CN103216322A - 一种自由活塞式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自由活塞式发动机，包括一第一气缸、一第二气缸以及第一内活塞对和第二外活塞对；两活塞对的第一活塞位于第一气缸中，两活塞对的第二活塞位于第二气缸中；启动发动机步骤：第一步：向第一气缸和第二气缸中充入空气，循环增加空气充量的压力至一个预定值；第二步：向第一气缸中循环充入空气和喷入燃油，在第一气缸中形成空燃混合气；第三步：第一气缸中产生的混合气循环燃烧；第四步：延迟部分外载荷加载至发动机上；第五步：向第二气缸中循环充入空气和喷入燃油，在第二气缸中形成空燃混合气；第六步：第二气缸中产生的混合气循环燃烧。使用本发明有效地减少自由活塞式发动机启动时所需的能量。

Description

一种自由活塞式发动机

技术领域

本发明涉及一种内燃发动机，尤其涉及一种自由活塞式发动机。

背景技术

自由活塞式发动机的启动，通过一个活塞的循环增加位移来启动发动机，由于膨胀和压缩空气充量产生的压力和点火前促动器产生的外部周期力的影响，活塞做往复运动。

一个自由活塞式发动机包含一个或多个作往复运动的活塞，活塞位于燃烧气缸中。但是在传统的启动电机驱动发动机的情况下没有曲轴连接活塞并使其作往复运动。在正常工作情况下运转的自由活塞式发动机，每个活塞在膨胀冲程时在气缸内运动，因为气缸内空燃混合气燃烧产生的推力的作用。一个气缸内燃烧产生的力用来压缩另一个气缸中的混合气。在启动发动机、燃烧发生之前，一个驱动系统用来压缩混合气。活塞的运动由一个系统控制，该系统使活塞的往复运动、空燃混合气的压缩和燃烧同步发生。同时监视和控制活塞的位移和速率，气缸的压力和压缩比，周期性地改正活塞的同步往复运动的偏离。

当启动一个自由活塞式发动机时，活塞被一个利用液压作动、气压作动或者电力作动的启动系统代替。优选地，当发动机启动时，电能用来驱动活塞产生电力输出，水能和气动能源用来驱动活塞产生液压或者气动输出。当启动一个自由活塞时，该活塞在压缩点火状态下运转，需要一个大的空燃混合气的压缩比来产生燃烧。当利用传统的发动机启动技术时，需要很多能量来产生发动机启动需要的压缩比，特别是在冷启动状态下。

如果在燃烧之前完全用促动器驱动活塞，在燃烧室中需要很多能量来压缩可燃混合气，尤其是在冷天冷启动的情况下。因此需要一个新技术来避免使用过多的能量启动发动机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由活塞式发动机，以解决传统自由活塞式发动机需要很多能量来产生发动机启动时需要的压缩比。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种自由活塞式发动机，包括一发动机，其中，

所述发动机具有一第一气缸、一第二气缸以及相互连接的第一内活塞对和相互连接的第二外活塞对；两所述活塞对的第一活塞位于所述第一气缸中，两所述活塞对的第二活塞位于所述第二气缸中；

启动所述发动机方法的步骤为：

第一步：向所述第一气缸和所述第二气缸中充入空气，推动所述第一活塞和所述第二活塞做往复运动，循环增加空气充量的压力至一个预定值；

第二步：向所述第一气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第一气缸中形成空燃混合气；

第三步：所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧；

第四步：延迟部分外载荷加载至所述发动机上；

第五步：向所述第二气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第二气缸中形成空燃混合气；

第六步：所述第二气缸中产生的混合气循环燃烧。

一种自由活塞式发动机，包括一发动机，其中，

所述发动机具有一第一气缸、一第二气缸以及相互连接的第一内活塞对和相互连接的第二外活塞对；两所述活塞对的第一活塞位于所述第一气缸中，两所述活塞对的第二活塞位于所述第二气缸中；

