CN108915863A - 一种四冲程一体式自由活塞发动机及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种四冲程一体式自由活塞发动机及工作方法，该装置主体包括四个相互独立的燃烧室，一个哑铃型活塞；还包括喷油器，进气道，C型旋转阀门，排气道等。所述的四个燃烧室中包含两个环形燃烧室，这两个环形燃烧室相互独立，但公用一个排气道和一个进气道。所述C型旋转阀门可控制气道开闭。本发明的一种四冲程一体式自由活塞发动机，活塞往复运动两次，完成四个冲程实现一个工作循环。每个活塞行程内均有一个气缸在进气，一个气缸压缩，一个气缸燃烧和一个气缸在排气。四个气缸依次做功推动活塞自由运动，进气道与排气道的开通和关闭由C型旋转阀门控制。
Description
技术领域
本发明涉及自由活塞发动机，具体地说，是一种可实现四冲程运动的自由活塞发动机，即将传统的自由活塞发动机由两气缸增加到四气缸，同时采用C形旋转阀取代进排气门实现进排气过程精确控制。
背景技术
活塞发动机作为一种高效热力机械在国民生产和生活中占有重要地位，其中自由活塞发动因其结构简单，运动部件少，功率密度大而备受关注。但目前的自由活塞发动机只有两个气缸，一个工作循环只有两个冲程，两气缸依次做功，属于两冲程活塞发动机的范畴。由于燃料采用进气道喷射，并辅以电火花点燃，压缩比不高，热效率低，经济性差。进气排气在一个冲程内完成，排气时容易造成燃料流失，进气量有限，难以实现充分燃烧，污染物排放高。由此同时，现有的活塞发动机多采用普通往复式气门结构，响应迟缓，不利于实现精确控制，且导致发动机体积过大。
发明内容
本发明的目的是克服现有自由活塞发动机的缺点，提供一种四冲程单体自由活塞发动机。为了解决上述存在的技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种四冲程一体自由式活塞发动机，包括缸体、燃烧室一、燃烧室二、环形燃烧室三、环形燃烧室四和活塞；所述缸体内设置有活塞；所述活塞结构为中间窄两头宽的哑铃结构；所述活塞与缸体之间形成四个燃烧室，这四个燃烧室包括位于缸体两端的燃烧室一和燃烧室二，沿缸体中心左右两侧设置的环形燃烧室三和环形燃烧室四；
所述燃烧室一左端面上分别设有进气道一和排气道一，所述进气道一和排气道一位于同一水平高度；且C形旋转阀T1设置在进气道一和排气道一贯通的中点；所述燃烧室一最左侧的上端顶部设有喷油器一，下端底部设有火花塞一；
所述燃烧室二右端面上分别设有进气道二和排气道二，且进气道二和排气道二同一水平高度；且C形旋转阀T2设置在进气道二和排气道二贯通的中点；所述燃烧室二最右侧的上端顶部设有喷油器二，下端底部火花塞二；
所述环形燃烧室三的最右侧的上端顶部设有喷油器三，下端底部火花塞三；所述环形燃烧室四的最左侧的上端顶部设有喷油器四和下端底部火花塞四；所述环形燃烧室三的最右端与环形燃烧室四的最左端的结合位置的上端面的中间分别设有气道和C形旋转阀，上端为进气道M，其通往环形燃烧室三和环形燃烧室四的中点设有C形旋转阀M1；环形燃烧室三的最右端与环形燃烧室四的最左端的结合位置的下端面的中间分别设有气道和C形旋转阀，下端为排气道M、其通往环形燃烧室三和环形燃烧室四的中点设有C形旋转阀M2。
进一步的，所述C形旋转阀T1、C形旋转阀T2、C形旋转阀M1和C形旋转阀M2均为旋转式三通控制阀；该旋转式三通控制阀包括一个三通管道和一个半月形圆柱体；三管道呈T形垂直布置，其轴线相交于一点O，且三管道并存于同一平面A内，半月形圆柱腔体轴线垂直于平面A且通过O点。
