CN202746009U

CN202746009U - 无撞击自由活塞爆排发动机

Info

Publication number: CN202746009U
Application number: CN2012202725806U
Authority: CN
Inventors: 靳北彪
Original assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Current assignee: Molecule Power Beijing Technology Co Ltd
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-06-08
Also published as: CN102720586A; CN102720586B

Abstract

本实用新型涉及一种自由活塞发动机，尤其是一种无撞击自由活塞爆排发动机。本实用新型包括自由活塞机构，所述自由活塞机构包括自由活塞和气缸，所述自由活塞设置在所述气缸内，还包括高压气体供给源，所述高压气体供给源经控制机构与所述自由活塞机构的所述气缸连通。本实用新型结构简单，成本低，克服了自由活塞发动机实用化过程中的撞击问题，并可提高效率，改善环保问题。

Description

无撞击自由活塞爆排发动机

技术领域

本实用新型涉及一种自由活塞发动机，尤其是一种无撞击自由活塞爆排发动机。

背景技术

自由活塞发动机具有效率高和结构简单等优势，但自由活塞发动机的活塞撞击和失火问题一直是影响自由活塞发动机得以实际应用的首要问题。因此，需要发明一种新型自由活塞发动机。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出的技术方案如下：

一种无撞击自由活塞爆排发动机，包括自由活塞机构，所述自由活塞机构包括自由活塞和气缸，所述自由活塞设置在所述气缸内，还包括高压气体供给源，所述高压气体供给源经控制机构与所述自由活塞机构的所述气缸连通。

所述高压气体供给源设为燃烧室，所述燃烧室经工质导入控制机构与所述气缸连通。

在所述燃烧室上设氧化剂入口。

在所述燃烧室上设还原剂入口。

在所述燃烧室上设膨胀剂入口。

一个所述燃烧室与多个所述自由活塞机构连通。

所述氧化剂入口与压气机的压气机压缩气体出口连通。

还包括含氧气体液化物源或含氧气体源，所述氧化剂入口与所述含氧气体液化物源或所述含氧气体源连通。

在所述氧化剂入口与所述压气机压缩气体出口连通的通道上设冷却器。

所述冷却器设为混合式冷却器或排热式冷却器。

所述压气机设为叶轮压气机。

在所述自由活塞机构的排气道上设涡轮动力机构。

在所述自由活塞机构的排气道上设涡轮动力机构，所述涡轮动力机构对所述压气机输出动力。

所述高压气体供给源设为含氧气体液化物储罐，所述含氧气体液化物储罐经含氧气体液化物控制阀与所述气缸连通。

所述自由活塞机构内设燃烧室，所述气缸上设排气阀和燃料喷射器。

在所述含氧气体液化物储罐和所述含氧气体液化物控制阀之间的通道上设低品质热源热交换器。

在所述含氧气体液化物储罐和所述含氧气体液化物控制阀之间的通道上设高压泵。

所述气缸上设有火花塞。

所述自由活塞的行程与所述自由活塞直径之比大于1。

所述自由活塞与动力输出单元连接，所述动力输出单元对外输出动力。

所述自由活塞经弹性体与振子连接。

所述燃烧室的承压能力大于等于4MPa。

一种提高提高无撞击自由活塞爆排发动机的效率和环保性的方法，调整即将开始做功的气体工质的温度和/或压力，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

调整即将开始做功的气体工质的温度到2000K以下，调整即将开始做功的气体工质的压力到15MPa以上。

选择性地，本实用新型中所述燃烧室的承压能力大于等于4MPa、4.5MPa、5MPa、5.5MPa、6MPa、6.5MPa、7MPa、7.5MPa、8MPa、8.5MPa、9MPa、9.5MPa、10MPa、10.5MPa、11MPa、11.5Pa、12MPa、12.5MPa、13MPa、13.5MPa、14MPa、14.5MPa、15MPa、15.5MPa、16MPa、16.5MPa、17MPa、17.5MPa、18MPa、18.5MPa、19MPa、19.5MPa、20MPa、22MPa、24MPa、26MPa、28MPa、30MPa、32MPa、34MPa、36MPa、38MPa或大于等于40MPa。

本实用新型的原理是，在所述自由活塞机构的所述自由活塞运动到接近所述气缸的气缸盖时，将所述高压气体供给源中提供的高压气体导入所述气缸中，阻止所述自由活塞向所述气缸的气缸盖运动，从而防止所述自由活塞与所述气缸的气缸盖撞击。

