自由活塞式内燃发电机
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10/21/2010
3 FPELG的性能特点
（2）摩擦损失小 曲柄连杆机构的取消从根本上消除了该机 构带来的大量摩擦能量损耗；同时，由于活塞 侧击力的消除，使得活塞与气缸壁的摩擦大幅
减轻。发动机只是受到由往复运动质量、气体
压力、活塞环压力产生往复力和摩擦力。因此， FPELG具有潜在的更高热效率。
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2 基本结构形式和分类
FPELG通常依照系统中气缸的布置方式分为: 单活塞式
对置活塞式 双活塞式 在此三种基本形式的基础上，通过不
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同的组合方式可构成多缸FPELG，这样可
获得更好的平衡和更高的系统功率。
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2 基本结构形式和分类
表1. FPELG气缸布置的基本形式
力装置。具备的高功率密度、适应多燃料特性，也
19
将有利于提高军用车辆（电装甲、全电坦克）的生
存能力和降低后勤保障的难度。
本身具备的结构紧凑，高功率密度的特点也利于 其应用于微、小型动力装置中。
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进行分类。FPELG的分类如图5所示。
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2 基本结构形式和分类
单活塞式 气缸布置形式 双活塞式 对置活塞式 多缸组合形式 自 由 活 塞 发 电 机 二冲程 四冲程 冲程数 内燃机形式 着火方式 运行循环原理 点燃 压燃 等容循环 同步电机 直线电机形式 异步电机 其它类型电机 等压循环 其它类型循环
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图5.自由活塞式内燃发电机分类
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3 FPELG的性能特点
（1）机构简单 （2）摩擦损失小 （3）良好的可平衡性 （4）可变压缩比 （5）可多台FPELG并行
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3 FPELG的性能特点
（1）机构简单 FPELG中不存在曲柄连杆机构和配气机 构，活塞为唯一的运动件，整个发动机可有 更紧凑的结构和有更高的功率密度。同时， 运动件的减少也提高了系统的可靠性。
采用高压缸内直喷的供油方式和火花点燃的点火方式；
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1 FPELG的基本工作原理
FP3去掉了气缸上的进、排气口，减小了活塞环和
缸套间的摩擦；内置增压器，利用增压器和缸内
的压力差被动进气；同时由于进气门布置在活塞 上，可以减小活塞行程长度；采用电控气阀控制 排气门的开闭；可以燃烧多种燃料，如柴油、酒 精、LPG(Liquid Petroleum Gas)和氢。
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2 基本结构形式和分类
除了依据基本结构类型，也可根据FPELG系 统中燃烧组织方式、电机型式等对FPELG进行 分类。燃烧组织方式分类方法与传统内燃机类
似，例如按着火方式可分为点燃式和压燃式，
按循环冲程数可分为二冲程式和四冲程式；同 样，电机型式分类也可依据直线电机分类方法
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• FPELG的基本工作原理
2
• 基本结构形式和分类
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• 性能特点
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1 FPELG的基本工作原理
1-缸盖 2-活塞 3-连杆 4-直线电机 5-排气口 6-电热塞 7-燃油喷射器 8-进气口 9-基架
图1. 双活塞式两冲程FPELG原理示意图
3
图1为双活塞式两冲程FPELG原理示意图， 图中左右燃烧室交替爆发，使活塞组件（包 括左右活塞和刚性连接两者的连杆，连杆兼 做直线发电机的次级）往复运动，从而实现 直线发电机的磁力线切割，产生电能，并由 直线电机系统输出。
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由于没有旋转运动和轴承的存在，引擎
的摩擦损பைடு நூலகம்很小，将来可以实现无润滑运转。
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3 FPELG的性能特点
（3）良好的可平衡性 如果采用对置活塞结构，FPELG系统自然平衡。 对于非对置活塞结构，由于系统中仅存在往复 惯性力， 所以可通过多缸结构或增加往复平衡质量实
现系统平衡。
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1 FPELG的基本工作原理
1-点火及喷油系 2-配气机构 3-缸体 4-自由活塞5-活塞运动位置检测元件 6-直线电机 动子 7-直线电机静子8-电力控制单元 9-可逆电能存储装置10-电控单元
图2. 内燃-直线发电集成动力系统原理示意图
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主要由内燃机室、直线电机、可逆电能存储系统以 及控制单元组成。直线电机动子与自由活塞直接相 连，做直线运动。由活塞直接连接直线电机输出电 能，也可在需要时输入电能驱动活塞运动，并通过 调节电磁力控制活塞的运动规律。系统中的直线电 机能够以发电与电动两种模式工作，并能根据需要 进行实时转换。
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则无需任何结构变动，因此HCCI燃烧在FPELG中 应用具有先天优势。
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3 FPELG的性能特点
（5）可多台FPELG并行
功率的选择和机组的安装灵活性大。单台
FPELG故障时，不影响整个机组的连续运行。
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1.气缸1（进气）2.气缸2（排气）3.气缸3（膨胀）4.气缸4（压缩）5.直线电机
