液压自由活塞发动机关键技术及未来发展方向

任好玲　林添良　谢海波　杨华勇

1.华侨大学，厦门，3610212.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州，310027



液压自由活塞发动机关键技术及未来发展方向

任好玲1,2林添良1谢海波2杨华勇2

1.华侨大学，厦门，3610212.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州，310027

摘要：介绍了液压自由活塞发动机的三种基本结构、工作原理和优点，重点分析了液压自由活塞发动机由于其独特的结构所具有的特性、研制过程中的关键技术、研究难点，以及相应的研究现状，讨论了制约液压自由活塞发动机走向产业化的瓶颈技术，以及为解决这些技术所进行的探索和尝试。推动液压自由活塞发动机的发展可从结构改进、燃料及燃烧技术突破及多学科融合技术等方面进行。

关键词：液压自由活塞发动机；振动；流量脉动；压缩比

0引言

为维持全球经济的绿色可持续发展，节能和环保成为当今不可回避的两大课题。内燃机作为动力界的主力军，在为国民生产做出重大贡献的同时，也消耗了大部分的能源，成为温室气体产生和空气污染最主要的黑手。在这种大背景下，一部分学者和研究机构致力于提高和优化曲轴式内燃机(crank-shaft engine，CSE)的性能，另一部分学者则着眼于新型发动机的研制和开发。液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine, HFPE)就是这些新型发动机的一种。HFPE将传统内燃机驱动液压泵过程中的“直线-旋转-直线”运动简化成简单的直线运动，取消中间的连接元件和运动转换，减少了零件数目，缩小了发动机的体积，降低了生产成本，且活塞运动过程中不再承受由曲轴旋转引起的活塞侧向力，而只承受活塞直线运动方向的摩擦力，因此能减小活塞磨损，降低维修成本，延长寿命。活塞的直线运动不受机械结构的限制，具有可变的止点位置和压缩比。可变压缩比可以优化内燃机的燃烧效果，使发动机在不同负载情况下都能处于最佳燃油消耗状态或最低污染排放状态。相关研究表明，与传统CSE驱动液压泵相比，HFPE的指示效率超过50%，零件数目减少60%，重量至少减少55%[1]。

虽然HFPE具有独特的优势，但是经过近半个世纪的发展，仍没有获得大规模的应用，这主要是由于HFPE发展过程中存在一些技术难题没有攻克。针对HFPE的研究现状，本文首先介绍HFPE的基本结构和工作原理，然后对HFPE研制过程中的关键问题和研究难点进行详细分析，最后结合当前的一些尝试性研究，指出今后HFPE可能的研究方向和相关技术。

1基本结构和工作原理

HFPE有3种基本的结构形式：单活塞式、双活塞式和对置活塞式。如图1所示，3种结构都包括燃烧腔和液压泵腔，单活塞式和对置活塞式还含有压缩腔。它们的工作原理基本相同，现以单活塞式HFPE为例简单介绍。

(a)单活塞式

(b)对置活塞式

(c)双活塞式1.燃烧腔　2.液压泵腔　3.压缩腔图1　液压自由活塞发动机的三种基本结构形式

1.喷油器　2.燃烧腔　3.排气孔　4.活塞组件5.压缩腔　6.液压泵腔　7.泵油单向阀　8.负载蓄能器9.负载　10.“缺火”复位阀　11.吸油单向阀12.供油蓄能器　13.频率控制阀　14.压缩蓄能器15.压缩单向阀　16.油箱　17.吸气孔图2　单活塞式液压自由活塞发动机结构原理示意图

单活塞式HFPE的工作原理如图2所示。活塞组件4初始处于下止点。发动机开始工作时，电控单元发出控制信号给频率控制阀13，使其左位工作。此时，压缩蓄能器14中的高压油经过频率控制阀13进入压缩腔5，推动活塞组件4向上止点运动。同时，液压泵腔6从供油蓄能器12中汲取低压油，活塞组件4压缩燃烧腔2中的新鲜空气，上述过程即为压缩冲程。当活塞组件4运动到上止点附近时，喷油器1向燃烧腔2内喷入适量燃油，燃油燃烧、释放能量推动活塞组件4向下止点运动。此时，压缩腔5内的液压油经过压缩单向阀15回到压缩蓄能器14，而液压泵腔6中的液压油经泵油单向阀7进入负载蓄能器8，推动负载9工作，上述过程即为膨胀冲程。活塞组件4回到下止点后，液压自由活塞发动机完成一个工作循环。

