二沖程直線發動機設計開發

欒延龍

（上汽集團商用車技術中心上海200438）

二沖程直線發動機設計開發

欒延龍

（上汽集團商用車技術中心上海200438）

作為自由活塞發動機－發電機系統的前期研究，成功開發出一臺可用于該系統的直線發動機，經參數優化和標定，該直線發動機能夠順利起動并能穩定怠速運轉。結果表明，所設計、開發的直線發動機系統結構合理、運行可靠。對該直線發動機的前期研究為最終研究自由活塞發動機－發電機系統奠定了基礎。

二沖程直線發動機設計開發

引言

雖然傳統的曲柄連桿機構式發動機技術上已很成熟，但其采用的曲柄連桿機構使活塞運動時產生了對缸套的側向力作用，這種側向力使活塞與缸套之間的摩擦力增加，摩擦功損失增加，機械效率下降。因此，傳統發動機由于受到結構上的限制，很難使其機械效率得到很大提高。而自由活塞發動機由于沒有曲柄連桿機構，其連桿只有直線往復運動而沒有擺動，使其活塞運動時不受側向力作用，因此活塞與缸套之間的摩擦損失大大降低。由于沒有曲軸，也就沒有曲軸各摩擦副之間的摩擦損失。因此，自由活塞發動機的機械效率就會明顯高于傳統曲柄連桿機構式發動機[1]。

另外，如果在自由活塞發動機中間安裝一個直線型發電機，使活塞與發電機的動子連接，活塞的每個行程都會帶動直線電機發電。這樣能量就會得到更充分利用，整個裝置的效率就會更高。在這樣的背景下就產生了一種新型的動力系統——基于混合動力系統的自由活塞發動機－發電機系統[2，3]。它是對自由活塞發動機的技術繼承和發展，是現代電控技術和內燃機技術發展的綜合結果，是利用新技術開發新機型過程中的一次很好的嘗試和創新。

雖然自由活塞發動機－發電機系統是一種具有潛在優勢的新型動力系統，但由于該系統結構新穎，涉及到發動機和發電機兩個領域，并且系統的發動機和發電機并不是傳統類型的產品而是特殊類型的自由活塞發動機和直線電機，因此，如果沒有前期積累，要一次性設計開發一套全新的自由活塞發動機－發電機系統難度較大，并且研發周期較長，成本較高。

根據以上分析，為了研究自由活塞發動機－發電機系統的性能，項目組根據項目實際情況，采用分階段研究的方法，即首先研究發動機的性能然后將發動機與直線電機進行合理匹配，最終實現研究整個系統的目的。因此，作為自由活塞發動機－發電機系統的前期研究，項目組首先成功開發出一臺用于該系統的直線發動機。通過對該直線發動機進行結構設計，參數標定和優化研究，為最終研究自由活塞發動機－發電機系統奠定基礎。

圖1　二沖程直線發動機結構圖（前視圖）

圖2　二沖程直線發動機結構圖（后視圖）

1　系統總體結構及工作原理

在傳統二沖程摩托車發動機基礎上，經改進設計、加工，研究開發出一臺具有特殊結構的直線發動機[4]，其結構如圖1、2所示。該發動機的總體結構是將兩個經改進的二沖程摩托車發動機以直線對稱的形式布置于兩端，中間連接起動與功率輸出機構。其主要特征是兩缸、二沖程回流掃氣、風冷、直線對置式發動機。該直線發動機與傳統發動機的主要區別是發動機工作時連桿只有直線往復運動而沒有繞活塞銷的擺動，這就使得該發動機的起動和功率輸出機構與傳統發動機具有很大區別。為解決該直線發動機的起動和功率輸出問題，設計開發了一套特殊的起動與功率輸出機構。該機構安裝在左右兩個發動機的中間，通過滑塊與兩缸的連桿連接，其作用與傳統發動機的曲軸相似，但又不同于傳統發動機的曲軸，其顯著特點是，通過該機構將旋轉運動與直線往復運動相互轉化時，連桿只有直線往復運動而沒有擺動。發動機起動時，通過該機構可將飛輪的旋轉運動轉換為發動機連桿的直線往復運動，從而使發動機順利起動；當發動機正常工作后，該機構又可將連桿的直線往復運動轉換為旋轉運動，從而將發動機動力輸出。由于該直線發動機工作時，連桿只有與活塞一起的直線往復運動而沒有擺動，而活塞連桿的這種運動方式與自由活塞發動機-發電機系統中的活塞連桿的運動方式完全相同，因此，該發動機的結構及性能參數對自由活塞發動機-發電機系統中發動機的相關參數具有重要意義。

