。研究人员发现 ，使用氢燃料可以提供更高的燃烧速率
，但需要更精确的点火控制来实现稳定的燃烧过程。为了进一步提高发动机的效率并降低排放
，研究团队提出了一种改进的FPE发电系统，这一新设计利用发电机的功能，将其作为增压器和排气阀 ，从而形成了单一的气流扫气过程。这个系统的目标是改善气体交换过程
，提高燃烧效率和清除效率 ，以应对扫气效率低下所带来的挑战。