CN103047001A - 多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，包括给内燃机气缸充气，反复推拉活塞以周期性的增加气缸内的最大压力。空气和汽油随着活塞的运动，周期性的进入气缸变成油气混合物，火花点燃油气混合物使其成为燃料。气缸内的最大压力在预先设定值范围内时，取决于活塞上止点的位置，且混合物中油气的比例也会随之增加。当点燃式点火停止时，就会使用压燃式方法点火。使用本发明多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，确保引擎活塞被制动器驱动后，能够有效地避免产生发动机所需产生的过大的能源需求，同时，使其能够在广泛的环境操作条件下稳定运行。

Description

多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法

技术领域

本发明涉及一种内燃机的启动方法，尤其涉及一种多气缸的自由活塞内燃机的压燃式启动方法。 

背景技术

自由活塞内燃机包括一个或多个置于气缸内的活塞。没有通常内燃机的曲柄连杆机构连接活塞、协调其往复或设定气缸内油气混合物的压缩比率，而是由作用在它上面的气体压力决定，压力则来自于气缸内油气混合物的燃烧所出。 一个气缸内燃烧所产生的压力可以用于压缩另一缸内的油气混合物。或者在膨胀行程中使用致动系统压缩油气混合物。在启动引擎还未产生尾气前，致动系统也可用于推动活塞内部运动。 

因为自由活塞引擎没有通常内燃机的曲柄连杆机构同步压缩膨胀过程，所以必须使用控制系统同步活塞运动，压缩油气混合物使其燃烧。致动系统监测和控制活塞位移、活塞速度、燃烧室压力、压缩比和其他引擎运转参数，定期纠正活塞运动的偏差。 

启动自由活塞发动机时，活塞被使用液压、气动或电磁驱动系统取代。最好的情况是，启动发动机产生电力输出驱动活塞，或产生液压或电磁输出驱动活塞。这项发明是在启动时循环发动机，用来消除燃烧室内的真空状态，可适用于自由活塞柴油机、 压燃、点燃和均质充量压燃（HCCI）引擎发动机；之后我们会参照 HCCI 发动机操作来进行描述。启动引擎时,进气温度低，但压燃式引擎的气缸里需要高压缩比的油气摄入。因此，如果使用传统发动机启动技术，就需要有巨大的磁力能源达到所需的压缩比，尤其是在冷启动的情况下。 

如果引擎活塞完全由致动器驱动，则需要巨大的磁力用以压缩燃烧室内的油气混合物，特别是对于需要高压缩比进行自燃的压燃式发动机。我们需要一项技术避免启动发动机时过大的能源需求，并确保燃烧，能够在广泛的环境操作条件下稳定运行。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，以避免启动发动时产生过大的能源需求。 

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为： 

一种多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，一自由活塞引擎，其包括第一缸和与所述第一缸水平对置的第二缸，第一活塞对中的第一活塞在所述第一缸内往复运动，第一活塞对中的第二活塞在所述第二缸内往复运动；其方法包括如下，在每一缸内活塞之间供应空气，然后给每一缸加入燃料；一缸中的油气混合物燃烧后推动其中的活塞运动，迫使置于另一缸中相连接的活塞压缩缸内油气混合物并燃烧，活塞对向相反的方向运动，一对活塞纵向运动，另一对则反方向运动，当一缸点燃时，两对活塞的移动方向相反，直到另一缸点燃。

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，一控制电路中的低压蓄电池和高压蓄电池分别连接到推杆的电机泵和拉杆的电机泵，推杆与活塞位于块中的气缸内，发动机活塞的往复运动使得电机泵上的活塞运动。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，一致动器将高压蓄能器交替连接到致动电机，致动电机当活塞都处于或接近下止点位置时，将力作用于活塞上，电机会在活塞到上止点位置之前，停止驱动力；气缸在压缩冲程中产生的压力迫使活塞在此过程中远离下止点位置。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，当引擎运行时，引擎活塞的协调往复运动绘制流体从低压蓄能器到电机泵中，以产生液压或气动输出流至高压蓄能器。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，当所述电机泵作为电机运行时，通过压缩液体启动发动机。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，当作为电机泵运行时，为高压蓄能器提供临时存储液，或直接为液体电机提供流体，以驱动车轮在负载下的旋转。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，一电控器产生一个传输到电磁阀或中继的驱动信号，以响应更改控制阀的状态。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，内活塞设置在液压柱塞上，与活塞在液压缸内沿轴启闭，当引擎产生液压输出时，相对低压的液压油从低压轨道通过单向阀被供应到气缸，当低压轨道的压力大于气缸时，到达气缸的通道被打开，否则会关闭通道以防止液体从轨道回流到气缸。 