进一步的，C形旋转阀包括四个相位，即0°，90°，180°，270°。
进一步的，C形旋转阀T1和C形旋转阀M1在每个行程完成后逆时针旋转90°，C形旋转阀T2和C形旋转阀M2在每个行程完成后顺时针旋转90°。
进一步的，所述喷油器一、喷油器二和喷油器三的喷射燃料为柴油或者生物柴油或者两者的混合物。
一种四冲程一体式自由活塞发动机的工作方法，按照工作过程包括活塞行程I阶段、活塞行程II阶段、活塞行程III阶段和活塞行程IV阶段四个阶段；
活塞处于最左端位置时，C形旋转阀M1和C形旋转阀M2的相位位置，火花塞四点火，环形燃烧室四内燃料燃烧，推动活塞向右运动，同时，封闭的环形燃烧室三内的混合气被压缩，在活塞向右运动的过程中，燃烧室一与进气道一连通，气缸内充入含氧空气，喷油器一喷射燃料，燃烧室二与排气道二连通，其内部气体被排出气缸；待活塞运动至右端后，C型旋转阀T1，M1，逆时针旋转90度，C形旋转阀T2和C形旋转阀M2顺时针旋转90度，系统进入活塞行程II阶段；
活塞行程II阶段：活塞处于最右端位置，火花塞三点火，环形燃烧室三内燃料燃烧，推动活塞向左运动，燃烧室一完全封闭，而环形燃烧室四与排气道M相连通，燃烧室二与进气道二相连通；在活塞向左行进的过程中，燃烧室一内气体被压缩，环形燃烧室四内废气被排出，燃烧室二吸入空气，喷油器二喷射燃料，待活塞运动至左端后，C形旋转阀T1和C形旋转阀M1，逆时针旋转90度，C形旋转阀T2和C形旋转阀M2顺时针旋转90度，系统进入活塞行程III阶段；
活塞行程III阶段：活塞处于最左端位置，火花塞一点火，燃烧室一内的燃料燃烧，推动活塞向右运动；同时，封闭的燃烧室二内的混合气体被压缩。在活塞向右运动的过程中，环形燃烧室四与进气道连通，气缸内充入含氧空气，喷油器四喷射燃料，环形燃烧室三与排气道M连通，其内部废气被排出气缸；待活塞运动至右端后，C形旋转阀T1和C形旋转阀M1，逆时针旋转90度，，C形旋转阀T2和C形旋转阀M2顺时针旋转90度，系统进入活塞行程IV阶段；
活塞行程IV阶段：活塞处于最右端位置，火花塞二点火，燃烧室一内的燃料燃烧，推动活塞向左运动；同时，封闭的环形燃烧室四内的混合气体被压缩。在活塞向右运动的过程中，环形燃烧室三与进气道M连通，气缸内充入含氧空气，喷油器三喷射燃料，燃烧室一与排气道连通，其内部废气被排出气缸。待活塞运动至左端后，C形旋转阀T1和C形旋转阀M1，逆时针旋转90度，，C形旋转阀T2和C形旋转阀M2顺时针旋转90度，系统进入活塞行程I阶段，开始新一轮循环。
本发明的有益效果：
1.本发明所述的四冲程一体自由式活塞发动机，采用独立压缩过程，能实现更高的压缩比，提高了热效率。
2.本发明所述的四冲程一体自由式活塞发动机，实现了进、排气过程相互独立，进气更加充分，有利于燃料完全燃烧。
3.本发明所述的四冲程一体自由式活塞发动机，通过采用C形旋转阀门实现对进、排气的精确控制，没有气门行程，克服传统气门机构的延迟缺点。
4.本发明所述的四冲程一体自由式活塞发动机，能够避免进排气道同时开启而产生的燃料泄漏问题，提高了经济性。
5.本发明所述的四冲程一体自由式活塞发动机，结构简单，易于制造，安装方便。
附图说明
图1为本发明涉及四冲程自由活塞发动机；
图2为本发明涉及发动机的C型旋转阀相位；
图3为本说明涉及以发动机的1号缸进排气道C形旋转阀为例，1号缸在进气/压缩/做功/排气四个冲程下，C形阀所处的状态；