发动机的一个工作循环中，各工作腔的工作循环分别为：①液压泵腔在压缩冲程中吸油，在膨胀冲程中对外泵油；②压缩腔在压缩冲程中从压缩蓄能器吸收压力油，在膨胀冲程中将压缩腔的液压油重新储存到压缩蓄能器中；③燃烧腔完成“吸气-压缩-膨胀-排气”的工作循环。燃油的化学能经过活塞组件的直线运动转变为液压能输出。当压缩蓄能器的压力水平不同或喷入燃烧腔的燃油量发生变化时，发动机的上下止点位置均会发生相应变化，即活塞位置是自由的，此即为自由活塞发动机的由来。其他两种结构形式HFPE的工作过程基本与此相同。

2特性及关键技术

液压自由活塞发动机由于其独特的结构，具有与其结构相适应的一些特性。

2.1振动问题

如图1a所示，单活塞式HFPE只具有1个燃烧腔、1个液压泵腔，其结构是不平衡的；如图1c所示，双活塞式HFPE虽然具有2个燃烧腔、2个液压泵腔，但只具有1个活塞组件，因此机构本身也是不平衡的。这两种结构形式的活塞组件在运动过程中均没有其他部件来平衡其运动，故其运动是不平衡的，即活塞组件受到不平衡力的作用。活塞运动所受的不平衡作用力也反作用在发动机机体和安装底座上[2]，引起机体和底座的振动。李振信[3]研究了橡胶的刚-柔缓冲模型，分析了隔振结构的振动传递过程，研究结果表明，缓冲结构能有效降低机体振动，但会使活塞运动周期延长。这种措施只能在一定程度上减小振动，要从根本上消除发动机的振动，一要使其具有对称的结构，二应使其活塞运动对称。这样在活塞运动过程中，反作用于机体上的力才会相平衡，才能避免机体的振动。

图1b所示的对置活塞式HFPE中，2个活塞组件对称安装，运动过程保持镜像。Hibi等[4]的试验结果表明，在保证活塞组件运动同步的前提下，基本上可以消除发动机的振动。因此将2个或多个液压自由活塞发动机单元对称安装，并使其运动也对称，这样活塞组件在运动时，作用在机体和底座上的作用力可以相互抵消，从而达到减小或消除振动的目的[5]，但必须严格保证活塞组件运动同步，否则会引起机体更大的振动。图3中，“·”表示垂直纸面向里运动，“×”表示垂直纸面向外运动，按箭头方向运动。

(a)平行布局(b)圆周布局图3　对称布局的发动机单元示意图[5]

2.2流量脉动

单活塞式和对置活塞式HFPE的液压泵属于单柱塞式柱塞泵，活塞在运动过程中的速度不断地变化，因此输出的流量也相应地发生变化，产生脉动。当发动机处于脉冲间歇调制(pulse pause modulation，PPM)工作方式时，发动机有一段时间对外不输出任何液压油，这在一定程度上加剧了液压泵输出的流量脉动。脉动的流量经过系统中的控制阀和阻尼时，极易引起压力脉动，产生液压噪声，影响负载的稳定工作[6]。对传统柱塞泵的流量脉动和噪声现象的研究很多，但对HFPE流量脉动现象的研究还是一个较新的课题。双活塞式HFPE具有2个液压泵腔，活塞组件往复运动时，每一冲程都会对外输出高压油，这在一定程度上降低了泵的流量脉动。这一特性也被Innas BV公司应用在其第五代样机Chiron上[1]，其原理如图4所示。

图4　Innas BV公司的第五代样机Chiron的原理示意图[1]

图4中，泵活塞的两侧腔体都与负载蓄能器相连，压缩冲程中，左侧液压泵腔的液压油在液压泵活塞的作用下流入到负载蓄能器；膨胀冲程中，液压泵右腔的液压油一部分流入到负载蓄能器，另一部分流入到液压泵左腔。图 2所示结构中，液压泵腔只有在膨胀冲程中才对外输出液压油。在液压泵腔面积和活塞冲程相同即液压泵排量相同的情况下，图4所示结构的输出流量脉动明显减小。无论上述那种情况，液压泵的输出直接与负载相连时，输出流量的脉动幅值较大，会造成负载运动极度不稳定。因此，HFPE必须在泵的出口连接蓄能器，图2和图4中的负载蓄能器即用来吸收泵的流量脉动。

采用图 3所示的多个HFPE单元分时协同工作，可以进一步降低流量脉动，运动单元越多或单位时间内参与流量输出的单元越多，输出的流量脉动越小。

2.3压缩比控制及影响因素

压缩比可变是HFPE的独特优势，可以根据负载工况选择合适的压缩比，使发动机工作在最佳燃油消耗点或最低排放点。但特定工况需要一个恒定的压缩比来保证发动机稳定运行，因此需要对压缩比进行精确控制。Innas BV公司研究表明，压缩比随着压缩蓄能器压力水平的升高而增大[1,7]。Hibi等[8]的研究表明，频率控制阀的开启时间会对压缩比产生影响，开启时间越长，压缩比越大，但当活塞基本到达上止点时，继续增大阀的开启时间不对压缩比基本没有影响。苑士华等[9]研究了高低压负载情况下的系统压缩过程。低压负载下，随着外界压缩压力的提高，压缩比增大；高压负载下，压缩比存在一个极限值，没有随着外界压力的提高而一直增大。其他参数不变的情况下，频率控制阀的最大流量越大，压缩比越大；控制阀的响应频率对压缩冲程的时间影响较大，但对压缩比的影响较小[10]，因此选择大通径高频响的控制阀对于提高发动机压缩比和运行频率具有重要的意义。

