《四冲程自由活塞天然气发动机研究》一书从基本理论入手，系统阐述了四冲程自由活塞天然气发动机的结构特点、工作原理、循环特性、原理样机与台架试验、性能仿真分析和特性参数。全书主要内容包括四冲程自由活塞发动机理论循环热力学分析、理想热力循环过程?分析，四冲程自由活塞发动机原理样机系统设计与试验、三维数值模拟和四冲程自由活塞发动机性能影响因素分析。

1. 增程式电动汽车和混合动力汽车是当前汽车工业研究与开发热点。本书对基于Atkinson循环的四冲程自由活塞天然气发动机进行全过程分析，其作为动力装置非常适用于上述两类汽车。

2. 当前全球能源日益短缺、环境污染日趋严重，汽车工业寻找替代能源和改变传统热力循环过程的需要日趋迫切，天然气因其资源丰富和清洁燃烧成为汽车替代能源SHou选。因此，本书相关研究有着重要意义。

3. 本书采用试验研究与数值模拟相结合方法，针对基于Atkinson循环的四冲程自由活塞天然气发动机的热力过程及其实现问题,进行了详细而深入的分析，特别在全过程仿真模拟研究方面做了大量工作，研究成果颇具创新性、科学性和实用性。该领域工作迈出了探索性的重要一步，为后续进一步研究奠定了基础。

4. 本书相关研究过程中，作者参阅了国内外同行的大量文献资料，并详列于本书末“参考文献”中，以期为对本书研究有兴趣的读者拓展视野、开阔思路，起到一定作用。

增程式电动汽车和混合动力汽车是当前汽车工业研究与开发热点。基于 Atkinson 循环的自由活塞发动机因其结构简单、燃料适应性广和热效率高等优点，非常适合作为动力装置，用于增程式电动汽车和混合动力汽车。随着汽车工业发展和石油资源日趋枯竭，天然气因资源丰富和清洁燃烧而成为当前汽车替代能源的首选，因而可兼顾现有能源与清洁能源的自由活塞天然气发动机日趋受到重视。

在环保法规和节能减排要求日趋严苛的今天，二冲程传统发动机因燃烧不充分、污染严重，已被汽车工业淘汰。随着自由活塞发动机研究开发广度与深度的不断拓展，适时提出发展四冲程自由活塞天然气发动机，可充分发挥自由活塞天然气发动机的优势、改善发动机的动力性和经济性。

本书以试验研究与数值模拟相结合的方法，对四冲程自由活塞天然气发动机全过程进行分析。全书主要内容包括∶自由活塞发动机原理样机、热力过程数值模拟计算综述;基于热力学第一定律和第二定律分别建立了四冲程自由活塞发动机理论循环热力学模型和拥分析模型;搭建了四冲程自由活塞天然气发动机台架试验平台并进行相关试验研究;开发了自由活塞运动规律控制模块，建立了四冲程自由活塞发动机包含进气、压缩、做功和排气的全过程三维数值仿真计算模型;详细分析了主要设计参数对四冲，程自由活塞天然气发动机性能的影响，通过对比分析选出最佳参数，为后续自由活塞发动机改进提供参考依据。同时本书成果对于自由活塞发动机发展及其在增程式电动汽车和混合动力汽车上的应用有重要意义。

本书主要工作是作者在国家自然科学基金（50876043）和国家青年自然科学基金（51207071）支持下完成的，本书的出版受到广东海洋大学校级项目（Cl5479）资助。作者衷心感谢南京理工大学常思勤教授多年的指导与鼓励，感谢南京理工大学徐照平副教授、刘梁副教授和华侨大学林继铭博士在实验方面的协作。

书中引用了国内外同行公开发表的文献资料，作者在此对他们致以诚挚的感谢和敬意。

由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请广大读者批评指正。

作者

尹凝霞，工学博士，广东海洋大学机械与动力工程学院副教授、硕士生导师。主要从事先进制造技术、CFD/CAE仿真分析方面的研究工作，在国内外学术期刊及国际学术会议发表研究论文40余篇，其中三大检索18篇，出版教材3部。

谭光宇，工学博士，广东海洋大学机械与动力工程学院教授、博士生导师。主要从事先进制造技术、金属切削理论等方面的研究工作。主持国家自然科学基金4项，主持教育部高等学校博士学科点科研专项基金、广东省高新技术产业化项目和广东省高等学校人才引进专项资金各1项。发表论文70余篇，获国家科技进步二等奖1项（第4名）。