所述第一气缸和所述第二气缸均具有一进气口，允许空气进入所述第一气缸和所述第二气缸；

启动所述发动机方法的步骤为：

第一步：利用促动器推动所述第一活塞和所述第二活塞使得所述第一气缸和所述第二气缸的进气口打开，空气充量进入所述第一气缸和所述第二气缸中；

第二步：利用所述促动器驱动所述第一活塞和所述第二活塞循环运动，同时，增加空气充量的压力至一个预定值；

第三步：向所述第一气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第一气缸中形成空燃混合气；

第四步：所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧；

第五步：延迟部分外载荷加载至所述发动机上；

第六步：向所述第二气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第二气缸中形成空燃混合气；

第七步：所述第二气缸中产生的混合气循环燃烧。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，当所述第一气缸和所述第二气缸中的燃烧维持在一个预定时间时，中断延迟。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，加载一个周期力至所述第一活塞和所述第二活塞，使得在所述第一气缸的压缩冲程时压缩空气充量，同时，在所述第二气缸的膨胀冲程时膨胀空气充量。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，加载一个周期力至所述第一活塞和所述第二活塞，使得在所述第二气缸的压缩冲程时压缩空气充量，同时，在所述第一气缸的膨胀冲程时膨胀空气充量。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，向所述第一气缸和所述第二气缸中充入空气，推动所述第一活塞和所述第二活塞做往复运动步骤还包括：

决定第一级最大循环压力，在此压力下所述第一气缸中的空燃混合气压缩燃烧；

循环增加所述第一活塞和所述第二活塞位移，这样将在所述第一气缸中产生所述第一级压力。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，利用所述促动器驱动所述第一活塞和所述第二活塞循环运动步骤还包括：

决定第一级最大循环压力，在此压力下所述第一气缸中的空燃混合气压缩燃烧；

利用促动器循环增加所述第一活塞和所述第二活塞位移，这样将在所述第一气缸中产生所述第一级压力。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用燃烧点火使所述第一气缸中的混合气循环燃烧。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用火花塞点火使所述第一气缸中的混合气循环燃烧。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用火花塞点火使所述第一气缸中的混合气循环燃烧，并且之后利用燃烧点火使得混合气循环燃烧。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用火花塞点火使所述第二气缸中的混合气循环燃烧，并且之后利用燃烧点火使得混合气循环燃烧。

上述的一种自由活塞式发动机，其中，利用电能、气动能和液压能驱动所述促动器，以推动所述第一活塞和所述第二活塞做往复运动。

本发明申请的自由活塞式发动机包含轴向对齐布置的气缸，一对互相连接的内活塞对和一对互相连接的外活塞对。每对活塞的第一活塞在第一气缸内做往复运动，第二活塞在第二气缸内做往复运动。每个气缸布置有进气口、排气口和一个燃油口，空气通过进气口进入气缸，废气通过排气口排出气缸，燃油通过燃油口注入气缸。气缸中空燃混合气的燃烧使得活塞在第一气缸中运动，驱使第二气缸中的活塞移动来压缩第二气缸中的空燃混合气并使其燃烧。通过这种方式，活塞对在气缸中对置做往复运动，一活塞对在一个方向上移动，而另一活塞对在相反的方向上移动。当一个气缸中发生燃烧时，每一活塞对的移动的方向相反，在另一气缸中产生压缩冲程。

当发动机停止时，活塞可以在气缸内的任何位置。一个自由活塞式发动机通常没有进气阀或者排气阀来控制可燃气体和废气的流动。取而代之的是，发动机废气驱动的涡轮增压器提供压缩空气至进气口。如果发动机在压缩冲程停止，空气将因为气缸中的压力从进气口、排气口和活塞环处泄露。这种泄露将导致气缸内的局部真空。

为了避免依赖大量的液压和气动压力，采用一种循环启动策略。在启动时活塞以逐渐增加的位移移动以产生足够的动能使气缸中的混合气燃烧。通过启动促动器作用在活塞上的能量和燃烧前压缩空气的膨胀释放的能量结合起来增加活塞的动能，同时稳定的增加燃烧室中的压力。

启动发动机的方法是利用一个促动器，例如一个液压或者启动泵马达或者一个电动线性交流发电机启动器来移动活塞至进气口开启位置。这保证空气在气缸内的一个空间内，在一部分启动程序时是被限制的。这气室在启动过程中作为一个空气弹簧来储存来自活塞的动能，通过在压缩冲程中压缩空气充量产生作用于活塞的压力。在促动器的力和空气弹簧产生的压力作用下活塞不断增加位移。空气充量的弹簧刚度随着活塞位移增加产生的压力的增加而增加。

