CN102374021A - 自由活塞发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A和自由活塞发动机B，所述自由活塞发动机A的活塞和所述自由活塞发动机B的活塞经弹性结构体连接，所述活塞对外输出动力。本发明具有控制机构简单、成本低、效率高的优势。

Description

自由活塞发动机

技术领域

本发明涉及热能与动力领域，尤其是一种自由活塞发动机。

背景技术

自由活塞发动机效率高，为此，关于自由活塞发动机的研究开发日益活跃，但是由于自由活塞发动机的结构和活塞的运动规律使自由活塞发动机难以稳定工作，经常发生熄火。为了解决这一问题，经常使用电或液压进行拖动，使控制机构复杂。为此，需要发明一种结构简单的高效自由活塞发动机。

发明内容

为了实现上述目的，本发明公开了以下方案：

一种自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A和自由活塞发动机B，所述自由活塞发动机A的活塞和所述自由活塞发动机B的活塞经弹性结构体连接，所述活塞对外输出动力。

一种自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A和自由活塞发动机B，所述自由活塞发动机A的活塞经弹性结构体与惯量体连接，所述惯量体经另一个弹性结构体与所述自由活塞发动机B的活塞连接。

一种自由活塞发动机，包括自由活塞作功机构和高压工质源，所述高压工质源经控制阀与所述自由活塞作功机构的气缸连通，在所述气缸上设排气门。

所述自由活塞作功机构的活塞经弹性结构体与惯量体连接。

所述自由活塞作功机构的活塞经另一个弹性结构体与机体连接；和/或所述惯量体经另一个弹性结构体与机体连接。

两个所述自由活塞作功机构的活塞经弹性结构体连接；或一个所述自由活塞作功机构的活塞经弹性结构体与惯量体连接，所述惯量体经另一个弹性结构体与另一个自由活塞作功机构的活塞连接。

一个所述高压工质源经所述控制阀或分别经所述控制阀与两个或两个以上所述自由活塞作功机构的气缸连通。

所述活塞对发电机的动子输出动力，或所述活塞对液压泵输出动力。

所述惯量体对发电机的动子输出动力，或所述惯量体对液压泵输出动力。

所述高压工质源设为内燃高压工质源或外燃高压工质源。

一个所述自由活塞发动机A和一个所述自由活塞发动机B构成一个自由活塞组，在由两个或多个所述自由活塞组组成的多缸所述自由活塞发动机中，调整某个所述自由活塞组的燃料供给量进而调整这个所述自由活塞组的频率和相位实现由所有所述自由活塞组构成的所述自由活塞发动机动量平衡，消除振动。

在由两个或多个所述自由活塞作功机构构成的发动机中，控制所述高压工质源内的压力和/或控制每次导入某个所述气缸内高压工质的量，进而控制这个所述自由活塞作功机构的频率和相位实现由所有所述自由活塞作功机构构成的所述自由活塞发动机动量平衡，消除振动。

在设有所述弹性结构体和所述所述惯量体的结构中，所述弹性结构体和所述所述惯量体构成的振荡系统的固有频率可调；在所述活塞经弹性结构体与另一个所述活塞连接的结构中，所述活塞和所述弹性结构体构成的振荡系统的固有频率可调。

所述惯量体的位置或质量是可调的，并由此调整系统的固有频率。

一种提高所述自由活塞发动机的效率和环保性的方法，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中，所谓的自由活塞作功机构是指气缸内没有燃烧室，将所述高压工质源内的工质按正时关系导入气缸，即在活塞处于排气冲程完了时将所述高压工质源内的一部分工质导入所述气缸内，关闭所述控制阀，导入气缸内的工质在所述气缸内膨胀推动所述活塞对外作功，当作功冲程完了时，所述活塞开始改变运动方向进入排气冲程，进而进入下一个循环的装置。

本发明中，所谓的高压工质源是指能为所述自由活塞作功机构提供气体工质的系统（所谓的气体工质一般说来是高温高压气体工质）；所谓的高压工质源可以是外燃高压工质源，即液体汽化器（例如锅炉），液体在液体汽化器内气化产生高温高压气体工质（此气体工质经所述控制阀按正时关系间歇导入所述气缸内）；所谓的高压工质源也可以是内燃高压工质源，即燃烧室（所述燃烧室产生的气体工质经所述控制阀按正时关系间歇导入所述气缸内）。