在所述高压气体供给源设为燃烧室的机构中，在所述自由活塞机构的自由活塞接近气缸盖时，将由所述燃烧室产生的高温高压工质定量正时充入所述自由活塞机构的气缸内，所述气缸内的压力迅速提高，以阻止所述自由活塞继续前行，防止所述自由活塞与所述气缸盖撞击；当所述自由活塞停止时，在高温高压工质的作用下所述自由活塞将加速运动远离气缸盖，与此同时，所述自由活塞对外输出动力；当所述自由活塞远离气缸盖达到一定程度时，所述自由活塞在外力作用下改变运动方向向接近所述气缸盖的方向运动，此时或略早于此时打开所述自由活塞机构的排气门，随着所述自由活塞不断接近气缸盖，废气不断从排气门排出；当所述自由活塞接近气缸盖达到一定程度时，所述燃烧室和所述气缸之间的工质导入控制机构将所述燃烧室产生的高温高压工质定量正时充入所述自由活塞机构的气缸内，此时，可将排气门关闭或将排气门略滞后关闭，在被导入的高温高压工质的作用下，活塞改变运动方向，进入下一循环，周而复始。上述外力是指一切可以使所述活塞改变运动方向的力，例如弹簧、对置设置的所述自由活塞机构等。

在所述高压气体供给源设为含氧气体液化物储罐的机构中，当所述自由活塞接近完成排气冲程时将含氧气体液化物控制阀打开，使一定量的含氧气体液化物以高压气体的形式充入气缸使活塞迅速减速停止上行，防止所述自由活塞与所述气缸盖撞击，此时向气缸内喷射燃油，使燃油与缸内气体发生燃烧化学反应，推动活塞对外做功。

本实用新型中，所谓的自由活塞发动机是指活塞没有或不受曲柄连杆机构限制，其上下止点位置不固定的活塞式热动力系统。

本实用新型中，所谓的爆排发动机是指由燃烧室和膨胀做功机构构成的，其循环过程只包括燃烧充气做功过程（燃烧室在所述自由活塞机构外部），或充气燃烧爆炸做功过程（燃烧室在所述自由活塞机构内部），和排气过程，没有一般内燃机的吸气过程和压缩过程的活塞式热动力系统。所谓的燃烧充气做功过程，是指燃烧室内的高温高压气体工质充入所述自由活塞机构并完成膨胀做功的过程。所谓的充气燃烧爆炸做功过程，是指向所述自由活塞机构内充入高压气体工质和燃料，然后通过压燃或点燃的方式使其在所述自由活塞机构内的燃烧室里燃烧爆炸，并完成膨胀做功的过程。

本实用新型中，所谓的燃烧室是指一切能够在其内部发生燃烧化学反应的容器，所谓的燃烧室可以是连续燃烧室，也可以是间歇燃烧室；所谓的自由活塞机构是指一切由自由活塞和气缸构成的气缸活塞机构。本实用新型中，所谓的工质导入控制机构是指受控制机构控制的阀。本实用新型中，所述自由活塞机构的活塞行程与活塞直径之比大于1、1.2、1.4、1.6、1.8、2、2.2、2.4、2.6、2.8或大于3。

本实用新型中，所谓的氧化剂是指一切化学燃烧意义上具有氧化功能的物质，在这里主要指空气、纯氧、高压含氧气体、过氧化氢和含氧气体液化物等；所谓的气体液化物是指被液化的气体，如液氧、液氮、液氢、液化空气、液氦等，所谓的含氧气体液化物是指被液化的含氧气体，如液氧、液化空气等。

本实用新型中，所谓的还原剂是指一切化学燃烧意义上具有还原功能的物质，在这里主要指汽油、柴油、天然气、氢气、醇类可燃物和煤气等碳氢化合物或碳氢氧化合物。

本实用新型中，所谓的膨胀剂是指不参与燃烧化学反应，用于增加工质总体摩尔数的物质，例如高压常温气体、高压低温气体或者受热后可以相变为气态的物质，例如液态水、液氮或气体液化物等。

本实用新型中，所谓的压气机是指一切能够将气体进行压缩的装置，如活塞式压气机、叶轮式压气机、螺杆式压气机等；所谓的排热式冷却器是指能够将热量从工质中排出的装置，例如散热器、热交换器等；所谓的混合式冷却器是指能够向工质内混入某种物质使工质降温的装置。

本实用新型中，所谓的叶轮压气机是指能够使气体压缩的叶轮机构，例如涡轮增压系统中的叶轮等；所谓的涡轮动力机构是指一切可以利用气体流动膨胀过程对外输出动力的叶轮机构，例如涡轮增压系统中的动力涡轮等。

