CN103195564A - 一种自由活塞式发动机及其启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由活塞式发动机及其启动方法，包括步骤：（1）应用所述驱动器驱动所述活塞移动以便充分开启所述进气口并提供进气至气缸；（2）在不开启所述进气口的前提下，应用所述驱动器提供周期的力作用在所述活塞上并且逐步循环增加进气压力；（3）使燃油喷入所述进气口内，从而在气缸内产生油气混合物。本发明的有益效果是：应用驱动器将活塞移动至进气口开启位置以启动发动机，这保证了进入的空气存在于气缸内，燃料进入气缸并在此燃烧；这个策略通过最小驱动力压缩空气，使其压力和温度满足自燃要求。

Description

一种自由活塞式发动机及其启动方法

技术领域

本发明涉及内燃机的启动，具体涉及一种自由活塞式发动机及其启动方法。

背景技术

一台自由活塞式内燃机包含一个或者更多在燃烧气缸内往复运动的活塞。曲轴没有与活塞互相连接。相反，每个活塞随着燃烧缸内油气混合物燃烧产生的力运动。在一个气缸内燃烧产生的压力可以用来压缩另一气缸内的油气混合物。或者一个驱动系统可以在膨胀冲程之后用作压缩油气混合物。在气缸内油气混合物燃烧发生之前启动发动机时，驱动系统还可以使活塞往复运动。

由于自由活塞式发动机上没有为了协调活塞往复运动而连接活塞，同时也起连接活塞与负荷作用的轴，活塞的运动被一个控制系统控制。该控制系统同步活塞往复运动，油气混合物的压缩和燃烧。活塞位移和速度被一个驱动系统监控和控制。该驱动系统周期性的纠正实际活塞运动相对于理想协调的活塞运动的偏差。

当启动一个自由活塞式发动机时，活塞被一个液压，气动或者电动驱动的启动系统移动位置。当发动机产生电力输出时，在启动过程中电源更适宜驱动活塞；同时当发动机产生液压或气动输出时，液压或气动能源更适宜驱动活塞。当启动发动机时，进气温度低，一个较大的油气混合物压缩比是产生燃烧所必需的。因此使用传统的发动机启动技术时，特别是在冷启动状况下，为产生启动发动机所需要的压缩比，大量的能量是必需的。

如果发动机的活塞完全由驱动器驱动，为压缩燃烧室内的油气混合物，尤其是在需要较高压缩比以产生自燃的压燃式发动机上，大量能量是必需的。一项在启动发动机时不需要消耗大量能量的技术是必要的。

中国专利CN102477906A公开了一种气体启动发动机，包括：发动机本体；制动控制装置，用于控制所述发动机本体内的进气阀的开闭进而对发动机进行制动控制；能量回收装置，用于收集并存储发动机制动过程中所产生的压缩气体；气动装置，用于使用能量回收装置中的压缩空气作为驱动源以启动发动机本体。与现有技术相比，本发明通过回收发动机在制动过程中所产生的压缩空气并将其作为气动马达的驱动源，既节约了能源，又避免了现有技术中制取得压缩空气所产生的噪音，节能而环保。此专利与本申请相比，在具体结构上存在较大的差别。

中国专利CN102639863A公开了一种能在不引起各种电气元件的误动作的前提下启动发动机的发动机启动装置。该发动机启动装置具备：小齿轮，其与连结于发动机的齿圈咬合；磁开关，其通过从蓄电池供应的电流，来使小齿轮向齿圈的方向移动；启动电动机，其通过该电流来转动小齿轮；控制装置，其对启动电动机发出发动机启动的指令；和启动控制部，其基于指令，来对进行PWM控制的第1半导体开关进行控制，其中，启动电动机和磁开关收纳于第1框体，启动控制部收纳于第2框体，并对第1框体与所述第2框体进行一体化。此专利相对于本申请而言，两者在结构和所要解决的技术问题上都存在明显的区别。

