CN110454283B - 一种燃气式自由活塞线性发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气式自由活塞线性发电机，包括工字型活塞和缸体；所述缸体分别对称设有左进气腔和右进气腔以及左废气腔和右废气腔；所述工字型包括压缩活塞、左进气活塞、右进气活塞、左排气活塞和右排气活塞；所述工字型活塞安装在缸体中；利用压差进气保证进气的充盈性，利用压差排气保证排气的充分性。持续交替地实现进气、压缩、燃烧以及膨胀过程，固定在活塞上的磁体随着工字型活塞做水平往复运动，与发电线圈之间实现磁力线切割，实现发电工作。该装置设计布局结构简单，适合小型化、便携化的发展。

Description

一种燃气式自由活塞线性发动机

技术领域

本发明属于发动机技术领域，特别是一种燃气式自由活塞线性发动机。

背景技术

随着电动汽车的流行，解决电动车续航里程太短问题成为电动车发展的最具挑战的一步。在众多解决方法中，业内对采用增程式发动机来为电池充电的方案最为认可。目前应用最广的增程式发动机任为传统内燃机，但由于传统曲柄连杆发动机容积大、效率难以提高以及排放等问题难以满足电动汽车的动力需求。基于对增程式发动机的更高要求，内燃机研究者开始研发新的增程式发动机，其中，自由活塞发动机就是其中的一种。

由于没有曲柄连杆的限制，自由活塞发动机的活塞运动规律不固定，因此无法直接控制气缸的进排气时刻。其次，与四冲程发动机不同，自由活塞发动机无单独的排气冲程，其废气的排出与新鲜充量的进入是同时进行，这样的换气特点导致其换气过程不够充分且换气损失大。现有的技术方案主要针对自由活塞发动机的压缩着火过程进行优化，还未出现对自由活塞发动机进排气机构的优化设计。此外，现有的自由活塞发动机专利主要采用燃油方式为主，从排放以及经济性的角度考虑，碳氢气态燃料较燃油更具有优势。

发明内容

针对现有设计的不足，本发明提供一种燃气式自由活塞线性发动机，不仅能够解决现有自由活塞发动机无法直接控制换气时刻的问题，并且能够解决换气过程不够充分且换气损失大的问题。

本发明的技术方案是：一种燃气式自由活塞线性发动机，包括工字型活塞和缸体；

所述工字型活塞安装在缸体中；

所述缸体为对称空腔结构；所述缸体分别对称设有左进气腔和右进气腔以及左废气腔和右废气腔；

所述工字型活塞为对称结构，包括压缩活塞、左进气活塞、右进气活塞、左排气活塞和右排气活塞；所述左进气活塞和右进气活塞对称分布在压缩活塞一端的两侧；所述左排气活塞和右排气活塞对称分布在压缩活塞另一端的两侧；

所述缸体的空腔通过压缩活塞分隔为左气缸和右气缸；

所述左进气腔的一端和左废气腔的一端分别与左气缸连通；所述右进气腔的一端和右废气腔的一端分别与右气缸连通；

所述左进气活塞和右进气活塞分别滑动安装在左进气腔和右进气腔中；所述左排气活塞和右排气活塞分别滑动安装在左废气腔和右废气腔中；

所述左进气腔和右进气腔上分别开有左进气口和右进气口；所述左进气口和右进气口对称设置在缸体上；

所述左进气腔的另一端通过管路与左气缸连接，右进气腔的另一端通过管路和右气缸连接；

所述左进气腔和左气缸之间的管路上设有左进气阀；所述右进气腔和右气缸之间的管路上设有右进气阀；

所述左废气腔的出口设有左废气腔阀，右废气腔的出口设有右废气腔阀。

上述方案中，所述左进气阀和右进气阀为单向压力阀。

上述方案中，所述左废气腔阀和右废气腔阀为单向压力阀。

上述方案中，所述左进气口和右进气口之间距离大于等于左进气活塞和右进气活塞的端点距离。

上述方案中，所述工字型活塞在缸体中对称居中时，左气缸和右气缸在压缩活塞运动方向的长度为d；左排气活塞在左废气腔内的冲程，以及右排气活塞在右废气腔内的冲程，取值在d-2d之间；