上述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其中，压力传感器产生反应气缸压力的电子信号，信号输入至电控器，然后运行控制算法，表示当前运行状况，并为发动机油门阀、燃料供应系统、发动机点火系统和致动器生成输出信号。 

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是： 

确保引擎活塞被制动器驱动后，能够有效地避免产生发动机所需产生的过大的能源需求，同时，使其能够在广泛的环境操作条件下稳定运行。

附图说明

图1是本发明多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法的流程图； 

图2和图3是自由活塞发动机的纵向面截面图；

图4是流体控制系统的原理图；

图5是发动机的纵向截面和液压泵电机装配图；

图6是图1中引擎部分外表面的等轴图；

图7是图1中引擎火花塞部分的横向剖面图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法的具体实施方式。 

图1为本发明多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法的流程图，图2和图3为自由活塞发动机的纵向面截面图，请参见图1、图2和图3所示。自由活塞引擎10包括第一缸12和与第一缸水平对置的第二缸14，它们被包裹在气缸体内的气缸套16和17内。第一活塞对或内活塞18，20共同连接到推杆22。第一活塞对中的第一活塞18在第一缸12内往复运动；第一活塞对中的第二个活塞20在第二个缸14内往复运动。第二活塞对或外活塞22，24共同连接到拉杆28，30，由桥架32，34固定在活塞24，26的轴两端。第二活塞对或外活塞对的第一活塞在第一气缸12内启闭，第二个活塞26第一缸14内启闭。每个气缸12，14都有进气口36、37和出气口38，39。图2中，气缸12的端口37，39被活塞18，24关闭，接近于上止点的位置，气缸14的端口36，38由活塞18，24打开，接近于下止点的位置。图3中，气缸14的端口36，38由活塞20，26关闭，接近于上止点的位置，气缸12的端口37，39由活塞18，24打开，在下止点的位置。每个气缸都有燃油口40，在压缩过程中，汽油通过此口进入，最好是喷射入气缸。 

活塞对在上下止点间的位移以及图2和3中所示的路径被管理协调，压缩位于气缸12内活塞18，24之间和气缸14内活塞20，26之间的燃气混合物。这些混合物在气缸内燃烧时最好活塞稍稍偏过下止点的位置。活塞对的同步往复称为"对置活塞-对置气缸"（OPOC）往复。 

活塞对的同步、协调运动由液压回路控制，包括液压或气动块43中位于气缸套16，17之间的流体电机泵单向阀及所包含的行。图4为流体控制系统的原理图，请参见图4所示。控制电路包括低压蓄电池41，高压蓄电池42，连接到推杆22的电机泵44，连接到拉杆28的电机泵46和连接到拉杆30的电机泵48。推杆22与活塞50位于块43中的气缸51内。发动机活塞18，20的往复运动使得电机泵44上的活塞50运动。拉杆28，30分别在块43中的气缸55，57与活塞 52，54连接。发动机活塞24，26的往复运动使得电机泵46，48上的活塞52，54运动。 

致动器将高压蓄能器42交替连接到致动电机44，46，48，以取代活塞对18-20、24-26在其各自的气缸12，14中抵抗气缸压缩冲程时产生的压力。最好的情况是致动电机44，46，48当活塞都处于或接近下止点位置时，将力作用于活塞上，电机会在活塞到上止点位置之前，停止驱动力。气缸在压缩冲程中产生的压力迫使活塞在此过程中远离下止点位置。在活塞位移周期中，致动器产生的压力推动活塞，使其位移量增加，或者通过致动器的受压时间延长推动，或者两者混合作用。 

当引擎10运行时，引擎活塞的协调往复运动绘制流体从低压蓄能器41到电机泵44，46，48，以产生液压或气动输出流至高压蓄能器42。当电机泵44，46，48作为电机运行时，通过压缩液体启动发动机，当作为电机泵运行时，为高压蓄能器提供临时存储液，或直接为液体电机提供流体，以驱动车轮在负载下的旋转。 

