HCCI自由活塞式内燃机运行参数设计-自由活塞式内燃直线发电机研究进展(一)

擦，因为只有一个运动部件，在活塞上没有侧向 力。研究表明，缸体0活塞0活塞环的磨损特性要比 曲轴0滑块方式优越得多。
!""# 运行参数设计
对于二冲程发动机而言，对发动机效率和排放 废气影响的关键是清扫系统的设计和性能，如果没 有充分的注入， !""# 的燃烧过程会很差，效率因 而降低，例如，会产生非常量体积燃烧，不完全燃 烧和低压缩比情况下自动点火等现象，产生未燃烧 的碳氢化合物和氮氧化物等超标的排放物。此外， 不适当的通道设计可能会导致燃料泄漏而进一步降 低燃料经济性。而这些是二冲程发动机经常遇到的 问题，特别是当速度变化区域较大时和发电机的功 率输出变化范围较大时。然而，对自由活塞式发动 机，运行速度范围窄得多，这是由于该装置所采用 的发电技术所致；运行在固定振动速率才能取得高 效的发电效果。单一速度运行可以很大程度上简化 清扫系统设计，允许在特定的运行点进行优化。 有几个参数对设计非常关键。首先，清扫过程 必须迅速，在燃烧点火前应当达到高压缩比。此 外，局部燃料混合比必须低，气体温度低到氮氧化 物无法形成。大部分输出功应能转化成有用的电功 率。在清扫方式上也有限制，如低泵功率和低排气 损耗等。还有两项参数是要求长冲程孔径比（ 保 证高压缩比下上死点有充足的间隙） 和机械的简 单性。 图 - 表示了 - 种清扫方式。
图 ’/ 理想奥托与现代四冲程柴油机热力学循环
排放物的目标对优化发电机组的设计进一步提 出了限制条件。为了减少氮氧化物的产生，燃料空 气的混合物必须均匀且在燃烧时配比非常低。要求 均匀注入就不能用柴油机燃烧方式。要求高压缩比 不能用配比高的汽油混合气，否则会提前自动点火， 而低配比的混合气对火花点火几乎是不可能的。 实验已经证明 !""# 方式比火花点火或压缩喷 射点火燃烧要快。比在火花点火发动机中配比要低 得多，因此氮氧化物排出少。 除了上述使用 !""# 运行方式的优点外，自由 活塞还为发电机组增添了几个优点。首先，发动机 的压缩比是可变的，这主要取决于发动机的运行条 件（ 如燃料类型、当量比、温度等） 。因此，所需 要的压缩比可以通过改变运行参数取得，而不需要 改变发动机的硬件。这也使得 !""# 自由活塞式发 电机组可以使用天然气到柴油等各种燃料。 相对于曲轴驱动的另一个优点是减少了机械摩
［ 4］ 法 。通过控制 /))0 自由活塞式发电机ຫໍສະໝຸດ Baidu的输出
电流可以改变发动机的行程，因而可由改变压缩比 来控制。通过改变排气阀的开启时间可以改变气体 膨胀的持续时间，因而也可以控制系统的运行状况。 增加一些添加剂降低混合气体的点火温度来控制点 火时间，也可以用一些废气回注到汽缸中降低油气 的浓度来控制点火时间。在这些控制方法中，控制 系统的电流输出和改变排气阀开启时间是最简单的 控制方法，但要稳定地、高效地控制 /))0 自由活 塞式发电机组还需要对系统运行有本质的了解。 根据国外目前的研究状况，笔者准备开展如下 一些工作： （’ ） 调查 /))0 自由活塞式发电机组的应用前 景，尤其是在石油勘探开发中可能的应用前景，了 解市场的要求和所能接受的价格。 （ ( ） 建立 /))0 自由活塞式发电机组的较精确 的模型，成为集成多相流体的流体动力学，化学反 应动力学，传热学和电磁学的综合模型，模型应有 可计算性，为设计性能优良的 /))0 自由活塞式发 电机组提供强有力的理论基础。 （ - ） 研究各种控制方案，通过综合模型模拟， 选择一种最佳的控制方案。 （ 4 ） 试制样机试验，改进并设计最终产品。 在这些工作中，综合模型的难度最大，既要达 到一定的精确度，又要尽量降低模型的复杂性，在 现有的条件下能够较为精确计算系统行为，是目前 攻关的重点。
［ (］
内容和成果包括燃烧化学动力学的研究，将汽油等 燃料燃烧过程中的几千种化学反应过程合理简化为
［ -］ 几种主要的反应过程 ；用多域模型将流体的对
流、热传导和化学过程相联系，大大降低 /))0 发 动机模拟的计算复杂性，取得了较好的效果。 系统的控制是系统高效运行的基本保障。国外 在这方面的工作有：可变压缩比控制，可变阀开启 时间控制，点火能力增强添加剂，热力学控制等方