促动力是一个周期力，频率和系统的可变固有频率相同或近似相同，系统的固有频率包含活塞的质量，其他质量和可变空气弹簧，燃烧室中可压缩膨胀的空气充量。当活塞达到一定位移，燃油喷入气缸，通过喷射器。促动器持续增加活塞位移和气缸中空燃混合气的压力直到混合气持续循环燃烧。第一气缸中空燃混合气燃烧之后，延迟一段时间后加载全部载荷到发动机而不是立即加载。促动力可以持续作用于活塞，或者第一气缸中混合气燃烧时远离活塞。在延迟阶段，燃油循环注入第二气缸中。在第二气缸中的空燃混合气持续循环燃烧时，可以加载全部载荷到发动机。

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：

通过使用本发明有效地减少自由活塞式发动机启动时所需的能量。

附图说明

图1为本发明一种自由活塞式发动机的纵向平面的横截面图；

图2为本发明一种自由活塞式发动机的纵向平面的横截面图；

图3为液压控制系统的原理示意图；

图4A和4B为本发明一种自由活塞式发动机和液压泵马达总成的纵向平面的横截面图；

图5为图1中发动机的部分外表面的轴测示意图；

图6为图1中发动机的火花塞或者电热塞部分的横截面图。

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。

图1为本发明一种自由活塞式发动机的纵向平面的横截面图，图2为本发明一种自由活塞式发动机的纵向平面的横截面图，图3为液压控制系统的原理示意图，图4A和4B为本发明一种自由活塞式发动机和液压泵马达总成的纵向平面的横截面图，图5为图1中发动机的部分外表面的轴测示意图，图6为图1中发动机的火花塞或者电热塞部分的横截面图。根据图1和图2，一个自由活塞式发动机10包含一个第一气缸12和一个第二气缸14，第一气缸12和第二气缸14向布置，位于气缸套16、17内，被缸体包围。第一内活塞对用一个推杆22互相连接。第一内活塞对的第一活塞18在第一气缸12内做往复运动，第二活塞20在第二气缸14内做往复运动。第二外活塞对用推杆28、30互相连接，同时通过桥32、34固定在活塞24、26的轴向末端。第二外活塞对的第一活塞24在第一气缸12内做往复运动，第二活塞26在第二气缸14内做往复运动。每个气缸12、14布置有进气口36、37和出气口38、39。在图1中，第一气缸12的进气口37和出气口39通过活塞18和24关闭，在靠近上止点位置显示，第二气缸14的进气口36和出气口38通过活塞18和24开启，在靠近下止点位置显示。在图2中，第二气缸14的进气口36和出气口38，通过活塞20和26关闭，在靠近上止点位置显示，第一气缸12的进气口37和出气口39通过活塞18和24开启，在靠近下止点位置显示。当其中一个气缸的活塞处于上止点位置时，另一气缸的活塞处于下止点位置。每个气缸布置有一个燃油注入口40，在压缩冲程时，燃油通过喷射器注入气缸中。

活塞对在各自的上止点和下止点位置之间的置换是协调一致的，如图1和图2显示，这样位于第一气缸12中的内活塞18和外活塞24之间和第二气缸14中的内活塞20和外活塞26之间的空气燃料混合气在活塞从上止点移到下止点的时候被压缩以产生燃烧。活塞对的这种同步的往复运动简称为对置活塞对置气缸（OPOC）往复运动。

活塞的这种同步协调运动通过一个液压系统进行控制，该系统包含液压块或者气动块43内的液压驱动机泵止回阀和管路，轴向位于气缸套16和17之间。接下来参考图3，其中的控制电路包含一个低压腔41，一个高压腔42，一个驱动机泵44驱动地连接到推杆22，一个驱动机泵46驱动地连接到拉杆28，一个驱动机泵48驱动地连接到拉杆30。块43中的一个气缸51中的活塞50形成推杆22的一部分。发动机内活塞18、20的往复运动引起驱动机泵44的活塞50的往复运动。活塞52、54分别形成拉杆28、30的一部分，各自位于块43中的气缸55、57内。发动机外活塞24、26的往复运动引起驱动机泵46、48的活塞52和54的往复运动。

促动器将高压腔42选择性地连接到驱动机泵44、46、48来移动气缸12、14中的活塞对18-20和24-26，在压缩冲程期间气缸中的压力作用下。当活塞在或者接近下止点位置时，驱动机泵44、46、48推动活塞，并在活塞到达上止点位置时移出作用于活塞上的驱动力。压缩冲程时气缸中产生的压力使活塞在膨胀冲程时远离上止点位置。每一周期活塞位移的增加是通过增加驱动机泵提供的压力来实现的，或者通过增加周期长度，或者二者的结合。