发明内容

针对现有的发动机启动方式存在的上述问题，本发明提供一种更节能有效的自由活塞式发动机及其启动方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种自由活塞式发动机，包括第一气缸、第二气缸、驱动器、内活塞组和外活塞组，所述内活塞组和所述外活塞组中的活塞分别设置于所述第一气缸和所述第二气缸中且进行往复运动，所述第一气缸和所述第二气缸分别设有进气口，且所述进气口由所述活塞的运动来实现开启和关闭，所述驱动器分别设于连接所述活塞的推杆与拉杆上，所述驱动器用以驱动所述活塞的移动。

一种自由活塞式发动机的启动方法，包括步骤：（1）应用所述驱动器驱动所述活塞移动以便充分开启所述进气口并提供进气至气缸；（2）在不开启所述进气口的前提下，应用所述驱动器提供周期的力作用在所述活塞上并且逐步循环增加进气压力；（3）使燃油喷入所述进气口内，从而在气缸内产生油气混合物。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：基于空气压力来确定使所述油气混合物产生燃烧所需的燃油量，且可使所述燃油量进入空气中。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：应用所述驱动器增加燃烧空间内压力直至所述油气混合物燃烧，反复定期喷射燃油进入所述燃烧空间直至所述油气混合物稳定持续燃烧，停止应用所述驱动器。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定所述活塞在所述油气混合物将要燃烧时的其位移量大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加所述活塞的位移量至所述油气混合物将要燃烧时的所述活塞位移量大小。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时进入空气的压力大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加空气压力至所述油气混合物将要燃烧时的空气压力大小。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时进入空气的压缩比大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加空气压缩比至所述油气混合物将要燃烧时的空气压缩比大小。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时所述活塞的速度大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加所述活塞速度至所述油气混合物将要燃烧时的所述活塞速度大小。

上述自由活塞式发动机的启动方法，其中，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时所述活塞位移的周期长度，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加所述活塞位移周期长度至所述油气混合物将要燃烧时的所述活塞位移的周期长度。

由于采用了上述技术，上述技术方案与现有技术相比具有的积极效果是：

应用驱动器将活塞移动至进气口开启位置以启动发动机，这保证了进入的空气存在于气缸内，燃料进入气缸并在此燃烧；这个策略通过最小驱动力压缩空气，使其压力和温度满足自燃要求。

附图说明

图1是本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的自由活塞式发动机的第一剖视图；

图2是本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的自由活塞式发动机的第二剖视图；

图3是本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的液压控制系统原理图；

图4是本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的自由活塞式发动机的剖面原理图；

图5是本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的发动机启动时缸压、活塞位移和时间的变化关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1和2所示本发明一种自由活塞式发动机的剖视图，自由活塞式发动机10包括第一气缸12，以及与第一气缸12轴向对齐的第二气缸14。两个气缸均布置在第一缸套16和第二缸套17或者机体内。第一活塞组，即第一内活塞18和第二内活塞20通过推杆22彼此相连。第一活塞组中的第一内活塞18在第一气缸12中往复运动，同时第一活塞组中的第二内活塞20在第二气缸14中往复运动。第二活塞组，即第一外活塞24和第二外活塞26通过第一拉杆28和第二拉杆30互相连接。第一拉杆28和第二拉杆30通过桥形第一连接结构32和桥形第二连接结构34相互固定在第一外活塞24和第二外活塞26的轴向末端。第二活塞组或外活塞组中的第一外活塞24在第一气缸12中往复运动，同时第二活塞组中的第二外活塞26在第二气缸14中往复运动。第二气缸14和第一气缸12分别包括第一进气口36和第二进气口37以及第一排气口38和第二排气口39。如图1中第一气缸12上的第二进气口37和第二排气口39在第一内活塞18和第一外活塞24位于上止点附近位置时被第一内活塞18和第一外活塞24关闭；同时第二气缸14上的第一进气口36和第一排气口38在第二内活塞20和第二外活塞26位于下止点附近位置时被第二内活塞20和第二外活塞26开启。如图2中第二气缸14上的第一进气口36和第一排气口38在第二内活塞20和第二外活塞26位于上止点附近位置时被第二内活塞20和第二外活塞26关闭；同时第一气缸12上的第二进气口37和第二排气口39在第一内活塞18和第一外活塞24位于下止点附近位置时被第一内活塞18和第一外活塞24开启。当一个气缸中的活塞位于上止点位置时，另一气缸中的活塞位于下止点位置。每个气缸还包含一个燃油在压缩冲程被喷射进气缸时所经过的油料输入口40。