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作者周志宏简介见本刊 4558 年第 & 期。
万方数据
（ 收稿日期：4558 G 5; G 8% ；修改稿收到日期：4558 G 5’ G 48 ）
’::- 年/ 第 -( 卷/ 第 (: 期
周志宏：!""# 自由活塞式内燃机运行参数设计
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!""# 自由活塞式内燃直线发电机组由两大部 分组成：一是内燃机，由活塞、汽缸、进气道、排 气阀、排气口等组成，负责将燃烧的能量转换为往 复运动的动能；二是直线发电机，由永磁体、线圈 和铁芯等组成，活塞推动永磁体往复运动，在线圈 中产生电流。 为了分析这种发电机组的理论效率，需要从热 力学基本规律出发进行分析。根据热力学原理，理 想的奥托（ $%%&） 循环是发动机希望达到的最佳选 择。这是由于奥托循环燃料的能量在工作介质达到 最大压缩比时常体积下转换成热。该燃烧条件导致 最高可能的峰值温度和最大可能的热效率。 图 ’ 中的实线是现代四冲程重型柴油机在压缩 比为 ()* ’+, ( 时的热力学循环图。与理想的奥托 循环条件（ 常量体积燃烧） 相比，仍然还有 -). 的功未利用。这是非常量体积燃烧的结果，因为火 花点火或喷油点燃的火焰传播需要一定时间。
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石$ 油$ 机$ 械
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4558 年$ 第 8% 卷$ 第 %5 期
!专题综述"
!""# 自由活塞式内燃机运行参数设计
$ $ — — —自由活塞式内燃直线发电机研究进展（ 一） 周志宏
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（ 江汉石油学院机械系）
$ $ 摘要$ !""# 自由活塞式内燃直线发电机是近年来正在研究的发电机的一种类型，它具有结 构简单、效率高、功率大、质量轻、有害气体低排放和可使用多种燃料等特点，应用前景包括洁 净汽车、野外作业、移动设备等方面。介绍了 !""# 自由活塞式内燃直线发电机的结构、基本原 理和特点，以及 !""# 自由活塞式内燃机的设计方法与二冲程发动机清扫过程的数值模拟方法。 简述了国外研究现状和我们研究的方向。 $ $ 关键词$ 自由活塞式发动机$ 直线发电机$ 均匀注入压缩点火
部件名称 权级 # 允许寿命 ( ) & 大修周期 ) & 井架底座 ’" $’ #! 无 绞车 ’" #( #! $ +( 联动机组 ’" #’ #! $ +(
。用 )*+ 表示进气口和排气口的计
时（ 无单位，仅有象征意义） ，排气 口 在 )*+ , ’--" ( 时 打 开 排 气， )*+ , ’$." ( 时 进 气 口 连 通， 混合气开始驱替废气，到 )*+ , (!%" ( 时进气口封 闭，)*+ , (($" - 时排气阀关闭，整个注入清扫过 程结束。 数值模拟还可以检查是否有提早点火的问题， 提早点火虽然对整个热效率影响不大，但由于氮氧 化物显著增加，燃烧的气体被进一步压缩到上死点 使温度进一步升高。所以，为减少氮氧化物的排 放，应尽量避免提前点火。 通过数值模拟，可以设计出达到最佳的清扫效 果的 /))0 自由活塞式发电机的结构，然而，好的 清扫效果仅是实现高效、低排放的 /))0 自由活塞 式发电机组的基本条件之一，要使该发电机组运行 在最佳状态，还需要对系统的运行过程做更详细的 分析与设计。
引$ $ $ 言
%&&’ 年，美国 ()*+,) 国家实验室研究开发了
［ %］ 一种与直线发电机有机结合的内燃发电机 ，被
!""# 自由活塞式内燃直线 发电机的结构与基本原理
$ $ !""# 自由活塞式内燃发电机组的基本原理如 图 % 所示。