本实用新型中，所谓的动力输出单元是指一切能够利用所述自由活塞机构的活塞的往复运动产生机械能、电能或液力压力能的机构，例如发电机、液压泵等。

本实用新型中，图14是气体工质的温度T和压力P的关系图，O-A-H所示曲线是通过状态参数为298K和0.1MPa的O点的气体工质绝热关系曲线；B点为气体工质的实际状态点，E-B-D所示曲线是通过B点的绝热关系曲线，A点和B点的压力相同；F-G所示曲线是通过2800K和10MPa（即目前内燃机中即将开始做功的气体工质的状态点）的工质绝热关系曲线。

本实用新型中，图14中的中的

是气体工质绝热指数，

是气体工质的压力，

是气体工质的温度，

是常数。

本实用新型中，所谓的类绝热关系包括下列三种情况：

1.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线上，即气体工质的状态参数点在图14中O-A-H所示曲线上；

2.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线左侧，即气体工质的状态参数点在图14中O-A-H所示曲线的左侧；

3.气体工质的状态参数（即工质的温度和压力）点在所述工质绝热关系曲线右侧，即气体工质的状态参数点在图14中O-A-H所示曲线的右侧，但是气体工质的温度不高于由此气体工质的压力按绝热关系计算所得温度加1000K的和、加950K的和、加900K的和、加850K的和、加800K的和、加750K的和、加700K的和、加650K的和、加600K的和、加550K的和、加500K的和、加450K的和、加400K的和、加350K的和、加300K的和、加250K的和、加200K的和、加190K的和、加180K的和、加170K的和、加160K的和、加150K的和、加140K的和、加130K的和、加120K的和、加110K的和、加100K的和、加90K的和、加80K的和、加70K的和、加60K的和、加50K的和、加40K的和、加30K的和或不高于加20K的和，即如图14所示，所述气体工质的实际状态点为B点，A点是压力与B点相同的绝热关系曲线上的点，A点和B点之间的温差应小于1000K、900K、850K、800K、750K、700K、650K、600K、550K、500K、450K、400K、350K、300K、250K、200K、190K、180K、170K、160K、150K、140K、130K、120K、110K、100K、90K、80K、70K、60K、50K、40K、30K或小于20K。

本实用新型中，所谓类绝热关系可以是上述三种情况中的任何一种，也就是指：即将开始做功的气体工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）点在如图14所示的通过B点的绝热过程曲线E-B-D的左侧区域内。

本实用新型中，所谓的即将开始做功的气体工质是指进入所述自由活塞机构即将开始膨胀做功的气体工质。

本实用新型中，将即将开始做功的气体工质的状态参数（即气体工质的温度和压力）符合类绝热关系的发动机系统（即热动力系统）定义为低熵发动机。

本实用新型中，调整所述冷却器的冷却强度，调整所述压气机的气体出口处的气体压力，调整所述膨胀剂入口处的膨胀剂的量可以实现使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

本实用新型中，根据热能与动力领域的公知技术，在必要的地方设置必要的部件、单元或系统。

本实用新型的有益效果如下:

本实用新型结构简单，成本低，克服了自由活塞发动机实用化过程中的撞击问题，还可以提高效率，并可改善环保问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2的结构示意图；

图3为本实用新型实施例3的结构示意图；

图4为本实用新型实施例4的结构示意图；

图5为本实用新型实施例5的结构示意图；

图6为本实用新型实施例6的结构示意图；

图7为本实用新型实施例7的结构示意图；

图8为本实用新型实施例8的结构示意图；

图9为本实用新型实施例9的结构示意图；

图10为本实用新型实施例10的结构示意图；

图11为本实用新型实施例11的结构示意图；

图12为本实用新型实施例12的结构示意图；

图13为本实用新型实施例13的结构示意图；

图14是气体工质的温度T和压力P的关系图；

图中：

1燃烧室、2自由活塞机构、3工质导入控制机构、4氧化剂入口、5还原剂入口、6膨胀剂入口、7压气机、8压气机压缩气体出口、9排热式冷却器、10混合式冷却器、11叶轮压气机、12排气道、13涡轮动力机构、14动力输出单元、15含氧气体液化物源、17弹性体、18振子、31自由活塞、32气缸、33含氧气体液化物储罐、34排气阀、35含氧气体液化物控制阀、36燃料喷射器、37火花塞、39高压泵、310低品质热源热交换器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示的无撞击自由活塞爆排发动机，包括燃烧室1和自由活塞机构2，所述燃烧室1设置在所述自由活塞机构2的外部，所述自由活塞机构2包括自由活塞31和气缸32，所述自由活塞31设置在所述气缸32内，所述燃烧室1经工质导入控制机构3与所述自由活塞机构2连通，在所述燃烧室1上设氧化剂入口4和还原剂入口5。所述燃烧室1的承压能力大于等于4MPa。