图4为本发明涉及发动机的1号燃烧室正在进行进气冲程；
图5为本发明涉及发动机的1号燃烧室正在进行压缩冲程；
图6为本发明涉及发动机的1号燃烧室正在进行做功冲程；
图7为本发明涉及发动机的1号燃烧室正在进行排气冲程。
1-喷油器二；2-环形燃烧室四；3-喷油器四；4-进气道M；5-喷油器三；6-上环形燃烧室三；7-活塞体；8-喷油器一；9-进气道一；10-C形旋转阀T1；11-排气道一；12-缸体；13-火花塞一；14-燃烧室一；15-环形燃烧室三；16-火花塞三；17-排气道M；18-火花塞四；19-环形燃烧室四；20-燃烧室二；21-火花塞二；22-排气道二；23-C形旋转阀T2；24-排气道二；25-C形旋转阀M1；26-C形旋转阀M2。
具体实施方式
为对本发明做进一步的理解，现下面结合附图与具体做功对本发明进一步详细描述：
结合图1、图2，四冲程一体式自由活塞发动机，活塞往复运动两次，完成四个冲程实现一个工作循环。每个活塞行程内均有一个气缸在进气，一个气缸压缩，一个气缸燃烧和一个气缸在排气。四个气缸依次做功推动活塞自由运动,进气道与排气的开通和关闭由C型旋转阀控制，四个冲程阶段C型旋转阀相位位置如表1所示；
表1各行程阶段C型旋转阀位置
结合附图2，说明了C型旋转阀相位的定义，包括四个相位即0°，90°，180°，270°。
结合附图3，以C型旋转阀T1为例，说明C型旋转阀对进气道和排气道的开通和闭合控制方式。其中A为进气道，B为排气道，C为燃烧室通道(气缸)。C型旋转阀处于0°相位时，对应活塞行程阶段I,进气道与燃烧室通道连通，空气进入燃烧室，此时为燃烧室一的吸气冲程。C型旋转阀处于90°时，对应活塞行程阶段II,进气道与排气道均与燃烧室一隔绝，此时为燃烧室一的压缩冲程。C型旋转阀处于180°时，对应活塞行程阶段III，进气道与排气道均与燃烧室一隔绝，此时为燃烧室一的做功冲程。C型旋转阀处于270°时，对应活塞行程阶段IV，排气道与燃烧室通道连通，空气排出燃烧室，此时为燃烧室一的排气冲程。
结合附图4至7对四冲程一体式自由活塞发动机的工作过程说明如下：
结合附图4，活塞7处于最左端位置，图示C型旋转阀M125，C型旋转阀M226的相位位置；将进气道M4、排气道M17与环形燃烧室三6和环形燃烧室四2阻隔。火花塞四18点火，环形燃烧室四2内燃料燃烧，推动活塞向右运动。同时，封闭的环形燃烧室三6内的混合气被压缩。在活塞向右运动的过程中，燃烧室一14与进气道一9连通，气缸内充入含氧空气，喷油器一8喷射燃料，燃烧室二20与排气道二24连通，其内部气体被排出气缸。待活塞运动至右端后，C型旋转阀T110，M125，逆时针旋转90度，C型旋转阀T223，C型旋转阀M226顺时针旋转90度，系统进入活塞行程II阶段。
结合附图5，活塞行程II阶段,活塞7处于最右端位置，火花塞三16点火，环形燃烧室三6内燃料燃烧，推动活塞7向左运动。图示C型旋转阀T110，C型旋转阀T223，C型旋转阀M125，C型旋转阀M226的相位位置，燃烧室一14完全封闭，而环形燃烧室四2与排气道M17相连通，燃烧室二20与进气道24二相连通。在活塞向左行进的过程中，燃烧室一14内气体被压缩，环形燃烧室四2内废气被排出，燃烧室二20吸入空气，喷油器二1喷射燃料。待活塞7运动至左端后，C型旋转阀T110，C型旋转阀M125逆时针旋转90度，C型旋转阀T223，C型旋转阀M226顺时针旋转90度，系统进入活塞行程III阶段。