Li等[11]提出图5所示的结构，旋转操作手柄可以使活塞的有效冲程长度在L(L为冲程长度)、0.75L及0.5L三种尺寸下选择。这种方法能对冲程进行准确调整，但不能连续改变冲程。

1.操作手柄　2.外壳　3.外环　4.泵腔　5.活塞　6.接低压管路图5　外套筒控制的冲程比例调节装置[11]

2.4燃烧问题

内燃机的燃烧问题一直是内燃机研究的一个重要方向，准确模拟内燃机的燃烧过程，对于改进内燃机结构，提高燃烧效率具有重要意义。虽然对燃烧过程的认识已经从半经验的零维模型发展到综合考虑气体流动、质量、动量和能量的传递与交换的多维模型[12]，但这些模型都是针对CSE进行的。与CSE相比，HFPE在上止点附近具有更高的加速度，且其膨胀冲程更为迅速，如图6所示，这必然会对燃烧过程产生影响，因此建立与HFPE特点相符合的燃烧模型，是对HFPE，乃至所有的自由活塞发动机进行准确建模的必要前提。

(a)位移曲线

(b)速度曲线

(c)加速度曲线图6　HFPE与CSE运动特性比较

2.5活塞受热不均问题

如图6所示，相对传统内燃机而言，HFPE在上止点附近的加速度更大，速度更快，空气与燃油的混合更加迅速，燃烧时间更短，放热更快，这对活塞来说是一个更大的考验。传统内燃机的活塞受曲柄连杆机构的限制，活塞与进气门、排气门的位置是固定的，排气门附近长期处于高温状态，而进气门处由于有新鲜空气的冷却作用，温度较低，这导致了活塞的局部受热不均，容易造成活塞变形。由于HFPE的活塞组件不受任何机械机构的约束，上下止点位置可变，亦可绕轴线旋转，因此，基于HFPE的这个特点，Caterpillar公司提出图7所示的可绕轴线旋转的活塞结构。压缩冲程中，高压油流过叶片表面，使叶片带动活塞旋转一定角度；膨胀冲程中，叶片位置保持不变，这样可以避免活塞表面受热不均，从而减少活塞磨损，延长活塞寿命[13]。

图7　液压泵活塞剖视图[13]

2.6扫气效率

HFPE不论结构形式如何，一般都包括吸油冲程和泵油冲程，与此对应，一般选择二冲程内燃机作为动力驱动装置。通常，二冲程内燃机的换气过程持续角度为120°~150°CA(crankshaft angle)，换气时间短，换气质量差；另外，二冲程内燃机的气门重叠角度占整个内燃机换气角度的比例高达70%~80%[14]，从而导致二冲程内燃机燃油消耗多、热负荷大和污染物排放严重等问题，不符合目前节能环保的要求。针对两冲程内燃机存在的问题，学者们提出了一些提高扫气效率的方法和措施，并在试验样机上进行了测试和应用。Innas BV公司利用发动机输出的部分能量来驱动扫气泵，为单活塞式HFPE提供具有较高压力的新鲜空气，从而提高扫气效率[15]。Zhao等[16]采用直流扫气式二冲程内燃机来提高发动机的扫气效率。这些方法都在一定程度上提高了二冲程内燃机的扫气效率，但并没有彻底解决其扫气效率低、燃油消耗多的问题。四冲程结构内燃机具有单独的排气冲程和吸气冲程，扫气效果好，研究结果表明，四冲程HFPE的扫气效率比二冲程发动机的效率高15%[17]，如图8所示。

(a)四冲程内燃机气体质量分数

(b)两冲程内燃机气体质量分数图8　燃烧腔中气体的质量分数

3HFPE的研究方向

与CSE相比，HFPE虽具有独特的优势，但经过近四十年的发展，仍没有获得大规模的工程应用。目前可见的报道仅限于20世纪90年代Innas BV公司在液压叉车上进行的验证性应用[6]；将HFPE应用到城市公交系统、工程机械、装甲车等领域，也仅限于理论上的论证，并无应用实例。因此在HFPE通向产业化应用的道路上还有很多难题需要攻克，也呼唤着新技术、新结构的运用。