本发明中，所谓的弹性结构体是指具有弹性的结构体，例如弹簧以及弹簧的组合机构等。

本发明中，所谓的惯量体是指具有一定惯量的质量块，其功能是和所述弹性结构体相互作用蓄积一定能量，以维持自由活塞发动机的正常工作，其作用类似于发动机的飞轮；在具体设计发动机中，应根据发动机的具体情况确定所述弹性结构体的虎克系数和所述惯量体的质量。在本发明中，所述惯量体的位置或质量是可调的，可由此调整系统的固有频率。

本发明中，在所述活塞经所述弹性结构体与另一所述活塞连接的结构中，以及在设有所述弹性结构体和所述惯量体的结构中，其工作原理是利用所述弹性结构体和质量块（所谓的质量块是指另一个所述活塞和所述惯量体）所构成的系统在运动速度以及运动方向发生变化时的蓄能作用，防止发动机的熄火，维持发动机的正常运转，即当某一活塞改变运动方向或改变运动速度时，所述弹性结构体和质量块构成的蓄能系统像旋转动力发动机中的飞轮那样维持发动机的正常工作。

本发明中，所谓发电机的动子是指通过其本身运动作用产生发电作用的运动体，设置在自由活塞发动机的活塞上或受自由活塞发动机的活塞作用的具有发电作用的运动体一般说来只作直线运动不作旋转运动，所以本发明中称其为动子不称其为转子，但是其作用相当于由旋转动力发电的发电机的转子。

在传统具有曲柄连杆机构的发动机中，为了实现各缸运动件之间的动平衡，通常是使各缸的曲柄轴颈处于不同的相位，进而使各缸活塞及其连杆之间处于相互平衡的相位关系。然而在自由活塞发动机中，由于没有曲轴存在，所以多缸自由活塞发动机中的活塞之间的相位是不固定的，如果采用其他机构固定活塞之间的相位，以达到动平衡，就必然要丧失自由活塞的优越性。本发明中，采取了通过调整所述燃烧室产生的高压工质或调整所述高压工质源内的高压工质对某一活塞的作功力度使各缸频率相同，相位相互平衡，从而实现各缸活塞动量相互平衡，消除振动。

本发明中，由于质量块和弹性体的存在，所以不仅可以制造二冲程自由活塞发动机，也可以制造四冲程自由活塞发动机。

本发明中，由于活塞往复运动的频率根据负载和工作条件可能随时发生变化，为了使所述振荡系统的固有频率与所述活塞的运动频率相匹配，需要调整所述振荡系统的频率；可以通过调整所述弹性结构体的虎克系数（如改变弹簧与质量块的连接点）和质量块的位置和质量，实现所述振荡系统的固有频率可调。 

本发明中，所谓的弹性结构体包括预压缩弹性结构体，所谓预压缩弹性结构体是指由伸长长度限定结构和弹簧构成的弹性结构体，所谓的伸长长度限定结构是指只允许弹簧在一定范围内伸长的结构，例如绳、索、杆、套管等。

本发明中，所谓的输出动力包括以直接连接的方式以及以间接连接的方式输出动力。

本发明中，图31是气体工质的温度T和压力P的关系图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和0.1MPa的O点的气体工质绝热关系曲线；B点为气体工质的实际状态点，E-B-D所示曲线是通过B点的绝热关系曲线，A点和B点的压力相同；F-G所示曲线是通过2800K和10MPa（即目前内燃机中即将开始作功的气体工质的状态点）的工质绝热关系曲线。

本发明中，图31中的                                                

中的是气体工质绝热指数，

是气体工质的压力，

是气体工质的温度，

是常数。

本发明中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：1.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线上，即气体工质的状态参数点在图31中O-A-H所示曲线上；2.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图31中O-A-H所示曲线的左侧；3.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图31中O-A-H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图31所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。

本发明中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指：即将开始作功的气体工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）点在如图31所示的通过B点的绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。