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1 FPELG的基本工作原理
图4. FP3的整体结构外形图
主要的技术细节为： 输出功率峰值为100kW； 共有8个二冲程发动机和一台直线电机耦合，相当
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于四组对置自由活塞发动机的集成体，如图4所示； 工作频率为30Hz，相当于1800 cycle/min； 功率密度1kW/kg。
型式 示意图 评价 优点：结构最简单；易控制；最低 的制造成本；缺点：存在振动问题，并 且需要回弹结构；直流扫气需专门阀系 配合；
单活塞
对置活塞
优点：自然平衡，直流扫气效果好； 缺点：两个活塞同步困难，虽可用机械 连接解决，但会增加设计复杂度，并增 加质量和成本；也需要回弹结构；
双活塞
优点：功率密度最大；无需回弹设 备；缺点：存在振动问题；直流扫气需 专门阀系配合；控制较困难。
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塞“自由”以及无飞轮结构带来的运动稳定性问 题。
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3 FPELG的性能特点
基于FPELG的以上性能特点，它具有良好经济性、 排放性、多燃料适应性，一并使得在能源问题、环 境问题日益成为焦点的今天，FPELG有了用武之地。 结构极其紧凑、高效、低排放，可以通过调整尺 寸来增加输出功率，十分适应应用为电动汽车的动
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3 FPELG的性能特点
（4）可变压缩比 活塞不受机械联接的约束，因此可调FPELG往 复行程，实现压缩比可变，从而可适用于多种燃 料的燃烧要求。可变压缩比更突出的优点是使
FPELG适于采用HCCI燃烧方式。但是对于常规曲
轴发动机而言，改变压缩比意味着加大发动机结 构复杂度，需慎重权衡利弊；而对于FPELG而言，
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1 FPELG的基本工作原理
图3. FP3的结构剖面简图
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2003年，澳大利亚的Pempek Pystems有限责任 公司他们研制的自由活塞发动机叫做FP3 （Free Piston Power Pack），它是自由活塞 发动机和直线电机的一个综合体。和前面提到 的自由活塞直线发电机相比，FP3的结构特点 在于，它的进气门布置在活塞头上，节省了很 多空间；结构内部配备有空气压缩机，为燃烧 室提供压缩空气
图6. 对置四缸自由活塞发电机
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3 FPELG的性能特点
除了以上提到的特点，FPELG还有以下潜在的优势： 直线电机在启动时作为引擎的起动机，在引擎
停车时作为制动器，在引擎稳定运转时作为发电
机，还作为控制系统的执行部分；
在某定工况下运行，可通过策略实现高效率和
低排放； 当然，FPELG也存在弱点，集中体现在由于活
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3 FPELG的性能特点
（2）摩擦损失小 曲柄连杆机构的取消从根本上消除了该机 构带来的大量摩擦能量损耗；同时，由于活塞 侧击力的消除，使得活塞与气缸壁的摩擦大幅
减轻。发动机只是受到由往复运动质量、气体
压力、活塞环压力产生往复力和摩擦力。因此， FPELG具有潜在的更高热效率。
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2 基本结构形式和分类
FPELG通常依照系统中气缸的布置方式分为: 单活塞式
对置活塞式 双活塞式 在此三种基本形式的基础上，通过不
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同的组合方式可构成多缸FPELG，这样可
获得更好的平衡和更高的系统功率。
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2 基本结构形式和分类
表1. FPELG气缸布置的基本形式
力装置。具备的高功率密度、适应多燃料特性，也
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将有利于提高军用车辆（电装甲、全电坦克）的生
存能力和降低后勤保障的难度。
本身具备的结构紧凑，高功率密度的特点也利于 其应用于微、小型动力装置中。
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进行分类。FPELG的分类如图5所示。
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2 基本结构形式和分类
单活塞式 气缸布置形式 双活塞式 对置活塞式 多缸组合形式 自 由 活 塞 发 电 机 二冲程 四冲程 冲程数 内燃机形式 着火方式 运行循环原理 点燃 压燃 等容循环 同步电机 直线电机形式 异步电机 其它类型电机 等压循环 其它类型循环
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图5.自由活塞式内燃发电机分类
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3 FPELG的性能特点
（1）机构简单 （2）摩擦损失小 （3）良好的可平衡性 （4）可变压缩比 （5）可多台FPELG并行
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3 FPELG的性能特点
（1）机构简单 FPELG中不存在曲柄连杆机构和配气机 构，活塞为唯一的运动件，整个发动机可有 更紧凑的结构和有更高的功率密度。同时， 运动件的减少也提高了系统的可靠性。
采用高压缸内直喷的供油方式和火花点燃的点火方式；
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1 FPELG的基本工作原理
FP3去掉了气缸上的进、排气口，减小了活塞环和
缸套间的摩擦；内置增压器，利用增压器和缸内
的压力差被动进气；同时由于进气门布置在活塞 上，可以减小活塞行程长度；采用电控气阀控制 排气门的开闭；可以燃烧多种燃料，如柴油、酒 精、LPG(Liquid Petroleum Gas)和氢。