第1章 绪论……………………………………………………………001

1.1 自由活塞发动机研究的背景及意义 …………………… 001

1.2 自由活塞发动机简介 ………………………………… 005

1.2.1 分类及特点……………………………………… 005

1.2.2 应用发展历程…………………………………… 009

1.3 自由活塞发动机研究现状 ……………………………… 010

1.3.1 原理样机试验研究现状…………………………… 011

1.3.2 数值模拟研究现状………………………………… 016

1.4 天然气发动机应用现状及发展趋势 ……………………… 019

1.4.1 天然气作为发动机替代能源的优势…………… 019

1.4.2 单燃料天然气发动机应用现状及发展趋势…… 020

1.5 主要研究内容 ………………………………………………… 023

第2 章 四冲程自由活塞发动机理论循环热力学分析……………… 025

2.1 四冲程自由活塞发动机基本构成及工作原理 ………… 025

2.1.1 基本构成…………………………………………… 025

2.1.2 工作原理…………………………………………… 026

2.2 理论循环简化条件 ……………………………………… 027

2.3 基于热力学第一定律的理论循环热力学分析 ………… 028

2.3.1 第一定律热力学模型 ………………………… 028

2.3.2 第一定律热力学分析…………………………… 029

2.4 基于热力学第二定律的理论循环畑分析 ……………… 039

2.4.1 烟分析计算模型 ………………………………… 040

2.4.2 娴分析……………………………………………… 041

2.4.3 拥分析计算结果 …………………………………… 043

第3 章 四冲程自由活塞天然气发动机原理样机系统设计与试验……048

3.1 原理样机系统设计 …………………………………… 048

3.1.1 CNG供气系统设计 …………………………… 050

3.1.2 CNG喷射系统设计 …………………………… 050

3.1.3 点火系统设计………………………………… 052

3.2 试验测试装置 …………………………………………… 052

3.3 原理样机及试验台架 ……………………………… 053

3.4 CNG燃料理论空燃比计算……………………………… 054

3.5 样机运行试验 …………………………………………… 055

3.6 试验结果分析 ……………………………………………… 056

3.6.1 进气冲程长度对系统性能的影响…………… 056

3.6.2 压缩比对系统性能的影响……………………… 057

3.6.3 膨胀比对系统性能的影响 ……………………… 058

3.6.4 点火时刻对系统性能的影响…………………… 058

第 4 章 四冲程自由活塞发动机实际循环三维瞬态数值模拟及验证 ……061

4.1 三维数值模拟计算过程 ……………………………… 061

4.2 缸内工作过程数学模型的建立 ………………………… 063

4.2.1 基本控制方程 …………………………………… 064

4.2.2 湍流流动模型 ……………………………………… 064

4.2.3 传热模型 …………………………………………… 065

4.2.4 燃烧模型 ………………………………………… 066

4.3 气道与燃烧室三维几何模型的建立及计算网格生成 … 067

4.3.1 三维几何模型的建立……………………… 067

4.3.2 计算网格生成…………………………………… 068

4.4 电磁驱动配气机构运动规律的实现 ……………………… 070

4.5 自由活塞运动规律的实现 ……………………………… 071

4.5.1 传统发动机活塞运动规律的实现 ……………… 071

4.5.2 自由活塞运动特点……………………………… 072

4.5.3 自由活塞动力学模型…………………………… 072

4.5.4 自由活塞运动规律的确定 ………………………… 074

4.5.5 自由活塞动网格实现 ………………………… 076

4.6 初始条件与边界条件的确定 ………………………… 078

4.7 模型验证 …………………………………………………… 079

4.8 计算结果分析 ………………………………………… 080

4.8.1 缸内进气过程流场分析…………………………… 081

4.8.2 缸内压缩过程流场分析……………………………… 084

4.8.3 燃烧过程分析……………………………………… 087

第5 章 四冲程自由活塞发动机性能影响因素分析…………………… 090

5.1 气门运动的影响 …………………………………………… 090

5.1.1 可变气门正时的影响…………………………… 090

5.1.2 可变气门升程的影响…………………………… 094

5.2 压缩比的影响 ……………………………………………… 098

5.2.1 进气冲程长度改变导致压缩比变化的影响…… 099

5.2.2 活塞顶部形状改变导致压缩比变化的影响 …… 104

5.2.3 自由活塞发动机对爆震的抑制 ………………… 114

5.3 点火时刻的影响 …………………………………………… 117

5.4 过量空气系数的影响 …………………………………… 121

5.5 缸外独立压缩的影响 ………………………………… 122

5.6 可变膨胀冲程的影响 ……………………………………… 124

第6章 总结与展望……………………………………………………… 127

6.1 本书主要工作 ……………………………………….… 127

6.2 本书创新性 ……………………………… 129

6.3 研究趋势 ………………………………………….. 129

参考文献 …………………………………………………………………… 132