进一步的，活塞组在它们各自上止点和下止点之间的运行路段被调节，以便在第一气缸12的活塞位于第一内活塞18和第一外活塞24之间区域内，以及在第二气缸14里面的活塞位于第二内活塞20和第二外活塞26之间区域内，油气混合物在此区域内被压缩。这样当活塞稍微越过上止点位置并且向着下止点位置运动时，那些油气混合物在气缸内燃烧。活塞组协调的往复运动被之为对置活塞对置气缸式往复运动。

如图3所示本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的液压控制系统原理图，活塞同步协调的运动通过一个液压回路控制。该液压回路包含液体马达泵单向阀以及在第一缸套16和第二缸套17之间轴向布置的液压或者气压机体43内的管线。控制回路包括一个低压蓄压器41，一个高压蓄压器42，一个连接在推杆22上的第一马达泵44驱动装置，一个连接在第一拉杆28上的第二马达泵46驱动装置，以及一个连接在第二拉杆30上的第三马达泵48驱动装置。推杆22包含一个柱塞50。柱塞50布置形成于机体43里面的气缸51内。发动机10的第一内活塞18和第二内活塞20的往复运动带动马达泵的柱塞50往复运动。第一拉杆28和第二拉杆30包含第一柱塞52和第二柱塞54。第一柱塞52和第二柱塞54分别布置在形成于机体43内的第三气缸55和第四气缸57内。发动机10的第一外活塞24和第二外活塞26的往复运动带动马达泵的第一柱塞52和第二柱塞54往复运动。

进一步的，当发动机10运转时，活塞协调的往复运动使流体由低压蓄压器41流向第一马达泵44、第二马达泵46和第三马达泵48。这些马达泵产生液体或气体流，提供给高压蓄压器42。第一马达泵44、第二马达泵46和第三马达泵48像一个被压缩流体驱动的马达带动发动机启动，并且像泵一样提供流体给高压蓄压器42以暂时储存在那儿或者直接提供流体给布置在车轮上的，用来克服负荷以驱动车轮转向的液体泵。

进一步的，控制器56产生传输到螺线管或继电器的启动信号。螺线管或继电器对启动信号产生反应，改变控制阀58的状态。例如，当液压系统像马达一样运转，在启动发动机之前或启动过程中移动柱塞时，控制器56将控制阀58切换至第一状态60。在第一状态60处，高压蓄压器42通过阀门和管线64连接在第一马达泵44的气缸51的左手侧。当控制阀58处于第一状态60时，第二马达泵46和第三马达泵48内的第三气缸55和第四气缸57的左手侧通过管线68及70和控制阀58连接在低压蓄压器41上。这使得柱塞50向右移动，强迫流体通过管线72，由第一马达泵44流向第四气缸57的右手侧，或者通过管线74流向第三气缸55的右手侧。这样控制阀58的第一状态60使流体控制系统移动发动机10的第一内活塞18和第二内活塞20离开如图3所示位置向右移动，同时发动机10的第一外活塞24和第二外活塞26向左运动。