电控器56产生一个传输到电磁阀或中继的驱动信号，以响应更改控制阀58的状态。例如，当液压系统作为电机操作移动活塞以准备启动发动机时，控制器56切换开关阀58所在的第一状态60，此时蓄能器42通过阀58与气缸51相连，通过行64与电机泵44相连。状态60下的阀门58， 电机泵46，48所在的气缸55，57的左侧通过线程68，70连接到低压蓄能器41。这些操作使得活塞50向右偏转迫使流体从电机泵44通过线程72至气缸57的右侧。以这种方式，阀58的第一个状态使得流控系统从图4所示位置向右推动发动机活塞18，20，向左推动活塞24，26。 

当控制器56开关阀58切换到第二个状态76时，高压蓄电池42通过线程68连接到电机泵48的活塞57的左侧，以及通过线程70连接到电机泵46的活塞55的左侧。当阀门58在第二状态76时，低压蓄能器41通过阀58和线程64连接到电机泵44的气缸51的左侧。随着活塞52，54的向右移动，流体分别从气缸55，57通过线程74，72至气缸51的右侧。这将使得活塞50向左推动推杆22和发动机活塞18，20。 

图5为发动机的纵向截面和液压泵电机装配图，请参见图5a和图5b所示。内活塞18，20被栓在液压柱塞82上，与活塞18，20在液压缸84内沿轴86启闭。当引擎10产生液压输出时，相对低压的液压油从低压轨道88通过单向阀90被供应到气缸84，当低压轨道88的压力大于气缸84时，到达气缸84的通道被打开，否则会关闭通道以防止液体从轨道88回流到气缸84。同样，柱塞82从气缸84抽取液压油经过单向阀92至高压轨道94。当轨道94压力大于气缸84时，单向阀92关闭以防止液体从轨道94流入气缸84。 

压力传感器96、98产生反应气缸12，14压力的电子信号。信号输入至电控器56，它同时也接收其他信号，然后运行控制算法，表示当前运行状况，并为发动机油门阀128，129，燃料供应系统、发动机点火系统和致动器生成输出信号。燃油喷油器100通过控制器56编程控制下的燃料端口40为气缸12，14供油。 

图6为图1中引擎部分外表面的等轴图，图7为图1中引擎火花塞部分的横向剖面图，图6显示了火花塞104的位置，图7显示了电热塞106的位置，电热塞可以取代火花塞。火花塞或电热塞位于气缸燃烧室12，14的每个线程16，17的壁108内。当使用火花塞104时，控制器56产生最终产生跨火花塞头的电压差动输出信号和燃烧室的火花，以点燃那里的空气燃料混合气。当使用电热塞106时，控制器56产生瞬时通过加热塞的电信号，创建燃烧室内的热点，点燃空气燃料混合物。 

空气通过进气口36，37进入发动机，进气口连接了涡轮增压器（未显示）的输出。气缸12中的进气口37吸取经过空气通道110，112，来自涡轮增压器的空气；进气阀114，116；清除泵进气端118；清除泵120；清除泵出气端122；出气阀124和空气进气环126，与进气口37相连。一个类似的回路将空气从涡轮增压器输出至气缸14的进气口36。每个通道110都包含节流阀128，通过启动发动机时控制器56所产生的输出命令打开和关闭。发动机启动后，节流阀128打开，和发动机独立控制的油门阀或点火控制，最好使用均质充量压缩点火。 

在燃料注入启动引擎10前，致动器如图2所示，推动活塞18，20向左移动，活塞24，26向右移动，足以使活塞打开气缸14中的进气口36，从而确保气缸14可以进行液体充气和气体充气。下一步，致动器如图3所示，推动活塞18，20向右移动，活塞24，26向左移动，足以使活塞打开气缸12中的进气口37，从而确保气缸12可以气体充气。 

每个气缸充气后，致动器推动活塞启闭，产生压缩和膨胀冲程增加活塞位移或推动，增加活塞速度，提高燃烧室内峰压值，增加充气的空压比，但不允许活塞移动打开进气道36，37。气缸12，14的充气循环压缩和膨胀类似于气缸内的压缩弹簧。气缸内液充的压缩与此气缸中活塞组合的加速度相反，并朝向上止点的位置。随着气缸中充气的压缩，另一个气缸的空气在膨胀。因此，不断产生的压力协助活塞在正确的相位关系中交替在气缸内向上下止点运动。 

进行热或温启动时，在执行引擎启动步骤前，预计只需一个或两个周期的压缩和扩张冲程吸入空气。要开始冷启动时，在执行引擎启动步骤前，预计约十个这种周期来给气缸吸入空气。 