上述方案中，所述左排气活塞的冲程和左废气腔的长度一致；所述右排气活塞的冲程和右废气腔的长度一致。

上述方案中，还包括发电装置模块；所述发电装置模块安装在工字型活塞和缸体上。

进一步的，所述发电装置模块包括磁体和发电线圈；所述磁体安装在工字型活塞中；发电线圈环绕缸体的空腔。

一种发电机，包括上述方案中的燃气式自由活塞线性发动机。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的燃气式自由活塞线性发动机，采用工字型活塞结构设计，具有单独的进气活塞与排气活塞，无需增设另外的换气结构以及其他附属结构，总体结构简单，更适合小型化、便携化的发展。

2.本发明所述的燃气式自由活塞线性发动机，利用进气活塞与压缩活塞的运动造成进气腔与汽缸之间形成较大的压差，压差的作用下实现由进气腔往汽缸内进气。利用压差进气能够有效地保证进气的充盈性。

3.本发明所述的燃气式自由活塞线性发动机，利用排气活塞与压缩活塞的运动造成废气腔与汽缸之间形成压差，在压差的作用下，汽缸中着火燃烧产生的高压废气会迅速流经废气腔流出。利用压差排气能够有效地保证排气的充分性。

4.本发明所述的燃气式自由活塞线性发动机，进排气时刻直接由进气活塞与压缩活塞的运动位移控制。进气活塞的运动过程中，通过进气腔和汽缸之间压差，实现进气阀的开关。压缩活塞的运动过程中，通过废气腔和汽缸之间压差，实现废气腔阀的开关。

附图说明

图1为一种燃气式自由活塞线性发动机的结构示意图；

图2为本发明中所述的工字型活塞结构示意图；

图3为本发明所述的左进气腔进气过程示意图；

图4为本发明所述的左汽缸进气、右进气腔进气过程示意图；

图5为本发明所述的左汽缸压缩过程示意图；

图6为本发明所述的左汽缸着火燃烧过程示意图；

图7为本发明所述的右汽缸进气、左进气腔进气过程示意图；

图8为本发明所述的左汽缸排气、右汽缸压缩过程示意图；

图9为本发明所述的右汽缸排气、左废气腔排气过程示意图；

图中，1、左排气活塞；2、右进气活塞；3、发电装置模块；4工字型活塞；5、左废气腔阀；6、左废气腔；7、发电线圈；8、磁体；9、右排气活塞；10、右废气腔；11、右废气腔阀；12、左进气腔；13、左进气口；14、左进气活塞；15、左进气阀；16、左汽缸；17、压缩活塞；18、右汽缸；19、右进气阀；20、右进气口；21、右进气腔；22、缸体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示为本发明结构示意图，如图2所示本发明中工字型活塞结构示意图。左气缸16和右气缸18。

一种燃气式自由活塞线性发动机，包括工字型活塞4和缸体22；

所述缸体22为对称空腔结构；所述缸体22分别对称设有左进气腔12和右进气腔21以及左废气腔6和右废气腔10；所述左进气腔12的一端和左废气腔6的一端分别与左气缸16连通；所述右进气腔21的一端和右废气腔10的一端分别与右气缸18连通；

所述工字型活塞4安装在缸体22中；所述工字型活塞4为对称结构，包括压缩活塞17、左进气活塞14、右进气活塞2、左排气活塞1和右排气活塞9；所述左进气活塞14和右进气活塞2对称分布在压缩活塞17一端的两侧；所述左排气活塞1和右排气活塞9对称分布在压缩活塞17另一端的两侧；所述压缩活塞17可实现在缸体22的空腔中往返滑动；

所述缸体22的空腔通过压缩活塞17分隔为左气缸16和右气缸18；

所述左进气活塞14和右进气活塞2分别滑动安装在左进气腔12和右进气腔21中；所述左排气活塞1和右排气活塞9分别滑动安装在左废气腔6和右废气腔10中；

所述左进气腔12和右进气腔21上分别开有左进气口13和右进气口20；所述左进气口13和右进气口20对称设置在缸体22上；

优选的，左进气口13和右进气口20之间距离大于等于左进气活塞14和右进气活塞2的端点距离；

优选的，所述工字型活塞4在缸体22中对称居中时，左气缸16和右气缸18在压缩活塞17运动方向的长度为d；所述左排气活塞1在左废气腔6内的冲程(即左排气活塞1在左废气腔6内的左端极限位置向右移动至左废气腔6与左气缸16接口位置的长度)，和右排气活塞9在右废气腔10内的冲程(即右排气活塞9在右废气腔10内的右端极限位置向右移动至右废气腔10与右气缸18接口位置的长度)，取值都在d-2d之间；