进一步的，当控制器56转换阀门状态至第二状态76时，高压蓄压器42通过管线68连接在第三马达泵48的第四气缸57的左手侧，同时通过管线70连接在第二马达泵46的第三气缸55的左手侧。这使得发动机10的第一外活塞24和第二外活塞26向右运动。当控制阀58处于第二状态76时，低压蓄压泵41通过控制阀58和管线64连接在第一马达泵44的气缸51的左手侧。当第一柱塞52和第二柱塞54向右移动时，流体被从第三气缸55和第四气缸57内泵出，分别经过管线74和72，到达气缸51的右手侧。这使柱塞50，推杆22以及发动机10的第一内活塞18和第二内活塞20向左运动。

进一步的，在燃油被喷射之前，为启动发动机10，第一内活塞18和第二内活塞20被如图3中描述的驱动器系统向左推动，同时第一外活塞24和第二外活塞26被其向右推动。各活塞被推动至如图1中所示位置。这使活塞开启了第二气缸14上的第一进气口36，从而保证第二气缸14内充满进气。接下来，第一内活塞18和第二内活塞20被驱动器系统向右推动，同时第一外活塞24和第二外活塞26被驱动器系统向左推动。各活塞被推动至如图2中所示位置。这使活塞开启了第一气缸12上的第二进气口37，从而保证第一气缸12内充满进气。

进一步的，在气缸内充满进气之后，驱动系统驱动活塞往复运动。在每循环中，活塞位移或者行程长度不断增大。驱动器交替连接高压蓄压器42至第一马达泵44、第二马达泵46和第三马达泵48，使活塞组第一内活塞18、第二内活塞20、第一外活塞24和第二外活塞26在各自第一气缸12和第二气缸14内移动。当活塞到达下止点或下止点附近时，第一马达泵44、第二马达泵46和第三马达泵48提供驱动力作用在活塞上；当活塞到达上止点之前，驱动马达移除作用在活塞上的驱动力。每个气缸内压缩冲程时不断增加的压力推动活塞在膨胀冲程远离上止点位置。每个活塞位移周期内的位移增加是通过逐步增加每个位移周期内由驱动马达提供的压力大小来完成，此压力的增加来源于驱动器在每个循环的作用；或通过增加周期的长度来实现；再或者通过这些方式综合作用来实现。

进一步的，第一气缸12和第二气缸14内气体周期性的压缩和膨胀类似于每缸中布置一个压缩弹簧。一个气缸内进气的压缩，阻碍着活塞体向着气缸上止点方向运动；一个气缸内进气的膨胀有助于活塞体向着气缸下止点方向运动。当一个活塞中的进气被压缩时，另一缸中的进气处于膨胀状态。因此压力不断增长，促进每缸中的活塞以正确的相位关系交替向着上止点和下止点移动。

进一步的，第一气缸12内的第一内活塞18和第一外活塞24快速移动归功于第二气缸14内的燃烧。发动机控制器使燃油喷射器通过燃料输入口喷射适当的燃油量至第一气缸12内的第一内活塞18和第一外活塞24之间，从而启动发动机10。发动机10启动后，随着燃油喷射被一个发动机控制器主动控制，它继续在程序控制下运行。

如图4中显示的本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的自由活塞式发动机的剖面原理图，第二发动机90包含一个壳体92，一个在燃烧气缸96内往复运动的活塞94，一个压缩气缸98以及从轴102获得，应用到活塞94上的一个负载100。空气通过第三进气口112进入气缸，而排气则通过第三排气口104离开气缸。当活塞94在下止点位置时，空气通过第三进气口112被输送进燃烧气缸96内。当活塞94向上止点位置运动时，燃油被燃油控制系统110控制下的燃油喷射器喷射进燃烧气缸96内。

进一步的，燃烧气缸96支持活塞94在其内部的做往复直线运动。驱动活塞94的发动机启动系统包含一个驱动活塞头108。驱动活塞头108布置于压缩气缸98内，为了与活塞94一起运动而附着在轴102上。第一流体口114和第二流体口116从驱动活塞头108的相反一侧输送流体进入压缩气缸98内。由压缩气缸98内承压流体产生的压力导致驱动活塞头108和活塞94在膨胀冲程向着上止点位置移动。当发动机正在启动或者失火时，承压流体通过第二流体口116进入压缩气缸98，使驱动活塞头108和活塞94向着下止点位置移动。