3.1HCCI技术

均质充量压燃(homogeneous charge compression ignition，HCCI)技术是融合了柴油机压燃(高压缩比)及汽油机点燃(低压缩比)的一种新型燃烧模式。采用HCCI技术的内燃机在正常工作时具有较高压缩比，此时油气混合物以压燃方式燃烧；在极端工况，如大负荷、高转速或冷机状态下，HCCI发动机则要求较小的压缩比，油气混合物依靠传统的火花塞点火燃烧，这就要求HCCI发动机的压缩比能够根据工况进行改变，这正符合HFPE的特点。

将HCCI技术与自由活塞发动机技术相结合，国内外学者也进行了有益的探索和研究。李庆峰等[18]研究了HCCI在自由活塞式内燃发电机上的应用，研究表明，HCCI能够拓宽内燃机的实际运行范围，同时能够协调效率和输出功率。Goldsborough等[19]将HCCI燃烧模式应用到自由活塞发电机上来优化扫气系统，以提高效率，降低排放。

3.2新结构

HFPE的突出优点是具有可变的压缩比，但其最大的挑战是在特定工况下对压缩比进行精确控制。这对HFPE的控制系统和检测系统提出更高的要求。尹凯等[20]提出一种液压约束活塞发动机结构，它融和了HFPE和传统内燃机的优点，即HFPE能通过直线往复运动将燃料燃烧产生的热能直接转换成流体压力能，简化传动系统结构，而传统内燃机用来保证对压缩比的精确控制。这从侧面反映，在保持HFPE优势的前提下，避开其难以攻克的难题，开创性地融和新结构是推动HFPE走出实验室、走向产业化的出路之一。

3.3新燃料

如上所述，压缩比的精确控制成为制约HFPE产业化的瓶颈，除在结构上加以克服外，改变其燃烧方式也是一种大胆的尝试。Raade等[21]利用过氧化氢催化分解产生的高温蒸汽推动液压泵工作。推动活塞运动的高温蒸汽只与过氧化氢的分解过程有关，而与活塞组件所处位置无关，即与压缩比无关，从而规避了发动机的工作和性能必须精确控制压缩比的问题。夏必忠等[22]提出一种使用双组元燃料来驱动HFPE的方案，其本质也是避免对压缩比的精确控制，而将侧重点放到燃料配比和燃烧上。

3.4多学科领域的有机交融

HFPE将液压技术、内燃机技术、传感与检测技术、控制技术等有机地联系在一起，各技术互为依托，共同为自由活塞发动机的发展提供有力的保障。HFPE的发展离不开各技术领域的发展，同样，HFPE的发展进步也会推动相关领域的技术革新。只有各技术共同的进步才能为HFPE实现产业化奠定坚实的基础。

4结语

液压自由活塞发动机从产生伊始就被誉为动力界的“璀璨新星”，是一种具有鲜活生命力的新型动力装置，其不同于传统内燃机的独特优势使众多研究机构和学者为之奋斗。在其研制和产业化道路上，存在许多不同于传统曲轴式内燃机的关键技术和难题，因此不能简单借用传统曲轴式内燃机的相关技术，而需要研究机构和学者作出创造性的工作。另外，新技术、新结构和新型燃料的采用，大大拓宽了液压自由活塞发动机的应用范围，为其走向产业化提供了更多途径。

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(编辑张洋)

Key Technologies and Future Development of Hydraulic Free Piston Engine Ren Haoling1,2Lin Tianliang1Xie Haibo2Yang Huayong2

1.Huaqiao University，Xiamen，Fujian，361021 2.The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control,

Zhejiang University,Hangzhou,310027

Abstract：Three basic configurations of HFPE, their working principles and merits were introduced. Special characteristics of HFPE due to the unique structure, key technologies and challenges in developing, and research situation of HFPE were discussed in detail. The bottleneck techniques which restricted the industrialization of HFPE were pointed out. The exploration and tries to solve these bottleneck techniques were introduced. Development of HFPE might be carried out through the improved structure, the breakthrough of combustion and fuel technology, and the multidisciplinary integration.

Key words：hydraulic free piston engine (HFPE); vibration; flow pulsation; compression ratio

作者简介：任好玲，女，1978年生。华侨大学机电及自动化学院讲师。主要研究方向为液压自由活塞发动机、工程机械节能技术。发表论文10余篇。林添良，男，1983年生。华侨大学机电及自动化学院副教授。谢海波，男，1975年生。浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室副教授。杨华勇，男，1961年生。浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室教授，中国工程院院士。

中图分类号：TH137.7；TK402

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.023

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51505160，51275451，51205140)；高校产学合作科技重大项目(2013H6015)；福建省自然科学基金资助项目(2015J01206)

收稿日期：2015-04-02