CN109723538A - 一种自由活塞式中央燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由活塞式中央燃烧室，包括了燃烧室、气体弹簧室1和气体弹簧室2，整体结构相对气缸体中心轴线对称分布，设置在气缸体内侧的自由活塞由燃烧室活塞和气体弹簧活塞组成，其中燃烧室活塞包括进气活塞和排气活塞；气缸体中心轴线的两端设有进气口和排气口，进气活塞在气缸体中心轴线和进气口之间的气缸体内做往复运动，排气活塞运动于气缸体中心轴线与排气口之间；进气活塞的顶面和排气活塞的顶面对立构成燃烧室，气缸体内壁与自由活塞外端构成密闭的气体弹簧室，气缸体的侧壁上布置有补气口。本发明结构简单对称、利用效率高、动平衡特性好,增强了发动机的输出功率，并实现了对燃油消耗率和排放的同时降低。

Description

一种自由活塞式中央燃烧室

技术领域

本发明属于发动机技术领域，特别涉及一种自由活塞式中央燃烧室。

背景技术

在当今社会中，能源问题和环境问题已经成为全球普遍关注的焦点。探索新技术提高能源利用效率和减少污染物排放是未来汽车行业的发展趋势。近年来，内燃机的发展是以节能为中心，充分兼顾到排放和可靠性的要求，全面提高内燃机的性能。各国政府及汽车企业在改进的过程中，一方面积极致力于传统内燃机的改进，另一方面也在积极追求新技术、新动力形式以满足日益严格的排放法规和性能要求。在此种背景下，自由活塞式中央燃烧室内燃机以其具有结构紧凑、功率密度高、燃料适应性强、能量利用率高等优点被重视起来。由于自由活塞式中央燃烧室的特殊性，其动力输出主要以对置活塞往复运动的形式来向外输出机械能。自由活塞式中央燃烧室输出的动力可通过在进气活塞和排气活塞的两端加设直线负载，将输出的机械动力转化为电动机的转动、压气机的运动等；其中，主要应用于直线发电机的发电。目前，自由活塞式中央燃烧室内燃机已经在电动汽车的增程发电和大型车辆辅助发电方面得到广泛应用。

自由活塞式中央燃烧室取消了曲柄连杆凸轮等机构,进气活塞和排气活塞的顶面组成燃烧室，由于自由活塞式中央燃烧室长期工作于高速运转模式,并且没有独立的进排气冲程,换气过程中不可避免的出现了缸内残余废气无法及时排出和新鲜空气充量的短路损失等问题。在换气过程中进排气口同时打开，容易导致缸内换气不充分,整个换气过程结束后，缸内残余废气系数较大。同时,不仅影响了缸内气流运动规律,而且还影响缸内燃料与空气的充分混合及燃烧过程。自由活塞式中央燃烧室燃料喷射过程处于排气口关闭后的压缩过程,油气混合时间短。此外,燃烧室结构对混合气的形成与燃烧过程影响深刻,一方面影响着缸内流场的形式与分布、燃料喷雾的引导和燃烧过程的组织，另一方面影响整体结构运行中保持良好的动平衡特性。因此，对燃烧室结构的合理设计会对自由活塞式中央燃烧室内燃机的发展有很大的促进作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、换气效率高、运行动平衡特性好的自由活塞式中央燃烧室。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自由活塞式中央燃烧室，包括气缸体、进气活塞、排气活塞、第一气体弹簧活塞、第二气体弹簧活塞、喷油器和双火花塞，所述气缸体为左右贯穿的结构，其包括中间的小径段和两端的大径段，所述小径段的中间位置上设置有所述喷油器，所述小径段的一端上开设有进气口，另一端上开设有排气口，所述进气活塞的一端伸入小径段的一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述进气活塞移动的外止点所述进气口能够连通小径段内部和外界，在所述进气活塞移动的内止点所述进气活塞能够挡住所述进气口从而隔断小径段内部和外界的连通，所述进气活塞的另一端与第一气体弹簧活塞固定连接，所述第一气体弹簧活塞能够在大径内轴向移动，所述排气活塞的一端伸入小径段的另一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述排气活塞移动的外止点所述排气口能够连通小径段内部和外界，在所述排气活塞移动的内止点所述排气活塞能够挡住所述排气口从而隔断小径段内部和外界的连通，所述排气活塞的另一端与第二气体弹簧活塞固定连接，所述第二气体弹簧活塞能够在大径内轴向移动，两端的大径段上均开设有补气口，所述进气活塞与排气活塞的内止点之间形成燃烧室，所述燃烧室内设置有所述双火花塞，当所述进气活塞与排气活塞均从内止点向外止点移动时，所述排气口比进气口先被打开。

