作者:李珂，明尼苏达大学博士生(指导老师:孙宗轩教授)
传统的移动式流体发电系统由内燃机（ICE）和旋转液压泵组成。另一种选择是使用自由活塞发动机（FPE）-这消除了曲轴以实现无约束活塞运动。使用FPE，线性液压泵可以与FPE的活塞对齐，以便燃烧过程直接将流体泵送至应用。这使得设计更加紧凑，摩擦损失显著降低。
由于没有机械输出，FPE可以模块化设计。具体而言，我们可以组合多个FPE模块，这些模块不需要同时运行或位于同一空间。它们可以根据功率需求打开和关闭，从而显著提高整体循环效率。
FPE的另一个重要优点是，无约束活塞运动允许我们实时改变压缩比以及活塞轨迹形状。这一特性使发动机更能承受燃油特性的变化，也使FPE成为高级燃烧（如均质充量压缩点火（HCCI））的理想候选。因此，FPE可以是清洁、高效的紧凑型电源，并且能够使用各种可再生或化石燃料。
FPE技术广泛应用的主要技术障碍是大的周期间变化，特别是在瞬态操作期间。这是由于活塞运动依赖于燃烧和液压负载之间复杂的动态耦合。为了解决这一问题，我们设计了一个鲁棒的、精确的活塞运动控制系统。该控制器作为一个虚拟曲轴，通过实时无缝协调液压负载与燃烧力，引导活塞沿参考轨迹运动。主动运动控制器的优点在于能够精确地跟踪和塑造活塞运动轨迹。具体来说，虚拟曲轴的参考轨迹可以实时数字化改变，以实现大范围的活塞运动，从而获得发动机在不同工作点上的最大效率和低排放。
虚拟曲轴已经在福特汽车公司捐赠的一台液压自由活塞发动机上开发和实现(见图和示意图)。该发动机采用对置气缸和对置活塞结构，在提高系统模块化的同时，有可能显著提高ICE和泵效率。
当燃烧在左右燃烧室之间交替发生时，内活塞对和外活塞对沿相反方向往复运动。活塞对的线性运动压缩液压泵中的油以产生流体动力。虚拟曲轴的有效性已通过发动机驱动和发动机点火试验得到验证。我们目前正在进行发动机连续燃烧试验，以便能够表征发动机性能并用于未来研究。
欲了解更多信息，请访问明尼苏达大学网站或者是紧凑和高效流体动力中心(CCEFP)网站．
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