结合附图,6，活塞行程III阶段,活塞7处于最左端位置，火花塞一13点火，燃烧室一14内的燃料燃烧，推动活塞7向右运动。同时，封闭的燃烧室二20内的混合气体被压缩。在活塞7向右运动的过程中，环形燃烧室四2与进气道24连通，气缸内充入含氧空气，喷油器四3喷射燃料，环形燃烧室三6与排气道M17连通，其内部废气被排出气缸。待活塞7运动至右端后，C型旋转阀T110，C型旋转阀M125，逆时针旋转90度，C型旋转阀T223，C型旋转阀M226顺时针旋转90度，系统进入活塞行程IV阶段。
结合附图7，活塞行程IV阶段,活塞7处于最右端位置，火花塞二21点火，燃烧室一14内的燃料燃烧，推动活塞7向左运动。同时，封闭的环形燃烧室四2内的混合气体被压缩。在活塞7向右运动的过程中，环形燃烧室三6与进气道M4连通，气缸内充入含氧空气，喷油器三5喷射燃料，燃烧室一14与排气道连通，其内部废气被排出气缸。待活塞7运动至左端后，C型旋转阀T110，C型旋转阀M125，逆时针旋转90度，C型旋转阀T223，C型旋转阀M226顺时针旋转90度，系统进入活塞行程I阶段，开始新一轮循环。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种四冲程一体自由式活塞发动机，其特征在于，包括缸体(12)、燃烧室一(14)、燃烧室二(20)、环形燃烧室三(15)、环形燃烧室四(19)和活塞(7)；所述缸体(12)内设置有活塞(7)；所述活塞(7)结构为中间窄两头宽的哑铃结构；所述活塞(7)与缸体(12)之间形成四个燃烧室，这四个燃烧室包括位于缸体(12)两端的燃烧室一(14)和燃烧室二(20)，沿缸体(12)中心左右两侧设置的环形燃烧室三(15)和环形燃烧室四(19)；
所述燃烧室一(14)左端面上分别设有进气道一(9)和排气道一(11)，所述进气道一(9)和排气道一(11)位于同一水平高度；且C形旋转阀T1(10)设置在进气道一(9)和排气道一(11)贯通的中点；所述燃烧室一(14)最左侧的上端顶部设有喷油器一(8)，下端底部设有火花塞一(13)；
所述燃烧室二(20)右端面上分别设有进气道二(24)和排气道二(22)，且进气道二(24)和排气道二(22)同一水平高度；且C形旋转阀T2(23)设置在进气道二(24)和排气道二(22)贯通的中点；所述燃烧室二(20)最右侧的上端顶部设有喷油器二(1)，下端底部火花塞二(21)；
所述环形燃烧室三(15)的最右侧的上端顶部设有喷油器三(5)，下端底部火花塞三(16)；所述环形燃烧室四(19)的最左侧的上端顶部设有喷油器四(3)和下端底部火花塞四(18)；所述环形燃烧室三(15)的最右端与环形燃烧室四(19)的最左端的结合位置的上端面的中间分别设有气道和C形旋转阀，上端为进气道M(4)，其通往环形燃烧室三(15)和环形燃烧室四(19)的中点设有C形旋转阀M1(25)；环形燃烧室三(15)的最右端与环形燃烧室四(19)的最左端的结合位置的下端面的中间分别设有气道和C形旋转阀，下端为排气道M(17)、其通往环形燃烧室三(15)和环形燃烧室四(19)的中点设有C形旋转阀M2(26)。
2.根据权利要求1所述的一种四冲程一体式自由活塞发动机，其特征在于：所述C形旋转阀T1(10)、C形旋转阀T2(23)、C形旋转阀M1(25)和C形旋转阀M2(26)均为旋转式三通控制阀；该旋转式三通控制阀包括一个三通管道和一个半月形圆柱体；三管道呈T形垂直布置，其轴线相交于一点O，且三管道并存于同一平面A内，半月形圆柱腔体轴线垂直于平面A且通过O点。