当发动机10开始运转，发动机活塞的协调往复运动使液压从低压腔41流入驱动机泵44、46、48，产生液压或者气动输出，从而供给高压腔42。驱动机泵44、46、48作为液压驱动机启动发动机，同时作为泵提供液体到高压腔来做为临时存储或者直接提供液体到液压驱动机上，该驱动机驱动车轮旋转前进。

电子控制器56发出驱动信号传输到电磁阀或者继电器，其为了响应驱动信号改变控制阀58的状态。例如，当液压系统作为一个驱动机移动发动机活塞来启动发动机时，控制器56改变第一状态60间的阀门58，此时高压腔42通过阀门58和线64连接到流体泵驱动机44的气缸51的左侧。阀门58在状态60时，驱动机泵46、48的气缸55、57的左侧通过线68、70和阀门58连接到低压腔41。这些运转使活塞50向右移动迫使流体从驱动机泵44通过线72进入气缸57的右侧，同时通过线74进入气缸55的右侧。通过这种方式，阀门58的第一状态引起液压控制系统向右移动发动机内活塞18、20，发动机外活塞24、26向左移动，如图3所示。

当控制器56将阀门58调至第二状态76时，高压腔42通过线68连接到驱动机泵48的气缸57的左侧，通过线70连接到驱动机泵46中的气缸55的左侧。这迫使发动机外活塞24、26向右移动。当阀门58处于第二状态76时，低压腔41通过阀门58、线64连接到流体泵驱动机44的气缸51的左侧。当活塞52、54向右移动时，液压分别从气缸55、57通过线74、72泵入气缸51的右侧。这使得活塞50、推杆22、发动机内活塞18、20向左移动。

当启动发动机10并且在燃油注入之前，通过一个驱动系统活塞18、20向左移动，而活塞24、26同时向右移动，根据图3所述，移动到图1所示的位置。这个活塞位移足够打开第二气缸14中的进气口36，这样保证第二气缸14中充满空气充量。然后，驱动系统使活塞18、20向右移动，同时活塞24、26向左移动，移动到图2所示的位置。这个活塞位移足够打开第一气缸12中的进气口37，这样保证第一气缸12中充满空气充量。

等到空气都充满每个气缸时，驱动系统驱动活塞做往复运动产生压缩和膨胀冲程，增加活塞位移或冲程，增加活塞速度，增加燃烧室中的最高压力，增加空气充量的压缩比，但是不允许打开进气口36、37。气缸12、14中的空气充量的循环压缩和膨胀类似于气缸中压缩弹簧的效果。空气充量的压缩使活塞不能加速移动到上止点位置。而空气充量的膨胀能帮助活塞加速运动到下止点位置。当一个气缸中的气体被压缩时，另一个气缸中的气体正在膨胀。因此，将不断产生压力帮助每个气缸中的活塞以正确的相位关系交替的移动到上止点和下止点位置。

发动机热启动时，仅需要一个或两个周期的压缩和膨胀冲程，在气体进入气缸之后，发动机启动之前。而发动机冷启动时，需要大约10个周期。

接下来，在第一系列周期火花塞点火启动发动机时大量燃油喷入气缸。节流阀128使空气在第一系列启动周期以一定的速度通过进气口36、37进入气缸。燃油通过燃油口40喷入气缸，这样在气缸内形成空气和燃油的一个化学混合或者近似化学混合。火花塞104或者电热塞106用来点燃混合气。在最高压力下气缸12、14中空燃混合气燃烧。发动机在火花塞点火下开始启动之后，驱动器停止驱动活塞，发动机独立运转。发动机控制器控制喷油器100、102定量喷入燃油至燃烧室中，通过燃油口40。

每个气缸中的最大压力由压力传感器96、98控制。控制器56决定活塞在上止点位置和上止点位置之后的一个预定时间或距离内火花塞点火时的最大压力。这个时间最好是0.25ms左右。上止点位置之后，或者上止点之后延迟2°，供入定量的燃油，例如汽油。控制器56调整火花点火正时，直到在一个可接受的相位范围内产生最大压力。

当在最大压力点火时，第二系列发动机启动周期开始。在这些周期内，空燃比通过节流阀128减少以增加供入气缸中的空气流量，或者通过喷油器100、102来减少喷入气缸中的燃油量，或者同时通过节流阀和喷油器来增加空气流量和燃油量。火花塞点火系统由控制器56关闭。然后，发动机在均匀的混合气下运转，同时压缩点火产生燃烧。在发动机启动并在程序控制下持续运转时，发动机上便可加载额外的载荷。

