摘 要：简要介绍了液压自由活塞发动机相比于传统内燃机的优越性能，针对液压自由活塞发动机的特点以及公交车运行的特殊性，探究了液压自由活塞发动机在市内公交车上应用的可行性，展现了液压自由活塞发动机的广阔应用前景。

关键词：液压发动机；公交车；节能；环保；探究

中图分类号：U469.13+2 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.07.044

本文著录格式：[1]王辉，张超.液压发动机在市内公交车上的应用探究[J].软件，2313，34（7）：128-129

0 引言

经济的快速发展，使得汽车的保有量不断增加，由于环保法规的严格要求，我们面临着经济性和排放性两方面的压力。大力发展公共交通是目前解决城市交通及环保问题的有效途径之一。公交车在城市居民的生活中发挥着重要作用，公共交通已经成为一个庞大的资源体系网，但就目前的运行质量来看却不容乐观。调查显示，在我国主要的大城市，公交车的排气污染甚至占到机动车尾气污染的80%以上[1-2]。一个稳定、高效的公共交通系统对整个城市交通系统尤为重要，用相对少的能耗保证城市的交通运输，用相对少的排放减轻对环境的危害压力，从而实现城市道路、车辆与环境的高效和谐。因此，如何提高公交车资源的利用率、降低排放是我们面临的一个重大问题。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，并显示出了强大的生命力，一方面该种发动机有着巨大的节能空间，另一方面使得内燃机的尾气排放质量得到了提升[3]。

1 液压自由活塞发动机简介

人类所使用的总能量中约有1/2-2/3的能量是损失在转化过程中的。在积极开发新能源的同时，节能是一个愈来愈受到广泛关注的“大能源”。由于发动机在能量转换链中的“源头”地位，更由于其效率低、节能空间巨大，所以倍受重视。我们必须从全新的理念去思考解决问题，液压自由活塞发动机（Hydraulic Free Piston Engine， HFPE）应运而生。HFPE崛起背景是和全球范围内能源结构的变化趋势，以及人类社会可持续发展对节能的迫切要求紧密联系在一起的。HFPE省去了曲轴式内燃机中将活塞的往复运动转换为旋转运动的曲柄连杆机构，具有结构简单、零件数目少、重量轻、成本低、效率高、可替代燃料范围广及易实现再生制动等优点[4]。HFPE的单元功率一般为15-30KW，北京理工大学研制的单缸HFPE样机的有效输出功率为15KW，在需要更大功率的应用场合，可通过多个HFPE单元的组合来满足要求。负载功率变化时，由ECU实时控制HFPE工作单元的数目，且个别HFPE单元因故障或维修而停车时，不影响整个机组的连续运行。这样既有利于系统的节能，也有利于HFPE产品的系列化和标准化。HFPE小型、轻量的特点为这种分布式功率传递的实现提供了保证，这意味着一个大的发动机可以由两个或多个HFPE所取代。另外，浙江大学研制开发的的高能量密度双活塞式HFPE样机在活塞运动频率为30Hz时，发动机的有效输出功率高达222KW，耗油量为873.7g/h。HFPE与传统内燃机相比就能量的转换形式上来说没有本质的变化，HFPE将燃料的内能转化为液压能驱动负载，减少机械振动，提高了车辆舒适性。液压自由活塞发动机是对传统内燃机的继承和发展，因此，相对于新能源汽车的投资要低的多，应用前景广阔。其中单活塞式液压自由活塞发动机结构如图1所示 。

2 使用寿命增加

由图1可以看出液压活塞发动机取消了曲柄连杆机构，发动机体积小、重量轻，零件数目的减少提高了HFPE的可靠性及使用寿命；与传统内燃机相比活塞的布置形式也发生了变化，动力活塞与活塞缸呈平行状态，这就大大减少了活塞与缸筒的摩擦与撞击，降低了噪声，在一定程度上防止了“敲缸”现象的发生，延长了缸套的更换周期；在机械加工方面，液压发动机的活塞完全可以加工为圆柱形，加工工艺简单，成本低。相比于传统发动机HFPE的结构优越性能表现的更加突出[5]。

3 再生制动

再生制动是汽车节能的重要途径之一。所谓再生制动是指通过控制，使车辆动力模块全部或部分具有能量逆向流动功能，从而实现将车辆的惯性能部分回馈至储能器，与此同时，对车辆起制动作用[6]。