3.根据权利要求2所述的一种四冲程一体式自由活塞发动机，其特征在于：C形旋转阀包括四个相位，即0°，90°，180°，270°。
4.根据权利要求3所述的一种四冲程一体式自由活塞发动机，其特征在于：C形旋转阀T1(10)和C形旋转阀M1(25)在每个行程完成后逆时针旋转90°，C形旋转阀T2(23)和C形旋转阀M2(26)在每个行程完成后顺时针旋转90°。
5.根据权利要求1所述的一种四冲程一体式自由活塞发动机，其特征在于，所述喷油器一(8)、喷油器二(1)和喷油器三(5)的喷射燃料为柴油或者生物柴油或者两者的混合物。
6.一种四冲程一体式自由活塞发动机的工作方法，其特征在于，按照工作过程包括活塞(7)处于最左端位置、活塞行程II阶段、活塞行程III阶段和活塞行程IV阶段四个阶段；
活塞(7)处于最左端位置时，C形旋转阀M1(25)和C形旋转阀M2(26)的相位位置，火花塞四(18)点火，环形燃烧室四(2)内燃料燃烧，推动活塞(7)向右运动，同时，封闭的环形燃烧室三(6)内的混合气被压缩，在活塞向右运动的过程中，燃烧室一(14)与进气道一(9)连通，气缸内充入含氧空气，喷油器一(8)喷射燃料，燃烧室二(20)与排气道二(22)连通，其内部气体被排出气缸；待活塞(7)运动至右端后，C型旋转阀T1(10)，M1(25)，逆时针旋转90度，C形旋转阀T2(23)和C形旋转阀M2(26)顺时针旋转90度，系统进入活塞行程II阶段；
活塞行程II阶段：活塞(7)处于最右端位置，火花塞三(16)点火，环形燃烧室三(6)内燃料燃烧，推动活塞(7)向左运动，燃烧室一(14)完全封闭，而环形燃烧室四(2)与排气道M(17)相连通，燃烧室二(20)与进气道(24)二相连通；在活塞向左行进的过程中，燃烧室一(14)内气体被压缩，环形燃烧室四(2)内废气被排出，燃烧室二(20)吸入空气，喷油器二(1)喷射燃料，待活塞(7)运动至左端后，C形旋转阀T1(10)和C形旋转阀M1(25)，逆时针旋转90度，C形旋转阀T2(23)和C形旋转阀M2(26)顺时针旋转90度，系统进入活塞行程III阶段；
活塞行程III阶段：活塞(7)处于最左端位置，火花塞一(13)点火，燃烧室一(14)内的燃料燃烧，推动活塞(7)向右运动；同时，封闭的燃烧室二(20)内的混合气体被压缩。在活塞(7)向右运动的过程中，环形燃烧室四(2)与进气道(24)连通，气缸内充入含氧空气，喷油器四(3)喷射燃料，环形燃烧室三(6)与排气道M(17)连通，其内部废气被排出气缸；待活塞(7)运动至右端后，C形旋转阀T1(10)和C形旋转阀M1(25)，逆时针旋转90度，，C形旋转阀T2(23)和C形旋转阀M2(26)顺时针旋转90度，系统进入活塞行程IV阶段；
活塞行程IV阶段：活塞(7)处于最右端位置，火花塞二(21)点火，燃烧室一(14)内的燃料燃烧，推动活塞(7)向左运动；同时，封闭的环形燃烧室四(2)内的混合气体被压缩。在活塞(7)向右运动的过程中，环形燃烧室三(6)与进气道M(4)连通，气缸内充入含氧空气，喷油器三(5)喷射燃料，燃烧室一(14)与排气道连通，其内部废气被排出气缸。待活塞(7)运动至左端后，C形旋转阀T1(10)和C形旋转阀M1(25)，逆时针旋转90度，，C形旋转阀T2(23)和C形旋转阀M2(26)顺时针旋转90度，系统进入活塞行程I阶段，开始新一轮循环。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181130 |