一个发动机控制器控制喷油器100喷入适当量的燃油到气缸12，通过燃油口40。发动机启动后，在程序控制下持续运转。

促动力是一个周期力，频率和系统的可变固有频率相同或近似相同，系统的固有频率包含活塞的质量，其他质量和可变空气弹簧，燃烧室中可压缩膨胀的空气充量。当活塞移动到一定位置时，燃油通过喷油器喷入气缸。促动器持续增加活塞位移和气缸中空燃混合气的压力直到混合气稳定循环燃烧。第一气缸中空燃混合气燃烧之后，延迟一段时间后加载全部载荷到发动机而不是立即加载。促动力可以持续作用于活塞，或者第一气缸中混合气燃烧时远离活塞。在延迟阶段，燃油循环注入第二气缸中。在第二气缸中的空燃混合气持续循环燃烧时，可以加载全部载荷到发动机。发动机启动之后，在程序控制下持续运转。

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实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自由活塞式发动机，包括一发动机，其特征在于，

所述发动机具有一第一气缸、一第二气缸以及相互连接的第一内活塞对和相互连接的第二外活塞对；两所述活塞对的第一活塞位于所述第一气缸中，两所述活塞对的第二活塞位于所述第二气缸中；

启动所述发动机方法的步骤为：

第一步：向所述第一气缸和所述第二气缸中充入空气，推动所述第一活塞和所述第二活塞做往复运动，循环增加空气充量的压力至一个预定值；

第二步：向所述第一气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第一气缸中形成空燃混合气；

第三步：所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧；

第四步：延迟部分外载荷加载至所述发动机上；

第五步：向所述第二气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第二气缸中形成空燃混合气；

第六步：所述第二气缸中产生的混合气循环燃烧。

2.一种自由活塞式发动机，包括一发动机，其特征在于，

所述发动机具有一第一气缸、一第二气缸以及相互连接的第一内活塞对和相互连接的第二外活塞对；两所述活塞对的第一活塞位于所述第一气缸中，两所述活塞对的第二活塞位于所述第二气缸中；

所述第一气缸和所述第二气缸均具有一进气口，允许空气进入所述第一气缸和所述第二气缸；

启动所述发动机方法的步骤为：

第一步：利用促动器推动所述第一活塞和所述第二活塞使得所述第一气缸和所述第二气缸的进气口打开，空气充量进入所述第一气缸和所述第二气缸中；

第二步：利用所述促动器驱动所述第一活塞和所述第二活塞循环运动，同时，增加空气充量的压力至一个预定值；

第三步：向所述第一气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第一气缸中形成空燃混合气；

第四步：所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧；

第五步：延迟部分外载荷加载至所述发动机上；

第六步：向所述第二气缸中循环充入空气和喷入燃油，在所述第二气缸中形成空燃混合气；

第七步：所述第二气缸中产生的混合气循环燃烧。

3.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，当所述第一气缸和所述第二气缸中的燃烧维持在一个预定时间时，中断延迟。

4.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，加载一个周期力至所述第一活塞和所述第二活塞，使得在所述第一气缸的压缩冲程时压缩空气充量，同时，在所述第二气缸的膨胀冲程时膨胀空气充量。

5.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，加载一个周期力至所述第一活塞和所述第二活塞，使得在所述第二气缸的压缩冲程时压缩空气充量，同时，在所述第一气缸的膨胀冲程时膨胀空气充量。

6.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用燃烧点火使所述第一气缸中的混合气循环燃烧。

7.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用火花塞点火使所述第一气缸中的混合气循环燃烧。

8.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用火花塞点火使所述第一气缸中的混合气循环燃烧，并且之后利用燃烧点火使得混合气循环燃烧。

9.根据权利要求1或2中任意一项所述自由活塞式发动机，其特征在于，所述第一气缸中产生的混合气循环燃烧步骤还包括：

利用火花塞点火使所述第二气缸中的混合气循环燃烧，并且之后利用燃烧点火使得混合气循环燃烧。

10.根据权利要求2所述自由活塞式发动机，其特征在于，利用电能、气动能和液压能驱动所述促动器，以推动所述第一活塞和所述第二活塞做往复运动。

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