所述自由活塞31因没有曲柄连杆机构，其上，下止点的位置不是固定的，而是由所述气缸32内的实际压力决定，因此所述自由活塞31和所述气缸32的气缸盖之间容易发生撞击。本方案解决这个问题的原理及工作过程如下：当所述自由活塞31接近气缸盖时，所述工质导入控制机构3将由外设的所述燃烧室1产生的高温高压气体工质定量正时充入所述气缸32内，使所述气缸32内的压力迅速提高，即可阻止所述自由活塞31继续前行，从而防止了所述自由活塞31与所述气缸盖撞击。当所述自由活塞31停止时，在高温高压工质的作用下所述自由活塞31将加速运动远离气缸盖，与此同时，所述自由活塞31可对外输出动力。由此完成所述无撞击自由活塞爆排发动机的燃烧充气做功过程。

本实施例中，所述自由活塞机构的活塞形成与活塞直径之比为1，使所述无撞击自由活塞爆排发动机以大行程的工作模式工作，提高系统的效率。选择性地，所述自由活塞机构的活塞形成与活塞直径之比还可以为1.2、1.4、1.6、1.8、2、2.2、2.4、2.6、2.8、3或4。

实施例2

如图2所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例1的区别在于：在所述燃烧室1上还设膨胀剂入口6，所述自由活塞31与动力输出单元14连接，所述动力输出单元14对外输出动力，所述动力输出单元14设为发电机。

在工作过程中，通过所述膨胀剂入口6可以将膨胀剂导入所述燃烧室1，由此可以提高所述燃烧室1内工质的压力，并可降低工质的温度。通过控制膨胀剂的导入量，可以实现使即将开始做功的气体工质的温度控制在2000K以下，使即将开始做功的气体工质的压力控制在15MPa以上，从而使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系，以提高发动机的效率并改善发动机排气的环保性。

本实施例中，所述膨胀剂为液态水。根据实际需求，所述膨胀剂还可以采用高压常温气体、高压低温气体或者其他受热后可以相变为气态的物质，例如液氮或气体液化物等。

实施例3

如图3所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例1的区别在于：一个所述燃烧室1与两个所述自由活塞机构2连通。

实施例4

如图4所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例3的区别在于：以实施例3的结构作为基本动力单元，两个所述基本动力单元对置设置构成四缸发动机，并且所述工质导入控制机构3设为由所述自由活塞直接控制的直动阀。

实施例5

如图5所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例1的区别在于：所述氧化剂入口4与压气机7的压气机压缩气体出口8连通。

实施例6

如图6所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例5的区别在于：在所述氧化剂入口4与所述压气机压缩气体出口8连通的通道上设排热式冷却器9，所述排热式冷却器9设为散热器。

具体实施时，所述排热式冷却器9还可以设为热交换器。

为了提高所述无撞击自由活塞爆排发动机的效率和环保性，通过调整氧化剂和还原剂的导入量，调整所述散热式冷却器9的排热量，实现使即将开始做功的气体工质的温度控制在1800K以下，使即将开始做功的气体工质的压力控制在18MPa以上，从而使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系，以提高发动机的效率并改善发动机排气的环保性。

实施例7

如图7所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例5的区别在于：在所述氧化剂入口4与所述压气机压缩气体出口8连通的通道上设混合式冷却器10。

为了提高所述无撞击自由活塞爆排发动机的效率和环保性，使即将开始做功的气体工质的温度和压力符合类绝热关系。

实施例8

如图8所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例5的区别在于：所述压气机7设为叶轮压气机11，在所述自由活塞机构2的排气道12上设涡轮动力机构13，所述涡轮动力机构13对所述叶轮压气机11输出动力。

实施例9

如图9所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例1的区别在于：所述氧化剂入口4与含氧气体液化物源15连通。

在具体实施时，所述含氧气体液化物源15也可用含氧气体源代替。

实施例10

如图10所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例1的区别在于：以实施例1中的所述自由活塞机构2作为基本动力单元，两个所述基本动力单元对置设置构成双缸发动机，两个所述自由活塞机构2共用一个所述燃烧室1。

实施例11

如图11所示的无撞击自由活塞爆排发动机，包括燃烧室1和自由活塞机构2，所述燃烧室1设置在所述自由活塞机构2的内部，所述自由活塞机构2包括自由活塞31和气缸32，所述自由活塞31设置在所述气缸32内，所述气缸32上设有排气阀34和燃料喷射器36。本实施例中，所述高压气体供给源设为含氧气体液化物储罐33，所述气缸32经含氧气体液化物控制阀35与所述含氧气体液化物罐33连通，所述气缸32经所述排气阀34与排气道12连通。本实施例中，所述燃烧室1的承压能力设为14MPa。