城市公交车的运行不同于其他运输车辆，有着特定的运行环境，为满足乘客的需要，公交车需要经常处于起步、运行、停止三个循环状态下，内燃机的平均输出功率约为其最大功率的10%-20%，内燃机效率相当低，另外，内燃机用于制动、怠速及减速过程中的耗油量约占总耗油量的43%，这是由于负载的频繁变化使得发动机的运行状态不断变化所致。车辆长时间的低于经济车速行驶，频繁启停会导致发动机运行条件恶劣。耗散能量多，资源利用率低，传统的公交车停止刹车阶段车辆动能经过摩擦片的摩擦作用变为热能而耗散掉，有关资料表明普通车辆以40km/h车速紧急刹车一次，燃料消耗量增加约100ml[7]。作为能量回收及二次调节液压技术应用的典型实例，曼内斯曼-力司乐公司（Mannesmann Rexroth） 利用液压变压器作为HFPE和液压马达的接口，将共轨压力转换为用户端所需要的压力，实现了用30KW发动机代替180KW发动机来驱动市区车辆运行，HFPE将燃料的内能转化为液压能驱动负载工作，液压系统制动稳定、可靠、时间短、制动噪声低，不需要依靠闸衬和刹车鼓的摩擦实现，维护费用大为降低，最为重要的是HFPE利用自身的能量回收机制将公交车在刹车过程中的动能转化为液压能储存在蓄能器中，以供其他方面利用，HFPE再生制动原理的利用会使市内公交车的节能运行再提升一个台阶[8]。

4 低排放性

由机动车尾气造成的大气污染问题日趋严重，不少大中城市采取了机动车限购限行的法规，一方面解决城市的交通拥挤问题，另一方面减少机动车尾气排放量。这些措施的实施在一定程度上的确起到了环保的作用，却不能从根本上解决问题。汽车发动机燃烧过程中排放的气、固态污染物已经成为大城市PM2.5的主要来源，严重危害着人们的身心健康。液压自由活塞发动机和负载间通过液压系统进行功率传递，尤其是液压蓄能器的使用，使得内燃机的输出功率和负载功率间的实时关系不复存在，发动机的运行状况不受负载力的影响，内燃机可以按最优化的经济性曲线运行，燃料的燃烧状况够得到保证[9]。在膨胀做功行程中动力活塞缺少了曲柄连杆机构的约束限制，使得下行活塞的速度、压力以及缸体温度迅速下降，氮氧化物等污染物的形成条件得到了限制。对特定的燃料以及不同的负载压力，压缩比的精确控制也能达到降低排放的效果。HFPE的可替代燃料多。如新兴的单组元燃料燃烧后的产物只有水和氧气，无污染，对环境友好。在矿物燃料日益短缺的今天，这同样也是一种重要的“节能”方式[10]。

5 结束语

随着液压、电子、控制等技术的不断进步，HFPE的节能环保潜能定会得到开发并发挥其功用，液压自由活塞发动机无疑是有前途的，在公交车辆或其他大型行走机械方面，液压自由活塞发动机一定会成为未来的动力之星。

参考文献

[1]锁国涛.武汉市公交车行驶工况及发动机循环工况的研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[2]李孟良，胡友波，艾毅，等. 混合动力城市公交车节能环保效益分析与研究[J]. 武汉理工大学学报.2010，34（5）：944-948.

[3]应玉飞，金甬新.我国城市机动车排气污染趋势及系统防治战略[J].中国环境管理，1999（3）：35-38.

[4]夏必忠.往复式原动液压泵的机理研究[D].浙江：浙江大学，2003.

[5]杨华勇，夏必忠，傅新. 液压自由活塞发动机—未来的动力之星[J]. 中国机械工程，2001，12（3）：353-357.

[6]赵国柱.电动汽车再生制动若干关键问题研究[D].南京：南京航空航天大学.2012.

[7]蔡凤田.汽车节能与环保实用技术[M].北京：人民交通出版社，2002.1.

[8]江祖德，曹志锡，何少勇，等.自由活塞式液压能量回收机的研制关[J]. 中国机械工程，1995，6（4）：49-52.

[9]杨华勇，夏必忠，傅新.液压自由活塞发动机的发展历程及研究现状[J]，机械工程学报，2001，37（2）：1-7.

[10]夏必忠，周华，傅新，等.液压自由活塞发动机的节能方式研究[J].农业机械学报，2001，32（6）：8-14.