該直線發動機結構及工作原理示意圖如圖3所示，發動機工作過程的一個循環包含以下兩個行程：

第一行程：活塞自左缸下止點向左運動，事先已充入左缸內的混合氣被壓縮，新的混合氣又被吸入左缸掃氣箱內；同時，右缸活塞自上止點向左運動，右缸內進行著做功和換氣過程，右缸掃氣箱則進行著混合氣的預壓縮。

第二行程：活塞自左缸上止點向右運動，左缸內進行著做功和換氣過程，左缸掃氣箱則進行著混合氣的預壓縮；同時，右缸活塞自下止點向右運動，事先已充入右缸內的混合氣被壓縮，新的混合氣又被吸入右缸掃氣箱內。

圖3　直線發動機結構及工作原理示意圖

2　發動機主要系統開發

2.1起動系統

由于該直線發動機結構的特殊性，其連桿的運動方式與傳統發動機顯著不同，市場上沒有成熟的產品能夠滿足發動機的起動需求。因此，為該發動機專門設計開發了一套起動系統，該起動系統主要包括起動機、飛輪部件和一套專用的起動與功率輸出機構，起動機和飛輪齒圈是根據該發動機的起動要求選用的現有產品，而飛輪和起動與功率輸出機構則是根據該發動機的結構要求重新設計開發的。

2.1.1起動機和飛輪齒圈的選用

該直線發動機的起動轉速在500r/min左右，起動機功率要求500～700W。根據該直線發動機的結構參數，為其選用了額定輸出是12V、0.8kW的起動機QD1157及與之配套的飛輪齒圈JL474Q。

2.1.2飛輪的設計

根據發動機結構，為該發動機專門設計了相應的飛輪（見圖4），主要參數見表1。

圖4　飛輪

表1　飛輪主要參數

2.1.3起動與功率輸出機構的設計、開發

針對該直線發動機工作時連桿只有直線往復運動而沒有繞活塞銷的擺動這一特點，為解決發動機的起動與功率輸出問題為其專門設計開發了一套特殊的起動與功率輸出機構[5]。該機構可實現的主要功能是：發動機起動時，可將飛輪的旋轉運動轉換為發動機連桿的直線往復運動，從而使發動機順利起動；當發動機正常工作后，該機構又可將連桿的直線往復運動轉換為旋轉運動，從而將發動機動力輸出。

該機構總成包括起動盤、滑塊和滑軌三大主要零部件，其零件及總成圖見圖5～圖11。

圖5　 起動盤部件

圖6　 滑塊部件

圖7　滑軌

圖8　起動與功率輸出機構工作原理圖

圖9　起動與功率輸出機構總成（局部剖視俯視圖）

圖10 　起動與功率輸出機構總成（局部剖視圖）

圖11 　起動與功率輸出機構總成（局部剖視圖）

該起動與功率輸出機構的工作原理如下：

如圖5所示，起動盤3支撐于基座4上，可繞旋轉中心O自由轉動。利用偏心輪原理，在起動盤3上開有圓形軌道槽1，軌道槽的圓心O′與起動盤的旋轉中心O的偏心距是25mm。

如圖8所示，當起動盤繞旋轉中心O旋轉的過程中，軌道槽1也繞旋轉中心O旋轉，如果將一滾動軸承嵌在軌道槽中，并通過機械約束將滾動軸承限制在只能沿水平方向運動，而不能沿垂直方向運動。這樣，當軌道槽隨起動盤繞旋轉中心O旋轉的過程中，起動盤通過軌道槽對滾動軸承施加一作用力F′（見圖8b），在F′作用下滾動軸承在軌道槽中既轉動又滑動，由于滾動軸承在垂直方向被機械約束，水平方向的分力F會使滾動軸承的運動軌跡只能沿水平方向直線往復運動。由于軌道槽的圓心O′與起動盤的旋轉中心O的偏心距是25mm，所以當起動盤旋轉一周，滾動軸承在水平方向直線往復運動，且運動行程是50mm。