称为自由活塞式（ -.// 0,123* ） 内燃直线发电机。 这种发电机两端布置汽缸，将直线交流发电机集成 在汽缸的中间。在两端汽缸中均匀注入压缩点火 （ !""#） 使混和燃料燃烧，轮流推动永磁体在交流 线圈中往复运动，在线圈中产生电流。从实验情况 来看，这种发电机组所具有的效率高、质量轻、有 害气体低排放和可使用多种燃料等特点使之成为人 们研究的热点。 美国政府投资由 ()*+,) 国家实验室、明尼苏 达大学等科研机构和高等院校进行有关的研究，以 提高发动机的效率、降低废气的排放和研制轻便的 发电机组。到 45%5 年，计划将发电机组的效率提 高到 657 以上。 由于这种发电机组的优良特性，笔者正在开展 原理性研究、设计方法研究和将其用于石油设备的 可行性研究，在此介绍这种发电机的基本原理，主 要结构特点和将要进行的研究工作。
万方数据 发电机组运行中的重要环节。国外在这方面研究的
!’’$ 年% 第 $# 卷% 第 #’ 期
温泽民等：用“ 技术新度 ! " ” 评价石油钻机
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异较 大，在“ 技 术 新 度 ! " ” 的 评 价 中 还 应 引 入 “ 权级” （ 用 # 表示） 的概念。 !" 权级 # 的确定 钻机主要部件权级的大小，应依次根据其在整 台钻机中的作用、对安全生产的影响程度、价值大 小、寿命长短、可维修性等，组织技术专家论证并 加以确定。对大修部件，每大修 # 次权级下降 " !。 如井架底座，是钻机组成的核心部件，作用显赫， 若其承载能力下降，将直接危及安全生产，可维修 性较差，因此权级较大。
图 %$ 自由活塞式内燃直线发电机组原理示意图
% —汽缸；4 ，6 —活塞；8 —铁芯；9 —线圈；: —轴；; —永磁体
$ $ 这是一个二冲程的内燃机，在两端各有 % 个端 口封闭的汽缸，活塞在两个汽缸中来回运动，当活 塞向右运动时，右端的气体压缩，可以作为弹簧缓 冲，当快达到上死点时，左边汽缸进气和排气，达 到上死点时，右边汽缸点火，气体膨胀，推动活塞 往左运动。这样，左右汽缸轮流工作，使活塞来回 运动。在活塞上连接轴，轴上有永磁体，永磁体在 绕着线圈的铁芯中来回运动，在线圈中产生交流电。
图 -/ - 种混合气注入和废气清扫方式
通过数值模拟， 1&2345&6&789 得出了各种清扫
［ ’］ 方式的混合气滞留效率和废气清扫效率 ，其中
万方数据
单方向流动的清扫效率和混合气滞留效率都比较
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石5 油5 机5 械
(!!- 年5 第 -’ 卷5 第 ’! 期
高，最佳的效率为 ! !" $!" #$ ，! #$ $!" %% 。 为了使单方向流动的清扫性能达到最佳效果，需 要满足以下条件：排气阀的开启和定时必须使汽缸中 的压力低于混合气入口的压力，这可以允许最大程度 的注入而最大程度减少泄漏损失。混合气入口的倾角 为 !&，方位角设定在 ’$& 左右将能取得最佳效果。进 气口 # 个和 ’( 个对效率没有明显的影响。若清扫时 间可调，汽缸的重新注入就能达到最大化，取得这种 效果的最有效方法是调整活塞的频率。 通过数值模拟，还可以明显地看出混合气驱替 废气的过程
结5 束5 语
/))0 自由活塞式发电机组具有质量轻，结构 简单，热效率高，有害气体和颗粒物排放低，可使 用多种燃料的优点，是备用电源和移动电源值得重 点发展的方向。但这种机组是压缩自点火，点火时 间的准确控制需要对汽缸内的流动、传热和化学反 应过程有根本的了解。整个系统需要详细地研究和 （ 下转第 6% 页）
国外的研究现状与我们的对策
从基本原理来看，/))0 自由活塞式发电机组具 有许多优良的性能，但对它的研究时间还不长，无 论结构、工艺还是理论模型还远未完善，抓住这个 时机，开展有关的研究，有可能在 /))0 自由活塞 式发电机组形成我们自己知识产权、技术和产品。 目前，国外在 /))0 自由活塞式发电机组的研 究工作主要集中在两个方面，一是系统模型的建 立；二是系统的控制。 系统的模型包括进气清扫过程、燃烧过程模型 等。进气清扫模型如上所述主要是用阿拉莫斯国家 实验室开发的 102* 3 -2 流体动力学程序模拟，得 出最优的 进 气 道 和 排 气 道 以 及 最 佳 的 排 气 时 间。 /))0 内燃机是压缩点火，点火取决于混合气的化 学过程，因此，化学燃烧过程是 /))0 自由活塞式