进一步的，为启动第二发动机90，在点火开关旋至ON位置之后并且燃油注入之前，活塞94被驱动系统推动向着下止点位置运动，以便充分开启进气口112，从而保证燃烧气缸96内充满进气。此外驱动系统驱动活塞94在燃烧气缸96内做往复运动并不断增大每位移周期内位移的幅度。每个活塞位移周期内的位移增加是通过逐步增加应用到驱动活塞头108上的压力大小来完成；或者当压力应用到驱动活塞头108上时，增加周期的长度来完成；或者提供压力使其交替作用在驱动活塞头108两侧来实现；再或者通过以上方式综合实现。

进一步的，当活塞94在其往复运动过程中到达燃烧气缸内某一预定位置后，或者当燃烧气缸96内达到预定的压缩比时，再或者燃烧气缸96内压力达到预定大小时，适量的燃油被喷射进燃烧气缸96内，以产生燃烧并启动第二发动机90。

如图5所示本发明一种自由活塞式发动机及其启动方法的发动机启动时缸压、活塞位移和时间的变化关系曲线图，当运用本发明方法启动发动机10时，第一气缸12和第二气缸14内各自压力以及第一内活塞18、第二内活塞20、第一外活塞24和第二外活塞26的各自位移126和128随时间变化的曲线。气缸压力和活塞位移的最大值逐循环增加。活塞速度也在逐循环增加。这从逐次循环之间的活塞周期长度稳固减少上面可以看出。在120处，某一气缸内的燃油混合物开始燃烧。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种自由活塞式发动机，其特征在于，包括第一气缸、第二气缸、驱动器、内活塞组和外活塞组，所述内活塞组和所述外活塞组中的活塞分别设置于所述第一气缸和所述第二气缸中且进行往复运动，所述第一气缸和所述第二气缸分别设有进气口，且所述进气口由所述活塞的运动来实现开启和关闭，所述驱动器分别设于连接所述活塞的推杆与拉杆上，所述驱动器用以驱动所述活塞的移动。

2.如权利要求1所述的自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，包括步骤：

（1）应用所述驱动器驱动所述活塞移动以便充分开启所述进气口并提供进气至气缸；

（2）在不开启所述进气口的前提下，应用所述驱动器提供周期的力作用在所述活塞上并且逐步循环增加进气压力；

（3）使燃油喷入所述进气口内，从而在气缸内产生油气混合物。

3.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：基于空气压力来确定使所述油气混合物产生燃烧所需的燃油量，且可使所述燃油量进入空气中。

4.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：应用所述驱动器增加燃烧空间内压力直至所述油气混合物燃烧，反复定期喷射燃油进入所述燃烧空间直至所述油气混合物稳定持续燃烧，停止应用所述驱动器。

5.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定所述活塞在所述油气混合物将要燃烧时的其位移量大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加所述活塞的位移量至所述油气混合物将要燃烧时的所述活塞位移量大小。

6.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时进入空气的压力大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加空气压力至所述油气混合物将要燃烧时的空气压力大小。

7.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时进入空气的压缩比大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加空气压缩比至所述油气混合物将要燃烧时的空气压缩比大小。

8.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时所述活塞的速度大小，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加所述活塞速度至所述油气混合物将要燃烧时的所述活塞速度大小。

9.如权利要求2所述自由活塞式发动机的启动方法，其特征在于，还包括步骤：在燃油喷入所述进气口后，确定在所述油气混合物将要燃烧时所述活塞位移的周期长度，并且应用所述驱动器提供一个周期的力作用在所述活塞上，同时逐步循环增加所述活塞位移周期长度至所述油气混合物将要燃烧时的所述活塞位移的周期长度。

Images