本发明中，所谓的即将开始作功的气体工质是即将膨胀推动所述活塞对外作功的气体工质。

本发明中，将即将开始作功的气体工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）符合类绝热关系的发动机系统（即热动力系统）定义为低熵发动机。

本发明中，调整进入所述内燃高压工质源（即燃烧室）内的原工质的温度、压力和流量，调整向所述燃烧室导入燃料的量，调整所述燃烧室导出气体工质的量，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中，调整进入所述外燃高压工质源（即锅炉）内的原工质的温度、压力和流量，调整向所述锅炉的加热强度，调整所述锅炉导出气体工质的量，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本发明中，所谓原工质是指流入燃烧室的工质。

本发明中，根据发动机领域的公知技术，应在必要的地方设置必要的部件、单元或系统，如喷油器、火花塞、传感器等。

本发明的有益效果如下:

本发明具有控制机构简单、成本低、效率高的优势。 

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4为本发明实施例4的结构示意图；

图5和图6为本发明实施例5的结构示意图；

图7和图8为本发明实施例6的结构示意图；

图9为本发明实施例7的结构示意图；

图10和图11为本发明实施例8的结构示意图；

图12和图13为本发明实施例9的结构示意图；

图14和图15为本发明实施例10的结构示意图；

图16为本发明实施例11的结构示意图；

图17为本发明实施例12的结构示意图；

图18至图25为本发明实施例13的结构示意图；

图26、27和图28为本发明实施例14的结构示意图；

图29和图30为本发明实施例15的结构示意图；

图31是气体工质的温度T和压力P的关系图，

图中：

1 自由活塞发动机A、2 自由活塞发动机B、3 弹性结构体、4 惯量体、5 活塞、6 自由活塞作功机构、7 高压工质源、8 控制阀、9 气缸、10 气门、11 机体、12 发电机、13 动子、14 液压泵、701 内燃高压工质源、702 外燃高压工质源。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A1和自由活塞发动机B2，所述自由活塞发动机A1的活塞5和所述自由活塞发动机B2的活塞5经弹性结构体3连接，所述活塞5对外输出动力。在所述活塞5经弹性结构体3与另一个所述活塞5连接的结构中，所述活塞5和所述弹性结构体3构成的振荡系统的固有频率可调。

为了提高所述自由活塞发动机的效率和环保性，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

实施例2

如图2所示的自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A1和自由活塞发动机B2，所述自由活塞发动机A1的活塞5经弹性结构体3与惯量体4连接，所述惯量体4经另一个弹性结构体3与所述自由活塞发动机B2的活塞5连接；所述惯量体4的位置或质量是可调的，并可由此调整系统的固有频率。调整即将开始作功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，使将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

实施例3

如图3所示的自由活塞发动机，包括自由活塞作功机构6，高压工质源7，所述高压工质源7经控制阀8与所述自由活塞作功机构6的气缸9连通，在所述气缸9上设排气门10；通过控制所述高压工质源内的压力，和每次导入所述气缸内高压工质的量，可以控制所述自由活塞作功机构的频率和相位，以此实现所述自由活塞发动机的动量平衡，消除振动。

调整即将开始作功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，使将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

实施例4

如图4所示的自由活塞发动机，其与实施例3的区别在于：所述自由活塞作功机构6的活塞5经弹性结构体3与惯量体4连接。在设有所述弹性结构体3和所述所述惯量体4的结构中，所述弹性结构体3和所述所述惯量体4构成的振荡系统的固有频率可调。所述惯量体4的位置或质量是可调的，并可由此调整系统的固有频率。

实施例5

如图5和图6所示的自由活塞发动机，其与实施例4的区别在于：所述自由活塞作功机构6的活塞5经另一个弹性结构体3与机体11连接（如图5所示）；或所述惯量体4经另一个弹性结构体3与机体11连接（如图6所示）。所述惯量体4的位置或质量是可调的，并可由此调整系统的固有频率。

具体实施时，可选择地，所述自由活塞作功机构6的活塞5经另一个弹性结构体3与机体11连接和所述惯量体4经另一个弹性结构体3与机体11连接。

实施例6

如图7所示的自由活塞发动机，其与实施例3的区别在于：两个所述自由活塞作功机构6的活塞5经弹性结构体3连接；本方案还可按图8所示，由一个所述自由活塞作功机构6的活塞5经弹性结构体3与惯量体4连接，所述惯量体4经另一个弹性结构体3与另一个自由活塞作功机构6的活塞5连接。所述惯量体4的位置或质量是可调的，并可由此调整系统的固有频率。