当所述自由活塞31接近完成排气冲程时将所述含氧气体液化物控制阀35打开，使一定量的含氧气体液化物以高压气体的形式充入所述气缸32使所述自由活塞31迅速减速停止上行，从而防止所述自由活塞31与所述气缸盖撞击。此时向所述气缸32内喷射燃油，通过压燃方式使燃油与缸内气体发生燃烧化学反应，推动所述自由活塞31对外做功。由此完成所述无撞击自由活塞爆排发动机的充气燃烧爆炸做功过程。

本实施例中，所述燃烧室1的承压能力设为34MPa。

实施例12

如图12所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例11的区别在于：所述含氧气体液化物储罐33和所述含氧气体液化物控制阀35之间设有高压泵39和低品质热源热交换器310，本实施例中，所述燃烧室1中以点燃的方式发生燃烧化学反应，因此所述气缸32上还设有火花塞37。

本实施例中，所述燃烧室1的承压能力设为40MPa。

实施例13

如图13所示的无撞击自由活塞爆排发动机，其与实施例12的区别在于：所述自由活塞31经弹性体17与振子18连接。

可选择地，在上述实施例1、3、5～9、11或12中，所述自由活塞31也可经所述弹性体17与所述振子18连接。

显然，本实用新型不限于以上实施例，根据本领域的公知技术和本实用新型所公开的技术方案，可以推导出或联想出许多变型方案，所有这些变型方案，也应认为是本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种无撞击自由活塞爆排发动机，包括自由活塞机构（2），所述自由活塞机构（2）包括自由活塞（31）和气缸（32），所述自由活塞（31）设置在所述气缸（32）内，其特征在于：还包括高压气体供给源，所述高压气体供给源经控制机构与所述自由活塞机构（2）的所述气缸（32）连通。

2.如权利要求1所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述高压气体供给源设为燃烧室（1），所述燃烧室（1）经工质导入控制机构（3）与所述气缸（32）连通。

3.如权利要求2所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述燃烧室（1）上设氧化剂入口（4）。

4.如权利要求2所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述燃烧室（1）上设还原剂入口（5）。

5.如权利要求2所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述燃烧室（1）上设膨胀剂入口（6）。

6.如权利要求2所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：一个所述燃烧室（1）与多个所述自由活塞机构（2）连通。

7.如权利要求3所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述氧化剂入口（4）与压气机（7）的压气机压缩气体出口（8）连通。

8.如权利要求3所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：还包括含氧气体液化物源（15）或含氧气体源，所述氧化剂入口（4）与所述含氧气体液化物源（15）或所述含氧气体源连通。

9.如权利要求7所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述氧化剂入口（4）与所述压气机压缩气体出口（8）连通的通道上设冷却器。

10.如权利要求9所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述冷却器设为混合式冷却器（10）或排热式冷却器（9）。

11.如权利要求7所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述压气机（7）设为叶轮压气机（11）。

12.如权利要求2所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述自由活塞机构（2）的排气道（12）上设涡轮动力机构（13）。

13.如权利要求7所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述自由活塞机构（2）的排气道（12）上设涡轮动力机构（13），所述涡轮动力机构（13）对所述压气机（7）输出动力。

14.如权利要求1所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述高压气体供给源设为含氧气体液化物储罐（33），所述含氧气体液化物储罐（33）经含氧气体液化物控制阀（35）与所述气缸（32）连通。

15.如权利要求14所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述自由活塞机构（2）内设燃烧室（1），所述气缸（32）上设排气阀（34）和燃料喷射器（36）。

16.如权利要求14所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述含氧气体液化物储罐（33）和所述含氧气体液化物控制阀（35）之间的通道上设低品质热源热交换器（310）。

17.如权利要求14所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：在所述含氧气体液化物储罐（33）和所述含氧气体液化物控制阀（35）之间的通道上设高压泵（39）。

18.如权利要求14至17任一项所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述气缸（32）上设有火花塞（37）。

19.如权利要求1至17任一项所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述自由活塞（31）的行程与所述自由活塞（31）直径之比大于1。

20.如权利要求1至17任一项所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述自由活塞（31）与动力输出单元（14）连接，所述动力输出单元（14）对外输出动力。

21.如权利要求1至17任一项所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述自由活塞（31）经弹性体（17）与振子（18）连接。

22.如权利要求2或15所述无撞击自由活塞爆排发动机，其特征在于：所述燃烧室（1）的承压能力大于等于4MPa。