作為以上過程的反過程，如圖8所示，對滾動軸承施加一沿水平方向的作用力F，由于軌道槽的圓心與起動盤的旋轉中心有一偏心距，所以水平力F沿指向軌道槽的圓心O′的分力F′會使起動盤繞旋轉中心O旋轉。當起動盤轉到軌道槽的圓心O′與起動盤的旋轉中心O在一條水平線（如圖8的a、c所示）上時，起動盤會利用慣性轉過這兩個死點。由此看來，該機構可以將滾動軸承水平方向的直線往復運動轉換為起動盤的旋轉運動。

發動機起動時，由起動機帶動飛輪部件（見圖11）和與之相連的起動盤3一起旋轉，再由起動盤3將旋轉運動轉換為發動機連桿的直線往復運動，從而使發動機順利起動；發動機正常工作后，連桿的直線往復運動由該機構轉換為起動盤和飛輪的旋轉運動，從而將發動機動力輸出。

2.2進氣和掃氣系統

該直線發動機是二沖程發動機，進氣方式是簧片閥式，掃氣方案是回流掃氣式，混合氣在進氣行程通過簧片閥被吸入掃氣箱，在掃氣行程通過掃氣口進入氣缸，完成掃氣過程。

根據該直線發動機的結構特點，發動機連桿需要從機體內伸出與中間的起動及功率輸出機構連接，為實現發動機的進氣、掃氣功能，設計開發出一套既能起到進氣、掃氣目的又能滿足該直線發動機結構特點的系統，即掃氣箱總成[6]（見圖12）。該系統由掃氣箱、襯套、橡膠密封圈、自潤軸承和擋圈等主要零件組成。

掃氣箱總成在該直線發動機中主要起儲存預燃混合氣的作用，在進氣行程混合氣通過簧片閥先被吸入掃氣箱，再通過掃氣口掃入氣缸，因此其內部要求是密閉的，但由于該直線發動機結構的特殊性，連桿要穿過掃氣箱與中間的起動及功率輸出機構連接，這就要求連桿與掃氣箱配合處既要有良好的密封性以免掃氣箱在此處漏氣，又要保證良好的潤滑，以減少連桿在此處的摩擦。為解決以上問題，在連桿與掃氣箱配合處的一端裝有高品質的橡膠密封圈，以保證掃氣箱內的密封性，同時，為減小連桿與掃氣箱配合處的摩擦，在連桿與掃氣箱配合處的另一端裝有自潤軸承，很好地實現了掃氣箱進氣、掃氣的功能。

2.3燃油系統

該直線發動機采用進氣道多點噴射式的電控噴射系統，實現了對發動機循環噴油量和噴射時刻的精確控制。該系統主要由燃油箱、燃油泵、燃油濾清器、壓力調節器、油軌、燃油管路、噴油器等元件組成（見圖13）。在該系統中，燃油從燃油箱經過電動燃油泵以約0.25MPa的壓力流經燃油濾清器，除去雜質并經壓力調節器調節壓力后進入油軌，再通過油軌分送到各噴油器。燃油經壓力調節器調節壓力后，使噴油壓力保持恒定，過量的燃油經回油管流回油箱。

為了滿足電控燃油噴射系統的要求，為該發動機匹配了一套裝有節氣門位置傳感器和噴油器的節氣門體總成（見圖14），該節氣門體安裝在發動機缸體的進氣口上，燃油噴在進氣口附近，在進氣行程隨氣流一起進入掃氣箱，通過調節節氣門開度可以實現對循環進氣量的調節。

電控燃油泵為渦輪式單級泵，由控制器通過燃油泵繼電器控制其開關，油泵的出口處為單向閥設計，這樣即使不工作時，出口以后的油管內仍充滿燃油，能夠保證發動機的正常起動。

燃油濾清器串聯在電動燃油泵和噴油器之間，其設計允許通過的雜質最大直徑不大于0.01mm，這樣可以防止雜質堵塞噴油器。

圖12 　掃氣箱總成

圖13　燃油供給系統示意圖

圖14　節氣門體

燃油壓力調節器的調壓原理是由內部的調節彈簧和外部的進氣管真空度相互作用實現的，能夠始終保持噴油器與調壓器之間的油壓與進氣管內的壓力差在300～350kPa范圍內，保證了噴油器在工作時能夠穩定可靠地按照控制器的噴油脈寬噴射定量的燃油。在燃油系統中設置油軌的目的是，由于油軌具有貯油蓄壓的作用，其容積油量相對于發動機的循環噴油量要大很多，因此可以防止燃油壓力的波動，以便將燃油均勻等壓地分配輸送給各噴油器。