实施例7

如图9所示的自由活塞发动机，其与实施例3的区别在于：一个所述高压工质源7经所述控制阀8，或分别经所述控制阀8与两个所述自由活塞作功机构6的气缸9连通。通过控制所述高压工质源7内的压力和控制每次导入某个所述气缸内高压工质的量，进而控制这个所述自由活塞作功机构的频率和相位，实现所述自由活塞发动机动量平衡，消除振动。

具体实施时，可选择地，一个所述高压工质源7经所述控制阀8，或分别经所述控制阀8与两个以上所述自由活塞作功机构6的气缸9连通。

实施例8

如图10和图11所示的自由活塞发动机，其与实施例3的区别在于：所述活塞5对发电机12的动子13输出动力（如图10所示），或所述活塞5对液压泵14输出动力（如图11所示）。

实施例9

如图12和图13所示的自由活塞发动机，其与实施例4的区别在于：所述惯量体4对发电机12的动子13输出动力（如图12所示），或所述惯量体4对液压泵14输出动力（如图13所示）。

实施例10

如图14和图15所示的自由活塞发动机，其与实施例3的区别在于：所述高压工质源设为内燃高压工质源701（如图14所示）或外燃高压工质源702（如图15所示）。通过调整所述自由活塞组的燃料供给量，进而调整这个所述自由活塞组的频率和相位，实现由所有所述自由活塞组构成的自由活塞发动机的动量平衡，消除振动。

实施例11

如图16所示的自由活塞发动机，其与实施例1的区别在于：一个所述自由活塞发动机A1和一个所述自由活塞发动机B2构成一个自由活塞组，所述自由活塞组设置在等径气缸内。

实施例12

如图17所示的自由活塞发动机，其与实施例1的区别在于：所述活塞5对发电机12的动子13输出动力，所述发电机12的电源输出端口1201对外输出电能。

实施例13

如图18、19、20、21、22、23、24和图25是所述自由活塞发动机的所述活塞5处于不同位置和运动状态时，由所述弹性结构体3和所述惯量体4构成的振荡系统的工作过程图。利用所述弹性结构体3和所述惯量体4所构成的系统在运动速度以及运动方向发生变化时的蓄能作用，可以防止发动机熄火，维持发动机的正常运转。即当活塞改变运动方向或改变运动速度时，所述弹性结构体3和惯量体4构成的蓄能系统像旋转动力发动机中的飞轮那样维持发动机的正常工作。所述惯量体4的位置或质量是可调的，并可由此调整系统的固有频率。 

实施例14

如图26、27和图28所示的自由活塞发动机，其与实施例1的区别在于：一个所述自由活塞发动机A1和一个所述自由活塞发动机B2构成一个自由活塞组，在由两个或多个所述自由活塞组组成的多缸所述自由活塞发动机中，通过调整燃料供给量，调整所述燃烧室产生的高压工质，或调整所述高压工质源内的高压工质对某一活塞的作功力度，使各缸频率相同，相位相互平衡，从而实现各缸活塞动量相互平衡，消除振动。其中，图26中相邻两缸的工作相位不同，图27中中间相邻两缸的工作相位相同，两侧两缸的工作相位相同但中间两缸和两侧两缸工作相位相反；图28中两个所述自由活塞发动机对置设置。

实施例15

如图29和图30所示的自由活塞发动机，其与实施例3的区别在于：在由两个或多个所述自由活塞作功机构6构成的发动机中，通过控制所述高压工质源7内的压力和/或控制每次导入某个所述气缸9内高压工质的量，进而控制这个所述自由活塞作功机构6的频率和相位，实现由所有所述自由活塞作功机构6构成的所述自由活塞发动机的动量平衡，消除振动。其中，图29中两个所述自由活塞发动机并联设置；图30中两个所述自由活塞发动机对置设置。

