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1、液压自由活塞发动机的发展历程及研究现状0 前言以汽车大众化为标志的内燃机工业在20世纪得到了迅速发展。但随着汽车保有量急剧增加,汽车废气排放造成的污染问题日益突出,严重威胁着人类身心健康,破坏着生态平衡。目前全球汽车拥有量6.5亿辆,每年排放的有害气体达7亿t,其中约有5亿t一氧化碳(CO)、1亿t碳氢化合物(HC)、0.5亿t氮氧化合物(NOx),以及0.5亿t其他有害物质。其数量之多,危害之大已引起公众的广泛关注。联合国“世界资源1998～1999”的报告指出,世界上25%的疾病和死亡是由环境污染造成的。作为环境污
2、染的“罪魁祸首”,内燃机已到了非治理不可的程度。由越来越多的国家制订出越来越严的排放法规可见一斑。另一方面,内燃机每年要耗费石油油品的70%以上。而据统计,世界的石油储量约为1万亿桶(约160万亿dm3),只能够满足人类开发40年左右。20世纪70年代的两次能源危机,使人们意识到能源形势的严峻性。能源与环境问题已成为当今内燃机技术发展的焦点。为此,世界各国一方面在积极开发新能源(如太阳能、核能等),另一方面在孜孜追求新技术新原理,努力开发高效、低污染、可靠、可使用多种燃料和具有良好技术继承性的新型发动机,以适用当代的物
3、质和技术条件。液压自由活塞发动机就是在此大背景下发展起来的新型特种内燃机。1 液压自由活塞发动机的演化历程和技术准备 液压自由活塞发动机是对自由活塞发动机的技术继承和发展,是现代液压技术、微电子技术和内燃机技术的综合。它的发展从一个侧面浓缩着各相关学科尤其是发动机技术的发展史,其发展历程主要可以概括为以下四个阶段。1.1 自由活塞发动机概念的产生自英国人瓦特(Watt)于1776年发明了蒸汽机,掀起了影响深远的工业革命,极大地促进了人类生产力的发展,到19世纪中叶,蒸汽机作为唯一的动力机达到了它的顶峰。但人们从切身经
4、验和理论分析中认识到蒸汽机的前途是有限的,它具有一系列固有缺陷:如热效率低(当时蒸汽机的效率一般只有5%～13%);结构笨重,体积大,不适应迅速发展的交通运输业的需要;操作不便,需要较长时间的预热;安全性差,经常发生锅炉爆炸事故;造价昂贵等。因蒸汽机上述五大缺陷,社会呼吁新的动力机来代替蒸汽机,各种各样的动力机方案涌现出来。其中1857年意大利恩·贝尔桑奇(EngentioBersanti)和马特依西(Matteucci)第一次试验了当时称为“自由活塞”的发动机,并实现了爆发作功。它并不采用曲柄连杆机构,而是活塞与输出
5、轴之间采用齿轮—齿条装置联接。这种结构尽管可行,但显然不如蒸汽机上久经考验的曲柄连杆机构合理而有效。1860年法国人兰诺(Lenoir)研制成功第一台足以实用的火花点火式、二冲程、无压缩冲程的煤气机,其活塞也是“自由的”,借助齿轮—齿条副和变速轮系,将活塞的往复运动转变成间歇性的旋转运动,从而向外输出功率。该内燃机第一次投入了批量生产,并受到用户的欢迎,但它不能满足高效热力循环的要求,齿轮与齿条在换向过程中的冲击载荷,从而导致它最终被淘汰。随着能源技术的进步和前人研究经验的累积,德国人鲁道夫·狄赛尔(Rudoffdie
6、sel)于1897年研制成完全靠压缩着火,采用液体燃料的柴油机。至此,往复活塞式内燃机的发明全部完成。它既是社会生产力发展的必然产物,又是与能源结构不断适应的结果。从此,狄赛尔内燃机取代蒸汽机登上了动力机的历史舞台。此阶段为自由活塞发动机的萌芽时期。1.2 自由活塞发气机/压气机1925年法国人皮斯卡拉(Pescara)在自由活塞压气机的基础上设计了自由活塞发气机。前者主要用来驱动活塞式压气机,供应压缩空气;后者又称燃气发气器(Freepistongasifier),它和燃气涡轮(Turbine)联合组成的动力装置,构
7、成了真正意义上的自由活塞发动机(Freepistonengine)。其系统原理图如图所示。1.2.1 工作原理在发动机气缸10(称动力缸)中对置着两个动力活塞1,它们分别与压气活塞2刚性连接。起动时假定动力活塞处于外止点,在气垫缸6中压缩空气的作用下,动力活塞急速向内止点移动,同时压气缸1和7内的空气被压缩,并经过气阀8进入扫气室3,供动力缸扫气之用。同时动力缸10内的空气被压缩,缸内压力、温度急剧升高。当两动力活塞接近内止点时,喷油器4喷入燃料,产生燃烧和膨胀,驱动动力活塞向外移动,进气室阀门5打开,压气缸1和7吸入
8、新鲜空气。而气垫缸2和6内空气被压缩,贮存驱动活塞向内止点移动的能量。气垫缸的作用与常规发动机的飞轮相似。右活塞在膨胀终了时,先打开排气孔,使大量燃气流入燃气涡轮9继续膨胀并输出功率。新鲜空气自扫气室3后进入动力缸10,并将残留的废气予以清扫,从而完成排气、扫气、吸气过程。当动力活塞到达外止点后,在气垫缸内压缩空气的作用下开始回复