下一步，在启动引擎的第一个过程中，要向空气添加一定质量的燃料进行火花点火。节流阀128用于建立在第一期时，空气从入口端36，37到气缸的空气流量。燃料通过进油口40进入气缸，使得有大约计量的混合物在气缸中。火花塞104或电热塞106任一产生点火。气缸12，14中油气混合物的燃烧在正确阶段产生与峰压值的关联。发动机在火花点火后开始运行，致动器停止驱动活塞，引擎和致动器独立运行。发动机控制器控制油嘴100，102通过进油口反复向位于气缸12，14中的活塞之间注入适当数量的燃料。 

每个气缸的峰压值由压力传感器96，98监控。当活塞位于气缸内上止点位置时或偏离的距离在预先设定的范围内，控制器56确定在火花点火过程中是否达到峰压值。这个过程最好在到达上止点后约0.25 ms，或者在上止点两次冲程后延迟约2°，曲轴内燃机提供类似的燃料，例如汽油。控制器56调整火花点火的时机，直到压力峰值出现在可接受的阶段范围内。 

火花点火发生在可接受范围内与峰压值有关，第二个系列的发动机起动周期开始。在这些引擎的周期中，气缸中的空燃比通过节流阀128减少，以增加进入气缸的空气流量，或通过使用油嘴100，102减少气缸内的燃料流量，或同时利用节流阀和油嘴增加空气流入量和减少燃料流入量。火花点火系统发动机控制器56关闭。此后，引擎最好和同步气油吸入以及压缩点火燃烧一起发生。发动机在程序控制下启动并持续运行后，外部负载就可以放置在发动机上了。 

综上所述，使用本发明多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，确保引擎活塞被制动器驱动后，能够有效地避免产生发动机所需产生的过大的能源需求，同时，使其能够在广泛的环境操作条件下稳定运行。 

以上所述为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，一自由活塞引擎，其包括第一缸和与所述第一缸水平对置的第二缸，第一活塞对中的第一活塞在所述第一缸内往复运动，第一活塞对中的第二活塞在所述第二缸内往复运动；其方法包括如下，在每一缸内活塞之间供应空气，然后给每一缸加入燃料；一缸中的油气混合物燃烧后推动其中的活塞运动，迫使置于另一缸中相连接的活塞压缩缸内油气混合物并燃烧，活塞对向相反的方向运动，一对活塞纵向运动，另一对则反方向运动，当一缸点燃时，两对活塞的移动方向相反，直到另一缸点燃。

2.根据权利要求1所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，一控制电路中的低压蓄电池和高压蓄电池分别连接到推杆的电机泵和拉杆的电机泵，推杆与活塞位于块中的气缸内，发动机活塞的往复运动使得电机泵上的活塞运动。

3.根据权利要求1所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，一致动器将高压蓄能器交替连接到致动电机，致动电机当活塞都处于或接近下止点位置时，将力作用于活塞上，电机在活塞到上止点位置之前，停止驱动力；气缸在压缩冲程中产生的压力迫使活塞在此过程中远离下止点位置。

4.根据权利要求1所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，当引擎运行时，引擎活塞的协调往复运动绘制流体从低压蓄能器到电机泵中，以产生液压或气动输出流至高压蓄能器。

5.根据权利要求4所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，当所述电机泵作为电机运行时，通过压缩液体启动发动机。

6.根据权利要求4所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，当作为电机泵运行时，为高压蓄能器提供临时存储液，或直接为液体电机提供流体，以驱动车轮在负载下的旋转。

7.根据权利要求1所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，一电控器产生一个传输到电磁阀或中继的驱动信号，以响应更改控制阀的状态。

8.根据权利要求1所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，内活塞设置在液压柱塞上，与活塞在液压缸内沿轴启闭，当引擎产生液压输出时，相对低压的液压油从低压轨道通过单向阀被供应到气缸，当低压轨道的压力大于气缸时，到达气缸的通道被打开，否则会关闭通道以防止液体从轨道回流到气缸。

9.根据权利要求1所述多气缸自由活塞内燃机的压燃式启动方法，其特征在于，压力传感器产生反应气缸压力的电子信号，信号输入至电控器，然后运行控制算法，表示当前运行状况，并为发动机油门阀、燃料供应系统、发动机点火系统和致动器生成输出信号。

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