2.4點火系統

該發動機采用單片機控制的數字式點火系統[7]，其原理如圖15所示。點火正時是由電控系統根據直線位移傳感器和霍爾傳感器檢測到的活塞位置信號控制點火線圈實現的。通過采用數字式點火系統實現了點火時刻和點火能量的精確控制，提高了發動機性能。

圖15　單片機控制數字式點火系統原理圖

3　發動機起動和怠速試驗

為了使設計開發的直線發動機能順利起動并能可靠穩定運轉，需對起動和怠速工況進行參數優化和標定，因此搭建了用于相關參數研究的試驗臺架，如圖16所示。其中，發動機主要參數及特性如表2所示。

圖16　二沖程直線發動機試驗臺架

表2　試驗樣機主要參數及特性

3.1發動機起動試驗

圖17是通過起動系統對發動機空拖的試驗結果。由圖可見，當起動機將發動機空拖至第10循環左右時，即可將發動機拖動到650r/min左右，經起動試驗驗證，該拖動轉速能夠滿足發動機的起動轉速要求，可使發動機可靠起動，并且整個系統運轉平穩、可靠。在對發動機進行起動及怠速試驗過程中，共對發動機進行了上萬次的頻繁起動試驗，期間均未出現機械故障，由此證明，所設計、開發的起動系統以及整個直線發動機系統結構合理、運行可靠。

圖17　不同拖動循環時的發動機轉速

經參數優化和標定，得出該發動機起動首循環最佳循環噴油脈寬是10ms（即：噴射過量空氣系數是λ=0.31），最佳點火時刻是活塞距上止點前2mm[8]。

3.2發動機怠速試驗

經參數優化和標定研究發現，該發動機怠速工況最佳循環噴油脈寬是：4.5ms、最佳點火時刻是：活塞上止點前2mm。在該參數下，發動機怠速工況能穩定在1730±50r/min的轉速范圍，怠速曲線如圖18所示。

圖18　發動機怠速曲線

1史紹熙.自由活塞式發動機[M].北京：中國工業出版社，1961

2R.Mikalsen，A.P.Roskilly.A review of free-piston engine history and app lications[J].App lied Thermal Engineering，2007，27：2339～2352

3Christopher M.Atkinson，Sorin Petreanu，Nigel N.Clark，et al.Numericalsimulationofa two-stroke lnearengine-alternator combination.SAEPaper 1999-01-0921

4Csaba Tóth-Nagy.Linearengine development for serieshybrid electric vehicles[D].Morgantown，WV:West Virginia University，2004

5王哲，李理光，欒延龍，等.一種用于直線發動機起動及功率輸出的機構.ZL200910052256.6[P].2011

6王哲，欒延龍.自由活塞發動機掃氣箱總成.ZL200810202627. X[P].2010

7于冰.自由活塞發動/發電機電控系統及控制策略研究[D].上海：同濟大學中德學院，2009

8欒延龍.直線發動機設計開發及起動優化試驗研究[D].上海：同濟大學汽車學院，2013

Design and Developmentof a Two-Stroke Linear Engine

Luan Yanlong Commercial Vehicle Technology Centerof Saic Motor（Shanghai，200438，China）

As the pre-study of a free-piston engine-alternator combination system，a linear engine that can be applied in the system above is developed successfully,through parameters optimization and calibration，the linearengine can be started smoothly and keep stable idle running.Results show that，the developed linear engine′s structure is reasonable and operation is reliable.The pre-study of linear engine laysa foundation for the study of free-piston engine-alternatorcombination system finally.

Two stroke，Linearengine，Design，Development

TK411

A

2095-8234（2015）01-0042-08

欒延龍（1975—），男，博士，主要研究方向為發動機設計開發。

（2014-05-22）