进一步地，所述进气口为2个，在所述小径段的径向上对称设置，所述排气口为2个，在所述小径段的径向上对称设置。

进一步地，所述双火花塞包括两个火花塞，在所述小径段的径向上对称设置。

进一步地，两端的大径段上开设的补气口均为2个，分别在大径段的径向上对称设置。

进一步地，所述排气口与喷油器的距离小于进气口与喷油器的距离。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)结构简单、利用效率高：该燃烧室整体结构相对气缸体中心轴线呈对称分布，取消了曲柄连杆凸轮等机械装置；(2)动平衡特性好：气体弹簧活塞在气体弹簧室1和气体弹簧室2内做往复运动，并且气缸体侧壁上设有补气口，空气进入空气容腔后，可推动左右自由活塞反向运动，实现自由活塞运行过程中保持良好的动平衡特性；(3)换气效率高：采用双进气口、双排气口的“气口—气口”直流扫气方式，使整个中央燃烧室的换气效率在90％以上，换气更彻底；(4)燃烧效率高：点火装置采用双火花塞点火，增加火焰传播速度和缩短火焰传播距离，能够加快燃烧速度，使混合气燃烧更加充分，可实现缸内均质充量压燃(HCCI)的燃烧方式；(5)燃料的适应行强并且能满足不同燃料的工作，具有更好的燃油经济性和动力性。

附图说明

图1为本发明自由活塞式中央燃烧室结构示意图。

图2为本发明自由活塞式中央燃烧室负载连接示意图。

图3为本发明自由活塞式中央燃烧室立体结构示意图。

图中：1.气缸体；2.补气口；3A.进气活塞；3B.排气活塞；4.进气口；5.喷油器；6.燃烧室；7.排气口；8.空气容腔；9A.第一气体弹簧活塞；9B.第二气体弹簧活塞；10.气体弹簧室；11.双火花塞。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

结合图1和图3，一种自由活塞式中央燃烧室，该中央燃烧室包括了燃烧室、气体弹簧室1和气体弹簧室2，整体结构相对气缸体1中心轴线对称分布。所述设置在气缸体1内侧的自由活塞由燃烧室活塞和气体弹簧活塞(包括第一气体弹簧活塞9A和第二气体弹簧活塞9B)组成，两者通过柱体刚性连接，燃烧室活塞包括进气活塞3A和排气活塞3B；所述气缸体1中心轴线的两端设有进气口4和排气口7，进气活塞3A在气缸体1中心轴线和进气口4之间的气缸体内做往复运动，排气活塞3B运动于气缸体中心轴线与排气口7之间；所述进气活塞3A的顶面和所述排气活塞3B的顶面对立构成燃烧室6；所述气缸体1中心轴线的上方设置有喷油器5，点火装置使用的是双火花塞11点火，分别设置在气缸体前后方向的对称位置上；所述气缸体内壁与自由活塞外端构成密闭的气体弹簧10，气体弹簧活塞分别在气体弹簧室1和气体弹簧室2内运动；所述气缸体1的侧壁上布置有补气口2，冷空气通过补气口2进入空气容腔8内，在空气容腔8内循环流动来对自由活塞进行冷却，使自由自由活塞在运动过程中具备良好的动平衡特性。

进一步地，整体结构相对气缸体1中心轴线呈对称分布，中央燃烧室气缸体1沿轴线水平放置，燃烧室6设置在气缸体的中间位置。

进一步地：所述左右对称的自由活塞为平顶活塞，自由活塞的内止点、外止点位置可变，燃烧室的压缩比可变。

进一步地，所述气缸体1的侧壁上布置有前后对称的补气口2，能够对气体弹簧室10补气，冷空气通过补气口2进入空气容腔8内，在空气容腔8内循环流动来对自由活塞进行冷却。