显然，本发明不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本发明所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A（1）和自由活塞发动机B（2），其特征在于：所述自由活塞发动机A（1）的活塞（5）和所述自由活塞发动机B（2）的活塞（5）经弹性结构体（3）连接，所述活塞（5）对外输出动力。

2.一种自由活塞发动机，包括自由活塞发动机A（1）和自由活塞发动机B（2），其特征在于：所述自由活塞发动机A（1）的活塞（5）经弹性结构体（3）与惯量体（4）连接，所述惯量体（4）经另一个弹性结构体（3）与所述自由活塞发动机B（2）的活塞（5）连接。

3.一种自由活塞发动机，包括自由活塞作功机构（6）和高压工质源（7），其特征在于：所述高压工质源（7）经控制阀（8）与所述自由活塞作功机构（6）的气缸（9）连通，在所述气缸（9）上设排气门（10）。

4.如权利要求3所述自由活塞发动机，其特征在于：所述自由活塞作功机构（6）的活塞（5）经弹性结构体（3）与惯量体（4）连接。

5.如权利要求4所述自由活塞发动机，其特征在于：所述自由活塞作功机构（6）的活塞（5）经另一个弹性结构体（3）与机体（11）连接；和/或所述惯量体（4）经另一个弹性结构体（3）与机体（11）连接。

6.如权利要求3所述自由活塞发动机，其特征在于：两个所述自由活塞作功机构（6）的活塞（5）经弹性结构体（3）连接；或一个所述自由活塞作功机构（6）的活塞（5）经弹性结构体（3）与惯量体（4）连接，所述惯量体（4）经另一个弹性结构体（3）与另一个自由活塞作功机构（6）的活塞（5）连接。

7.如权利要求3、4、5或6所述自由活塞发动机，其特征在于：一个所述高压工质源（7）经所述控制阀（8）或分别经所述控制阀（8）与两个或两个以上所述自由活塞作功机构（6）的气缸（9）连通。

8.如权利要求1至6任意之一所述自由活塞发动机，其特征在于：所述活塞（5）对发电机（12）的动子（13）输出动力，或所述活塞（5）对液压泵（14）输出动力。

9.如权利要求2、4、5或6所述自由活塞发动机，其特征在于：所述惯量体（4）对发电机（12）的动子（13）输出动力，或所述惯量体（4）对液压泵（14）输出动力。

10.如权利要求3、4或6所述自由活塞发动机，其特征在于：所述高压工质源（7）设为内燃高压工质源（701）或外燃高压工质源（702）。

11.如权利要求1或2所述自由活塞发动机，其特征在于：一个所述自由活塞发动机A（1）和一个所述自由活塞发动机B（2）构成一个自由活塞组，在由两个或多个所述自由活塞组组成的多缸所述自由活塞发动机中，调整某个所述自由活塞组的燃料供给量进而调整这个所述自由活塞组的频率和相位实现由所有所述自由活塞组构成的所述自由活塞发动机动量平衡，消除振动。

12.如权利要求3所述自由活塞发动机，其特征在于：在由两个或多个所述自由活塞作功机构（6）构成的发动机中，控制所述高压工质源（7）内的压力和/或控制每次导入某个所述气缸（9）内高压工质的量，进而控制这个所述自由活塞作功机构（6）的频率和相位实现由所有所述自由活塞作功机构（6）构成的所述自由活塞发动机动量平衡，消除振动。

13.如权利要求1、2、3、4、5、6或12所述自由活塞发动机，其特征在于：在设有所述弹性结构体（3）和所述所述惯量体（4）的结构中，所述弹性结构体（3）和所述所述惯量体（4）构成的振荡系统的固有频率可调；在所述活塞（5）经弹性结构体（3）与另一个所述活塞（5）连接的结构中，所述活塞（5）和所述弹性结构体（3）构成的振荡系统的固有频率可调。

14.如权利要求2、4、6或12所述自由活塞发动机，其特征在于：所述惯量体（4）的位置或质量是可调的，并由此调整系统的固有频率。

15.一种提高如权利要求1、2或3所述自由活塞发动机的效率和环保性的方法，其特征在于：调整即将开始作功的气体工质的压力到15MPa以上，调整即将开始作功的气体工质的温度到2700K以下，使即将开始作功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

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