所述左进气腔12的另一端通过管路与左气缸16连接，右进气腔21的另一端通过管路和右气缸18连接；

所述左进气腔12和左气缸16之间的管路上设有左进气阀15；所述右进气腔21和右气缸18之间的管路上设有右进气阀19；

优选的，所述左进气阀15和右进气阀19为单向压力阀。所述左汽缸进气阀15利用左进气活塞14与压缩活塞17的运动造成左进气腔12与左汽缸16之间形成较大的压差进行开启和关闭；所述右汽缸进气阀19利用右进气活塞2与压缩活塞17的运动造成右进气腔21与左汽缸18之间形成较大的压差进行开启和关闭；利用压差进气能够有效地保证进气的充盈性。

当左进气腔12内的压力大于左汽缸16内的压力时，左进气阀15打开，实现从左进气腔12往左汽缸16里进气。当左进气腔12内的压力小于或等于左汽缸16内的压力时，左进气阀15关闭。

当右进气腔21内的压力大于右汽缸18内的压力时，右进气阀19打开，实现从右进气腔21往右汽缸18里进气。当右进气腔21内的压力小于或等于右汽缸18内的压力时，右进气阀19关闭。

所述左废气腔6的出口设有左废气腔阀5，右废气腔10的出口设有右废气腔阀11。

优选的，所述左废气腔阀5和右废气腔阀11为单向压力阀。同样利用压差进行排气，在压差的作用下，左汽缸16和右气缸18中着火燃烧产生的高压废气分别经左废气腔6和右废气腔10流出，利用压差排气能够有效地保证排气的充分性。

所述左排气活塞1的冲程和左废气腔阀6的长度一致；所述右排气活塞2的冲程和右废气腔阀10的长度一致。左排气活塞1和右排气活塞2的长度设计是为了在左汽缸16和右气缸18排气结束后，左废气腔6和右废气腔10内接近真空环境。

在左汽缸16内燃料着火后，工字型活塞4向右移动，当工字型活塞4到一定位置时，左汽缸16与左废气腔6连通。左汽缸16内的高压废气流经接近真空的左废气腔6，再由左废气腔阀5排出。

在右汽缸16内燃料着火后，工字型活塞4向左移动，当工字型活塞4到一定位置时，右汽缸18与右废气腔2连通。右汽缸18内的高压废气流经接近真空的右废气腔10，再由由废气腔阀11排出。

还包括发电装置模块3。

优选的，所述发电装置模块3包括磁体8和发电线圈7；所述磁体8安装在工字型活塞4中；发电线圈7环绕缸体22的空腔。

磁体8与工字型活塞4具有相同的运动。随着左气缸16和右气缸18的依次着火，磁体8随着工字型活塞4做水平往复运动，与发电线圈7之间实现磁力线切割，实现发电的作用。

一种燃气式自由活塞线性发动机的实施例1具体工作过程如下：

如图3所示为左进气腔12进气过程示意图。气态燃料由左进气口13进入左进气腔12。当左进气活塞14运动越过左进气腔12上左进气口13的位置时，左进气口13关闭。

如图4所示为左汽缸16进气、右进气腔21进气过程示意图。左进气活塞14的持续往左运动使得左进气腔12中空腔体积不断变小，与左汽缸16之间形成压差，此时左进气阀15打开，左进气腔12内的气态燃料通入左汽缸16。当左进气腔12内的压力小于或等于左汽缸16内的压力时，左进气阀15关闭，左汽缸16的进气过程结束。右进气腔21进气过程与左汽缸16进气的过程同时进行。

如图5所示为左汽缸16压缩过程示意图。左汽缸16内燃料的压缩过程，也是右进气腔21进气过程。

如图6所示为左汽缸16着火燃烧过程示意图。压缩活塞17运行到左汽缸16的上止点时，左汽缸16内燃料的着火燃烧过程。此时，左排气活塞1在左废气腔6内运动到最大位移，左废气腔6内的气体排尽。由于设有左废气腔阀5，在左废气腔6内气体排尽，左排气活塞1向右运动，左废气腔6在与左汽缸16连通之前的一段时间内，左废气腔6接近真空环境。

如图7所示为右汽缸18进气、左进气腔12进气过程示意图。右进气活塞2右移越过右进气腔21上右进气口20的位置时，右进气腔21内的压力大于右汽缸18内的压力，右进气阀19打开，实现从右进气腔21往右汽缸18里进气过程。