进一步地，所述自由活塞由燃烧室活塞和气体弹簧活塞两部分组成，气体弹簧活塞直径大于燃烧室活塞直径。

进一步地，所述中央燃烧室的回弹装置是：左右对称的气体弹簧室1和气体弹簧室2，进排气方式是:双进气口、双排气口的“气口—气口”直流扫气。

本下面结合具体实施例详细说明本发明的技术方案和工作过程。

如图1所示，特别的自由活塞在外止点位置时，此时气体弹簧室10内被压缩的气体为进气活塞3A、排气活塞3B提供回复力，直线负载的动子与自由活塞连接为一个整体，由外向内运动。此时，新鲜空气由两个进气口4进入气缸内，在缸内形成对称的双涡流气流，完成缸内“气口-气口”的直流扫气过程，使整个中央燃烧室的换气效率在90％以上，换气更彻底。当两个活塞运动到进气口4、排气口7完全关闭后，位于中央燃烧室气缸体1中心轴线上方的喷油器5，由上往下向燃烧室6内喷射燃料，缸内气流的运动促使燃料与空气均匀混合。设置于中央燃烧室气缸体1前后方向的对称位置上的双火花塞11，点燃缸内的混合气并完成整个燃烧过程；由于双火花塞点火增加了火焰传播速度和缩短了火焰传播距离，由两侧点火后向中间传播，能够加快燃烧速度，使得缸内混合气燃烧更加充分。该燃烧室通过燃烧燃料释放的能量直接转化为自由活塞的机械能向外输出，具有结构简单对称、利用效率高、动平衡特性好、排放低等优点。

如图2所示，自由活塞在内止点位置时。进气活塞3A和排气活塞3B的位于最接近的位置，两活塞顶面和气缸体1内壁面组成燃烧室6的最小容积，喷油器和双火花塞的头部位于燃烧室6内。当燃烧室6内的混合气燃烧膨胀后，推动进气活塞3A和排气活塞3B由内向为运动；此时活塞杆推动与之连接的直线负载动子运动，向外输出机械动力并整体结构保持良好的动平衡特性；同时，压缩气体弹簧室10内的气体，完成对气体压缩、储能的过程；其中，气缸体的侧壁上设有四个对称的补气口2，空气通过补气口2进入空气容腔8内，实现对自由活塞的冷却和气体弹簧室内补气，使得自由活塞在气缸体内运行过程中保持良好的动平衡特性。当排气活塞3B运动到经过排气口7上沿时，排气口7开始打开，燃烧室6内的部分废气由排气口7排出；进气活塞3A继续运动到进气口4开始打开，此时新鲜空气由两个进气口4进入燃烧室6后形成较强的双涡流气流,完成了燃烧室内的直流扫气和进气过程。进气口4和排气7的开启和关闭分别通过进气活塞3A和排气活塞3B运动到不同位置来控制的，进、排气口位置、开度和进、排气活塞运动规律共同决定了自由活塞式中央燃烧室的配气相位。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种自由活塞式中央燃烧室，其特征在于，包括气缸体(1)、进气活塞(3A)、排气活塞(3B)、第一气体弹簧活塞(9A)、第二气体弹簧活塞(9B)、喷油器(5)和双火花塞(11)，所述气缸体(1)为左右贯穿的结构，其包括中间的小径段和两端的大径段，所述小径段的中间位置上设置有所述喷油器(5)，所述小径段的一端上开设有进气口(4)，另一端上开设有排气口(7)，所述进气活塞(3A)的一端伸入小径段的一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述进气活塞(3A)移动的外止点所述进气口(4)能够连通小径段内部和外界，在所述进气活塞(3A)移动的内止点所述进气活塞(3A)能够挡住所述进气口(4)从而隔断小径段内部和外界的连通，所述进气活塞(3A)的另一端与第一气体弹簧活塞(9A)固定连接，所述第一气体弹簧活塞(9A)能够在大径内轴向移动，所述排气活塞(3B)的一端伸入小径段的另一端内并可在小径段内在外止点与内止点之间轴向移动，在所述排气活塞(3B)移动的外止点所述排气口(7)能够连通小径段内部和外界，在所述排气活塞(3B)移动的内止点所述排气活塞(3B)能够挡住所述排气口(7)从而隔断小径段内部和外界的连通，所述排气活塞(3B)的另一端与第二气体弹簧活塞(9B)固定连接，所述第二气体弹簧活塞(9B)能够在大径内轴向移动，两端的大径段上均开设有补气口(2)，所述进气活塞(3A)与排气活塞(3B)的内止点之间形成燃烧室(6)，所述燃烧室(6)内设置有所述双火花塞(11)，当所述进气活塞(3A)与排气活塞(3B)均从内止点向外止点移动时，所述排气口(7)比进气口(4)先被打开。

2.根据权利要求1所述的自由活塞式中央燃烧室，其特征在于，所述进气口(4)为2个，在所述小径段的径向上对称设置，所述排气口(7)为2个，在所述小径段的径向上对称设置。

3.根据权利要求2所述的自由活塞式中央燃烧室，其特征在于，所述双火花塞(11)包括两个火花塞，在所述小径段的径向上对称设置。

4.根据权利要求3所述的自由活塞式中央燃烧室，其特征在于，两端的大径段上开设的补气口(2)均为2个，分别在大径段的径向上对称设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的自由活塞式中央燃烧室，其特征在于，所述排气口(7)与喷油器(5)的距离小于进气口(4)与喷油器(5)的距离。