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2 基本结构形式和分类
除了依据基本结构类型，也可根据FPELG系 统中燃烧组织方式、电机型式等对FPELG进行 分类。燃烧组织方式分类方法与传统内燃机类
似，例如按着火方式可分为点燃式和压燃式，
按循环冲程数可分为二冲程式和四冲程式；同 样，电机型式分类也可依据直线电机分类方法
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• FPELG的基本工作原理
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• 基本结构形式和分类
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• 性能特点
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1 FPELG的基本工作原理
1-缸盖 2-活塞 3-连杆 4-直线电机 5-排气口 6-电热塞 7-燃油喷射器 8-进气口 9-基架
图1. 双活塞式两冲程FPELG原理示意图
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图1为双活塞式两冲程FPELG原理示意图， 图中左右燃烧室交替爆发，使活塞组件（包 括左右活塞和刚性连接两者的连杆，连杆兼 做直线发电机的次级）往复运动，从而实现 直线发电机的磁力线切割，产生电能，并由 直线电机系统输出。
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由于没有旋转运动和轴承的存在，引擎
的摩擦损பைடு நூலகம்很小，将来可以实现无润滑运转。
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3 FPELG的性能特点
（3）良好的可平衡性 如果采用对置活塞结构，FPELG系统自然平衡。 对于非对置活塞结构，由于系统中仅存在往复 惯性力， 所以可通过多缸结构或增加往复平衡质量实
现系统平衡。
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1 FPELG的基本工作原理
1-点火及喷油系 2-配气机构 3-缸体 4-自由活塞5-活塞运动位置检测元件 6-直线电机 动子 7-直线电机静子8-电力控制单元 9-可逆电能存储装置10-电控单元
图2. 内燃-直线发电集成动力系统原理示意图
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主要由内燃机室、直线电机、可逆电能存储系统以 及控制单元组成。直线电机动子与自由活塞直接相 连，做直线运动。由活塞直接连接直线电机输出电 能，也可在需要时输入电能驱动活塞运动，并通过 调节电磁力控制活塞的运动规律。系统中的直线电 机能够以发电与电动两种模式工作，并能根据需要 进行实时转换。
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则无需任何结构变动，因此HCCI燃烧在FPELG中 应用具有先天优势。
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3 FPELG的性能特点
（5）可多台FPELG并行
功率的选择和机组的安装灵活性大。单台
FPELG故障时，不影响整个机组的连续运行。
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1.气缸1（进气）2.气缸2（排气）3.气缸3（膨胀）4.气缸4（压缩）5.直线电机
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1 FPELG的基本工作原理
图4. FP3的整体结构外形图
主要的技术细节为： 输出功率峰值为100kW； 共有8个二冲程发动机和一台直线电机耦合，相当
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于四组对置自由活塞发动机的集成体，如图4所示； 工作频率为30Hz，相当于1800 cycle/min； 功率密度1kW/kg。
型式 示意图 评价 优点：结构最简单；易控制；最低 的制造成本；缺点：存在振动问题，并 且需要回弹结构；直流扫气需专门阀系 配合；
单活塞
对置活塞
优点：自然平衡，直流扫气效果好； 缺点：两个活塞同步困难，虽可用机械 连接解决，但会增加设计复杂度，并增 加质量和成本；也需要回弹结构；
双活塞
优点：功率密度最大；无需回弹设 备；缺点：存在振动问题；直流扫气需 专门阀系配合；控制较困难。
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塞“自由”以及无飞轮结构带来的运动稳定性问 题。
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3 FPELG的性能特点
基于FPELG的以上性能特点，它具有良好经济性、 排放性、多燃料适应性，一并使得在能源问题、环 境问题日益成为焦点的今天，FPELG有了用武之地。 结构极其紧凑、高效、低排放，可以通过调整尺 寸来增加输出功率，十分适应应用为电动汽车的动
10/21/2010
3 FPELG的性能特点
（4）可变压缩比 活塞不受机械联接的约束，因此可调FPELG往 复行程，实现压缩比可变，从而可适用于多种燃 料的燃烧要求。可变压缩比更突出的优点是使
FPELG适于采用HCCI燃烧方式。但是对于常规曲
轴发动机而言，改变压缩比意味着加大发动机结 构复杂度，需慎重权衡利弊；而对于FPELG而言，
10/21/2010
1 FPELG的基本工作原理
图3. FP3的结构剖面简图
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2003年，澳大利亚的Pempek Pystems有限责任 公司他们研制的自由活塞发动机叫做FP3 （Free Piston Power Pack），它是自由活塞 发动机和直线电机的一个综合体。和前面提到 的自由活塞直线发电机相比，FP3的结构特点 在于，它的进气门布置在活塞头上，节省了很 多空间；结构内部配备有空气压缩机，为燃烧 室提供压缩空气
图6. 对置四缸自由活塞发电机
10/21/2010
3 FPELG的性能特点
除了以上提到的特点，FPELG还有以下潜在的优势： 直线电机在启动时作为引擎的起动机，在引擎
停车时作为制动器，在引擎稳定运转时作为发电
机，还作为控制系统的执行部分；
在某定工况下运行，可通过策略实现高效率和
低排放； 当然，FPELG也存在弱点，集中体现在由于活