如图8所示为左汽缸6排气、右汽缸18压缩过程示意图。左排气活塞1向左移动，左汽缸16与左废气腔6连通，左汽缸16内的废气由于压差的作用迅速流向接近真空的左废气腔6，实现左汽缸16的废气排出过程。由于右气缸18体积的不断缩小，右汽缸18内的压力大于右进气腔21，右进气阀19关闭，右汽缸18的压缩过程开始。

如图9所示为右汽缸18排气、左废气腔6排气过程示意图。右气缸18压缩着火后，压缩活塞17继而返回向左移动。此过程中实现右气缸18的排气过程，同时实现右进气缸21的进气过程，左废气腔6的排废过程。

通过以上方式，燃气式自由活塞线性发动机的单个工作循环过程完成。随着左气缸16和右气缸18的持续交替地实现进气、压缩、燃烧以及膨胀过程。固定在活塞上的磁体8随着工字型活塞4做水平往复运动，与发电线圈7之间实现磁力线切割，实现燃气式自由活塞线性发电机的发电工作。

实施例2

一种发电机，包括燃气式自由活塞线性发动机。因而具有实施例1所述的一切有益效果，此处不再赘述。

应当理解，虽然本发明按照各个实施例描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列详细说明仅是针对本发明可行性实施例的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，包括工字型活塞(4)和缸体(22)；

所述工字型活塞(4)安装在缸体(22)中；

所述缸体(22)为对称空腔结构；所述缸体(22)分别对称设有左进气腔(12)和右进气腔(21)以及左废气腔(6)和右废气腔(10)；

所述工字型活塞(4)为对称结构，包括压缩活塞(17)、左进气活塞(14)、右进气活塞(2)、左排气活塞(1)和右排气活塞(9)；所述左进气活塞(14)和右进气活塞(2)对称分布在压缩活塞(17)一端的两侧；所述左排气活塞(1)和右排气活塞(9)对称分布在压缩活塞(17)另一端的两侧；

所述缸体(22)的空腔通过压缩活塞(17)分隔为左气缸(16)和右气缸(18)；

所述左进气腔(12)的一端和左废气腔(6)的一端分别与左气缸(16)连通；所述右进气腔(21)的一端和右废气腔(10)的一端分别与右气缸(18)连通；

所述左进气活塞(14)和右进气活塞(2)分别滑动安装在左进气腔(12)和右进气腔(21)中；所述左排气活塞(1)和右排气活塞(9)分别滑动安装在左废气腔(6)和右废气腔(10)中；

所述左进气腔(12)和右进气腔(21)上分别开有左进气口(13)和右进气口(20)；所述左进气口(13)和右进气口(20)对称设置在缸体(22)上；

所述左进气腔(12)的另一端通过管路与左气缸(16)连接，右进气腔(21)的另一端通过管路和右气缸(18)连接；

所述左进气腔(12)和左气缸(16)之间的管路上设有左进气阀(15)；所述右进气腔(21)和右气缸(18)之间的管路上设有右进气阀(19)；

所述左废气腔(6)的出口设有左废气腔阀(5)，右废气腔(10)的出口设有右废气腔阀(11)；

所述工字型活塞(4)在缸体(22)中对称居中时，左气缸(16)和右气缸(18)在压缩活塞(17)运动方向的长度为d；左排气活塞(1)的长度以及右排气活塞(9)的长度取值在d-2d之间。

2.根据权利要求1所述的燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，所述左进气阀(15)和右进气阀(19)为单向压力阀。

3.根据权利要求1所述的燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，所述左废气腔阀(5)和右废气腔阀(11)为单向压力阀。

4.根据权利要求1所述的燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，所述左进气口(13)和右进气口(20)之间距离大于等于左进气活塞(14)和右进气活塞(2)的端点距离。

5.根据权利要求1所述的燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，所述左排气活塞(1)的长度和左废气腔(6)的长度一致；所述右排气活塞(9)的长度和右废气腔(10)的长度一致。

6.根据权利要求1所述的燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，还包括发电装置模块(3)；所述发电装置模块(3)安装在工字型活塞(4)和缸体(22)上。

7.根据权利要求6所述的燃气式自由活塞线性发动机，其特征在于，所述发电装置模块(3)包括磁体(8)和发电线圈(7)；所述磁体(8)安装在工字型活塞(4)中；发电线圈(7)环绕缸体(22)的空腔。

8.一种发电机，包括权利要求1-7任意一项所述的燃气式自由活塞线性发动机。

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